不同燒結(jié)氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復(fù)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(qiáng)

(1.東北大學(xué)材料各向異性與織構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110819；

2.沈陽(yáng)市民營(yíng)科技機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)服務(wù)中心，沈陽(yáng)110003)

不同燒結(jié)氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復(fù)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(qiáng)1

(1.東北大學(xué)材料各向異性與織構(gòu)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，沈陽(yáng)110819；

2.沈陽(yáng)市民營(yíng)科技機(jī)構(gòu)協(xié)調(diào)服務(wù)中心，沈陽(yáng)110003)

摘要:以Si3N4、AlN、Al2O3和cBN為原材料，采用放電等離子燒結(jié)，在氮?dú)?、氬氣和真空三種不同燒結(jié)氣氛下制備SiAlON/cBN陶瓷復(fù)合材料.通過(guò)XRD、SEM及力學(xué)性能評(píng)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(jié)果表明：真空氣氛下制備的SiAlON/cBN陶瓷復(fù)合材料顯微組織相對(duì)致密，具有較高的體積密度、硬度和斷裂韌性.

關(guān)鍵詞：SiAlON/cBN；放電等離子燒結(jié)；燒結(jié)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(yōu)良的機(jī)械性能，而且具有更好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱學(xué)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(lèi)別包含α′-SiAlON、β′-SiAlON和O′-SiAlON等，其中β′-SiAlON是具有β-Si3N4結(jié)構(gòu)的固溶體，呈柱狀晶組織生長(zhǎng)，其韌性?xún)?yōu)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(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性均優(yōu)于金剛石；因此，立方氮化硼超高的硬度及優(yōu)異的耐磨性使它成為硬質(zhì)添加相的首選材料；另外，cBN出色的化學(xué)惰性是其被選作制備加工活潑金屬材料(如鈦合金)相關(guān)材料的首選材料.放電等離子燒結(jié)(SPS)是一種新型的燒結(jié)技術(shù)，可在短時(shí)間內(nèi)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(jié)制備的陶瓷復(fù)合材料將可能綜合兩者的優(yōu)點(diǎn)，有望成為性能優(yōu)異的新型刀具材料[5].已有較多文獻(xiàn)報(bào)道SiAlON陶瓷在不同燒結(jié)氣氛下的制備與性能研究.Garrett等人[6]在研究cBN增強(qiáng)Y-α-SiAlON陶瓷復(fù)合材料時(shí)發(fā)現(xiàn)，在真空氣氛下制備的材料力學(xué)性能中，斷裂韌性的提高程度較大.Mathias 等人[7]研究了在氮?dú)鈿夥障?，稀土元素的添加?duì)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(shí)驗(yàn)致力于研究不同燒結(jié)氣氛對(duì)SiAlON/cBN陶瓷復(fù)合材料的體積密度、硬度、相組成、顯微組織和力學(xué)性能的影響[9].

1 實(shí)驗(yàn)材料和方法

根據(jù)β′-SiAlON的分子式Si6-zAlzOzN8-z(z=2)稱(chēng)取相應(yīng)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(zhì)量的20%，采用無(wú)水乙醇作為球磨介質(zhì)，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(shè)計(jì)樣品厚度為2.5 mm.用SPS-1050型放電等離子燒結(jié)爐，在真空條件下，軸向加壓40 MPa，1 500 ℃ 下保溫5 min.燒結(jié)工藝曲線(xiàn)如圖1所示.

圖1　SPS工藝曲線(xiàn)Fig.1　SPS sintering process

用阿基米德排水法測(cè)定SiAlON/cBN陶瓷復(fù)合材料的體積密度.借助Rigaku Ultima III型X射線(xiàn)衍射儀進(jìn)行物相分析.采用FEI-Quanta-250型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)觀(guān)察顯微形貌.借助401MVDTM數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)測(cè)定維氏硬度，測(cè)量硬度的載荷是1 kg，保壓時(shí)間為10 s，測(cè)量10個(gè)點(diǎn)取平均值.通過(guò)450SVDTM維氏硬度計(jì)采用壓痕法測(cè)定材料的斷裂韌性，測(cè)量韌性的載荷是10 kg, 保壓時(shí)間為10 s, 測(cè)量5個(gè)點(diǎn)取平均值，韌性計(jì)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(zhǎng)度的平均值，單位為m.

