Исчерпывающее руководство по использованию глинозема, диоксида циркония и других материалов в обработке с ЧПУ

Понимание типов керамики, используемой в обработке с ЧПУ, позволяет инженерам, дизайнерам изделий и специалистам по закупкам выбирать наиболее подходящие материалы для сложных задач. 

В этом блоге мы расскажем о некоторых важных параметрах керамики, ее свойствах и характеристиках, таких как твердость и обрабатываемость, а также о реальных вариантах ее применения. Следует ожидать чудесных цифр и очевидных экспертных мнений.

Основные виды керамики в процессе прецизионной обработки с ЧПУ

1. Алюмокерамическая обработка с ЧПУ

Обработка алюминиевой керамики с ЧПУ является одним из наиболее широко используемых процессов. Глинозем (Al 2 O 2 ) очень твердый (твердость по шкале Мооса ~9), обладает высокой износостойкостью, является электроизоляционным материалом и доступен по цене. Такие современные марки, как глинозем 96%, могут иметь прочность на изгиб до ~380 МПа и теплопроводность до ~25 Вт/м-К.

• Обрабатываемость: Несмотря на свою твердость, глинозем точно обрабатывается алмазными инструментами в охлаждающей жидкости.
• Приложения: Идеально подходит для износостойких деталей (клапаны, уплотнения), подложек для электроники и компонентов промышленного оборудования.

Более 50 % промышленной обработки технической керамики с ЧПУ базируется на глиноземе, благодаря его соотношению цены и качества.

2. Циркониевая керамика для прецизионных компонентов

Стабильный диоксид циркония (ZrO 2 ), особенно допированный иттрием (YSZ), обеспечивает гораздо большую прочность, чем прочность на излом глинозема (в 1015 раз выше), и обладает высокой твердостью (около 8,5 единиц по шкале Мооса).

• Твердость против обрабатываемости: Он немного менее твердый, чем глинозем, но гораздо более прочный. Алмазные инструменты позволяют обрабатывать детали с ЧПУ на более медленных скоростях подачи.
• Приложения: Стоматологические имплантаты и прецизионные насадки, подшипники и детали аэрокосмических датчиков.

Сравнительное понимание

Если сравнивать глинозем и диоксид циркония по твердости и обрабатываемости, то глинозем немного тверже, а диоксид циркония более устойчив к ударам и термическому шоку, что позволяет изготавливать из диоксида циркония сложные формы с высокой точностью.²

3. Керамика из нитрида кремния, поддающаяся механической обработке

Обрабатываемая керамика из нитрида кремния (Si₃N₄) сочетает в себе высокую прочность (~1000 МПа), отличную стойкость к тепловым ударам и низкое тепловое расширение (~3×10-6 / K).

• Обрабатываемость: Обычная обработка труднообрабатываемых материалов была бы сложнее, но благодаря использованию СОЖ под высоким давлением и современных систем ЧПУ с кубическим нитридом бора (cBN) или алмазными инструментами можно создавать сложные детали из Si 3 N 4.
• Приложения: Режущие инструменты, компоненты турбин, используемые в высокоскоростных системах, и подшипники, используемые в высокотемпературных системах.

4. Высокотемпературная керамика Техническая керамика Техническая керамика

Техническая керамика для высокотемпературных применений, включая карбид кремния (SiC) и сложные глиноземные смеси, идеально подходит для применения в условиях повышенных температур.

• Карбид кремния: Очень высокая твердость (9 9,5 по Моосу), теплопроводность выше 120 Вт/м К. Используется в печной мебели, нагревательных элементах или для обработки полупроводников.
• Высокоэффективные глиноземные смеси: Спроектирована для работы при температуре 1 500 °C+ в обычном режиме, с улучшенной стойкостью к ползучести.
• Обработка: Не изготавливается на стандартном ЧПУ; требуется алмазная шлифовка; возможно придание формы, подобной ЧПУ, путем спекания с последующей шлифовкой.

5. Стеклокерамика, поддающаяся механической обработке, в прототипировании

Обрабатываемая стеклокерамика для прототипирования (например, Macor) изотропна и поддается обработке стандартными металлообрабатывающими инструментами.

