1、用陶瓷材料做刀具

在金屬材料機械加工中, 切削加工是最基本、最可靠的精密加工手段, 刀具材料的性能對切削加工效率、精度、表面質量、刀具壽命有著決定性的影響。在現代切削加工中, 陶瓷刀具材料以其優異的耐熱性、耐磨性和化學穩定性, 在高速切削領域和切削難加工材料方面扮演著越來越重要的角色。陶瓷刀具材料主要包括氧化鋁、氮化硅及賽隆系列。其他陶瓷材料, 例如氧化鋯、硼化鈦陶瓷等作為刀具材料也有使用。

?2、氧化鋁系列

純的氧化鋁陶瓷含 Al 2 O 3 99% 以上, 強度低, 抗熱震性及斷裂韌性較差, 切削時易崩刃, 故沒有廣泛使用。碳化物、氮化物和硼化物材料具有很高的強度和硬度, 可以作為 Al 2 O 3 陶瓷中的增強相。這類物質包括TiC、TiN、TiB 2 、Ti( CN) 、WC、ZrC 等。采用重復熱壓工藝制備Al 2 O 3 - Ti( CN) 刀具材料, 抗彎強度可達 820MPa, 斷裂韌性7. 4MPa#m1P2 , 維氏硬度 20. 4GPa。切削試驗表明: 此種材料適合連續切削鑄鐵和硬化鋼, 尤其適合間歇切削硬化鋼。晶須是一種廣泛使用的增強增韌陶瓷材料, 增強Al 2 O 3 使用的主要是 SiC、Si 3 N 4 晶須。SiC 晶須在Al 2 O 3基體中起加強棒的作用, 并使應力在基體內分散。這種陶瓷刀具斷裂韌性、強度和硬度都比較高, 非常適合加工鎳基耐熱合金及較低的切削速度加工各種鑄鐵和非金屬脆性材料。Si 3 N 4 晶須加入到 Al 2 O 3 基體中可以提高陶瓷的抗熱沖擊性, 適合切削鎳鉻鐵耐熱合金材料氧化鋯相變增韌是一種廣泛使用的增韌工藝。在Al 2 O 3 材料中加入15% 部分穩定的氧化鋯, 1 550 e 真空燒結 2 h, 制備出 ZrO 2 - Al 2 O 3 復合材料, 斷裂韌性8. 2MPa#m1P2 , 抗彎強度可達 884MPa。這類陶瓷刀具具有較好的韌性和抗熱沖擊性, 但耐磨性較差, 主要用于鑄鐵和合金的粗加工。

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3、?氮化硅系列

氮化硅材料是在氧化鋁材料以后出現的一種刀具材料。它比氧化鋁材料的強度和斷裂韌性高, 其抗彎強度一般可達 900~ 1 000MPa, 斷裂韌性 5~ 7MPa#m1P2 , 硬度 91~ 93HRA, 耐熱性可達1 300~ 1 400 e , 不易產生裂紋, 可以獲得穩定的使用壽命。采用熱壓自增韌的方法可以進一步提高氮化硅陶瓷的強度和韌性, 即控制燒結過程, 使一部分氮化硅晶粒發育成具有較大長徑比的棒狀晶粒( 晶粒的長徑比可達 3~ 8) , 從而獲得類似于晶須增韌的效果, 斷裂韌性可達 10. 02MPa#m1P2 。這種自增韌陶瓷刀具是一種適合切削冷硬鑄鐵和淬硬鋼的刀具材料, 特別適合于斷續切削。在氮化硅基體中添加適量金屬碳化物等復合強化劑, 利用復合強化效應制成的氮化硅復合陶瓷, 其性能比熱壓氮化硅陶瓷優越得多。在 Si 3 N 4 中添加 Al 2 O 3 、Y 2 O 3 、TiC、TiN 和MgO 等成分, 可以采用冷壓燒結而降低成本。B- 賽隆就是在 Si 3 N 4 中加入 Al 2 O 3 燒結而成, 兼有 Al 2 O 3 和 Si 3 N 4 的特性, 其熱硬性比硬質合金和Al 2 O 3 都高, 刀尖溫度高于 1 000 e 時仍可高速切削。其最大特點是可提高切削速度, 加大進給量, 提高

