Wie man hochreine Aluminiumoxid-Keramik-Strukturbauteile verarbeitet

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Hochreine Aluminiumoxid-Keramik-Strukturkomponenten werden aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften wie hohe Härte, hohe Temperaturbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit, gute elektrische Isolierung und niedriger Wärmeausdehnungskoeffizient in der Halbleiterindustrie, der Luft- und Raumfahrt, der Medizintechnik, der neuen Energietechnik und anderen Bereichen eingesetzt. Aufgrund seiner hohen Härte und Sprödigkeit ist es jedoch schwierig zu verarbeiten und erfordert den Einsatz spezieller Verfahren und Anlagen.

1、 Vorbereitung des Rohmaterials
Der Ausgangspunkt für hochreine Aluminiumoxidkeramik ist hochreines Aluminiumoxidpulver (mit einem Al ₂ O3-Gehalt ≥ 99,9%). Durch den Einsatz der Ultrafeinmahltechnik wird die Partikelgröße des Pulvers auf unter 1 μm kontrolliert, um die Gleichmäßigkeit und Dichte des Materials zu gewährleisten. Darüber hinaus ist es in der Regel erforderlich, eine kleine Menge an Sinterhilfsmitteln (wie MgO, SiO ₂ usw.) hinzuzufügen, um die Sinterleistung zu verbessern. Das Sprühgranulationsverfahren wird häufig eingesetzt, um die Fließfähigkeit der Partikel zu optimieren. Polyvinylalkohol (PVA) oder wasserlösliches Paraffin wird als Bindemittel zugesetzt, um das Pulver kugelförmig, von geringer Dichte und mit einem Fließwinkel von weniger als 30° zu machen.

2、 Formgebungsverfahren
Wählen Sie je nach Form und Präzisionsanforderungen an die Bauteile das geeignete Formgebungsverfahren. Zu den gängigen Formgebungsverfahren gehören:

-Trockenpressen: Geeignet für einfache geometrische Formen (z. B. Teile mit einem Verhältnis von Länge zu Durchmesser von ≤ 4:1), die mit einem Druck von 200 MPa durch hydraulische oder mechanische Pressen schnell geformt werden können, mit einer Formungsleistung von 15-50 Stück/Minute.
-Gussformen: Geeignet für komplexe und unregelmäßige Teile, wobei Gipsformen verwendet werden, die die Feuchtigkeit des Schlamms aufnehmen und ihn in Form bringen. Ein Demulgator (z. B. Polyacrylamid) und ein Bindemittel (z. B. Methylcellulose) müssen der Aufschlämmung zugesetzt werden, um das Suspensionssystem zu stabilisieren.
-Gießverfahren mit Voreinbettungstechnologie: Für komplexe Strukturbauteile, die Mikroporen oder Kanäle enthalten, wird Aluminiumoxid-Slurry in Platten gegossen und mit Polyvinylbutyral (PVB)-Füllmaterial vorgebettet, das dann durch isostatisches Pressen (75-100 ℃, 100-200MPa) geformt wird. Nach dem Sintern verdampft das Füllmaterial und bildet präzise Porenkanäle.
-Isostatische Druckumformung: Durch die gleichmäßige Anwendung von Druck (200-400 MPa) durch flüssige oder gasförmige Medien, ist die Dichte des Knüppels höher und gleichmäßiger, geeignet für komplexe Strukturen.

3、 Sinterverfahren
Das Sintern ist der wichtigste Schritt, der die Eigenschaften von Keramik bestimmt und bei dem die Partikel durch Hochtemperaturbindungen verdichtet werden. Zu den gängigen Sinterverfahren gehören:

-Atmosphärendrucksintern: bei hohen Temperaturen über 1600 ℃, geeignet für herkömmliche Strukturbauteile.
-Heißes isostatisches Pressen (HIP): Gleichmäßiger Druck in Hochtemperatur- und Hochdruck-Gasmedien kann die Dichte um 30-50% erhöhen und eignet sich für Produkte mit hoher Wertschöpfung, wie z. B. Luftfahrtlager und Kernbrennstoffkomponenten.
-Heißpresssintern: Sintern unter Druck (10-40 MPa), die Sintertemperatur kann auf 1400-1600 ℃ reduziert werden, und die Dichte ist größer als 99,5%.
-Spaltplasmasintern (SPS): schnelles Aufheizen (mehrere hundert °C/min), kurze Zeit (5-20 Minuten) bis zur vollständigen Verdichtung, feine Korngröße.

