不同燒結氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復合材料的性能研究

石曉飛，李拓文，何　超，蔡志新，岳新艷，茹紅強

(1.東北大學材料各向異性與織構教育部重點實驗室，沈陽110819；

2.沈陽市民營科技機構協調服務中心，沈陽110003)

不同燒結氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復合材料的性能研究

石曉飛1，李拓文2，何超1，蔡志新1，岳新艷1，茹紅強1

(1.東北大學材料各向異性與織構教育部重點實驗室，沈陽110819；

2.沈陽市民營科技機構協調服務中心，沈陽110003)

摘要:以Si3N4、AlN、Al2O3和cBN為原材料，采用放電等離子燒結，在氮氣、氬氣和真空三種不同燒結氣氛下制備SiAlON/cBN陶瓷復合材料.通過XRD、SEM及力學性能評估等手段研究了材料的物相組成、顯微組織、體積密度、硬度以及斷裂韌性等性能.結果表明：真空氣氛下制備的SiAlON/cBN陶瓷復合材料顯微組織相對致密，具有較高的體積密度、硬度和斷裂韌性.

關鍵詞：SiAlON/cBN；放電等離子燒結；燒結氣氛；顯微組織與性能

SiAlON作為Si3N4的Al、O固溶體，不僅保留了Si3N4陶瓷優良的機械性能，而且具有更好的化學穩定性和熱學性能，致密的SiAlON陶瓷可作為高速切削刀具材料[1].SiAlON陶瓷的主要類別包含α′-SiAlON、β′-SiAlON和O′-SiAlON等，其中β′-SiAlON是具有β-Si3N4結構的固溶體，呈柱狀晶組織生長，其韌性優于其他組織[2].立方氮化硼(cBN)的硬度僅次于金剛石，且其熱穩定性和化學穩定性均優于金剛石；因此，立方氮化硼超高的硬度及優異的耐磨性使它成為硬質添加相的首選材料；另外，cBN出色的化學惰性是其被選作制備加工活潑金屬材料(如鈦合金)相關材料的首選材料.放電等離子燒結(SPS)是一種新型的燒結技術，可在短時間內快速升溫，使材料致密化，是高效制備致密陶瓷材料的可行手段[3,4].在SiAlON陶瓷中加入cBN，用SPS燒結制備的陶瓷復合材料將可能綜合兩者的優點，有望成為性能優異的新型刀具材料[5].已有較多文獻報道SiAlON陶瓷在不同燒結氣氛下的制備與性能研究.Garrett等人[6]在研究cBN增強Y-α-SiAlON陶瓷復合材料時發現，在真空氣氛下制備的材料力學性能中，斷裂韌性的提高程度較大.Mathias 等人[7]研究了在氮氣氣氛下，稀土元素的添加對α-SiAlON的致密和顯微組織的影響. Liu等人[8]研究了氬氣氣氛下制備的Dy-alpha-SiAlON陶瓷材料的透光率.本實驗致力于研究不同燒結氣氛對SiAlON/cBN陶瓷復合材料的體積密度、硬度、相組成、顯微組織和力學性能的影響[9].

1 實驗材料和方法

根據β′-SiAlON的分子式Si6-zAlzOzN8-z(z=2)稱取相應量的Si3N4(25 nm)、AlN(40 nm)和Al2O3(30 nm)粉合成SiAlON陶瓷，cBN(7.5 μm)含量占SiAlON與cBN總質量的20%，采用無水乙醇作為球磨介質，球磨20 h后，在80 ℃烘箱中干燥6 h[10].將粉末裝入直徑為16 mm 的高純石墨模具中，設計樣品厚度為2.5 mm.用SPS-1050型放電等離子燒結爐，在真空條件下，軸向加壓40 MPa，1 500 ℃ 下保溫5 min.燒結工藝曲線如圖1所示.