金屬切削率, 延長刀具壽命。納米材料是近年來研究的熱點, 廣泛應用到材料科學的各個方面。以Si- C- N 納米微粉為增強相, 以Si3 N4 為基體, Y2 O3 、La2 O3 為燒結助劑, 采用熱壓法制備了SiCp - Si3N4? 納米復相陶瓷。其室溫、高溫力學性能比氮化硅單相陶瓷有較大提高, 斷裂韌性分別為11.78Mpam1/2 和14.69Mpam1/2 (1350℃)抗彎強度分別為934 MPa 和 696 MPa( 溫度 1 350℃)

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4、用陶瓷材料做軸承

傳統的軸承多采用金屬制成, 以油作為潤滑介質。但在使用中有許多缺點, 如不適用于高溫、高速、有化學腐蝕的場合, 油潤滑易泄漏污染環境等。采用陶瓷材料制造軸承可以彌補金屬軸承的不足。

Si3 N4 以其優良的性能成為制造陶瓷滾動軸承的首選材料, 已經在高速車床、航空航天發動機、化工機械和設備等許多領域得到了應用。例如, 美國的諾頓公司已將 Si3N4 陶瓷軸承應用在航天飛機的液壓泵。藥設備以及印染、漁業設備。實踐證明, 陶瓷作為一種滾動軸承材料使用是成功的。用于制造滑動軸承( 水潤滑) 的陶瓷材料主要有氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷兩大類。氧化物陶瓷主要包 括氧化鋁、氧化鋯等; 非氧化物陶瓷則主要包括碳化物和氮化物等。試驗表明: 非氧化物陶瓷的抗磨損性能更好, 其中以Sialon 和Si3N4 綜合性能最佳。Mo2 FeB2

是新研制成功的陶瓷滑動軸承材料, 具有良好的耐熱性、耐磨性、耐腐蝕性和與鋼良好的可焊性, 可廣泛用于各類滑動軸承。陶瓷軸承有如下優點:高速: 陶瓷的重量僅為同體積鋼重量的 40%, 這樣就能減少離心載荷與打滑, 使陶瓷軸承比傳統軸承轉速提高20% ~ 40%。長壽命: 陶瓷材料的硬度比鋼的硬度高得多, 硬度高能減少磨損。此外陶瓷還具有較高的抗壓強度, 根據特定材料和試驗類型, 大約是鋼的 5~ 7 倍。當軸承中有雜質時, 陶瓷軸承很少產生剝落失效, 因此陶瓷軸承通常具有更長的使用壽命。

低發熱: 陶瓷的摩擦系數大約為鋼的 30%, 因此陶瓷軸承產生的熱量較少, 這樣可延長軸承的壽命。

低熱膨脹: 氮化硅的熱膨脹大約是鋼的 20%, 故有益于在溫度變化大的環境中使用。但是其軸和軸承座選擇鋼材時, 必須采取相應措施以適應其配合度。

耐腐蝕: 陶瓷材料不活潑的化學特性使陶瓷軸承具有優良的耐腐蝕性。

絕緣: 陶瓷材料不導電, 可使軸承及軸承座免遭電弧損傷。

耐高溫: 陶瓷軸承允許的工作溫度為 1 090 e , 陶瓷材料即使在高溫下強度和硬度也不會降低, 所以對用在高溫環境中的軸承來說, 該材料是非常有利的。

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5、用陶瓷材料制作鑄型-陶瓷型

陶瓷型鑄造是以陶瓷作為鑄型材料的一種鑄造方 法, 鑄出的鑄件精度和表面質量均優, 可以不經切削或只進行很少的切削加工, 屬于一種精密鑄造方法。

制作金屬型的基本原理: 以耐火度高、熱膨脹系數小的耐火材料作為骨料, 用經過水解的硅酸乙酯作為粘結劑配制成陶瓷漿料, 在催化劑的作用下, 經過注漿、結膠、硬化、脫模、噴燒和焙燒等工序制成表面光潔、尺寸精度高的陶瓷鑄型。陶瓷型鑄造廣泛用于模具的制造, 如鍛模、沖模、壓鑄模、玻璃器皿模等。與機加工模具相比成本降低 20% ~ 40% , 制造周期縮短50% ~ 80%。如上海桑塔納轎車汽缸蓋模具, 采用陶瓷型精鑄H13 鋼模具, 表面粗糙度Ra 值為 6. 3~ 12. 5

