[精品论文]复相 Sialon 结合的 cBN 超硬复合材料的放.doc

精品论文复相 sialon 结合的 cbn 超硬复合材料的放电等离子烧结赵玉成1，陈庆刚1，张文娜1，王蕾2，宋文灿3，赵东鹏1，奚盈盈1，王明智15（1. 燕山大学, 亚稳材料制备技术与科学国家重点实验室, 河北秦皇岛 066004；2. 秦皇岛职业技术学院，秦皇岛 066100；3. 燕山大学 电气工程学院， 河北秦皇岛 066004）摘要：以复相/-sialon 为结合剂，引入立方氮化硼进行放电等离子烧结；考察了立方氮10化硼的含量以及烧结压力对/-sialon-cbn 超硬复合材料微观结构和性能的影响。利用 x-射线衍射仪分析了烧结后样品的物相构成，用场发射扫描电镜观察样品的断口形貌，根据阿 基米德排水法测定样品的密度；采用三点弯曲法测试样品的抗折强度。实验结果表明，在1560的 sps 烧结温度下，未检测到 cbn 向 hbn 的结构转化，随着 cbn 含量的增加，样品的致密度迅速降低；增加 sps 烧结压力，可有效提高样品的致密度。当 cbn 含量为 40wt.%15时，压力由 30mpa 增加到 50mpa，烧结后样品的致密度由 85.97%增加到 91.42%，提高了5.45%。关键词：立方氮化硼；复相 sialon 陶瓷；复合材料；放电等离子烧结中图分类号：tq1747520spark plasma sintering of multiphase sialon bonded cbnsuperhard compositeszhao yucheng1, chen qinggang1, zhang wenna1, wang lei2, song wencan3, zhao dongpeng1, xi yingying1, wang mingzhi1(1. key laboratory of metastable materials science and technology, yanshan university,25qinhuangdao, hebei 066004;2. qinhuangdao institute of technology,qinhuangdao, hebei 066004;3. yanshan university, college of electrical engineering, , qinhuangdao, hebei 066004, china) abstract: multi-phase /-sialon used as bond, the /-sialon-cbn composite was sintered by spark plasma sintering. the effects of different cbn content and sintering pressure on the structure30and properties of cbn-/-sialon composite were discussed. the phase constitution and microstructure of specimens were analyzed by x-ray diffraction and field-emission scanning electronic microscopy. density was measured by archimedean principle and flexural strength were measured by three-point method. the results showed that, sintered at 1560 oc by sps, the phase transformation from cbn to hbn was not observed, the relative density of specimens35decreased seriously as the cbn content increased. the relative density could be improved effectively by the increasement of sintering pressure. when the cbn content was 40wt.%, sintering pressure changed from 30mpa to 50mpa, the relative density of sintered specimen increased 5.45%, from 85.97% to 91.42%.key words: cubic boron nitride; multiphase sialon ceramics; composites; spark plasma sintering400引言立方氮化硼（cubic boron nitride，简写为 cbn，）是由美国通用电气（g. e.）公司在高 温高压条件下人工合成的一种超硬材料1，其显微硬度高达 78gpa，仅次于金刚石的 98gpa， 远 远 高 于 其 他 材 料 。 cbn 结 构 及化学键的特性决定了其既有仅次于金刚石的高硬度，又具基金项目：河北省自然基金项目（e2010001177）；河北省自然基金（e2012203116）作者简介：赵玉成（1967-），男，教授，结构陶瓷及超硬复合材料通信联系人：王明智（1952-），男，研究员/博士生导师，主要研究领域为超硬材料、超硬复合材料及特种化合物. e-mail: - 7 -有比金刚石更好的热稳定性和对铁族元素高的化学惰性。