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氧化鋁陶瓷制作工藝 TIME: 2019-07-16
     氧化鋁陶瓷目前分為高純型與普通型兩種。高純型氧化鋁陶瓷系Al2O3含量在99.9%以上的陶瓷材料,由于其燒結溫度高達1650-1990℃,透射波長為1~6μm,一般制成熔融玻璃以取代鉑坩堝:利用其透光性及可耐堿金屬腐蝕性用作鈉燈管;在電子工業中可用作集成電路基板與高頻絕緣材料。普通型氧化鋁陶瓷系按Al2O3含量不同分為99瓷、95瓷、90瓷、85瓷等品種,有時Al2O3含量在80%或75%者也劃為普通氧化鋁陶瓷系列。其中99氧化鋁瓷材料用于制作高溫坩堝、耐火爐管及特殊耐磨材料,如陶瓷軸承、陶瓷密封件及水閥片等;95氧化鋁瓷主要用作耐腐蝕、耐磨部件;85瓷中由于常摻入部分滑石,提高了電性能與機械強度,可與鉬、鈮、鉭等金屬封接,有的用作電真空裝置器件。其制作工藝如下:  一、粉體制備:  將入廠的氧化鋁粉按照不同的產品要求與不同成型工藝制備成粉體材料。粉體粒度在1μm微米以下,若制造高純氧化鋁陶瓷制品除氧化鋁純度在99.99%外,還需超細粉碎且使其粒徑分布均勻。采用擠壓成型或注射成型時,粉料中需引入粘結劑與可塑劑,一般為重量比在10-30%的熱塑性塑膠或樹脂?有機粘結劑應與氧化鋁粉體在150-200℃溫度下均勻混合,以利于成型操作。采用熱壓工藝成型的粉體原料則不需加入粘結劑。若采用半自動或全自動干壓成型,對粉體有特別的工藝要求,需要采用噴霧造粒法對粉體進行處理、使其呈現圓球狀,以利于提高粉體流動性便于成型中自動充填模壁。此外,為減少粉料與模壁的摩擦,還需添加1~2%的潤滑劑?如硬脂酸?及粘結劑PVA?! ∮裳鉤尚褪斃瓚苑厶迮縹碓熗?,其中引入聚乙烯醇作為粘結劑。近年來上海某研究所開發一種水溶性石蠟用作Al2O3噴霧造粒的粘結劑,在加熱情況下有很好的流動性。噴霧造粒后的粉體必須具備流動性好、密度松散,流動角摩擦溫度小于30℃??帕<杜潯壤硐氳忍跫?,以獲得較大素坯密度?! 《?、成型方法:  氧化鋁陶瓷制品成型方法有干壓、注漿、擠壓、冷等靜壓、注射、流延、熱壓與熱等靜壓成型等多種方法。近幾年來國內外又開發出壓濾成型、直接凝固注模成型、凝膠注成型、離心注漿成型與固體自由成型等成型技術方法。不同的產品形狀、尺寸、復雜造型與精度的產品需要不同的成型方法。摘其常用成型介紹:  1干壓成型:氧化鋁陶瓷干壓成型技術僅限于形狀單純且內壁厚度超過1mm,長度與直徑之比不大于4∶1的物件。成型方法有單軸向或雙向。壓機有液壓式、機械式兩種,可呈半自動或全自動成型方式。壓機最大壓力為200Mpa.產量每分鐘可達15~50件。由于液壓式壓機沖程壓力均勻,故在粉料充填有差異時壓制件高度不同。而機械式壓機施加壓力大小因粉體充填多少而變化,易導致燒結后尺寸收縮產生差異,影響產品質量。因此干壓過程中粉體顆粒均勻分布對模具充填非常重要。充填量準確與否對制造的氧化鋁陶瓷零件尺寸精度控制影響很大。粉體顆粒以大于60μm、介于60~200目之間可獲最大自由流動效果,取得最好壓力成型效果?! ?注漿成型法:注漿成型是氧化鋁陶瓷使用最早的成型方法。由于采用石膏模、成本低且易于成型大尺寸、外形復雜的部件。注漿成型的關鍵是氧化鋁漿料的制備。通常以水為熔劑介質,再加入解膠劑與粘結劑,充分研磨之后排氣,然后倒注入石膏模內。由于石膏模毛細管對水分的吸附,漿料遂固化在模內??招淖⒔?,在模壁吸附漿料達要求厚度時,還需將多余漿料倒出。