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硼酸铝晶须增韧陶瓷复合材料

摘要

随着加工行业的飞速发展，陶瓷刀具材料在切削刀具材料中展现出了它独一无二的优势，传统的刀具材料中，以硬质合金刀应用最广泛，但它抗高温、耐磨性、硬度等方面和陶瓷刀具材料具有很大的差距，因此，陶瓷刀具材料取代硬质合金刀具有了良好的市场应用前景。

但是脆性却是所有陶瓷材料面临的一个共同致命伤。

也正是因为这个原因，陶瓷材料在工业上的应用范围仍然比较狭窄。

与此同时，对陶瓷材料的脆性进行改进，增加其韧性、强度等成为了所有陶瓷材料研究者共同的话题。

本文综合了多个优势性能的实验过程，得出了自己的研究思路，提出了一个可行性相对较高的方案，实现低成本开发和高产出回报的目标，做出了韧性相对较高的陶瓷刀具材料。

在确定产品配方之前，就确立了简单可行、数据精确的实验目标，本着高效低耗的方略完成整个实验过程，并得到理想性能的产品。

本课题采用硼酸铝晶须增韧氧化铝陶瓷刀具材料，分析硼酸铝晶须的加入量对最终的陶瓷刀具材料性能的影响，对比得到增韧效果显著的成品陶瓷刀具材料。

分别研制了Al2O3、Al2O3/TiB2、Al2O3/TiB2/SiCw（ABS16）、Al2O3/TiB2/9Al2O3·2B2O3w（ABA8、ABA16、ABA24）六种陶瓷刀具材料；确定了Al2O3/TiB2/9Al2O3·2B2O3w和Al2O3/TiB2/SiCw两种特种陶瓷刀具复合材料的最佳配方和最佳工艺制度；检测了六种陶瓷刀具材料的硬度、抗弯强度、断裂韧性、相对密度；对两种最佳的特种陶瓷刀具复合材料的摩擦、磨损性能进行了检测；对两种最佳特种陶瓷刀具复合材料制成工业刀具的性能进行了分析与对比。

结果表明：

Al2O3/TiB2/9Al2O3·2B2O3w特种陶瓷刀具复合材料因在使用过程中不会生成3Al2O3·2SiO2氧化膜，但仍然会保持TiO2氧化膜，既完全克服了Al2O3/TiB2/SiCw陶瓷刀具材料对高温摩擦磨损性能的不利影响，又保持了TiO2氧化膜自润滑性能。

不仅是目前最佳的替代Al2O3/TiB2/SiCw的特种陶瓷刀具材料，更是替代工具钢、高速钢、硬质合金、普通陶瓷刀具的最佳材料。

关键词：

硼酸铝晶须　陶瓷增韧　刀具材料　抗弯强度

ABSTRACT

Withtherapiddevelopmentofprocessingindustry,ceramictoolmaterialincuttingtoolmaterialsdemonstrateditsuniqueadvantages.inthetraditionaltoolmaterials,carbidebladewasmostwidelyusedinprocessingindustry.butitshightemperatureresistance,wearresistance,hardness,etcwithceramictoolmateralhasalargegap.therefore,toreplacecarbidecuttingtools,ceramictoolmaterialhasgoodmarketprospect.while,thebrittleceramicmaterialsareallfacingacommonAchillesheel,Itispreciselyforthisreason,ceramicmaterialsinindustrialapplicationisstillrathernarrow.Atthesametime,thebrittlenessofceramicmaterialstoimproveandincreaseitstoughness,strengthofallceramicmaterialshavebecomeacommontopicofresearchers.

