1、用陶瓷材料做刀具
在金属材料机械加工中, 切削加工是最基本、最可靠的精密加工手段, 刀具材料的性能对切削加工效率、精度、表面质量、刀具寿命有着决定性的影响。在现代切削加工中, 陶瓷刀具材料以其优异的耐热性、耐磨性和化学稳定性, 在高速切削领域和切削难加工材料方面扮演着越来越重要的角色。陶瓷刀具材料主要包括氧化铝、氮化硅及赛隆系列。其他陶瓷材料, 例如氧化锆、硼化钛陶瓷等作为刀具材料也有使用。
2、氧化铝系列
纯的氧化铝陶瓷含 Al 2 O 3 99% 以上, 强度低, 抗热震性及断裂韧性较差, 切削时易崩刃, 故没有广泛使用。碳化物、氮化物和硼化物材料具有很高的强度和硬度, 可以作为 Al 2 O 3 陶瓷中的增强相。这类物质包括TiC、TiN、TiB 2 、Ti( CN) 、WC、ZrC 等。采用重复热压工艺制备Al 2 O 3 - Ti( CN) 刀具材料, 抗弯强度可达 820MPa, 断裂韧性7. 4MPa#m1P2 , 维氏硬度 20. 4GPa。切削试验表明: 此种材料适合连续切削铸铁和硬化钢, 尤其适合间歇切削硬化钢。晶须是一种广泛使用的增强增韧陶瓷材料, 增强Al 2 O 3 使用的主要是 SiC、Si 3 N 4 晶须。SiC 晶须在Al 2 O 3基体中起加强棒的作用, 并使应力在基体内分散。这种陶瓷刀具断裂韧性、强度和硬度都比较高, 非常适合加工镍基耐热合金及较低的切削速度加工各种铸铁和非金属脆性材料。Si 3 N 4 晶须加入到 Al 2 O 3 基体中可以提高陶瓷的抗热冲击性, 适合切削镍铬铁耐热合金材料氧化锆相变增韧是一种广泛使用的增韧工艺。在Al 2 O 3 材料中加入15% 部分稳定的氧化锆, 1 550 e 真空烧结 2 h, 制备出 ZrO 2 - Al 2 O 3 复合材料, 断裂韧性8. 2MPa#m1P2 , 抗弯强度可达 884MPa。这类陶瓷刀具具有较好的韧性和抗热冲击性, 但耐磨性较差, 主要用于铸铁和合金的粗加工。
3、 氮化硅系列
氮化硅材料是在氧化铝材料以后出现的一种刀具材料。它比氧化铝材料的强度和断裂韧性高, 其抗弯强度一般可达 900~ 1 000MPa, 断裂韧性 5~ 7MPa#m1P2 , 硬度 91~ 93HRA, 耐热性可达1 300~ 1 400 e , 不易产生裂纹, 可以获得稳定的使用寿命。采用热压自增韧的方法可以进一步提高氮化硅陶瓷的强度和韧性, 即控制烧结过程, 使一部分氮化硅晶粒发育成具有较大长径比的棒状晶粒( 晶粒的长径比可达 3~ 8) , 从而获得类似于晶须增韧的效果, 断裂韧性可达 10. 02MPa#m1P2 。这种自增韧陶瓷刀具是一种适合切削冷硬铸铁和淬硬钢的刀具材料, 特别适合于断续切削。在氮化硅基体中添加适量金属碳化物等复合强化剂, 利用复合强化效应制成的氮化硅复合陶瓷, 其性能比热压氮化硅陶瓷优越得多。在 Si 3 N 4 中添加 Al 2 O 3 、Y 2 O 3 、TiC、TiN 和MgO 等成分, 可以采用冷压烧结而降低成本。B- 赛隆就是在 Si 3 N 4 中加入 Al 2 O 3 烧结而成, 兼有 Al 2 O 3 和 Si 3 N 4 的特性, 其热硬性比硬质合金和Al 2 O 3 都高, 刀尖温度高于 1 000 e 时仍可高速切削。其最大特点是可提高切削速度, 加大进给量, 提高
