李文虎

（陜西理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 漢中 723003）

Al2O3/Ti (C, N)/FeB復(fù)相陶瓷的制備與性能

李文虎

（陜西理工學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 漢中 723003）

采用真空熱壓燒結(jié)法制備Al2O3/ Ti (C, N)/ FeB復(fù)相陶瓷材料，研究了不同Ti (C, N)和FeB質(zhì)量分?jǐn)?shù)、燒結(jié)溫度對(duì)Al2O3/ Ti(C, N)/ FeB復(fù)相陶瓷材料的相對(duì)密度、彎曲強(qiáng)度、斷裂韌性的影響。研究結(jié)果表明，當(dāng)FeB摻入量為20wt.%，Ti(C, N)摻入量為10wt.%時(shí)，復(fù)相陶瓷材料的相對(duì)密度達(dá)到最大，隨著燒結(jié)溫度的不斷升高，材料的相對(duì)密度均不斷增加。當(dāng)Ti(C, N)和FeB摻入量分別為15wt.%，在1650 ℃燒結(jié)時(shí)具有最大的彎曲強(qiáng)度634.96 MPa。當(dāng)Ti(C, N)摻入量為10wt.%，F(xiàn)eB摻入量為20wt.%，在1650 ℃燒結(jié)時(shí)材料具有最大的斷裂韌性5.94 MPa·m1/2。

熱壓燒結(jié)；復(fù)相陶瓷；相對(duì)密度；彎曲強(qiáng)度；斷裂韌性

0 引 言

氧化鋁陶瓷具有較高的硬度，優(yōu)異的耐磨損抗腐蝕性能以及耐高溫等優(yōu)良特性，可廣泛用作模具材料及高溫結(jié)構(gòu)材料。但是，同傳統(tǒng)陶瓷材料一樣，斷裂韌性差的特點(diǎn)也限制了其更大范圍的應(yīng)用，尤其在無(wú)介質(zhì)條件下摩擦?xí)r，陶瓷材料具有很高的摩擦系數(shù)和磨損率，工程應(yīng)用受到極大的限制[1,2]。Ti(C, N) 則具有高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫、耐磨損以及良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性等一系列優(yōu)點(diǎn)，F(xiàn)eB相熔點(diǎn)低，可有效降低復(fù)相陶瓷的燒結(jié)溫度，并提高材料的燒結(jié)致密度[3,4]。Al2O3/ Ti (C, N)/ FeB復(fù)相陶瓷是通過在Al2O3陶瓷基體中添加Ti (C, N)和FeB制備多元復(fù)相陶瓷，由于彌散相顆粒的加入，有利于導(dǎo)致裂紋偏轉(zhuǎn)，增加裂紋擴(kuò)展路徑，并阻礙Al2O3晶粒的長(zhǎng)大，細(xì)化Al2O3晶粒，利用多相復(fù)合協(xié)同強(qiáng)韌化Al2O3陶瓷[5-7]，因此增強(qiáng)了材料的強(qiáng)度和韌性。

本研究根據(jù)顆粒彌散強(qiáng)韌化機(jī)理，基于殘余應(yīng)力場(chǎng)增韌和細(xì)晶強(qiáng)韌化機(jī)理，設(shè)計(jì)了不同含量的Ti(C, N)和FeB復(fù)合協(xié)同強(qiáng)韌化Al2O2陶瓷的材料體系，研究了Al2O3/ Ti (C, N)/ FeB復(fù)相陶瓷材料的組織結(jié)構(gòu)及力學(xué)性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法

