（材料学专业论文）al2o3ticn基和si3n4基陶瓷刀具材料的制备.pdf

：“ j j ? j f i 公萎。；。一 - at h e s i si nm a t e r i a l ss c i e n c e i i i i f l l l i i j l i l l l l f l l l i l l l l l l l l l r l l l l li r l r l f l ip i i p y 18 4 0 5 8 5 f a b r i c a t i o no f a 1 2 0 3 t i ( c ，a n ds i 3 n 4c u t t i n g t o o l m a t e r i a l s b y s ul i h o n g s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rs u nx u d o n g a s s o c i a t ep r o f f e s s o rx i uz h i m e n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 8 ， f ! 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过的研 究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工作的同 志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。 e t 期：) o 口劈鼻 目 , - 3 学位论文作者签名：苏剥彳。 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论文 的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名：乃利 。导师签各 乡1h 矿多b ”嗍瑚吩聊m 抖醐么一吁7 周1 日 _ 厶 一 ，5 一 ，1-事，、i-t一 _lnij 东北大学硕士学位论文 摘要 a 1 2 0 3 t i ( c ，n ) 基和s i 3 n 4 基陶瓷刀具材料的制备 摘要 先进陶瓷刀具材料由于具有很高的硬度和熔点，很高的高温化学稳定性和力学稳 定性，优良的切削性能等优点，在切削领域有很广阔的应用前景。但是由于陶瓷材料 的脆性本质限制了其应用领域，各国学者都在高强度、高韧性陶瓷领域进行了大量的 研究。本文针对目前陶瓷刀具材料断裂韧性和抗弯强度低的难题，分别制备了灿2 0 3 t i ( c ，n ) 基和s i 3 n 4 基陶瓷刀具材料。 通过添加t i n i 合金作为增韧相，以提高材料韧性为目标，采用热压烧结致密化工 艺，制备了a 1 2 0 3 r r i ( c ，n ) t i n i 复合材料。检测了这种复合材料的主要力学性能，研 究了t i n i 增韧相含量对a 1 2 0 3 f r i ( c ，n ) 基复合材料性能的影响，并分析了t i n i 添加物 所产生的强化韧化机理。实验结果表明，随着t i n i 加入量的增加a 1 2 0 3 t i ( c ，i , 0 t i n i 复合材料的断裂韧性升高。a 1 2 0 3 t i ( c ，t i n i 复合材料增韧的主要机制是颗粒弥散强 化和裂纹的桥接。当t i n i 添加量为5 v 0 1 、热压温度为1 5 5 0 。c 、保温时间为1 5 m i n 、 烧结压力为3 0 m p a 时，可获得最好的综合力学性能。获得的复合材料强度为5 2 3 m p a 、 硬度为1 8 2 3 g p a 、断裂韧性为7 9 m p a m 1 2 ，性能均优于单纯的a 1 2 0 3 t i ( c ，复合材 料，增韧效果比较显著。 采用粒径为0 5 t m 、1 , t m 及( 9 5w t 0 5 t m + 5w t m m ) 的s i 3 n 4 初始粉，添加7 w t y 2 0 3 、3 w t a 1 2 0 3 作烧结助剂，在1 7 5 0 。c 保温6 0 m i n ，真空热压制备s i 3 n 4 陶瓷材料， 考察不同粒径的初始粉热压后块体的显微组织及对材料力学性能的影响。试验结果表 明，热压氮化硅都是由柱状b s i 3 n 4 组成，不同长径比的长柱状的b 晶粒相互交错。 s i 3 n 4 陶瓷断口表面凹凸不平，晶粒拔出现象清晰可见，力学性能优良。由 9 5 0 5 比m + 5 w t 珈m 的s i 3 n 4 初始粉热压而成的试样断裂韧性最高( 1 4 2m p a m l 2 ) 。裂 纹桥接和裂纹偏转是s i 3 n 4 材料主要的增韧机制。 