金属切削率, 延长刀具寿命。纳米材料是近年来研究的热点, 广泛应用到材料科学的各个方面。以Si- C- N 纳米微粉为增强相, 以Si3 N4 为基体, Y2 O3 、La2 O3 为烧结助剂, 采用热压法制备了SiCp - Si3N4 纳米复相陶瓷。其室温、高温力学性能比氮化硅单相陶瓷有较大提高, 断裂韧性分别为11.78Mpam1/2 和14.69Mpam1/2 (1350℃)抗弯强度分别为934 MPa 和 696 MPa( 温度 1 350℃)
4、用陶瓷材料做轴承
传统的轴承多采用金属制成, 以油作为润滑介质。但在使用中有许多缺点, 如不适用于高温、高速、有化学腐蚀的场合, 油润滑易泄漏污染环境等。采用陶瓷材料制造轴承可以弥补金属轴承的不足。
Si3 N4 以其优良的性能成为制造陶瓷滚动轴承的首选材料, 已经在高速车床、航空航天发动机、化工机械和设备等许多领域得到了应用。例如, 美国的诺顿公司已将 Si3N4 陶瓷轴承应用在航天飞机的液压泵。药设备以及印染、渔业设备。实践证明, 陶瓷作为一种滚动轴承材料使用是成功的。用于制造滑动轴承( 水润滑) 的陶瓷材料主要有氧化物陶瓷和非氧化物陶瓷两大类。氧化物陶瓷主要包 括氧化铝、氧化锆等; 非氧化物陶瓷则主要包括碳化物和氮化物等。试验表明: 非氧化物陶瓷的抗磨损性能更好, 其中以Sialon 和Si3N4 综合性能最佳。Mo2 FeB2
是新研制成功的陶瓷滑动轴承材料, 具有良好的耐热性、耐磨性、耐腐蚀性和与钢良好的可焊性, 可广泛用于各类滑动轴承。陶瓷轴承有如下优点:高速: 陶瓷的重量仅为同体积钢重量的 40%, 这样就能减少离心载荷与打滑, 使陶瓷轴承比传统轴承转速提高20% ~ 40%。长寿命: 陶瓷材料的硬度比钢的硬度高得多, 硬度高能减少磨损。此外陶瓷还具有较高的抗压强度, 根据特定材料和试验类型, 大约是钢的 5~ 7 倍。当轴承中有杂质时, 陶瓷轴承很少产生剥落失效, 因此陶瓷轴承通常具有更长的使用寿命。
低发热: 陶瓷的摩擦系数大约为钢的 30%, 因此陶瓷轴承产生的热量较少, 这样可延长轴承的寿命。
低热膨胀: 氮化硅的热膨胀大约是钢的 20%, 故有益于在温度变化大的环境中使用。但是其轴和轴承座选择钢材时, 必须采取相应措施以适应其配合度。
耐腐蚀: 陶瓷材料不活泼的化学特性使陶瓷轴承具有优良的耐腐蚀性。
绝缘: 陶瓷材料不导电, 可使轴承及轴承座免遭电弧损伤。
耐高温: 陶瓷轴承允许的工作温度为 1 090 e , 陶瓷材料即使在高温下强度和硬度也不会降低, 所以对用在高温环境中的轴承来说, 该材料是非常有利的。
5、用陶瓷材料制作铸型-陶瓷型
陶瓷型铸造是以陶瓷作为铸型材料的一种铸造方 法, 铸出的铸件精度和表面质量均优, 可以不经切削或只进行很少的切削加工, 属于一种精密铸造方法。
制作金属型的基本原理: 以耐火度高、热膨胀系数小的耐火材料作为骨料, 用经过水解的硅酸乙酯作为粘结剂配制成陶瓷浆料, 在催化剂的作用下, 经过注浆、结胶、硬化、脱模、喷烧和焙烧等工序制成表面光洁、尺寸精度高的陶瓷铸型。陶瓷型铸造广泛用于模具的制造, 如锻模、冲模、压铸模、玻璃器皿模等。与机加工模具相比成本降低 20% ~ 40% , 制造周期缩短50% ~ 80%。如上海桑塔纳轿车汽缸盖模具, 采用陶瓷型精铸H13 钢模具, 表面粗糙度Ra 值为 6. 3~ 12. 5
