Свойства и применение деталей из оксида алюминия, изготовленных методом CIM

Что такое литьё керамики под давлением (CIM)

Литьё керамики под давлением (CIM) — это производственный процесс, используемый для изготовления сложных и точных керамических компонентов. Он основан на традиционных принципах литья пластика под давлением и процесса спекания, но адаптирован для керамики, которая является по своей природе более жёстким и хрупким материалом. 

Процесс CIM включает следующие этапы:

1. Подготовка сырья: Керамические порошки смешиваются с связующими и другими добавками для создания однородного сырья. Связующие делают смесь более пластичной и подходящей для литья керамики под давлением. 

2. Литьё под давлением: Подготовленное сырьё впрыскивается в полость формы под высоким давлением и температурой с использованием литьевой машины. Форма обычно изготовлена из стали и предназначена для формирования конечной керамической детали.

3. Удаление связующих: После литья зелёная керамическая деталь всё ещё содержит связующие. Изготовленные детали подвергаются процессу удаления связующих — либо термическому (термическое удаление), либо химическому (удаление растворителем). 

4. Спекание: После удаления связующих зелёные детали подвергаются высокотемпературному спеканию в печи. Спекание приводит к сращиванию керамических частиц, в результате чего получается полностью плотный и прочный керамический компонент.

5. Постобработка: После спекания могут применяться дополнительные финишные операции, такие как полировка, шлифовка или ЧПУ-обработка для достижения требуемых размеров и качества поверхности.

Сервис литья керамики под давлением (CIM) имеет несколько преимуществ по сравнению с традиционными методами обработки керамики, включая возможность производства сложных форм с высокой точностью и повторяемостью. Также он позволяет массовое производство сложных керамических деталей с сокращением затрат и отходов материала. CIM широко используется в различных отраслях, включая электронику, аэрокосмическую, медицинскую и автомобильную промышленность, где требуются продвинутые услуги литья керамики под давлением для конкретных применений благодаря отличным тепловым, механическим и электрическим свойствам.

Свойства деталей CIM из алюминия

Исключительная термостойкость

Алюминий оксид, или алюмина (Al2O3), обладает исключительной термостойкостью благодаря своей кристаллической структуре и ионной ковалентной связи между атомами алюминия и кислорода. Алюмина — это керамический материал, структура решётки которого уникальна и позволяет выдерживать высокие температуры без существенных структурных изменений или размягчения. Ключевые факторы, обеспечивающие термостойкость алюмины:

Высокая температура плавления: Алюмина плавится при примерно 2072 градусах Цельсия (3762 градуса по Фаренгейту). Это означает, что материал остаётся твёрдым и сохраняет свою структурную целостность при экстремально высоких температурах, значительно превышающих условия большинства промышленных и инженерных применений.

Сильные ионные связи: Связь между алюминием и кислородом в кристаллической структуре алюмины очень стабильна и прочна. Эти сильные ионные связи предотвращают значительное перемещение атомов даже при повышенных температурах, обеспечивая отличную термическую стабильность.

Высокая устойчивость к окислению: Алюмина образует защитный поверхностный слой оксида при воздействии кислорода при высоких температурах. Этот слой служит барьером, препятствуя дальнейшему окислению и улучшая устойчивость материала к термическому разрушению.

Минимальное тепловое расширение: Алюмина имеет относительно низкий коэффициент теплового расширения. Это означает, что при изменениях температуры материал расширяется и сжимается минимально, снижая риск возникновения термических напряжений, которые могут привести к растрескиванию или повреждению.

Почему детали CIM подходят для применения при высоких температурах

Исключительная термостойкость алюмины делает детали CIM из этого материала хорошо подходящими для высокотемпературных применений. Ключевые преимущества включают:

Стабильность при высоких температурах: Детали CIM из алюмины сохраняют структурную целостность и механические свойства при повышенных температурах. Они не деформируются, не размягчаются и не претерпевают фазовых изменений, что обеспечивает надёжную работу в сложных термических условиях.

Устойчивость к термическому шоку: Низкий коэффициент теплового расширения и высокая теплопроводность алюмины позволяют выдерживать резкие изменения температуры без разрушения вследствие термического шока. Это особенно важно для применений с быстрым нагревом или охлаждением.

