Si3N4/TiC/ZrSi2陶瓷刀具裂纹愈合性能研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2022.19.002

摘要/Abstract

摘要： 针对陶瓷刀具对裂纹敏感的问题，在Si3N4/TiC陶瓷刀具材料基体中添加ZrSi2裂纹愈合剂，使陶瓷刀具具有了裂纹自愈合能力。当ZrSi2的体积分数为10%时，Si3N4/TiC/ZrSi2陶瓷刀具材料具有较好的综合性能，其抗弯强度为815 MPa，断裂韧性为8.06 MPa·m1/2，维氏硬度为15.91 GPa，并且其相对密度可以达到99.72%。通过维氏硬度计在陶瓷刀具材料表面引入裂纹，研究了以ZrSi2为愈合剂的Si3N4/TiC基陶瓷材料裂纹的最佳愈合参数和愈合机理。研究表明：添加ZrSi2体积分数为10%的Si3N4/TiC/ZrSi2预制裂纹试样，在空气气氛中800 ℃热处理60 min后，其抗弯强度可以恢复到光滑试样的92.02%，试样表面长度为300～350 μm的裂纹完全愈合，并且试样表面形成了一层以ZrO2和SiO2为主要成分的氧化层。分析陶瓷刀具材料的裂纹愈合机理表明：在空气热处理过程中，部分在裂纹处和材料表面的愈合剂ZrSi2优先与氧气发生反应生成ZrO2、SiO2，这两种氧化物愈合了材料表面的裂纹，恢复了裂纹试样的强度。同时在切削过程中，部分在裂纹处和材料表面的愈合剂ZrSi2的氧化产物ZrO2和SiO2 可以及时修复裂纹，提高刀具的耐磨性。

关键词: 陶瓷刀具, 力学性能, 微观结构, 裂纹愈合

Abstract: To solve the problems that ceramic tools were sensitive to cracks， ZrSi2 crack repairing agent was added into Si3N4/TiC ceramic tool material matrix， which made ceramic tools have crack repairing ability. When ZrSi2 content was as 10% （volumn fraction）， Si3N4/TiC/ZrSi2 ceramic tool materials had better comprehensive properties， with flexural strength of 815 MPa， fracture toughness of 8.06 MPa·m1/2， Vickers hardness of 15.91 GPa and relative density of 99.72%. Cracks were introduced into the surface of ceramic tool materials by Vickers hardness tester， and the optimal repair parameters and repair mechanism of cracks in Si3N4/TiC-based ceramic materials with ZrSi2 as repair agent were studied. The research shows that the flexural strength of Si3N4/TiC/ZrSi2 prefabricated crack specimen with 10% ZrSi2 added may be restored to 92.02% of that of smooth specimen after heat treatment at 800 ℃ for 60 min in air atmosphere， and the crack with the surface length of 300～350 μm is completely repaired， and an oxide layer mainly composed of ZrO2 and SiO2 is formed on the surface of the specimen. The mechanism of crack repair of ceramic cutting tool materials is analyzed as follows：in the air heat treatment processes， ZrSi2， a healing agent at the crack and the surface of the material， preferentially reacts with oxygen to generate ZrO2 and SiO2， which heal the crack on the surface of the material and restore the strength of the crack sample. At the same time， during cutting， ZrO2 and SiO2， oxidation products of ZrSi2 at the cracks and material surfaces， may repair the crack in time and improve the wear resistance of the tool.

Key words: ceramic tool, mechanics property, microstructure, crack repair

中图分类号:

张帅, 陈照强, 肖光春, 衣明东, 张静婕, 周婷婷, 许崇海. Si3N4/TiC/ZrSi2陶瓷刀具裂纹愈合性能研究[J]. 中国机械工程, 2022, 33(19): 2288-2297.

ZHANG Shuai, CHEN Zhaoqiang, XIAO Guangchun, YI Mingdong, ZHANG Jingjie, ZHOU Tingting, XU Chonghai. Study on Crack Repair Performance of Si3N4/TiC/ZrSi2 Ceramic Tool Materials[J]. China Mechanical Engineering, 2022, 33(19): 2288-2297.