Der gesinterte Embryo muss einer Röntgeninspektion unterzogen werden, um sicherzustellen, dass er keine inneren Risse oder Porositätsfehler aufweist, was die Grundlage für die anschließende Präzisionsbearbeitung bildet.

4、 Präzisionsbearbeitung
Hochreine Aluminiumoxid-Keramik ist nach Diamant (Mohs-Härtegrad 9) die härteste Keramik und erfordert daher den Einsatz von superharten Werkzeugen und CNC-Technologie für die Präzisionsbearbeitung. Zu den gängigen Bearbeitungsmethoden gehören:

-Schneiden mit Diamantwerkzeugen: Keramische Gravier- und Fräsmaschinen sind mit Werkzeugen aus kubischem Bornitrid (CBN) oder Diamant ausgestattet, die durch Optimierung der Schnittparameter (Drehzahl > 3000 U/min, Vorschub 0,01 mm/Zeit) eine Genauigkeit im Mikrometerbereich erreichen.
-Schleifen und Polieren: Diamantschleifscheiben (Partikelgröße # 200- # 2000) werden zum Schleifen verwendet, mit einer Oberflächenrauheit Ra von bis zu 0,1 μ m. Durch schrittweises Polieren, vom Grobschleifen bis zum Feinschleifen, und schließlich unter Verwendung von Aluminiumoxidpulver im Submikronbereich oder Diamantgipspolieren, kann ein Spiegeleffekt erzielt werden.
-Laserbearbeitung: Femtosekunden- oder Pikosekundenlaser können zum Bohren und Schneiden verwendet werden, mit einer Genauigkeit von ± 5 μ m, geeignet für ultradünne oder komplexe Mikrostrukturen.
-Elektroerosionsbearbeitung: Geeignet zum Schlitzen und Schneiden von hochharten Keramiken durch Ätzen von Materialien durch Entladung.
-Ultraschallbearbeitung: Einsatz von Hochfrequenzvibrationen zum Schleifen dünnwandiger oder komplexer Werkstücke, wodurch das Risiko von Kantenausbrüchen verringert wird.

5、 Oberflächenbehandlung
Um die Leistung von keramischen Bauteilen weiter zu verbessern, ist die Oberflächenbehandlung ein unerlässlicher Schritt. Zu den gängigen Methoden der Oberflächenbehandlung gehören:

Polieren: Chemisch-mechanisches Polieren (CMP) kann die Oberflächenrauheit auf Ra<1nm reduzieren und eignet sich für optische Fenster und Halbleiterkomponenten.
-Beschichtung: Je nach Anforderung können auf keramische Oberflächen korrosionsbeständige Beschichtungen aufgebracht werden.

6、 Qualitätsprüfung
Nach der Verarbeitung ist eine umfassende Qualitätsprüfung von Strukturbauteilen aus hochreiner Aluminiumoxidkeramik erforderlich, die u. a. die Maßgenauigkeit, die Oberflächenglätte und die inneren Mängel umfasst. Technologien wie die Röntgenprüfung und die Ultraschallprüfung werden üblicherweise zur Erkennung von Innenfehlern eingesetzt.

Die Verarbeitungstechnologie von hochreinem Aluminiumoxid-Keramik-Bauteile ist komplex und präzise: Von der Vorbereitung des Rohmaterials bis zur abschließenden Oberflächenbehandlung hat jeder Schritt einen erheblichen Einfluss auf die Leistung des Endprodukts.