关键词：a 1 2 0 3 t i ( c ，；s i 3 n 4 ：颗粒弥散强化；裂纹桥接；裂纹偏转；晶粒的拔出 i i 儿 砌l t ，lrll-， - 、f rlf，j 东北大学硕士学位论文 f a b r i c a t i o no f a 1 2 0 3 t i ( c ，n ) a n ds i 3 n 4c u t t i n g t o o lm a t e r i a l s a bs t r a c t -thea d v a n c e dc e r a m i cc u t t i n gt o o l sh a v ee x c e l l e n tc h a r a c t e r i s t i c ss u c ha s h i g h h a r d n e s s ，h i g hm e l t i n gp o i n t ，g o o dc h e m i c a ls t a b i l i t ya n dm e c h a n i c a ls t a b i l i t y a th i g h t e m p e r a t u r e s ，a n dg o o dm a c h i n a b i l i t y t h e yh a v ee x c e l l e n tp r o t e n t i a lt ob eu s e dw i d e l yi n t h ef i e l do fm a c h i n i n g h o w e v e r ，t h eb r i t t l en a t u r eo fc e r a m i cm a t e r i a l sr e s t r i c t st h e i r a p p l i c a t i o n s r e c e n t l y ，e x t e n s i v ew o r kh a sb e e nd o n eo nt h es t r e n t h e n i n ga n dt o u g h e n i n g o fc e r a m i cc u t t i n gt o o lm a t e r i a l s t h i sw o r k ，a i m i n ga ti m p r o v i n gt h ef r a c t u r et o u g h n e s s a n db e n d i n gs t r e n g t h ，i n v e s t i g a t e st h ef a b r i c a t i o na n dp r o p e r t i e so f h i g hp e r f o r m a n c e a 1 2 0 3 t i ( c ，n ) a n ds i 3 n 4c e r a m i cc u t t i n gm a t e r i a l s ；a 1 2 0 3 t i ( c ，n ) - t i n ic o m p o s i t e s w e r e s y n t h e s i z e du s i n gh o t - p r e s s i n gm e t h o db y a d d i n gt i n ii no r d e rt oi m p r o v et h et o u g h n e s so ft h em a t e r i a l s t h ee f f e c to fc o n t e n to f t i n io np r o p e r t i e so ft h ec o m p o s i t e sa n dt h et o u g h e n i n gm e c h a n i s mw e r ea n a l y z e d t h e r e s u l t ss h o wt h a tt h ef r a c t u r et o u g h n e s so fa 1 2 0 3 t i ( c ，n ) 一t i n ic o m p o s i t e si n c r e a s e sw i t h i n c r e a s i n g c o n t e n to ft i n i t h em a i n t o u g h e n i n g m e c h a n i s mi s p a r t i c l ed i s p e r s i o n s t r e n g t h e n i n ga n dc r a c kb r i d g i n g t h eo p t i m u mm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sw e r ca c h i e v e df o r t h ec o m p o s i t ew i t h5 