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工程陶瓷简介

工程陶瓷,又叫氮化硅陶瓷或高强度陶瓷,是以硅粉为原料,分别采用反应烧结和热压两种工艺方法制造而成。它几乎具备了现代陶瓷家族中的一切长处,强度一般都很高,具有极其优良的耐磨性和耐化学腐蚀,还是一种很好的电绝缘材料。

工程陶瓷的性能特点

1、硬度大,一般硬度大于HRA80以上,最高可达到92以上。

2、耐磨性能极好:是普通碳钢的至少200以上,高铬铸铁的10倍以上。

3、重量轻:氧化铝比重一般只有3.6左右,碳化硅为2.7左右,氧化锆为6左右。

4、耐热性能好:不同耐磨陶瓷的耐热性不尽相同,但用于耐颗粒冲刷场合,耐热性没有任何问题。

工程陶瓷的优点

1、强度高:

工程陶瓷几乎具备了现代陶瓷家族中的一切长处,它们的强度都很高,特别是热压氮化硅,室温抗弯强度一般都在8000-10000公斤/厘米2的范围内,如果添加入量氧化钇和氧化铝的热压氮化硅,室温抗弯强度竟可达15000公斤/厘米2,使陶瓷材料的强度越过了一万公斤的大关,这在陶瓷材料中可以说是名列前茅了,它的硬度也很高,是世界上最坚硬的物质之一,它极耐高温,受热后不熔融成液体,而一直到1900℃方才分解为硅和氮。

2、耐磨耐腐蚀:

工程陶瓷又有极其优良的耐磨性和耐化学腐蚀的本领,是制造各种易腐蚀部件的好材料,它能耐几乎所有的无机酸(氢氟酸除外)和30%以下的烧碱溶液,它也能耐很多有机物质的侵蚀,它还可以耐很多熔融的有色金属的侵蚀,特别是铝液,铝液对氮化硅是不润湿的,所以用它做成接触铝液的结构部件不会有玷污之虞。

3、绝缘:

氮化硅陶瓷还是一种很好的电绝缘材料,它的电绝缘性能可以和氧化铝陶瓷相比,它还有透微波的性能,可以用作雷达天线罩,它的介电性能随温度的变化甚小,在高温下至少可用到550℃,它的抗热震性能在各类陶瓷中是比较优越的,这使它有可能在六个马赫(即六倍于音速),甚至于可在七个马赫的飞行速度下使用。

4、全能:

工程陶瓷及其衍生物陶瓷本领高强,素被誉为“陶瓷之王”的氧化铝陶瓷也不及它,难怪人们赞美工程陶瓷(氮化硅陶瓷)为陶瓷家族中的“全能冠军”。

工程陶瓷的应用

在空间技术领域,制造宇宙飞船需要能承受高温和温度急变、强度高、重量轻且长寿的结构材料和防护材料,在这方面,结构陶瓷占有绝对优势,从第一艘宇宙飞船即开始使用高温与低温的隔热瓦,碳-石英复合烧蚀材料已成功地应用于发射和回收人造地球卫星,未来空间技术的发展将更加依赖于新型结构材料的应用,在这方面结构陶瓷尤其是陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料远远优于其他材料。

在军事工业的发展方面,高性能结构陶瓷占有举足轻重的作用,例如先进的亚音速飞机,其成败就取决于具有高韧性和高可靠性的结构陶瓷和纤维补强的陶瓷基复合材料的应用。

工程陶瓷的加工方法

1、elid镜面磨削技术:

采用elid技术可以解决金属结合剂超硬磨料微粉砂轮进行磨削时,砂轮表面极易堵塞的问题,进而保证砂轮在磨削过程中始终保持锐利状态。此技术可对工程结构陶瓷进行高效镜面磨削,其表面粗糙度ra值达10nm以下的水半。因此,elid镜面磨削技术可部分代替传统的研磨抛光工艺,并且技术简便,易于实现,在大型和超大型结构陶瓷件制造中以及电子工业的陶瓷基板纳米级表面中发挥作用。

