含三元燒結(jié)助劑氮化硅陶瓷的制備、微觀結(jié)構(gòu)及性能研究.pdf

1、隨著我國(guó)航空航天、汽車等制造行業(yè)高速發(fā)展，鑄鐵、高溫合金等難切削材料的使用量急劇增加。無切削液加工要求的提出，導(dǎo)致切削過程中刀具表面溫度超過800℃，使用壽命迅速降低。這就迫切需要開發(fā)可以承受更高切削溫度的刀具材料。氮化硅陶瓷具有高的力學(xué)性能、耐磨性、高溫性能及經(jīng)濟(jì)性，滿足作為刀具材料的要求。本課題以氮化硅陶瓷刀具為應(yīng)用背景，采用熱壓燒結(jié)法，圍繞著粉體特征—燒結(jié)助劑—微觀結(jié)構(gòu)—力學(xué)性能這一主線，研究氮化硅陶瓷的耐磨性能。通過添加三元燒結(jié)

2、助劑，制各出高強(qiáng)度高韌性氮化硅陶瓷刀具，并進(jìn)行切削測(cè)試。同時(shí)對(duì)氮化硅陶瓷的織構(gòu)化做出嘗試性研究，提出一種新的織構(gòu)化方法。
　　研究氮化硅粉體特征對(duì)燒結(jié)性能、微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能的影響。本文采用市場(chǎng)上現(xiàn)有的5種典型氮化硅粉體（二酰亞胺合成法、直接氮化法、自蔓延法和化學(xué)氣相沉積法制備），檢測(cè)分析其特征。利用熱壓燒結(jié)法對(duì)比無燒結(jié)助劑和含燒結(jié)助劑MgO-Yb2O3-La2O3兩種情況的燒結(jié)性能。不含燒結(jié)助劑:高含量的金屬雜質(zhì)，能提高致密度，

3、并促進(jìn)晶粒的生長(zhǎng)。初始粉體中的氮化硅晶須，會(huì)抑制燒結(jié)過程，同時(shí)a相晶須在高溫下不穩(wěn)定，相變?yōu)棣孪囝w粒。其他粉體特征對(duì)致密化和微觀結(jié)構(gòu)影響不明顯。含有燒結(jié)助劑:雜質(zhì)含量對(duì)致密度和微觀結(jié)構(gòu)的影響不明顯。初始粉體粒徑越細(xì)，氮化硅晶粒尺寸越小。高a相含量有助于晶粒的異向生長(zhǎng)，獲得雙峰結(jié)構(gòu)，從而提高力學(xué)性能。
　　研究含有復(fù)合稀土的三元燒結(jié)助劑MgO-Lu2O3-Re2O3和MgO-Yb2O3-Re2O3對(duì)熱壓氮化硅陶瓷的致密行為、微觀結(jié)構(gòu)

4、、第二相結(jié)晶和力學(xué)性能的影響。利用高分辨透射電鏡(HR-TEM)對(duì)氮化硅晶界相進(jìn)行分析，檢測(cè)復(fù)合稀土離子在晶界的結(jié)晶行為和對(duì)晶界膜厚的影響。含有復(fù)合稀土的三元燒結(jié)助劑都能促進(jìn)氮化硅陶瓷致密化，致密度達(dá)到97％以上。在MgO-Lu2O3-Re2O3體系中，Sm2O3和Er2O3能促進(jìn)Lu2O3稀土離子在氮化硅中形成Lu4Si2N2O7相。在MgO-Yb2O3-Re2O3體系中，Gd2O3能促進(jìn)Yb2O3稀土離子在氮化硅中形成 Yb4Si2

5、N2O7相。當(dāng)添加MgO-Lu2O3-Re2O3(La2O3，Gd2O3，Er2O3)三元燒結(jié)助劑的氮化硅中，其抗彎強(qiáng)度均在900 MPa以上，斷裂韌性高于9 MPa·m1/2。在添加MgO-Yb2O3-La2O3三元燒結(jié)助劑的氮化硅，抗彎強(qiáng)度達(dá)到852 MPa，斷裂韌性達(dá)到11.84 MPa·m1/2。含有MgO-Yb2O3-Lu2O3，抗彎強(qiáng)度為905 MPa，斷裂韌性為9.44 MPa·m1/2，Weibull模數(shù)為8.28。在M

6、gO-Lu2O3-Re2O3體系中，復(fù)合稀土離子影響氮化硅晶間玻璃相的厚度，厚度范圍為0.8-5.5 nm，并存在無晶間玻璃相的現(xiàn)象。
　　利用橫向斷裂模型，研究含有三元燒結(jié)助劑氮化硅陶瓷的摩擦磨損性能和切削性能，以及第二結(jié)晶相對(duì)切削性能的影響。含MgO-Lu2O3-Re2O3三元燒結(jié)助劑氮化硅陶瓷中，隨著第二稀土離子Re3+半徑的增加，摩擦系數(shù)降低。氮化硅的硬度和壓痕韌性將共同影響單位磨損率，利用橫向斷裂模型，可以發(fā)現(xiàn)單位磨損率

7、隨著硬度—韌性因子的增加而增加。含有第二相Lu4Si2N2O7的樣品SN-LuSm和SN-LuEr表現(xiàn)出比線性關(guān)系更好的抗磨損性。氮化硅陶瓷刀具的切削壽命隨著硬度—韌性因子的降低而增加。氮化硅陶瓷刀具經(jīng)熱處理后，產(chǎn)生第二相結(jié)晶Lu4Si2N2O7，切削壽命提高1.37倍。
　　提出一種新的織構(gòu)化方法—熱壓流動(dòng)燒結(jié)法。采用三元燒結(jié)助劑MgO-Yb2O3-La2O3，在燒結(jié)初期，等軸狀的a-氮化硅顆粒相變成β氮化硅晶核。素坯在受載過程