Vanwege de hoge hardheid, hoge sterkte, uitstekende slijtvastheid en chemische stabiliteit, vertoont siliciumnitride-keramiek een breed scala aan toepassingsmogelijkheden in keramische lagers, snijgereedschappen en structurele materialen met hoge temperaturen. In deze studie werd zelfgemaakt α-Si3N4-poeder gebruikt als grondstof, gecombineerd met Y2O3 en Al2O3 op nanoschaal als sinteradditieven, en werden siliciumnitrideballen vervaardigd door middel van een druksinterproces tegen relatief lage kosten. Het effect van de sintertemperatuur op de verdichting, fasesamenstelling, microstructuur en mechanische eigenschappen van keramische kogels werd in dit artikel besproken, met als doel het bereidingsproces te optimaliseren en de uitgebreide eigenschappen van keramische kogels te verbeteren.
1.1 Grondstoffen
De gebruikte grondstoffen zijn siliciumnitridepoeder (zelfgemaakt, α-Si3N4-massagehalte 93%, zuurstofgehalte <2%, mediane deeltjesgrootte D50<1μm), nano-yttriumoxide (sinopyma-reagens, zuiverheid 99,9%, mediaan deeltjesgrootte D50<100 nm), nano-aluminiumoxide (sinopyma-reagens, zuiverheid 99,9%, mediane deeltjesgrootte D50<100 nm). Siliciumnitridepoeder werd bereid door middel van de directe nitreermethode van siliciumpoeder, en de microscopische morfologie en fasesamenstelling ervan werden getoond in FIG. 1 en AFB. 2, respectievelijk.
Fig.1 SEM-afbeeldingen van siliciumnitridepoeder
Fig.2 XRD-patroon van siliciumnitridepoeder
1.2 Testproces
1.2.1 Monstervoorbereiding
Volgens de massaverhouding van m(Si3N4) â¶m(Y2O3) â¶m(Al2O3)=92 â¶4 â¶4 werden het siliciumnitridepoeder en de sinteradditieven aan de kogelmolen toegevoegd, en de watervrije ethanol werd gebruikt als oplosmiddel en de siliciumnitridebal werd gebruikt als maalmedium voor mengen en dispergeren. De gelijkmatig gemengde slurry werd droog gesproeid en gegranuleerd, en het gegranuleerde poeder werd gevormd tot een keramische onbewerkte bal met een diameter van 9,525 mm door droogpersen en koud isostatisch persen. De onbewerkte keramische pellet werd gedurende 1 uur in de luchtatmosfeer bij 500 ºC gehouden voor de lijmafvoerbehandeling. Na het lossen van de lijm werd het onbewerkte keramische pellet in de sinteroven onder atmosferische druk geplaatst voor sinteren onder druk. De sintertemperatuur was 1720 â, 1750 â, 1780 â, 1800 â, de houdtijd was 3 uur en de stikstofdruk was 2 MPa.
1.2.2 Analysetest
De volumedichtheid van de keramische bal wordt gemeten volgens de Archimedische drainagemethode en de relatieve dichtheid wordt berekend. De berekeningsformule wordt weergegeven in vergelijking (1). De inkepingsmethode werd gebruikt om de Vickers-hardheid (belasting 98N) en breuktaaiheid (belasting 196N) van de keramische kogel te meten en te berekenen. Voor de berekeningsmethode van de breuktaaiheid werd verwezen naar de methode voorgesteld door Niihara et al. De berekeningsformule wordt weergegeven in vergelijking (2).
Volgens de drie-ballentestmethode vastgelegd in de JB/T 1255-2014-norm, wordt de verbrijzelingsbelasting van de keramische bal getest en wordt de verbrijzelingssterkte berekend. De berekeningsformule wordt weergegeven in vergelijking (3).
De fasesamenstelling van de monsters werd geanalyseerd met de D8 ADVANCE röntgendiffractometer (XRD). SU8010 veldemissie-scanning-elektronenmicroscoop (FE-SEM) werd gebruikt om de microstructuur van de monsters te observeren, en de korrelgrootte en lengte-diameterverhouding werden gemeten op de willekeurige SEM-foto's. Het aantal korrels in elke groep monsters was niet minder dan 200.
Waarbij:ρrd de relatieve dichtheid van de keramische bal is (ten opzichte van de werkelijke dichtheid),%; ρm is de volumedichtheid van de keramische bal, g/cm3; ρth is de theoretische dichtheid van de keramische bal, g/cm3; ρi is de theoretische dichtheid van elke fase, g/cm3; Vi is de volumefractie van elke fase,%.
Waarbij IFR de breuktaaiheid van een keramische bal is, MPa·m1/2; E is de elastische modulus van de keramische bal, GPa, waarbij E = 310 GPa; P is de belasting,kgf(1 kgf= 9,8N); a is de halve diagonale lengte van de inkeping, μm; c is de lengte van de scheur met de halve punt van de inkeping, μm.
