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不同碳含量對C/SiC陶瓷材料的力學(xué)性能及加工性的影響*

2018-05-09 06:59豆高雅
陶瓷 2018年3期
關(guān)鍵詞:機加工陶瓷材料評判

豆高雅

(陜西金泰氯堿化工有限公司 陜西 榆林 718100)

前言

目前,玻璃窯中使用的支撐材料主要為石墨材料[1]。石墨雖然耐高溫,但材質(zhì)疏松,在高溫下易氧化和遭到損壞,且材料消耗高[2~5]。SiC材料雖然具有很好的耐高溫、耐磨損、抗熱震性、抗氧化性等,但該材料硬度極高,以至于燒結(jié)致密后無法機加工,并且在高溫下很容易與玻璃粘結(jié)在一起,不易分離[6]。因此需要研究開發(fā)一種既具有碳材料良好的可加工性又具有SiC材料良好的耐磨性、抗氧化性等優(yōu)點的復(fù)合材料來替代現(xiàn)有石墨材料,解決目前高溫玻璃夾具的難題[7]。Cp/SiC材料既耐高溫又有一定的強度,可以多次反復(fù)使用[8]。尤為可貴的是它可以進行鉆孔,車削,適合復(fù)雜形狀模板的后加工,這種新型材料由于符合工業(yè)生產(chǎn)的需求,很容易推廣,可促進工業(yè)生產(chǎn)的進步,降低生產(chǎn)成本[9]。因此,Cp/SiC新材料由于其優(yōu)良的耐高溫性和易加工性,在玻璃夾具行業(yè)具有極大的應(yīng)用發(fā)展?jié)摿10~14]。目前國內(nèi)已有幾家玻璃制造公司提出了應(yīng)用需求[15]。

前期課題已對碳含量分別為10%、15%、25%時對Cp/SiC的力學(xué)性能、機加工性、抗氧化性和熱穩(wěn)定性進行了研究。一方面由于所研究含碳量設(shè)置較少,影響實驗結(jié)論的準(zhǔn)確性和后續(xù)研究;另一方面在研究機加工性時單純的通過打孔時間來衡量,而打孔是采用人工操作,施力大小不易控制。因此有必要對上述部分存在的問題繼續(xù)進行深入研究,并采用其它的方法對機加工結(jié)果予以輔助,進而提高實驗結(jié)論的可靠性和科學(xué)性。

本研究主要結(jié)合玻璃工業(yè)中對材料的特殊需求:要求工業(yè)玻璃部件燒制過程中的支座材料必須要耐980 ℃高溫,同時與玻璃部件不能粘結(jié),還希望有一定強度,可以反復(fù)使用,可以很容易地加工成復(fù)雜的形狀等特殊要求進行研究。經(jīng)過前期實驗發(fā)現(xiàn),C/SiC材料可以滿足以上要求,有希望成為一種應(yīng)用廣泛的新材料。本實驗針對前期研究存在的問題,提出以下解決方案。研究碳含量分別為0、10%、15%、20%時Cp/SiC復(fù)合材料密度、機加工性、力學(xué)性能以及與玻璃的粘結(jié)性。同時運用模糊數(shù)學(xué)理論,以材料的物理、力學(xué)性能為依據(jù),提出了一種對可加工陶瓷材料可加工性進行綜合評判的方法。通過引入隸屬函數(shù)和特征加權(quán),使可加工性邊界模糊化,能夠在很大程度上體現(xiàn)領(lǐng)域?qū)<业闹R及思維結(jié)構(gòu),所得出的綜合評判結(jié)果能較為準(zhǔn)確反映各種可加工陶瓷材料的可加工性,進而得出機加工性最佳時所對應(yīng)的碳含量。同時,模型理論推導(dǎo)與實際加工檢測相結(jié)合,提高實驗結(jié)論的可靠性。制備出符合工業(yè)生產(chǎn)需要的新材料,即可以帶動生產(chǎn)技術(shù)改進,推動經(jīng)濟發(fā)展,又給材料研究和新材料開發(fā)帶來新的商機和發(fā)展。

