En raison de sa dureté élevée, de sa résistance élevée, de son excellente résistance à l'usure et de sa stabilité chimique, les céramiques de nitrure de silicium présentent un large éventail de perspectives d'application dans les roulements en céramique, les outils de coupe et les matériaux structurels à haute température. Dans cette étude, de la poudre d'α-Si3N4 fabriquée par nos soins a été utilisée comme matière première, combinée à du Y2O3 et de l'Al2O3 à l'échelle nanométrique comme additifs de frittage, et des billes de nitrure de silicium ont été préparées par un processus de frittage sous pression à un coût relativement faible. L'effet de la température de frittage sur la densification, la composition des phases, la microstructure et les propriétés mécaniques des billes en céramique a été discuté dans cet article, dans le but d'optimiser le processus de préparation et d'améliorer les propriétés globales des billes en céramique.
1.1 Matières premières
Les matières premières utilisées sont de la poudre de nitrure de silicium (faite maison, teneur massique α-Si3N4 93 %, teneur en oxygène < 2 %, taille médiane des particules D50 < 1 μm), de l'oxyde de nano-yttrium (réactif sinopyma, pureté 99,9 %, médiane taille des particules D50 < 100 nm), nano-alumine (réactif sinopyma, pureté 99,9 %, taille médiane des particules D50 < 100 nm). La poudre de nitrure de silicium a été préparée par le procédé de nitruration directe de la poudre de silicium, et sa morphologie microscopique et sa composition en phases ont été représentées sur la figure 1. 1 et la fig. 2, respectivement.
Fig.1 Images SEM de poudre de nitrure de silicium
Fig.2 Modèle XRD de poudre de nitrure de silicium
1.2 Processus de test
1.2.1 Préparation des échantillons
Selon le rapport massique m(Si3N4) â¶m(Y2O3) â¶m(Al2O3)=92 â¶4 â¶4, la poudre de nitrure de silicium et les additifs de frittage ont été ajoutés au broyeur à boulets, et l'éthanol anhydre a été utilisé comme solvant et la bille de nitrure de silicium a été utilisée comme milieu de broyage pour le mélange et la dispersion. La suspension uniformément mélangée a été pulvérisée à sec et granulée, et la poudre granulée a été transformée en ébauche de bille en céramique de 9,525 mm de diamètre par pressage à sec et pressage isostatique à froid. L'ébauche de granulés de céramique a été maintenue dans une atmosphère d'air à 500 °C pendant 1 h pour le traitement de décharge de colle. Après la décharge de la colle, l'ébauche de granulés de céramique a été placée dans le four de frittage sous pression atmosphérique pour le frittage sous pression. La température de frittage était de 1 720 °C, 1 750 °C, 1 780 °C, 1 800 °C, le temps de maintien était de 3 heures et la pression d'azote était de 2 MPa.
1.2.2 Test d'analyse
La densité volumique de la bille en céramique est mesurée par la méthode de drainage d'Archimède et la densité relative est calculée. La formule de calcul est présentée dans l'équation (1). La méthode d'indentation a été utilisée pour mesurer et calculer la dureté Vickers (charge 98N) et la ténacité à la rupture (charge 196N) de la bille en céramique. La méthode de calcul de la ténacité à la rupture s'est référée à la méthode proposée par Niihara et al. La formule de calcul est présentée dans l'équation (2).
Selon la méthode de test à trois billes stipulée dans la norme JB/T 1255-2014, la charge d'écrasement de la bille en céramique est testée et la résistance à l'écrasement est calculée. La formule de calcul est présentée dans l'équation (3).
La composition des phases des échantillons a été analysée par diffractomètre à rayons X (XRD) D8 ADVANCE. Le microscope électronique à balayage à émission de champ SU8010 (FE-SEM) a été utilisé pour observer la microstructure des échantillons, et la taille des grains et le rapport longueur-diamètre ont été mesurés sur les photos SEM aléatoires. Le nombre de grains dans chaque groupe d'échantillons n'était pas inférieur à 200.
Où :ρrd est la densité relative de la bille en céramique (par rapport à la densité réelle), % ; ρm est la densité volumique de la bille en céramique, g/cm3 ; ρth est la densité théorique de la bille en céramique, g/cm3 ; ρi est la densité théorique de chaque phase, g/cm3 ; Vi est la fraction volumique de chaque phase,%.
Où, IFR est la ténacité de la bille en céramique, MPa·m1/2 ; E est le module élastique de la bille en céramique, GPa, où E = 310 GPa ; P est la charge, kgf (1 kgf = 9,8 N) ; a est la longueur demi-diagonale de l'indentation, μm ; c est la longueur de la fissure à demi-pointe d'indentation, μm.