w t t i n ih o t p r e s s e da t1 5 5 0 f o r1 5m i n u t e su n d e r3 0 m p a p r e s s u r ew i t ha rp r o t e c t i o n t h eb e n d i n gs t r e n g t h ，h a r d n e s sa n df r a c t u r et o u g h n e s so ft h e c o m p o s i t ea r e5 2 3m p a ，1 8 2 3g p aa n d7 9m p a m 1 2 ，r e s p e c t i v e l y ，h i g h e rt h a nt h o s ef o r 4 t h ep u r ea 1 2 0 3 t i ( c ，n ) c e r a m i cc o m p o s i t e s i no r d e rt oi n v e s t i g a t et h ee f f e c to fs i z eo ft h ei n i t i a lp o w d e ro nt h em i c r o s t r u c t u r e a n dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，s i 3 n 4c e r a m i cm a t e r i a l sw e r em a d eb yh o tp r e s s i n ga t17 5 0 f o r6 0m i nu s i n gs i 3 n 4p o w d e r sw i t hp a r t i c l ed i a m e t e r so f0 5 ma n d1 m ，a n dp o w d e r m i x t u r e so f ( 9 5 w t 0 5g m + 5 w t 1 【l m ) ，r e s p e c t i v e l y 3 w t a 1 2 0 3a n d7 w t y 2 0 3w e r e ，u s e da ss i n t e r i n ga i d s t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh o t - p r e s s e ds i 3 n 4s p e c i m e n sw e r e c o m p o s e do fo v e r l a p p i n go fr o d l i k eb s i a n 4g r a i n sw i t hv a r i o u sa s p e c tr a t i o s t h ef r a c t u r e i i i s u r f a c ew a sr o u g ha n dg r a i np u l l o u tw a sc l e a r l yv i s i b l e t h es p e c i m e nm a d eb y 9 5 w t 0 5 比m + 5 w t l p ms i 3 n 4i n i t i a lp o w d e rh a v et h eh i g h e s tf r a c t u r et o u g h n e s s ( 1 4 2 m p a m 1 7 2 ) t h em o s tf r e q u e n t l yo b s e r v e dt o u g h e n i n gm e c h a n i s m si n t h es p e c i m e n sa r e c r a c kb r i d g i n ga n dc r a c kd e f l e c t i o n k e yw o r d s ：a 1 2 0 3 t i ( c ，n ) ；s i 3 n 4 ；c r a c kd e f l e c t i o n ；c r a c kb r i d g i n g ；p u l l - o u t ；p a r t i c l e d i s p e r s i o ns t r e n g t h e n i n g ； i v 一 r1j 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明。l 学位论文版权使用授权书i 摘! 要i i a b s t r a c t h i ：目录i 第1 章绪论1 1 1 陶瓷刀具材料简介1 1 1 1 氧化铝系陶瓷刀具材料3 1 1 2 氮化硅系陶瓷刀具材料3 1 2 陶瓷材料的增韧6 1 2 1 陶瓷材料增韧的基本途径7 1 2 2 影响增韧相增韧陶瓷材料的主要因素1 3 1 3 陶瓷材料的烧结1 4 1 3 1 反应烧结法1 5 1 3 2 气氛压力烧结法。