（机械制造及其自动化专业论文）自增韧氮化硅陶瓷刀具的研制.pdf

山东大学硕士学位论文 翻增韧氮化硅陶瓷刀具的研制率 摘要 以s i 3 n 为基体，添鸯籍逶整y 2 0 3 一l a 2 0 3 ，磺裁成功了耨型瞧增甥氮纯 硅淘瓷刀其y 乙，对组分含量进行了优仡设计，当s i 3 n 4 ，y 2 0 3 和l a 2 0 3 豁 含量分剐为8 4 w t ，8 w t 和8 w t 时，材料的性能最好。厨该陶瓷的热压 烧结工艺进行了试验研究，优化出了最佳热压工艺参数，其最佳的烧络工 艺为：在1 7 5 0 c 、3 0 m p a 下，保温保压约4 0 m i n ，在该条件下烧制出了自 增韧氮化硅陶瓷刀具y l l 6 a ，其抗弯强度、断裂韧性和维氏硬度平均使分 别为8 4 5 m p a 、9 ，5 m p a m “2 和1 4 。1 g p a 。l l 磷究了￥2 0 3 l a 2 。3 系添如裁韵麴入量及工艺参数对叁增韧s i 3 k 辫瓷 豹攫徽结鞠和力学灌髂的影响。适餐豹添鸯嚣裁帮合适静工艺参数麓键便酋 一s i 。n 。往状晶垒长，长径院增大，使材料的抗弯强度和断裂韧性增加。分 析了自增韧氮化硅陶瓷刀舆材料的显微结构及其对力学性能的影响。 对陶瓷的增韧补强机理进行了探讨，分析了自增韧陶瓷的自增韧机 制及影响因素。通过控制烧结过程，使部分氮化硅晶粒发育成具有较大 长径比的一s i 3 n t 拄状晶，从颓获 导类似予最须增韧复合材料的增钢枧 到，以提裹氮化硅羯豫刀熨熬断裂镪燃积抗弯强度。 邋过与辫瓷刀暴l t 5 5 、s g 4 瀚韬湃经能对魄试验，笈魂薪登鑫磺鞍 氮亿硅陶瓷刀蒸y l l 6 a 连续诱潮淬硬钢时的抗蘑损住能与s g 4 褶当，而 抗破损能力远好于s g 4 ，但连续切削铸铁时耐磨性比l t 5 5 稍差，y l l 6 a 是一种适合连续切削铸铁与淬硬钢或断续切削淬硬钢的理想陶瓷刀具。 关键词：自增韧陶瓷刀具，氮化硅陶瓷，增韧补强，力学性能，切削性能 + 本研究褥到了国家自然科学基金( n o 5 0 2 7 5 0 8 6 ) ，出东键科技厅( n o y 2 0 0 1 f 0 5 ) 羁游南带毒年科技明星计划璎目( n o 2 0 1 1 0 ) 戆资助。 i i i 山东大学硕士学位论文 d e v e l o p m e n t o f s e l f - t o u g h e n i n g s i l i c o nn i t r i d e c e r a m i ct o o l s a b s t r a c t a na d v a n c e ds e l f - t o u g h e n i n gs i l i c o nn i t r i d ec e r a m i ct o o l ( y ls e r i e s ) h a s b e e n d e v e l o p e db ya d d i n gp r o p e ry 2 0 3 一l a 2 0 3 i ns i l i c o nn i t r i d e t h e c o m p o s i t i o na n dc o n t e n tw a s a l s oe x p e r i m e n t a l l yo p t i m i z e d t h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f t h ed e v e l o p e dc e r a m i ct o o la r eb e s tw h e nt h ec o m p o s i t i o n sa l e 8 w t y 2 0 3 ，8 w t l a 2 0 3 ，a n d8 4 w t s i 3 n 4 t h eo p t i m u mf a b r i c a t i n g t e c h n o l o g yw a so b t a i n e dt h r o u g he x p e r i m e n to p t i m i z a t i o n ，w h i c ha l e1 7 5 0 c ， 3 0 m p a a n d4 0 m inil q h e a t p r e s s u r ep r e s e r v a t io r l t h e h a r d n e s s ， f l e x u r a ls t r e n g t ha n df r a c t u r et o u g h n e s so fy l l 6 aa l e1 4 1 g p a ，8 4 5 m p aa n d 9 5 m p a m 2 r e s p e c t i v e l ya tt h ea b o v ef a b r i c a t i n gt e c h n o l o g y t h ei n f l u e n c eo ft h ea m o u n to fy 2 0 3 一l a 2 0 3a n df a b r i c a t i n gt e c h n o l o g y o nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so ft h es e l f _ t o u 曲e n i n gs i l i c o n n i t r i d ec e r a m i ct o o lw e r es t u d i e d t h e p r o p e ra m o u n t a d d i t i v e so f y 2 0 3 一l a 2 0 3 a n df a b r i c a t i n gp a r a m e t e r sc a l lo b v i o u s l ys p e e du pt h eg r o w t ho f1 3 一s i 3 n 4 c o l u m n a rc r y s t a l s ，r a i s ei t sa s p e c tr a t i o ，a n di n c r e a s et h ef l e x u r a ls t r e n g t ha n d f r a c t u r e t o u g h n e s s t h e m i c r o s t r u c t u r ea n di t se f f e c to nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t yw e r ea l s os t u d i e d i nd e t a i l t h em e c h a n i s m so fs e l f - t o u g h e n i n ga n ds e l f - s t r e n g t h e n i n go fc e r a m i c w e r ea n a l y z e d i ti sf o u n dt h a tt h e s e l f - t o u g h e n i n gm e c h a n i s m so fs i 3 n 4 c e r a m i ct o o la r es i m i l a rt ot h a to fw h i s k e r r e i n f o r c i n gc e r a m i c s s o m eg r a i n s o fs i 3 n 4c a nt r a n s f o r mi n t o 9 一s i 3 n 4c o h l n l n a rc r y s t a l si nh i 曲a s p e c tr a t i ob y 山东大学硕士学位论文 c o n t r o l l i n gt h ef a b r i c a t i n gt e c h n o l o g y , a n di m p r o v et h ef l e x u r a ls t r e n g t ha n d f r a c t u r et o u g h n e s so fs i l i c o nn i t r i d ec e r a m i ct o o l ， b y t h ec o m p a r e de x p e r i m e n ti nm a c h i n i n g q u e n c h e ds t e e l ，i tc a nb es e e n t h a tt h ew e a rr e s i s t a n c eo ft h e d e v e l o p e d c e r a m i ct o o li ss i m i l a rt ot h a to fs g 4 i nc o n t i n u o u sc u t t i n g ，a n dt h ef r a c t u r er e s i s t a n c eo ft h ed e v e l o p e ds i l i c o n n i t r i d ec e r a m i ct o o li sb e t t e rt h a nt h a to ft h ec e r a m i ct o o ls g 4i ni n t e r m i t t e n t c u t t i n g t h e w e a rr e s i s t a n c eo fy l l 6 ai sl i t t l el o w e rt h a nl t 5 5i n c o n t i n u o u sc u t t i n gc a s ti r o n t h i sk i n do f c o m p o s i t et o o lm a t e r i a li ss u i t a b l e f o rc o n t i n u o u sc u t t i n gc a s ti r o na n dq u e n c h e ds t e e l ，a n di n t e r m i t t e n tc u t t i n g q u e n c h e d s t e e l 。 