Où : σ est la résistance à l’écrasement de la bille en céramique, MPa ; P est la charge d'écrasement de la bille en céramique, N ; d est le diamètre de la boule en céramique, mm.
2.1 Compactage
La figure 3 montre la densité relative et les modifications d'échantillons de billes en céramique de nitrure de silicium après frittage à différentes températures. On peut voir sur la figure 3 que la densité relative des échantillons de billes en céramique à différentes températures de frittage atteint plus de 97 % et qu'avec l'augmentation de la température de frittage, la densité relative des billes en céramique augmente d'abord puis diminue.
En effet, l'augmentation de la température de frittage peut réduire la viscosité de la phase liquide, favoriser la migration des substances et l'exclusion des pores et accélérer la croissance des grains, mais une température de frittage trop élevée entraînera un résultat anormal. la croissance des grains, aggravent la décomposition du nitrure de silicium et la volatilisation de la phase liquide, de sorte que le nombre de micropores à l'intérieur du corps fritté augmente. Parmi eux, la densité relative des échantillons de billes de céramique frittées à 1 780 °C est la plus élevée, soit 99 %.
Fig.3 Effet des températures de frittage sur la densité relative des échantillons de billes de céramique
2.2 Analyse des phases
La figure 4 montre les spectres XRD d'échantillons de billes en céramique à différentes températures de frittage. Comme le montre la figure 4, la composition des phases des échantillons de billes de céramique à différentes températures de frittage est la même, composée de β-Si3N4, Si2N2O et Y4Al2O9(YAM), et aucun pic de diffraction α-Si3N4 n'est trouvé, ce qui indique qu'en 1720 À des températures de ℃ et plus, l'α-Si3N4 a été transformé en β-Si3N4, et avec l'augmentation de la température de frittage, l'intensité du pic de diffraction de Y4Al2O9 diminue progressivement, ce qui peut être causé par la volatilisation de la phase liquide à haute température. .
Fig.4 Modèles XRD d'échantillons de billes en céramique frittés à différentes températures de frittage
2.3 Microstructure
FIG. 5 montre des photos SEM d'échantillons de billes en céramique à différentes températures de frittage. FIGUE. 6 montre les changements de taille des grains (c'est-à-dire le diamètre des grains colonnaires longs) et le rapport longueur-diamètre du nitrure de silicium selon les photos SEM.
On peut voir sur la Fig. 5 et la fig. 6 que la taille des grains et le rapport longueur-diamètre du nitrure de silicium augmentent progressivement avec l'augmentation de la température de frittage. En effet, la viscosité de la phase liquide diminue avec l'augmentation de la température de frittage et la phase liquide à faible viscosité est plus propice au transfert de masse, ce qui favorise la nucléation et la croissance des grains de β-Si3N4.
Fig.5 Images SEM d'échantillons de billes en céramique frittées à différentes températures de frittage
Fig.6 Effet de la température de frittage sur la taille des grains et le rapport d'aspect des échantillons de billes en céramique
Parmi eux, la microstructure des sphères en céramique frittées à 1720° présente de nombreux pores et petits grains, qui ne sont pas complètement développés, et le rapport longueur/diamètre n'est que de 2,6. Les sphères en céramique frittées à 1 750 °C et 1 780 °C ont une microstructure uniforme, un garnissage de grains compact et un développement complet, et le rapport longueur/diamètre est respectivement de 3,5 et 4,2. L'uniformité de la microstructure des sphères en céramique frittées à 1 800 °C est médiocre, il y a des micropores, un grossissement des grains et une croissance anormale, le rapport longueur/diamètre atteint 5,3.
2.4 Propriétés mécaniques
La figure 7 montre les changements de dureté Vickers et de ténacité à la rupture d'échantillons de billes en céramique à différentes températures de frittage. Comme le montre la figure 7, avec l'augmentation de la température de frittage, la dureté Vickers de la bille en céramique a d'abord augmenté puis diminué, et la ténacité à la rupture a continué d'augmenter.
Fig.7 Effet de la température de frittage sur la dureté Vickers et la ténacité à la rupture des échantillons de billes en céramique
Lorsque la température de frittage est de 1 720 °C, la taille des grains et le rapport longueur-diamètre des billes en céramique sont plus petits, la porosité est plus importante et la densité est insuffisante, de sorte que la dureté Vickers et la ténacité à la rupture sont inférieures. Lorsque la température de frittage atteint 1 750 °C, la taille des grains et le rapport longueur-diamètre des billes en céramique augmentent, la densité augmente et la dureté Vickers et la ténacité à la rupture augmentent respectivement à 1 540 HV et 6,3 MPa·m1/2..
