氮化硅陶瓷刀具材料的研究

1氮化硅燒結劑的研究氮化硅陶瓷具有優異的綜合能。除了一般陶瓷材料的硬度、耐腐蝕性、耐腐蝕性等優點外，它還具有抗熱地震、耐高溫蠕變、自潤滑、加工復雜形狀等特點。在比1000c的工作環境中，它的性能可以保持不變，因此受到世界各國的研究人員和企業家的高度重視。由于氮化硅是強共價鍵化合物,氮氧原子即使在高溫下的擴散系數也很低,并且氮化硅受熱一般不會融化成液體,到1900℃時直接升華分解,造成燒結試樣硅流現象,因此在熱壓燒結的情況下應采用合理的燒結劑,保持合理的燒結溫度,對此有關人員做了大量的研究工作。本文主要研究了混料工藝、燒結助劑組分、第二相顆粒納米Ti(C7N3)對氮化硅力學性能和顯微結構的影響情況。2y2o3、la2o3、al2o3和ceo2的生產Si3N4粉體由北京安泰科技公司生產,組成中α相為92%,β相約為8%,中位粒徑為0.5μm;納米Ti(C7N3)粉體由石家莊華泰納米陶瓷材料廠生產,純度>97%,中位粒徑為130μm;燒結劑Y2O3、La2O3、Al2O3和CeO2的純度均為99.99%,由上海躍龍有色金屬公司生產。按照表1配比Si3N4基陶瓷刀具材料組分,將配好的粉料球磨24h后置于真空干燥箱中干燥,用200目篩子過篩裝入石墨模具中,置于熱壓燒結爐中在溫度為1700~1800℃、壓力30MPa下熱壓燒結,并在氮氣氛圍保護下保溫保壓30min。試樣尺寸為3mm×4mm×40mm,跨距30mm,加載速率為0.5kg/min,利用三點抗彎法測量抗彎強度,用壓痕法測斷裂韌性和硬度,壓力為20kg,保壓時間15s,用掃描電子顯微鏡進行顯微結構觀察,用XRD進行材料組分分析。3試驗結果及分析3.1不同燒結助劑對si3n4材料顯微結構的影響表2列出了溫度為1700~1800℃、壓力30MPa、保溫時間40min燒結條件下Si3N4基陶瓷刀具材料的力學性能。從表2中可以看出,使用5%Y2O3+5%La2O3+5%CeO2做燒結助劑的No.4材料的力學性能最優。材料物相分析(見圖1、圖2、圖3)顯示:燒結后的材料成分中包含大量的β-Si3N4相,基本不存在α-Si3N4相,這表明α-Si3N4已完全轉變為β-Si3N4。除β-Si3N4相外,還有由燒結助劑氧化物形成的共晶化合物,它們對材料的力學性能產生了影響。圖4~圖7分別是No.1、No.2、No.3、No.4材料斷口的SEM圖片。圖片顯示,在加入5%La2O3+5%Al2O3或5%La2O3+5%Y2O3(總量10%)燒結助劑的Si3N4基陶瓷材料中很難形成均勻的長柱狀晶粒,但這種顯微結構卻在燒結助劑總量達到15%時獲得(Y2O3+La2O3+CeO2或Y2O3+La2O3+Al2O3),因此燒結助劑的含量影響材料的顯微結構。在液相燒結過程中,如果燒結助劑含量較低,就使得為α→β相變提供的驅動力和溶解度較低,導致Si3N4的溶解—析出過程不能完全完成。因此,總含量15%的燒結助劑適合Si3N4基陶瓷材料的燒結。圖7表明:與使用Y2O3、La2O3和Al2O3做燒結助劑的No.3材料相比,使用Y2O3、La2O3和CeO2做燒結助劑的No.4材料形成的顯微結構更細更均勻,這或許與CeO2對Si3N4良好的潤濕有關。有關研究表明:Y2O3能促進α相向β相轉變,Al2O3能降低玻璃相粘度,為液相燒結提供快速的質量傳輸和低的過飽和度,促進燒結體的致密化。