氧化鋯陶瓷手機(jī)后蓋的制備工藝

張 杰，張建翔

(蚌埠學(xué)院 機(jī)械與車輛工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233000)

第5代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展表明一個(gè)全新的移動(dòng)通信時(shí)代已經(jīng)到來。5G網(wǎng)絡(luò)不僅提高了對(duì)通信技術(shù)的要求，也給手機(jī)機(jī)身造型設(shè)計(jì)帶來了一定的挑戰(zhàn)，對(duì)手機(jī)機(jī)身材質(zhì)性能提出了更加嚴(yán)格的要求[1]。

小米5尊享版(2016年)、小米MIX2S(2018年)、小米MIX3(2018年)、三星S10(2019年)和2020年上市銷售的華為P40、OPPO FindX2等眾多手機(jī)品牌的高端旗艦機(jī)型均采用了陶瓷后蓋。手機(jī)陶瓷機(jī)身從一開始的2D直板型演變到如今的四曲面工藝造型；以小米MIX2S翡翠綠陶瓷手機(jī)為開端，機(jī)身顏色也從黑白兩色轉(zhuǎn)入彩色時(shí)代。但是由于目前制備工藝水平的限制，陶瓷手機(jī)后蓋產(chǎn)品的良率較低，且價(jià)格昂貴，所以目前只用于各大手機(jī)品牌的旗艦機(jī)型。今后，隨著制備工藝日益成熟，同時(shí)得益于5G通信的快速發(fā)展，陶瓷手機(jī)后蓋必定有廣闊的市場(chǎng)前景[2-3]。

1 氧化鋯陶瓷材料

氧化鋯陶瓷具有優(yōu)異的物理性能及良好的力學(xué)性能，隨著其成型技術(shù)的發(fā)展，在醫(yī)療、電子產(chǎn)品和傳感器等眾多領(lǐng)域均有廣泛的應(yīng)用。

后蓋采用氧化鋯陶瓷材質(zhì)的手機(jī)機(jī)身具有良好的通信信號(hào)透過率，信號(hào)接收能力強(qiáng)，其硬度、密度及抗彎強(qiáng)度等明顯優(yōu)于塑料和玻璃材質(zhì)，并且具有無電磁干擾，不具備磁性的特點(diǎn)，同時(shí)，由于陶瓷材質(zhì)具有良好的可塑性，通過對(duì)機(jī)身表面的細(xì)致處理可塑造出更加高端的視覺形象[2]。

常見的手機(jī)后殼材料性能如表1所示[3]。由表1可知，氧化鋯用作手機(jī)后殼材料具有良好的機(jī)械性能，具體表現(xiàn)在機(jī)械強(qiáng)度、耐磨耐腐蝕性、抗氧化性、熱穩(wěn)定性和熱傳導(dǎo)性等方面。同時(shí)采用特有的燒結(jié)技術(shù)可使氧化鋯材料具備較好的可加工性，滿足手機(jī)后蓋的多曲面設(shè)計(jì)需求，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的加工量產(chǎn)。而且氧化鋯陶瓷原材料儲(chǔ)量豐富，使其作為5G通信時(shí)代性能優(yōu)良的手機(jī)機(jī)身材料，具有較高應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景[3]。

表1 常用手機(jī)后殼材料性能Table 1 Material properties of common mobile phone back shell

1.1 氧化鋯陶瓷的燒結(jié)

陶瓷塊體材料是由陶瓷粉末燒結(jié)成型的。燒結(jié)技術(shù)直接影響燒結(jié)成型塊體的微觀晶體結(jié)構(gòu)，進(jìn)而影響材料的物理及機(jī)械性能。在燒結(jié)過程中，陶瓷粉末會(huì)逐漸地轉(zhuǎn)變?yōu)闊崴苄誀顟B(tài)，通過物質(zhì)擴(kuò)散遷移使晶粒之間互相鍵聯(lián)，發(fā)生晶界遷移、晶粒長大。燒結(jié)過程中的物質(zhì)擴(kuò)散遷移使得材料逐漸致密化，最終燒結(jié)成致密的多晶體塊體陶瓷材料[4-5]。

氧化鋯存在立方相(c-ZrO2)、四方相(t-ZrO2)和單斜相(m-ZrO2)3種晶體結(jié)構(gòu)，3種晶體的物理性能如表2所示。其中四方相氧化鋯陶瓷是三者中力學(xué)性能最好的一種，具有良好的韌性及可加工性[6]。

氧化鋯陶瓷在燒結(jié)的升溫及冷卻過程中，會(huì)出現(xiàn)3種相結(jié)構(gòu)的互相轉(zhuǎn)變，這種轉(zhuǎn)變是可逆的。當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到1 170 ℃以上時(shí)，單斜相氧化鋯會(huì)轉(zhuǎn)變成四方相氧化鋯，當(dāng)溫度冷卻時(shí)，會(huì)發(fā)生四方相氧化鋯到單斜相氧化鋯的逆向轉(zhuǎn)變，為了在常溫下獲得四方相氧化鋯，可通過加入穩(wěn)定劑阻止上述逆向轉(zhuǎn)變發(fā)生，常見的穩(wěn)定劑有Y2O3、TiO2等[4-6]。

