可加工陶瓷材料研究进展

可加工陶瓷材料研究进展 第40卷第3期 222007年6月 江苏陶瓷 JiangsuCeramics Vo1.40.No.3 June,2007 可加工陶瓷材料研究进展 潘悦飞,林晓娟,孔英,李静 (山东蔑筑大学材料科学与学院,济南250101) 摘要介绍了国内外可加工陶瓷材料的研究现状.包括可加工玻璃陶瓷,可加工 Ti3SiC2陶瓷,可加工SiC,Si3N4陶瓷,可加工复相陶瓷以及可加工陶瓷的各种加工 技 术.并对其发展趋势进行了展望. 关键词可加工;陶瓷材料;分类;加工技术 0前言 陶瓷材料以其优异的力学,高温,电磁以及耐环 境作用等综合性能[11获得了广泛的使用.但由于其固 有的脆性和高的硬度.在陶瓷材料的加工过程中出 现了成本高,材料损伤大等问题.可加工性与材料性 能的不均匀性成为限制工程陶瓷广泛应用的两大瓶 颈.理论研究明,对陶瓷材料而言,可加工性能与 力学性能具有对立性,可加工性能的提高,必将引起 力学性能的下降.要得到性能好的可加工陶瓷,就要 寻找力学性能与可加工性能的最佳结合点,使材料 在满足力学性能应用的基础上.具有良好的可加工 性回. 可加工陶瓷是指:在室温下,用传统的机加工方 法(如硬质合金或高速钢工具)能进行加工并达到一 定加工表面质量要求的陶瓷材料.通常对陶瓷的加 工精度以样品加工后的表面粗糙度来评价翻,一般加 工后要求表面粗糙度小于101xm. 可加工陶瓷材料的研究工作是从20世纪70年 代开始的.由于人们对陶瓷材料微观结构认识的局 限性以及制粉与烧结技术的限制,进展不象陶瓷增 韧那么显着,尤其是对高性能si3N,AI203以及SiC 等陶瓷材料.直到90年代才有较为系统的研究工 作. 1可加工陶瓷材料的分类 1.1云母基可加工玻璃陶瓷 1970年.G.H.Beau等人在理论和实验研究的基 础上发表了题为"云母玻璃陶瓷"的文章.首次制备 出含云母相的可切削加工玻璃陶瓷,即由组成为 SiO2一B203一A12O3一MsO—K2O—F系玻璃转变而来的氟 收稿13期:20o7-ol-o4 云母玻璃陶瓷.此后.D.G.Grossman等人也成功地 从四元体系K2O—MgF2一MgO—SiO2制备出四硅酸氟云 母可加工玻璃陶瓷.云母相的存在是玻璃陶瓷可加 工性的主要来源.云母玻璃陶瓷微观结构的显着特 点是:高度交联的云母相镶嵌在玻璃基体中.使得微 裂纹主要沿云母一玻璃弱界面和层状云母基面扩展. 弱界面可以产生和捕获微观缺陷.消耗裂纹扩展的 能量.从而避免材料在加工过程中的宏观脆断.但由 于云母属于层状结构硅酸盐矿物.层与层之间靠范 德华力联结,结合力较弱,使得云母玻璃陶瓷的机械 强度较低.目前同时具有较高力学强度,良好的抗热 震性能.且容易加工的云母基玻璃陶瓷还不多见. TomokoUno[~等用熔融法得到含Ba云母玻璃陶瓷. 其强度可比普通的云母玻璃陶瓷提高2,3倍.接着 他们又通过改进工艺制备了抗弯强度高达500Mpa 的含zr云母玻璃陶瓷.此外.由于玻璃相软化或晶相 粗化.使得玻璃陶瓷的使用温度受到限制,在高于 800~C时就不能使用.而且多数云母玻璃陶瓷都是通 过熔融法和溶胶一凝胶法得到的.制造成本很高. 1.2可加工Ti~iC2陶瓷 3siC的晶体结构属六方晶系,是si层通过TiC 八面体连接在一起构成的层状结构,其显微结构是 由大的片状的,容易解理的晶粒组成.可以通过把Ti 粉,C粉和SiC粉充分混合,在180MPa压力下冷压 成型.然后在40MPa压力下,1600~C温度下热压4h 制备而成.TiC材料同时具备金属和陶瓷材料的 优良特点.既有金属优良的热导率,电导率,易加工, 质软,耐热冲击和高温下可塑性,同时又有陶瓷耐 热,高温强度好等特性.但不能在高温氧化环境下使 用.Barsoum/~等对Ti2AIC,TiAIC2,Ti2SnC,Ti3GeC2与 TiC等材料进行了对比研究,发现这些材料在结构 潘悦飞等:可加工陶瓷材料研究进展科技简报23 和性能上具有相似性.都具有层状结构,同时从微观 结构上证实了这些化合物都属于多晶纳米层状化合 物,因此可以归为一类,称作MAX化合物,该类 化合物良好的可加工性可能源于其准金属层和过渡 金属碳化物或氮化物层所组成的"三明治"样层状结 构,不同层之间键合作用力极弱.MAX化合物以 其优异的综合性能而成为大有发展前途的可加工陶 瓷材料之一.