1 5 1 3 3 热等静压法1 5 1 3 4 热压法1 6 1 4 本实验的目的和意义1 6 第2 章a 1 2 0 3 仍( c ，n ) 基陶瓷材料的制备与性能分析。1 8 2 1 弓l 言1 8 6 2 2 实验方法一1 8 2 2 1 实验原料与设备1 8 量 2 2 2 机械合金化制备t i n i 合金粉1 9 2 2 3a 1 2 0 3 t i ( c ，n ) - t i n i 试样的制备1 9 2 2 4 性能测试2 0 2 3 结果与分析。2 6 2 3 1t i n i 合金粉末的物相组成2 6 东北大学硕士学位论文 目录 2 3 2a 1 2 0 3 r i ( c ，n ) 复合材料的显微组织及力学性能分析2 7 2 3 3 a 1 2 0 3 t i ( c ，n ) t i n i 复合材料显微组织及力学性能分析3 0 2 4 j 、结3 7 第3 章s i 3 n 4 基陶瓷材料的制备号i 生能分析3 9j 3 1 引言3 9 3 2 实验方法3 9 3 2 1 实验原料与设备一3 9 - 3 2 2 稳定悬浮的s i 3 n 4 浆料的制备4 0 i 3 2 3 热压烧结制备s i 3 n 4 试样4 3 3 3 结果与分析4 7 3 3 1s i 3 n 4 粉体分散条件的优化4 7 3 3 2 氮化硅初始粉的粒径对复合材料显微组织及力学性能的影响5 2 3 4 月、结6 1 第4 章结论。6 2 参考文献一6 3 - 致谢6 9 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 第1 章绪论 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，切削加工的劳动量占全部机械制造 劳动量的3 0 至4 0 ，约7 0 的各种零部件需用刀具来加工，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，且越来越受到重视f 1 1 。 随着高、新技术的发展，机械加工业对刀具材料提出了更为严格而苛刻的要求。 例如加工硬度更高的材料、更高的切削效率、精加工和实现无人操作等，这就要求提 高刀具材料的强度、韧性、耐磨和耐热冲击性等。因此陶瓷刀具、金刚石刀具等新的 加工工具相继出现，并且用量逐年增加。 先进陶瓷刀具材料具有很高的硬度和熔点，很高的高温化学稳定性和力学稳定性， 如舢2 0 3 陶瓷基本不存在高温氧化现象，在1 0 0 0 高温下保持5h 没有变化，但在同 样条件下，p 1 0 硬质合金的增重高达1 5 。陶瓷刀具还具有优良的切削性能。在1 2 0 0 以上的高温下陶瓷刀具仍能进行切削，这时陶瓷刀具材料的硬度与2 0 0 6 0 0 时硬 质合金的硬度相当。陶瓷在高温下的抗压强度也很高，在1 1 0 0 下的抗压强度相当于 钢在室温下的抗压强度。陶瓷刀具有很好的抗高温蠕变性能，a 1 2 0 3 烧结体在1 3 0 0 。c 下仍未出现塑性变形。陶瓷刀具优良的高温性能使其能够以很高的切削速度切削，目 前所允许的切削速度比硬质合金提高2 - 1 0 倍【2 1 。此外，陶瓷刀具材料还有良好的抗 粘结性能，较低的摩擦因数。所以，陶瓷刀具在国外得到了广泛应用。除可用于一般 的精加工和半精加工外，也可用于冲击负荷下的粗加工，是国际上公认的提高生产效 率最有潜质的刀具。 1 1 陶瓷刀具材料简介 陶瓷作为金属切削刀具有很长的历史。早在1 9 0 5 年德国人就开始了越2 0 3 陶瓷作 为切削刀具的研究，1 9 1 2 年英国首获舢2 0 3 陶瓷刀具专利。但是由于越2 0 3 陶瓷脆性 大，且当时的陶瓷工艺技术还比较落后，所以它的应用受到限制。1 9 6 8 1 9 7 0 年间人 们研制成功了2 0 3 + t i c 复合陶瓷刀具以后，使2 0 3 基陶瓷刀具走出了缓慢发展的 “低谷”，成为解决超硬材料加工的一种新型刀具【3 l 。这种复合砧2 0 3 陶瓷刀具由于在基 体中弥散了1 5 - 4 0 的硬质颗粒t i c ，不仅提高了热传导率，抗冲击性，而且由于 弥散相t i c 颗粒阻碍了舢2 0 3 晶粒长大，使材料强度也得到很大提高。其抗弯强度s 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 可达到7 0 0 - 9 0 0 m p a ，断裂韧性k l c 可达3 5 , - - - , 4 5 m p a m m ，硬度可达h r a 9 4 9 5 。 灿2 0 3 + t i c 复合陶瓷刀具主要用来对淬硬钢、硬化铸铁等进行精加工。 