k e y w o r d s ：s e l f - t o u g h e n i n g s i l i c o nn i t r i d ec e r a m i c t o o l ，s i l i c o nn i t r i d e c e r a m i c s ，t o u g h e n i n ga n ds t r e n g t h e n i n g ，m e c h a n i c a lp r o p e r t y ， c u t t i n gp e r f o r m a n c e v 山东大学硕士学位论文 1 绪论 在金属加工中，切削加工是最基本而又可靠的加工手段，在机械、电 子、电机等各种现代产业部门中都起着重要的作用。据统计，切削加工的 劳动量约占全部机械制造劳动量的3 04 0 ，约7 0 的各种零部件需用切削 刀具来加工，可见用于金属切削加工的耗费是很大的。在机械加工领域中， 刀具是最活跃的因素。关于刀具材料的改进、性能的提高、新型刀具材料 的研制多少年来一直没有间断且愈来愈受到重视。 新型刀具材料的采用可大大提高切削加工的生产率。根据国际生产工 程研究学会( c i p p ) 资料，由于刀具材料的改进，允许的切削速度每隔十 年几乎提高一倍；由于刀具结构和几何参数的改进，刀具耐用度每隔十年 几乎提高两倍。新型刀具材料的出现使某些生产工艺得以简化，如陶瓷刀 具材料可直接用于硬切削、以车代磨等。而这些无疑会对生产率有巨大的 影响。 新型刀具材料的采用可以提高零件的加工表面质量和加工精度，扩大 被加工材料的范围。如金刚石加工有色金属时，表面粗糙度可达 r a 0 0 1 2 0 0 2 l im 甚至更小；用立方氮化硼加工淬硬钢可代替磨削，且提 高零件的疲劳强度；用陶瓷刀具加工钢件时，表面粗糙度可达 r a 0 8 - 0 4um ，在高速铣削时，被加工件可获得镜面质量( r a 0 1ui n ) 。 新型刀具材料的采用可降低刀具费用。根据美国、瑞典、联邦德国、 英国等国的资料统计，现今的刀具费用在一个典型的零件成本中约占 23 ；而5 0 年代，刀具费用却占成本的8 。 近年来，切削加工有较快的发展。从加工方法上看，发展了诸如高速 切削、干切削、硬切削等新方法；从设备上看，发展应用了数控机床等自 动化设备；从加工范围上看，不仅有传统的易切削材料，更有诸如新型航 空材料、模具钢、耐热钢、高强钢、高温合金、钛合金、塑料等难加工材 料。所有加工领域的发展都是与刀具材料的发展及性能的提高分不开的， 第1 页 山东大学硕士学位论文 且两者相互促进、共同发展。 机械加工发展的总趋势是高效率、高精度、高柔性和强化环境意识。 在机械加工领域，切( 磨) 削加工是应用最广泛的加工方法。高速切削是 切削加工的发展方向，已成为切削加工的主流。高速切削是尽可能采用高 的切削速度，又根据加工工艺和被加工材料确定其速度范围，如车削为 7 0 0 7 0 0 0 m m i n ；铣削为3 0 0 06 0 0 0m m i n ；加工铝合金为1 0 0 0 7 0 0 0 m m i n ；加工灰铸铁为8 0 0 3 0 0 0m m i n ，一般高于常规切削速度5 1 0 倍。 推广应用高速切削技术将大幅度提高生产效率和加工质量并降低成 本。高速切削技术的发展和应用取决于机床和刀具技术的进步，其中力具 材料的进步起决定性的作用。研究表明，高速切削时随着切削速度的提高， 切削力减小，切削温度上升很快，达到定值后上升趋缓。造成刀具损坏 最主要的原因是切削力和切削温度作用下的机械磨擦、粘结、化学磨损、 崩刃、破碎以及塑性变形等，因此对高速切削刀具材料最主要的要求是高 温时具有良好的力学性能、热物理性能、抗粘结性能、化学稳定性( 氧化 性、扩散性、溶解度等) 和抗热震性能以及抗涂层破裂性能等。基于这一 要求，近2 0 年来，发展了一批适于高速切削的刀具材料，可在不同条件 下，切削加工各种工件材料。高速切削通常采用具有良好的热稳定性的硬 质合金及其涂层刀具、陶瓷刀具及c b n 刀具和p c d 刀具。其中，陶瓷刀具 更适合于高速切削，常用的有氧化铝基陶瓷、氮化硅基陶瓷。陶瓷材料应 用于金属切削还仅仅是最近半个世纪的事情。其发展并不顺利，原因是其 脆性较大。随着材料技术的发展和研究的深入，陶瓷刀具材料逐渐深入各 个加工领域，且在有的地方成为不可取代的工具材料。现代刀具材料大多 数是复合陶瓷，取代了最初的纯a 1 2 0 3 陶瓷，种类以氧化铝基陶瓷和氮化 硅基陶瓷为主。另外，还有以熔点更高的氧化铍、氧化锆、氧化钍为基的 陶瓷以及耐热性和硬度都很高的氮化物、硼化物、硅化物为基的陶瓷。近 几年开发了梯度功能陶瓷、表面改性陶瓷、纳米复合陶瓷、涂层陶瓷等“。2 。 第2 页 山东大学硕士学位论文 1 1 国内外研究概况 1 1 1 陶瓷刀具的发展 陶瓷刀具材料具有其它刀具材料无可比拟的硬度和红硬性，以及较高 的化学稳定性和较低的摩擦系数，在切削领域有很广阔的应用前景。但其 断裂韧性较低，这是陶瓷刀具未能在我国广泛推广应用的重要原因之一。 现在国内外有大批的科研人员从事陶瓷刀具的研究，其研究工作主要集中 在提高陶瓷材料的力学性能及切削性能方面。 