此外，要制備彩色氧化鋯陶瓷，還需加入CoO、Cr2O3、Fe2O3等過渡金屬或者稀土金屬的氧化物作為著色相。目前常用的彩色陶瓷制備方法有：固相混合法、液相浸滲法、化學(xué)共沉淀法等。要制備出顏色豐富、性能良好的彩色氧化鋯陶瓷,在燒結(jié)過程中必須注意避免著色相和陶瓷基體產(chǎn)生的團(tuán)聚現(xiàn)象[7]。

表2 氧化鋯的基本物理性能Table 2 Basic physical properties of zirconia

1.2 氧化鋯陶瓷后蓋的加工

氧化鋯陶瓷材料分子結(jié)構(gòu)致密，硬度高、脆性大，屬于難加工材料，但當(dāng)其為四方相晶體結(jié)構(gòu)時(shí)則具有一定的韌性，并且由于脆性材料切削加工存在延性域，通過調(diào)整合適的切削參數(shù)，可使其材料切屑以塑性變形的方式被去除，避免脆性材料出現(xiàn)因切削而產(chǎn)生的缺陷[8]。

燒結(jié)成型后的氧化鋯陶瓷毛坯可采用CNC機(jī)床加工。目前用于氧化鋯陶瓷手機(jī)后蓋加工的刀具多選用單層金剛石電鍍砂輪，這種砂輪主要以Ni基材料作為基體，對(duì)金剛石磨粒具有很強(qiáng)的機(jī)械把持力，可保持磨頭表面的磨粒鋒利度、容屑空間及加工能力。單層磨粒砂輪保持了一定的圓度誤差，解決了多層磨粒砂輪中磨粒脫落而導(dǎo)致的砂輪不平度等問題，同時(shí)也提高了加工效率。使用不同粒度的金剛石磨粒配合不同的切削參數(shù)可以實(shí)現(xiàn)手機(jī)陶瓷后蓋的粗、精加工，目前常用的電鍍金剛石砂輪粒度有80目、100目和200目，選擇不同砂輪能滿足不同產(chǎn)品相應(yīng)的加工質(zhì)量及精度要求[9-10]。

用于氧化鋯陶瓷加工的CNC機(jī)床應(yīng)達(dá)到以下要求：主軸高轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速可達(dá)30 000 r/min，帶刀庫功能可自動(dòng)換刀，360°無死角冷卻噴水，支持自動(dòng)探測(cè)功能，支持刀具長度、刀具直徑、路徑旋轉(zhuǎn)等補(bǔ)償功能，以及為延長磨頭壽命，機(jī)床應(yīng)具有一定的剛性和抑震性。

2 陶瓷手機(jī)后蓋的制備工藝

陶瓷手機(jī)后蓋的制備工藝按加工順序主要分為：干壓/燒結(jié)、外形磨邊、粗磨厚度、CNC內(nèi)腔加工、CNC弧面外形粗加工、退火、精磨平面、粗拋、激光切割、CNC弧面外形精加工、精拋。具體加工流程可根據(jù)工藝要求進(jìn)行調(diào)整。

2.1 干壓/燒結(jié)

氧化鋯陶瓷粉體在壓力作用下被壓制成具有一定形狀的致密坯體，這種坯體在燒結(jié)前是由許多單個(gè)固體顆粒組成的，坯體中存在許多氣孔，氣孔率一般為40%～60%。對(duì)固態(tài)素坯進(jìn)行高溫加熱時(shí)，素坯中的固體顆粒會(huì)發(fā)生物質(zhì)遷移，達(dá)到某一溫度時(shí)坯體發(fā)生收縮，出現(xiàn)晶粒長大，伴隨氣孔排除，最終在低于熔點(diǎn)的溫度下，素坯變成多晶的陶瓷材料。這一過程中出現(xiàn)的不良現(xiàn)象主要表現(xiàn)為表面翹曲、裂紋等缺陷，可以通過調(diào)節(jié)燒結(jié)溫度曲線進(jìn)行改良。

文獻(xiàn)[11]指出，在氧化鋯陶瓷粉體成型時(shí)將其放入手機(jī)后蓋模具中進(jìn)行壓實(shí)處理，所得的素坯經(jīng)過燒結(jié)后得到的毛坯尺寸精度較高，加工余量小，可提高生產(chǎn)效率，降低企業(yè)成本。