1 實驗

1.1 主要原料

油酸(分析純,萊陽市雙雙化工有限公司);納米碳黑(化學(xué)純,國藥化學(xué)試劑集團);SiC顆粒(化學(xué)純(純度≥97%,D50=0.657級,寧夏機械研究院);碳化硼顆粒(化學(xué)純,鄭州嵩山硼業(yè)科技有限公司);分散劑Darvanc(化學(xué)純,濰坊瑞光化工有限公司)。

1.2 主要儀器

實驗用主要儀器見表1。

表1 實驗用主要儀器

續(xù)表1

1.3 實驗過程

1.3.1 混料

按表2配方進行稱量,將稱量好的SiC、C、B4C裝入樹脂罐中,加入600 g研磨介質(zhì),球、料比為2∶1,將添加劑(油酸、Darvanc、乙醇、水)在燒杯中混合均勻,再加入樹脂罐中,用玻璃棒攪拌且混合均勻,把配制好的粉料裝在三維混料機上球磨6 h。

1.3.2 干燥

將球磨好的混合漿料放置于干燥箱中烘干,10 h后取出,用研缽研磨,過80目篩后備用。

表2 實驗配方

1.3.3 成形

本實驗采用干壓法制備C/SiC復(fù)合陶瓷的坯體。具體步驟為:將稱量好的粉料倒入金屬壓模中,振動壓平后,把金屬模放在干壓機壓頭下,然后以16 t的壓力通過壓機壓頭進行單向加壓,保壓30 s后進行脫模。將試樣進行編號,用游標(biāo)卡尺測量其尺寸,用電子稱測量其質(zhì)量并記錄以上數(shù)據(jù)。

圖1 碳化硅陶瓷燒結(jié)曲線

將粉料壓制成50 mm×50 mm的方塊,每份料壓制4塊,質(zhì)量為30 g/塊(加粉30 g)。

用塑料膜將試樣包裹,按實驗室默認條件加壓、保壓后取出,要注意及時編號,以免混淆。

1.3.4 樣品燒結(jié)

將C/SiC復(fù)合陶瓷的坯體放置于石墨坩堝,素坯之間依次用石墨紙隔開以防止燒結(jié)過程樣品之間相互粘結(jié)。用氬氣作為保護氣,按圖1設(shè)定的燒結(jié)制度燒結(jié),在1 000 ℃以下用熱電偶測溫人工控制升溫速率,在1 000 ℃以上用紅外進行測溫,用預(yù)設(shè)的程序進行自動控制燒結(jié)。用游標(biāo)卡尺稱量各組燒結(jié)體的長、寬、高,并用電子天平稱量其質(zhì)量,記入表格。

1.3.5 密度測量(阿基米德排水法)

先用分析天平稱量各試樣的干重,再測其濕重,將數(shù)據(jù)記入表格。計算公式如下:

(1)

在測量過程中應(yīng)注意的事項有:①不能讓試樣表面產(chǎn)生氣泡;②從水中取出測量濕重(要使天平歸零);③測量中不要碰實驗臺;④如果試樣體表的氣泡過多,則必須將試樣置于蒸餾水中煮沸0.5 h后再測定;⑤實驗儀器用完恢復(fù)原貌,打掃實驗室衛(wèi)生。

1.3.6 試樣的磨切

1)將試樣在平面磨床上進行加工,使其表面平整。在此過程中應(yīng)注意:①將試樣平放在墊片上;②在研磨過程中,由于試樣的硬度不同,應(yīng)注意下刀尺寸,防止刀口和試樣損壞。

2)用劃片切割機將試樣塊切為標(biāo)準(zhǔn)試樣條,即3 mm×4 mm,用作抗彎強度測試。在切割的過程中應(yīng)注意:①將試樣平行的粘在平臺上;②為保護試樣下刀應(yīng)盡量慢;③根據(jù)試樣調(diào)整切割速度,以免損壞儀器及試樣;④若工作時間過長導(dǎo)致電機過熱,為保護電機應(yīng)適時使其停止工作。