现代陶瓷刀具材料多为复相陶瓷，它是以一定的组分设计为基础，采 用各种精选高纯超细的氧化物、氮化物、碳化物和硼化物等为初始原料， 并依据不同的增韧补强机理进行微观结构设计，从而获得各种具有良好综 合性能的先进陶瓷刀具材料。其中，以氧化铝系和氮化硅系应用最为广泛。 从1 9 1 3 年陶瓷材料最早试作切削刀具开始，陶瓷刀具材料的发展在 2 0 世纪经历了以下几个阶段：5 0 年代后期以氧化铝陶瓷为主，6 0 7 0 年 代以a 1 2 0 3 t i c 陶瓷为主，7 0 年代后期至8 0 年代初期发展了s i3 n 4 系陶 瓷刀具及相变增韧陶瓷刀具材料，8 0 年代后期至9 0 年代在晶须增韧陶瓷 刀具材料得到长足发展的同时，各种复相陶瓷刀具材料的研究也倍受重 视。 最近的研究表明，以下几类陶瓷刀具材料将在今后得到较大的发展。 梯度功能材料。1 ( f u n c t i o n a lg r a d i e n tm a t e r i a l 简称f g m ) 是8 0 年代中后期为适应航天技术的要求而提出的，它是在陶瓷的组分中作梯度 变化，使材料的各层在组成、结构及性能上呈梯度连续变化，综合各层的 强度、硬度、韧性、导热性等，达到缓解工作状态下的表层与底层材料之 间的热胀失配而导致的热应力；弥补表层在强度、硬度、韧性等方面的不 足。基于这一概念，可以组合各种性能，设计出优良的复合材料。这一良 好的设计思想很快引起重视，而引入核能、电子、医学、机械等领域，各 第3 页 山东大学硕士学位论文 种梯度材料也应运而生。 表面改性陶瓷是利用物理的或化学的方法对陶瓷表面进行改性，形成 材料的表面压应力，以愈合材料的表面的缺陷，从而达到改进体材料的整 体性能。这也是一种很好的材料设计思路。从这一思路出发，上海硅酸盐 研究所利用碳化物在一定温度和一定的氮气压下，在热力学上处于不稳定 状态而转化成氮化物的原理，通过热等静压氮化后处理工艺，在碳化物基 体中生长出柱状和针状1 3 一s i 。n 。晶体，这样，在s i c 陶瓷材料的表面形成 一层s i 3 n 4 ，而与体材料的内部在组成上构成梯度的变化，成为一梯度结 构的s i 3 n 4 - s i c 复相陶瓷，其强度高达9 0 0 m p a ，断裂韧性为8 m p a m “2 。这 一工艺同样可以制备出s i c t i n t i c 或s i c s i 3 n 4 一t i c - t i n 复相陶瓷。 在用5 0 w t t i c 和5 0 w t s i c 粉混合后热压烧结，再在氮气下进行热压等静 压，得到的梯度复相陶瓷，强度可达7 6 0 m p a ，断裂韧性为9 m p a m “2 。 纳米复合陶瓷“。6 1 ( n a n o c o m p o s i t e s ) 的概念是由日本的k n i i h a r a 等人提出来的，是指在陶瓷基体中引入适量亚微米级或纳米级第二相增强 颗粒而获得的一类复合陶瓷材料。当增强相的颗粒减d , n 纳米水平时，材 料的力学性能将发生显著变化。1 9 8 6 年，k n ii h a r a 等人用c v d 方法首次 制备出了s i 。n 。t i c 体系纳米复合陶瓷。1 9 8 9 年，k n ii h a r a 等人又报道 了以y 2 0 3 和a 1 2 0 3 作烧结助剂的s i 。n 。2 5 v o i 8 i c 纳米复合陶瓷，其室温 强度达到了1 5 5 0 m p a ，经8 0 0 水淬冷后强度不下降。最近几年这方面的 报道很多，研究主要集中在以a 1z 0 ，为基的氧化物基陶瓷和s i 3 n 4 为基体的 氮化物基陶瓷。已经开发出的纳米复合陶瓷体系有s i 3 n 4 t i n 、s i 3 n 4 s i c 、 a l2 0 3 s i c 、a 1 2 0 3 s i3 n l 等。 研究表明，纳米复合陶瓷力学性能提高的主要原因是：( 1 ) 弥散相的 引入有效地抑制了基质晶粒的异常长大；( 2 ) 弥散相或弥散相周围存在的 局部应力，这种局部应力是由于基体与弥散相之间的热膨胀失配而产生， 并在冷却阶段产生位错，纳米离子钉扎进入位错区使基体晶粒产生潜晶 第4 页 山东大学硕士学位论文 界，使晶粒细化而强化了主晶界；( 3 ) 内晶周围的局部应力强化了主晶界 而诱发穿晶裂纹；( 4 ) 高温时阻止位错运动，提高了陶瓷材料的高温力学 性能，从而使材料得到韧化。 陶瓷是晶粒和晶界组成的烧结体，把纳米级颗粒均匀分散到微米级陶 瓷基体中使复合陶瓷的晶粒尺寸、晶界特征、第二相分布、缺陷尺寸等都 发生了本质的变化。因此无论从材料结构的理论探索，还是从应用的角度， 对纳米复合陶瓷的研究都是有重要意义的。 纳米粉体的制备是制造纳米复合陶瓷的前提，目前已有的制备方法主 要包括：机械球磨法、湿化学法、气相反应法、有机先驱体热解法、碳热 还原法及其它一些特殊方法。而纳米颗粒的均匀分散技术和具有最佳晶内 晶界比的混合型结构的形成则是纳米复合陶瓷制备的两个关键技术。目 前已有的分散方法主要包括机械混合分散法，复合粉末法，原位生成法， 液相分散包裹法等。 “内晶型”结构可大幅度提高纳米复合陶瓷强度、韧性。但晶界纳米 相的作用也不可忽视。研究表明，具有不同晶内晶界比的混合型结构， 其力学性能是不同的。