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金屬工業飛躍 – 採納嶄新材料及關鍵加工技術 ——陶瓷材料篇

工業產品充斥著現代人的生活,而近年工業製造領域繼續不斷進步,湧現了許多新材料及其相應加工技術,帶動對關鍵零部件越來越高的工藝和性能要求,以滿足包括汽車、醫療器械、電訊、模具及機械等領域商品推陳出新的需要。在新興材料的衝擊下,本地的金屬材料行業正受到前所未有的挑戰,業者急需在新型特種金屬以及相應的加工技術、其應用和商機等方面獲取實際知識和前沿技術,使其能夠在不斷增長的高附加值商品業務領域實現多元化,或透過增強產品性能來為現有產品增值。針對上述問題,本篇將介紹先進工程結構陶瓷和陶瓷刀具材料及其應用,以饗讀者。

 

第一部分  先進結構陶瓷

 

1.1先進結構陶瓷定義

天然礦物為原料,經過粉碎混合、成型、燒結等工藝製成各種製品,也稱為「普通陶瓷」。先進陶瓷是指採用高度精選或合成的原料,具有精確控制的化學組成,按照便於控制的技術進行製造,並具有優異特性的陶瓷。可分為結構陶瓷和功能陶瓷兩大類。作為工程結構材料使用的陶瓷,它具有高強度、高硬度、高彈性模量、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕、抗氧化、抗熱震等特性。

1.2先進結構陶瓷分類

氧化物陶瓷材料是指含氧化合物構成的陶瓷材料,例如氧化鋁陶瓷、氧化鋯陶瓷、氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷和氧化鈹、莫來石等。它們具有良好的電絕緣性能,優異的化學穩定性和抗氧化性。非氧化物陶瓷材料具備優異的高溫強度、較低的熱膨脹系數、接近金屬的熱傳導率、耐熱衝擊等特性,例如碳化矽陶瓷、氮化矽陶瓷、氮化鋁陶瓷和其他非氧化物陶瓷。

1.3先進結構陶瓷製備工藝

製備工藝包括粉體、造粒、成型、燒結四個步驟。粉體的特性對於後續的製備工藝和陶瓷性能有重要作用,粉體的製備有固相法(包括高溫固相反應法和自蔓延高溫合成)、液相法(包括化學沉澱法、溶膠-凝膠法和醇鹽水解法)、氣相法(包括化學氣相沉積法、等離子氣相合成法、激光誘導氣相沉積法)。造粒是流動性好的球體,顯著地影響後續的成型和燒結,製備方法包括手工造粒和噴霧造粒。成型是具有一定形狀與尺寸的内部均匀和密度高的陶瓷胚體,製備方法包括乾壓成型、等靜壓成型、注漿成型、注射成型、流延成型和熱壓鑄成型。燒結是晶粒長大,氣孔排除,形成緻密的陶瓷,製備方法包括無壓燒結、熱壓燒結、等靜壓燒結、氣壓燒結和放電等離子燒結。

 

1.4介紹幾種先進結構陶瓷材料

  主要特點 分類/製備工藝 應用
 

 

氧化鋁陶瓷

①硬度高、耐磨性好;②電絕緣性能好;③化學穩定性好;④成本低;⑤脆性大。 (1)一般工業用氧化鋁陶瓷。為了達到緻密化和降低燒結溫度,引入形成玻璃液相助燒劑。MgO-Al2O3-SiO2體系,CaO-MgO-Al2O3-SiO2體系。 75瓷、85瓷、95瓷;

(2)高性能氧化鋁陶瓷。採用高純超細氧化鋁粉製備的單相陶瓷,粉料合成中引入少量MgO或其他添加劑,抑制Al2O3晶粒過分長大和促進緻密化

 

氧化鋁基板

氧化鋁刀具

氧化鋁耐磨耐高溫配件

氧化鋁軸承

氧化鋁密封環

氧化鋁坩堝

氧化鋁多孔陶瓷管

 

 

氧化鋯陶瓷

主要由ZrO2組成,具有高韌性、高抗彎強度和優異的隔熱性的特點。 ①     部分穩定氧化鋯陶瓷(PSZ);