自澳大利亚的g a r v i e 于2 0 世纪7 0 年代初首次利用z r 0 2 的相变来增韧陶瓷以后， 德国的c l a u s s e n 发展了用z r 0 2 相变增韧灿2 0 3 陶瓷( 简称z t a ) 4 1 。2 0 世纪8 0 年代初， 德、美等国将这种刀具投放市场。其抗弯强度可达6 5 0 - - 8 0 0 m p a ，断裂韧性蜀c 可达 6 - - - 7 m p a m i 2 , 但硬度略低于触2 0 3 刀具。z r 0 2 增韧砧2 0 3 刀具可用于粗精加工中硬钢 ( h r c 3 5 - - 一5 5 ) 、铸铁和超合金。 2 0 世纪8 0 年代初，日本日立金属株式会社研制成功灿2 0 3 + t i b 2 复合陶瓷刀具。据 称这主要是利用t i b 2 室温硬度和高温硬度都比t i c 高，而且热膨胀系数又比t i c 小的 特点，这样制成的复合陶瓷刀具的耐磨性和耐热冲击性更好。 2 0 世纪8 0 年代初，美国、瑞典还研制成功s i c 晶须增韧a 1 2 0 3 陶瓷刀具 ( a 1 2 0 3 + s i c w ) 。晶须的加入使a 1 2 0 3 基陶瓷的断裂韧性提高两倍多，同时保留了很高 的硬度。这种刀具1 9 8 6 年投放市场，其抗弯强度可达s = 7 5 0 m p a ，断裂韧性 硒c = 8 7 m p a m 1 2 ，硬度h r a 9 4 - 9 5 ，使舢2 0 3 基陶瓷刀具能够进军对高硬材料有冲击 力的加工。目前，砧2 0 3 + s i c 刀具主要用于淬硬钢、工具钢、冷硬铸铁和镍基超合金 的h n i t s l 。 2 0 世纪7 0 年代中期美国用s i a l o n 陶瓷刀具( s i 3 n 4 + 越2 0 3 的固熔体) 加工灰铸铁， 取得良好效果【刚。同期，中国用热压s i 3 n 4 陶瓷刀具实现了对多种难加工材料( 冷硬铸铁、 淬硬钢、粉末冶金烧结材料、热解石墨和玻璃钢等) 进行多种工序( 车、铣、螺纹、丝 杠挑扣等) 的加工和生产应用。2 0 世纪7 0 年代中期出现的新一代陶瓷刀具一s i 3 n 4 陶瓷 刀具，以另一支新军的姿态受到人们的重视。由于它有较高的强度( s = 9 0 0 - - 一1 0 0 0 m p a ) 、 硬度( h r a 9 2 5 ) 和断裂韧性c k k = 6 7 m p a m 1 2 ) ，又有较低的热膨胀系数0 = 3 1 0 ) ， 因而表现出优异的切削性能，特别适合于铸铁件和高温合金的加工。后来为了提高 s i 3 n 4 陶瓷刀具的耐磨性，又发展出s i 3 n 4 + t i c ( t i c n ) 复合陶瓷刀具【7 l ，使其应用范围 越来越广。2 0 世纪8 0 年代后期，s i 舢o n 系相图的研究导致了a 1 3 s i a l o n 陶瓷刀具 的开发。研究表明，a s i a l o n 晶粒是等轴状的，硬度较高，1 3 - s i a l o n 具有长柱状的晶粒， 韧性较好。根据不同的工件材料和切削状态要求，可以通过调整a 、b 相的含量，开发 出一系列性能优良的s i 3 n 4 基陶刀具材料i s l 。 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。近年来，新型刀具材料与机 械制造技术及控制技术的发展相结合，把切削加工的能力和水平提高到一个崭新的高 一 l 东北大学硕士学位论文第1 幸绪论 度，从而促进了高速加工中心的开发与发展。新型陶瓷以其高强度、耐磨削的特点， 在高速切削和干式切削工具领域发挥了重要的作用。 陶瓷刀具的品种、牌号很多，按其主要成分大致可分为氧化铝( 础2 0 3 ) 系和氮化硅 ( s i 3 n 4 ) 系。目前生产的陶瓷刀具大多属于氧化铝系，其它为氮化硅系。 1 1 1 氧化铝系陶瓷刀具材料 a 1 2 0 3 系陶瓷刀具是以a 1 2 0 3 为主体的陶瓷材料，包括纯越2 0 3 陶瓷刀具，砧2 0 3 中添加碳化物、氧化物或硼化物的组合陶瓷刀具，以及在砧2 0 3 中同时添加化合物与 粘结金属的组合陶瓷刀具等【9 。1 0 】。 ( 1 ) 纯a 1 2 0 3 陶瓷刀具 纯a 1 2 0 3 陶瓷刀具的a 1 2 0 3 含量占9 9 以上，添加微量助烧剂m g o 、n i o 、t i 0 2 等烧结而成，抗弯强度为4 0 0 - - 7 0 0 m p a ，断裂韧性为2 2 - - - 2 3 m p a m “2 ，弹性模量 e 为4 0 0 g p a ，热膨胀系数a 为8 2 x 1 0 - 6 k - l ，脆性大，易崩刃，未能广泛使用。 ( 2 ) a 1 2 0 3 碳化物系陶瓷 2 0 3 中添加百分之几到几十的碳化物可以提高舢2 0 3 陶瓷的韧性。其中以添加 t i c 的舢2 0 3 t i c 陶瓷应用最多。添加的t i c 多在3 0 到6 0 之间，也可添加5 1 0 的。