如何确定及获得混合型结构材料的最佳晶内晶界 比是目前研制中的一个难点。 另外，在烧结过程中如何控制晶粒的异常长大，也是一个难点。纳米 粉体有巨大的比表面积和表面活性，虽然可降低烧结温度3 0 0 、4 0 0 1 2 ，但 烧结过程晶粒易长大，即使采用些特殊技术如热压，热等静压，快速微 波烧结等，仍难获得晶粒不长大的高致密度大块纳米陶瓷。通常，当密度 超过9 5 ，晶粒已达1 0 0 n m 以上，而此时材料中界面比例下降至3 以下， 很难表现出纳米材料的特异性能。 1 1 2 氮化硅基陶瓷刀具的研究现状 氮化硅基陶瓷是2 0 世纪7 0 年代出现的新刀具材料，它以高纯度的 s i 3 n 4 粉末为基体，添加y 2 0 3 、m 9 0 、z r 0 2 和h f 0 2 等烧结剂或耐磨相a 1 2 0 3 第5 页 山东大学硕士学位论文 或强化相s i c w 等烧结而成。具有高的硬度、耐磨性、耐热性和化学稳定 性及良好的耐热冲击性能，是一种有发展前途的刀具材料。 国外的s i 3 n 。陶瓷材料发展较快，其中以日本和美国最快。国内在 2 0 世纪8 0 年代就研制成功了这类刀具材料【7 】，但后来的发展并不快，主 要的研究单位有山东工业陶瓷研究院、上海硅酸盐研究所和清华大学。产 品种类很少，有s t 4 、s c 3 、f t 8 0 等。主要力学性能为：平均晶粒尺寸 2 3l - t m 、密度3 1 8 。3 4 1 9 c m 3 、硬度h r a 9 1 9 4 、抗弯强度9 0 0 1 0 0 0 m p a 、 断裂韧性4 7 7 2m p a m “2 。同国外相比性能差不多。 s i 3 n 4 陶瓷的抗弯强度一般已达9 0 0 1 0 0 0 m p a ，据资料报道，其强度 有的已高达1 5 0 0 m p a ，虽然近几年a 1 2 0 3 陶瓷的抗弯强度有了较大提高， 有的甚至达到1 0 0 0 1 2 0 0 m p a ，但总的来讲，s i 3 n 4 基陶瓷的强度要高于 a 1 2 0 3 陶瓷。s i 3 n 4 陶瓷不仅抗弯强度高，而且强度的可靠性也大，有明显 的r 阻力曲线。另外，s i 3 n 4 陶瓷的疲劳强度比以往的陶瓷刀具高，可以 获得相当稳定的使用寿命。s i 3 n 4 陶瓷有良好的断裂韧性。切削时不易产 生裂纹，故适合于一般陶瓷不能胜任的氧化铍切削、断续切削、湿式切削 和端铣等场合。 热压烧结s i s n 4 陶瓷刀具的硬度一般在h r a 9 1 9 3 ，而a 1 2 0 3 陶瓷刀具 的硬度一般都在h r a 9 3 以上，有的甚至大于h r a 9 7 ( 如成都工具研究所研 制的m 1 6 ) 。因而s i 3 n 4 基陶瓷刀具的耐磨性较a 1 2 0 3 陶瓷刀具差。切削铸 铁时刀具后刀面磨损大于a 1 2 0 3 陶瓷刀具：切削钢料时s i 3 n 4 陶瓷刀具的 月牙洼磨损较大。耐磨性较a 1 2 0 3 陶瓷刀具差的原因是s i 3 n 4 陶瓷刀具的 化学稳定性较a 1 2 0 3 陶瓷刀具低。 s i 3 n 4 陶瓷刀具的耐热性可达1 3 0 0 1 4 0 0 c ，高于硬质合金刀具及a 1 2 0 3 基陶瓷刀具，因而能承受较高的切削速度。切削灰铸铁时，切削速度可达 8 0 0 m m i n 以上，有时甚至可达1 0 0 0 m m i n ；切削镍基合金时速度可达 3 0 0 m m i n 以上。s i 3 n 4 陶瓷刀具的高温性能特别好，在1 0 0 0 c 时，强度几 第6 页 山东大学硕士学位论文 乎不f 降，在高达1 3 0 0 1 4 0 0 0 c 时尚有一定的强度。温度升至8 0 0 c 以上 时抗弯强度才开始下降，这一临界温度比一般的硬质合金刀具高1 0 0 c 以 s i 3 n 4 陶瓷刀具具有高的导热系数，约为a 1 2 0 3 基陶瓷刀具的2 5 3 倍， 而其热膨胀系数还不到a 1 2 0 3 陶瓷刀具的一半，弹性模量也较低，这就必 然导致耐热冲击性能的提高。 s i3 n 4 基陶瓷刀具的化学稳定性虽比硬质合金刀具高但较a 1 2 0 3 陶瓷 刀具低。s i 3 n 4 在高温下易分解，高于1 5 5 0 c 时发生分解：s i3 n 4 ( s ) 一 3 s i ( g ) + 2 n 2 ( g ) ，分解出来的s i 与金属的亲和力较大。这也是s i 3 n 4 陶瓷刀具耐磨性差的一个原因。 由于s i 3 n 一陶瓷刀具的上述特性，使其适用于粗铣、断续车削、租车 及湿式加工；具有广泛的适应性，一般陶瓷刀具不能进行的加工，它都可 以完成，如切削氧化铍、断续切削、螺纹加工及钻孔等。特别是由于其高 的抗热震性及优良的高温性能，使其更适合高速切削及断续切削。另外， s i 3 n 4 陶瓷刀具还可以切削可锻铸铁、耐热合金等难加工材料n 1 2 本课题研究的目的意义及主要工作 随着科学技术的发展，对工程材料提出越来越多的要求。各种高强 度、高硬度、耐腐蚀和耐高温的工程材料越来越多地被采用。传统的高速 钢和硬质合金刀具已经难以对付这些超难加工材料，而各种现代陶瓷刀具 材料以优异的耐热性、耐磨性和化学稳定性等特点，在机械加工领域，扮 演着越来越重要的角色。 