Lm, 尺寸精度達到0. 35?????? P100???????? , 可滿足生產要求, 替代進口模具, 制造成本僅為進口模具的 25%。

6、用陶瓷材料制作噴砂嘴

陶瓷材料硬度高、耐磨性好, 代替鑄鐵、鋼、硬質合金將其制成噴砂嘴, 與各種干式或濕式噴砂、噴丸機配套使用。以壓縮空氣或磨液泵為動力, 通過噴槍、噴砂嘴將磨料高速噴射到零件表面, 達到表面處理的目的( 表面強化和表面改性、表面清理、表面噴磨料切割等) 。一種新型的陶瓷噴砂嘴的制備工藝是: B4 C 粉和( W, Ti) C 粉按一定比例混合, 以乙醇作為介質, 經 150

h 的強化球磨, 使平均粒徑達 0. 8 Lm 以下, 再經熱壓燒

結成形。力學性能試驗和沖蝕磨損試驗表明: 隨( W, Ti) C 含量的增加, 陶瓷噴砂嘴材料的致密度顯著增加, 晶粒顯著細化, 抗彎強度和斷裂韌性大大提高。

7、泡沫陶瓷過濾器

泡沫陶瓷是一種氣孔率為 70% ~ 90% 、體積密度為0. 3~ 0. 6 gP 、具有三維立體網絡骨架和相互貫通氣孔結構的多孔陶瓷制品, 除具有耐高溫、耐腐蝕等一般陶瓷所具有的性能外, 還具有密度小、氣孔率高、比表面積大、對流體自擾性強等特點, 因而被成功用于熔融金屬過濾, 顯著提高鑄件質量, 降低廢品率。目前已研制出多種材質( 如Al2O3 、ZrO2 、SiC、SiN 等) 適合不同用途的泡沫過濾器。

鋁合金、銅合金在熔化形成鑄件過程中容易吸收氣體和混入非金屬夾雜物, 從而降低鑄件的使用性能和加工性能。因此采用過濾器濾除金屬液中的雜質。 鋁合金、銅合金鑄件通常選用堇青石質泡沫陶瓷過濾片, 濾片網眼尺寸 0. 8~ 1. 2???? ?？梢允硅T件的廢品率從原來的 30% ~ 40% 降到 3% ~ 4% 。泡沫陶瓷過濾器同樣適合于球磨鑄鐵、合金鋼、不銹鋼等高溫合金的 鑄造過濾。鋼鐵材料比重較大、熔點高, 對泡沫陶瓷的高溫強度、軟化溫度以及抗熱沖擊性能要求比較高, 通常選用氧化鋁或碳化硅材質的泡沫陶瓷過濾片, 濾片網眼尺寸 2~ 3 。

?8、陶瓷泵

結構陶瓷具有優異的耐磨、耐腐蝕性能, 用其制成陶瓷泵輸送含有顆粒的流體、強腐蝕性流體或高純流 體, 顯示出比金屬材料更為優異的性能?，F已開發的新型陶瓷泵有: 磁性驅動離心泵、臥式離心泵、液環真空泵、雙螺桿泵和齒輪泵等。一般在接觸流體的關鍵 部件( 如葉輪、軸套、外殼、端蓋等) 使用陶瓷材料。所用材料有氧化鋯、氮化硅、氧化鋁等。結構陶瓷泵的使 用壽命一般較長, 如氮化硅陶瓷雙螺桿泵使用壽命為現有泵的 10 倍。

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9、其他異性產品

有些加工機械中高速運轉的零部件采用塑料、化纖、橡膠等制成, 這些零部件易受磨損、受助劑和加工時降解物的腐蝕, 用結構陶瓷零件替代正好可以彌補這一不足。例如, 用氧化鋯和氧化鋁等陶瓷材料制成擠塑機的機筒內襯、捏合盤、螺桿部件、注嘴和模具等。 其使用壽命為合金鋼的 3~ 6 倍, 而且尺寸長期穩定, 提高了塑料制品的加工質量。

不銹鋼拉深時, 金屬模具與工件易發生粘著磨損, 使工件表面劃傷、模具壽命降低。采用氮化硅陶瓷模具可以克服這些缺點。由于氮化硅陶瓷與不銹鋼材質差異很大, 因此模具與工件之間不易粘著。另外, 氮化硅陶瓷硬度很高, 抗磨損能力強, 因此可顯著提高模具使用壽命。用氮化硅陶瓷制作潛水泵的端蓋密封圈、 熱電偶套管等也顯示出很大的優越性。

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