这类组合陶瓷有两种：一种是在砧2 0 3 中添加碳化物外，还有少量的粘结金属， 亦称金属陶瓷。另一种是在a 1 2 0 3 中只添加碳化物或碳化物的饱和固溶体制成的组合 陶瓷。假如金属粘结剂的舢2 0 3 碳化物陶瓷比没有加入金属的强度要高，但硬度低。 ( 3 ) a 1 2 0 3 中添加氧化物、硼化物的刀具 舢2 0 3 中添加氮化物的舢2 0 3 氮化物组合陶瓷具有较好的抗热震性能，其基本性 能和加工范围与越2 0 3 碳化物金属陶瓷相当。氮化物组合陶瓷更适于进行间断切削， 而其抗弯强度和硬度比触2 0 3 t i c 金属陶瓷低，有待进一步发展。在伽2 0 3 中添加t i b 2 作为粘结剂制成的陶瓷刀具，其组织中具有细晶粒的舢2 0 3 以及连续的t i b 2 粘结相， 保持了硼化物“三维连续性”，具有极好的耐冲击性和耐磨性。 ( 4 ) 增韧a 1 2 0 3 陶瓷刀具 增韧2 0 3 陶瓷是指在趾2 0 3 基体中添加增韧或增强材料烧成。目前增韧的方法 主要有z r 0 2 相变增韧、晶须增韧以及第二相颗粒弥散增韧等。 1 1 2 氮化硅系陶瓷刀具材料 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 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 原料，添加y 2 0 3 、m g o 、z r 0 2 和h f 0 2 等烧结剂或耐磨相a 1 2 0 3 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 4 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，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 孤m ，密度3 1 8 一3 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 2 m p a - m 抛。同国外相比性能差不多。 氮化硅系陶瓷刀具是以高纯度的s i 3 n 4 粉末为基体，添加m g o 、y 2 0 3 等烧结剂或 耐磨相越2 0 3 或强化相s i 3 n 4 w 等烧结而成。包括以为s i 3 n 4 主体的刀具和 b - s i a l o n ( s i 3 n 4 + 砧2 0 3 ) 刀列9 ，1 1 1 。 1 1 2 1 单一s i 3 n 4 陶瓷刀具材料 单一s i 3 n 4 陶瓷的热膨胀系数为3 0 x 1 0 。6 ，断裂韧性4 2 - 5 2 m p a m 忱，抗弯强 度7 0 0 - 9 0 0 m p a ，硬度h r a 9 1 - - 9 2 ，耐热性可达1 3 0 0 - - - 1 4 0 0 4 c ，有良好的抗氧化性 能。氮化硅材料的主要性能如表1 1 所示。 ( 1 ) 抗弯强度和断裂韧性 s i 3 n 4 基陶瓷的强度要高于础2 0 3 陶瓷，而且强度的可靠性也大，有明显的r 阻力 曲线。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。氮 化硅陶瓷的抗弯强度一般达9 0 0 - 1 0 0 0 m p a ( 据资料报道，有的高达1 5 0 0 m p a ) ，虽然近 几年灿2 0 3 陶瓷的抗弯强度有了较大提高( 有的甚至达1 0 0 0 - - - 1 2 0 0 m p a ) ，但总的来讲， 氮化硅陶瓷的强度要高于舢2 0 3 陶瓷。 s i 3 n 4 陶瓷有良好的断裂韧性，切削时不易产生裂纹，故在一般陶瓷不能胜任的氧 化皮切削、断续切削、湿式切削和端铣等场合，s i 3 n 4 陶瓷刀具都有稳定的切削性能。 在对一般陶瓷刀具不适合的可锻铸铁、耐热合金等材料的氧化皮断续切削加工时， s i 3 n 4 陶瓷刀具可发挥巨大的威力，端铣时的抗崩刃性能特别好。 ( 2 ) 硬度 热压烧结s i 3 n 4 陶瓷刀具的硬度一般在h r a 9 1 - 9 3 ，这就大大提高了它的切削能 力和耐磨性，因此可用于加工硬度高达6 5 h r c 的各类淬硬钢和硬化铸铁。其优良的 耐磨性，不仅延长了刀具的切削寿命，而且还减少了加工中的换刀次数，从而保证切 削工件时的高精度，尤其在用数控机床进行高精密连续加工时，可减少对刀误差和因 磨损引起的误差。 