Al2O3粉(純度＞99.9%，粒度為3～6 μm)、Ti (C, N)粉(純度＞99.5%，粒度為≤ 1 μm)、FeB粉(純度＞99. 5% ，其中硼含量為21. 51% ) 為主要原料，按照表1 進(jìn)行配料，選用無(wú)水乙醇作為稀釋溶劑置于球磨罐中球磨混合24 h，轉(zhuǎn)速為400 r/min，干燥至恒重，進(jìn)行真空熱壓燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)的真空度為1.0×10-2Pa～1.0×10-3Pa，熱壓燒結(jié)溫度制度為：采用升溫速度為20 ℃/min，加熱到1500 ℃，開始逐步緩慢加載壓力至30 MPa，并調(diào)節(jié)升溫速度為10 ℃/min，當(dāng)燒結(jié)溫度達(dá)到最高燒結(jié)溫度時(shí)，進(jìn)行保溫、保壓，時(shí)間為1 h，最高燒結(jié)溫度分別為1600 ℃、1650 ℃、1700 ℃，之后隨爐冷卻至室溫。

表1 Al2O3/ Ti (C, N)/ FeB復(fù)相陶瓷材料的成分設(shè)計(jì) (wt.%)Tab.1 Component design of Al2O3/Ti (C, N)/FeB multiphase ceramics

用Archimedes法測(cè)試樣的相對(duì)密度，用Instron -5569型電子萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的彎曲強(qiáng)度，試樣尺寸3 mm×4 mm×26 mm，加載速率0.5 mm/min；用單邊切口梁法測(cè)試材料的斷裂韌性，試樣尺寸為2.5 mm×5 mm×26 mm，切口寬度為0.25 mm，深度為2.5 mm，測(cè)定跨距為20 mm，加載速率為0.05 mm/min，用JSM-5610LV掃描電子顯微鏡下觀察材料斷面微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 相對(duì)密度分析

圖1 復(fù)相陶瓷在不同燒結(jié)溫度時(shí)相對(duì)密度關(guān)系曲線Fig.1 Curves of relative density of multiphase ceramics at different sintering temperatures

不同Ti(C, N)和FeB摻雜量的Al2O3/ Ti (C, N)/ FeB復(fù)相陶瓷材料的相對(duì)密度與燒結(jié)溫度之間的關(guān)系如圖1所示。由圖1可知，復(fù)相陶瓷材料的相對(duì)密度隨FeB質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加逐漸增加，當(dāng)摻入量為20wt.%時(shí)，復(fù)相陶瓷材料的相對(duì)密度達(dá)到最大值99.3%，繼續(xù)增加FeB摻入量至25wt.%時(shí)，材料的相對(duì)密度略有降低。其主要原因是相比于Al2O3和Ti(C, N)，F(xiàn)eB具有較低的熔點(diǎn)，在燒結(jié)過程中，當(dāng)溫度達(dá)到900 ℃時(shí)，F(xiàn)eB首先產(chǎn)生液相，潤(rùn)濕包裹Al2O3和Ti(C, N)顆粒，并隨著FeB摻入量的增加，產(chǎn)生的液相量也不斷增加，進(jìn)而填充Al2O3和Ti(C, N)兩相的顆?？紫?，使Al2O3/ Ti(C, N)/ FeB復(fù)相陶瓷材料的相對(duì)密度不斷增加，但當(dāng)FeB相超過20wt.%時(shí)，產(chǎn)生的較多的高溫液相堵塞氣孔排出的通道，材料內(nèi)部的氣孔成為閉氣孔，從而使材料的相對(duì)密度不再增加，甚至隨著燒結(jié)溫度的提高，閉氣孔壓強(qiáng)增大，使材料的相對(duì)密度略有降低。

圖2 4#試樣不同溫度斷口形貌Fig.2 Cross section of the fourth sample sintered at different temperatures

隨著燒結(jié)溫度的不斷升高，不同Ti(C, N)和FeB含量的Al2O3/ Ti (C, N)/ FeB復(fù)相陶瓷的相對(duì)密度均不斷增加，材料的致密度不斷提高。主要由于在燒結(jié)溫度較低時(shí)，試樣內(nèi)粉末顆粒塑變流動(dòng)阻力較大，不利于材料燒結(jié)致密化，燒結(jié)后試樣內(nèi)留有較多的孔隙，如圖2(a)所示，當(dāng)燒結(jié)溫度不斷提高，試樣內(nèi)粉末顆粒塑變流動(dòng)阻力減小，氣孔排出速度加快，致密化程度不斷增加。另外由于FeB的摻加，在燒結(jié)過程中，會(huì)產(chǎn)生部分液相，在表面張力作用下，固體顆粒進(jìn)行位置的調(diào)整與重新分布以達(dá)到最緊密的排布，這時(shí)燒結(jié)體的致密化程度和密度迅速增大，孔隙率逐漸降低[8,9]，如圖2(b)、(c)所示。