参考文献

［1］艾兴，刘战强，赵军，等. 高速切削刀具材料的进展和未来［J］. 制造技术与机床， 2001（8）：21-25.
AI Xing， LIU Zhanqiang， ZHAO Jun， et al. Progress and Future of High-speed Cutting Tool Materials［J］. Manufacturing Technology and Machine Tool， 2001（8）：21-25.
［2］SABERI S， YUSU R M， ZULKIFLI N， et al. Effective Factors on Advanced Manufacturing Technology Implementation Performance：a Review［J］. Journal of Applied Sciences， 2010， 13：1229-1242.
［3］TIANX， ZHAOJ， ZHAOJ， et al. Effect of Cutting Speed on Cutting Forces and Wear Mechanismsin High-speed Face Milling of Inconel 718 with Sialon Ceramic Tools［J］. International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 2013， 69：2669-2678.
［4］DENG J X. Friction and Wear Behavior of Al2O3/TiB2/SiCw Ceramic Composite at Temperature Up to 800 ℃［J］. Ceramics International， 2001， 27：135-141.
［5］季良刚. 具有自修复能力的自润滑陶瓷刀具的研制［D］. 济南：齐鲁工业大学， 2020.
JI Lianggang. Development of Self-lubricating Ceramic Tools with Self-repairing Ability［D］. Jinan：Qilu University of Technology， 2020.
［6］TAVANGARIAN F， LI G. Crack-healing in Spinel（MgAl2O4）Ceramic［J］. Materials Science and Engineering A， 2015， 641：201-209.
［7］WANG J， STEVENS R. Modification of Indentation Cracks in TZP Ceramics by Thermaltreatment［J］. Journal of Materials Science Letters， 1988， 7（6）：560-562.
［8］高操. Al微胶囊脚Al2O3高温自愈合陶瓷基复合材料研究［D］. 南京：南京航空航天大学， 2010.
GAO Cao. Study on Al203 High Temperature Self-healing Ceramic Matrix Composites with Al Microcapsules［D］. Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2010.
［9］YAMAUCHI T， ZAIMA S， MIZUNO K， et al. Solid Phase Reactionand Electrical Properties in Zr/Si System， Applied Physics Letters， 1990， 57（11）：1105-1107.
［10］GUI Kaixuan， LIU Fangyu，WANG Gang， et al. Microstructural Evolution and Performance of Carbon Fiber-toughened ZrB2 Ceramics with SiC or ZrSi2 Additive， Journal of Advanced Ceramics， 2018， 7（4）：343-351.
［11］GEWEIN H， PFRENGLE A， BINDER J R， et al. Kinetic Model of the Oxidation of ZrSi2 Powders［J］. Journal of Thermal Analysis and Calorimetry， 2008， 91（2）：517-523.
［12］WANG L， FU Q G， ZHAO F L， et al. Constructing Self-healing ZrSi2-MoSi2 Coating for C/C Composites with Enhanced Oxidation Protective Ability［J］. Surface & Coatings Technology， 2018， 347：257-269.
［13］ZAKI Z I， MOHSEN Q， ALOTAIBIC S H， et al. Studying the Self-healing Reaction Based on Zirconium Silicide in the Thermal Barrier Coating system［J］. Journal of Ceramic Processing Research， 2020， 21（2）：192-199.
［14］WANG W D， YAO D G， CHEN H B， et al. ZrSi2-MgO as Novel Additives for High Thermal Conductivity of β-Si3N4ceramics［J］. Journal of the American Ceramic Society， 2020， 103：2090-2100.
［15］BOATEMAAA L， VAN DER ZWAAG S， SLOOF W G. Self-healing of Al2O3 Containing Timicroparticles［J］. Ceramics International， 2018， 44：11116-11126.
［16］吕志杰，赵军，艾兴. Si3N4/TiC纳米复合陶瓷刀具材料氧化行为［J］. 硅酸盐学报， 2008， 36（2）：210-213.
LYU Zhijie， ZHAO Jun， AI Xing. Oxidation behavior of Si3N4/TiC Nano-composite Ceramic Tool Materials［J］. Journal of Silicate， 2008， 36（2）：210-213.
［17］Kim J J， Kim H G， Ryu H J. High-temperature Oxidation Behaviors of ZrSi2 and Its Coating on the Surface of Zircaloy—4 Tube by Laser 3D Printing［J］. Nuclear Engineering and Technology， 2020， 52（9）：2054-2063.