调整陶瓷工艺或其热处理过程，往往可以使陶瓷的晶粒生长成具有一 定长径比的柱状或板状的形态。3 ，其对材料力学性能的影响类似于晶须补 强的实际效果。这样就可避免等轴状颗粒与晶须状物料电子形态上的不同 造成的不易均匀的混合，使最终性能上的分散性大的弊端。而这种柱状晶 第7 页 山东大学硕士学位论文 体是在烧结过程中形成的，即所谓原位生长，因此它的补强效果是由自身 实现的。自增韧是近几年发展起来的能够有效提高陶瓷断裂韧性的一种新 工艺。所谓自增韧，主要是通过控制工艺因素，使陶瓷晶粒在原位形成有 较大长径比的柱状晶，起到类似于晶须的补强增韧作用。正因为氮化硅晶 体结构生长的各向异性，从而发展和形成了自增韧氮化硅陶瓷。很久以前， 人们就观察到氮化硅陶瓷中长柱状b s i 。n 。晶粒的形成，然而只是将其与 改善和提高力学性能联系起来，并未对其进行系统研究。最近研究发现， 控制氮化硅陶瓷的显微结构可以改善和提高材料的耐磨性能、冲击性能、 热传导性能、抗热震和高温蠕变性能，因而，自增韧氮化硅的研究成为近 几年发展起来的一个新领域。本课题拟开发一种新型自增韧氮化硅陶瓷刀 具，并对该刀具的材料配方、制备工艺、微观组织结构、力学性能等进行 较为详细的探讨，这将对陶瓷刀具的发展和切削技术的进步起到重要的推 动作用。 本课题的主要研究内容如下： 1 研制新型的自增韧氮化硅陶瓷刀具y l 。 2 对刀具的组分和热压工艺参数进行优化。 3 分析刀具材料的力学性能和微观组织结构。 4 研究刀具的切削性能和磨损机理。 2 自增韧氮化硅陶瓷刀具的研制 2 1 材料组分设计 据使用上的要求，制作出具有适宜性能的材料，是材料研究者的主要 目的。某一材料总有其长处与短处，对已有材料取其所宜去其所碍，这就 是对材料进行“剪裁”；已有材料并不足以满足使用上的要求，这就需要 “设计”新的材料。这种设计首先包括材料的组成、期望形成的显微结构， 最终体现出所要求的性能。其次，是设计工艺，使之能制成符合使用要求 第8 页 山东大学硕士学位论文 的材料。这就是对材料剪裁与设计所需要研究的内涵，陶瓷材料也不例外。 现代陶瓷学理论的发展，陶瓷制备科学的日趋完善，材料科学卜的成就， 相应学科与技术的进步，使陶瓷材料研究工作者们有能力根据使用要求， 判断陶瓷材料的适应可能性，从而对陶瓷材料进行剪裁与设计的研究，而 最终制备出符合使用要求的材料。 陶瓷刀具材料的发展经历了从单一物质到多种物质、从均质到非均 质、从微米级颗粒到纳米级颗粒的过程，而材料性能也e i 渐提高。不难发 现，陶瓷材料从单相到多相是这一发展过程的本质。而这导致研制过程中 更多的确定或不确定因素，若仍然沿用“t r i a la n de f f o f ”的方式，其 效益是可想而知的。自上世纪五十年代始，就有人提出“材料设计”的概 念，其目的是“按指定性能定做”新材料，按生产要求“设计”最佳 的制备和加工方法。这一思想方法的提出，使研究者们豁然开朗，但限于 当时的基础理论发展水平，“材料设计”只有其理论意义。材料科学和工 程的发展、固体力学的发展、物理学和化学的发展、量子化学和化学键理 论的发展、尤其是计算机仿真、人工智能等技术的发展，已使人们有可能 用归纳和演绎相结合的方式为材料设计提供有效的方法和技术。 1 9 9 6 年，上海硅酸盐研究所的郭景坤“首次明确提出了关于复相陶 瓷材料设计中应该考虑的三个方面的问题，即复相陶瓷材料的设计三个原 则：显微结构的设计、不同相之间的化学共存、不同相之间的物理匹配。 另外，还有许多人对此作了更深入的研究，如陶瓷晶界应力设计、抗热震 性能设计以及从力学性能和微观结构的角度建立高温结构陶瓷材料的设 计准则等。也有许多人从不同角度或针对不同问题提出了各自的设计观 点，如：优化层状复合陶瓷的显微结构和机械性能的设计，针对某种使用 状况，在众多可供选择材料的前提下，优化可使用材料的综合特性的设计 等。 材料设计目前的研究热点是材料在原子尺度上的计算机模拟和基于 第9 页 山东大学硕士学位论文 量子力学、统计力学的计算方法。材料合成和加工过程的计算机模拟由于 其明显的实用意义而受到特别的重视。山东工业人学的许崇海】博士在这 方面进行了探索，提出了复相陶瓷刀具材料设计的理论框架和方法，涉及 到组分设计、微观结构设计、工艺设计及材料的制备和应用。山东大学樊 宁博士“2 1 利用人 ：神经网络成功地进行了陶瓷刀具材料的组分设计和工 艺仿真。 2 1 1 氮化硅的结构 氮化硅是硅和氮的化合物，两种元素的电负性相近，属强共价键化合 物，具有硬度高、熔点高、绝缘性好、结构稳定等特性。氮化硅陶瓷属多 晶材料，晶体结构均属六方晶系，并存在两种不同的晶相：a s i3 n 4 和b s i 3 n 。这两种晶相均由硅氮四面体构成，但其结构上有差异。b 相的每 个晶胞有两个分子，即s i 6 n 8 ，结构是由s in 层按a b a b 层叠而成。 理想的n s i3 n 4 晶胞含有4 个分子，即s i1 2 n 1 6 ( 实际的。晶胞可能含有少 量的氧) 其结构按a b c d a b c d 层叠而成。a s i3 n 4 晶格c 轴方向的晶 格距离大约是b s i3 n 4 的两倍。