无压烧结碳化硅陶瓷环的生产工艺设计

无压烧结碳化硅陶瓷环的生产工艺设计内容摘要：

热压烧结 SiC陶瓷 为获得更致密、强度更高的制品，可采用热压工艺。 此时仍需加入 B4C 或 B、C 等烧结助剂，粉料或生坯在模具内升温（ 2020~2100℃）的同时加压（一般2540MPa），使材料加速流动、重排和致密化的烧结工艺，可得理论密度为 %的制品。 热压烧结时间短、烧结温度相对较低；烧结助剂量少，可制得高密度产品；生产效率低，只能生产形状简单的制品。 （ 4） 热等静压烧结 若制品形状复杂，又希望得到高密度，可用热等静压工艺。 这种工艺是通过作为炉子外壁的高压容器，内用惰性 气体对样品进行各向同性的均匀加压。 这种设备其气体压力可达 300MPa，加热温度可达 2020℃。 1988 年， Dutta 以 B 和 C为烧结助剂，仅在 1900℃下，即通过 HIP 工艺获得理论密度达 98%的碳化硅材料。 随后， Dutta、 Kofune、 Larke 等在不用烧结助剂的情况下，采用亚微米级 SIC原料，通过 HIP 工艺制得致密的碳化硅陶瓷样品。 说明在高温、高压条件下，也能实现碳化硅粉体致密化。 SIC 主要烧结方法及特点如下表 33不同烧结方法制得的 SIC 制品的性质比较表 332. 表 31 碳化硅主要烧结方法及特点 烧结方法 烧结原理 条件 特点 1 10 3 反应烧结（自结合） SIC+C 胚体在高温下进行蒸汽或液相渗 SI，部分硅与碳反应生成SIC,把原来胚体中的 SIC 结合起来，达到烧结的目的。 1400 —1600℃ 烧结温度低；收缩率为零；多孔质，强度低；残留游离硅多（ 8%15%），影响性能 热压烧结 添加 B+C 、B4C 、 BN 、 AL 、AL2O ALN 等烧结，助剂，一面加压，一面烧结 . 19502100℃ 2040MPa 密度高，抗弯强度高； 不能制备形状复杂制品；成本高 常压烧结 添加 B、 C、AL+B+C 、AL2O3+Y2O3 等烧结助剂的胚体，在惰性气氛进行固相或液相烧结 20202200℃ 能制备出各种形状复杂制品；强度较高；纯度高，耐蚀性；烧结温度高（缺点） 高温热等静压烧结 将陶瓷粉料或陶瓷素胚，经包封后放入高温热等静压装置中，在高温高压（各方向均匀加压）下烧结 2020℃左右 高密度，高强度；烧结温度低，烧结时间缩短 表 32 不同烧结方法制得的 SiC 制品的性质 性质 热压 SiC 常压烧结 SiC 反应 烧结 SiC 密度 /g/cm3 1 11 3 气孔率 /% 1 2 1 硬度 /HRA 94 94 94 抗弯强度/MPa,室温 989 590 490 抗弯强度/MPa,1000℃ 980 590 490 抗弯强度/MPa,1200℃ 1180 590 490 断裂韧性/() 韦伯模数 10 15 15 弹性模量/GPa 430 440 440 热导率 /﹝ W/()﹞ 6 84 84 热膨胀系数/( 106/℃ ) 实验方案讨论：采用无压烧结、热压烧结、热等静压烧结和反应烧结的 SiC陶瓷具有各自的性能特点。 如就烧结密度和抗弯强度来说，热压烧结和热等静压烧结 SiC 陶瓷相对较多，反应烧结 SiC 相对较低。 另一方面， SiC 陶瓷的力学性能还随烧结添加剂的不同而不同。 无压烧结、热压烧结和反应烧结 SiC 陶瓷对强酸、强碱具有良好的抵 抗力，但反应烧结 SiC陶瓷对 HF 等超强酸的抗蚀性较差。 就耐高温性能比较来看，当温度低于 900℃时，几乎所有 SiC 陶瓷强度均有所提高；当温度超过 1400℃时，反应烧结 SiC 陶瓷抗弯强度急剧下降。 （这是由于烧结体中含有一定量的游离 Si，当超过一定温度抗弯强度急剧下降所致）对于无压烧结和热等静压烧结的 SiC 陶瓷，其耐高温性能主要受添加剂种类的影响。 总之， SiC 陶瓷的性能因烧结方法不同而不同。 一般说来，无压烧结 SiC 陶瓷的综合性能优于反应烧结的 SiC 陶瓷，但次于热压烧结和热等静压烧结的 SiC陶。 根据上述比较综合，为 达到本设计要求，所以采用无压烧结。 1 12 3 加工方法要求 砂轮的选择 SiC 陶瓷材料的硬度较高 , 在磨削过程中容易产生龟裂或破碎。 因此 , 在选择磨削加工陶瓷环的砂轮时 , 必须保证砂轮硬度高、刃口锋锐、磨削性能好 , 且在磨削过程中砂轮颗粒不易脱落 , 可长时间保持砂轮锋利、出刃等优良特性。 根据以上要求 , 最终确定选用人造金刚石砂轮。 磨削参数的选择 磨削参数的选择直接关系到陶瓷环的表面加工质量和生产效率。 加工时 , 由于砂轮旋转的圆周速度恒定 , 如工作台的横向和纵向位移速度过快 , 砂轮 对工件的瞬时接触作用力就会过大 , 容易引起工件装夹松动 , 难以保证工件的基准定位精度。 如选用的垂直进给量过大 , 脆性工件受到过大切削力和工件自身内应力等的作用 , 也容易发生破碎。 经过参数优化和试加工 ,最终选用磨削参数为 : 垂直进给量 ~ , 横向进给量 ( ~ ) B(B 为砂轮厚度 )。 冷却液的选择及加工 磨削加工陶瓷材料时会产生大量磨削热 , 工作区温度可高达 1000 度。 如无有效冷却 , 将导致工件表面烧伤或尺寸发生变化 , 砂轮严重磨损或机械性能改变。 为此 , 磨削加工过程中必须使用冷却液对砂轮与工件接触部位进行喷射冷却 , 以降低磨削温度 , 并起到冲走磨屑、清洗工件的作用。 加工工艺设计为粗磨加工和精磨加工两步完成，胎具加工工艺为 : 铣削→调质→平磨→线切割。 1 13 3 3 生产技术要求 SiC 粉体的制备技术要求 碳化硅粉体的制备技术就其形成原理可分为机械粉碎法和合成法 , 方法的优劣可从粒子纯度、表面的清洁度、粒子粒径、粒度分布可控性、粒子几何形状规一性、是否易于收集、粉体团聚程度、热稳定性六个方面加以评价。 通过控制所制备陶瓷粉末的颗粒度、表面状态 , 还是纯度、均匀性等指标，提高陶瓷的烧结性能和机械性质 , 部分满足了陶瓷科学中“低” 温快速烧结高性能陶瓷的要求。 本方案要求制备出 98%的亚微米α SiC 粉。 喷雾造粒的技术要求 在碳化硅原料细粉中加入一定量的塑化剂，制成粒度较粗，具有一定颗粒级配，流动性好的团粒，以利于柸料的压制成型。 对于碳化硅用粉料的粒度，应是越细越好，但太细对成型性不好。 因为粉料越细，颗粒越轻，流动性越差；同时粉料的比表面面积大，占的体积也大，因而成型时不能均匀的填充模具，易产生空洞，使致密度不高。 若形成团粒，则 流动性好，装模方便，分布均匀。 这不仅有利于提高柸体的致密度，改善成型和烧成密度分布的一致性，而且由于团粒的填充密度提高，空隙率减低，有利于成型加工。 本次我们用喷雾造粒法制造碳化硅粉粒，在喷雾过程中要求控制好系统的温度、浆料的粘度和浆料的进给速度等，这都直接影响粒度的大小，形状及粒度分布。 以乙醇为介质，湿法球磨混合均匀，经喷雾干燥过筛处理后得到流动性在38s41s/30g，松装密度为。 坯料的成型技术要求 成型方法要求 首先是成型方法的选择， 选择成型方法时，希望在保证产品品质的前提下，选用设备先进、生产周期最短、成本最低的一种成型方法。 1 14 3 模具装配的好坏 , 直接影响到产品质量和模具的使用寿命。 在压制成型过程中，模具和粉末之间的相互摩擦会造成模具的磨损，因此模具材料必须要求有很好的耐磨性能。 同时，还应考虑压制过程中粉末的受力情况、操作的可行性及方便程度等。 