ThisPaperreferredtoanumberoffamousdomesticceramicindustryexpertstoimprovethetoughnessofthematerialpresentedtoolinsights,integratedanumberofadvantagesExperimentalprocess,cometotheirownresearchideas,presentedaprogramofthefeasibilityofrelativelyhightoachievelow-costandhighratesofreturntargets,madearelativelyhightoughnessceramictoolmaterials.Formulaindeterminingtheproductbefore,weestablishedasimpleandfeasible,accurateexperimentaldatatarget,inlinewiththestrategyoflowconsumptionandefficientcompletionoftheexperimentandgetgoodperformanceoftheproduct.

Inthisstudy,aluminumboratewhiskerreinforcedaluminaceramictoolmaterial,theadditionofaluminumboratewhiskercontentonthefinalpropertiesofceramictoolmaterials,asignificanttougheningeffectbycomparingthefinishedceramictoolmaterials.

Al2O3,Al2O3/TiB2,Al2O3/TiB2/SiCw（ABS16）andAl2O3/TiB2/9Al2O3•2B2O3w（ABA8,ABA16,ABA24）ceramictoolmaterialshavebeendeveloped.ThebestdirectionsandcraftinstitutionofAl2O3/TiB2/9Al2O3•2B2O3wandAl2O3/TiB2/SiCwspecialceramictoolcompositematerialshavebeendetermined;theirhardness,flexurestrength,fracturetoughness,relativedensityhavebeendetected;Frictionandwearprocessofthetwobestspecialceramictoolcompositematerialshavebeendetected;resistanceofthetwobestspecialceramictoolcompositematerialshavebeenanalyzedandcontrasted.ItwasshownthatAl2O3/TiB2/9Al2O3•2B2O3wspecialceramictoolcompositematerialswon’tproduceAl2O3•2SiO2layers,butitwillkeepTiO2layers,ItwillovercometheadverseeffectofthefrictionandwearonthehightemperatureofAl2O3/TiB2/SiCwceramictoolmaterialscompletelyandkeepselflubricatingperformanceofTiO2layers.It’snotonlythebestspecialceramictoolcompositematerialtoreplaceAl2O3/TiB2/SiCw,butalsothebestmaterialtoreplacetoolsteel,high-speedsteel,cementedcarbideandcommonceramictool

Keywords:

