本發(fā)明屬于碳化硅陶瓷素坯表面預(yù)處理
技術(shù)領(lǐng)域：
，具體涉及一種選擇性去除反應(yīng)燒結(jié)碳化硅表面殘留物的加工方法。
背景技術(shù)：
：碳化硅陶瓷不僅具有優(yōu)良的常溫力學(xué)性能，如硬度高、抗彎強(qiáng)度大、耐腐蝕性好、摩擦系數(shù)低等，而且其高溫力學(xué)性能好。碳化硅陶瓷可以通過(guò)熱壓燒結(jié)、無(wú)壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)等方法制備，其高溫強(qiáng)度可一直維持到1600℃，是陶瓷材料中高溫強(qiáng)度最好的材料。此外，碳化硅陶瓷具有優(yōu)于其他非氧化物陶瓷的抗氧化性能。因此碳化硅陶瓷被廣泛應(yīng)用于石油、化工、汽車(chē)、航空航天等各種領(lǐng)域。尤其在航空航天方面，由于碳化硅陶瓷比剛度大，所以被認(rèn)為是前景最為廣闊的光學(xué)反射鏡材料。現(xiàn)有的生產(chǎn)光學(xué)級(jí)碳化硅陶瓷的主要方法是反應(yīng)燒結(jié)。反應(yīng)燒結(jié)是將α-SiC粉和石墨粉按比例混勻，經(jīng)干壓、擠壓或注漿等方法制成多孔坯體，在高溫下與液態(tài)硅接觸，坯體中的碳與滲入的Si反應(yīng)，生成β-SiC并與α-SiC相結(jié)合，游離硅填充了氣孔，從而得到高致密性的陶瓷材料。經(jīng)反應(yīng)燒結(jié)而成的碳化硅陶瓷素坯表面，不可避免地會(huì)存在一些表面殘留物。這些表面殘留物的主要成分是硅，以不規(guī)則的凸起物的形態(tài)粘結(jié)在碳化硅陶瓷素坯表面，對(duì)碳化硅陶瓷的進(jìn)一步精密檢測(cè)和加工造成了很大的困難。由于碳化硅陶瓷的脆性較大，使用傳統(tǒng)機(jī)械加工的方法去除碳化硅表面殘留物時(shí)，很可能在去除掉硅的同時(shí)對(duì)碳化硅陶瓷造成損傷。且傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法切削陶瓷表面殘留物時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，也會(huì)對(duì)碳化硅陶瓷的性能產(chǎn)生影響。此外，傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法很難適用于各種形狀的表面加工，因此尚且沒(méi)有一種合適的機(jī)械加工方法可以實(shí)現(xiàn)碳化硅表面殘留物的選擇性去除。目前去除這些凸起硅的方法主要是依靠人工打磨。人工打磨可以去除掉凸起物且避免損傷碳化硅，而且對(duì)于任何形狀的表面都適用。但是對(duì)于大口徑或大批量的碳化硅陶瓷，通過(guò)人工打磨的方法需要耗費(fèi)大量的人力物力且存在加工效率低、工時(shí)長(zhǎng)等問(wèn)題，顯然是不符合經(jīng)濟(jì)性的。此外，人工打磨的方法會(huì)產(chǎn)生很多固體粉塵，對(duì)環(huán)境造成污染且危害人體健康。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的在于提供一種反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷表面殘留物的選擇性去除技術(shù)，可以在不損傷碳化硅陶瓷的情況下有效去除陶瓷表面的硅凸起，獲得表面粗糙度值Ra<6.3μm的表面。本發(fā)明具體實(shí)現(xiàn)方法是：碳化硅表面殘留物的主要成分是硅，基于碳化硅和硅在力學(xué)性質(zhì)上的顯著差異，尤其是硬度相差很大，加工硅與碳化硅的難度有很大差別，加工硅所需要的磨料水射流能量遠(yuǎn)小于加工碳化硅所需能量。