• Характеристики: Менее твердый (около 5 единиц по шкале Мооса), поддающийся обработке металл, похожий на сплав, его можно сверлить и нарезать метчиками, а также фрезеровать.
• Приложения: Стандартные приспособления для прототипов, вакуумные проходки, лабораторные детали на заказ.

Быстрая циклическая обработка позволяет проверить конструкцию перед переходом к более сложной керамике.

6. Какая керамика подходит для аэрокосмической, медицинской или электронной промышленности?

Аэрокосмическая промышленность

• Нитрид кремния и карбид кремния: лопатки турбин, подшипники и сопла.
• Цирконий: корпуса датчиков; быстроизнашивающиеся детали.
• Медицина

Цирконий: Используется как в зубных имплантатах, так и в тотальных заменах суставов, поскольку обладает биосовместимостью и прочностью.

Глинозем: Протезы тазобедренного сустава и диагностическая электроника.

Электроника

• Глинозем: Старая стандартная подложка, используемая в микроэлектронике, с высокой диэлектрической прочностью.
• Стеклокерамика, поддающаяся механической обработке: специальные приложения, корпуса на заказ и испытательные приспособления.

Глинозем и диоксид циркония: сравнение твердости и обрабатываемости

Реальное применение керамики в ЧПУ 

Кронштейн автомобильного датчика из диоксида циркония: В одном из примеров брекет из диоксида циркония был испытан при температуре 1 000 о С и 10 6 циклах вибрации и показал лучшие результаты, чем альтернативные варианты из глинозема.

Ротор турбины из нитрида кремния: промышленная турбина с ротором из Si 3 N 4, работающая при 1200 10 000 5 с интенсивностью износа <2 5 % do.

Стеклокерамический лабораторный светильник с возможностью обработки: Прототип обрабатываемой стеклокерамики отлично справился с задачей, которую решало лабораторное приспособление из глинозема, сократив время разработки на 50 \%.

Электроника: An Глиноземная подложка была использована в высокочастотном радиочастотном устройстве. 96-процентная глиноземная подложка обеспечивает на 20 процентов лучшую целостность сигнала благодаря низким диэлектрическим потерям и допускам CNC.

Вопросы и ответы о керамических инструментах: Процедуры использования керамики при обработке с ЧПУ в Норвегии

1. Какие типичные виды керамики можно использовать при обработке с ЧПУ?

К обычным керамикам относятся: глинозем (Al 2 O 3 ), диоксид циркония (ZrO 2 ), нитрид кремния (Si 3 N 4 ) и высокотемпературная техническая керамика, а также стеклокерамика, поддающаяся механической обработке. И те, и другие обладают специфическими свойствами, позволяющими использовать их определенным образом.

2. Как обрабатывается алюмокерамика с ЧПУ?

Алюмооксидная керамика находит широкое применение в обработке с ЧПУ при изготовлении износостойких деталей, электронных подложек и промышленных компонентов. Они обеспечивают хорошую твердость и электроизоляционные свойства.

3. В чем разница между циркониевая керамика в прецизионных компонентах на глинозем?

По твердости диоксид циркония уступает глинозему, но при этом значительно тверже. Это является дополнительным преимуществом при изготовлении прецизионных деталей сложной геометрии и ударопрочных компонентов, в основном в медицинской и аэрокосмической промышленности.

4. Можно ли использовать обрабатываемую керамику из нитрида кремния в условиях высокойַ температуры?

Да: нитрид кремния (Si ahn NF), нитрид кремния хорошо ведет себя при высоких температурах и напряжениях. Он обычно используется в быстро вращающихся турбинах, деталях двигателей и режущих инструментах, поскольку обладает исключительной стойкостью к тепловому удару.

5. Для каких целей можно использовать обрабатываемую стеклокерамику при создании прототипов?

Стеклокерамика, которую можно обрабатывать, хорошо подходит для создания прототипов, где требуется использование стандартных инструментов. Им можно легко и быстро придать нужную форму, а затем перейти к более прочным и твердым керамическим материалам.