2結(jié)果與討論

2.1　不同燒結(jié)氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復(fù)合材料的物相分析

不同燒結(jié)氣氛下制備的SiAlON/cBN陶瓷復(fù)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(duì)應(yīng)氮?dú)?、氬氣、真空氣氛下制備的陶瓷?fù)合材料樣品.從圖2中可以看出，不同燒結(jié)氣氛下制備的SiAlON/cBN復(fù)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(lèi)型的固溶體，且三種氣氛下制備的SiAlON/cBN陶瓷復(fù)合材料的物相一致，燒結(jié)氣氛的變化并沒(méi)有導(dǎo)致新物相的產(chǎn)生.這是由于燒結(jié)氣氛在理論上并不參與材料制備過(guò)程中的化學(xué)反應(yīng)，所以在這三種不同燒結(jié)氣氛下制備的SiAlON/cBN陶瓷復(fù)合材料的XRD衍射圖譜沒(méi)有明顯的差別，即燒結(jié)氣氛對(duì)SiAlON/cBN復(fù)合材料物相的影響不明顯.

圖2　不同燒結(jié)氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復(fù)合材料的X射線(xiàn)衍射圖譜Fig.2　XRD patterns of the SiAlON/cBN ceramiccomposites in different sintering atmosphere

2.2　不同燒結(jié)氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復(fù)合材料的顯微組織

圖3是不同燒結(jié)氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復(fù)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(qū)域是SiAlON基體.圖3(b)、(c)和(d)分別是高倍下在真空、氬氣和氮?dú)馊N氣氛下燒結(jié)的SiAlON/cBN陶瓷復(fù)合材料中cBN顆粒與SiAlON基體的界面結(jié)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(fā)生顯著的cBN相變?yōu)榱降?hBN)而導(dǎo)致界面結(jié)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?dú)鈿夥障聼Y(jié)的SiAlON/cBN陶瓷復(fù)合材料，cBN顆粒與SiAlON基體的部分界面結(jié)合處出現(xiàn)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(jié)合情況相對(duì)較為致密.這是由于，真空氣氛下有利于SiAlON基體發(fā)育良好和cBN相的穩(wěn)定.因此，燒結(jié)氣氛為真空時(shí)，SiAlON/cBN陶瓷復(fù)合材料中cBN顆粒和SiAlON基體的界面結(jié)合情況相對(duì)較好. 2.3不同燒結(jié)氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復(fù)合材料的力學(xué)性能

圖3　不同燒結(jié)氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復(fù)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)—?dú)鍤猓?(d)—氮?dú)?/p>

圖4為不同燒結(jié)氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復(fù)合材料的體積密度和硬度的變化趨勢(shì).從圖4可以看出，在真空氣氛下燒結(jié)的SiAlON/cBN陶瓷復(fù)合材料的體積密度最高(達(dá)到2.95 g/cm3)，其次為氬氣氣氛燒結(jié)樣品，氮?dú)鉄Y(jié)樣品的體積密度最低；材料的硬度與體積密度的變化趨勢(shì)一致，且硬度也是在真空氣氛時(shí)達(dá)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(jié)前，即使壓實(shí)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?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣氛時(shí)，隨著燒結(jié)溫度的升高，整個(gè)爐腔內(nèi)氣壓逐漸升高，樣品內(nèi)部的氣體排出主要靠樣品本身的燒結(jié)收縮和軸向加壓來(lái)實(shí)現(xiàn).但在真空氣氛中燒結(jié)時(shí)，真空泵不停地將爐腔內(nèi)的氣體抽走，保證爐腔內(nèi)的真空度要求.如此，樣品中氣體排出的動(dòng)力除了樣品收縮和軸向加壓，還有樣品處于負(fù)壓的環(huán)境中燒結(jié)時(shí)內(nèi)部膨脹的氣體向外擴(kuò)散的動(dòng)力.這也與前面所述顯微形貌的表現(xiàn)一致，真空氣氛下燒結(jié)的SiAlON/cBN復(fù)合材料體積密度最高.真空氣氛有利于材料致密化燒結(jié)，材料內(nèi)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(jié)氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復(fù)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(jié)氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復(fù)合材料的斷裂韌性的變化趨勢(shì).從圖5并結(jié)合圖4可以看出，SiAlON/cBN陶瓷復(fù)合材料的斷裂韌性的變化趨勢(shì)與體積密度、硬度的變化趨勢(shì)一致，且斷裂韌性在真空氣氛時(shí)達(dá)到最高5.26 MPa·m1/2，其次是氬氣氣氛制備的材料，氮?dú)鈿夥障轮苽涞牟牧蠑嗔秧g性最低.如前所述，真空氣氛下燒結(jié)的材料相對(duì)致密，cBN和基體的界面結(jié)合強(qiáng)度較大，因而要損耗一定的斷裂能，使試樣斷裂韌性較高.氮?dú)夂蜌鍤鈿夥罩苽涞牟牧现旅芏炔粔颍荒艹休d較大的載荷，在斷裂韌性試驗(yàn)中，裂紋較短但是壓痕對(duì)角線(xiàn)長(zhǎng)度較大，因此材料的斷裂韌性依然較低.綜上所述，三種燒結(jié)氣氛下制備的SiAlON/cBN陶瓷復(fù)合材料的體積密度、硬度和斷裂韌性的變化趨勢(shì)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(jié)氣氛下SiAlON/cBN陶瓷復(fù)合材料的斷裂韌性Fig.5　Effect of sintering atmosphere on fracturetoughness of the SiAlON/cBN ceramic composites