Waar :σ is de verbrijzelingssterkte van de keramische bal, MPa; P is de verpletterende belasting van de keramische bal, N; d is de diameter van de keramische bal, mm.
2.1 Verdichting
Figuur 3 toont de relatieve dichtheid en veranderingen van keramische kogelmonsters van siliciumnitride na sinteren bij verschillende temperaturen. Uit Figuur 3 blijkt dat de relatieve dichtheid van keramische kogelmonsters bij verschillende sintertemperaturen meer dan 97% bereikt, en met de toename van de sintertemperatuur neemt de relatieve dichtheid van keramische kogels eerst toe en vervolgens af.
Dit komt omdat de verhoging van de sintertemperatuur de viscositeit van de vloeibare fase kan verminderen, de migratie van stoffen en de uitsluiting van poriën kan bevorderen en de groei van korrels kan versnellen, maar een te hoge sintertemperatuur zal leiden tot abnormale groei van korrels, verergeren de ontleding van siliciumnitride en de vervluchtiging van de vloeibare fase, zodat het aantal microporiën in het gesinterde lichaam toeneemt. Onder hen is de relatieve dichtheid van keramische kogelmonsters gesinterd bij 1780 ºC het hoogst, namelijk 99%.
Fig.3 Effect van sintertemperaturen op de relatieve dichtheid van keramische kogelmonsters
2.2 Faseanalyse
Figuur 4 toont de XRD-spectra van keramische kogelmonsters bij verschillende sintertemperaturen. Zoals blijkt uit figuur 4 is de fasesamenstelling van keramische kogelmonsters bij verschillende sintertemperaturen hetzelfde, bestaande uit β-Si3N4, Si2N2O en Y4Al2O9(YAM), en wordt er geen α-Si3N4-diffractiepiek gevonden, wat aangeeft dat in 1720 Bij en hogere temperaturen is α-Si3N4 omgezet in β-Si3N4, en met de stijging van de sintertemperatuur neemt de diffractiepiekintensiteit van Y4Al2O9 geleidelijk af, wat kan worden veroorzaakt door de vervluchtiging van de vloeibare fase bij hoge temperaturen .
Fig.4 XRD-patronen van keramische kogelmonsters gesinterd bij verschillende sintertemperaturen
2.3 Microstructuur
AFB. 5 toont SEM-foto's van monsters van keramische kogels bij verschillende sintertemperaturen. AFB. Figuur 6 toont de veranderingen in de korrelgrootte (d.w.z. de diameter van lange kolomvormige korrels) en de lengte-diameterverhouding van siliciumnitride volgens SEM-foto's.
Dit blijkt uit FIG. 5 en AFB. 6 toont aan dat de korrelgrootte en de lengte-diameterverhouding van siliciumnitride geleidelijk toenemen met de toename van de sintertemperatuur. Dit komt omdat de viscositeit van de vloeibare fase afneemt naarmate de sintertemperatuur stijgt, en de vloeibare fase met lage viscositeit gunstiger is voor massaoverdracht, wat de kiemvorming en groei van β-Si3N4-korrels bevordert.
Fig.5 SEM-afbeeldingen van keramische kogelmonsters gesinterd bij verschillende sintertemperaturen
Fig.6 Effect van de sintertemperatuur op de korrelgrootte en beeldverhouding van keramische kogelmonsters
Onder hen heeft de microstructuur van keramische bollen, gesinterd op 1720 â, veel poriën en kleine korrels, die nog niet volledig ontwikkeld zijn, en de verhouding tussen lengte en diameter is slechts 2,6. De keramische bollen gesinterd bij 1750 â en 1780 â hebben een uniforme microstructuur, compacte korrelpakking en volledige ontwikkeling, en de verhouding tussen lengte en diameter is respectievelijk 3,5 en 4,2. De microstructuuruniformiteit van keramische bollen gesinterd bij 1.800 â is slecht, er zijn microporiën, korrelvergroving en abnormale groei, de verhouding tussen lengte en diameter is maar liefst 5,3.
2.4 Mechanische eigenschappen
Figuur 7 toont de veranderingen in Vickers-hardheid en breuktaaiheid van keramische kogelmonsters bij verschillende sintertemperaturen. Zoals uit figuur 7 blijkt, nam met de toename van de sintertemperatuur de Vickers-hardheid van de keramische kogel eerst toe en vervolgens af, en bleef de breuktaaiheid toenemen.