Термостойкость в промышленных условиях: Детали CIM из алюмины применяются в промышленности для изготовления компонентов печей, нагревательных элементов и тепловых барьеров, где ожидается воздействие высоких температур.

Автомобильные и аэрокосмические применения: Детали CIM из алюмины используются в автомобильных двигателях, аэрокосмических компонентах и выхлопных системах, где преобладают высокотемпературные условия.

Механическая прочность и твёрдость

Детали CIM из алюмины обладают превосходными механическими свойствами по сравнению с большинством других материалов, что делает алюмину подходящей для конструкционных нагрузок. Высокая твёрдость обеспечивает отличную износостойкость. Детали CIM из алюмины имеют отличные механические характеристики и твёрдость по сравнению с другими материалами для литья керамики под давлением:

Механические свойства деталей CIM из алюмины

Алюмина обладает высокой прочностью на изгиб, обычно более 300 МПа, что даёт деталям отличную несущую способность при изгибе.

Высокая прочность: материал имеет прочность на сжатие более 2000 МПа, что позволяет деталям выдерживать большие нагрузки без разрушения. 

Высокая твёрдость: алюмина имеет твёрдость по Виккерсу 16-18 ГПа, что обеспечивает устойчивость к царапинам и износу.

Достаточная вязкость разрушения: несмотря на хрупкость, алюмина имеет достаточную вязкость разрушения (K1C 3-5 МПа√м) для керамики благодаря мелкозернистой структуре.

Прочность при высоких температурах: прочность сохраняется при температурах до 1000°C.

Сравнение с другими материалами, используемыми в CIM

CIM-ZAT: алюмина имеет в 2-3 раза большую прочность на изгиб, чем композиты на основе алюмины с упрочнением цирконием (ZTA), также используемые в CIM.

MIM-Металлы: значительно превосходит по твёрдости и износостойкости CIM-детали из металлов, таких как нержавеющая сталь и титановые сплавы MIM.

CIM — передовые керамики: алюмина обладает большей прочностью на сжатие и изгиб, чем чистые керамики, такие как нитрид кремния и карбид кремния.

Инженерные пластики: соответствует или превосходит по прочности термопласты, обычно используемые в инжекционном литье, такие как PEEK, PSU и PPS.

Отличная износостойкость

Выдающаяся износостойкость алюмины и другие её полезные свойства делают этот материал незаменимым в различных отраслях, где компоненты подвергаются абразивному и высоконагруженному воздействию. Способность противостоять износу и сохранять работоспособность со временем способствует повышению надёжности, снижению затрат на обслуживание и продлению срока службы деталей. Алюмина демонстрирует отличную износостойкость благодаря своим механическим свойствам и микроструктуре. Ключевые факторы, обеспечивающие износостойкость алюмины:

Твёрдость: алюмина — твёрдый материал, уступающий только алмазу по шкале Мооса. Такая высокая твёрдость обеспечивает высокую устойчивость к истиранию и износу при контакте с другими материалами, особенно с менее твёрдыми.

Низкий коэффициент трения: алюмина обладает относительно низким коэффициентом трения, что приводит к меньшему трению и снижению износа при скольжении по другим поверхностям. Это важно для высокоскоростных и непрерывных движений.

Мелкозернистая структура: керамика из алюмины может производиться с мелкозернистой структурой с помощью передовых технологий обработки. Мелкозернистая алюмина имеет лучшую износостойкость, так как препятствует распространению трещин, связанных с износом, и снижает повреждения поверхности.

Высокая прочность на сжатие: алюмина способна выдерживать значительные сжимающие нагрузки без деформации, что предотвращает износ, вызванный вдавливанием или деформацией поверхности.

Химическая инертность: алюмина химически инертна и устойчива к большинству химических веществ, кислот и щёлочей. Эта стабильность защищает материал от химического износа и коррозии, что делает её подходящей для агрессивных сред.

Применения, где важна износостойкость:

Износостойкость критична в промышленных применениях, где материалы подвергаются трению, абразивному износу и постоянному контакту с другими поверхностями. Важные области применения, где ценится износостойкость алюмины, включают:

Режущие инструменты CIM из алюмины: используются при обработке металлов (точение, фрезерование, сверление), где необходима высокая скорость резания, устойчивость к нагреву и абразивным воздействиям.