為減少坯體收縮量、應盡量使用高濃度漿料?! ⊙躉撂沾山現謝剮杓尤胗謝砑蛹烈允沽轄帕1礱嫘緯傷綺閌沽轄榷ㄐ〔懷戀?。此外還需加入乙烯醇、甲基纖維素、海藻酸胺等粘結劑及聚丙烯胺、阿拉伯樹膠等分散劑,目的均在于使漿料適宜注漿成型操作?! ∪?、燒成技術:  將顆粒狀陶瓷坯體致密化并形成固體材料的技術方法叫燒結。燒結即將坯體內顆粒間空洞排除,將少量氣體及雜質有機物排除,使顆粒之間相互生長結合,形成新的物質的方法?! ∩粘墑褂玫募尤茸爸米罟惴菏褂玫緶?。除了常壓燒結?即無壓燒結外,還有熱壓燒結及熱等靜壓燒結等。連續熱壓燒結雖然提高產量,但設備和模具費用太高,此外由于屬軸向受熱,制品長度受到限制。熱等靜壓燒成采用高溫高壓氣體作壓力傳遞介質,具有各向均勻受熱之優點,很適合形狀復雜制品的燒結。由于結構均勻,材料性能比冷壓燒結提高30~50%。比一般熱壓燒結提高10~15%。因此,目前一些高附加值氧化鋁陶瓷產品或國防軍工需用的特殊零部件、如陶瓷軸承、反射鏡、核燃料及槍管等制品、場采用熱等靜壓燒成方法?! 〈送?,微波燒結法、電弧等離子燒結法、自蔓延燒結技術亦正在開發研究中?! ∷?、精加工與封裝工序:  有些氧化鋁陶瓷材料在完成燒結后,尚需進行精加工。如可用作人工骨的制品要求表面有很高的光潔度、如鏡面一樣,以增加潤滑性。由于氧化鋁陶瓷材料硬度較高,需用更硬的研磨拋光磚材料對其作精加工。如SiC、B4C或金剛鉆等。通常采用由粗到細磨料逐級磨削,最終表面拋光。一般可采用<1μm微米的Al2O3微粉或金剛鉆膏進行研磨拋光。此外激光加工及超聲波加工研磨及拋光的方法亦可采用。有些氧化鋁陶瓷零件需與其它材料作封裝處理?! ⊙躉撂沾汕炕ひ鍘 ∥嗽鑾墾躉撂沾?,顯著提高其力學強度,國外新推一種氧化鋁陶瓷強化工藝。該工藝新穎簡單,所采取的技術手段是在氧化鋁陶瓷表面,采用電子射線真空鍍膜、濺射真空鍍膜或化學氣相蒸鍍方法,鍍上一層硅化合物薄膜,在1200℃~1580℃的加熱處理,使氧化鋁陶瓷鋼化?! 【炕難躉撂沾傻牧ρ慷瓤稍讜∩洗蠓仍齔?,獲得具有超高強度的氧化鋁陶瓷。 
特種加工是指那些不屬于傳統加工工藝范疇的加工方法,它不同于使用刀具、厝具等直接利用機械能切除多余材料的傳統加工方法。特種加工是近幾十年發展起來的新工藝,是對傳統加工工藝方法的重 要補充與發展,目前仍在繼續研究開發和改進。直接利用電能,熱能,聲能,光能,化學能和電化學能,有時也結合機械能對工件進行的加工。特種加工中以采用電能為主的電火花加工和電解加工應用較廣,泛稱電加工。特種加工亦稱“非傳統加工”或“現代加工方法”,泛指用電能、熱能、光能、電化學能,化學能,聲能及特殊機械能等能量達到去除或增加材料的加工方法,從而實現材料被去除、變形 改變性能或被锿覆等。                                                 20世紀40年代發明的電火花加工開創了用軟工具,不靠機械力來加工硬工件的方法。       50年代以后先后出現電子束加工,等離子弧加工和激光加工。這些加工方法不用成型的工具,而是利用密度很高的能量束流進行加工。對于高硬度材料和復雜形狀、精密微細的特殊零件,特種加工有很大的適用性和發展潛力,在模具、量具、刀具、儀器儀表、飛機,航天器和微電子元器件等制造中得到越來越廣泛的應用。特種加工的發展方向主要是:提高加工精度和表面質量,提高生產率和自動化程度,發展幾種方法聯合使用的復合加工,發展納米級的超精密加工等。電火花:利用電火花加工原理加工導電材料的特種加工。