Aluminumboratewhisker；ToughenedCeramics；ToolMaterial；Bendingstrength

目录

中文摘要Ⅰ

英文摘要Ⅱ

1绪论1

1.1陶瓷刀具材料的现状及发展1

1.2氧化铝陶瓷刀具的应用及发展3

1.3晶须增韧技术的应用及发展4

1.4晶须增强陶瓷基复合材料的增强机理4

1.5硼酸铝晶须的发展及应用5

1.6本课题的意义及工作7

2试验过程与研究方法8

2.1试验设计流程8

2.2试样的制备8

2.2.1配方设计8

2.2.2原料选择8

2.2.3配料9

2.2.4球磨10

2.2.5粉料干燥及水分检测10

2.2.6配料粒度分析12

2.3烧结14

2.3.1烧结温度制度14

2.3.2烧结压力制度14

2.3.3产品的后续加工15

3产品性能检测及分析16

3.1力学性能测试16

3.2刀具摩擦磨损性能的测试16

3.3试验结果16

3.3.1力学性能测试结果17

3.3.2摩擦特性测试结果17

3.3.3磨损特性测试结果18

3.4试验结果讨论19

3.4.1硼酸铝晶须含量对Al2O3/TiB2/9Al2O3·2B2O3w特种陶瓷刀具复合材料力学性能的影响19

3.4.2碳化硅晶须和硼酸铝晶须补强增韧特种陶瓷复合材料的力学性能对比19

3.4.3硼酸铝晶须含量对Al2O3/TiB2/9Al2O3·2B2O3w特种陶瓷刀具复合材料摩擦特性的影响20

3.4.4碳化硅晶须和硼酸铝晶须补强增韧特种陶瓷复合材料的摩擦特性对比20

3.4.5硼酸铝晶须含量对Al2O3/TiB2/9Al2O3·2B2O3w特种陶瓷刀具复合材料磨损特性的影响20

3.4.6碳化硅晶须和硼酸铝晶须补强增韧特种陶瓷复合材料的磨损特性对比20

3.4.7Al2O3/TiB2/9Al2O3·2B2O3w和Al2O3/TiB2/SiCw特种陶瓷刀具复合材料的摩擦与磨损机理分析21

4结论22

参考文献23

致谢24

1绪论

先进陶瓷刀具材料是21世纪最有希望、最有竞争力的刀具材料，随着现代制

造技术的发展，各种新型难加工材料在产品中的大量应用，传统的硬质合金刀具已难以满足生产需要。

在现代切削加工中，陶瓷材料以优异的耐热性、耐磨性和化学稳定性在高速切削领域和切削难加工材料方面扮演着越来越重要的角色，但陶瓷刀具材料的强度低、韧性差，制约了它的应用推广，如何提高它的韧性和强度成为了陶瓷刀具材料研究的一个重要方向。

在最近的数年中，由于新型复相陶瓷刀具材料、晶须增韧陶瓷刀具材料的出现，加上先进热压、热等静压烧结工艺的进展，使陶瓷刀具材料的性能有了很大的改善，但从使用情况看，其强度、韧性和可靠性仍嫌不足[1]。

再加之刀片的制造成本高，所以目前应用还不够广泛。

近年来,随着材料科学与制造技术的进步,可通过添加碳化物、氮化物、硼化物和氧化物等改善陶瓷的性能，还可通过颗粒、晶须、相变、微裂纹和增韧机理协同作用提高其断裂韧性和抗弯强度，故其应用范围日益扩大[2]。

当前，陶瓷刀具材料的研究进展主要集中在提高陶瓷刀具材料的性能、细化晶粒、组分复合化及采用涂层、改进烧结工艺和开发新产品等方面,以期获得更好的耐高温性能、耐磨损性能和抗崩刃性能,满足高速精密切削加工的要求[3]。

1.1陶瓷刀具材料的现状及发展

陶瓷刀具是现代金属切削加工中的一种新型材料刀具，其特点为高硬度、高强度、高红硬性、高耐磨性及优良的化学稳定性和低摩擦系数，不仅能加工某些普通刀片所不能加工的超硬材料，而且能提高生产效率。

随着现代制造技术的发展，各种新型难加工材料在产品中的大量应用，传统的硬质合金刀具已难以满足生产需要。

陶瓷刀具具有很高的硬度，耐磨性及高温力学性能，与金属的亲和力小，不易与金属产生粘结，因此陶瓷刀具可以加工传统刀具难以加工的超硬材料，且陶瓷刀具的主要原料Al2O3在地壳中的含量非常丰富,其发展及应用前景十分广阔[4]，新型陶瓷刀具更由于有很高的硬度（HRA93～95），从而可加工硬度高达HRC65的各类难加工材料，免除退火加工所消耗的电力和时间；可提高工件硬度，延长机器设备的使用寿命。

因此有人认为：

“随着现代陶瓷刀具材料性能的不断改进，今后它将与涂层硬质合金刀具、金刚石和CBN等超硬刀具一起成为高速加工三种主要刀具”[5]。

陶瓷刀具材料的种类很多，按其主要成分大致可分为氧化物系和非氧化物系，氧化物系主要有氧化铝（A12O3）系、氧化锆（ZrO2）系，非氧化物系有氮化硅（Si3N4）系、碳化硅（SiC）系、硼化钛、碳氮化物以及碳硼化合物系几类。

陶瓷刀具以其优异的耐热性、耐磨性和化学稳定性，在高速切削领域和难加工材料方面显示了传统刀具无法比拟的优势。

陶瓷刀具与硬质合金刀具相比，其硬度高（91-95HRA），耐磨性好，在相同切削条件加工钢料时，磨损仅为P10（YT15）硬质合金刀具的1/15，刀具寿命长；在1200℃时仍能保持80HRA的高硬度，所以在高温下仍能进行高速切削；另一方面，陶瓷刀具的缺点是脆性大，抗弯强度和抗热冲击性能较差，当切削温度发生显着变化时，容易产生裂纹[6]。

