높은 경도, 높은 강도, 우수한 내마모성 및 화학적 안정성으로 인해 질화 규소 세라믹은 세라믹 베어링, 절삭 공구 및 고온 구조 재료에 광범위한 응용 가능성을 보여줍니다. 본 연구에서는 자체 제작한 α-Si3N4 분말을 원료로 사용하고, 나노 크기의 Y2O3 및 Al2O3를 소결 첨가제로 결합하고, 질화규소 볼을 가압 소결 공정을 통해 비교적 저렴한 비용으로 제조하였다. 세라믹 볼의 치밀화, 상 조성, 미세 구조 및 기계적 특성에 대한 소결 온도의 영향이 본 논문에서 논의되었으며, 이는 준비 공정을 최적화하고 세라믹 볼의 종합적인 특성을 향상시키는 것을 목표로 합니다.
1.1 원료
사용된 원료는 질화규소 분말(자체 제작, α-Si3N4 질량 함량 93%, 산소 함량 <2%, 중앙 입자 크기 D50<1μm), 나노 이트륨 산화물(sinopyma 시약, 순도 99.9%, 중앙값)입니다. 입자 크기 D50<100nm), 나노 알루미나(sinopyma 시약, 순도 99.9%, 중앙 입자 크기 D50<100nm). 실리콘 분말의 직접 질화법에 의해 질화규소 분말을 제조하였으며, 그 미세한 형태 및 상 조성을 도 1에 나타내었다. 도 1 및 도. 2개입니다.
Fig.1 질화규소 분말의 SEM 사진
그림2 질화규소 분말의 XRD 패턴
1.2 시험과정
1.2.1 시료준비
m(Si3N4) ∈m(Y2O3) ∈m(Al2O3)=92 ∈4 ∈4의 질량비에 따라 질화규소 분말과 소결첨가제를 볼밀에 투입하고, 무수 에탄올을 용매로 사용하고 질화규소 볼을 혼합 및 분산용 분쇄 매체로 사용했습니다. 균일하게 혼합된 슬러리를 분무건조하여 과립화하고, 과립화된 분말을 건식압착 및 냉정수압압착을 통해 직경 9.525mm의 세라믹 볼 블랭크로 성형하였다. 접착제 방전 처리를 위해 세라믹 펠릿 블랭크를 공기 분위기에서 500°C에서 1시간 동안 유지했습니다. 접착제 배출 후, 세라믹 펠렛 블랭크를 대기압 소결로에 넣어 가압 소결했습니다. 소결온도는 1720∼, 1750∼, 1780∼1800∼, 유지시간은 3h, 질소압력은 2MPa로 하였다.
1.2.2 분석시험
세라믹볼의 부피밀도는 아르키메데스 배수법으로 측정하고 상대밀도를 계산한다. 계산식은 식(1)과 같다. 압입법을 사용하여 세라믹 볼의 비커스 경도(하중 98N)와 파괴인성(하중 196N)을 측정하고 계산하였다. 파괴인성의 계산방법은 Niihara 등이 제안한 방법을 참고하였다. 계산식은 식 (2)와 같다.
JB/T 1255-2014 규격에 규정된 3구 시험방법에 따라 세라믹볼의 파쇄하중을 시험하여 파쇄강도를 산출한다. 계산식은 식(3)과 같다.
시료의 상 조성은 D8 ADVANCE X-ray diffractometer(XRD)를 이용하여 분석하였다. 시료의 미세구조를 관찰하기 위해 SU8010 전계방출형 주사전자현미경(FE-SEM)을 사용하였고, 무작위 SEM 사진에서 결정립 크기와 길이-직경 비율을 측정하였다. 각 시료군의 입자수는 200개 이상이었다.
여기서 :ρrd는 세라믹 볼의 상대 밀도(실제 밀도 대비),%입니다. ρm은 세라믹 볼의 부피 밀도, g/cm3입니다. ρth는 세라믹 볼의 이론적 밀도, g/cm3입니다. ρi는 각 상의 이론적 밀도, g/cm3입니다. Vi는 각 상의 부피분율,%이다.
여기서, IFR은 세라믹 볼의 파괴인성, MPa·m1/2이고; E는 세라믹 볼의 탄성 계수 GPa이며, 여기서 E=310 GPa입니다. P는 하중,kgf(1kgf= 9.8N)입니다. a는 들여쓰기의 반 대각선 길이, μm입니다. c는 압흔 반쪽 균열의 길이,μm입니다.