通過(guò)調(diào)整磨料水射流的加工參數(shù)，選用“射流能量較小”的加工參數(shù)，使磨料水射流的射流能量可以銑削掉硅而不足以去除碳化硅，即：通過(guò)調(diào)整加工參數(shù)使磨料水射流具有選擇性去除的能力。本發(fā)明的技術(shù)方案為：反應(yīng)燒結(jié)碳化硅表面殘留物的磨料水射流選擇性去除方法，如下：在一定的加工參數(shù)下，對(duì)碳化硅陶瓷素坯進(jìn)行磨料水射流銑削，其中，所述的加工參數(shù)滿(mǎn)足的條件是：磨料水射流的射流能量?jī)H僅銑削掉硅而不足以去除碳化硅。進(jìn)一步的，所述的磨料水射流是通過(guò)磨料噴嘴后混合式超高壓磨料水射流加工系統(tǒng)控制噴嘴運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)的，所述的噴嘴運(yùn)動(dòng)的路徑能夠覆蓋整個(gè)碳化硅陶瓷表面，保證相鄰路徑的間隔和掃描速度恒定。進(jìn)一步的，在兩條射流中心軌跡保持一定間距的情況下，磨料噴嘴往返移動(dòng)一個(gè)循環(huán)，將工件表面上一個(gè)射流加工區(qū)內(nèi)的表面殘留物去除。噴嘴每往復(fù)移動(dòng)一次，沿著與噴嘴橫移速度方向垂直的方向移動(dòng)一定的距離(即橫向進(jìn)給量數(shù)值)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)碳化硅陶瓷素坯表面上的殘留物的去除。進(jìn)一步的，所述的噴嘴的掃描路徑選擇為光柵狀掃描路徑，同心圓式的掃描路徑或螺旋線(xiàn)式的掃描路徑。進(jìn)一步的，所述磨料水射流銑削的具體加工參數(shù)如下：磨料流量：每小時(shí)消耗的磨料的質(zhì)量，為25kg/h；磨料種類(lèi)為石榴石，磨料粒度為80目；噴射角度：水刀與工件表面所成的角度，為90度；水射流壓力：100～300MPa；靶距：水射流噴嘴距離工件表面的距離，為30～90mm；噴嘴橫移速度：噴嘴在加工方向上移動(dòng)的速度，為500～1000mm/min；橫向進(jìn)給量：水射流一次銑削加工過(guò)程中，噴嘴沿著與橫移速度方向垂直的方向移動(dòng)的距離，為1～3mm。最終獲得表面粗糙度Ra<6.3μm的碳化硅陶瓷表面。本發(fā)明的工作原理和方法：選擇“射流能量較小”的加工參數(shù)，即射流壓力較小、靶距較大、噴嘴橫移速度較大的加工參數(shù)，使磨料水射流的能量較小且發(fā)散，并且對(duì)同一個(gè)位置沖擊的時(shí)間較短。由于硅的硬度遠(yuǎn)小于碳化硅陶瓷的硬度，硅的切削加工性?xún)?yōu)于碳化硅，因此在射流能量較小的加工參數(shù)下，硅被去除掉而碳化硅不會(huì)被破壞。對(duì)碳化硅陶瓷素坯進(jìn)行磨料水射流平面銑削，即在兩條射流中心軌跡保持一定間距的情況下，磨料噴嘴往返移動(dòng)一個(gè)循環(huán)，將工件表面上一個(gè)射流加工區(qū)內(nèi)的表面殘留物去除。噴嘴每往復(fù)移動(dòng)一次，沿著與噴嘴橫移速度方向垂直的方向移動(dòng)一定的距離(即橫向進(jìn)給量數(shù)值)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)碳化硅陶瓷素坯表面上的殘留物的去除。本發(fā)明的有益效果為：采用磨料水射流選擇性去除的方法，可以自動(dòng)高效地去除碳化硅素坯表面粘結(jié)的殘留物。與人工打磨相比，可以節(jié)省人力物力，提高生產(chǎn)效率。相較于傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式，磨料水射流屬于冷加工范疇，在去除碳化硅表面凸起物的同時(shí)不會(huì)對(duì)碳化硅產(chǎn)生熱影響。且磨料水射流加工清潔，不會(huì)產(chǎn)生有害人體健康的粉塵等，對(duì)環(huán)境無(wú)污染。通過(guò)該種方法，可以得到表面粗糙度值Ra<6.3μm的碳化硅陶瓷表面。