在两种六方晶格中s i 原子位于由n 原子 组成的不规则四面体的中心，并且每个n 原子同属于三个四面体。一般认 为，一s i 3 n 4 是低温稳定性，形成温度为1 1 0 0 1 2 0 0 c ；b s i 3 n 4 是高温 稳定性，形成温度为1 3 5 0 1 5 0 0 ( 2 。当温度为1 4 0 0 1 8 0 0 ( 2 时，o s i3 n 4 不稳定，并发生相变，即n - s i3 n 4 转变为b s i3 n 4 ，这种转变是不可逆的 “。所采用的氮化硅粉d s i 3 n 4 含量大于9 5 ，比重为3 1 9 9 c m 3 ，平均 粒径为o 5 u m 。 。 2 1 2 添加剂的选择 现在研究较多的陶瓷添加剂( 助烧剂) 有： ( 1 ) ya 1 系：t a n i “”等利用g p s 方法制备y a l 系自韧s i 3 n 4 ，其抗 弯强度为5 5 0 9 0 0 m p a ，断裂韧性为8 一l1 m p a m “2 ； 第1 0 页 山东大学硕士学位论文 ( 2 ) y - m g c a o 系：p y z i k ”等利用热压的方法制备ym g c a o 系自韧 s i l n 4 ，其抗弯强度提高到1 2 5 0 m p a ，断裂韧性为8 1 4m p a i l l l 2 ； ( 3 ) yl a 系：1 u o “等利用热压的方法制备的y i 。a 系自韧s i3 n 4 ， 其室温抗弯强度为8 6 09 6 0 m p a ，断裂韧性为8 4 l1 7 2m p a m “2 ，而13 5 0 0 c 时的强度和韧性分别为6 8 07 2 0m p a 和2 2 2 4 m p a m , 2 ： 从自韧s i 3 n 4 的研究看，比较常用的助烧剂有：y 2 0 3 、a 1 2 0 3 、n d 2 0 3 、 m g o 、y 2 0 3 、c e o 、c a o 、l a 2 0 3 等金属系氧化物、镧系氧化物和多种稀土元 素，它们的加入形式往往是两种或两种以上的多元系统。 氮化硅的自扩散系数很小致使其致密化所必需的体积扩散速度很小， 纯氮化硅通常不能单靠固相烧结达到致密化，而必须加入少量的添加剂， 它们在高温下与氮化硅及表面的二氧化硅反应生成液相，通过液相烧结成 致密材料。实践表明：对氮化硅陶瓷，m g o 、a 1 2 0 3 、y 2 0 3 、l a 2 0 3 、c e 2 0 3 等均是有效的添加剂。 从材料的致密过程可以看出，主要是粒子重排和溶解析出影响着材 料的致密度，而前者取决于液相的量和粘度，当烧结剂的量一定时，粘度 起主要作用。而温度对粘度有绝对性的影响。从表2 1 中可以看出各种添 加剂形成液相的温度是不同的，因而在同温度下其粘度是不同的。 s i 3 n 4 的晶相结构是通过溶解再析出及晶粒长大形成的，前一过程的 进行取决于氮化硅的相变激活能和相变机制，一般来讲，这两者在不同溶 剂中的表现是不同的。而晶粒形成的整个过程就是一个传质传热的过程， 当温度一定时溶剂对这一过程有绝对性的影响“”1 。 烧结助剂除了影响致密化以外，还影响着烧结助剂和氮化硅组成的多 相关系，选择合适的晶界成分，以保证必要的性能。如m g o 添加剂可形成 粘度很低的液体，是很有效的烧结助剂，可使氮化硅达到完全致密化，并 有很高的室温强度。但当不加其它金属氧化物时，含镁相不溶解在o 氮 化硅中，这种含镁的氮化硅液体冷却时，在晶界形成连续的玻璃相，这些 第1 l 页 山东大学硕士学位论文 玻璃相的软化温度很低，稍高于1 0 0 0 0 c 即可观察到蠕变。决定晶界玻璃 相的性能的是氮化硅表面的s i 0 2 量、氮化硅的纯度以及m 9 0 添加的数量。 显然与力学性质和共晶温度有关。形成液相的温度越高，这种晶界相 表2l 氮化硅中各种添加剂开始形成液相的温度“7 添加剂开始形成液相的温度( o c ) m 。o vm x o v s i 0 2 m x o y - s i 0 2 一s i 3 n 4 l i 2 0 1 0 3 01 0 3 0 m g o 1 5 4 31 3 9 0 y 2 0 3 1 6 5 01 4 8 0 c e 0 2 1 5 6 01 4 6 0 z r 0 2 1 6 4 0 1 5 9 0 c a o1 4 3 5 1 4 3 5 a 1 2 0 31 5 9 31 4 7 0 便可能越耐高温。又如稀土添加剂y ：o 。，v 2 0 。与s i 。m 表面的s i 0 ：形成的玻 璃相熔点很高，且有较高的粘度。钇的粒子尺寸较大，能保持在晶界附近， 不会扩散到氮化硅晶粒中去，易使玻璃相结晶化。而结晶化相本身具有良 好的力学性能。 稀土类氧化物具有较高的熔点，稀土元素的离子半径较大，一般不易 融入s i 3 n 4 的晶格中，而在晶界处形成晶界玻璃相。形成的玻璃相也具有 较高的耐高温性能，因而对提高s i 3 n n 陶瓷的高温力学性能是有效的添加 剂。在选择耐热s i 3 n 。陶瓷的添加剂时，应该考虑两个方面的因素：一是 在烧结过程中，在低于s i 3 n 4 的分解温度下，能与s i 3 n 4 及其表面的s i 0 2 反应生成液相，促进致密化；另一方面考虑到晶界的高温性能，即晶界上 残留的玻璃相应具有较高的软化温度和粘度。