Lm, 尺寸精度达到0. 35 P100 , 可满足生产要求, 替代进口模具, 制造成本仅为进口模具的 25%。
6、用陶瓷材料制作喷砂嘴
陶瓷材料硬度高、耐磨性好, 代替铸铁、钢、硬质合金将其制成喷砂嘴, 与各种干式或湿式喷砂、喷丸机配套使用。以压缩空气或磨液泵为动力, 通过喷枪、喷砂嘴将磨料高速喷射到零件表面, 达到表面处理的目的( 表面强化和表面改性、表面清理、表面喷磨料切割等) 。一种新型的陶瓷喷砂嘴的制备工艺是: B4 C 粉和( W, Ti) C 粉按一定比例混合, 以乙醇作为介质, 经 150
h 的强化球磨, 使平均粒径达 0. 8 Lm 以下, 再经热压烧
结成形。力学性能试验和冲蚀磨损试验表明: 随( W, Ti) C 含量的增加, 陶瓷喷砂嘴材料的致密度显著增加, 晶粒显著细化, 抗弯强度和断裂韧性大大提高。
7、泡沫陶瓷过滤器
泡沫陶瓷是一种气孔率为 70% ~ 90% 、体积密度为0. 3~ 0. 6 gP 、具有三维立体网络骨架和相互贯通气孔结构的多孔陶瓷制品, 除具有耐高温、耐腐蚀等一般陶瓷所具有的性能外, 还具有密度小、气孔率高、比表面积大、对流体自扰性强等特点, 因而被成功用于熔融金属过滤, 显著提高铸件质量, 降低废品率。目前已研制出多种材质( 如Al2O3 、ZrO2 、SiC、SiN 等) 适合不同用途的泡沫过滤器。
铝合金、铜合金在熔化形成铸件过程中容易吸收气体和混入非金属夹杂物, 从而降低铸件的使用性能和加工性能。因此采用过滤器滤除金属液中的杂质。 铝合金、铜合金铸件通常选用堇青石质泡沫陶瓷过滤片, 滤片网眼尺寸 0. 8~ 1. 2 。可以使铸件的废品率从原来的 30% ~ 40% 降到 3% ~ 4% 。泡沫陶瓷过滤器同样适合于球磨铸铁、合金钢、不锈钢等高温合金的 铸造过滤。钢铁材料比重较大、熔点高, 对泡沫陶瓷的高温强度、软化温度以及抗热冲击性能要求比较高, 通常选用氧化铝或碳化硅材质的泡沫陶瓷过滤片, 滤片网眼尺寸 2~ 3 。
8、陶瓷泵
结构陶瓷具有优异的耐磨、耐腐蚀性能, 用其制成陶瓷泵输送含有颗粒的流体、强腐蚀性流体或高纯流 体, 显示出比金属材料更为优异的性能。现已开发的新型陶瓷泵有: 磁性驱动离心泵、卧式离心泵、液环真空泵、双螺杆泵和齿轮泵等。一般在接触流体的关键 部件( 如叶轮、轴套、外壳、端盖等) 使用陶瓷材料。所用材料有氧化锆、氮化硅、氧化铝等。结构陶瓷泵的使 用寿命一般较长, 如氮化硅陶瓷双螺杆泵使用寿命为现有泵的 10 倍。
9、其他异性产品
有些加工机械中高速运转的零部件采用塑料、化纤、橡胶等制成, 这些零部件易受磨损、受助剂和加工时降解物的腐蚀, 用结构陶瓷零件替代正好可以弥补这一不足。例如, 用氧化锆和氧化铝等陶瓷材料制成挤塑机的机筒内衬、捏合盘、螺杆部件、注嘴和模具等。 其使用寿命为合金钢的 3~ 6 倍, 而且尺寸长期稳定, 提高了塑料制品的加工质量。
不锈钢拉深时, 金属模具与工件易发生粘着磨损, 使工件表面划伤、模具寿命降低。采用氮化硅陶瓷模具可以克服这些缺点。由于氮化硅陶瓷与不锈钢材质差异很大, 因此模具与工件之间不易粘着。另外, 氮化硅陶瓷硬度很高, 抗磨损能力强, 因此可显著提高模具使用寿命。用氮化硅陶瓷制作潜水泵的端盖密封圈、 热电偶套管等也显示出很大的优越性。