氧化铝陶瓷耐磨轴套课程设计.doc

课 程 设 计题目： 氧化铝陶瓷耐磨轴套 设计 设 计 者： 黄淑倩 班 级： 无机092班 指导教师： 何秀兰 课程设计报告一、任务来源 陶瓷套筒耐磨轴套在运动部件中，因为长期的磨擦而造成零件的磨损，当轴和孔的间隙磨损到一定程度的时候必须要更换零件，因此设计的时候选用硬度较低、耐磨性较好的材料为轴套或衬套，这样可以减少轴和座的磨损，当轴套或衬套磨损到一定程度进行更换，这样可以节约因更换轴或座的成本。轴套 一般起滑动轴承作用。为了节约材料根据轴承需要的轴向载荷设计轴套的壁厚。轴套有开口和不开口之分，这要根据结构的需要。一般轴套不能承受轴向载荷，或只能承受较小的轴向载荷。或加推力轴承。轴一般是圆的。轴套一般起轴向定位作用，端部与齿轮轴承等零件以压应力接触有时因轴要与密封圈等标准件配合，又要保证中部零件能穿过轴端，就做轴套与密封圈配合轴可以做细以保证零件穿过 轴套用在不同的场合会有不同的用途,可以轴向定位,可以减磨减振,也可以用于将轴与有害介质隔离使轴增寿耐用等 二、性能要求要求耐磨性好，强度在500MPa左右，断裂韧性为4MPam1/2，规格为：直径200mm，壁厚30mm三、原料选择按性能要求选择氧化铝为原料：项目 指标 氧化铝2含量 90% 密度 3.5 g/cm3 洛氏硬度 80 HRA 抗压强度 850 Mpa 断裂韧性KC 4.8MPam1/2 抗弯强度 290MPa 导热系数 20W/m.K 热膨胀系数： 7.210-6m/m.K 耐磨陶瓷是以Al2O3为主要原料，以稀有金属氧化物为熔剂，经一千七百度高温焙烧而成的特种刚玉陶瓷，再分别用特种橡胶和高强度的有机/无机粘合剂组合而成的产品。工业Al2O3，是由铝矾土(Al2O3H20)和硬水铝石制备的，对于纯度要求高的Al2O3，一般用化学方法来制备。 Al2O3有许多同质异晶体，目前已知的有10多种，主要有3种晶型，即阿尔法Al2O3 、贝塔Al2O3 、伽马Al2O3 。其结构不同性质也不同，在1300以上的高温时几乎完全转化为阿尔法Al2O3。 四、工艺流程氧化铝陶瓷是一种以Al2O3为主晶相的陶瓷材料，其氧化铝含量一般在7599之间。习惯上以配料中氧化铝的含量进行分类，氧化铝含量在75左右的为75瓷”，含量在99的为“99瓷”等。刚玉莫来石瓷的氧化铝含量在70以上，刚玉瓷的氧化铝含量在90以上，一般刚玉瓷和刚玉莫来石瓷称为氧化铝瓷。氧化铝陶瓷根据不同类型、不同性能要求，以及产品的不同形状、大小和厚薄等，制造方法也有所不同，但大体经过下列工艺过程：原料煅烧磨细配方加粘结剂成型素烧修坯烧结表面处理1原料煅烧 由于工业氧化铝原料通常伽马氧化铝，最稳定的为阿尔法氧化铝，因此，用氧化铝粉末制成氧化铝陶瓷前，必须对氧化铝粉末进行预烧，或称为煅烧。 (1)预烧的目的 预烧可以排除氧化铝原料中的氧化钠，使伽马氧化铝全部转化为阿尔法氧化铝，提高原料的纯度及产品质量。 (2)预烧的方法 从实际情况来说，预烧方法不同，添加物不同，气氛不同，温度不同，预烧质量也不一样。因此，预烧是氧化铝陶瓷生产中一个重要的环节。 工业Al2O3的预烧通常要加入适量的添加物，如H3BO3、NH4F、A1F3等，加入量一般为o3一3。主要目的是为了除去碱法生产工业氧化铝时含有的杂质Na2O。预烧质量与预烧温度有关。预烧温度偏低，就不能完全转变成阿尔法Al2O3，若预烧温度过高，就发生烧结，不易粉碎，且活性降低。 采用H3BO3添加剂，加入1%3%，预烧温度在14001450度左右保温23小时，其反应如下：Na2O+2H3BO3=Na2B2O4+3H2O气氛对Al2O3的预烧质量影响也很大。温度在1450以下，在不同气氛中预烧Al2O3，其Na2O的含量也不相同。根据实践，在采用分解氨的方法得到的还原气氛炉中预烧，预烧温度为15001550度，Na2O可以完全排除。