劉傳亮

關(guān)鍵詞：反應(yīng)燒結(jié)；碳化硅；Z軸；磨料；研磨砂

1.前言

碳化硅具有各種優(yōu)異的性能，如超硬、低熱膨脹系數(shù)、耐腐蝕、高穩(wěn)定性等。以上的性能使得碳化硅作為一種結(jié)構(gòu)材料廣泛應(yīng)用于磨損、高溫、高壓等嚴(yán)酷環(huán)境，如機(jī)械密封件、航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室等[1-2]。近年來(lái)，在精密測(cè)量領(lǐng)域碳化硅也有了廣泛應(yīng)用，例如，三坐標(biāo)Z軸、平尺等。用反應(yīng)燒結(jié)工藝制備的SiSiC，是一種性能優(yōu)良的高技術(shù)陶瓷材料。但是，加工難度非常大，制造碳化硅陶瓷產(chǎn)品，需要解決大量的技術(shù)難題。

本文對(duì)SiSiC在加工Z軸過(guò)程中存在的技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行分析，并提出了部分解決辦法。

2.碳化硅陶瓷簡(jiǎn)介

碳化硅，化學(xué)式：SiC。碳化硅在自然界中幾乎不存在，工業(yè)上使用的碳化硅為人工合成。碳化硅的工業(yè)制法是用石英砂和石油焦在電阻爐內(nèi)煉制。

為了得到各種尺寸的零件，需要對(duì)碳化硅進(jìn)行重新燒結(jié)。但是，SiC是一種共價(jià)鍵很強(qiáng)的材料，燒結(jié)時(shí)的擴(kuò)散速率相當(dāng)?shù)?。沒(méi)有燒結(jié)添加劑，純SiC是很難燒結(jié)致密的[3]。常用的燒結(jié)方法有以下幾種：無(wú)壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)。

無(wú)壓燒結(jié)是1974年美國(guó)GE公司在高純度β-SiC細(xì)粉中同時(shí)加入少量的B和C，采用無(wú)壓燒結(jié)工藝，于2020℃成功地獲得高密度SiC陶瓷[4]。

熱壓燒結(jié)是50年代中期，美國(guó)Norton公司研究了B、Fe、Al等金屬添加物對(duì)SiC熱壓燒結(jié)的影響。通過(guò)熱壓燒結(jié)工藝，實(shí)現(xiàn)了SiC的致密化，并認(rèn)為其機(jī)理是液相燒結(jié)[5]。

SiSiC是Popper于20世紀(jì)50年代發(fā)明的[6]。其基本原理是：具有反應(yīng)活性的液硅，在毛細(xì)管力的作用下滲入含碳的多孔陶瓷素坯，新生成的碳化硅原位結(jié)合素坯中原有的碳化硅顆粒，浸滲劑填充素坯中的剩余氣孔的過(guò)程。

3.制備三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)Z軸的技術(shù)路線

Z軸為中空方形管狀軸，壁厚小于9mm，長(zhǎng)度小于2500mm，截面尺寸不超過(guò)10cm*10cm。常用的Z軸材料為鋁鎂合金。鋁鎂合金具有重量輕、易加工等優(yōu)點(diǎn)，但是其熱膨脹系數(shù)較大、易變形。而SiSiC的特性決定了其是一種非常適合替代材料。

但是，SiSiC高硬度使得機(jī)械加工變得很難，太脆又導(dǎo)致無(wú)法切削，采用常規(guī)的加工方法很難獲得精度優(yōu)良的產(chǎn)品。

本文以某三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)制造公司的某款Z軸為例，探討制備Z軸的技術(shù)路線。該零件外形尺寸為1290*90*90，壁厚8mm。技術(shù)路線如下：

制坯：采用澆注工藝將細(xì)顆粒α-SiC和添加劑灌入石膏模具，再經(jīng)過(guò)烘干、晾曬、修形制成素坯。燒結(jié)：在真空氣氛下把素坯在熔融的硅中加熱，溫度在1410℃以上，液態(tài)硅進(jìn)入素坯的毛細(xì)孔，生成新的碳化硅，素坯形成近乎完全致密的反應(yīng)燒結(jié)體[7]。磨削加工：選用合適的砂輪加工。鉆孔：使用特殊配方的金剛石刀具加工。精研：使用特殊的研磨砂加工，達(dá)到客戶要求的精度和粗糙度。

4.制備過(guò)程中的難點(diǎn)