表1列出了陶瓷与常用硬质合金的性能对比[7]。

表1陶瓷与常用硬质合金的性能比较

刀具

材料

密度

g/cm³

硬度

HRA

抗弯

强度

Gpa

抗压

强度

GPa

断裂

韧性

MPa·m1/2

弹性

模量

GPa

热膨胀

系数（x10-6）K

耐热性

℃

陶瓷

3.2-6.6

91-95

0.4-1.3

3-5.5

3-9

280-420

3-8

1300-1400

硬质

合金

10-15

88-92

0.9-2.5

3-6

9-17

400-690

4.5-8.5

800-1000

陶瓷刀具与钢铁金属的亲和力小、摩擦因数低、抗粘结和抗扩散能力强,从而减小了切削力和切削热，高温抗弯强度好、高耐磨性、高耐腐蚀性、低膨胀系数、隔热性好及密度低，从而被广泛应用于高速切削领域[8]。

由于各种陶瓷刀具材料的原料、制备技术及微观结构的不同，从而导致它们性能不同。

陶瓷刀具适用于加工高锰钢、（高铬、镍、钼）合金钢、冷硬铸铁（HS80～90）、各类淬硬钢（HRC55～65）、各类铸铁（HB200～400）等，并已在国内汽车（齿轮、飞轮、轴、轴承等加工）、轧辊、渣浆泵（叶轮、涡壳、护板、护套等加工）、模具、缸套等行业广泛使用，解决了各行各业中高硬度难加工材料的切削加工，并能提高工作效率，大幅度地节约加工工时及电力，获得了巨大的经济效益，但硬度高的材料往往强度和韧性低，要想提高韧性往往是以硬度的下降为代价的[9]。

陶瓷刀具材料的这种硬度与韧性之间的矛盾使得研究具有高硬度同时又具有高强度、高韧性的陶瓷成为陶瓷刀具材料研究的热点[10]。

陶瓷刀具是最有发展潜力的高速切削刀具，在生产中拥有美好的应用前景，目前已引起世界各国的重视。

陶瓷刀具在机械加工中的优越性[11]：

可加工传统刀具难以加工或根本不能加工的高硬材料；不仅能对高硬度材料进行粗、精加工，也可进行铣削、刨削、断续切削和毛坯拔荒粗车等冲击力很大的加工；刀具耐用度比传统刀具高几倍甚至几十倍，减少了加工中的换刀次数，保证被加工工件的小锥度和高精度；可进行高速切削，它实现以车代磨、以铣代抛的高效“硬加工技术”及“干切削技术”，提高零件加工表面质量。

实现干式切削，对控制环境污染和降低制造成本有广阔的应用前景，切削效率比传统刀具高3～10倍，达到节约工时、电力、机床数30～70%或更高的效果。

在德国约70%加工铸件的工序是用陶瓷刀具完成的，而日本陶瓷刀具的年消耗量已占刀具总量的8%-10%[12]。

近几年来，中国陶瓷刀具的发展也十分迅速，其品种增多，性能提高。

中国开发的陶瓷与硬质合金的复合刀片，其工作表面既有陶瓷材料高的硬度与耐磨性，而基体又有硬质合金较好的抗弯强度，故能承受冲击负荷，并解决了陶瓷刀具镶焊困难等问题，为推广使用陶瓷刀具创造了条件[13]。

