周宇章，魏萬(wàn)鑫，羅嗣春，郭偉明，林華泰

(1.廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510006；2.中國(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所，蘭州 730000)

0 引 言

氮化硅(Si3N4)陶瓷具有優(yōu)異的綜合力學(xué)性能和化學(xué)穩(wěn)定性，是高速切削灰鑄鐵、鎳基高溫合金等難加工材料用切削刀具的首選材料之一[1-4]。Si3N4陶瓷主要通過(guò)氣壓燒結(jié)或熱壓燒結(jié)工藝制備，然而因其強(qiáng)共價(jià)鍵與低擴(kuò)散系數(shù)，較難實(shí)現(xiàn)燒結(jié)致密，而加入MgO-RE2O3[5-6]、 Al2O3-RE2O3[7](RE為稀土元素)等燒結(jié)助劑可借助反應(yīng)生成的玻璃液相，促進(jìn)陶瓷燒結(jié)致密。在較高的燒結(jié)溫度下(不低于1 500 ℃)，Si3N4陶瓷燒結(jié)致密后的物相主要為β-Si3N4相，顯微組織呈晶粒粗大的雙峰分布結(jié)構(gòu)(等軸和長(zhǎng)柱狀晶粒共存)。燒結(jié)Si3N4陶瓷具有較高的斷裂韌度和抗彎強(qiáng)度，但硬度較低，所制成的陶瓷刀具不太適合用于硬度較高的冷硬鑄鐵或含鉻量較高鑄鐵的快速切削[2,6]。

為解決以上問(wèn)題，立足于Si3N4陶瓷作為切削刀具的應(yīng)用，不少學(xué)者通過(guò)引入第二相來(lái)增強(qiáng)Si3N4基陶瓷材料的各項(xiàng)性能，以期在提高硬度的同時(shí)維持陶瓷基體較高的韌性。目前常用的增強(qiáng)相主要包括WC[8]、(W,Ti)C[9]、TiC[10]與 TiN[11-13]等碳、氮化物。其中，TiN因具有耐高溫、耐磨損、高硬度等優(yōu)良的性能，尤其受到研究者的青睞[13]。引入TiN的方法有兩種：一種是在陶瓷原料粉體中直接加入TiN粉體顆粒；另一種是在陶瓷原料粉體中加入TiO2粉體顆粒，在氮?dú)鈿夥障逻M(jìn)行原位燒結(jié)反應(yīng)生成TiN增強(qiáng)相。DUAN等[11]通過(guò)熱壓燒結(jié)制備了不同TiO2添加量的Si3N4陶瓷，研究了生成的TiN第二相對(duì)陶瓷性能的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)TiO2添加量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為20%時(shí)，生成的TiN明顯提高了Si3N4陶瓷的硬度與韌性。ZOU等[12]通過(guò)熱壓燒結(jié)制備了不同TiN含量的Si3N4陶瓷刀具，發(fā)現(xiàn)加入的納米級(jí)TiN通過(guò)提高β-Si3N4晶粒的長(zhǎng)徑比，實(shí)現(xiàn)了Si3N4陶瓷的增強(qiáng)增韌；TiN加入量(體積分?jǐn)?shù))為1%時(shí)，陶瓷刀具的力學(xué)性能最佳。魏萬(wàn)鑫等[13]研究了TiN的引入方式對(duì)Si3N4陶瓷顯微組織與力學(xué)性能的影響，發(fā)現(xiàn)以TiO2的形式引入時(shí)，可獲得更加均勻細(xì)小的顯微組織，能得到更好的力學(xué)性能，與直接加入TiN粉體制得的陶瓷相比，硬度從(15.6±0.3) GPa上升至(16.7±0.4) GPa，斷裂韌度從(11.2±0.6) MPa·m1/2略微上升至(11.3±0.4) MPa·m1/2。目前，有關(guān)Si3N4基陶瓷刀具材料的研究大多集中在引入TiN等第二相對(duì)組織與性能的影響及其增強(qiáng)增韌機(jī)理上，缺少結(jié)合切削數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證TiN第二相對(duì)Si3N4陶瓷刀具切削性能提高效果的相關(guān)研究。為此，作者參考已有的可獲得致密Si3N4陶瓷的試驗(yàn)配方[2,13-14]，以Si3N4粉為原料、質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%Al2O3和5%Y2O3為燒結(jié)助劑，并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的TiO2，通過(guò)氣壓燒結(jié)(GPS)工藝制備Si3N4陶瓷，研究了原位反應(yīng)生成的TiN對(duì)Si3N4陶瓷微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響；并將制備得到的陶瓷加工成刀片對(duì)灰鑄鐵進(jìn)行連續(xù)切削，研究了陶瓷刀片的切削壽命、磨損形貌與磨損機(jī)理。

