碳化硼陶瓷的液相烧结试验研究

碳化硼陶瓷的液相烧结试验研究 碳化硼陶瓷的液相烧结试验研究 第7卷第2期 2002年4月 哈尔滨理工大学 JOURNALHARBINUNIV.SCI.&TECH V017No.2 Apr.,2002 文章编号:10072683(2002)02007303 碳化硼陶瓷的液相烧结试验研究 李文辉,李文新 1哈尔滨理工大学材料科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院,黑龙江啥尔滨150o40 2哈尔滨商业大学轻I学院,黑龙江哈尔滨150076) 摘要:在烧结液相质量分数为O%,25%的Al2O3一Y203系中,烧结温度为 ,烧结时间为 1950? 5h的条件下,研究了碳化硼陶瓷液相烧姑的致密化过程和力学性能.姑果表明,AL-O3和Y,的添加可 明显地改进烧姑性能,同时质量密度和力学性能也有明显提高. 关键词:碳化硼;烧结I艺;力学性能 中图分类号:TB38文献标识码:A LiquidPhaseSinteringofBoronCarbide LIWen—hui.LIWen—xin (】MaterialScie,ce&EngineeringCollege,HarbinUnivSciTech,Harbin15004~China; 2LightIndustryCollege.HarbinCommercialUniv..HarbinI50076,China) Abstract:ThedensificationbehaviorandmechanicalpropertiesofBCpressurelesssintereda t 1950? for5hwithadditionsofAl2O3andY2Oupto25%wereinvestigated.Sinterabilitywas greatlyimprovedbytheadditionofA12O3andY2O3,thedensityandmechanicalpropertiesa rein- creasedremarkably. Keywords:boroncarbide;sinteringprogress;mechanicsproperty 碳化硼陶瓷是超硬无机非金属材料之一,由于 比重小,强度高而广泛用于耐磨损.耐腐蚀零部件和 防弹装甲中1无压烧结碳化硼陶瓷是适用于大 批量生产形状复杂零件的 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 方法,但由于对粉末 要求严格和必须使用超高温烧结,在大批量生产中 其工艺参数难于控制,制品的性能极不稳定.最近碳 化硅陶瓷的液相烧结取得了较大的进展,所用的液 相多数为Al与Y3,制品可用于工作温度不 高的场合某些性能,如断裂韧性,抗弯强度等,与非 液相烧结碳化硅陶瓷相比(如常压烧结和反应烧结 碳化硅陶瓷隋了较大的提高Il1,断裂韧性可达到 26 收藕日期:2002—02— 作者简介:李丈辉I1956一).男,哈尔滨理工大学工程师 8MPa?m同时在烧结温度和添加剂的使用上也 作了不少的研究碳化硼陶瓷的液相烧结还未见 报遭,为研究液相烧结碳化硼陶瓷的可能性,拟采用 Al一Y系【YAG)作为液相,进行了碳化硼陶瓷 液相烧结的试验. 1试验方法 碳化硼原料粉末为牡丹江磨料二厂的超细粉 末,经提纯处理后其纯度(质量分数)大于97%,平 均粒径为17#m.选择了与碳化硅液相烧结相类似 74哈尔滨理工大学第7卷 的A1rYD系作为添加剂,以便在烧结温度下形 成液相.加入添加剂的质量分数为0%,25%,A1D 与Y的质量比为53:2.1AhO3和YD3粉末均为国 家建筑材料科学研究院高技术陶瓷研究所提供的粉 末,其中A1粉末的平均粒径为06m纯度(质 量分数)为99.98%YD粉末平均粒径为Om.纯 度(质量分数)为99.2%.将上述粉末置于尼龙罐中 与碳化硼粉末混合,加入适量酒精作为混台助剂,球 磨机用的料球为碳化硼陶瓷.球磨混合6h后,在 70?的流动氮气中烘干破碎,再加入适量质量分数为 10%的聚乙烯醇水溶液,作为粘结剂,再混合2b,随 后干燥破碎,过240目(孔径为53,63#m)筛.在钢 模中压成60ram×15ramx1Omrn的压坯条,压力 为250MPa.将压坯条置于真空烧结炉中,先抽真 空.再用氢气冲洗3次,升温烧结,升温速度为15"c/rain 升温到19s0?后保温300,400mi.n.烧结在流动 的氩气中进行,氩气的流量为l5L/min.为进行力学 性能测试,将试样毛坯磨成30mm×4rnm×5rnrn的 试样条,表面用28tan的金刚石砂轮抛光,然后进行 抗弯强度和断裂韧性的测试.质量密度的测试按美 国材料试验协会标准ASTMC693—84执行.抗弯 强度按ASTIVlC1161—90执行,采用四点法,内外 支点的间距分别为10--20mm,加载速度为0.Smm{min. 