尤其是近几年国内外开发的新品种，尽管至今生产还未形成规模，但因性能优异，有广泛的用途，今后必将迅速发展。

可以预料，随着高速切削、干式切削和硬切削应用的增多，陶瓷刀具会越来越多的被使用。

1.2氧化铝陶瓷刀具的应用及发展

作为陶瓷刀具材料中应用技术最成熟的氧化铝陶瓷，其室温硬度与高温硬度都高于硬质合金材料。

氧化铝陶瓷是氧化物陶瓷材料中最稳定的物质,具有机械强度高、硬度大、耐磨、耐高温、耐腐蚀、高的电绝缘性与低的介电损耗等特点,它是发展比较早、成本低、应用最广的一种陶瓷材料,在航天、航空、发动机耐磨部件、刀具等方面具有十分诱人的应用前景[14]。

但是由于氧化铝陶瓷的制备技术和材料本身性能的关系，陶瓷的脆性问题始终没有得到解决，限制了它的更广泛地应用。

从材料本身性能来说，由于氧化铝熔点高，离子键较强，从而导致质点扩散系数小，烧结温度较高。

例如99氧化铝陶瓷的烧结温度可高达近1800℃。

如此高的烧结温度将促使晶粒长大，残余气孔聚集长大，导致材料力学性能降低及材料气密性差。

为此许多学者一直从事降低氧化铝陶瓷烧结温度获取细晶结构材料的研究。

他们通过试验发现，添加少量的MgO就能显著促进氧化铝陶瓷的烧结，且抑制晶粒长大，并对其机理进行了深入系统的研究。

然而添加MgO的氧化铝陶瓷烧结温度依然较高，脆性问题仍没有解决[15]。

对Al2O3陶瓷材料的大量研究表明，单组分Al2O3陶瓷材料性能很难满足特殊严酷条件下的应用。

所以，近年来Al2O3陶瓷材料的研究以单元组分材料为基础，向复相陶瓷材料发展。

复相陶瓷材料因参与组分的不同，产生增韧补强的机理也不同。

特别是在有多组分参与的情况下，可能存在着多种机理，而这些机理是否产生叠加，还需进一步探讨。

目前，Al2O3陶瓷材料强化和增韧的方法一般可分为以下几种[16]：

一、采用纤维（或晶须）复合的办法强化增韧Al2O3基材料。

如碳纤维、碳化硅晶须增韧氧化铝等。

二、把微米陶瓷颗粒弥散到Al2O3陶瓷基体中，也可达到增韧补强的效果。

但是，此种方法增韧的程度十分有限。

三、开始研究利用氧化锆的相变制备四方相氧化锆陶瓷，并用氧化锆增强增韧Al2O3陶瓷。

迄今为止，它仍然是结构陶瓷中较好的改善室温强度和断裂韧性的重要方法。

四、纳米复合增韧Al2O3陶瓷材料

陶瓷的韧性是陶瓷材料研究领域的核心问题，开展氧化铝陶瓷材料的增韧研究,具有重要的现代意义和实际应用价值。

1.3晶须增韧技术的应用及发展

晶须是指以单晶形式生长的形状类似于短纤维，而尺寸远小于短纤维的须状单晶体，晶须作为一种近似完美的单晶体，其强度接近于材料原子价键的理论强度，是一种理想的陶瓷增韧增强体，晶须作为增韧剂已被广泛应用于制备各种性能优越的新型陶瓷复合材料中[17]。

晶须强化增韧被认为是解决材料高温韧性的有效方法，而且与连续纤维强化

增韧相比，晶须增韧的工艺更为简便。

因此，晶须增韧成为了改善陶瓷韧性的一种最常用方法。

陶瓷的晶须和纤维增韧机理有[18]：

裂纹弯曲、裂纹偏转、纤维脱粘、纤维拔出和纤维桥联等。

但是，晶须增韧复合材料也存在不少问题：

如晶须成本过高且性能分散性大，分散晶须工艺复杂，晶须有致癌作用[19]等等。

晶须增韧陶瓷复合材料主要有2种方法：

外加晶须法和原位生长晶须法。

外加晶须法是把一定量的晶须加入到氧化物、碳化物、氮化物等基体中获得复合材料的一种办法，这种办法比较常见；原位生长晶须法是一种晶须合成法，是利用陶瓷基粉体和外加添加助剂发生反应，在原位生成晶须，达到增韧的目的。