圖1　SPS工藝曲線Fig.1　SPS sintering process

用阿基米德排水法測定SiAlON/cBN陶瓷復合材料的體積密度.借助Rigaku Ultima III型X射線衍射儀進行物相分析.采用FEI-Quanta-250型場發射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀察顯微形貌.借助401MVDTM數顯顯微維氏硬度計測定維氏硬度，測量硬度的載荷是1 kg，保壓時間為10 s，測量10個點取平均值.通過450SVDTM維氏硬度計采用壓痕法測定材料的斷裂韌性，測量韌性的載荷是10 kg, 保壓時間為10 s, 測量5個點取平均值，韌性計算公式如下[11]：

KIC= 0.0719 × (P/c1.5)

式中：P為加載載荷，單位為N；c為半裂紋長度的平均值，單位為m.

2結果與討論

2.1　不同燒結氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復合材料的物相分析

不同燒結氣氛下制備的SiAlON/cBN陶瓷復合材料的XRD衍射圖譜如圖2所示，其中圖2(a)、(b)和(c)分別對應氮氣、氬氣、真空氣氛下制備的陶瓷復合材料樣品.從圖2中可以看出，不同燒結氣氛下制備的SiAlON/cBN復合材料的主要物相包括：Si1.8Al0.2O1.2N1.8、β′-SiAlON、O′-SiAlON 、cBN和Si、Al、O、N四種元素組成的其他類型的固溶體，且三種氣氛下制備的SiAlON/cBN陶瓷復合材料的物相一致，燒結氣氛的變化并沒有導致新物相的產生.這是由于燒結氣氛在理論上并不參與材料制備過程中的化學反應，所以在這三種不同燒結氣氛下制備的SiAlON/cBN陶瓷復合材料的XRD衍射圖譜沒有明顯的差別，即燒結氣氛對SiAlON/cBN復合材料物相的影響不明顯.

圖2　不同燒結氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復合材料的X射線衍射圖譜Fig.2　XRD patterns of the SiAlON/cBN ceramiccomposites in different sintering atmosphere

2.2　不同燒結氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復合材料的顯微組織

圖3是不同燒結氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復合材料的顯微組織形貌圖.圖3(a)是真空氣氛下制備的SiAlON/cBN的低倍形貌圖，均勻分布的黑色多邊形顆粒是cBN顆粒，其他灰色區域是SiAlON基體.圖3(b)、(c)和(d)分別是高倍下在真空、氬氣和氮氣三種氣氛下燒結的SiAlON/cBN陶瓷復合材料中cBN顆粒與SiAlON基體的界面結合形貌圖片.其中襯度較暗的是cBN顆粒，襯度較淺的是SiAlON基體.從圖3(a)可以看出，cBN顆粒都基本保持了原有的多邊形形貌，并未發生顯著的cBN相變為六方氮化硼(hBN)而導致界面結合明顯惡化的情況.與真空氣氛下制備的材料樣品相比較，在氬氣和氮氣氣氛下燒結的SiAlON/cBN陶瓷復合材料，cBN顆粒與SiAlON基體的部分界面結合處出現較為明顯的縫隙.因此，真空條件下制備的樣品中cBN顆粒與SiAlON基體結合情況相對較為致密.這是由于，真空氣氛下有利于SiAlON基體發育良好和cBN相的穩定.因此，燒結氣氛為真空時，SiAlON/cBN陶瓷復合材料中cBN顆粒和SiAlON基體的界面結合情況相對較好. 2.3不同燒結氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復合材料的力學性能

圖3　不同燒結氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復合材料的SEM形貌圖Fig.3　SEM micrographs of the SiAlON/cBN ceramic composites in different sintering atmosphere(a)，(b)—真空； (c)—氬氣； (d)—氮氣