1.3.7 力學(xué)性能檢測

1.3.7.1 抗彎強度的測定

抗彎強度的測定:抗彎強度測試在萬能材料試驗機上進行,標(biāo)準(zhǔn)試樣尺寸為3 mm×4 mm×36 mm,采用三點彎曲法測量,跨距為30 mm,加載速率為0.5 mm/min,每個數(shù)據(jù)測試4根試條,然后取其平均值。

1.3.7.2 硬度和斷裂韌性的測定

采用多能磨拋機將試樣進行拋光,且使其成鏡面狀。然后通過圖像處理,維氏硬度計測量試樣的微觀硬度。

1.3.8 機加工測試

1)用碳鋼鉆頭對陶瓷進行打孔實驗,計時20 s,手工打孔,并對出現(xiàn)現(xiàn)象予以描述,評判不同含量陶瓷鉆孔加工的難易程度(注:實驗現(xiàn)象注意觀察鉆孔孔徑大小是否均勻,加工表面是否光滑,鉆孔粉末是否均勻細膩)。

2)運用模糊數(shù)學(xué)理論,以材料的物理、力學(xué)性能為依據(jù),提出了一種對可加工陶瓷材料可加工性進行綜合評判的方法。

2 結(jié)果與討論

2.1 C/SiC復(fù)相陶瓷的XRD物相組成分析

圖2為C/SiC復(fù)相陶瓷燒結(jié)樣品粉末的XRD圖。

從圖2可以看出,加入碳后,在2θ=26.30處,樣品的XRD圖譜中出現(xiàn)了碳的特征峰。此外,通過與標(biāo)準(zhǔn)PDF卡片對比后發(fā)現(xiàn),在圖2中能找到29-1129(β-SiC)和29-1131(α-SiC)的3個強峰,說明燒結(jié)后的樣品出現(xiàn)了α-SiC和β-SiC兩種晶型,即SiC燒結(jié)后發(fā)生了晶型轉(zhuǎn)變,并有部分保留到了常溫。

而且在加入碳后,與純SiC相比,樣品的α-SiC峰變強。這可能是加入碳能夠促進β-SiC向α-SiC轉(zhuǎn)變。

另外需要說明:所使用的碳化硅原粉的主要晶相是α-SiC。

圖2 C/SiC復(fù)相陶瓷燒結(jié)樣品粉末XRD圖

2.2 C/SiC復(fù)相陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)分析

圖3為不同含碳量對C/SiC復(fù)相陶瓷微觀形貌的影響。

從圖3(a)可以看出,純SiC的顆粒尺寸大約為2 μm,顆粒大小分布較為均為;從圖3(b)、圖3(c)和圖3(d)中可以看出,在SiC顆粒周圍開始出現(xiàn)無定型的碳,并且隨著碳含量的增加,SiC周圍的碳逐漸增加。圖3(c)中顆粒分布不均勻,相比之下,圖3(b)和圖3(d)顆粒分布較均勻,而且碳與SiC的結(jié)合情況較好。但圖3(b)C/SiC復(fù)相陶瓷更為致密。

2.3 碳含量對C/SiC復(fù)相陶瓷密度的影響

圖4為碳含量對Cp/SiC復(fù)相陶瓷的密度的影響。

由圖4可見,隨著碳含量的增加,Cp/SiC復(fù)相陶瓷的密度逐漸降低。由于碳的理論密度比SiC的理論密度低,所以由密度的復(fù)合法則可知,隨著碳含量的增加,復(fù)相陶瓷的混合密度必然逐漸降低。由于本實驗采用真空燒結(jié),所以所制樣品的密度較高。