2.2 彎曲強(qiáng)度與斷裂韌性分析

采用美國(guó)Instron公司電子萬(wàn)能實(shí)驗(yàn)機(jī)對(duì)Al2O3/ Ti(C, N)/FeB復(fù)相陶瓷進(jìn)行彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性分析。每個(gè)試樣取 6個(gè)點(diǎn)測(cè)其彎曲強(qiáng)度，取平均值為最終彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性值，結(jié)果分別見表2和表3。

由表2可知，當(dāng)Ti(C, N)和FeB摻入量分別為15wt.%，在1650 ℃燒結(jié)時(shí)具有最大的彎曲強(qiáng)度，為634.96 MPa。不同配比的的Al2O3/ Ti (C, N)/ FeB復(fù)相陶瓷分別在1600 ℃、1650 ℃、1700 ℃燒結(jié)后，彎曲強(qiáng)度呈先增大后減小的變化規(guī)律。1600 ℃燒結(jié)時(shí)由于試樣的燒結(jié)致密化較差，降低了該試樣的彎曲強(qiáng)度，而當(dāng)燒結(jié)溫度為1700 ℃時(shí)，則由于燒結(jié)溫度過高，晶粒粗大，導(dǎo)致其強(qiáng)度下降。

表 2 Al2O3/ Ti (C, N)/ FeB復(fù)相陶瓷的彎曲強(qiáng)度Tab.2 Bending strength of Al2O3/Ti (C, N)/FeB multiphase ceramics

表3 Al2O3/ Ti (C, N)/ FeB復(fù)相陶瓷的斷裂韌性Tab.3 Fracture toughness of Al2O3/Ti (C, N)/FeB multiphase ceramics

由表3可知，隨著燒結(jié)溫度的升高，試樣的斷裂韌性均呈先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)Ti(C, N)摻入量為10wt.%，F(xiàn)eB摻入量為20wt.%，在1650 ℃燒結(jié)時(shí)材料具有最大的斷裂韌性，為5.94 MPa·m1/2。不同配比的Al2O3/ Ti(C, N)/ FeB復(fù)相陶瓷分別在1600 ℃、1650 ℃、1700 ℃燒結(jié)后，斷裂韌性均不斷增大，但增大速度逐漸減小。

3 結(jié) 論

(1)采用真空熱壓燒結(jié)法制備的Al2O3/ Ti (C, N)/ FeB復(fù)相陶瓷，隨著燒結(jié)溫度的不斷升高，不同Ti(C,N)和FeB含量的Al2O3/ Ti (C, N)/ FeB復(fù)相陶瓷的相對(duì)密度均不斷增加，當(dāng)FeB摻入量為20wt.%時(shí)，復(fù)相陶瓷材料的相對(duì)密度達(dá)到最大為99.3%。

(2)經(jīng)過彎曲強(qiáng)度和斷裂韌性實(shí)驗(yàn)分析表明，當(dāng)Ti(C, N)和FeB摻入量分別為15wt.%，在1650 ℃燒結(jié)時(shí)具有最大的彎曲強(qiáng)度634.96 MPa。當(dāng)Ti(C, N)摻入量為10wt.%，F(xiàn)eB摻入量為20wt.%，在1650 ℃燒結(jié)時(shí)材料具有最大斷裂韌性5.94 MPa·m1/2。

[1] 馬智欣, 韓亞苓, 王寶武. 3YSt-Al2O3復(fù)合陶瓷顯微組織分析[J]. 陶瓷學(xué)報(bào), 2013, 34(3): 347-352.

MA Zhixin, et al. Journal of Ceramics, 2013, 34(3): 347-352.