圖4為不同燒結氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復合材料的體積密度和硬度的變化趨勢.從圖4可以看出，在真空氣氛下燒結的SiAlON/cBN陶瓷復合材料的體積密度最高(達到2.95 g/cm3)，其次為氬氣氣氛燒結樣品，氮氣燒結樣品的體積密度最低；材料的硬度與體積密度的變化趨勢一致，且硬度也是在真空氣氛時達到最高，為16.4 GPa.由于配方中的原料都是固體粉末，樣品在未燒結前，即使壓實成塊體，顆粒之間的間隙也必然存在，空氣也自然存在其中.以氬氣或者氮氣作為保護氣氛時，隨著燒結溫度的升高，整個爐腔內氣壓逐漸升高，樣品內部的氣體排出主要靠樣品本身的燒結收縮和軸向加壓來實現.但在真空氣氛中燒結時，真空泵不停地將爐腔內的氣體抽走，保證爐腔內的真空度要求.如此，樣品中氣體排出的動力除了樣品收縮和軸向加壓，還有樣品處于負壓的環境中燒結時內部膨脹的氣體向外擴散的動力.這也與前面所述顯微形貌的表現一致，真空氣氛下燒結的SiAlON/cBN復合材料體積密度最高.真空氣氛有利于材料致密化燒結，材料內部的氣孔缺陷較少，能夠承載更大的載荷，因此材料具有較高的硬度.

圖4　不同燒結氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復合材料的體積密度和硬度Fig.4　Effect of sintering atmosphere on bulk densityand hardness of the SiAlON/cBN ceramic composites

圖5為不同燒結氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復合材料的斷裂韌性的變化趨勢.從圖5并結合圖4可以看出，SiAlON/cBN陶瓷復合材料的斷裂韌性的變化趨勢與體積密度、硬度的變化趨勢一致，且斷裂韌性在真空氣氛時達到最高5.26 MPa·m1/2，其次是氬氣氣氛制備的材料，氮氣氣氛下制備的材料斷裂韌性最低.如前所述，真空氣氛下燒結的材料相對致密，cBN和基體的界面結合強度較大，因而要損耗一定的斷裂能，使試樣斷裂韌性較高.氮氣和氬氣氣氛制備的材料致密度不夠，不能承載較大的載荷，在斷裂韌性試驗中，裂紋較短但是壓痕對角線長度較大，因此材料的斷裂韌性依然較低.綜上所述，三種燒結氣氛下制備的SiAlON/cBN陶瓷復合材料的體積密度、硬度和斷裂韌性的變化趨勢一致，且在真空氣氛下制備的材料的綜合性能最好.

圖5　不同燒結氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復合材料的斷裂韌性Fig.5　Effect of sintering atmosphere on fracturetoughness of the SiAlON/cBN ceramic composites

3結論

(1)燒結氣氛為真空、氬氣和氮氣時，對SiAlON/cBN陶瓷復合材料的物相組成沒有明顯的影響.

(2)燒結氣氛直接影響到SiAlON/cBN復合材料的體積密度和顯微組織，從而影響到材料的硬度和斷裂韌性.

(3)燒結氣氛為真空時，SiAlON/cBN陶瓷復合材料的性能較好，其體積密度、硬度和斷裂韌性分別為2.95 g/cm3、16.4 GPa和5.26 MPa·m1/2.

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Properties of SiAlON/cBN ceramic composites in

different sintering atmosphere

Shi Xiaofei1, Li Tuowen2,He Chao1, Cai Zhixin1,Yue Xinyan1, Ru Hongqiang1

(1.Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials, Ministry of Education, Northeastern University,

Shenyang 110819, China;2.Shenyang Non-governmental Scientific and Technological Enterprise

Coordination and Service Center,Shenyang 110003,China)

Abstract:SiAlON/cBN ceramic composites were prepared in different sintering atmosphere by the spark plasma sintering method with Si3N4, AlN, Al2O3and cBN powders as raw materials. Phase composition, microstructure, bulk density, hardness and fracture toughness of the SiAlON/cBN ceramic composites were investigated by means of XRD, SEM and mechanical performance assessment. The experimental results showed that the SiAlON/cBN ceramic composites prepared in vacuum have relatively dense microstructure and higher bulk density, hardness and fracture toughness.

Key words:SiAlON/cBN; spark plasma sintering; sintering atmosphere; microstructure and properties

中圖分類號：TB 333

文獻標識碼：A

文章編號：1671-6620(2015)03-0207-04

doi:10.14186/j.cnki.1671-6620.2015.03.010