Подшипники и втулки CIM из алюмины: применяются в насосах, компрессорах и двигателях для обеспечения низкого трения и долговременной работы при высоких нагрузках.

Керамические уплотнения и подшипники для высокотемпературных применений: используются в печах, камерах сгорания и газовых турбинах, обеспечивая износостойкость и стабильность размеров при экстремальных температурах.

Износостойкие компоненты для автомобильной и аэрокосмической промышленности: детали из алюмины применяются в тормозных системах, компонентах двигателей и аэрокосмических подшипниках, где важна устойчивость к износу и трению.

Медицинские и стоматологические имплантаты: благодаря износостойкости и биосовместимости алюмина подходит для имплантатов с длительным сроком службы и низким износом при контакте с тканями.

Свойства электрической изоляции

Детали CIM из алюмины обладают отличными электрическими изоляционными свойствами, что позволяет создавать миниатюрные устройства с улучшенной производительностью в электронике, работающей при высоких напряжениях, частотах и температурах. Алюмина имеет превосходные электрические изоляционные свойства, что полезно для электроэнергетики и электроизоляции:

Высокое электрическое сопротивление: алюмина имеет очень высокое сопротивление порядка 10^14 Ом-см при комнатной температуре, что делает её отличным изолятором.

Высокая диэлектрическая прочность: диэлектрическая прочность составляет 15-35 кВ/мм, что соответствует высокому напряжению пробоя и сопротивлению электрическим пробоям. 

Стабильные изоляционные свойства: алюмина сохраняет свои изоляционные характеристики при повышенных температурах, диэлектрическая проницаемость остаётся стабильной до 1000°C.

Низкие диэлектрические потери: материал обладает низкими потерями, что означает минимальные токи утечки при высоких напряжениях и частотах.

Хорошая теплопроводность: для керамики алюмина обладает высокой теплопроводностью, что способствует отводу тепла в электрических устройствах.

Электрические и электронные применения CIM:

Изолирующие детали CIM: компоненты из алюмины используются в качестве изоляторов, прокладок и опор в высоковольтных системах с напряжениями в тысячи вольт.

Керамические датчики: алюмина обеспечивает электрическую изоляцию в датчиках для измерения и контроля температуры в промышленных процессах.

Подложки из алюмины: используются для монтажа силовых полупроводниковых чипов и интегральных схем без коротких замыканий.

Химическая стабильность

Инертность алюмины позволяет ей выдерживать экстремальные химические условия, которые быстро разрушают другие материалы, что делает её идеальным выбором для высокоагрессивных химических сред. Алюмина обладает отличной коррозионной стойкостью благодаря своей химической инертности, подходящей для агрессивных сред:

1. Алюмина стабильна и не реагирует с большинством кислот, щелочей, органических растворителей и водных растворов при комнатной температуре.

2. При воздействии окисляющей среды образует защитный и восстанавливающийся оксидный слой, предотвращающий дальнейшие химические атаки.

3. Отлично сопротивляется влажной коррозии кислотами, такими как серная, азотная и плавиковая кислоты, даже при повышенных температурах.

4. Не реагирует с расплавленными металлами и стеклами, устойчива к парам ртути, цинка и натрия.

5. Сохраняет механическую прочность в агрессивных химических условиях с минимальным износом со временем.

Применения в агрессивных химических средах: 

Промышленные клапаны: компоненты, такие как рабочие колёса насосов, шаровые клапаны и ёмкости для агрессивных щёлочных или кислотных растворов.

Датчики и зонды: используются в химических реакторах и системах последующей обработки.

Применения деталей CIM из алюмины

Аэрокосмические применения

Преимущества использования деталей CIM из алюмины в аэрокосмической отрасли:

Низкий вес: алюмина — лёгкий материал, что важно для аэрокосмической техники для снижения общего веса компонентов и повышения топливной эффективности.

Высокая прочность и жёсткость: детали CIM из алюмины обладают отличной механической прочностью и жёсткостью, что делает их подходящими для конструкционных элементов, которые должны выдерживать высокие нагрузки и напряжения.