2、延性域磨削方法:

由于结构陶瓷材料脆性较大,精密加工时极易产生磨削裂纹,这一点是航空,航天零件禁忌的,如应用于航宅发动机、航天火箭等尖端产品中的结构陶瓷。近年来世界各国都竞相开发结构陶瓷材料表面无损伤的高效加工新方法。实现结构陶瓷无损伤加工最有效的技术是延性域磨削。

3、超高速磨削技术:

超高速磨削技术一般是指砂轮速度≥150m/s的高速磨削。根据单颗磨粒切刃的未变形切削最大厚度计算公式,在保持其他参数不变的条件下,当砂轮线速度提高时,单位时间内参与切削的磨粒数增加,每个磨粒切下的磨削厚度变小,那么每个蘑粒承受的磨削力变小,总磨削力也大幅度降低。同时,单颗磨粒磨削厚度变小可使得砂轮的耐用度提高及磨削表面的粗糙度降低。另外,如果通过调整参数使砂轮磨粒切削厚度保持一定,则在提高的同时,单位时间磨除量可以增加,生产率得以提高。

4、超声波振动磨削技术:

国内外的大量研究和实验表明,在陶瓷加工中引入超声波振动,不但能够大幅度提高磨削效率,而且能有效地改善陶瓷磨削表面质量。其基本原理是利用陶瓷材料脆、受力时裂纹会扩展这一特点对旋转的砂轮施以轴向或横向的超声波振动,让磨粒冲击工件,从而产生脆性破坏,达到磨削陶瓷材料的目的。超声波磨削时,由于砂轮和工件表面问有微小的间隙,磨削液容易进入,切屑容易排出,可有效防止砂轮堵塞;振动也使砂轮的自锐性增强从而保持良好的切削能力。

5、精密砂带磨削技术:

砂带磨削是一种新的高效磨削技术,具有磨削、研磨及抛光的多重作用,能进行外圆、内圆、平面、型面的磨削,可以获得高的加工精度和表面质量,应用前景和应用范围非常广泛。又因为它属于弹性磨削,所以工件变形小,磨削表面温度低,已加工表面的冷硬层和残余应力仅为砂轮磨削的1/10左右。近年来出现了一种超精密砂带磨削技术,即磨削加工、研磨加工、振动加工三合一的复合加工,主要用于精密元件的加工。

6、“一次行程”镜面磨削技术:

“一次行程”(onepass)镜面磨削技术是由日本的市田良夫教授提出的一种使用超硬磨料砂轮磨削结构陶瓷的高效率、高质量镜面加工方法。其加工工艺是从粗磨直接过渡到镜面磨削。“一次行程”镜面磨削技术的磨削原理是,在一次磨削行程中,选择合适的磨削深度,使被切削掉的材料能完全去除粗磨工序引起的加工变质层,并保证磨削表面少裂纹或无裂纹,从而直接生成镜面。

7、超精密砂轮磨削技术:

超精密砂轮磨削技术是指被加工零件的尺寸精度高于0.1μm,表面粗糙度ra<-0.025μm的磨削加工技术。目前使用超硬磨料微粉砂轮对工程陶瓷等硬脆材料进行磨削是较为先进的磨削技术,其基本原理是采用固结微粉磨料获得材料的微量去除以达到低ra值。由于磨粒去除的切屑极薄,磨粒表面会受到很高的压力和很高的温度,所以必须使用人造金刚石、立方氮化硼等超硬磨料砂轮。

8、超精密研磨与抛光技术:

研磨与抛光技术是一种以原子、分子为加工单位的研磨加工方法(加工精度高于0.1μm,表面粗糙度ra<0.02μm),其基本原理是采用游离磨料对加工表面进行微细去除。

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