弹性模量按AsTMC1259—94执行.硬度和断裂 韧性采用文【6]的方法.每个实验点做5个试样,各 种数据取5个试样的平均值.毛坯烧结过程中的质 量损失按烧结前后的质量百分比进行计算. 2试验结果与讨论 2.1质量密度 质量密度随液相质量分数的变化见图l相对质 量密度值按下式计算 WI+W2+W 互3 1p2 式中的w1,w2,w3和p1,p2,p3分别是B,A12o和 Y2的质量和质量密度. 从图1中的数据可以看出,随着液相质量分数 的增加,质量密度也不断的增加,当液相质量分数达 到l5%时,相对质量密度为最大值.随后由于液相 中所吸收气体质量分数的增加使其相对质量密度略 有降低.但最高相对质量密度值可达到97.7%. 享 一 期 圈 液相质量分数{%) 图1液相质量分数与质量密度的荚系 2.2强度 强度值随液相质量分数的变化如图2.在液相质 量分数为15%处有一个极火值.随后又逐渐降低. 当液相质量分数小于15%时,由于其质量密度的逐 渐提高,气孔率的降低,减少了可能形成裂纹源的气 孔,因而强度不断的提高.当液相质量分数大于15% 时,强度略有降低的原因是基体组织与液相之间 热膨胀系数不同,引起部分大尺寸的裂纹.从而导致 强度降低.在液相成分相同的碳化硅陶瓷中也有类 似的变化趋势. , 骶 静 担 液相质量分数{%) 图2液相质?分数与抗弯强度的美系 2.3烧损 烧损与液相质量分数有关,基本上是随液相质 量分数的增加而增加.原因是液相质量分数增加 后,增大了烧损.使液相产生了较大的质量损失,其变 化趋势见图3.烧结过程中烧结件未包埋,束发现过 饱和蒸气的结晶物,件与件之间无粘连.这一特性 非常有利于大批量生产.无论是碳化硅还是氮化硅 陶瓷烧结过程中的烧损都比较大,对于氮化硅还需 采用气压烧结的方法.碳化硼烧结时烧损较小的性 质与碳化硅陶瓷中的A120一Y3系液相烧结相 似. ??? 第2期李文辉等:碳化硼陶瓷的液相烧结试验研究75 捌 2.4断裂韧性 断裂韧性随液相质量分数的变化见图4.从图4 可以看出:断裂韧性基本上与液相的质量分数无 关,但高于热压烧结的碳化硼和无压烧结的碳化硼 陶瓷.这一结果与碳化硅陶瓷中的情况类似.说明 基体相与液相之间热膨胀系数不同对断裂韧性起到 了增强的作用,而与液相质量分数增加无明显的对 应关系. 液相质量分数(%) 图3液相质量分数与烧损质量分数的关系3结论 ! 日 _ 苫 犀 群 妊 渡相质量分数(%) 国4液相质量分数与断裂韧性的关系 首次验证了碳化硼陶瓷可以进行液相烧结.从 上述实验结果可以看出:采用AkO一Y,系作为液 相进行烧结,可以将碳化硼烧结成接近相对质量密 度的陶瓷.当液相质量分数达到15%时,相对质量 密度达到最大值,即相对质量密度为97.7%,而抗 弯强度在液相质量分数达到17%左右时可达 565MPa.断裂韧性基本与液相质量分数无关,其数 值为42MPa?1111左右.强度的增加与相对质量密 度的提高有关.烧结所得到的制品可制成结构陶瓷 件,用于温度不高的工况中. 参考文献: 【l】IEVANSAGPempeeti'~eontheDevelopmentofHiToughnessCeramicsmj.AmCemm.Soc ,1990.73(2):186-193 『212SAMSONOVGV.VINITSKIIIM.HandbookofRefractoryCompounds[M]NewYo rk:IFl/Plenum.1980357—382 【3】PADTURENPInSitu—toughenedSiliconCarbide[J]JAmCeramSoc,199,t.77(2):519—526 [41NEGITAKEffectiveSinteringAidsforSiliconCarbideCeramics:ReactivitiesofSilicon CarbidewithVariousAdditive[J|.J AmCemm.Soc,1986.69(I2):C308,316 _515ZHOUY.etalLow—temperaturePressurelessSinteringof—SiCwithAI4C3一 B4C-CAdditions[J]JAmCetamSoc. I999.82(8)1959—1573 【61EVANSAGFractureToughness:TheRoleofIndentationTechniques;ASTMSpecialPublication.FractureMechanicsApplied toBrittleMaterials.AmericanSocietyforTestingandMaterials[J]PhiladelphiaPA.1979,678(1):I12—135. (审稿:宋润滨教授,赵晓旭教授;编辑:张雪冰)