Устойчивость к высоким температурам: исключительная термическая стабильность алюмины позволяет сохранять механические и электрические свойства при высоких температурах, что важно для аэрокосмических применений в экстремальных условиях.

Износостойкость: высокая износостойкость алюмины полезна для аэрокосмических компонентов, работающих в абразивных условиях, таких как подшипники и уплотнения.

Конкретные аэрокосмические компоненты CIM из алюмины:

Подшипники: алюминиевые подшипники обеспечивают низкое трение и высокую износостойкость, что идеально для аэрокосмических применений.

Уплотнения и прокладки: химическая и термическая стабильность алюмины подходят для уплотнений в аэрокосмических двигателях и других компонентах.

Изоляторы: изоляторы из алюмины применяются в электрических компонентах аэрокосмических систем для обеспечения электрической изоляции.

Детали CIM из алюмины в медицинских устройствах

Биосовместимость и медицинский класс деталей CIM из алюмины: алюмина биосовместима и хорошо переносится организмом человека, что делает её подходящей для медицинских имплантатов и устройств.

Медицинский класс алюмины тщательно обрабатывается для соответствия строгим стандартам применения в биомедицине.

Примеры медицинских устройств, использующих компоненты из алюмины:

Зубные имплантаты: зубные имплантаты из алюмины обладают отличной биосовместимостью и механическими свойствами, что делает их жизнеспособной альтернативой для замены зубов.

Замены суставов: компоненты из алюмины, такие как замены тазобедренных и коленных суставов, обеспечивают износостойкость и долговечность для долгосрочного медицинского применения.

Электроника и электротехника

Алюмина как надёжный изоляционный материал в электронике:

Отличные электрические изоляционные свойства и высокая диэлектрическая прочность алюмины делают её подходящей для широкого спектра электрических и электронных применений.

Из неё изготавливают изоляторы, подложки и печатные платы для электронных устройств.

Компоненты из алюмины в электротехнических приложениях:

Керамические подложки: алюминиевые подложки применяются в электронных схемах благодаря своим изоляционным и теплоотводящим свойствам.

Изолирующие прокладки: алюминиевые прокладки используются в электрических сборках для обеспечения нужного зазора и электрической изоляции.

Автомобильный сектор

Компоненты из алюмины повышают производительность автомобилей за счёт снижения веса и улучшения износостойкости.

Они способствуют лучшему тепловому управлению и электрической изоляции в автомобильных системах.

Конкретные автомобильные применения компонентов из алюмины:

Автомобильные подшипники: алюминиевые подшипники обеспечивают низкое трение и высокую износостойкость в двигателях и других движущихся частях автомобилей.

Тормозные компоненты: керамика из алюмины используется в тормозных системах для повышения эффективности и снижения износа.

Промышленное оборудование

Роль алюмины в повышении эффективности и долговечности оборудования:

Компоненты из алюмины в промышленном оборудовании обеспечивают износостойкость, уменьшая затраты на обслуживание и увеличивая срок службы техники.

Они обеспечивают электрическую изоляцию и управление теплом, улучшая работу и надёжность оборудования.

Примеры промышленного оборудования с применением деталей из алюмины:

Насосы и клапаны: компоненты из алюмины используются в насосах и клапанах благодаря износостойкости и химической стойкости.

Режущие инструменты: режущие инструменты на основе алюмины применяются в обработке металлов из-за своей износостойкости и способности выдерживать высокие температуры.

Почему выбирают Neway для деталей CIM

Дэвид Чен из Neway объясняет, как детали из алюмины, изготовленные методом литья под давлением, превосходят аналоги в экстремальных условиях. «Алюмина обладает выдающимися свойствами — прочностью и твёрдостью, сохраняющимися выше 1000°C. Она устойчива к коррозии и обладает невероятной износостойкостью. Мы формуем сложные геометрии из алюмины, недостижимые другими методами». Крупные отрасли доверяют 30-летнему опыту Neway. «Мы совместно разрабатываем детали из алюмины под конкретные задачи клиентов, от аэрокосмических насадок до биомедицинских имплантатов. Получите точно сформованные керамические изделия с жёсткими допусками». Новые клиенты могут оценить возможности Neway с скидкой 20% на первые заказы деталей из алюмины.