從圖1、圖2、圖3可以發現:在加入La2O3和Al2O3的No.1和No.2材料中形成了Si-Al-O-N共晶相,而加入La2O3、Y2O3和CeO2的No.4材料中則形成了La-O-N、Ce-O-N和Y-Si-O共晶相,因此No.4材料共晶相中N的含量比No.3中的高,共晶相中N含量的提高可以強化晶界的晶格和基體材料晶粒的界面能,有利于提高材料的斷裂韌性。3.2不同分散劑對于si3n4顆粒表面的影響表3是No.4材料使用不同混料介質和經過超聲分散后的材料力學性能。由于初始Si3N4粉體為亞微米粉末,亞微米粉體的表面活性能高于微米級粉體的表面活性能,粉體中存在著能引起燒結缺陷并降低材料可靠性的強團聚體。對于微米Si3N4粉體,在混料時為避免粉體發生水解,因此一般不采用水作為混料介質而采用酒精做混料介質。但是對于亞微米的Si3N4粉體,本文試驗表明采用UW工藝混合的粉體經燒結后材料的力學性能較好(UW:分別將Si3N4和燒結助劑用水作為溶劑配成懸浮液,并向其中加入PMAA-NH4分散劑后超聲分散10min,將懸浮液PH值調制9.6后再超聲分散20min,兩種懸浮液混合后再超聲分散30min。E:分別將Si3N4和燒結助劑用酒精作為介質混合并加入PMAA-NH4分散劑;W:分別將Si3N4和燒結助劑用水作為介質混合并加入PMAA-NH4分散劑)。由于粉體的氧化和水解的原因,Si3N4粉體的表面上包含著一些含有硅和氫的基團(其中95%是硅烷醇基團),在酒精介質中,大量的硅烷醇基團會與酒精發生反應生成乙醚,這就降低了分散劑PMAA-NH3分子在Si3N4粉體表面的吸附能力,因此在E處理工藝中顆粒之間的團聚很難被破壞。在W和UW工藝中,本文采用水作為介質,分散劑PMAA-NH3在水中的離解度與PH有關。在堿性環境下,含有分散劑PMAA-NH4的水溶液中存在著大量的RCOO-離子,它們很容易吸附在Si3N4顆粒的表面,從而在Si3N4顆粒之間形成空間排斥力,有利于破壞粒子之間的表面吸附力,但是對于顆粒之間的強團聚來說,如果不采用外加機械力的作用很難將其破壞。圖7、圖8、圖9是采用不同處理工藝的材料斷口SEM圖片。從圖中可以看出,使用UW工藝的材料具有更均勻的顯微結構和細長的晶粒。由此可見在UW工藝中,超聲分散的使用更有利于粉體團聚體的破壞,材料的力學性能得到提高。3.3材料的斷口分析如圖9和圖10所示,觀察No.4和No.5的斷口圖片發現:No.4材料斷面上β-Si3N4晶粒成柱狀縱橫空間交錯排列,斷口上有明顯的晶粒拔出時留下的暗灰色痕跡,這說明斷裂是沿晶擴展的;同時,材料No.5的斷口上不僅有沿晶斷裂的特征,而且有明顯的穿晶解理面和解理條紋,且部分晶粒斷面處較光亮,具有穿晶斷裂的特征,說明該材料的斷裂特征是穿晶斷裂和沿晶斷裂混合型模式。因此從理論上講,No.5材料的韌性和抗彎強度應該較No.4有所提高,但是試驗結果卻不同,這有可能是由于沒有很好解決納米顆粒中存在的團聚問題。在No.5的斷面上可以清楚看到發亮的解理小平面,說明這是粗晶粒材料的脆性斷口。在No.4材料斷面上,Si3N4晶粒具有較大的長徑比,材料的顯微組織具有各相異性,因此No.4材料的硬度低于No.5材料,這表明納米顆粒的加入降低了基體材料的長徑比,使材料硬度相應地有所提高。4在微結構中的應用(1)試驗結果表明,加入燒結助劑總含量達15%的No.4Si3N4基陶瓷刀具材料的力學性能最優,材料性能的提高與均勻顯微結構的形成和液相中N含量的提高有關;(2)在UW工