1 試樣制備與試驗(yàn)方法

1.1 試樣制備

試驗(yàn)原料包括Si3N4粉(平均粒徑0.3 μm，純度99.99%，α-Si3N4相體積分?jǐn)?shù)大于95%)、Al2O3粉(平均粒徑0.3 μm，純度99.99%，α-Al2O3相體積分?jǐn)?shù)大于95%)、Y2O3粉(平均粒徑4 μm，純度99.999%)、TiO2粉(平均粒徑0.02 μm，純度99.99%)。按照Al2O3粉、Y2O3粉、TiO2粉質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為2%，5%，5%，余為Si3N4粉進(jìn)行配料，在聚乙烯球磨罐中以高純度Si3N4球?yàn)槟デ?、無(wú)水乙醇為球磨介質(zhì)進(jìn)行研磨混料8 h，球磨轉(zhuǎn)速為300 r·min-1。參考目前可獲得致密Si3N4基體陶瓷的燒結(jié)工藝[13,15]制備Si3N4陶瓷。將球磨漿料在RE-52AA型旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)儀中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)蒸發(fā)，烘干，放入直徑為30 mm的圓形金屬模具中干壓成型得到生坯；將生坯進(jìn)行冷等靜壓成型，成型壓力為200 MPa，保壓時(shí)間為300 s，然后放入FCT-FP-H-6型氣壓燒結(jié)(GPS)爐中進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。在燒結(jié)過(guò)程中，在溫度升1 200 ℃時(shí)保持真空狀態(tài)，排出雜質(zhì)成分，升溫速率為15 ℃·min-1；充入N2至氣壓為0.1 MPa以抑制Si3N4的分解，并以10 ℃·min-1的速率升溫至1 500 ℃，再以5 ℃·min-1的速率升溫至1 750 ℃，將N2氣壓升至5 MPa，繼續(xù)以5 ℃·min-1的速率升溫至1 930 ℃，保溫120 min燒結(jié)。燒結(jié)結(jié)束后對(duì)稱降壓至大氣壓，并對(duì)稱冷卻至室溫。為了進(jìn)行對(duì)比，在相同工藝下制備了未添加TiO2的Si3N4陶瓷。

1.2 試驗(yàn)方法

使用阿基米德排水法測(cè)定燒結(jié)陶瓷的密度，并計(jì)算相對(duì)密度。將燒結(jié)陶瓷表面打磨、拋光至鏡面，并使用酒精超聲清洗后，采用HXD-2000TM/LCD型維氏硬度計(jì)測(cè)試維氏硬度，載荷為9.8 N，保載時(shí)間為10 s。采用HVS-30Z/LCD型維氏硬度計(jì)測(cè)試并計(jì)算斷裂韌度，載荷為98 N，保載時(shí)間為10 s，斷裂韌度計(jì)算公式[16]為

(1)

式中：KIC為陶瓷試樣的斷裂韌度，MPa·m1/2；P為金剛石壓頭加載載荷，N；C1和C2為金剛石壓頭在Si3N4陶瓷試樣表面形成的壓痕裂紋對(duì)角線半長(zhǎng)，mm；β為金剛石壓頭的角度，68°。