[1]	曾寿金, , 李传生, 刘广, 许明三, 李涤尘. 选区激光熔化梯度多孔支架力学性能和能量吸收研究[J]. 中国机械工程, 2022, 33(19): 2364-2371.
[2]	仲杨, 秦晓波, 郑志镇, 李建军, 王承. 石化容器用2.25Cr-1Mo-0.25V钢的CMT电弧熔丝增材制造工艺及组织性能研究[J]. 中国机械工程, 2022, 33(10): 1251-1259.
[3]	殷增斌, 朱智勇, 王子祥, 袁军堂. 复杂刃形陶瓷刀具微波烧结技术研究[J]. 中国机械工程, 2022, 33(08): 899-907.
[4]	衣明东, 王建平, 李传浩 , 许崇海, . 双重润滑条件下的刀具切削特性研究[J]. 中国机械工程, 2022, 33(05): 615-622.
[5]	郑宇, 郭策, 马耀鹏, 管吉钢. 仿生多层级柔性轻质结构的设计、制备及力学性能分析[J]. 中国机械工程, 2021, 32(23): 2876-2882.
[6]	张志雄, 章俊涛, 韩建超, 张长江, 张树, 王涛. 马氏体组织Ti-6Al-4V钛合金多向等温锻造组织演变及力学性能强化研究[J]. 中国机械工程, 2021, 32(22): 2739-2748.
[7]	柯庆镝, 姜丰, 张鹏, 田常俊, 秦小州. 基于修复涂层力学性能影响规律的再制造毛坯表面污染物状态评估[J]. 中国机械工程, 2021, 32(19): 2340-2347,2356.
[8]	杨旭, 周德俭, 庄功伟, 宋微, 刘潇龙, 佘雨来. 基于改进响应面法的电缆碳纤维增强复合材料集成构件电缆埋置位置优化[J]. 中国机械工程, 2021, 32(16): 2008-2015.
[9]	张天理, 武雯, 于航, 林三宝, 栗卓新. 合金元素对高强钢焊缝金属贝氏体形成及力学性能影响的研究进展[J]. 中国机械工程, 2021, 32(14): 1743-1756.
[10]	郝兆朋, 韩雪, 范依航. 碳化硅增韧氧化铝基陶瓷刀具切削Inconel718合金的刀具界面行为研究#br#[J]. 中国机械工程, 2021, 32(09): 1009-1016.
[11]	汪宏辉, 董淑磊, 钱建康, 汤克刚, 王志航, 秦熙琨, 雷正龙. 预热及保温对严寒环境X80钢管道全自动外焊焊缝组织与性能的影响[J]. 中国机械工程, 2021, 32(06): 748-755.
[12]	任利民;戴宁;程筱胜;龚赛. 点阵结构填充模型的边界强化设计方法[J]. 中国机械工程, 2021, 32(05): 594-599.
[13]	杜飞;王新云;邓磊;夏巨谌;金俊松. 高速冲击连接技术的研究进展[J]. 中国机械工程, 2021, 32(05): 600-610.
[14]	梁煜;王涛;任忠凯;韩建超;贾燚;黄庆学. 碳钢屑密度对不锈钢/碳钢屑复合板性能的影响[J]. 中国机械工程, 2021, 32(02): 212-219，226.
[15]	谢冰鑫1,2;黄亮1,2;黄攀1,2;李建军1,2;苏红亮1,2. 铝合金板料电磁翻边全流程工艺研究[J]. 中国机械工程, 2021, 32(02): 220-226.