y 2 0 3 或l a 2 0 3 单一作为添加 剂其效果并不明显，其一是因为烧结活性不够，难以产生足够数量低粘度 第1 2 页 山东大学硕士学位论文 的液相，其二是难以析出高熔点的晶界第二相。以y 2 0 3 和l a - 2 0 3 作为助烧 剂，由于1 a ”和y 3 + 离子半径相差较大，y 2 0 3l a 2 0 3 并不形成固溶体而是共 溶，因而比单一y 2 0 3 或l a 2 0 3 体系其液相形成温度要低，研究表明， y 2 0 3 一i a 2 0 3 体系出现液相的最低温度为1 5 5 0 ，此时组成为2 0 m 0 1 y 2 0 3 + 8 0 m 0 1 l a 2 0 3 ，冷却形成玻璃相软化温度仍将高于以a 12 0 3y 2 0 3 作为 添加剂形成的晶界玻璃相软化温度，同时如果选择适当y l a 比，在一定 条件下经热处理，在晶界析出l a y 0 3 晶相及其它含n 结晶相，将有利于改 善晶界性能，获得高性能s i 3 n 4 陶瓷。以y 2 0 3 、l a 2 0 3 为添加剂的热压s i3 n 4 具有以下特点： ( 1 ) 形成高软化点、高粘度的晶界玻璃相，而添加a 12 0 3 - y 2 0 3 的热 压s i 。是通过析出晶界相来提高其高温性能的； ( 2 ) 易形成含y 、l a 的n - o 高粘度玻璃相，该玻璃相的存在可以适 当降低s i 。n 。的烧结温度。 本课题选择y 2 0 3 一l a 2 0 3 为烧结助剂，有利于自韧热压s i3 n 一陶瓷柱状 晶的生长。当y 2 0 3 ：l a 2 0 3 = l ：1 时，易形成l a y 0 3 化合物从而提高材料的性 能。添加剂以化合物而非玻璃相的形式存在于晶界处，一方面提高材料的 软化温度，另一方面增加内部颗粒之间的结合力，因此提高材料的高温强 度和断裂韧性。 2 2 烧结工艺设计 烧结工艺决定了s i 3 n 4 陶瓷刀具的显微结构及力学性能。有关这方面 的报道较多，如王红洁”“等通过对一定组分的s i 3 n 4 材料的烧结研究，得 出烧结温度、保温时间与材料体积密度、b 相相对含量、强度、断裂韧性 之间的关系。葛其明”等通过研究利用不同工艺制成的陶瓷刀具材料得出 结论：组分相同的材料在不同的烧结工艺下得到的性能是不同的。 第1 3 页 山东大学硕士学位论文 2 2 1 氮化硅陶瓷刀具的烧结致密 由于s i 3 n 4 属共价键化合物，原子问的结合力强，因此有高的弹性模 量和分解温度，提高温度可使原子扩散加快，但是在接近烧结温度时，氮 化硅要发生挥发和分解。原子的配位数小，而且碳、氮、硅的原子量都很 小，因此有低的比重；也就是比模量( 弹性模量l c 重) 很高。自然界中 没有天然的s i 3 n 4 ，要通过工业合成才能获得。 要获得致密的s i 3 n 4 陶瓷，一般要满足下述几个条件：( 1 ) 使用细纯 原料，( 2 ) 施加外部压力，( 3 ) 提高烧结温度( 必须同时提高氮气的压力) ， ( 4 ) 添加烧结助剂以形成液相。其中添加烧结助剂，产生合适的液相是 s i 3 n 4 烧结致密化的关键。 在压力为1 大气压的氮气中，于1 8 0 0 c 有显著的分解；在氮分压低 时，发生分解的温度更低( 1 6 0 0 c ) 。可能发生的分解反应如下： s i 3 n 4 ( 固) 一3 s i ( 液) + 2 n 2 ( 气) s i ( 液) 一+ s i ( 气) s i3 n 4 ( 固) + 3 s i 0 2 ( 固) 一6 s i o ( 气) + 2n 2 ( 气) 2s i 3 n 4 ( 固) 十0 2 ( 气) 一6 s i o ( 气) + 4n 2 ( 气) s i 3 n 4 ( 固) + 3 a m 2 0 。( 固) 一2 a m 3 n 。( 固) + 3s i 0 ( 气) + n 2 ( 气) ( m 代表金属) 3 s i 2 n 2 0 ( 固) 一s i 3 n 4 ( 固) + 3s i 0 ( 气) + n 2 ( 气) ( s i m o n ) 玻璃一s i o ( 固) + n 2 ( 气) + 其它 因此烧结氮化硅的主要困难是在发生有效烧结的高温下，化合物发生 分解，因而达不到致密化的目的。抑制分解的方法有两个：一是在烧结时 提高氮气的压力，即采用两段加压烧结法，即第一段烧结到孔洞封闭，第 二段以更高的压力烧结到完全致密；二是将制品埋在保护性粉末中进行常 压烧结。埋粉可以是s i s n 4 、b n 、m g o 、al n 、s i 0 2 等各种成分的混合粉末， 以提高烧结体周围的s i o 气体分压。氮化硅的固相烧结很困难，目前多用 第1 4 页 山东大学硕士学位论文 液相烧结法，即加定量的烧结助剂，加温使之与s i3 n 4 表面的s i 0 2 反应 生成液相，促进颗粒的移动，提高致密度。s i3 n 4 陶瓷刀具必须通过烧结 才能致密化，完全致密的氮化硅才能用作优质的陶瓷刀具。氮化硅液相烧 结的致密化过程分为以下三个阶段： ( 1 ) 粒子重排：在液相形成后，固态的粒子在毛细管力的作用下相 对滑动。这时的收缩速率决定于液体的粘度和