Fig.7 Effect van sintertemperatuur op Vickers-hardheid en breuktaaiheid van keramische kogelmonsters
Wanneer de sintertemperatuur 1720 ° C bedraagt, zijn de korrelgrootte en de lengte-diameterverhouding van keramische kogels kleiner, is de porositeit groter en is de dichtheid onvoldoende, zodat de Vickers-hardheid en breuktaaiheid lager zijn. Wanneer de sintertemperatuur stijgt tot 1750°C, nemen de korrelgrootte en de lengte-diameterverhouding van keramische kogels toe, neemt de dichtheid toe en nemen de Vickers-hardheid en breuktaaiheid toe tot respectievelijk 1540 HV en 6,3 MPa·m1/2.
Wanneer de sintertemperatuur 1780°C bedraagt, nemen de korrelgrootte en de lengte-diameterverhouding van keramische kogels verder toe, en blijft de breuktaaiheid toenemen, tot 7 MPa·m1/2, maar de Vickers-hardheid neemt lichtjes af tot 1530HV.
Wanneer de temperatuur blijft stijgen tot 1.800 ºC, groeien de korrels van de keramische kogels abnormaal en ontstaan er microgaatjes in de microstructuur, waardoor de dichtheid verslechtert, wat resulteert in een scherpe afname van de Vickers-hardheid. De grove, lange kolomvormige korrels kunnen echter scheurafbuiging, brug- en korreluittrekking en andere verhardingsmechanismen uitoefenen, die de breuktaaiheid van de keramische kogels verder verbeteren.
Fig.8 Effect van de sintertemperatuur op de breeksterkte van keramische kogelmonsters
Figuur 8 toont de breeksterkte en veranderingen van keramische kogelmonsters bij verschillende sintertemperaturen. Zoals uit FIG. 8, met de toename van de sintertemperatuur neemt de breeksterkte van de keramische bal eerst toe en vervolgens af. De breeksterkte van keramische kogels wordt voornamelijk beïnvloed door de dichtheid, microstructuur en interne defecten. Hoe hoger de dichtheid van de keramische bal, hoe uniformer de microstructuur, hoe minder interne defecten en hoe hoger de breeksterkte. Onder hen is de breeksterkte van keramische kogels gesinterd bij 1750°C en 1780°C hoger, respectievelijk 288 MPa en 296 MPa, wat aangeeft dat de interne defecten van keramische kogels die bij deze twee temperaturen zijn gesinterd relatief gering zijn.
Tabel 1. Mechanische eigenschappen van keramische kogels van siliciumnitride volgens verschillende bereidingsprocessen
Tabel 1 toont de vergelijking van de eigenschappen van keramische kogels van siliciumnitride vervaardigd door pneumatisch sinterproces en die vervaardigd door heet isostatisch persproces in het buitenland. Uit Tabel 1 blijkt dat de Vickers-hardheid en breuktaaiheid van de keramische bal van siliciumnitride die in deze test is vervaardigd, hetzelfde niveau bereiken als die van de keramische bal van vreemde siliciumnitride, en dat de breeksterkte hoger is dan die van het vreemde silicium. nitride keramische kogel. Omdat het in dit experiment gebruikte sintermiddel op nanoschaal is, kan het gelijkmatiger worden gedispergeerd in siliciumnitride, de sinterverdichting van siliciumnitride bevorderen, de consistentie van de korrelgrootte van siliciumnitride verbeteren, zodat de mechanische eigenschappen van de bereide keramische kogels zijn uitstekend.
Conclusie
In dit artikel werd zelfgemaakt α-Si3N4-poeder gebruikt als grondstof en werden Y2O3 en Al2O3 op nanoschaal gebruikt als sinteradditieven om industriële experimenten uit te voeren. De effecten van de sintertemperatuur op de verdichting, fasesamenstelling, microstructuur en mechanische eigenschappen van barometrische sinterende siliciumnitride keramische kogels werden bestudeerd. De volgende conclusies werden verkregen:
(1) Met de toename van de sintertemperatuur neemt de relatieve dichtheid van de keramische kogel eerst toe en vervolgens af, en nemen de korrelgrootte en de lengte-diameterverhouding geleidelijk toe.
(2) De mechanische eigenschappen van keramische kogels van siliciumnitride hangen nauw samen met hun microstructuur, en de breuktaaiheid wordt voornamelijk beïnvloed door de korrelgrootte en de lengte-diameterverhouding. De breuktaaiheid neemt toe met de toename van de korrelgrootte en de lengte-diameterverhouding. De hardheid en breeksterkte van Vickers worden niet alleen beïnvloed door de korrelgrootte, maar houden ook verband met de dichtheid en interne defecten, dus met de toename van de sintertemperatuur zal de trend eerst toenemen en vervolgens afnemen.
(3) De keramische bal, gesinterd op 1780 ºC, heeft de beste uitgebreide mechanische eigenschappen, de relatieve dichtheid bereikt 99%, de Vickers-hardheid, breuktaaiheid en breeksterkte zijn respectievelijk 1530HV, 7MPa·m1/2 en 296MPa.
