Un guide complet sur l'alumine, la zircone et d'autres matériaux dans l'usinage CNC

Comprendre les types de céramiques utilisées dans l'usinage CNC permet aux ingénieurs, aux concepteurs de produits et aux professionnels de l'approvisionnement de sélectionner les matériaux les plus appropriés pour des applications exigeantes. 

Cet article de blog présente quelques-unes des options céramiques importantes, les propriétés ou caractéristiques telles que la dureté et l'usinabilité, ainsi que les applications réelles de ces dernières. Il faut s'attendre à des chiffres merveilleux et à des avis d'experts évidents.

Principaux types de céramiques dans le processus d'usinage CNC de précision

1. Usinage CNC de la céramique d'alumine

Usinage CNC de la céramique d'alumine est l'un des procédés les plus utilisés. L'alumine (Al 2 O 2 ) est très dure (dureté Mohs ~9), très résistante à l'usure, isolante électrique et abordable. Des qualités modernes comme l'alumine 96% peuvent avoir une résistance à la flexion allant jusqu'à ~380 MPa et une conductivité thermique allant jusqu'à ~25 W/m-K.

• Usinabilité : L'alumine est précise pour être usinée avec des outils diamantés dans un liquide de refroidissement, malgré sa dureté.
• Applications : Idéal pour les pièces d'usure (valves, joints), les substrats pour l'électronique et les composants de machines industrielles.

Plus de 50 % de l'usinage CNC industriel des céramiques techniques est basé sur l'alumine, en raison de son équilibre coût-performance.

2. Céramiques de zircone pour composants de précision

Les zircones stables (ZrO 2 ), notamment celles dopées à l'yttrium ( YSZ ), offrent une ténacité bien supérieure à celle de l'alumine (1015 fois plus élevée) et sont dures (environ 8,5 Mohs).

• Dureté et usinabilité : Il est un peu moins dur que l'alumine mais beaucoup plus résistant. Les outils diamantés permettent l'usinage CNC à des vitesses d'avance plus lentes.
• Applications : Implants dentaires et buses de précision, roulements et pièces de capteurs aérospatiaux.

Compréhension comparative

Si l'on compare la dureté et l'usinabilité de l'alumine et de la zircone, l'alumine est légèrement plus dure et la zircone est plus résistante aux chocs thermiques et aux impacts, ce qui permet à la zircone d'être accessible à des formes complexes de manière précise.²

3. Céramiques usinables au nitrure de silicium

Les céramiques usinables en nitrure de silicium (Si₃N₄) combinent une grande solidité (~1000 MPa), une excellente résistance aux chocs thermiques et une faible dilatation thermique (~3×10-6 / K).

• Usinabilité : L'usinage serait plus difficile dans les matériaux difficiles à usiner de manière conventionnelle, mais en utilisant un liquide de refroidissement à haute pression et des systèmes CNC modernes avec des outils en nitrure de bore cubique (cBN) ou en diamant, il est possible de créer des pièces complexes en Si 3 N 4.
• Applications : Outils de coupe, composants de turbines utilisés dans des applications à grande vitesse et roulements utilisés dans des applications à haute température.

4. Céramiques à haute température Céramiques techniques Céramiques techniques

Les céramiques techniques utilisées dans les applications à haute température, notamment le carbure de silicium (SiC) et les mélanges d'alumine sophistiqués, sont idéales pour les applications nécessitant des températures plus élevées.

• Carbure de silicium : Dureté très élevée (9 9,5 Mohs), conductivité thermique supérieure à 120 W/m K. Dans les supports de cuisson, les éléments chauffants ou le traitement des semi-conducteurs.
• Mélanges d'alumine à haute performance : Conçu pour résister à une température conventionnelle de plus de 1 500 °C, avec une meilleure résistance au fluage.
• Usinage : Pas de fabrication par CNC standard ; meulage au diamant nécessaire ; façonnage optionnel de type CNC possible par frittage suivi d'un post-meulage.

5. Les vitrocéramiques usinables dans le prototypage

Les vitrocéramiques usinables pour le prototypage (Macor, par exemple) sont isotropes et peuvent être usinées à l'aide d'outils standard pour le travail des métaux.