여기서, σ는 세라믹 볼의 파쇄강도, MPa이고; P는 세라믹 볼의 파쇄 하중, N입니다. d는 세라믹 볼의 직경,mm입니다.
2.1 다짐
그림 3은 서로 다른 온도에서 소결한 후 질화규소 세라믹 볼 샘플의 상대 밀도와 변화를 보여줍니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, 서로 다른 소결 온도에서 세라믹 볼 샘플의 상대 밀도는 97% 이상에 도달하며, 소결 온도가 증가함에 따라 세라믹 볼의 상대 밀도는 처음에는 증가하다가 감소합니다.
소결온도를 높이면 액상의 점도가 낮아지고 물질의 이동이 촉진되어 기공배출이 촉진되어 결정립의 성장이 촉진되기 때문이나, 소결온도가 너무 높으면 이상현상이 발생하기 때문이다. 결정립의 성장은 질화규소의 분해와 액상의 휘발을 악화시켜 소결체 내부의 미세기공의 수가 증가하게 한다. 그 중 1780℃에서 소결한 세라믹볼 시료의 상대밀도가 99%로 가장 높다.
그림3 소결온도가 세라믹 볼 시료의 상대밀도에 미치는 영향
2.2 위상분석
그림 4는 다양한 소결 온도에서 세라믹 볼 샘플의 XRD 스펙트럼을 보여줍니다. 그림 4에서 볼 수 있듯이, 서로 다른 소결 온도에서 세라믹 볼 샘플의 상 조성은 동일하며 β-Si3N4, Si2N2O 및 Y4Al2O9(YAM)으로 구성되며 α-Si3N4 회절 피크는 발견되지 않습니다. 이는 1720년 ... 이상의 온도에서 α-Si3N4는 β-Si3N4로 변환되었으며 소결 온도가 증가함에 따라 Y4Al2O9의 회절 피크 강도가 점차 감소하는데 이는 고온에서 액상의 휘발로 인해 발생할 수 있습니다. .
그림4. 소결온도별 소결된 세라믹 볼 시료의 XRD 패턴
2.3 미세구조
도. 도 5는 다양한 소결 온도에서 세라믹 볼 샘플의 SEM 사진을 보여준다. 무화과. 도 6은 SEM 사진에 따른 질화규소의 결정립 크기(즉, 긴 기둥형 결정립의 직경)와 길이-직경 비율의 변화를 나타낸 것이다.
이는 도 1에서 볼 수 있다. 도 5 및 도 5 도 6을 통해 질화규소의 결정립 크기와 길이-직경 비율은 소결 온도가 증가함에 따라 점차 증가함을 알 수 있다. 이는 소결 온도가 증가함에 따라 액상의 점도가 감소하고, 점도가 낮은 액상이 물질 전달에 더 도움이 되어 β-Si3N4 입자의 핵 생성 및 성장을 촉진하기 때문입니다.
그림 5 다양한 소결 온도에서 소결된 세라믹 볼 샘플의 SEM 이미지
그림 6 세라믹 볼 시료의 입자 크기 및 종횡비에 대한 소결 온도의 영향
그 중 1720… 1750년과 1780년에 소결된 세라믹 구는 균일한 미세 구조, 조밀한 입자 패킹 및 완전한 발달을 가지며 길이 대 직경의 비율은 각각 3.5와 4.2입니다. 1 800 ℃에서 소결된 세라믹 구의 미세 구조 균일성은 좋지 않으며 미세 기공, 입자 조대화 및 비정상적인 성장이 있으며 길이 대 직경 비율이 5.3에 달합니다.
2.4 기계적 성질
그림 7은 소결 온도에 따른 세라믹 볼 시료의 비커스 경도와 파괴인성의 변화를 보여준다. Figure 7에서 알 수 있듯이, 소결 온도가 증가함에 따라 세라믹 볼의 비커스 경도는 처음에는 증가했다가 감소하며, 파괴인성은 지속적으로 증가하였다.
그림 7 세라믹볼 시료의 소결온도가 비커스경도와 파괴인성에 미치는 영향
소결온도가 1720℃일 경우 세라믹볼의 입자크기와 길이-직경비가 작아지고 기공률이 많아지며 밀도가 부족하여 비커스경도와 파괴인성이 낮아진다. 소결 온도가 1750℃로 상승하면 세라믹 볼의 입자 크기와 길이-직경 비율이 증가하고 밀도가 증가하며 비커스 경도와 파괴 인성은 각각 1540HV와 6.3MPa·m1/2로 증가합니다.