2.2 磨床加工

使用金剛石砂輪磨床對(duì)來料毛坯的外形四邊進(jìn)行磨邊修平，對(duì)背面進(jìn)行粗磨加工，減薄厚度，按照設(shè)計(jì)工藝標(biāo)準(zhǔn)加工至相應(yīng)尺寸。進(jìn)行外形修邊及厚度減薄加工的毛坯，具有相應(yīng)的精度，粗磨平面的背面作為CNC內(nèi)腔加工的加工基準(zhǔn)，精修四邊能夠?qū)崿F(xiàn)CNC工序中自動(dòng)檢測(cè)分中定位的精度要求，滿足相應(yīng)的工藝基準(zhǔn)。

2.3 CNC內(nèi)腔加工

氧化鋯陶瓷手機(jī)后蓋的CNC加工需要使用數(shù)控自動(dòng)編程軟件，加工前需要對(duì)相應(yīng)的手機(jī)模型進(jìn)行建模。CNC內(nèi)腔加工對(duì)象主要是后蓋的內(nèi)腔曲面、內(nèi)高及外圍尺寸。使用磨床粗磨后的毛坯背面作為基準(zhǔn)進(jìn)行定位，制作亞克力材質(zhì)的真空吸附治具，模型如圖1所示。最外圈采用密封條進(jìn)行密封，其余氣槽保證真空吸附均勻。用自動(dòng)探測(cè)探頭進(jìn)行四周分中和旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償定位，選用不同目數(shù)的電鍍金剛石磨頭，通過粗、精加工分別將內(nèi)腔及外形等加工至工藝要求的尺寸。一般情況下手機(jī)陶瓷后蓋的內(nèi)腔不直接面對(duì)消費(fèi)者，其表面質(zhì)量要求較背面而言較低。加工好的內(nèi)腔具有相應(yīng)的尺寸及精度要求，作為CNC弧面外形粗加工的基準(zhǔn)。

圖1 CNC加工真空吸附治具模型Fig 1 Model of vacuum adsorption fixture for CNC machining

2.4 CNC弧面外形加工

CNC弧面外形加工主要是對(duì)手機(jī)后蓋的外弧面進(jìn)行加工，因此，CNC內(nèi)腔加工時(shí)內(nèi)腔面需要與夾具表面進(jìn)行貼合定位，此工序一般需要根據(jù)手機(jī)內(nèi)腔弧面，制作亞克力材質(zhì)的真空吸附仿形治具，用自動(dòng)探測(cè)探頭進(jìn)行四周分中和旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償定位，然后采用不同目數(shù)的電鍍金剛石磨頭對(duì)外弧面進(jìn)行粗、精加工。

2.5 精磨平面與退火

經(jīng)過CNC外弧面加工的表面變形較大，翹曲嚴(yán)重，需要經(jīng)過精磨修正平面翹曲。由于CNC加工及精磨平面工序去除的余量較大，此時(shí)工件的應(yīng)力變形較大，需要通過退火處理消除應(yīng)力。

2.6 粗拋與激光切割

經(jīng)過兩道CNC加工工序，磨頭會(huì)在工件表面留下明顯刀印，需要進(jìn)行粗拋去除，粗拋后進(jìn)行攝像孔及閃光孔的激光切割。粗拋工序放在激光切割之前是因?yàn)榧す馇懈罟ば驎?huì)產(chǎn)生很多碎渣留在切割表面，粗拋時(shí)碎渣脫落會(huì)劃傷工件表面導(dǎo)致良率降低。同時(shí)，由于激光切割產(chǎn)生的碎渣殘留，需要對(duì)工件進(jìn)行CNC精加工。

2.7 CNC弧面外形精加工及精拋

采用電鍍金剛石磨頭對(duì)激光切割過的孔及弧面外形進(jìn)行精修，達(dá)到表面質(zhì)量及尺寸要求后進(jìn)行精拋加工，以達(dá)到最終產(chǎn)品要求。

上述為氧化鋯陶瓷手機(jī)后蓋的主要制備工藝。氧化鋯陶瓷屬于脆性難加工材料，采用金剛石刀具用CNC機(jī)床進(jìn)行加工，可以使其具有更為復(fù)雜精美的外觀。CNC銑削加工對(duì)于陶瓷手機(jī)后蓋成型十分重要。精雕機(jī)常采用高轉(zhuǎn)速、快進(jìn)給、小被吃刀量的切削模式進(jìn)行銑削加工，調(diào)整合適的切削參數(shù)使陶瓷材料在加工過程中通過缺陷和裂紋的成形或延展、剝落及碎裂等方式去除，解決脆性材料難加工的問題。

3 結(jié)語

5G通信時(shí)代，隨著通信技術(shù)的發(fā)展及消費(fèi)者需求的提高，對(duì)手機(jī)機(jī)身材質(zhì)性能的要求越來越高。氧化鋯陶瓷因其優(yōu)異的性能，越來越多地被應(yīng)用到手機(jī)后蓋材質(zhì)中，隨著手機(jī)陶瓷后蓋制備工藝水平的不斷發(fā)展，產(chǎn)品良率將不斷提升，生產(chǎn)成本進(jìn)一步降低，陶瓷手機(jī)后蓋必定有更加廣闊的市場(chǎng)前景。