基于显微结构调控的高硬高韧氮化硅陶瓷的研究

来源 :广东工业大学 | 被引量 : 2次 | 上传用户:wyfwin
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
氮化硅(SbN4)陶瓷因具有较高的硬度、强度和韧性及良好的热稳定性等而广泛应用于高速切削刀具和高精密轴承球等的制造。但是,如何获得高硬度高韧性兼具的Si3N4陶瓷,是制约Si3N4陶瓷产品高可靠性批量制造的关键瓶颈。本文围绕这一关键科学问题,提出通过烧结工艺和添加过渡金属硼化物等多种工艺方法,实现了Si3N4陶瓷物相和显微结构的可控,制备出兼具高硬度高韧性的Si3N4陶瓷,并进行切削实验验证。主要研究内容及研究结论如下:1)通过两步热压烧结(HP+HP)工艺,采用原料组分为Si3N4+A12O3+Y2O3,制备出界面结合完好、应力低的表层硬度高(18.1 GPa)芯部韧性高(5.5 MPa·m1/2)的Si3N4梯度陶瓷。研究结果表明,制备的Si3N4梯度陶瓷表层晶粒细小、芯部晶粒粗大为β-Si3N4相,Si3N4梯度陶瓷界面结合良好,表层硬度高于芯部、韧性和强度低于芯部。利用聚焦离子束微纳加工技术制备微悬臂梁测试的断裂强度表明,当第二步HP烧结温度为1600℃时,Si3N4梯度陶瓷表层和芯部的断裂强度相同,界面应力很低。2)为进一步提高表层的硬度和芯部的韧性,将第二步HP改为放电等离子烧结(SPS),并且在芯部引入ββ-Si3N4晶种,进一步改善了Si3N4梯度陶瓷的表层硬度和芯部韧性,制备出界面结合完好、应力低,表层硬度更高(21.2 GP a)、芯部韧性更高(5.9 MPa·m1/2)的Si3N4梯度陶瓷。研究结果表明,经HP+SPS后,Si3N4梯度陶瓷界面结合良好;表层含有较多的α-Si3N4相,为超细等轴晶粒,芯部只含ββ-Si3N4相,双峰结构更为显著;表层硬度和耐磨性高于芯部,韧性低于芯部。利用聚焦离子束(FIB)加工技术制备微悬臂梁的断裂强度表明,当第二步SPS保温时间为3.5 min时,Si3N4梯度陶瓷表层微悬臂梁强度高于芯部,分别为7.08 GPa和4.31 GPa,界面应力很低。3)针对两步烧结法制备表硬芯韧Si3N4梯度陶瓷的工艺复杂、成本较高的问题,利用常规低温(1500℃)热压烧结工艺,引入第二相ZrB2,成功制备出长柱状β-Si3N4晶粒形态和力学性能最佳的高硬度(21.3 GPa)、高韧性(7.2 MPa m1/2)、高抗弯强度(675 MPa)Si3N4陶瓷。研究结果表明,与单相Si3N4陶瓷相比,2.5 vol.%ZrB2粉体的引入可促进α-→ββ-Si3N4的相变,促进长柱状β-Si3N4晶粒的长大,提高韧性和抗弯强度。ZrB2中所含杂质成分ZrO2会抑制α-→β-Si3N4的相变;B可促进α-→β-Si3N4的相变,但会降低密度和力学性能。4)常规低温(1500℃)热压烧结工艺时,过渡金属硼化物的熔融温度、离子半径及对O的吸附难易程度不同而使液相粘度产生差异,导致不同的硼化物对热压烧结Si3N4陶瓷显微结构和力学性能存在不同的影响。研究结果表明,与单相Si3N4陶瓷相比,七种硼化物粉体中的M4+和B2-均能与Si3N4、SiO2及MgO和Yb2O3反应形成Si-Mg-O-N-Yb-M-B液相降低液相的粘度,而促进α-到-Si3N4的相变及长柱状β-Si3N4晶粒的长大,进而提高韧性和抗弯强度;HfB2的引入可获得α-Si3N4相含量最低、长柱状β-Si3N4晶粒形态最佳的高硬(20.3 GPa)、高韧(8.2 MPa.m1/2)和高强(780 MPa)Si3N4 陶瓷;MoB2 对 α-到β-Si3N4 的促进最弱、相对密度及力学性能最低。5)初步验证研究表明,以商业Si3N4陶瓷刀具作对比,HP+HP、HP+SPS法制备的Si3N4梯度陶刀具瓷,以及引入2.5 vol.%ZrB2的常规低温热压烧结Si3N4陶瓷刀具的切削寿命均不同程度地显示出优异的耐磨性。其中,HP+SPS法制备的Si3N4梯度陶瓷刀具的切削寿命是对比试验商业刀具的三倍。
其他文献
调动学生的美术学习主动性和积极性是我国学校美术教学改革的必然趋势,也是社会发展的需要。如何调动学生美术学习的主动性和积极性成为我们新的课题。更新美术教学理念,在美
外国公务员工资制度拾零王兆信英国英国公务员工资分非工业系统和工业系统。非工业系统,一般实行等级工资制。等级工资制根据公务员的职务和工作性质,将其工资分为若干等,每一等
现代艺术流派纷纭,风格迥异,技法多样,在材料方面,不仅仅使用绘画颜料,而是运用大量非绘画性材料进行拼贴造型,这些多样而普通的材料在运用方面,造型和构图的特殊要求是构成
1.概述随着大型集装箱系列船规模不断扩大,船体结构所用的钢材其板厚度和强度级别也明显增大。由于集装箱船主甲板不连续的特殊船体结构形式,厚度〉50mm的超厚板高强度船体结构
随着科学技术的进步和思维理念的更新,创新者在原有传统手工技艺的基础上经过改进,使其形成新的技术并申请专利保护,专利法与传统手工技艺实现了交叉。专利的实施在带动传统
目的总结微创经皮肾镜钬激光碎石术的手术护理配合体会,以提高临床治疗效果和护理质量。方法选取2017-12-2019-01间收治的57例肾结石患者,在微创经皮肾镜钬激光碎石手术期间,
新科技革命浪潮下探索“马克思主义基本原理”课程教学与大学生辩证思维和创新思维的培养是社会发展、课程发展和学生发展的要求。高校应主要培养学生对立统一、质量互变、否
目的探讨心血管药物、他汀类药物联合用于心血管疾病的治疗价值。方法回顾分析本院2018年1月~2019年1月收治的100例心血管疾病患者临床资料,随机均分为两组,对照组选用阿司匹
中国音乐学院成立30周年庆祝活动侧记文/文石九月的北京,秋高气爽,在国庆45周年即将来临之际,中国音乐学院师生迎来了自己学院30周岁的生日。1994年9月21日清晨,美丽的校园内彩旗舞动,由四个大彩
目的:探讨活体肝移植受体术后早期(≤30d)呼吸系统并发症的类型、发病率以及原因.方法:回顾性分析2005-03/2008-09四川大学华西医院施行的术前无呼吸系统疾病的成人活体肝移植患