소결온도가 1780℃일 때 세라믹볼의 입자크기와 길이-직경비는 더욱 증가하여 파괴인성은 계속 증가하여 7MPa·m1/2에 이르지만 비커스 경도는 1530HV로 약간 감소한다.
1,800℃까지 온도가 계속 상승하면 세라믹 볼의 입자가 비정상적으로 성장하고, 미세조직에 미세 구멍이 생겨 밀도가 저하되어 비커스 경도가 급격히 감소하게 됩니다. 그러나 조대하고 긴 기둥형 결정립은 균열 편향, 브리지 및 결정립 인발 및 기타 강인화 메커니즘을 발휘하여 세라믹 볼의 파괴 인성을 더욱 향상시킬 수 있습니다.
그림 8. 소결 온도가 세라믹 볼 시료의 파쇄강도에 미치는 영향
그림 8은 다양한 소결 온도에서 세라믹 볼 샘플의 파쇄 강도와 변화를 보여줍니다. 도 1에서 볼 수 있듯이. 도 8에 도시된 바와 같이, 소결 온도가 증가함에 따라 세라믹 볼의 파쇄강도는 먼저 증가한 다음 감소한다. 세라믹볼의 파쇄강도는 주로 밀도, 미세구조, 내부결함에 의해 영향을 받습니다. 세라믹볼의 밀도가 높을수록 미세구조가 균일해지고 내부결함이 적어지며 파쇄강도가 높아집니다. 그 중 1750°와 1780°에서 소결된 세라믹 볼의 파쇄강도는 각각 288MPa와 296MPa로 더 높아 이 두 온도에서 소결된 세라믹 볼의 내부 결함이 상대적으로 적다는 것을 알 수 있다.
표 1. 다양한 제조공정에 따른 질화규소 세라믹볼의 기계적 성질
표 1은 공압 소결 공정으로 제조된 질화규소 세라믹 볼과 해외의 열간 등압 프레스 공정으로 제조된 질화규소 세라믹 볼의 특성을 비교한 것이다. 표 1에서 알 수 있듯이, 이번 시험에서 제조된 질화규소 세라믹볼의 비커스 경도 및 파괴인성은 외산 질화규소 세라믹볼과 동등한 수준에 도달하고, 파쇄강도도 외산 질화규소보다 높은 것을 알 수 있다 질화물 세라믹 볼. 본 실험에 사용된 소결제는 나노 크기이기 때문에 질화규소에 보다 균일하게 분산될 수 있고 질화규소의 소결 치밀화를 촉진하며 질화규소 입자 크기의 일관성을 향상시켜 제조된 세라믹 볼의 기계적 특성이 훌륭해요.
결론
본 논문에서는 자체 제작한 α-Si3N4 분말을 원료로 사용하였고, 나노 크기의 Y2O3 및 Al2O3를 소결 첨가제로 사용하여 산업적 실험을 수행하였다. 기압 소결 질화규소 세라믹 볼의 치밀화, 상 조성, 미세 구조 및 기계적 특성에 대한 소결 온도의 영향을 연구했습니다. 다음과 같은 결론을 얻었다:
(1) 소결온도가 증가함에 따라 세라믹볼의 상대밀도는 먼저 증가하다가 감소하며, 결정립크기와 길이-직경비는 점차 증가한다.
(2) 질화규소 세라믹 볼의 기계적 성질은 미세구조와 밀접한 관련이 있으며, 파괴인성은 주로 결정립 크기와 길이-직경 비율에 영향을 받는다. 파괴인성은 결정립 크기와 길이-직경 비율이 증가함에 따라 증가합니다. 비커스경도와 파쇄강도는 결정립크기뿐만 아니라 밀도, 내부결함에도 영향을 미치므로 소결온도가 증가함에 따라 먼저 증가하다가 감소하는 경향을 보인다.
(3) 1780°C에서 소결된 세라믹 볼은 가장 포괄적인 기계적 성질을 가지며, 상대밀도는 99%에 달하고, 비커스 경도는 1530HV, 파괴인성은 7MPa·m1/2, 파쇄강도는 296MPa이다.