4 东北大学项士学位论文第1 章绪论 表1 1 氮化硅材料的主要性能 t a b l e1 1m a i np r o p e r t i e so fs i l i c o nn i t r i d em a t e r i a l s 项目反应烧结热压烧结 密度( g c m 3 ) 热膨胀系数( k 1 ) 弹性模量( m p a ) 耐压强度( m p a ) 抗拉强度( m p a ) 抗折强度( m p a ) 导热系数( w ( m k ) ) 莫氏硬度 显微硬度( m p a ) 熔点( ) 比热0 ( k g 均) 电阻率( o m ) 介电常数 2 2 0 z 6 03 0 0 3 2 0 ( 2 5 - 3 o ) x l o 6( 2 9 5 - - - , 3 6 2 ) x l o 6 ( 1 4 7 1 2 1 5 7 ) x 1 0 4 2 8 4 4 x 1 0 4 2 3 3 3 0 95 8 8 - 9 8 1 9 8 1 4 2 5 1 5 1 1 8 2 0 65 4 9 6 8 7 1 5 9 - 1 8 4 2 ( 2 0 - - - 2 5 0 。c ) 9 1 5 6 8 0 - - 9 8 0 0 0 ( a 相) 3 2 0 0 0 - - 3 4 0 0 0 ( 1 3 相) 1 9 0 0 ( 分解) 7 1 1 8 ( 2 5 c ) 1 0 1 5 1 0 8 ( 2 0 - 1 0 5 0 ) 9 4 9 5 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 黜姻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能较a 1 2 0 3 陶瓷刀具差。切削 铸铁时刀具后刀面磨损大于越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2 0 3 陶瓷刀具差的原因与s i 3 n 4 陶瓷刀具的化学稳定性较舢2 0 3 陶瓷 刀具低有关。 ( 3 ) 耐热性 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。s i 3 n 4 陶瓷刀具的高温性能特别好，在1 0 0 0 强度 几乎不下降，在高达1 3 0 0 1 4 0 0 时尚有一定的强度。温度升至8 0 0 以上时抗弯强 度才开始下降，这临界温度比一般的硬质合金刀具高1 0 0 以上。 ( 4 ) 抗热震性 s i 3 n 4 陶瓷刀具具有高的导热系数，约为舢2 0 3 基陶瓷刀具的2 5 - 3 倍，而其热膨 胀系数还不到砧2 0 3 陶瓷刀具的一半，弹性模量也较低，因此具有很好的耐热冲击性 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 能。 ( 5 ) 化学稳定性 s i 3 n 4 基陶瓷刀具的化学稳定性虽比硬质合金刀具高但较舢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 i 3 n 4 ( s ) = 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。 ( 6 ) 氮化硅陶瓷刀具主要原料是自然界很丰富的氮和硅，用它代替硬质合金，可 节约大量w 、c o 、t a 和n b 等重要金属。 由于s i 3 n 4 陶瓷刀具的上述特性，使其适用于粗铣、断续车削、荒车及湿式加工； 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，如切削氧化皮、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 适合高速切削及继续切削。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。 1 1 2 1s i 3 n 4 复合陶瓷刀具材料 在s i 3 n 4 基体中添加适量金属碳化物及金属等复合强化剂，利用复合强化效应( 又 称弥散强化效应) 制成的s i 3 n 4 组合陶瓷，其性能比热压s i 3 n 4 陶瓷优越得多。在s i 3 n 4 基体中添加a 1 2 0 3 、y 2 0 3 、t i c 、t i n 和m g o 等成分，可以采用冷压烧结而降低其成 本。 目前使用较多的是s i a l o n 陶瓷刀具，它是以s i 3 n 4 为硬度相，以础2 0 3 为耐磨相， 在1 8 0 0 进行热压烧结而成且呈单相组织，是甜2 0 3 在s i 3 n 4 中的固溶体。称之为 s i a 1 o n ( s i a l o n ) 陶瓷，有人把它誉为第三代陶瓷刀具，因其兼有a 1 2 0 3 和s i 3 n 4 的特 性，其热硬性高于硬度合金和舢2 0 3 陶瓷，在刀尖温度高于1 0 0 0 时仍可高速切削。 与单一s i 3 n 4 陶瓷刀具相比，s i a l o n 陶瓷刀具的抗氧化能力、化学稳定性、抗蠕变能力 和耐磨性都有了很大提高，并且易于制造和烧结。是今后陶瓷刀具重点的发展方向。 