但此类材料在l000~C以上高温强度 等性能下降.限制了其应用. 1.3可加工SiC,Si陶瓷 Padturet~等通过研究指出将弱界面,长晶粒以 及内部应力引入SiC的显微结构中制成非均相SiC 陶瓷,可显着的改善SiC的可加工性.在SiC陶瓷 中.非均相结构中对可加工性起关键作用的是存在 于晶界区域的弱界面,弱界面可以使裂纹偏折,桥联 甚至捕获裂纹.从而使具有微观非均相的陶瓷相对 于单组分均相陶瓷有利于材料损伤形成和去除.微 观非均相陶瓷加工中在晶界区域形成晶间微裂纹. 从而导致个别晶粒的移位.加工过程中只产生了分 散在浅表面的界面微裂纹,从而加工强度几乎没有 损失.而传统均相SiC陶瓷在加工时.加工损伤包括 穿晶中等或主裂纹,不易加工且加工后的强度大幅 度下降.但是,Padture等同时也指出,这种可加工性 的提高是以强度和韧性的下降为代价的.另外.SiC 陶瓷不能在高温的氧化环境中使用. ChihiroKawaiN等人制得了具有传统微观结构 的多孔Si3N陶瓷,具有三种微观结构:(1)仅是球状 晶粒;(2)球状晶粒与柱状晶粒的结合;(3)只有柱状 B一晶粒在三维方向上的随意结合.对于多晶Si3N 陶瓷,其柱状晶体在相对弱界面存在时可使韧性提 高,此与弱界面偏转裂纹诱发的桥联机制密切相关. 实验证明,与同类材料相比,这种由柱状B—Si,N4晶 粒三维随机接触的单相陶瓷的强度比相同气孔率的 陶瓷有很大提高.ChihiroKawai等在制备多孔氮化 硅陶瓷时有选择性的使柱状B—Si3N晶粒在三维方 向随机相接形成闭孔的多孔氮化硅陶瓷,该陶瓷的 强度比相同气孔率的普通氮化硅陶瓷强度有很大提 高,而且,由于弱界面的存在使其很容易用合金钢刀 具加工.同时也指出,难以得到孔隙率在38%以下 的多孔p—Si3N.这可能是由于p—Si3N晶粒的非均 匀生长在烧结中受到了致密化的干扰.这种Si陶 瓷也不能在高温的氧化环境下使用. 1.4可加工复相陶瓷 这类可加工陶瓷主要是以Al203,ZrO2,Si3N,莫 来石陶瓷为基体,加入一些软相化合物制成[91.根据加 入化合物的种类,又可以分为两类:一类是加入稀土 磷酸盐(如CeP0,LaPO等)的复相陶瓷;另一类是加 入六方氮化硼(h—BN)的复相陶瓷.这些复相陶瓷的 组织特点是母相陶瓷晶粒细小(0.3lxm)左右,尺寸均 匀.加入的第二相化合物弥散分布在母相陶瓷晶体 内.其可加工性能可能与以下因素有关:(1)LaP0晶 体内存在大量位错,本身就具有良好的可加工性;(2) CeP0,LaP0等稀土磷酸盐和h—BN具有类似云母的 层状结构,在外力作用下,层与层之间容易滑移和解 理;(3)这些化合物热力学稳定,高温烧结时不与母相 陶瓷起反应,因而与基体界面结合较弱,机械加工时, 界面上容易形成微裂纹,通过这些微裂纹的分叉和连 接使材料去除.Davis0~1等发现经一定工艺制备的复相 陶瓷,如莫来石/LaP0"AI203,LaPO以及Ce—ZrO] CeP0,可用传统的WC刀具进行钻孔. 目前可加工复相陶瓷都是采用烧结法制备,这类 可加工陶瓷具有良好的化学相容性,高熔点,氧气氛 下的稳定性,在水,CO:甚至腐蚀环境下的稳定性,可 以用传统的金属加工方法和刀具进行加工. 2可加工陶瓷材料的加工技术 陶瓷材料的加工可根据材料的种类,工件的形 状,加工精度,表面粗糙度,加工效率和加工成本等因 素选择不同的加工方法.常见的工程陶瓷加工技术主 要有以下几种:机械加工,电火花加工,化学机械加 工,激光/等离子加工,超声波加工,高压磨料水射流 加工以及各种复合加工工艺. 2.1机械NT 机械加工是陶瓷材料的传统加工技术,也是应用 范围最广的加工方法.机械加工主要是指对陶瓷材料 进行车削,磨削,钻孔等.其工艺简单,加工效率高,但 由于陶瓷材料的高硬,高脆,机械加工难以加工形状 复杂,尺寸精确度高,表面粗糙度低,高可靠性的工程 陶瓷部件. 2.2放电加工 1947年B.R.Lazarenko等提出了放电加工硬质金 属材料的思路.80年代末,放电加工技术被引入陶瓷 材料加工领域.放电加工是一种无接触式精细热加工 技术.