附圖說(shuō)明圖1、圖2、圖3為水射流噴嘴掃描路徑圖，依次為光柵狀掃描路徑圖、同心圓狀掃描路徑圖、螺旋線(xiàn)狀掃描路徑圖；圖4為未加工之前碳化硅素坯的表面形貌圖；圖5、圖6為具體實(shí)施例1中，經(jīng)磨料水射流“射流能量較大”的加工參數(shù)銑削之后的碳化硅陶瓷表面形貌圖及其在顯微鏡下觀(guān)測(cè)到的表面微觀(guān)形貌的3D圖。圖7、圖8為具體實(shí)施例2中，經(jīng)磨料水射流“射流能量較小”的加工參數(shù)銑削之后的碳化硅陶瓷表面形貌圖以及在顯微鏡下觀(guān)測(cè)到的表面微觀(guān)形貌的3D圖；圖9、圖10為具體實(shí)施例3中，經(jīng)磨料水射流“射流能量較小”的加工參數(shù)銑削之后的碳化硅陶瓷表面形貌圖以及在顯微鏡下觀(guān)測(cè)到的表面微觀(guān)形貌的3D圖。具體實(shí)施方式結(jié)合附圖發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。本具體實(shí)現(xiàn)的原理是：碳化硅表面殘留物的主要成分是硅，基于碳化硅和硅在力學(xué)性質(zhì)上的顯著差異，尤其是硬度相差很大，加工硅與碳化硅的難度有很大差別，加工硅所需要的磨料水射流能量遠(yuǎn)小于加工碳化硅所需能量。通過(guò)調(diào)整磨料水射流的加工參數(shù)，選用“射流能量較小”的加工參數(shù)，使磨料水射流的射流能量可以銑削掉硅而不足以去除碳化硅，即：通過(guò)調(diào)整加工參數(shù)使磨料水射流具有選擇性去除的能力；根據(jù)上述原理本發(fā)明公開(kāi)了一種反應(yīng)燒結(jié)碳化硅表面殘留物的磨料水射流選擇性去除方法，具體如下：在一定的加工參數(shù)下，對(duì)碳化硅陶瓷素坯進(jìn)行磨料水射流銑削，其中，所述的加工參數(shù)滿(mǎn)足的條件是：磨料水射流的射流能量?jī)H僅銑削掉硅而不足以去除碳化硅。進(jìn)一步的，所述的磨料水射流是通過(guò)磨料噴嘴實(shí)現(xiàn)的，所述的噴嘴運(yùn)動(dòng)的路徑能夠覆蓋整個(gè)碳化硅陶瓷表面，保證相鄰路徑的間隔和掃描速度恒定。進(jìn)一步的，在兩條射流中心軌跡保持一定間距的情況下，磨料噴嘴往返移動(dòng)一個(gè)循環(huán)，將工件表面上一個(gè)射流加工區(qū)內(nèi)的表面殘留物去除。噴嘴每往復(fù)移動(dòng)一次，沿著與噴嘴橫移速度方向垂直的方向移動(dòng)一定的距離(即橫向進(jìn)給量數(shù)值)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)碳化硅陶瓷素坯表面上的殘留物的去除。進(jìn)一步的，所述的噴嘴的掃描路徑選擇為光柵狀掃描路徑，同心圓式的掃描路徑或螺旋線(xiàn)式的掃描路徑，具體的如圖1、2、3所示，依次為光柵狀掃描路徑圖、同心圓狀掃描路徑圖、螺旋線(xiàn)狀掃描路徑圖。進(jìn)一步的，所述磨料水射流銑削的具體加工參數(shù)如下：磨料流量：每小時(shí)消耗的磨料的質(zhì)量，為25kg/h；磨料種類(lèi)：為石榴石，磨料粒度為80目；噴射角度：水刀與工件表面所成的角度，為90度；水射流壓力：100～300MPa；靶距：水射流噴嘴距離工件表面的距離，為30～90mm；噴嘴橫移速度：噴嘴在加工方向上移動(dòng)的速度，為500～1000mm/min；橫向進(jìn)給量：水射流一次銑削加工過(guò)程中，噴嘴沿著與橫移速度方向垂直的方向移動(dòng)的距離，為1～3mm。最終獲得表面粗糙度Ra<6.3μm的碳化硅陶瓷表面。