采用Bruker D8型X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析，采用銅靶，Kα射線。采用PPP III型等離子刻蝕機(jī)對(duì)磨拋后的燒結(jié)陶瓷進(jìn)行等離子刻蝕，去除晶界相，以便于觀察晶粒尺寸與形貌，刻蝕氣體為體積比1…9的O2和CF4混合氣體；采用NovaNanoSEM430型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察刻蝕后的微觀形貌，并用Nano Measurer 1.2晶粒測(cè)量軟件統(tǒng)計(jì)約300個(gè)以上晶粒的尺寸，繪制頻率統(tǒng)計(jì)圖。

將未添加TiO2和添加TiO2的燒結(jié)陶瓷加工成ISO SNGN120408T02020標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)刀片，分別記為SN與SN-T，并在ETC3650h型數(shù)控車床上進(jìn)行連續(xù)切削測(cè)試，切削工件材料為HT250灰鑄鐵，硬度為2.21 GPa，切削速度為300 m·min-1，進(jìn)給量為0.1 mm·r-1，切削深度為0.3 mm。按照ISO3685-1993(E)評(píng)定刀具的切削壽命：在切削過(guò)程中以每切削500 m為固定的切削磨損測(cè)量點(diǎn)，采用OLYMPUSSZ61型光學(xué)顯微鏡測(cè)定后刀面半切深位置的豎直劃痕長(zhǎng)度，記為磨損量，如圖1所示，以磨損量達(dá)到300 μm時(shí)刀具切削的長(zhǎng)度為刀具的切削壽命。在相同條件下，采用GSN 100型Si3N4商業(yè)刀具進(jìn)行切削試驗(yàn)，該商業(yè)刀具試樣記為GSN100。

圖1 刀具磨損量測(cè)定示意Fig.1 Schematic of cutting tool wear amount measurement

使用NovaNanoSEM430型掃描電子顯微鏡觀察陶瓷刀具的原始磨損形貌，然后用3 mol·L-1的稀鹽酸對(duì)刀具磨損表面進(jìn)行清洗，并觀察清洗后的磨損表面形貌。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 物相組成

由圖2可以看出，添加和未添加TiO2燒結(jié)陶瓷均主要由β-Si3N4相組成，添加TiO2后陶瓷中還出現(xiàn)了TiN相。燒結(jié)助劑Al2O3和Y2O3在高溫下與Si3N4表面的SiO2反應(yīng)生成了無(wú)定型的玻璃相[17]，無(wú)固定對(duì)應(yīng)的特征峰。研究表明，在Al2O3-Y2O3體系燒結(jié)助劑的作用下，當(dāng)燒結(jié)溫度接近1 600 ℃時(shí)，陶瓷中將同時(shí)存在α-Si3N4相和β-Si3N4相，而在接近1 700 ℃時(shí)，α-Si3N4相向β-Si3N4相的轉(zhuǎn)變已接近完成[18-21]。在1 930 ℃燒結(jié)溫度下，α-Si3N4相已完全轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Si3N4相；TiN則是由TiO2與Si3N4在高溫下反應(yīng)形成的[11]。

圖2 添加和未添加TiO2燒結(jié)陶瓷的XRD譜Fig.2 XRD spectra of sintered ceramics with and without TiO2

2.2 微觀形貌及晶粒尺寸

由圖3可以看出：未添加和添加TiO2燒結(jié)陶瓷均主要由黑色的β-Si3N4相和無(wú)定型的白色含釔、鋁、硅、氧元素的晶間相組成[17]，β-Si3N4晶粒呈等軸狀和長(zhǎng)棒狀兩種形態(tài)，未添加TiO2燒結(jié)陶瓷中的長(zhǎng)棒狀晶粒較粗大；添加TiO2燒結(jié)陶瓷中原位反應(yīng)生成了形狀較規(guī)整的塊狀TiN相，其分布于β-Si3N4相之間，如圖中白色粗箭頭所示；與添加TiO2燒結(jié)陶瓷相比，未添加TiO2燒結(jié)陶瓷中存在較多的細(xì)小孔隙。試驗(yàn)測(cè)得未添加和添加TiO2燒結(jié)陶瓷的相對(duì)密度分別為98.0%，99.2%，說(shuō)明經(jīng)過(guò)1 930 ℃氣壓燒結(jié)后，陶瓷試樣均實(shí)現(xiàn)了致密化。

