含烧结助剂的氮化硅陶瓷制备技术

由于强的共价键结合，Si₃N₄陶瓷具有理想的工程性能：高的强度，良好的热稳定性（1850℃分解），良好的抗氧化性能，低的线胀系数（意味着良好的抗热震性能），比许多金属高的弹性模量。纯的氮化硅难以烧结致密，因此需要加入适量的烧结助剂，如Al₂O₃、Y₂O₃、MgO等。表5-18所示为氮化硅基陶瓷刀具材料和氧化铝基陶瓷刀具的性能比较。

表5-18 氮化硅基和氧化铝基陶瓷刀具的性能比较

氮化硅基陶瓷具有下列一些特点。

1.较高的强度

氮化硅陶瓷的抗压强度可达4000MPa以上，与YT类硬质合金相近。从表5-18中可以看出，氮化硅基陶瓷的抗弯强度已达1000MPa，高于氧化铝基陶瓷。氮化硅陶瓷在1000℃时，强度几乎不下降。即使温度高达1300～1400℃，仍能保留相当高的抗弯强度（见表5-19）。

表5-19 α-Si₃N₄与β-Si₃N₄和高温抗弯强度的关系

2.良好的韧性

从表5-18可以看出，氮化硅陶瓷的断裂韧度值高于氧化铝陶瓷。由于氮化硅陶瓷具有良好的韧性，切削时不易产生裂纹，因此在一般陶瓷不能胜任的氧化皮切削、断续切削、湿式切削和端铣等场合，氮化硅陶瓷刀具都具有稳定的切削性能，抗崩刃性能特别好。特别适用于一般陶瓷刀具不适合加工的可锻铸铁、斯太立合金、耐热合金等材料的氧化皮断续切削。

3.较高的高温硬度

从图5-9中可以看出，氮化硅陶瓷的常温硬度比氧化铝混合陶瓷要低，因此其耐磨性要低于氧化铝混合陶瓷。但是它在耐磨性要低于氧化铝混合陶瓷。但是它在900℃时的硬度在几种陶瓷中却是最高的。

4.优良的耐热冲击性能(www.xing528.com)

从表5-18中可以看出，氮化硅陶瓷的热导率比氧化铝陶瓷高2.5～3倍，线胀系数不到氧化铝陶瓷的一半，弹性模量也较低，因此具有优良的耐热冲击性能。从表5-20中可以看出，其耐热冲击性能远优于氧化铝基陶瓷，和TiN基硬质合金相近，因此可用于湿式加工。

图5-9 几种陶瓷的高温硬度

表5-20 不同陶瓷及硬质合金的耐热冲击性能

注：Δt是将试件加热后放入水中产生裂纹的临界温度。

5.良好的化学稳定性

氮化硅与碳元素及一般金属元素的化学反应较小，同时具有良好的抗氧化性能，在1200℃以下基本上不会被氧化，氧化温度比YT类硬质合金高200℃以上。其化学稳定性较Al₂O₃陶瓷刀具低。在高温下易分解，高于1550℃时发生分解，分解出来的Si与金属的亲和力较大。这也是Si₃N₄陶瓷刀具耐磨性差的一个原因。

6.良好的自润滑性能

氮化硅陶瓷具有良好的自润滑性能，因此加工时和工件之间的摩擦因数低，同时具有良好的抗粘接性能，与有色金属熔融体也不易起反应，用氮化硅刀具切削铝、铜等有色金属时，不易产生粘接和积屑瘤，有利于减小加工表面粗糙度。

由于氮化硅陶瓷的上述特性，使其刀具适用于粗铣、断续车削、工件轮廓极不规则时的粗车以及湿式加工，大大扩展了陶瓷刀具的使用范围。