又稱電蝕加工。電火花加工主要用于加工各種高硬度的材料(如硬質合金和淬火鋼等)和復雜形狀的模具,零件,以及切割,開槽和去除折斷在工件孔內的工具《如鉆頭和絲錐)》等電火花加工機床通常分為電火花成型機床,電火花線切割機床和電火花磨削機床,以及各種專門用途的電火花加工機床,如加工小孔、螺紋環規和異形孔紡絲板等的電火花加工機床。激光加工技術:國外激光加工設備和工藝發展迅速,現已擁有100k的大功率二氧化碳激光器、kV級高光束質量的Nd:YAG固體激光器,有的可配上光導纖維進行多工位,遠距高工作。激光加工設備功率大,自動化程度高,已普遍采用cNc控制,多坐標聯動,并裝有激光功率監控,自動聚焦,工業電視顯示等鋪助系統。激光制孔的最小孔徑已達0。002mm,已成功地應用自動化六坐標激光制孔專用設備加工航空發動機渦輪葉片、燃燒室氣膜孔,達到無再鑄層、無微裂紋的效果。激光切割適用于由耐熱合金、鈦合金、復合材料制成的零件。目前薄材切割速度可達15m/min,切建官,一般在0。1~1mm之間,熱影響區只有切縫寬的10%~20%,最大切割厚度可達45nn,已廣泛應用于飛機三維蒙皮、框架、艦船船身板架,直升機旋翼,發動機燃燒室等。電子束加工技術:電子束加工技術在國際上日趨成熟,應用范圍廣。國外定型生產的40kV~300kV的電子槍(以60kV,150kV為主),已普遍采用CNC控制,多坐標聯動,自動化程度高。電子束焊接已成功地應用在特種材料,異種材料、空間復雜曲線、變馘面焊接等方面。目前正在研究焊繾自動跟蹤、堉絲焊接,非真空焊接等,最大焊接熔深可達300mn,焊繾深寬比20:1。電子束焊已用于運載火前、航天飛機等主承力構件大型結構的組合焊接,以及飛機梁、框、起落架部件,發動機整體轉子、機匣,功率軸等重要結構件和核動力裝置壓力容器的制造。如:F-22戰斗機采用先進的電子束焊接,減輕了飛機重量,提高了整機的性能:“蘇-27”及其它系列飛機中的大量承力構件,如起落架,承力隔框等,均采用了高壓電子束焊接技術。等離子東及等高子體加工技術表面功能涂層具有高硬度、耐磨,抗蝕功能,可顯著提高零件的壽命,在工業上具有廣泛用途。美國及歐洲國家目前多數用微波 ECR等離子體源來制備合種功能涂層。等高子體熱噴涂技術已經進入工程化應用,已廣泛應用在航空、航天、船舶等領域的產品關鍵零部件耐磨涂層、封嚴涂層、熱障涂層和高溫防護層等方面。超聲波加工技術:超聲波加工基本原理:在工件和工具間加入膪料懸浮液,由超聲波發生器產生超聲振蕩波,經換能器轉換成超聲機械振動,使懸浮液中的磨粒不斷地撞擊加工表面,把硬而脆的被加工材料局部破壞而撞擊下來。在工件表面瞬間正負交昔的正壓沖擊波和負壓空化作用下強化了加工過程。因此,超聲波加工實質上是磨料的機械沖擊與超聲波沖擊及空化作用的綜合結果。在傳統超聲波加工的基礎上發展了旋轉超聲波加工,即工具在不斷振動的同時還以一定的速良旋轉,這將迫使工具中的磨粒不斷地沖擊和劃擦工件表面,把工件材料粉碎成很小的微粒去除,以提高加工效率。超聲波加工精度高,速度快,加工材料適應范圍廣,可加工出復雜型腔及型面,加工時工具和工件接觸輕,切削力小,不會發生燒傷,變形、殘余應力等缺陷,而且超聲加工機床的結構簡單,易于維護。特種加工的發展趨勢:特種加工技術近十幾年來得到了快速發展,在世界范圍內越來越受到人們的重視,發揮的作用也越來越大。特種加工采用不同的能量形式加工零件,相對于傳統的切削加工技術,特種加工普遍具有以柔克剛、加工力影響較小等優勢。