圖3 未添加和添加TiO2燒結(jié)陶瓷經(jīng)等離子刻蝕后的微觀形貌Fig.3 Micromorphology of sintered ceramics without (a) and with TiO2 (b) after plasma etching

由圖4可以看出：與未添加TiO2燒結(jié)陶瓷相比，添加TiO2燒結(jié)陶瓷中長(zhǎng)棒狀晶粒直徑分布范圍較窄，即晶粒的平均直徑較小。這是由于添加TiO2燒結(jié)后陶瓷中形成了第二相TiN，產(chǎn)生的晶界釘扎效應(yīng)抑制了Si3N4晶粒的生長(zhǎng)。

圖4 未添加和添加TiO2燒結(jié)陶瓷中長(zhǎng)棒狀晶粒的直徑分布Fig.4 Diameter distribution of long rod grains in sintered ceramics without (a) and with TiO2 (b)

2.3 力學(xué)性能

試驗(yàn)測(cè)得未添加和添加TiO2燒結(jié)陶瓷的維氏硬度分別為(16.8±0.2)，(17.2±0.1)GPa，斷裂韌度分別為(6.4±0.6)，(5.8±0.3)MPa·m1/2，均高于商業(yè)刀具的維氏硬度和斷裂韌度，即(15.3±0.1)GPa，(5.2±0.4)MPa·m1/2。TiO2的加入促進(jìn)了Si3N4陶瓷中棒狀β-Si3N4晶粒的細(xì)化，并生成了硬質(zhì)相TiN，因此相比于未添加TiO2陶瓷，其硬度略高而斷裂韌度較低。

2.4 切削性能

由圖5可以看出：商業(yè)刀具(GSN100)、未添加TiO2燒結(jié)陶瓷刀具(SN)、添加TiO2燒結(jié)陶瓷刀具(SN-T)等3種陶瓷刀具在達(dá)到切削壽命(刀具磨損量為300 μm對(duì)應(yīng)的刀具切削長(zhǎng)度)前，前期磨損均較快，在切削的前500 m，刀具的磨損量即超過(guò)200 μm，而當(dāng)切削長(zhǎng)度大于500 m后，刀具磨損量的增長(zhǎng)較平緩，切削后期磨損又變得較劇烈；3種陶瓷刀具中， GSN100刀具的磨損增速最快，其次為SN刀具，SN-T刀具的磨損增速最慢；SN刀具和SN-T刀具的切削壽命分別為1 580，2 410 m，均高于GSN 100刀具(約為1 250 m)，SN-T刀具的切削壽命最長(zhǎng)。

圖5 連續(xù)切削過(guò)程中試驗(yàn)刀具和GSN100商業(yè)刀具的磨損量變化曲線Fig.5 Wear amount variation curves of tested cutting tools andGSN100 commercial cutting tool during continuous cutting

由圖6可以看出：兩種陶瓷刀具在切削灰鑄鐵后其刀尖出現(xiàn)了不同程度的磨損，其中SN刀具的刀尖磨損更為嚴(yán)重，且其上有較為明顯的金屬黏附，呈現(xiàn)出金屬光澤。

圖6 Si3N4陶瓷刀具的刀尖在清洗前的磨損形貌Fig.6 Wear morphology of Si3N4 ceramic cutting tool tip before cleaning: (a) SN cutting tool and (b) SN-T cutting tool

