Si3N4-TiC-ZrSi2陶瓷刀具裂纹愈合性能研究.docx

? ? Si3N4/TiC/ZrSi2陶瓷刀具裂纹愈合性能研究 ? ? 张 帅 陈照强 肖光春 衣明东 张静婕 周婷婷 许崇海 齐鲁工业大学(山东省科学院)机械与汽车工程学院，济南，250353 0 引言 在切削加工领域中，刀具是影响切削性能最重要的因素，关于刀具材料的改进、性能的提高、新型刀具材料的研制已经成为切削加工领域研究的热点[1-2]。陶瓷刀具具有高硬度、高耐热性、良好的化学稳定性的特点，是干切削主要使用的切削刀具[3-4]。但是，陶瓷材料固有的脆性大、对裂纹敏感的特点，使陶瓷刀具容易在制造和切削过程中产生裂纹，这会降低陶瓷刀具材料的强度[5]。 为了克服裂纹等缺陷对陶瓷材料的不利影响，一些学者研究了具有裂纹愈合能力的陶瓷材料。目前，陶瓷材料裂纹愈合机制有三种：扩散、相变和氧化反应。TAVANGARIAN等[6]研究了尖晶石(MgAl2O4)陶瓷材料的裂纹愈合行为，在1600 ℃热处理100 h后，预制裂纹完全被愈合。裂纹的愈合主要由于裂纹处MgAl2O4晶粒在高温下的扩散，但是依靠陶瓷材料的扩散来愈合裂纹需要在长时间的高温下才能进行，并且由于扩散发生原子层面，其裂纹愈合的能力也非常有限。WANG等[7]研究了部分稳定氧化锆的裂纹愈合行为，当预制裂纹样品在1250 ℃下热处理20 min后发现，样品的抗弯强度与预裂纹样品相比增加了60%。这主要由于ZrO2的相变过程会导致体积膨胀，进而愈合裂纹。利用氧化反应来愈合裂纹，主要是通过氧化物被氧化生成的氧化产物来愈合裂纹。高操[8]利用Al颗粒来实现陶瓷材料的裂纹愈合，他们发现Al氧化形成的氧化物Al2O3填充了裂纹，恢复了陶瓷材料的强度。 ZrSi2作为一种Zr-Si合金，目前被广泛应用于超大规模集成电路[9]。在陶瓷方面ZrSi2也被用作烧结助剂，促进陶瓷材料的致密化过程。GUI等[10]发现ZrSi2的添加提高了ZrB2-ZrSi2-SiC陶瓷材料的相对密度，并使烧结温度从1470 ℃降低到1340 ℃。同时研究发现：ZrSi2在600～800 ℃的条件下可以与氧气发生氧化反应，并且其氧化产物ZrO2和SiO2可以起到愈合裂纹的作用[11-13]。 本文通过在Si3N4/TiC陶瓷刀具材料基体中添加裂纹愈合剂ZrSi2制备了具有裂纹愈合能力的Si3N4/TiC/ZrSi2陶瓷刀具材料，研究了ZrSi2对陶瓷刀具材料力学性能和裂纹愈合能力的影响，分析了陶瓷刀具材料的裂纹愈合机理。 1 陶瓷刀具材料的制备和测试 本文选用Si3N4为基体材料，TiC为增强相，ZrSi2为裂纹愈合剂，Al2O3和Y2O3为烧结助剂。其中，ZrSi2添加量的体积分数分别为0%、5%、10%、15%、20%。 首先按照材料的组分配比分别称量Si3N4、TiC、ZrSi2、Al2O3和Y2O3粉体。之后分别加入适量聚乙二醇6000分散剂，并加入无水乙醇机械搅拌超声分散30 min。随后将分散后的溶液混合，继续超声搅拌30 min。将超声搅拌后的悬浮液倒入球磨罐中，按照球料比10∶1混合，充入氮气作为保护气氛进行球磨72 h。将球磨后的复相悬浮液放入真空干燥箱，在110 ℃/24 h的条件下真空干燥。最后将干燥后的粉末在100目的筛子中过筛，最后将粉末装入石墨磨具中进行放电等离子烧结。 图1a为放电等离子烧结系统的炉膛照片和示意图。上下压头和石墨模具(内径为30 mm)置于上下电极之间，石墨模具周围包裹石墨隔热棉，以达到更好的加热效果。在放电等离子烧结过程中，一方面向高频线圈引入高频电流；另一方面，电流从上电极引入，依次通过上电极、上压头、石墨垫圈、材料、石墨垫圈、下压头和下电极。利用石墨模具上测温孔的热辐射来测量放电等离子烧结过程的烧结温度。通过测量相对于石墨冲头的相对位移(Z轴位移)来监控粉体的线性收缩。放电等离子烧结完成后，等待陶瓷刀具材料冷却至室温拿出。 对烧结完成后的陶瓷刀具材料进行测试试样的制备，主要工艺包括切样、粗磨、精磨、研磨、抛光、倒角，最终将制备的陶瓷刀具材料加工成尺寸为3 mm×4 mm×25 mm的测试试样，表面粗糙度Ra小于0.11 μm。维氏硬度由维氏硬度计测量，压痕载荷和保压时间分别为196 N和15 s。标准试样的断裂韧性通过测量压痕后试样表面的裂纹长度来计算。 采用三点弯曲法测试烧结后陶瓷材料试样和陶瓷材料裂纹试样的抗弯强度。对于预制裂纹的试样的抗弯强度，首先在3 mm×4 mm×25 mm的光滑试样表面长度和宽度中点位置通过维氏硬度计在陶瓷刀具材料表面预制裂纹后进行热处理，随后将热处理后的裂纹试样表面进行研磨和抛光处理去除表面氧化层，保证试样的尺寸为3 mm×4 mm×25 mm。裂纹试样在测试仪器上的放置方法为：预制裂纹的表面朝下，并且让预制裂纹处处在两