(3)预烧质量的检验 光学显微镜法 此法是根据折射率的不同来判断转化的情况。一般采用折射率为1.730的二碘甲烷作测定折射率用油。在偏光显微镜下。如果测得折射率小于1730的则属于Al2O3。 2. 磨细 预烧过的Al2O3需要进行磨细。细度要求比表面积一般大于7000cm2/g。用于注浆成型粉料的粒径小于2um的占70%85%。Al2O3的颗粒细度对产品性能有很大的影响。根据资料介绍，对刚玉瓷，大于4m的颗粒应很少，因为当5m的颗粒含量大于1015时，就会影响到它的烧结性；小于1m的颗粒应为15一30，若大于40，烧结时会出现二次重结晶，晶粒发育较大。 球磨工艺，一般有两种方法，即湿磨和干磨。一般来说湿磨效率较高，工业生产选用湿法球磨，水分含量为25%。干磨时需要加入助磨剂，如油酸等，加入量一般为13，其目的是防止粘结，起表面改性作用，提高球磨效率。3配方氧化铝陶瓷根据其应用要求不同，配方组成也不同。通常依照Al2O3含量的不同，分为75瓷、80瓷、 95瓷、99瓷等。下表列出了按主晶相矿物名称分类的氧化铝陶瓷及其相组成。选用“95瓷”，配方：Al3O2 93%（wt） 矿化剂 7%（由SiO2*CaO和Al2O3等配置）表 按主晶相矿物名称分类的陶瓷及其相组成 瓷料类别Al2O3含量（%）相 组 成结晶相玻璃相莫来石瓷4570莫来石含量55%90%，一般不含刚玉（有时含10%20%刚玉）10%40%刚玉莫来石瓷7090莫来石和刚玉总含量80%90%10%20%刚玉瓷9099.9刚玉含量80%100%，一般不含莫来石（或只含10%莫来石晶体）10%20%以下4.加粘结剂纯氧化铝陶瓷实际上是很难烧结的，而且温度高，达到1800。但是根据产品的不同性能，加入不同类型和不同量的添加剂，可以降低烧成温度，促进烧结。 添加剂可以分为两类：一类为解凝剂，用于改善注浆坯料的流动性，使其在低水分时粘度适当便于浇注；一类为塑化剂，由粘合剂，增塑剂和溶剂合成，用于增加瘠性坯料的可塑性和坯体强度。第一类添加剂如：如HCl，用于Al2O3,TiO2等，可通过调整瘠性料浆的pH值来控制料浆的流动性。第二类添加剂中，粘合剂具有较高粘结能力，可改善坯料的可塑性。如阿拉伯胶，石蜡，聚乙烯醇，酚醛树脂等。增塑剂用来溶解有机粘合剂和湿润坯料颗粒，多是有机的醇类或酯类。溶剂，能溶解粘合剂和增塑剂，有水，有机醇，汽油等。加入的添加剂包括HCl，石蜡，有机醇。5成型-凝胶注模成型氧化铝陶瓷的成型方法通常是根据产品的形状、厚薄、大小及性能要求进行选择。成型方法不同，选择的制备原料也不同。成型是陶瓷生产过程的一个重要步骤。成型过程就是将分散体系(粉料、塑性物料、浆料)转变成为具有一定几何形状和强度的块体，也称素坯。成型的方法很多，但是总的来说可归纳为干法成型和湿法成型两种。不同形态的物料应用不同的成型方法。究竟选择哪一种成型方法取决于对制品各方面的要求和粉料的自身性质(如颗粒尺寸、分布、表面积等)凝胶注模成型工艺过程如下:首先将有机单体与水配制成一定浓度的预混液，陶瓷粉末悬浮于其中制成浆体，然后加入适量的催化剂或者引发剂搅拌均匀，浇注或注射入模，将体内的有机单体在引发剂、催化剂等的作用下发生聚合反应形成网状结构将陶瓷粉体包裹，成为由大分子网络定型的陶瓷坯体。坯体经干燥、排胶、烧结得到致密产品。(1)配制单体预混液标准工艺的凝胶体系为水溶性丙烯酞胺凝胶体系，该体系以丙烯酞胺(AM)为单体，N，N-二甲基双丙烯酞胺(MBAM)为交联剂。这2种单体按一定配比溶入适量的去离子水中，配制成预混液(一般预混液中的单体质量浓度为15%，AM:MBAM=24:l)。(2)制备陶瓷浆体将陶瓷粉末和适量的分散剂加入预混液中，调制成一种高固相含量的陶瓷悬浮液。决定陶瓷浆体质量的关键因素有2方面:一是陶瓷粉末的固相含量;二是浆体流动性。