刘传亮

关键词：反应烧结；碳化硅；Z轴；磨料；研磨砂

1.前言

碳化硅具有各种优异的性能，如超硬、低热膨胀系数、耐腐蚀、高稳定性等。以上的性能使得碳化硅作为一种结构材料广泛应用于磨损、高温、高压等严酷环境，如机械密封件、航空发动机燃烧室等[1-2]。近年来，在精密测量领域碳化硅也有了广泛应用，例如，三坐标Z轴、平尺等。用反应烧结工艺制备的SiSiC，是一种性能优良的高技术陶瓷材料。但是，加工难度非常大，制造碳化硅陶瓷产品，需要解决大量的技术难题。

本文对SiSiC在加工Z轴过程中存在的技术难点进行分析，并提出了部分解决办法。

2.碳化硅陶瓷简介

碳化硅，化学式：SiC。碳化硅在自然界中几乎不存在，工业上使用的碳化硅为人工合成。碳化硅的工业制法是用石英砂和石油焦在电阻炉内炼制。

为了得到各种尺寸的零件，需要对碳化硅进行重新烧结。但是，SiC是一种共价键很强的材料，烧结时的扩散速率相当低。没有烧结添加剂，纯SiC是很难烧结致密的[3]。常用的烧结方法有以下几种：无压烧结、热压烧结、反应烧结。

无压烧结是1974年美国GE公司在高纯度β-SiC细粉中同时加入少量的B和C，采用无压烧结工艺，于2020℃成功地获得高密度SiC陶瓷[4]。

热压烧结是50年代中期，美国Norton公司研究了B、Fe、Al等金属添加物对SiC热压烧结的影响。通过热压烧结工艺，实现了SiC的致密化，并认为其机理是液相烧结[5]。

SiSiC是Popper于20世纪50年代发明的[6]。其基本原理是：具有反应活性的液硅，在毛细管力的作用下渗入含碳的多孔陶瓷素坯，新生成的碳化硅原位结合素坯中原有的碳化硅颗粒，浸渗剂填充素坯中的剩余气孔的过程。

3.制备三坐标测量机Z轴的技术路线

Z轴为中空方形管状轴，壁厚小于9mm，长度小于2500mm，截面尺寸不超过10cm*10cm。常用的Z轴材料为铝镁合金。铝镁合金具有重量轻、易加工等优点，但是其热膨胀系数较大、易变形。而SiSiC的特性决定了其是一种非常适合替代材料。

但是，SiSiC高硬度使得机械加工变得很难，太脆又导致无法切削，采用常规的加工方法很难获得精度优良的产品。

本文以某三坐标测量机制造公司的某款Z轴为例，探讨制备Z轴的技术路线。该零件外形尺寸为1290*90*90，壁厚8mm。技术路线如下：

制坯：采用浇注工艺将细颗粒α-SiC和添加剂灌入石膏模具，再经过烘干、晾晒、修形制成素坯。烧结：在真空气氛下把素坯在熔融的硅中加热，温度在1410℃以上，液态硅进入素坯的毛细孔，生成新的碳化硅，素坯形成近乎完全致密的反应烧结体[7]。磨削加工：选用合适的砂轮加工。钻孔：使用特殊配方的金刚石刀具加工。精研：使用特殊的研磨砂加工，达到客户要求的精度和粗糙度。

4.制备过程中的难点

SiSiC的工业化精密加工难度大。主要体现在1）平磨加工过程中磨料的选择。目前国内加工SiSiC的厂家很少，缺少工业化生产相关工艺研究，很难确定使用哪种磨料进行加工性价比高。2）精研加工过程中研磨砂的选择和加工工艺。我公司主要研磨花岗石产品，缺乏陶瓷加工经验，很难确定研磨砂的种类和加工工艺。

5.难点问题的解决办法

由于缺少相关文献和加工经验，只有通过大量的实验来确定最优方案。

5.1 平磨加工过程中磨料的选择

我公司现有生产设备配备的是绿色碳化硅砂轮，对Z轴进行磨削加工，发现工件几乎没有任何去除的加工痕迹，无法加工SiSiC。

选择自然界最硬的金刚石作为磨料，选择金属结合剂和树脂结合剂砂轮进行试验。确定了磨削工艺和加工参数：1）加工设备：M7150；2）磨削液：水基磨削液；3）砂轮规格：80#，密度75%；4）进给速度：1.5m/s。试验过程中发现在相同的加工条件下，金属结合剂金刚石砂轮去除率高于树脂结合剂金刚石砂轮。

因此，金属结合剂金刚石砂轮性价比高。

5.2 研磨砂的选择和加工工艺

通过对碳化硅陶瓷研磨过程的研究，发现硬度和断裂韧性通常是影响材料抗磨耗性的指标。在相同的研磨条件下，与氮化硅、氧化锆陶瓷相比，碳化硅陶瓷的材料去除率最高，表面质量最不易控制[8]。

试验确定了研磨工艺及加工参数：1）研磨液：自来水；2）研磨板：铸铁研磨板；3）磨料：粗研使用W50的金刚砂，中磨使用W20，精研使用W10，研磨后表面粗糙度分别为Ra0.8、Ra0.63和Ra0.4。試验表明，在碳化硅陶瓷的研磨阶段，材料去除主要是机械去除，微裂纹的产生和扩展是其机械去除过程中的主导作用。使用电感测微仪检测研磨精度，平面度小于0.004，满足图纸要求。

6 结语

综上所述，SiSiC陶瓷作为一种新型构件材料，其具有的优良的物理性能，在精密测量领域得到有效利用。通过上述系列试验，解决了其加工过程中的难点，使SiSiC陶瓷的应用前景向好，完全可以替代现有的材料，市场前景非常广阔。

参考文献：

[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]王艳香，谭寿洪，江东亮，反应烧结碳化硅的研究与进展，无机材料学报，2005.5：19-3，456-462.

[4]王静，张玉军，龚红宇，无压烧结碳化硅研究进展，陶瓷，2008.4：17-19.

[5]宋祖伟，戴长虹，翁长根，碳化硅陶瓷粉体的制备技术，青岛化工学院学报，2001.2

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

[7]郝寅雷，赵文兴，反应烧结碳化硅陶瓷的制备及烧结机理，耐火材料，2000.9：313-315.

[8]郭方全，碳化硅陶瓷球的磨削机理研究，机械工程材料，2007.31.