s i a l o n 陶瓷刀具适于软、硬铁基合金、镍基合金、钛合金、硅铝合金等材料的加工。 1 2 陶瓷材料的增韧 陶瓷材料的韧化始终是陶瓷研究中的一个核心问趔1 2 1 。陶瓷材料虽然有许多优越 的特性，如高温力学性能、抗化学侵蚀性能、电绝缘性、较高的硬度和耐磨性等。但 由于其共价键和离子键原子间结合特性及其晶体结构低对称性，决定了陶瓷材料缺乏 象金属那样在受力状态下发生滑移引起塑性变形的能力，容易产生缺陷，存在裂纹， 且易于导致高度的应力集中，因此决定了陶瓷材料脆性的本质。因此，各国学者都在 6 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 高强度、高韧性陶瓷领域进行了大量的研究。许多研究发现，向陶瓷中添加纳米粒子 可显著提高其韧性，纳米复合陶瓷材料由于具有比其他复相陶瓷更加优越的力学性能， 尤其是强度和高温性能，已成为近年来陶瓷材料领域的研究热点之一，具有发展成为 一种新型结构材料的良好前景。复合材料是由两种以上的材料组分组成，并通过复合 化得到单一材料所不具备的性能的材料。由于它能同时发挥各材料组分的优势，同时 又具有很大的材料设计自由度，因而选择合适的复合材料体系，使陶瓷材料不损失其 优越性能的情况下获得足够高的断裂韧性( 增韧) 被认为是改善陶瓷材料脆性的有效方 法【1 3 - 1 6 1 。 1 2 1 陶瓷材料增韧的基本途径 1 2 1 1 颗粒弥散增韧 颗粒弥散增韧是陶瓷增韧最简单的一种方法，它具有同时提高强度和韧性等许多 优点。新原皓一【1 7 d 8 】把纳米颗粒增韧的机理归结为：( 1 ) 组织的微细化作用。抑制晶 粒成长和减轻异常晶粒的长大；( 2 ) 残余应力的产生使晶粒内破坏成为主要形式；( 3 ) 控制弹性模量e 和热膨胀系数a 等来改善强度和韧性等；( 4 ) 晶内纳米粒子使基体颗 粒内部形成次界面，并同晶界纳米相一样具有钉扎位错作用。在纳米复合陶瓷中，纳 米粒子以两种方式存在，一是分布在基质晶粒内部，即所谓“晶内型”或“内晶型 “( i n t r a g r a n u l a r ) ；二是分布在基质的晶界，即所谓“晶界型”或“晶间型”( i n t e r g r a n u l a r ) 。 其中“内晶型”是纳米复合陶瓷的结构特征，但两种结构共存又成为这种材料的共性， 因为制备出单纯的“晶间型”或“内晶型”的纳米复合陶瓷十分困难。因此，对纳米粒子 在基体中的存在方式的研究就显得十分必要【”l 。 图1 1 所示为“内晶型”结构韧化示意图。新原皓一等首先提出了“内晶型”纳米相 是韧化主要原因f 2 0 。2 1 1 ，认为纳米复合陶瓷强韧性的提高主要是通过“内晶型，结构的以 下效应而发挥作用：“内晶型”结构导致“纳米化效应”。纳米粒子进入微米级基体颗 粒之后，在基体晶粒内部产生大量次界面和微裂纹，引起基体颗粒的潜在分化，相当 于组织的再细化，使得主晶界的作用被削弱；诱发穿晶粒断裂。由于纳米化效应使 晶粒内部产生微裂纹，当纳米粒子与基体晶粒的热膨胀失配和弹性失配造成纳米相周 围产生局部拉应力时，就会引起穿晶断裂；纳米粒子使裂纹二次偏折。沿晶内微裂 纹或次界面扩展的主裂纹前端遇到纳米粒子后，无法穿过而发生偏转，耗散了断裂能 量。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 r 啪o - p a r t i c i e b o u n d a r y 图1 1 “内晶型”结构增韧机理示意图 f i g 1 1s k e t c ht o u g h e n i n gm e c h a n i s mo fi n t r a g r a n u l a rs t r u c t u r e n 晨l l o p a r tic l e c r a c k b o u n d a r y 图1 2 “晶界型”结构增韧机理示意图 f i g 1 2s k e t c ht o u g h e n i n gm e c h a n i s m o fi n t e r g r a n u l a rs t r u c t u r e 图1 2 所示为c c 晶界型，结构韧化示意图。焦绥隆等认为【2 2 1 ：陶瓷材料由纯基体的 沿晶断裂转化为纳米复合后以穿晶断裂为主，断裂模式的改变是增韧补强的主要原因， 这一点与新原锆一的观点基本吻合。他们的分歧在于，焦认为对改变断裂模式起主要 作用的不是晶内纳米相，而是晶界上的纳米粒子。在对从砧2 0 3 s i c 陶瓷进行压痕引 入裂纹，观察裂纹扩展情况后，焦提出“晶界型”结构强韧化机理：主晶界被纳米粒 子局部强化。纳米相与基体产生良好的结合，纳米粒子有固定晶界、强化晶界的作用； 晶界纳米粒子对裂纹的“钉扎”和偏折作用。由于热膨胀系数和弹性模量不同，基体 对晶界上的纳米粒子的径向压应力产生“虎钳”作用