• Caractéristiques : Métal moins dur (environ 5 Mohs), usinable, semblable à un alliage, que l'on peut percer, tarauder et fraiser.
• Applications : Montages de prototypes standard, passages sous vide, pièces de laboratoire sur mesure.

Les cycles rapides permettent de valider la conception avant de passer à des céramiques plus difficiles.

6. Quelles sont les céramiques adaptées à l'aérospatiale, à la médecine ou à l'électronique ?

Aérospatiale

• Nitrure de silicium et carbure de silicium : aubes de turbine, roulements et buses.
• Zircone : boîtiers de capteurs ; pièces d'usure.
• Médical

Zircone : On les trouve dans les implants dentaires et les prothèses articulaires totales parce qu'ils sont biocompatibles et résistants.

Alumine : les prothèses de hanche et l'électronique de diagnostic.

Électronique

• Alumine: Ancien substrat standard utilisé en microélectronique, résistance diélectrique élevée.
• Verre-céramique usinable : des applications spéciales, des boîtiers personnalisés et des montages d'essai.

Alumine vs Zircone : Comparaison de la dureté et de l'usinabilité

Applications réelles des céramiques dans la CNC 

Support de capteur automobile en zircone : Dans un exemple, un support en zircone a été testé à 1 000 o C et 10 6 cycles de vibration avec de meilleures performances que les alternatives en alumine.

Rotor de turbine en nitrure de silicium : une turbine industrielle avec un rotor Si 3 N 4 fonctionnant à 1200 10 000 5 avec un taux d'usure de <2 5 % do.

Appareil de laboratoire en verre et en céramique usinable : Le prototype de vitrocéramique usinable a excellé là où une fixation de laboratoire en alumine aurait fonctionné, réduisant le temps de développement de 50 \%.

L'électronique : Une Un substrat d'alumine a été utilisé dans un dispositif RF à haute fréquence, un substrat d'alumine à 96 % offrant une intégrité de signal supérieure de 20 % en raison de la faible perte diélectrique et des tolérances CNC.

FAQ sur les instruments en céramique : Procédures de la céramique dans l'usinage CNC de la Norvège

1. Quelles sont les céramiques typiques que l'on peut utiliser dans l'usinage CNC ?

Les céramiques ordinaires sont : l'alumine (Al 2 O 3 ), la zircone (ZrO 2 ), le nitrure de silicium (Si 3 N 4 ), les céramiques techniques à haute température et les vitrocéramiques usinables. Ces deux types de céramiques présentent des propriétés spécifiques qui leur permettent d'être utilisées d'une certaine manière.

2. Comment la céramique d'alumine est-elle usinée par CNC ?

Les céramiques d'alumine ont des applications très courantes dans l'usinage CNC pour la fabrication de pièces d'usure, de substrats électroniques et de composants industriels. Elles offrent une bonne dureté et des propriétés d'isolation électrique.

3. Quelles sont les différences entre céramique de zircone dans les composants de précision à l'alumine ?

La zircone est moins dure que l'alumine, mais elle est nettement plus résistante. C'est un avantage supplémentaire pour les composants de précision ou les géométries complexes et les composants résistants aux chocs, principalement dans les secteurs médical et aérospatial.

4. Les céramiques usinables en nitrure de silicium peuvent-elles être utilisées dans une situation de chaleur élevéeַ ?

Oui : nitrure de silicium (Si ahn NF), le nitrure de silicium se comporte bien à des températures et des contraintes élevées. Il est normalement utilisé dans les turbines à rotation rapide, les pièces de moteurs et les outils de coupe, car il présente une résistance exceptionnelle aux chocs thermiques.

5. Quelles sont les applications qui se prêtent à l'utilisation des vitrocéramiques usinables lors du prototypage ?

Les vitrocéramiques qui peuvent être usinées sont bien adaptées au prototypage, lorsque l'utilisation d'outils standard est souhaitée. Elles peuvent être façonnées facilement et rapidement, avant d'être transférées vers des matériaux céramiques plus durables et plus durs.