下面例舉三個(gè)具體的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的效果進(jìn)行說(shuō)明：在試驗(yàn)前，未經(jīng)處理的碳化硅陶瓷素坯表面如圖4所示，可以看到在未經(jīng)處理的碳化硅陶瓷素坯表面遍布著形狀不規(guī)則的凸起物；實(shí)施例1：射流壓力、靶距、噴嘴橫移速度如表1所示，其余參數(shù)采用磨料流量：每小時(shí)消耗的磨料的質(zhì)量，為25kg/h；磨料種類(lèi)：為石榴石，磨料粒度為80目；噴射角度：水刀與工件表面所成的角度，為90度；橫向進(jìn)給量選擇1mm。銑削后碳化硅陶瓷表面效果如圖5、6所示，可以看出當(dāng)射流能量較大時(shí)，可以很好地去除碳化硅表面的硅，需進(jìn)一步驗(yàn)證碳化硅是否被除去；經(jīng)測(cè)量加工后的表面粗糙度為4.359μm。表1磨料水射流銑削碳化硅陶瓷加工參數(shù)單位銑削參數(shù)射流壓力MPa300靶距mm30噴嘴橫移速度mm/min500實(shí)施例2：射流壓力、靶距、噴嘴橫移速度如表2所示，其余參數(shù)采用磨料流量：每小時(shí)消耗的磨料的質(zhì)量，為25kg/h；磨料種類(lèi)：為石榴石，磨料粒度為80目；噴射角度：水刀與工件表面所成的角度，為90度；橫向進(jìn)給量選擇2mm。銑削后碳化硅陶瓷表面效果如圖7、8所示，可以看出當(dāng)射流能量較小時(shí)，可以很好地去除碳化硅表面的硅。通過(guò)與圖5、6觀(guān)測(cè)到的微觀(guān)圖進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩次加工過(guò)程射流能量不同，以未加工表面為基準(zhǔn)測(cè)得的加工深度不同，可以說(shuō)明當(dāng)射流能量較大時(shí)，磨料水射流不僅去除了凸起硅還會(huì)除掉一部分碳化硅，即未實(shí)現(xiàn)選擇性去除；經(jīng)測(cè)量加工后的表面粗糙度為4.442μm。表2磨料水射流銑削碳化硅陶瓷加工參數(shù)單位銑削參數(shù)射流壓力MPa100靶距mm60噴嘴橫移速度mm/min1000實(shí)施例3：射流壓力、靶距、噴嘴橫移速度如表3所示，其余參數(shù)采用磨料流量：每小時(shí)消耗的磨料的質(zhì)量，為25kg/h；磨料種類(lèi)：為石榴石，磨料粒度為80目；噴射角度：水刀與工件表面所成的角度，為90度；橫向進(jìn)給量選擇3mm。銑削后碳化硅陶瓷表面效果如圖9、10所示，通過(guò)與圖7、8觀(guān)測(cè)到的微觀(guān)圖進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)兩次加工過(guò)程射流能量不同，但以未加工表面為基準(zhǔn)測(cè)得的加工深度大致相同，為211μm左右?？梢哉f(shuō)明當(dāng)射流能量較小時(shí)，磨料水射流只去除了碳化硅表面的硅，而對(duì)碳化硅沒(méi)有影響，即：可證明磨料水射流對(duì)碳化硅陶瓷表面的殘留物具有選擇去除能力。經(jīng)測(cè)量加工后的表面粗糙度為5.471μm。表3磨料水射流銑削碳化硅陶瓷加工參數(shù)單位銑削參數(shù)射流壓力MPa100靶距mm90噴嘴橫移速度mm/min1000上述雖然結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行了描述，但并非對(duì)本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，所屬領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在本發(fā)明的技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本領(lǐng)域技術(shù)人員不需要付出創(chuàng)造性勞動(dòng)即可做出的各種修改或變形仍在本發(fā)明的保護(hù)范圍以?xún)?nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3