Bearbeitung von Siliziumkarbidkeramik mit hoher Präzision

In der heutigen Werkstoffindustrie, Siliziumkarbid-Keramik sind zweifellos das härteste und beständigste bekannte keramische Material. Aufgrund seiner außergewöhnlichen Härte (Mohs-Härte 9,5), seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und seiner chemischen Beständigkeit wird es häufig in der Luft- und Raumfahrt, in Halbleiterausrüstungen, mechanischen Dichtungen und anderen Bereichen eingesetzt.

Die Bearbeitung von SiC ist jedoch äußerst schwierig. Mit herkömmlichen Verfahren kann die für Halbleiteranwendungen erforderliche Präzision und Oberflächengüte nicht erreicht werden, so dass spezielle Verfahren und Werkzeuge erforderlich sind, um die Anforderungen der High-End-Fertigung zu erfüllen.

Als nächstes werde ich beschreiben, wie man Siliziumkarbid-Keramik mit hoher Präzision bearbeitet.

Maschinen-Siliziumkarbid-Keramik-Teile

Materialeigenschaften von Siliziumkarbid

Bevor die Bearbeitungsmethoden erörtert werden, ist das Verständnis der physikalischen Eigenschaften von SiC entscheidend für die Auswahl des richtigen Verfahrens.
Eigentum Typischer Wert Auswirkung auf die maschinelle Bearbeitung
Härte 9,5 Mohs Erfordert nur Diamantwerkzeuge
Dichte 3,1 g/cm³ Hohe Steifigkeit, geringe Bearbeitbarkeit
Wärmeleitfähigkeit 120-270 W/m-K Hervorragende Wärmeableitung beim Schleifen
Bruchzähigkeit 3-4 MPa-m¹/² Spröde - anfällig für Kantenabplatzungen
Maximale Betriebstemperatur >1600°C Geeignet für extreme Umgebungen

Die extrem hohe Härte und Sprödigkeit bedeutet, dass die plastische Verformung ist minimalund der Materialabtrag erfolgt hauptsächlich durch Sprödbruch und Mikrorissbildung. Dies macht die Bearbeitungsparameter - insbesondere Vorschub, Schnitttiefe und Werkzeuggeometrie - sehr empfindlich.

Herausforderungen bei der Bearbeitung

Die Bearbeitung von SiC ist mit drei großen Herausforderungen verbunden:

  1. Werkzeugverschleiß:
    Selbst Diamantwerkzeuge verschleißen aufgrund der extremen Härte und des abrasiven Charakters des Materials schnell.

  2. Unversehrtheit der Oberfläche:
    Ein ungeeigneter Vorschub oder eine ungeeignete Geschwindigkeit kann zu Rissen unter der Oberfläche führen, die das Bauteil schwächen, insbesondere in Vakuum- oder Hochspannungsumgebungen.

  3. Thermische Auswirkungen:
    Übermäßige Hitze beim Schleifen oder Polieren kann zu mikrostrukturellen Schäden oder Phasenumwandlungen führen.

Um sowohl Maßgenauigkeit als auch fehlerfreie Oberflächen zu erreichen, ist ein Gleichgewicht erforderlich Materialabtragsrate (MRR) mit Oberflächenqualität.

Bearbeitungsverfahren für Siliziumkarbid

Diamant-Schleifen

Das Diamantschleifen ist nach wie vor die gängigste Methode zur Formgebung von SiC-Teilen. Je nach erforderlicher Präzision und Abtragsleistung werden kunstharzgebundene oder metallgebundene Diamantscheiben verwendet.

  • Grobes Schleifen:
    Korngröße #80-#120, hohe MRR, wird für die Grobbearbeitung verwendet.

  • Feines Schleifen:
    Korngröße #400-#800, wird vor dem Polieren verwendet.

  • Ultrafeines Mahlen:
    Korngröße #1000-#3000, erreicht eine Oberflächenrauheit Ra < 0,05 µm.

Tipps zur Verarbeitung:

  • Sorgen Sie für einen konstanten Kühlmittelfluss, um einen Temperaturschock zu vermeiden.

  • Verwenden Sie niedrige Vorschubgeschwindigkeiten (≤0,02 mm/min für feine Stufen).

  • Ziehen Sie die Räder häufig nach, um die Diamanten zu schonen.

Typische, erreichbare Toleranz: ±2-5 µmOberflächenrauhigkeit Ra 0,02-0,05 µm.

 

 

CNC-Fräsen mit Diamantwerkzeugen

Für komplexe Geometrien werden 4-Achsen- oder 5-Achsen-CNC-Fräsmaschinen eingesetzt, die mit diamantbeschichteten oder PKD-Werkzeugen ausgestattet sind.

Wichtige Überlegungen:

  • Spindeldrehzahl: 20.000-60.000 U/min

  • Vorschubgeschwindigkeit: 10-50 mm/min

  • Schnitttiefe: 1-10 µm pro Durchgang

  • Kühlmittel: Luft- oder Ölnebel mit präziser Durchflussregelung

Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung von Präzisionslöcher, Schlitze und 3D-Konturen in SiC-Substraten unter Beibehaltung einer Maßgenauigkeit von bis zu ±0,001 mm

Typische Anwendungen

  • Halbleiterausrüstung:
    SiC-Waferträger, Suszeptoren und Ätzkammerkomponenten aufgrund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit und Plasmabeständigkeit.

  • Luft- und Raumfahrt:
    Leichte Strukturteile und Hochtemperaturlager für Motoren und Wärmeschutzsysteme.

  • Optische Systeme:
    Spiegelsubstrate und Teleskopstrukturen, die Dimensionsstabilität und geringe Wärmeausdehnung erfordern.

  • Vakuum- und Lasersysteme:
    Strukturelle Halterungen und Gehäuse mit ausgezeichneter Steifigkeit und ultraflachen Oberflächen.

FAQs

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