2.4 碳含量對C/SiC復(fù)相陶瓷體收縮率的影響

圖5為碳含量對Cp/SiC復(fù)相陶瓷體收縮率的影響。

圖3 不同含碳量對C/SiC復(fù)相陶瓷微觀形貌的影響

圖4 碳含量對Cp/SiC復(fù)相陶瓷燒結(jié)體密度的影響

圖5 碳含量對Cp/SiC復(fù)相陶瓷體收縮率的影響

從圖5中可以看出,隨著碳含量的增加,Cp/SiC復(fù)相陶瓷的線收縮率逐漸減小,這可能是由于本實驗所使用的碳為納米級,在SiC成形和燒結(jié)的過程中,碳顆粒填充了SiC顆粒的間隙,從而使SiC基體體收縮較少。對于可加工陶瓷而言,單純從控制陶瓷尺寸方面考慮,加入碳可能有利于燒結(jié)后陶瓷的穩(wěn)定。

2.5 碳含量對陶瓷抗彎強度的影響

圖6為碳含量對Cp/SiC復(fù)相陶瓷抗彎強度的影響。

圖6 碳含量對Cp/SiC復(fù)相陶瓷抗彎強度的影響

從圖6可以看出,純SiC的抗彎強度值較高,但隨著碳含量的增加,復(fù)相陶瓷抗彎強度逐漸降低。這可能是由于碳的強度較低,加入碳后,復(fù)相陶瓷中的微裂紋的數(shù)量增加,塑性變形能力下降所致。根據(jù)復(fù)合材料的強度復(fù)合法則可知,隨著陶瓷中碳含量的增加,復(fù)相陶瓷的抗彎強度會有所下降,但由圖6可知,在碳含量為10%時,抗彎強度大于100 MPa,能滿足玻璃夾具的使用對強度的要求。

但所制樣品的抗彎強度整體偏低,由于前期工藝過程基本完善,出現(xiàn)此問題的關(guān)鍵可能是所用粉末原料存在問題,有待進一步通過實驗論證。

2.6 碳含量對陶瓷顯微硬度和斷裂韌性的影響

通過打磨含碳量為15%和20%的陶瓷樣品發(fā)現(xiàn),由于碳含量偏高,將其表面無法打磨成鏡面,導(dǎo)致陶瓷顯微硬度和斷裂韌性無法測量。

2.7 碳含量對陶瓷機械加工性的影響

圖7為不同碳含量復(fù)合陶瓷的鉆孔實驗照片。

圖7 碳含量對陶瓷機械加工性的影響

實驗中用普通合金鋼鉆頭對含碳量分別為0、10%、15%、20%的C/SiC復(fù)相陶瓷進行鉆孔實驗,鉆孔時間均為20 s。

通過對比圖7及實際加工現(xiàn)象可知,圖7(c)、圖7(d)所對應(yīng)孔徑邊緣整齊,內(nèi)壁表面光滑,沒有出現(xiàn)崩裂現(xiàn)象,相比之下,圖7(d)孔徑大,孔洞深;圖7(b)對應(yīng)樣品孔徑較均勻,但鉆孔阻力大,孔淺、粉末不均勻,孔邊緣有崩裂現(xiàn)象,很難加工;圖7(a)對應(yīng)樣品幾乎不能進行鉆孔加工,且孔邊緣有崩裂現(xiàn)象。即隨著碳含量的增加,復(fù)合陶瓷機加工性逐漸增強。這可能來源于碳顆粒間的弱結(jié)合以及碳與SiC基體之間形成的弱界面,在鉆孔時,裂紋會優(yōu)先在弱結(jié)合區(qū)沿著弱結(jié)合或弱界面處產(chǎn)生和擴展,造成基體晶粒的剝落,從而易于加工。