為進一步提高特種加工技術水平及擴大其應用范圍,當前特種加工技術的發展趨勢主要包括以下幾點:(1)采用自動化技術;(2)趙向精密化研究;(3)開發新工藝方法及復合工藝;(4)污染問題是影響和限制有些特種加工應用、發展的嚴重障礙;(5)進一步開拓特種加工技術。細微化是特種加工技術發展的重要趙勢,由于當前的工業產品越來越追求小型化和微型化,徽細結構和微細零件的加工需求不斷增長,同時帶動了各種制造技術向小型化,微細化發展。比如細微的電火花加工,微細電化學加工,微細的激光加工,微細離子束加工等技術可以實現很小尺度內的加工,這些技術在國內外都發展得很快而且得到越來越廣泛的應用。
含碳量高的棒材發生過很多次斷裂,如45#鋼做的軸,使用不太長的時間就發生斷裂。從斷裂后部件上取樣,進行金相分析,往往找不到產生的原因,即算牽強附會找到了一些原因,也不是實際的原因。為了確保更高的強度,還必須在鋼中添加碳,隨之就會析出鐵碳化物。從電化學的觀點來看,鐵碳化物發揮了陰極作用,加快了基體周邊的陽極溶解反應。在顯微組織內的鐵碳化物體積分數的增大還歸因于碳化物的低氫超電壓特性。鋼材表面易于產生并吸附氫,氫原子向鋼材內部滲入的同時,氫的體積分數就可能會增加,最終使得材料的抗氫脆性能顯著降低。高強鋼材耐腐蝕性和抗氫脆性的顯著降低不僅有害于鋼材的性能,還會極大地限制鋼材的應用。如汽車用鋼暴露于氯化物等各種腐蝕環境中,在應力作用下,可能出現的應力腐蝕開裂(SCC)現象就會對車身的安全性造成嚴重的威脅。碳含量越高,氫擴散系數減小,氫溶解度增大。學者Chan曾經提出,析出物(作為氫原子的陷阱位置)、電位、空孔等各種晶格缺陷與碳含量成正比,碳含量增大,就會抑制氫擴散,因此氫擴散系數也較低。由于碳含量與氫溶解度成正比關系,作為氫原子陷阱的碳化物,體積分數越大,鋼材內部的氫擴散系數越小,氫溶解度增大,氫溶解度也包含了有關擴散性氫的信息,因而氫脆敏感性最高。隨著碳含量的增加,氫原子的擴散系數減小,表面氫濃度增大,這是因為鋼材表面的氫超電壓下降所致。從動電壓極化試驗結果來看,試樣的碳含量越高,酸性環境中就易于發生陰極還原反應(氫生成反應)以及陽極溶解反應。與具有低氫超電壓的周邊基體進行比較,碳化物發揮了陰極的作用,其體積分數增大。根據電化學氫滲透試驗結果,試樣內的碳含量和碳化物的體積分數越大,氫原子的擴散系數就越小,溶解度增大。隨著碳含量的增加,抗氫脆性也會降低。慢應變速率拉伸試驗證實,碳含量越大,抗應力腐蝕開裂性能也會降低。與碳化物的體積分數成正比,隨著氫還原反應及向試樣內部滲透的氫注入量增加,就會發生陽極溶解反應,也會加快形成滑移帶。碳含量的增大,鋼材內部就會析出碳化物,在電化學腐蝕反應的作用下,氫脆可能性就會增大,為了確保鋼具備優秀的耐腐蝕性和抗氫脆性,對碳化物的析出和體積分數的控制進行是有效的控制方法。鋼材在汽車零配件上的應用受到一些限制,也要歸因于其抗氫脆性能的明顯下降,而氫脆是由水溶液腐蝕產生的。事實上,這種氫脆敏感性是與碳含量密切相關的,在低氫超電壓條件下析出鐵碳化物(Fe2.4C / Fe3C)。一般針對應力腐蝕開裂現象或氫脆現象導致的表面局部腐蝕反應,通過熱處理除去殘余應力,增大氫陷阱效率等方面開展。要想開發兼具優秀耐腐蝕性和抗氫脆性的超高強汽車用鋼,也自然并非易事。隨著碳含量的增大,氫還原速率增大,而氫擴散速率顯著降低。使用中碳或高碳鋼做零部件或傳動軸等,技術關鍵就是對顯微組織中的碳化物組分進行有效控制。 
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