固相含量直接决定成型坯体的密度，高固相含量还可以减少坯体在干燥过程中的收缩和翘曲，提高烧成密度，因此要尽可能提高固相含量。研究发现，阴离子型聚电解质是A12O3凝胶注模成型的理想分散剂。(3)注浆及凝胶反应在浆体中加入适量的引发剂和催化剂，搅拌均匀后真空除去内部气体，注浆入模，模具内的浆料在引发剂或热作用下发生凝胶反应而固化成型。0.51h后脱模得到陶瓷坯体。一般用质量分数为5%的过硫酸胺(APS)水溶液作为引发剂，N，N，N，N-四甲基乙酞胺(TEMED)为催化剂。模具的材质可以是聚合物、腊、金属或者玻璃，可根据需要设计为任意理想的形状。(4)坯体干燥该工序是凝胶注模成型工艺中关键且最耗时的一步。干燥的实质是水分扩散和溢出表面的过程。为了避免坯体收缩不匀造成翘曲和开裂等现象，初期干燥须在低温和高湿度的条件下进行，一般控制湿度大于90%。当坯体收缩至内部固相颗粒相互接触以后，收缩现象停止，这时可以提高温度或降低湿度继续干燥，以缩短干燥周期。 (5)坯体加工工艺的一个突出优点是干燥坯体的强度高，其拉伸强度一般大于3MPa，超过干法成型坯体强度的5倍之多，有的甚至达8MPa。因此可对坯体进行更复杂的加工，如钻孔、高精度切削、计算机数控加工等，设计轴套更是可以。(6)排胶与排蜡工艺中粘合剂的含量很少，因此无需专门而严格的排胶工序。排胶可以独立进行也可以和烧结过程同时进行。对于A12O3坯体，聚合物的裂解在600以前即可进行完全，但在氮气中会有6%的残留。在烧结之前还需要把坯体中的石蜡排出称为排蜡。具体方法是，把素坯埋入装有煅烧好的氧化铝细粉的匣钵中，然后逐渐升温，最后在1050度左右温度下排蜡。在升温过程中要特别注意200600度这个温度区，在这个温度区中，石蜡要从坯体中排出并燃烧。因此升温速度要缓慢，否侧易造成变形和开裂。素烧温度不宜太低或者太高。太低则素坯强度不够，不利于修坯；太高则由于坯体过硬或与埋粉粘结，不容易加过。6烧结烧结对氧化铝陶瓷的密度及结构影响很大，并进而影响到产品的性能。一般认为获得微晶结构有利于提高氧化铝陶瓷性能，因此，有人主张采用高温快速烧结。当然还要根据产品的大小和厚薄来确定具体的工艺，一般大型和厚胎制品升温速度要慢，时间要长，否则易产生开裂现象。 影响氧化铝陶瓷烧结性能的因素有： （1）烧成制度的影响 采用两种烧成制度进行实验，1是表示通常的烧成制度；2是以每分钟10速率升温到850试样开始产生收缩为止，然后再控制升温速率，使试样以恒定的收缩率进行烧成。 (2)烧成气氛的影响 对烧结致密性来说，氧的气压愈低愈有利于烧结。以在氩气中烧结最好，其次是在氢气、氨气、氧气、氮气和空气中。对其晶粒长大的作用来说，以在氨气中最显著，其次是在氢气、氧气、氮气、空气和氩气中。从坯体的致密性和晶粒长大的情况进行综合分析，显然，应以在氩气中烧结为最佳，其次是在空气中烧结。(3)成型方法的影响不同的成型方法对氧化铝陶瓷的烧结性能影响也不同。一般来说，注浆成型的坯子难以烧结。由于选用凝胶注模成型法，需注意烧结时间和温度。本配方的烧结温度一般在16501750度。为了防止粘结，与模具接触的部位，可以再匣钵底部或者垫板上撒上粗颗粒刚玉砂。在烧结过程中，升温的控制是：在600度以下，应缓慢；在10001500度中温阶段，要严格控制，并尽量慢一些；在1500度以上到烧结，升温速度可以快一些，防止粗晶出现。7.表面处理加工成型烧制出的产品由于在烧结过程中收到的热应力等因素再次收到损伤，应检选后进行处理加工。拣选的产品根据性能和使用条件要求进行加工成型，最后再次拣选，合格产品出厂。参考文献：1、B. H. Kear, Navel Research Review, Four 1994,pp. 4-14. 2、 林鴻明、林中魁，”奈米科技應用研究與展望” ，工業材料179 期，90 年 11 月，84-91 頁。3、Phys. Rev. 108, 117