2.8 數(shù)學(xué)建模分析

陶瓷是典型的硬脆加工材料,通常選擇昂貴的金剛石工具加工,導(dǎo)致生產(chǎn)成本偏高。因此降低加工成本和提高陶瓷材料的可加工性,是陶瓷推廣應(yīng)用亟需要解決的問題[19]。但對于陶瓷材料還沒有一種全面考慮各個影響因素的可加工性評價方法,一般借鑒金屬材料的評判方法評測,如刀具磨損率、表面粗糙度、材料去除率等。事實上,材料的可加工性是由多個影響因素決定的,是一項綜合性能,而且還存在許多模糊性的因素,如易切削、較易切削等,沒有明確的界限。怎樣建立一個指標(biāo)體系,考慮陶瓷各個物理、力學(xué)性能對陶瓷的可加工性進行評價,是現(xiàn)如今亟待解決的問題。模糊綜合評價是對受多種因素影響的事物做出全面評價的一種十分有效的多因素決策方法,其特點是評價結(jié)果不是絕對的肯定和否定,而是以一個模糊集合來表示。

這說明鑒于此,筆者運用模糊數(shù)學(xué)理論,考慮材料的物理和力學(xué)性能,提出了一種對可加工陶瓷的加工性進行評判的方法。模型建立過程如下:

2.8.1 模糊評價模型的建立

2.8.1.1 建立因素集

陶瓷的加工性與多個因素有關(guān),需要考慮多個因素,這些因素涉及陶瓷的物理、力學(xué)性能參數(shù)。一般包括陶瓷的斷裂韌性、硬度、彈性模量、強度、泊松比等。

設(shè)U={u1、u2、u3、…、un}為材料的物理、力學(xué)性能參數(shù)值的集合。因為只是初步研究,暫時先取3個因素,并設(shè)定u1為材料硬度,Hv;u2為材料斷裂韌性,KIC;u3為材料彈性模量E。

2.8.1.2 建立判斷集V

將材料的可加工性分成若干等級,將若干等級組成評判集V,組成評判集語。本著科學(xué)和模糊的原則,筆者將陶瓷材料加工分為5類,以提高評判的準(zhǔn)確性和可行性。即V={v1、v2、v3、v4、v5}={已加工、較易加工、適中、較難加工、難加工}。

2.8.1.3 單因素評判

(2)

2.8.1.4 建立權(quán)重集

2.8.1.5 模糊綜合評判

2.8.1.6 建立綜合評價指標(biāo)

為了能夠準(zhǔn)確區(qū)分各種陶瓷的機加工性能優(yōu)劣,可以采用CT去乘B,即綜合評價指標(biāo)H=ET·B,E={2,1,0,-1,-2}。得到綜合評判集H=(h1,h2,...,hn),分別比較hi數(shù)值的大小,數(shù)值越大,所對應(yīng)的材料的可加工性越好。

2.8.2 模型求解

對于陶瓷材料,E反映材料發(fā)生彈性變形的難以程度,KIC反映材料阻礙裂紋擴展的能力,Hv反映材料抵抗外界破壞的能力,因而在陶瓷材料的實際加工中,這3個因素對材料的機加工起到了關(guān)鍵性的作用。一般而言,這3個性能值越大越難加工,但對于部分陶瓷,有些難以通過這些數(shù)值從表觀上準(zhǔn)確判斷,其性能如表3所示。

表3 可加工陶瓷材料的性能[21]

據(jù)文獻資料可知,1#材料的可加工性好于2#,但Hv的值1#大于2#。

表4 Y-TZP/LaPO4陶瓷力學(xué)性能[18]

因此,機加工影響因素選擇斷裂韌性、彈性模量、材料硬度。即U={Hv,KIC,E}。因此,機加工影響因素選擇斷裂韌性、彈性模量、材料硬度。

由于模型所需的斷裂韌性及彈性模量暫時無法檢測,所以從文獻中查得表4所示數(shù)據(jù),用于模型驗證。據(jù)文獻顯示,隨著LaPO4含量的增加,Y-TZP/LaPO4陶瓷機加工性逐漸增加。

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論,將材料的可加工性大致分為5個等級,即V={v1、v2、v3、v4、v5}={已加工、較易加工、適中、較難加工、難加工}。材料的可加工性等級相對于被評價的一組材料只具有相對性,而不是一個絕對的概念。根據(jù)可加工陶瓷與機加工性能之間的關(guān)系,選擇的隸屬函數(shù)為:

表5 隸屬度函數(shù)特征參數(shù)值[22]

