反應燒結碳化硅在加工Z軸過程中的難點及解決辦法

劉傳亮

關鍵詞：反應燒結；碳化硅；Z軸；磨料；研磨砂

1.前言

碳化硅具有各種優異的性能，如超硬、低熱膨脹系數、耐腐蝕、高穩定性等。以上的性能使得碳化硅作為一種結構材料廣泛應用于磨損、高溫、高壓等嚴酷環境，如機械密封件、航空發動機燃燒室等[1-2]。近年來，在精密測量領域碳化硅也有了廣泛應用，例如，三坐標Z軸、平尺等。用反應燒結工藝制備的SiSiC，是一種性能優良的高技術陶瓷材料。但是，加工難度非常大，制造碳化硅陶瓷產品，需要解決大量的技術難題。

本文對SiSiC在加工Z軸過程中存在的技術難點進行分析，并提出了部分解決辦法。

2.碳化硅陶瓷簡介

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

為了得到各種尺寸的零件，需要對碳化硅進行重新燒結。但是，SiC是一種共價鍵很強的材料，燒結時的擴散速率相當低。沒有燒結添加劑，純SiC是很難燒結致密的[3]。常用的燒結方法有以下幾種：無壓燒結、熱壓燒結、反應燒結。

無壓燒結是1974年美國GE公司在高純度β-SiC細粉中同時加入少量的B和C，采用無壓燒結工藝，于2020℃成功地獲得高密度SiC陶瓷[4]。

熱壓燒結是50年代中期，美國Norton公司研究了B、Fe、Al等金屬添加物對SiC熱壓燒結的影響。通過熱壓燒結工藝，實現了SiC的致密化，并認為其機理是液相燒結[5]。

SiSiC是Popper于20世紀50年代發明的[6]。其基本原理是：具有反應活性的液硅，在毛細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程。

3.制備三坐標測量機Z軸的技術路線

Z軸為中空方形管狀軸，壁厚小于9mm，長度小于2500mm，截面尺寸不超過10cm*10cm。常用的Z軸材料為鋁鎂合金。鋁鎂合金具有重量輕、易加工等優點，但是其熱膨脹系數較大、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高硬度使得機械加工變得很難，太脆又導致無法切削，采用常規的加工方法很難獲得精度優良的產品。

本文以某三坐標測量機制造公司的某款Z軸為例，探討制備Z軸的技術路線。該零件外形尺寸為1290*90*90，壁厚8mm。技術路線如下：

制坯：采用澆注工藝將細顆粒α-SiC和添加劑灌入石膏模具，再經過烘干、晾曬、修形制成素坯。燒結：在真空氣氛下把素坯在熔融的硅中加熱，溫度在1410℃以上，液態硅進入素坯的毛細孔，生成新的碳化硅，素坯形成近乎完全致密的反應燒結體[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，達到客戶要求的精度和粗糙度。

4.制備過程中的難點

SiSiC的工業化精密加工難度大。主要體現在1）平磨加工過程中磨料的選擇。目前國內加工SiSiC的廠家很少，缺少工業化生產相關工藝研究，很難確定使用哪種磨料進行加工性價比高。2）精研加工過程中研磨砂的選擇和加工工藝。我公司主要研磨花崗石產品，缺乏陶瓷加工經驗，很難確定研磨砂的種類和加工工藝。

5.難點問題的解決辦法

由于缺少相關文獻和加工經驗，只有通過大量的實驗來確定最優方案。

5.1 平磨加工過程中磨料的選擇

我公司現有生產設備配備的是綠色碳化硅砂輪，對Z軸進行磨削加工，發現工件幾乎沒有任何去除的加工痕跡，無法加工SiSiC。

選擇自然界最硬的金剛石作為磨料，選擇金屬結合劑和樹脂結合劑砂輪進行試驗。確定了磨削工藝和加工參數：1）加工設備：M7150；2）磨削液：水基磨削液；3）砂輪規格：80#，密度75%；4）進給速度：1.5m/s。試驗過程中發現在相同的加工條件下，金屬結合劑金剛石砂輪去除率高于樹脂結合劑金剛石砂輪。

因此，金屬結合劑金剛石砂輪性價比高。

5.2 研磨砂的選擇和加工工藝

通過對碳化硅陶瓷研磨過程的研究，發現硬度和斷裂韌性通常是影響材料抗磨耗性的指標。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，表面質量最不易控制[8]。

試驗確定了研磨工藝及加工參數：1）研磨液：自來水；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。試驗表明，在碳化硅陶瓷的研磨階段，材料去除主要是機械去除，微裂紋的產生和擴展是其機械去除過程中的主導作用。使用電感測微儀檢測研磨精度，平面度小于0.004，滿足圖紙要求。

6 結語

綜上所述，SiSiC陶瓷作為一種新型構件材料，其具有的優良的物理性能，在精密測量領域得到有效利用。通過上述系列試驗，解決了其加工過程中的難點，使SiSiC陶瓷的應用前景向好，完全可以替代現有的材料，市場前景非常廣闊。

參考文獻：

[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，反應燒結碳化硅的研究與進展，無機材料學報，2005.5：19-3，456-462.

[4]王靜，張玉軍，龔紅宇，無壓燒結碳化硅研究進展，陶瓷，2008.4：17-19.

[5]宋祖偉，戴長虹，翁長根，碳化硅陶瓷粉體的制備技術，青島化工學院學報，2001.2

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

[7]郝寅雷，趙文興，反應燒結碳化硅陶瓷的制備及燒結機理，耐火材料，2000.9：313-315.

[8]郭方全，碳化硅陶瓷球的磨削機理研究，機械工程材料，2007.31.