[2] 李文虎. Al2O3/TiAl復(fù)合材料的制備與性能研究[J]. 陶瓷學(xué)報(bào), 2009, 30(1): 40 - 43.

LI Wenhu. Journal of Ceramics, 2009, 30(1): 40-43.

[3] 胡文斌, 張 龍, 王建江,等. Ti (C, N)材料的研究進(jìn)展[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2010, 24(12): 29 -33.

HU Wenbin, et al. Materials Review, 2010, 24(12): 29-33

[4] 趙 正, 劉福田, 李文虎. Fe-B合金對(duì)鋼結(jié)硬質(zhì)合金覆層材料影響的研究[J]. 濟(jì)南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008, 22(1): 28-33.

ZHAO Zheng, et al. Journal of University of Jinan (Science and Technology), 2008, 22(1): 28-33.

[5] 許崇海, 慈國(guó)慶, 商錫佐. 稀土強(qiáng)化Al2O3/ Ti (C, N)陶瓷材料的組分設(shè)計(jì)及其使用性能研究[J]. 人工晶體學(xué)報(bào), 2007, 36(2): 400-404.

XU Chonghai, et al. Journal of Synthetic Crystals, 2007, 36(2): 400-404.

[6] 劉勝明, 湯愛濤, 陳 敏, 等. Fe含量對(duì)鈦鐵礦原位反應(yīng)合成Al2O3-Ti (C, N)-Fe復(fù)合材料的影響[J]. 功能材料, 2011, 42(4): 722-725.

LIU Shengming, et al. functional materials, 2011, 42(4):722-725.

[7] 李 乾, 曹秀娟, 修稚萌, 等. Al2O3/ Ti (C, N)-Ni-Ti陶瓷刀具的切削性能[J]. 東北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2013, 34(2): 214-217, 226.

LI Qian, et al. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2013, 34(2): 214-217, 226.

[8] 陳士冰, 王世峰, 李 亮. 燒結(jié)溫度對(duì)3Y-TZP陶瓷結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響[J]. 硅酸鹽通報(bào), 2011, 30(3): 724-727, 735.

CHEN Shibing, et al. Bulletin of the Chinese Ceramic Society, 2011, 30(3): 724-727, 735.

[9] 黃曉巍. 液相燒結(jié)氧化鋁陶瓷的致密化機(jī)理[J]. 材料導(dǎo)報(bào), 2005, 19(z1): 393-395.

HUANG Xiaowei. Materials Review, 2005, 19(z1): 393-395.

Preparation and Properties of Al2O3/Ti (C, N)/FeB Multiphase Ceramics

LI Wenhu
(School of Material Science and Engineering, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003, Shanxi, China)

Al2O3/Ti (C, N)/FeB multiphase ceramics were prepared by vacuum hot pressing. The effects of Ti (C, N) and FeB mass fraction and sintering temperature on relative density, bending strength and fracture toughness of Al2O3/Ti (C, N)/FeB multiphase ceramics were investigated. The results show that, the relative density of multiphase ceramics is the maximum at 20wt.% FeB and 10wt.% Ti (C, N), and with the temperature rising, the multiphase ceramics relative density is on the increase. The maximal bending strength is 634.96 Mpa with 15wt.% Ti(C, N) and 15wt.% FeB after sintering at 1650 ℃. The maximal fracture toughness is 5.94 MPa·m1/2with 10wt.% Ti(C, N) and 20wt.% FeB when they are sintered at 1650 ℃.

hot pressing; multiphase ceramics; relative density; bending strength; fracture toughness

TQ174.75

A

1000-2278(2014)02-0173-04

2014-01-15

2014-01-25

陜西省教育廳專項(xiàng)科研計(jì)劃項(xiàng)目(編號(hào)：2011JK0844)。

李文虎(1981-)，男，碩士，講師。

Received date:2014-01-15. Revised date:2014-01-25

Correspondent author:LI Wenhu (1981-), male, Master, Lecturer.

E-mail:ccwhli@163.com