首先将形模和加工元件分别作为电路的阴,阳 极,使用液态绝缘电介质将两极分开,通过悬浮于电 介质中的高能等离子体的刻蚀作用.使表层材料发生 24江苏陶瓷JiangsuCeramics2007年6月第40卷第3期 熔化,蒸发或热剥离而达到加工材料的目的.由于加 工过程中模具未与工件直接接触,故无机械应力作 用于材料表面.因此放电加工是理想的加工高脆,超 硬陶瓷材料的方法,但放电加工无法对不导电的材 料进行加工. 2.3高压磨料水加工 1968年,美国密苏里大学的诺曼?弗兰兹博士 获得了第一个水射流切割技术专利——高压水射 流,高压水磨料射流加工技术【n】开始在工程领域得 到应用.工程陶瓷通常为高强,超硬材料,纯水射流 加工需要约为7001000MPa的高压.工程中很难 实现,而磨料水射流可大幅提高冲击能力.一般磨料 采用天然石榴石.高压磨料水射流加工属于高能束 加工技术,其原理是陶瓷表面在高达23倍音速的 磨料冲击作用下.强大的冲击力使材料表面产生一 定长度的裂纹,随着射流冲击力的增大,裂纹不断 扩展,碎屑从陶瓷表面脱落.高压磨料水射流加工陶 瓷材料实际上是一个材料的动态断裂的过程,即通 过裂纹的扩展实现材料的切削,磨削,钻削加工,目 前已在工程陶瓷,硬质合金,复合材料等材料加工中 得到应用. 2.4超声波加工 超声波加工【是利用产生超声振动的工具(模 具),带动工具和陶瓷元件间的磨料悬浮液,冲击和 抛磨元件进行加工.随着工具在三维方向上的进给, 工具端部的形状被逐步复制在陶瓷元件上.常用的 磨料是碳化硼,碳化硅和氧化铝等.一般选用的工作 液为水,为提高材料表面的加工质量,也可用煤油或 机油作液体介质.超声波加工适合于加工各种形状 要求复杂,不导电的硬脆材料. 2.5激光加工 激光加工是利用高能量密度的均匀激光束作为 热源,在加工陶瓷材料表面局部点产生瞬时高温,局 部点熔融或汽化而去除材料.激光加工是一种无接 触,无摩擦式加工技术,加工过程中不需模具,通过 控制激光束在陶瓷材料表面的聚焦位置,实现对三 维复杂形状材料的加工.激光加工适合于在陶瓷材料 上进行微钻孔,微切割,制作微结构.目前已能加工直 径为4~5~Lm,深径比达10以上的微孔. 3结束语 陶瓷材料的应用与其可加工性能密不可分.近几 十年来,可加工陶瓷的研究开发受到诸多专家学者的 关注.在非氧化物陶瓷和云母玻璃陶瓷的研究方面取 得了很大进展,但仍存在很多问题,如陶瓷材料的磨 削去除机理,弱界面与材料缺陷作用的形式以及各种 加工技术的优化等等.随着纳米技术,梯度结构 等思想的引入.必将为可加工陶瓷材料的研究应用开 辟新的道路. 参考文献 【l】兰向东,乔冠军,金志浩等.可加工陶瓷研究的新进展.材料导报【J], 2001,15(4):26--29 [21金海云,乔冠军,高积强等.可加工陶瓷研究进展.硅酸盐通报叨, 2o05.4:66.69 【3】周振君,刘隶臣,杨正方等.可加工陶瓷研究现状.材料导报叨, 2001,l5(1):33-35 [4】曹国辉.可加工陶瓷材料的发展【J1.佛山陶瓷,2005,15(12): 22-24 【5】TomokoUno,ToshiklreKasuga,andKliehiNakajima,eta1. 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(2)材质改进.在防堵塞方面,除了工艺中应注 意提高钢的清洁度外,由于结构改进的局限性,材质 改进是今后的重点.结合已认识的附着机理.可以看 出,由于无碳碱性材料(如:MgO—CaO系材料,ZrO一 CaO系材料和CaO—A120,系材料)具有优良的抗渣 性,特别是含CaO材料具有洁净钢水的作用.这类 材料研发将是今后的热点.我国有丰富的MgO—CaO 系材料.若采用特殊的工艺措施,尽量使CaO少水 化或不水化,即可利用这种资源优势来降低生产成 本. 参考文献 【1】M.Hasegawa,eta1.Tetsu-to--Hagane,VoL70,1984:1704 【2】笠井宣文.耐火物[Jl,1990,42[1】:15 【3】NobuyoshiHiroki,eta1.Developmentandapplicationofannular stepsubmergedentrynozzle,ShinagawaTechnicalReport,Vo1.36, 1993:75-88 f41郝旭升,译,漫入武水防堵塞材料的开发与应用.UNITECR,2003: 599—602 【5】孙莉娟,译.