文章编号:1000-2278(2001)03-0152-05对气压烧结碳化硅晶须增韧氧化铝基陶瓷刀具材料的研究金 健(重庆渝伦高技术陶瓷有限公司)摘 要本文介绍了用气压烧结S iC W 增韧Al 2O 3基陶瓷刀具的工艺,对气压烧结机理进行了分析,指出了气压法烧结S iC W 增韧Al 2O 3基陶瓷刀具材料在产业化生产中的优势与不足。
关键词 晶须增韧,复合陶瓷材料,气压烧结中图法分类号:T Q174.75+8 文献标识码:ARESEARCH ON GAS PRESSURE SINTERING OF SiC WREINFORCE D Al 2O 3CERAMIC INSERTSJin Jian(Chongqing Y u Lun High T echnology Ceramic MFG.C o.Ltd )AbstractThe process of gas pressure sintering (G PS )to produce SiC W reinforced Al 2O 3ceramic inserts is introduced.The mecha 2nism of G PS is analyzed.The advantage and disadvantage of G PS in production of SiC W reinforced Al 2O 3ceramic inserts are discussed.K eyw ords whisker reinforced ,ceramic com posites ,gas pressure sintering1 前 言尽管晶须增韧陶瓷刀具已进入商品化生产阶段,但国内外主要采用热压烧结后经切割加工的方法来制备,其制造成本较高,且难以达到产业化的规模。
我公司用气压法烧结的SiC W 增韧Al 2O 3基陶瓷刀具材料,其力学性能指标已达到或接近热压法生产的同类制品水平,在切削钛合金等难加工材料方面,已显示出比普通Al 2O 3-T iC N 、Si 3N 4基陶瓷刀具更为优越的切削加工性能。
目前国内外尚未见有类似的研究报道。
2 实验研究2.1 原材料Y 2O 3和T i (C N )粉:从德国H.C.Starck 公司购进,粉末平均粒径<0.5μm ;最大粒径<1μm 。
Al 2O 3粉:从美国C ondea Uista 公司购进,α-Al 2O 3>99%,粉末平均粒径<0.5μm ,0.7μm 以上<5%,比表面积:12-15m 2/g 。
收稿日期:2001-08-20作者简介:金 健,重庆渝伦高技术陶瓷有限公司,400041第22卷第3期2001年9月 陶瓷学报JOURNA L OF CERAMICSV ol.22,N o.3Sep.2001 SiC晶须:国内购买,其中β-SiC W≥92%;晶须直径率≥75%;晶须直径分布:≤0.4μm占10.8%,0.4-1μm占66%,1-1.2μm占23.2%。
晶须长度分布:≤10μm占10%,10-20μm占15%,20-30μm占28%,30 -50μm占46%。
SiC颗粒,游离C,Si等杂质约占2. 3%。
2.2 工艺过程本文所采用的工艺技术为气压烧结法(G PS),其主要工艺流程为:原料混合压制成型真空排胶高温气压烧结。
2.3 设备及检测仪器本文研究过程中使用了以下工艺和检测设备:PT A-1012型600W超声波清洗设备;QM-ISP行星式球磨机;M-18振动磨;VS D-12真空干燥器;DORST TPA15粉末压机;DB-1真空素烧窑;G PS-1500高温烧结窑;11AD-20平面打磨机;250PA-C NC 周边打磨机;250FS N-C NC韧口打磨机;样品抛光机;维氏硬度仪;PME-3光学显微镜;HHT-003激光衍射粒度分析仪;电子拉力机;X-ray衍射仪;扫描电镜等。
3 结果及讨论3.1 配方设计及优化晶须增韧陶瓷基复合材料的界面状态直接决定了其增韧机理,界面的组成、结构和结合状态对制品的性能有重大影响,因而在配方设计时,考虑引入适量的烧结助剂,以及添加第三相颗粒。
试验研究用配方的组表1 试验配方的原料配比(wt%)T able1 Batch ratio of experimental formula配方号组成及配比AS1086%Al2O3+10%S iC w+4%Y2O3AS2076%Al2O3+20%S iC w+4%Y2O3AS3066%Al2O3+30%S iC w+4%Y2O3ATS1060.2%Al2O3+19%S iC w+25.8%T iC N+4%Y2O3 ATS2053.2%Al2O3+20%S iC w+22.8%T iC N+4%Y2O3 ATS3046.2%Al2O3+30%S iC w+19.8%T iC N+4%Y2O3AS M74%Al2O3+20%S iC w+3%T iC N+3%M oATS M51.8%Al2O3+30%S iC w+22.2%T iC N+3%Y2O3+3%M o AS182%Al2O3+15%S iC w+2%Y2O3+1%T iO2ATS170%Al2O3+10%S iC w+1%Y2O3+1%T iO2+2%T iC N成如表1所示。