由圖7可見(jiàn)：兩種Si3N4陶瓷刀具刀尖處均未出現(xiàn)明顯的崩刃現(xiàn)象，在后刀面均存在明顯的月牙洼磨損，且月牙洼磨損尺寸差別不大；稀鹽酸清洗前，兩種刀具均存在較為明顯的工件碎屑黏附現(xiàn)象，而SN-T刀具的黏附碎片較少，這可能是由于添加TiO2燒結(jié)陶瓷中反應(yīng)生成的TiN對(duì)刀具具有潤(rùn)滑作用，改善了SN-T刀具的摩擦磨損性能[22]；經(jīng)過(guò)稀鹽酸清洗去除黏附碎片后，兩種刀具后刀面均存在典型的平行脊?fàn)钅チＤp劃痕，劃痕方向如圖中白色箭頭所示，且兩種刀具后刀面均存在因磨損而剝落的不與稀鹽酸反應(yīng)的碎片。以上現(xiàn)象說(shuō)明Si3N4陶瓷刀具切削灰鑄鐵時(shí)表現(xiàn)為典型的磨粒磨損與黏著磨損[24]，其中SN-T刀具磨損區(qū)域的黏著碎片較為細(xì)小，而SN刀具磨損區(qū)域呈較大的層狀碎片。由圖8可知，黏附碎片主要由金屬氧化物和氧化硅組成，清洗后后刀面上存在的碎片主要由含硅化合物組成。黏附碎片的出現(xiàn)是由于Si3N4陶瓷刀具在高速切削灰鑄鐵材料時(shí)，產(chǎn)生了800～1 000 ℃的高溫，高溫下刀具材料與工件均會(huì)發(fā)生氧化，經(jīng)切削后形成黏附碎片[23]。添加TiO2后，Si3N4陶瓷晶粒得到細(xì)化，且TiO2在高溫下原位反應(yīng)生成的TiN第二硬質(zhì)相具有較高的硬度與耐磨性，使得SN-T刀具的硬度更高，因磨損而剝落的碎片較小。與未添加TiO2的SN刀具相比，在相同的切削時(shí)間下SN-T刀具的磨損較小，說(shuō)明SN-T刀具的切削壽命更長(zhǎng)。

圖7 稀鹽酸清洗前后不同Si3N4陶瓷刀具的后刀面磨損微觀形貌Fig.7 Micromorphology of flank wear of different Si3N4 ceramic cutting tools before (a, c) and after cleaning (b, d) with dilute hydrochloric acid: (a-b) SN cutting tool and (c-d) SN-T cutting tool

圖8 Si3N4陶瓷刀具不同位置(見(jiàn)圖7)的EDS分析結(jié)果Fig.8 EDS analysis results of Si3N4 ceramic cutting tool at different positions (shown in Fig. 7): (a) position 1 and (b) position 2

3 結(jié) 論

(1) 以Si3N4粉為原料，Al2O3、Y2O3為燒結(jié)助劑，采用氣壓燒結(jié)工藝制備未添加和添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)5% TiO2的Si3N4陶瓷，兩種陶瓷均主要由等軸狀和長(zhǎng)棒狀β-Si3N4晶粒組成，添加TiO2后陶瓷中生成TiN硬質(zhì)相，且長(zhǎng)棒狀β-Si3N4晶粒得到細(xì)化。

(2) 與未添加TiO2燒結(jié)陶瓷相比，添加TiO2燒結(jié)陶瓷的硬度較高，斷裂韌度較低，但均高于GSN100商業(yè)刀具；兩種燒結(jié)Si3N4陶瓷制成的刀具在連續(xù)切削灰鑄鐵后，切削性能均優(yōu)于GSN100商業(yè)刀具，其中添加TiO2燒結(jié)陶瓷刀具的切削壽命(2 410 m)高于未添加TiO2燒結(jié)陶瓷刀具(1 580 m)，且刃口的完整性更高，后刀面磨損區(qū)域的剝落碎片較小。