3結(jié)論

(1)燒結(jié)氣氛為真空、氬氣和氮?dú)鈺r(shí)，對(duì)SiAlON/cBN陶瓷復(fù)合材料的物相組成沒(méi)有明顯的影響.

(2)燒結(jié)氣氛直接影響到SiAlON/cBN復(fù)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(jié)氣氛為真空時(shí)，SiAlON/cBN陶瓷復(fù)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.

參考文獻(xiàn):

[1]Zheng G M, Zhao J, Jia C,etal. Thermal shock and thermal fatigue resistance of sialon-Si3N4graded composite ceramic materials . International Journal of Refractory Metals and Hard Materials, 2012, 35: 55-61.

[2]Fatih Caliskan. Improvement in sinterability ofβ-SiAlON produced from kaolin . Journal of Alloys and Compounds, 2014, 602: 140-149.

[3]Song S X, Wang Z, Shi G P. Heating mechanism of spark plasma sintering . Ceramics International, 2013, 39(2): 1393-1396.

[4]Garrett J C, Sigalas I, Wolfrum A K,etal. Effect of cubic boron nitride grain size in the reinforcing of alpha-sialon ceramics sintered via SPS . Journal of the European Ceramic Society, 2014, 35(2): 451-462.

[5]Hotta M, Goto T. Densification and phase transformation ofβ-SiAlON-cubic boron nitride composites prepared by spark plasma sintering . Journal of American Ceramic Society, 2009, 92(8): 1684-1690.

[6]Garrett J C, Sigalas I, Herrmann M,etal. cBN reinforced Y-alpha-SiAlON composites . Journal of the European Ceramic Society, 2013, 33(11): 2191-2198.

[7]Mathias Herrmann, S?ren H?hn, Axel Bales. Kinetics of rare earth incorporation and its role in densification and microstructure formation ofα-SiAlON . Journal of the European Ceramic Society, 2012, 32: 1313-1319.

[8]Liu Q, He W, Zhong H M. Transmittance improvement of Dy-alpha-SiAlON in infrared range by post hot-isostatic-pressing . Journal of the European Ceramic Society, 2012, 32(7): 1377-1381.

[9]Garrett J C, Sigalas I, Helimann M. TEM investigation of the interface formation in cubic boron nitride containing alpha-SiAlON composites . Ceramics International, 2014, 40(10): 16169-16175.

[10]Chun Sungsu, Min Bongki, Kim Sukyoung. Effects of milling media on the mechanical properties of gas pressure sintered alpha/beta-SiAlON . Mental and Materials International, 2014, 20(6): 1011-1016.

[11]Lawn B R, Fuller E R. Equilibrium penny-like cracks in indentation fracture . Journal of Material Science, 1975, 10: 2016-2024.

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(lèi)號(hào)：TB 333

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-6620(2015)03-0207-04

doi:10.14186/j.cnki.1671-6620.2015.03.010