摘要
氮化硅（Si3N4）陶瓷具有高韧性、高硬度、高强度和高导热等优点，广泛应用于陶瓷刀具、轴承球和基板等领域。低温烧结（1500~1600℃）的Si3N4陶瓷物相为α主相，显微结构由细小等轴晶粒组成，硬度高、韧性低；高温烧结（~1800℃）的Si3N4陶瓷物相为β主相，显微结构为棒状晶粒和等轴晶粒组成的双峰结构，硬度低、韧性高。由于碳化硅晶须（SiCw）的高硬度与长棒状形貌，引入SiCw可以同步改善Si3N4陶瓷硬度和断裂韧性，但为了确保致密化，Si3N4-SiCw陶瓷通常在高温下（gt;1700℃）制备，导致其硬度仍显著低于低温烧结的Si3N4陶瓷。本文通过调控SiCw含量、烧结温度以及引入过渡金属硼化物MeB2（Me=Zr、Hf），开展高硬度、高韧性Si3N4-SiCw陶瓷的制备研究，并加工成刀具，开展球墨铸铁切削研究。主要研究内容和结果如下： （1）研究了SiCw含量（0、5、10、20、40vol%）对传统高温（1800℃）热压烧结Si3N4陶瓷的物相组成、致密度、显微结构和力学性能的影响。结果表明，所有样品均实现致密化，Si3N4均为β相，长棒状SiCw均匀分布在由等轴晶粒和长棒状晶粒组成的Si3N4基体。随着SiCw含量从0增加20vol%，硬度从16.0±0.4GPa上升到17.7±0.2GPa，韧性从7.0±0.4MPa·m1/2上升到8.1±0.1MPa·m1/2；SiCw含量增加到40vol%时，硬度和韧性分别轻微上升到18.1±0.5GPa和8.2±0.2MPa·m1/2。研究显示，20vol%SiCw可以显著改善Si3N4陶瓷力学性能，继续增加SiCw含量，力学性能改善不明显。 （2）选择纯Si3N4和力学性能优异的Si3N4-20vol%SiCw为研究对象，研究了烧结温度的降低（1800、1700、1600、1500℃）对Si3N4基陶瓷物相组成、致密度、显微结构和力学性能的影响。温度从1800℃降低到1500℃时，纯Si3N4陶瓷和Si3N4-20vol%SiCw陶瓷的Si3N4物相均从β主相转变为α主相，Si3N4基体显微结构从显著双峰结构转变为等轴细晶结构，但是纯Si3N4陶瓷仍能保持高致密（98%），导致其具有高硬度（20.5±0.5GPa）和低韧性（2.9±0.2MPa·m1/2），然而SiCw的引入阻碍了致密化，Si3N4-20vol%SiCw陶瓷的致密度仅为92.9%，导致其硬度显著下降到16.4±0.6GPa，断裂韧性也较低（3.4±0.3MPa·m1/2）。 （3）为了实现1500℃烧结Si3N4-20vol%SiCw陶瓷的致密化，提升其力学性能，研究了不同温度下（1500、1550、1600℃）2.5vol%MeB2（Me=Zr、Hf）对Si3N4-20vol%SiCw陶瓷的物相组成、致密度、显微结构和力学性能的影响。结果表明，1500℃时，MeB2的引入轻微促进了Si3N4的α→β相变，但显著促进了Si3N4-20vol%SiCw陶瓷的致密化，致密度达到98%左右，添加ZrB2和HfB2的样品硬度从16.4±0.6GPa分别提高到20.7±0.5GPa和20.2±0.3GPa，断裂韧性从3.4±0.3MPa·m1/2分别提升到5.1±0.3MPa·m1/2和5.2±0.2MPa·m1/2。随着温度提高到1600℃，ZrB2和HfB2的引入进一步促进了Si3N4陶瓷相变，断裂韧性分别增加到6.9±0.1MPa·m1/2和6.7±0.1MPa·m1/2，然而较高的烧结温度导致ZrB2和HfB2均显著参与了化学反应，降低了致密度，同时结合高β-Si3N4含量，导致硬度的显著降低，添加ZrB2和HfB2的样品硬度分别降低到16.0±0.2GPa和17.0±0.2GPa。研究显示，1500℃制备的Si3N4-20vol%SiCw-2.5vol%MeB2复相陶瓷具有优异的综合力学性能。 （4）从上述研究中，选取了五种力学性能具有代表性的Si3N4基陶瓷加工成刀具，研究断续切削球墨铸铁的性能和磨损机理。结果表明，由于具有高硬度和高韧性导致耐磨性和抗崩刃性能好，1500℃制备的Si3N4-20vol%SiCw-2.5vol%MeB2（Me=Zr、Hf）陶瓷刀具和1600℃制备的Si3N4-20vol%SiCw陶瓷刀具寿命最长。磨损初期的主要磨损机理是微崩刃，韧性差将导致刀具前期磨损严重；磨粒磨损是贯穿整个磨损过程的主要磨损机理，提高硬度是抵抗磨粒磨损的有效方法。Si3N4基陶瓷刀具的磨损机理主要为：微崩刃、磨粒磨损、粘结磨损和氧化磨损。
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