②     四方相穩定氧化鋯陶瓷(TZP)

人工關節、全瓷義齒

陶瓷閥門

研磨球與軸承球

定位針

陶瓷插芯坯

 

氧化鋯增韌氧化鋁陶瓷 硬度高,但其斷裂韌性和強度比較低 ZTA的燒結有無壓燒結、熱壓燒結和熱等靜壓燒結。常用的穩定劑主要有Y2O3和CeO2。 陶瓷劈刀

ZTA陶瓷基片

ZTA陶瓷密封環

ZTA陶瓷坩堝

 

 

碳化矽陶瓷 具有高溫性能高、熱膨脹系數小、硬度高、抗熱震和耐化學腐蝕等優良特性,但強度和斷裂韌性相對較低。

 

熱壓燒結:常用添加劑有Al2O3、RE2O3等,熱壓溫度在2000℃左右,壓力為10~40MPa。緻密度和力學性能高,形狀簡單。

 

 

軸承

碳化矽陶瓷換熱管

防彈陶瓷

核燃料包殼管

高溫窯具

研磨盤

碳化矽研磨球

碳化矽泡沫陶瓷

 

 

 

 

 

氮化矽陶瓷

①強度高,斷裂韌性較好。室溫強度可達1000MPa以上;

②熱膨脹系數小,有良好的導熱性能,抗熱震性很好;

③化學性能穩定,能經受強烈的放射輻射;

④密度低,電絕緣性好。

 

 

Si3N4是強共價鍵化合物,自擴散系數很低,難以通過單純的固相燒結來實現緻密化,需要加入一定量的燒結助劑,借助液相燒結完成緻密化過程。

常壓燒結、熱壓燒結、氣壓燒結、熱等靜壓燒結和反應重燒結。

 

陶瓷零件

陶瓷密封件

 

 

塞隆

陶瓷

 

常溫和高溫化學性能穩定優異,耐磨性能好,熱膨脹系數很低,抗熱衝擊性能好,抗氧化性強。

 

α-賽隆陶瓷:由Si3N4、AlN和金屬離子氧化物反應燒結而成。

β-賽隆陶瓷:β-Si3N4晶格中固溶Al2O3形成,化學式可寫為Si6-zAlzOzN8-z。

 

 

陶瓷電極電刷

熱電偶保護套管

 

 

第二部分  陶瓷刀具

2.1陶瓷刀具的特點

陶瓷刀具硬度高,耐磨性好,切削速度快,加工硬質合金刀具不能加工的高硬度

材料,實現以車代磨。相比立方氮化硼刀具和金剛石刀具,陶瓷刀具具有如下特點:

  • 高耐磨性和紅硬性,減少換刀次數,減少刀具磨損而造成的尺寸誤差。
  • 耐熱性和抗高溫氧化性好,在高溫下長時間的高速切削,切削速度提高10倍。
  • 對衝擊和振動比較敏感,機床必須具有良好的剛性、足夠的功率和高的轉速。

 

2.2陶瓷刀具種類與發展

2.3介紹幾種陶瓷刀具材料

 

  組成 特點 應用
金屬陶瓷刀具 碳、氮化物+金屬黏結相

芯環結構:芯部接近硬質相成分,環部為添加相和黏結相固溶於硬質相形成的複雜固溶體

與硬質合金相比,金屬陶瓷刀具具備:

長壽命—具有高硬度和高耐磨性高效率、高精度

—高速切削,被加工件具有更好的光潔度低成本

—-不含或少含戰略性資源W和Co

金屬陶瓷刀具在發達國家市場已近占1/5~1/4,正在快速發展,已成為傳統硬質合金刀具的理想替代刀具。
氧化鋁基陶瓷刀具

白瓷刀具

氧化鋁晶粒(+增強氧化物晶粒)

純氧化鋁由細晶結構組成,但強度韌性低

增強白瓷由第二相氧化鋯等彌散強化,強韌性更好

硬度17~20GPa,強度600~1000MPa,韌性3~6

刀片,精加工可達1200m/min,粗加工達700m/min加工效率優於金屬陶瓷使用成本低於PCBN

 

