工程陶瓷制法

"氮化硅陶瓷"是以硅粉为原料，分别采用反应烧结和热压两种工艺方法制造而成。第一种方法是，先把硅粉制作所需生坯，然后在1200℃的高温中让其与氮气初步氮化。初步氮化了的毛坯经过修制加工后，再放在1350-1450℃的高温下进行第二次氮化，从而制出了氮化硅陶瓷。这种方法叫做反应烧结氮化硅。用这一方法制出的陶瓷器件有个特点，即不会收缩，精度很高。第二种方法是先把硅粉氮化做成氮化硅粉末，再加入少量的氧化镁，置于模具里，在1700-1800℃的高温下施加二、三百个大气压力热压而成。后者是气孔率接近于零的致密陶瓷，前者则含有较多气孔。

在空间技术领域，制造宇宙飞船需要能承受高温和温度急变、强度高、重量轻且长寿的结构材料和防护材料，在这方面，结构陶瓷占有绝对优势。从第一艘宇宙飞船即开始使用高温与低温的隔热瓦，碳-石英复合烧蚀材料已成功地应用于发射和回收人造地球卫星。未来空间技术的发展将更加依赖于新型结构材料的应用，在这方面结构陶瓷尤其是陶瓷基复合材料和碳/碳复合材料远远优于其他材料。

高新技术的应用是现代战争制胜的法宝。在军事工业的发展方面，高性能结构陶瓷占有举足轻重的作用。例如先进的亚音速飞机，其成败就取决于具有高韧性和高可靠性的结构陶瓷和纤维补强的陶瓷基复合材料的应用。

1. 硬度大，一般硬度大于HRA80以上，最高可达到92以上;

2. 耐磨性能极好:是普通碳钢的至少200以上，高铬铸铁的10倍以上，

3. 重量轻:氧化铝比重一般只有3.6左右，碳化硅为2.7左右，氧化锆为6左右

4. 耐热性能好:不同耐磨陶瓷的耐热性不尽相同，但用于耐颗粒冲刷场合，耐热性没有任何问题。

陶瓷工作表面耐磨性是锰钢的100倍以上，高铬铸铁的20倍以上;比耐磨橡胶高几倍至几十倍以上。陶瓷金属结合强度达到300kg/㎝2使用温度可达500℃。 使用耐磨陶瓷制造的设备，使用寿命可提高五倍以上，性能价格比可提高3倍以上。

工程陶瓷几乎具备了现代陶瓷家族中的一切长处，它们的强度都很高，特别是热压氮化硅，室温抗弯强度一般都在8000~10000公斤/厘米2的范围内。如果添加入量氧化钇和氧化铝的热压氮化硅，室温抗弯强度竟可达15000公斤/厘米2，使陶瓷材料的强度越过了一万公斤的大关，这在陶瓷材料中可以说是名列前茅了。它的硬度也很高，是世界上最坚硬的物质之一。它极耐高温，受热后不熔融成液体，而一直到1900℃方才分解为硅和氮。同时，耐冷热急变的能力也很好，把它们从室温突然加热到千度以上的高温，再突然扔到水里也不决不会开裂，为此，最适宜用来制造高温燃气轮机的叶片，高温坩埚等。由于它硬度很高，用它做成切削金属的刀具，即使在快速摩擦而产生高热的情况下也不会软化、氧化，因此很适用于高速切削和切削诸如炮筒、刹车筒之类的硬质钢件。它能做金属不能胜任的事，用氮化硅陶瓷制作燃气轮机涡轮叶片有广泛的用途。因为燃气轮机是一种先进的动力机械，喷气式飞机、火力发电站、机车和载重汽车等都要用到它。

工程陶瓷又有极其优良的耐磨性和耐化学腐蚀的本领，是制造各种易腐蚀部件的好材料。它能耐几乎所有的无机酸(氢氟酸除外)和30%以下的烧碱溶液。它也能耐很多有机物质的侵蚀。它还可以耐很多熔融的有色金属的侵蚀，特别是铝液。铝液对氮化硅是不润湿的，所以用它做成接触铝液的结构部件不会有玷污之虞。

氮化硅陶瓷还是一种很好的电绝缘材料，它的电绝缘性能可以和氧化铝陶瓷相比。它还有透微波的性能，可以用作雷达天线罩。它的介电性能随温度的变化甚小，在高温下至少可用到550℃。它的抗热震性能在各类陶瓷中是比较优越的，这使它有可能在六个马赫(即六倍于音速)，甚至于可在七个马赫的飞行速度下使用。

工程陶瓷及其衍生物陶瓷本领高强，素被誉为"陶瓷之王"的氧化铝陶瓷也不及它，难怪人们赞美工程陶瓷(氮化硅陶瓷)为陶瓷家族中的"全能冠军"。

1、试验方法

离散磨料研磨在行星式双面研磨机 上进行 。上、下研磨盘材质有铸铁、紫铜、锡铅台金、起绒皮革等。为了提高研磨效率，在金属研磨盘上加工出螺纹或矩形沟槽。其运动速度可变频无级调速，通过控制减压闶的气压来调节气缸输出力( 即研磨压力 ) 的大小。所用的金刚石磨料有W28、W14、W7、W3、WI 微粉。固结磨料研磨是在改进的单面研磨机上进行。工件用天蜡粘在磨盘表面，研磨片用粘结剂粘在可绕自身轴线转动的行星轮上， 通过控制气缸压 力来调节研磨压力。磨盘的转速可变频无级调速，金刚石研磨片的粒度有:W28、W14、W7、W3、Wl ，结合剂有青铜结台卉、树脂结合剂、浓度有:7 5 %、 1 0 0%、1 5 0%。在研磨前后， 用超声波清洗机清洗工件。在精天平上称出研磨前后的重量、用精密测微仪测量件和研磨片的厚度尺寸变化。 测量研磨前后的工表面租髓度( J I I )，统计研磨中的不良品率。

2、试验结果机理分析

磨削比( G ) 、研磨量( O ) 影响越大，研磨后工件表面粗糙度值越大， 磨料滚动嵌工件并切削的能力越强。研磨量也越大，而过细的颗粒在研磨中不起作用。放在研磨中( 尤其在精研磨中) 选用的金刚石散粉三维尺寸要尽量均匀本试验中选用的是杜邦公司生产的聚晶金刚石粉， 聚晶金刚石粉比单晶金刚石微粉更接近于球形， 研磨效果较好。对固结磨料研磨还能看出:粗糙度的改善是以降低研磨片的磨削比为代价， 而且磨削比降低的幅度要比表面粗糙度改善的幅度大得多。因此，在表面糙度能满足的前提下，尽可能选用粗的微粉或采取先粗研磨后精研磨，以解决磨料消耗和工件最终表面质量的矛盾。