利用 cbn 的高硬度、高化学稳定45性以及对铁族元素高的化学惰性，可用于制作高效的刀具工具2-6。sialon 陶瓷因其具有优异的力学性能和热学性能，不仅是性能优良的高温结构陶瓷材 料，同时也是一种性能优异的陶瓷刀具材料7-10。由a-sialon 和b-sialon 为主晶相构成的复相 sialon 陶瓷不仅具有a-sialon 的高硬度，而且具有b-sialon 的高强度和高韧性。如果能够 以复相a/b-sialon 陶瓷为结合剂与 cbn 进行复合烧结，就有可能同时将a-sialon、b-sialon50的优异性能和 cbn 的性能优势结合起来，获得一种性能优异的超硬复合材料。在作者的早期研究中，曾尝试进行了b-sialon 基-cbn 复合材料的放电等离子烧结，获 得了一系列有价值的实验数据11。ye feng 等12也进行了以b-sialon 基添加 cbn 制备复合材 料的实验探索。实验结果表明，在 sialon 基体中添加 cbn 后，可大大提高复合材料的显微 硬度、抗弯强度和断裂韧性。到目前为止，还未见到以复相a/b-sialon 陶瓷为基，添加 cbn55制备复合材料的实验探索；因此本实验以复相a/b-sialon 陶瓷为基，通过添加不同含量的cbn，进行放电等离子烧结，考察 cbn 的引入量以及烧结压力对复相a/b-sialon-cbn 超硬复 合材料结构和性能的影响。1实验1.1实验原材料及实验方案60本实验所用原料如表 1 所示，优化后复相赛隆基础结合剂配方如表 2 所示，实验方案如 表 3 所示。表 1 实验原料tab.1 raw materials原料名称粒度纯度(%)cbn5mm99.9a-si3n40.5mm99.6aln0.5mm99.6al2o32030nm99yb2o32030nm99表 2 复相赛隆陶瓷基础配方65tab.2 composition of multi-phase sialon ceramics组份（wt.%）si3n4alnal2o3yb2o370.2412.586.5810.60表 3 实验方案tab.3 experimental schemespecimen no.bond /wt.%cbn /wt.%temperature/ pressure/mpatime/minatmospherea1a2807020303030a3604015603010n2a4505030a56040501.2实验工艺流程70放电等离子烧结（spark plasma sintering，简写为 sps）采用内径为f20.4 mm 的石墨模具；为防止在 sps 烧结过程中粉料与压头发生反应或粘连，用石墨纸隔离粉料与石墨模具各组件，同时为防止模具外壁因热辐射导致热量大量散失，在模具外和上下端面套上碳纤维 毡。样品及模具组装情况见图 1。样品装入模具进行预压后放进 sps 烧结仪内进行烧结。烧结过程中使用红外测温仪对准模具外壁上的测温孔。实验工艺流程如图 2 所示。75上压头石墨纸粉料测温孔80碳纤维毡下压头85图 1 样品及模具组装示意图fig.1 schematic diagram of specimen and mold assembled for sps称料球磨混料烘干研磨装模预压烧结90图 2 sps 样品制备工艺流程图fig.2 flow chart of specimen preparation by spark plasma sintering951001051.3烧结后样品的处理及测试将烧结后样品表面的石墨纸除去，用 sic 砂纸磨除样品表层，以备后续相关测试。基于 阿基米德原理测试样品的密度；利用 d/max-rb 型 x 射线衍射仪进行样品的物相分析；在 s-4800 型场发射扫描电子显微镜（fesem）下观察样品断口的微观结构；利用三点弯曲法 测试烧结后样品的抗折强度。2结果分析和讨论2.1物相分析图 3 是a/b-sialon-cbn 超硬复合材料的 xrd 图谱。从图 3 中可以看到，随着 cbn 添加 量的增加，cbn 的衍射峰的强度逐渐增强的，结合剂的主晶相为a-sialon 和b-sialon，次晶 相为 sial5o2n5，同时还有少量的a-si3n4 残留。为了便于对比，将单一 cbn 经过同样 sps 工艺条件处理后样品的 xrd 测试结果如图 4所示。从图 4 可以看出，经过 sps 1560/10min/n2 的处理，没有检测到六方氮化硼（hbn）， 说明在该工艺条件下，利用复相 sialon 作为结合剂，发挥 sps 的快速烧结特点，进行复相a/b-sialon-cbn 超硬复合材料的快速烧结，可以避免在非高压条件下 cbn 向六方结构的转化，使立方氮化硼依然保持了超硬的结构和特性。a4 -a-sialon-b-sialon-cbn-sial5o2n5-a-si3n4intensity(a.u.)a3 a2a125303540452q(deg.)图 3 cbn/sialon 复合材料的 xrd 图谱fig.3 xrd patterns of cbn/sialon composites100.0k80.0kcbnintensity(cps)60.0k40.0k20.0k0.0110115204060801002q(deg.)