將實驗所得數(shù)據(jù)及表數(shù)據(jù)代入公式(1),計算出ui對vj的隸屬度rij,進而可以計算出單因素評判矩陣R。

通過計算KIC所對應(yīng)隸屬度函數(shù)值大于1,由于隸屬度的值理論范圍在0~1,所以模型存在問題,經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn),模型主要存在以下3點問題:

1)模糊評判模型中權(quán)重向量有相關(guān)領(lǐng)域?qū)<掖_定,存在一定的主觀性。

2)隸屬度函數(shù)的選擇沒有找到充分的理論依據(jù),導(dǎo)致模型結(jié)果與實際有偏差。

3)隸屬度函數(shù)特征值的計算未完全理解清楚。

2.8.3 解決方法

陶瓷材料因其難易加工,評判的方法主要是對比在相同條件下各種材料相對加工的難易程度,例如難加工、較難加工、易加工、較易加工等,都是一些模糊概念,沒有絕對的界限。而模糊綜合評價模型是解決此類問題的良方。最近在材料的磨削加工性的評價中,對此方法也有一定的研究[20]。如果能完善模型,設(shè)計出相應(yīng)軟件,將對材料研究產(chǎn)生一定的推動作用。因而,針對模型存在的問題提出以下兩點解決方案:

1)可以考慮在模糊綜合評價的基礎(chǔ)上,采用模糊層次綜合評判法,對陶瓷材料的加工性進行評價。首先采用層次分析法確定各指標(biāo)對加工性的影響程度。進而應(yīng)用模糊綜合評價模型對陶瓷材料的加工性進行評價,這樣就能減小權(quán)重確定的主觀性,對陶瓷材料的加工性進行較為準(zhǔn)確的預(yù)測。

2)由于陶瓷材料的性能數(shù)據(jù)符合典型的正態(tài)分布,所以可優(yōu)先嘗試采用正太分布函數(shù)為隸屬度函數(shù)。通過選擇多個離散點的隸屬度值進行比較以及繪制函數(shù)曲線圖,得到較復(fù)合客觀事實的參數(shù),再根據(jù)模型進行計算。

3 結(jié)論

本實驗設(shè)計初衷主要有以下兩點:

1)在前期研究的基礎(chǔ)上,結(jié)合本次實驗碳含量對抗彎強度、斷裂韌性、顯微硬度等的影響,利用SPSS軟件擬合出不同碳含量分別與抗彎強度、斷裂韌性、顯微硬度等的關(guān)系方程,進而繪出碳含量與陶瓷性能曲線,并預(yù)測其它碳含量所對應(yīng)的陶瓷性能,再輔以實驗論證;

2)通過模糊數(shù)學(xué)理論,結(jié)合陶瓷的抗彎強度、斷裂韌性、顯微硬度、彈性模量等,建立模糊綜合評價模型,對陶瓷的機加工進行理論層面的推導(dǎo),并結(jié)合實際加工予以輔助論證。進而在條件允許的條件下,開發(fā)出相應(yīng)的軟件,為研究陶瓷的機加工提供參考。但由于時間等諸多因素,本次實驗只得出以下結(jié)論:

燒結(jié)后的C/SiC復(fù)相陶瓷中含有碳,而且SiC發(fā)生了晶型轉(zhuǎn)變,并且α-SiC比β-SiC的結(jié)晶度更好。

在0、10%、15%、20%4個碳含量中,碳含量為10%的C/SiC復(fù)相陶瓷的顯微組織最致密,而且碳與SiC的結(jié)合情況較好。

隨著碳含量的增加,C/SiC燒結(jié)體的密度和體收縮率都逐漸減小。

隨著碳含量的增加,C/SiC燒結(jié)體的抗彎強度逐漸減小。當(dāng)碳含量為10%的C/SiC燒結(jié)體的抗彎強度能滿足高溫玻璃夾具使用要求(抗彎強度均大于100 MP)。隨著碳含量的增加,復(fù)相陶瓷的機加工性能也逐漸增強。

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