中等硬度鋼,灰鑄鐵類加工,極佳性價比

 

氧化鋁基陶瓷刀具

黑瓷刀具

氧化鋁+非氧化物(TiC,TiCN, WC等)

高硬度增強相的彌散強化,強韌性更好:

硬度20~25GPa,強度800~1200MPa,韌性3~7

 

刀片,加工範圍涵蓋白瓷,擴展到更低硬度合金鋼,以及高硬度淬硬鋼,冷硬鑄鐵等

也可用於鎳基合金高速連續車削加工鑄鐵成本稍高於白瓷低於PCBN

 

氧化鋁基陶瓷刀具

晶須刀具

 

氧化鋁陶瓷晶粒+碳化矽晶須碳化矽晶須增加硬度,韌性,熱導率晶須品質,尺寸,及分散,混合等工藝重要影響性能

 

 

硬度20~23GPa,韌性5~10

 

加工範圍涵蓋白瓷,黑瓷,擴展到高強度,高溫合金等難加工材料,高速性能優於低速

 

氮化矽基刀具 氮化矽晶粒(+增強相晶粒)

基體晶粒長棒狀自增韌結構增強相有TiN, TiCN, SiC等

硬度15~17.5GPa,強度800~1500MPa,韌性5~10

 

加工範圍基本涵蓋白瓷,黑瓷,擴展到中等強度硬度材料,低速範圍適用性增強,通用性更好;加工高溫合金也可用斷裂韌性和抗熱震性能好,具有良好的抗衝擊能力,高速斷續工況性能優異

 

塞隆陶瓷刀具

 

組成:α/β-SiAlON(+增強相),TiN, TiCN, SiC等

 

結構與性能:類似氮化矽,為氮化矽晶型固溶體,長棒狀晶粒自增韌;氮化矽和氧化鋁的優點結合;硬度17~20GPa,強度600~1200MPa,韌性5~9

 

隨著機床剛性穩定化和高速化,塞隆銑刀前景更加廣闊。

資源豐富,但成分結構較其他陶瓷複雜,准入門檻較高,市場應用門檻高,以大型企業大批量應用為主。

 

 

由香港生產力促進局(生產力局)舉辦、香港創新科技署全力支持的「金屬工業飛躍 – 採納嶄新材料及關鍵加工技術」研討會已於4月13日圓滿結束。該次會議詳細介紹了近年業界新型關鍵金屬零件及加工技術,並分享了先進醫療器械陶瓷材料、高精尖合金材料及其他高增值複合材料等資訊,為參加者提供全域性和前沿性的視角,並了解國際上金屬材料加工技術的最新發展與案例分析。
這次國際研討會的會議紀要將於2021年11月完成,其中包括「創新和關鍵成型技術發展會議的全球趨勢」國際會議、「中國金屬加工技術及產業發展的策略」研討會、「汽車工業最新金屬材料開發、應用及加工技術」研討會、「應用於醫療保健、植入和生物醫療行業的最新的金屬和陶瓷材料加工技術」研討會、「5G通訊時代器件用熱管理材料」研討會、「應用於輕量化、散熱和強度提升的低成本鋁矽和鎂鋰合金」研討會等最新金屬材料技術。如 閣下有興趣索閱這份會議紀要,請填寫文章附錄中的會議紀要索取表格,並通過電郵聯絡郭女士(Chinee Kwok、chineekwok@hkpc.org)索取。上述研討會與國際會議由香港創新科技署「一般支援計劃」下的「金屬工業飛躍 – 採納嶄新材料及關鍵加工技術」項目贊助。

生產力局擁有多名金屬材料開發、材料製備及結構加工技術的專家,正開展上述諮詢顧問服務,並具備專業的製備設備及技術。專家團隊能根據客戶的要求提供技術支援、樣品開發以及相關測試的服務,以解決企業面對的生產困難,降低成本投入,提升產品質素。

資料提供:香港生產力促進局

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