图 4 单一 cbn 经过 1560sps 处理后的 xrd 图谱fig.4 xrd pattern of cbn grain treated at 1560 by sps2.2样品显微结构分析图 5 是a/b-sialon-cbn 超硬复合材料在扫描电镜下的断口形貌图。从图中可以看出，结 合剂与 cbn 的结合较好，随着 cbn 含量的增加，cbn 颗粒之间相碰触的几率增大，颗粒之 间形成的棚架效应越来越严重。20wt.%30wt.%40wt.%50wt.%120125图 5 不同含量 cbn 烧结样品的断口形貌fig.5 fracture morphology of specimens with different content of cbn2.3样品的物性测试图 6 为不同 cbn 含量对应样品的致密度。棚架效应的产生导致样品致密度的明显下降， 当 cbn 的含量为 50wt.%时，样品的致密度仅为 79.88%。棚架效应使样品内部孔隙增多，从 而导致裂纹扩展到孔隙时，易使应力集中在孔隙的尖端，降低样品的抗折强度，样品的抗折 强度如图 7。当 cbn 的含量为从 30%提高到 40%时，抗折强度出现了急剧下降。100relative density / %8093.9491.9085.9779.886040200a1a2a3a4specimens no.图 6 不同 cbn 含量样品的相对密度fig.6 relative densities of specimens with different cbn content600641.36560.98400295.07flexural strength / mpa200175.131300a1 a2 a3 a4specimens no.图 7 不同 cbn 含量样品的抗折强度fig.7 flexural strength of specimens with different cbn content1352.4调整压力对复合材料结构和性能的影响图 8 为不同压力进行 sps 快速烧结所得样品断口的微观形貌照片。从照片中可以清楚 地看到，随着烧结压力的增高，样品变得更加致密，低烧结压力的棚架效应得到有效地抑制， 复相a/b-sialon 陶瓷结合剂在 cbn 颗粒间的分布更加均匀，样品烧结的更加致密，几乎看不 到孔隙。40wt.%30mpa40wt.%50mpa140145图 8 不同压力下烧结所得样品的断口微观形貌fig.8 fracture morphology of specimens sintered at different pressure图 9 为不同压力下 sps 快速烧结所得样品的致密度测试结果对比。由图中数据可以看 出，当烧结压力由 30mpa 增加到 50mpa 时，样品的致密度从原来的 85.97%增加到 91.42%， 提高了 5.45%。结合图 8 的显微结构照片可以看出，当烧结压力增加后，不仅可以大大抑制 cbn 颗粒的棚架效应，同时有助于结合剂渗透到 cbn 颗粒的间隙，使结合剂与 cbn 结合得 更加均匀，更易于得到致密的复相a/b-sialon-cbn 超硬复合材料。10091.4285.97relative density/%806040200a3a4specimens no.3结论图 9 不同压力下 sps 烧结所得样品的相对密度fig.9 relative densities of specimens sintered at different pressure by sps1501）a/b-sialon-cbn 超硬复合材料的 sps 烧结结果表明，在 sps 烧结过程中使用 n2 作为 保护气氛快速烧结，能避免 cbnhbn 的转变。随着 cbn 掺加量的增加，烧结样品的致密155160度呈明显下降趋势，当 cbn 含量从 20wt.%增加到 50wt.%时，致密度从 93.94%下降为 79.88%。2）在 cbn 含量一定的情况下，提高烧结压力能够促进结合剂的流动，同时能明显抑制cbn 颗粒之间的棚架效应，提高样品的致密度。当压力由 30mpa 提高到 50mpa 时，40wt.%cbn 含量的样品，其致密度从 85.97%增加到 91.42%，提高了 5.45%。致谢感谢河北省自然基金委对本课题的资助，同时感谢燕山大学 亚稳材料制备技术与科学 国家重点实验室在本课题实验测试分析方面的大力帮助。参考文献 (references)1651701751801851 王光祖, 李刚,张相法. 立方氮化硼的合成与应用m, 郑州：河南科学技术出版社，1995，3-92 saurav goel, xichun luo, robert l. reuben, waleed bin rashid. replacing diamond cutting tools with cbnfor efficient nanometric cutting of siliconj, materials letters, 2012, 68(1):507-5093 masato okada, akira hosokawa, ryutaro tanaka, takashi ueda. cutting performance of pvd-coated carbide and cbn tools in hardmillingj, international journal of machine tools and manufacture, 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