1.4晶须增强陶瓷基复合材料的增强机理[20-22]

晶须主要用于陶瓷复合材料的增强骨架，陶瓷复合材料的强度σf是陶瓷基体的强度σfm和碳化硅晶须强度σfw体积的平均值。

σf=σfm+σfwfw

其中fm和fw分别是基体和晶须的体积分数。

对于弹性模量也有类似的关系式。

但理论值与实际结果存在很大的差异。

碳化硅晶须对陶瓷材料的增强机理一般有4种类型：

负荷传递、断裂桥联、裂纹偏转、拔除效应。

1.4.1负荷传递

研究认为应变时由于负荷或应力通过基体传递给晶须，由于晶须的强度大于基体的强度，并具有较大的弹性模量，当应力作用于复合材料时，晶须在周围的基体中局部的抵抗应变，使更强的应力作用与晶须，从而降低周围的基体材料所承受的应力。

1.4.2裂纹桥联

由于碳化硅晶须的存在，紧靠裂纹尖端处存在晶须与基体界面开裂区域，在此区域内，晶须把裂纹桥联起来，并在裂纹的表面加上闭合应力，对阻止裂纹扩展起到了增韧作用

1.4.3裂纹偏转

当裂纹扩展到晶须时，因晶须模量极高，由于晶须周围的应力场，基体中的裂纹一般难以穿过晶须，按原来的扩展方向继续扩展。

相反，裂纹有时会绕过晶须而扩展，即裂纹发生偏转。

偏转后的裂纹受到的拉应力往往低于偏转前的裂纹，而且裂纹的扩展路径增长了，故裂纹扩展过程中需要消耗更多的能量，导致裂纹难以继续扩展。

1.4.4拔除效应

在界面开裂区域后面，还存在晶须拔出区，拔出效应是指靠裂纹尖端的晶须在外应力作用下沿着它和基体的界面画出的现象。

显然这种效应会使裂纹尖端的应力松弛，从而减缓了裂纹的扩展。

在晶须增强陶瓷基复合材料中，以上四种增强机理同时存在，共同起作用。

只是在材料受力的不同阶段，不同增强机理的作用大小有所不同。

1.5硼酸铝晶须的发展及应用

二十世纪中叶，复合材料的研究和应用以及先进技术对材料的要求，碳化硅和氮化硅晶须的优良增强性解决了材料应用中许多问题，并用于高尖端技术和军事领域，受到了全世界的重视。

但碳化硅和氮化硅晶须昂贵的价格，又限制了他们的应用，因此寻找替代材料具有特别意义。

硼酸铝可以和碳化硅、氮化硅媲美，故硼酸铝晶须应用和研究受到了众多国家重视。

硼酸铝晶须是通过人工控制得到的针状单晶纤维，属于正交系结构的晶体，由Al2O3与B2O3以一定的比例结合得到,一般式为nAl2O3•mB203。

工业化的硼酸铝晶须单结晶极细，相对密度为2.93，熔点为1440℃，耐热温度1200℃，莫氏硬度为7，拉伸强度为7.84Gpa，拉伸弹性模量为392Gpa,化学性基本为中性；这种晶须具有高的弹性模量、良好的机械强度；耐热性、耐化学药品性、耐酸性、电绝缘性、中子吸收性能、与金属共价性等特点，不仅可以用于绝热、耐热和耐腐材料，也可用作热塑性树脂、热固性树脂、水泥、陶瓷和金属的补强剂。

硼酸铝的价格较低，仅为碳化硅晶须的1/10～1/30，是一种有很大市场潜力的新型晶须材料。

，主要用于航天、航空、建材、汽车等领域[23]。

硼酸铝晶须是非常重要的基础材料，同时它可以作为许多的复合材料，可