通过以上配方进行初步的实验及优化,发现晶须含量低于15wt%的材料,其增韧效果不明显,K IC约在5.5-6.5MPa.m1/2;当晶须含量高于30wt%时,其材料的烧结密度低,制品的相对密度低于93%,难以作为刀具制品使用。
本文对具有代表性的AS30及AST20两种配方进行了较深入的研究。
3.2 生产工艺技术的研究主要探讨了配料、压制和排胶与高温气压烧结工艺。
晶须在基体中的分散均匀程度直接影响到材料的致密化,如何克服晶须自身的团聚而导致局部成份的不均匀是分散工艺需要解决的主要任务。
通过对气压烧结后材料的相对密度及显微结构的观察,确定了较为有效的备料工艺。
成型时需要根据各种配方的特点来确定合适的压力参数,以尽量提高成型相对密度。
随着晶须含量的增加,成型制品的相对密度呈减少态势,这与晶须在坯体中的架桥效应及SiC w弹性模量较基体材料大有关(见表2)。
表2 粉料压制结果及坯体的相对密度T able2 P owder pressing result and relative density样品ATS10ATS20AS20AS30预置压坯相对密度%65.062.56360压坯弹性后效% 3.28 3.53 3.72 3.95坯体相对密度60.258.357.156.0图1 坯体排胶工艺曲线Fig.1 Binder rem oval technology curve 排胶工艺是为了使成型粘结剂在坯体内得到彻底清除,并不会因此引起产品的开裂,在真空状态下(≤15Pa)其升温制度如图1所示。
气压烧结过程可分为三个阶段:1200℃以下产品在真空状况下的加热;1200-1800℃区间内,填充约0. 5MPa的氩气保护气体;当烧结温度达到设定的最高烧结温度前开始加入8MPa的Ar气体,烧结按设定的程序完成后,烧结窑炉自动断电,停止加热,并随炉温自然冷却至室温。
研究表明:(1)气压烧结温度对坯体致密化有较大的影响,不同配方有相应的理想烧结温度范围。
(2)SiC w含量增加,给气压烧结致密化带来明显的抑制作用,除自身重排困难外,还会形成网状架桥结构,抑制着基体颗粒的重排与坯体的收缩。
(3)高压气体的加入,以对应配方最佳烧结温度前20-30℃时效果较好,可形成数量少且尺寸小的晶体,过早加入,则不利于制品致密度的提高,增大了开口气孔收缩、封闭和排除的阻力。
(4)在同等条件下,带孔制品如S NG A1204比实心制品S NG N1204更能获得高致密度的烧结体。
3.4 样品的力学性能表3列出了热压和气压烧结后材料的断裂韧性和显微硬度。
由于晶须的分布不同,其力学性能也是呈现各向异性的变化。
热压晶须增韧陶瓷材料中的晶须分布具有明显的空间取向,在垂直于热压方向的面呈二维随机分布,而在平行于热压方向的面内却很少存在,导致热压材料正面与侧面的力学性能差异较大,如表3所示。
而气压烧结后的材料在各个方向上材料的力学性能呈现各向同性。
3.5 气压烧结机理分析气压法烧结陶瓷坯体的驱动力来自两方面:首先是烧结前的坯体系统表面能总是处于较高的状态,在烧结过程中,系统将自发地转变为热力学更稳定的低表面能状态。
其次是系统的外在驱动力,它包括对系统的加热和加压。
为了便于具体讨论晶须增韧陶瓷材料在气压烧结过程中的有关情况,我们将气压烧结过表3 气压和热压烧结材料的力学性能对比T able3 C om paris on of mechanical properties between gas-pressed and hot-pressed sintered materials 项 目AT AS10AS20AS30ATS10ATS20ATS30气压K IC(MPa.m1/2) 5.50 6.507.007.50 6.25 6.707.00烧结H v(G Pa)20.5019.2021.0019.0020.0020.4520.70热压烧结K IC(MPa.m1/2) 4.75 5.50 6.60 6.70 6.40 6.807.00H v(G Pa)20.7020.0020.4220.6020.7021.0821.30表4 热压AS30及ATS30配方不同面上的力学性能T able4 Mechanical properties on different sur faces of hot-pressed AS30and ATS30SS 样品AS30ATS30测试面热压正面热压侧面热压正面热压侧面H v(G Pa)20.8018.5021.3018.90K IC(MPa.m1/2) 6.85 6.207.09 6.51程分为初、中、后期,这样划分只是根据不同烧结时期的主要特点近似描述它们发生的次序。
烧结初期气压炉内所加Ar 较少,通常在0.5MPa 以内,因此可认为坯体在此阶段的烧结发生类似于常压下的液相烧结的初期阶段。
对于含SiC w 的坯体,粉料颗粒在液相作用下相对移动时,晶须的架桥作用随着坯体收缩变得越来越严重,使粉体颗粒的重排受到阻碍或减慢直至停止。
这种现象随晶须所占的体积分数的增加而加剧。
烧结中期的特点是坯体在溶解———沉淀等传质机制下得到进一步致密化。
Al 2O 3或T iC N 不仅能被液相润湿而且能溶解于液相,并通过液相向周围扩散。
SiC w 不溶于液相,因此不会通过溶解———沉淀来传质,以纤维状存在的架桥仍会对基体溶解———沉淀产生的收缩起阻碍作用,进而影响到制品的致密化进程。