在模具材料的选择和处理上，应考虑模具材料的硬度、显微组织残余应力及弹性状态等；在模具的加工上应考虑腔表面和模冲工作表面的粗糙度，模腔的平行度和模具出口的锥度，阴模与模冲间的间隙和配合，阴模 与模冲凌角的几何半径及其他几何因素等，模具装配时，要求做到上、下模和模腔中心线在同一直线上 , 衬板一定要垂直 90度，下模与模腔的配合 , 要上、下灵活 , 不能过紧也不能过松。 配合过紧，会造成排气不利 , 使坯体分层增多 , 配合过松 ,坯体四周产生“ 脚泥”。 此外，压制时的工作条件，如压制压力、加压速度等因素在设计和制造模具时也应考虑。 碳化硅陶瓷环的制备采用干压成型，干压成型要求粉料的流动性要好，从而更好的充实模具；粉料有一定的颗粒级配，使达到较高的堆积密度，减少空气含量；颗粒在压力下易于粉碎，这样可以形成致密坯体 ；水分含量要均匀，防止坯体内出现大的应力。 干压成型工艺参数控制 成型压力的大小取决于坯体的形状、高度、粘合剂的种类和数量、粉体的流动性、坯体的致密度等。 这次制备碳化硅陶瓷环用 16T 的压力，加压方式，由于制备的陶瓷环高度不是很大，因此采用单向加压的方式，虽有压力梯度，但对产品性能影响不大。 加压速度和保压时间对坯体性能有很大影响。 加压速度过快，保压时间过短，坯体中气体有残留，且压力传递不到应有的深度；加压时间过慢，保压时间过长，则降低了生产效率。 这次制备碳化硅陶瓷环保压时间为 45S。 烧结技术要求 烧结直接影响显微结构种粒径尺寸大小和分布、气孔的大小、形状和分布及晶体体积分数等。 所以，确定合理的烧结制度是制备具有优异性能碳化硅陶瓷环的一个关键因素。 升温阶段：常温 700℃采用手动控制，升温速率大约 ℃ 1 15 3 /min,7001950℃升温速率一般为 2℃ /min，保温阶段一般为 120min ，降温阶段为自然降温， 烧结温度为 1950℃～ 2020℃，保护气体为氩气。 烧结温度过高和过低 , 都影响烧结体的致密程度 ,只在适当的温度范围内 ,相对密度可超过 96%，理论密度可达到 )。 烧结体的致密程度直接影响其力学性能 ,碳化硅陶瓷的抗弯强度与硬度随烧结温度的变化与烧结温度对密度的影响趋势一致。 温度未达到最佳烧结温度时 , 烧结体的密度、强度、硬度数值均低于正常碳化硅陶瓷的性能指标。 随着烧结温度的逐 步升高 , 所有指标均有所上升 , 并在某一点达到最大值。 当超过极值后 ,温度继续升高 , 性能指标反而有下降趋势。 说明温度过高 , 引起晶粒长大 , 密度和力学性能反而下降。 （注：当完成烧结时，应让它在 Ar 气氛下、炉内自然冷却） 烧结气氛，本次试验以氩气作为保护气氛，为防止碳化硅在高温烧结时被氧化，影响其性能，碳化硅制品的烧结中还受烧结助剂、稳定剂等的影响，加入烧结助剂可降低烧结温度，稳定剂提高碳化硅烧结过程中的稳定性 4 生产设备 生产设备的选择 41 表 生产所有设备总揽 序号 设备名称 型号 外型尺寸 1 三维混料机 SHY200 1400 mm 1800 mm 1600 2 喷雾干燥机 LPG25 3000 mm 2700 mm 4260 mm 3 干压成型机 800mm 700mm 1500mm 4 真空烧结炉 5 抛光机 P2T 200 mm 300 mm 100 mm 1 16 3 6 HZY150型精密卧轴矩台平面磨床 HZY150 350mm150mm 7 显微硬度计 HV1000 设备详述 三维混料机 （ 1） SYH 系列三维混料机结构及工作原理 结构：三维混料机由机座、调速电机、回转连杆及混合筒体等部分组成。 工作原理：混合料桶，通过二只 Y 型万向节悬装于主、从动轴端部，二只万向节在空间既交叉又互相垂直。 当主动轴被拖动旋转时，万向节使料桶在空间周而复始地做平移、转动和翻滚等复合运动。