Lorsque la température de frittage est de 1 780 °C, la taille des grains et le rapport longueur-diamètre des billes en céramique augmentent encore, et la ténacité à la rupture continue d'augmenter, atteignant 7 MPa·m1/2, mais la dureté Vickers diminue légèrement jusqu'à 1 530 HV.
Lorsque la température continue de monter jusqu'à 1 800 â, les grains des billes de céramique grossissent anormalement, et il y a des microtrous dans la microstructure, provoquant une détérioration de la densité, entraînant une forte baisse de la dureté Vickers. Cependant, les grains colonnaires longs et grossiers peuvent exercer une déviation des fissures, un arrachement des ponts et des grains et d'autres mécanismes de trempe, qui améliorent encore la ténacité à la rupture des billes en céramique.
Fig.8 Effet de la température de frittage sur la résistance à l'écrasement des échantillons de billes en céramique
La figure 8 montre la résistance à l'écrasement et les modifications d'échantillons de billes en céramique à différentes températures de frittage. Comme on peut le voir sur la Fig. 8, avec l'augmentation de la température de frittage, la résistance à l'écrasement de la bille en céramique augmente d'abord puis diminue. La résistance à l'écrasement de la bille en céramique est principalement affectée par la densité, la microstructure et les défauts internes. Plus la densité de la bille en céramique est élevée, plus la microstructure est uniforme, moins il y a de défauts internes et plus la résistance à l'écrasement est élevée. Parmi eux, la résistance à l'écrasement des billes en céramique frittées à 1 750° et 1 780° est plus élevée, 288 MPa et 296 MPa respectivement, ce qui indique que les défauts internes des billes en céramique frittées à ces deux températures sont relativement peu nombreux.
Tableau 1. Propriétés mécaniques des billes en céramique de nitrure de silicium par divers procédés de préparation
Le tableau 1 montre la comparaison des propriétés des billes en céramique de nitrure de silicium préparées par procédé de frittage pneumatique et celles préparées par procédé de pressage isostatique à chaud à l'étranger. Il ressort du tableau 1 que la dureté Vickers et la ténacité de la bille en céramique de nitrure de silicium préparée dans cet essai atteignent le même niveau que celles de la bille en céramique de nitrure de silicium étranger et que la résistance à l'écrasement est supérieure à celle du silicium étranger. boule en céramique de nitrure. Étant donné que l'agent de frittage utilisé dans cette expérience est à l'échelle nanométrique, il peut être dispersé plus uniformément dans le nitrure de silicium, favoriser la densification du nitrure de silicium par frittage, améliorer la cohérence de la taille des grains du nitrure de silicium, de sorte que les propriétés mécaniques des billes en céramique préparées sont excellent.
Conclusion
Dans cet article, de la poudre d’α-Si3N4 fabriquée par nos soins a été utilisée comme matière première et du Y2O3 et de l’Al2O3 à l’échelle nanométrique ont été utilisés comme additifs de frittage pour mener des expériences industrielles. Les effets de la température de frittage sur la densification, la composition des phases, la microstructure et les propriétés mécaniques de la bille céramique de nitrure de silicium de frittage barométrique ont été étudiés. Les conclusions suivantes ont été obtenues :
(1) Avec l'augmentation de la température de frittage, la densité relative de la bille en céramique augmente d'abord puis diminue, et la taille des grains et le rapport longueur-diamètre augmentent progressivement.
(2) Les propriétés mécaniques des billes en céramique de nitrure de silicium sont étroitement liées à leur microstructure, et la ténacité à la rupture est principalement affectée par la taille des grains et le rapport longueur-diamètre. La ténacité à la rupture augmente avec l'augmentation de la taille des grains et du rapport longueur-diamètre. La dureté Vickers et la résistance à l'écrasement ne sont pas seulement affectées par la taille des grains, mais également liées à la densité et aux défauts internes, donc avec l'augmentation de la température de frittage, la tendance à l'augmentation puis à la diminution.
(3) La bille en céramique frittée à 1780° possède les meilleures propriétés mécaniques complètes, sa densité relative atteint 99 %, la dureté Vickers, la ténacité à la rupture et la résistance à l'écrasement sont respectivement de 1530HV, 7MPa·m1/2 et 296MPa.