各种添加物对铝碳质耐火材料的氧化铝附着性的影 响.国外耐火材料,1994,19(8):63-65 【6】内之仓克已.耐火物阴,1988,45(12):714 【7】NobuoMiyagawa,MitsuruAndo,ShigealiTakahashi,eta1.Ap- plicationofb-A1203containingimmersionnozzleforcontinuouscast? ingofstainlessstee1.taikabutsu,1995,47(7):331-340 [8J宫川信夫,安藤满,高桥成彰,等.耐火物忉,1995,47(7):331- 34O 【9】孙传水.ZrO2一CaO—C—SiO2质漫入武水口.耐火材料[Jl,1997,31 (6):342—344 【1o】柯昌明,李楠.连铸浸入武水口的20,结瘤堵塞失效及材质解 决方法.第五届耐火材料技术研讨会论文集.1998:5 fll】AnseauMP4LawsonJM,SlasorS.CeramicMateria1.USPat No.4804644.198902-14 【12】HoggedDB,ParkHK.0-Sialon-zirconiaanditsrefiactory appilafion.AmCeramSocBull,1990,69f7):1163-1166 【13】廖建国,译.连铸用无碳和Sio2质水口的开发.国外耐火材料叨, 1998.23(10):58 f141李晓媛,译.浸入武水口中碳和二氧化硅对氧化铝附着的影响.国 外耐火材料【J】,1997,22(10):37-43 【15】近藤欲计.Submergedentrynozzlewhichpreventsaluminaclog一 ng.ShinagawaTechrricalReport,1997,40:.29-33 ResearchDevelopmentofSubmergedNozzles ZhangQiang,GaoLicun (DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,XianUniversityofArchitecture& Technology.Xi,an, Shannxi,710055) AbstractThispaperintroducesthealuminabuildandadhesionmechanism,expoundsthepre venting measuresonnozzlesbuildup.Furthermore,thedevelopmenttrendsofsubmergednozzleswa sdiscussed Keywordscontinuouscasting,submergednozzle,A1203adhesionmechanism,preventingmeasureson buildup (上接第24页) ResearchProcessinMachinableCeramicMaterials PanYuefei,LinXiaojuan,KongYing,Lijing (DepartmentofMaterialsScienceandEngineering,ShandongArchitectureUniversity.Jina n,250101) AbstractThedevelopmentofthemachinableceramicmaterials,includingglass-ceramics,Ti3SiC2 ceramics,SiCandSi3N4ceramics,andthemachinablebinaryphasesceramicshavebeenreviewedinthis paper.Themachiningtechnologyisalsodiscussed.Thetrendofresearchesinthemachinableceramic materialsisproposed. Keywordsmachinable;ceramicmatedals