SiSiC的工業(yè)化精密加工難度大。主要體現(xiàn)在1）平磨加工過(guò)程中磨料的選擇。目前國(guó)內(nèi)加工SiSiC的廠家很少，缺少工業(yè)化生產(chǎn)相關(guān)工藝研究，很難確定使用哪種磨料進(jìn)行加工性價(jià)比高。2）精研加工過(guò)程中研磨砂的選擇和加工工藝。我公司主要研磨花崗石產(chǎn)品，缺乏陶瓷加工經(jīng)驗(yàn)，很難確定研磨砂的種類和加工工藝。

5.難點(diǎn)問(wèn)題的解決辦法

由于缺少相關(guān)文獻(xiàn)和加工經(jīng)驗(yàn)，只有通過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)確定最優(yōu)方案。

5.1 平磨加工過(guò)程中磨料的選擇

我公司現(xiàn)有生產(chǎn)設(shè)備配備的是綠色碳化硅砂輪，對(duì)Z軸進(jìn)行磨削加工，發(fā)現(xiàn)工件幾乎沒(méi)有任何去除的加工痕跡，無(wú)法加工SiSiC。

選擇自然界最硬的金剛石作為磨料，選擇金屬結(jié)合劑和樹(shù)脂結(jié)合劑砂輪進(jìn)行試驗(yàn)。確定了磨削工藝和加工參數(shù)：1）加工設(shè)備：M7150；2）磨削液：水基磨削液；3）砂輪規(guī)格：80#，密度75%；4）進(jìn)給速度：1.5m/s。試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)在相同的加工條件下，金屬結(jié)合劑金剛石砂輪去除率高于樹(shù)脂結(jié)合劑金剛石砂輪。

因此，金屬結(jié)合劑金剛石砂輪性價(jià)比高。

5.2 研磨砂的選擇和加工工藝

通過(guò)對(duì)碳化硅陶瓷研磨過(guò)程的研究，發(fā)現(xiàn)硬度和斷裂韌性通常是影響材料抗磨耗性的指標(biāo)。在相同的研磨條件下，與氮化硅、氧化鋯陶瓷相比，碳化硅陶瓷的材料去除率最高，表面質(zhì)量最不易控制[8]。

試驗(yàn)確定了研磨工藝及加工參數(shù)：1）研磨液：自來(lái)水；2）研磨板：鑄鐵研磨板；3）磨料：粗研使用W50的金剛砂，中磨使用W20，精研使用W10，研磨后表面粗糙度分別為Ra0.8、Ra0.63和Ra0.4。試驗(yàn)表明，在碳化硅陶瓷的研磨階段，材料去除主要是機(jī)械去除，微裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展是其機(jī)械去除過(guò)程中的主導(dǎo)作用。使用電感測(cè)微儀檢測(cè)研磨精度，平面度小于0.004，滿足圖紙要求。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，SiSiC陶瓷作為一種新型構(gòu)件材料，其具有的優(yōu)良的物理性能，在精密測(cè)量領(lǐng)域得到有效利用。通過(guò)上述系列試驗(yàn)，解決了其加工過(guò)程中的難點(diǎn)，使SiSiC陶瓷的應(yīng)用前景向好，完全可以替代現(xiàn)有的材料，市場(chǎng)前景非常廣闊。

參考文獻(xiàn)：

[1] Tomlinson W J，Khela S.Journal of Materials Science，1992，27：3372-3378.

[2] Harrison S D，Corelli J C.Journal of Nuclear Materials，1981，99：203-212.

[3]王艷香，譚壽洪，江東亮，反應(yīng)燒結(jié)碳化硅的研究與進(jìn)展，無(wú)機(jī)材料學(xué)報(bào)，2005.5：19-3，456-462.

[4]王靜，張玉軍，龔紅宇，無(wú)壓燒結(jié)碳化硅研究進(jìn)展，陶瓷，2008.4：17-19.

[5]宋祖?zhèn)ィ鏖L(zhǎng)虹，翁長(zhǎng)根，碳化硅陶瓷粉體的制備技術(shù)，青島化工學(xué)院學(xué)報(bào)，2001.2

[6]Popper P.Special Ceramics.London：Heywood，1960.209-213.

[7]郝寅雷，趙文興，反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷的制備及燒結(jié)機(jī)理，耐火材料，2000.9：313-315.

[8]郭方全，碳化硅陶瓷球的磨削機(jī)理研究，機(jī)械工程材料，2007.31.