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第 45 卷第 6 期 2017 年 6 月 硅 酸 盐 学 报 Vol. 45，No. 6 June，2017 JOURNAL OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY http://www.gxyb.cbpt.cnki.net DOI ：10.14062/j.issn.0454-5648.2017.06.13 含 MgO–Gd 2 O 3 /Lu 2 O 3 烧结助剂的 Si 3 N 4 陶瓷刀具的切削性能 郭伟明，谭大旺，王宏建，吴利翔，林华泰 (广东工业大学机电工程学院，广州 510006) 摘 要：通过热压烧结制备了以 2%(质量分数)MgO–8%Lu 2 O 3 和 2%MgO–8%Gd 2 O 3 为烧结助剂的 2 种 Si 3 N 4 刀具(分别记作SN–L 和 SN–G)。以 HT250 为工件材料，对其切削性能进行了研究。结果表明：SN–G 切削过程更稳定，刀具寿命更长，其有效切削长度约为 2 600 m，是 SN–L 的 2 倍左右。两者后刀面磨损形貌没有明显差别，摩粒磨损和黏结磨损是主要的磨损机制。SN–G 基体的晶粒较细。銮烤Я５某ぞ侗冉细，其抗弯强度和断裂韧性均比 SN–L 高 10%左右，具有更高的晶界结合强度，在切削过程中不易发生晶粒脱落，因而刀具耐磨性更好，寿命更长。 关键词：氧化镁–氧化钆/氧化镥；氮化硅；切削；刀具寿命；磨损机制 中图分类号：TG711 文献标志码：A 文章编号：0454–5648(2017)06–0836–05 网络出版时间： 网络出版地址： Cutting Performance of Si 3 N 4 Ceramic Cutting Tools with MgO–Gd 2 O 3 /Lu 2 O 3 Additives GUO Weiming, TAN Dawang, WANG Hongjian, WU Lixiang, LIN Huatai (School of Electromechanical Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China) Abstract: Si 3 N 4 cutting tools with 2%MgO–8%Lu 2 O 3 and 2%MgO–8%Gd 2 O 3 additives (i.e., SN–L and SN–G) were prepared via hot–pressing sintering, respectively. The cutting performance was investigated using HT250 cast iron as a work piece. The results show that SN–G has a better cutting performance with a higher stability during cutting process and a longer tool life, and the effective cutting length of SN-G is 2 600 m that is twice greater than that of SN–L. The morphology of the worn flank face of SN–L and SN–G has no significant difference, and the wear mechanisms mainly involve abrasive and adhesive wears. The size of matrix grains of SN–G is smaller, and the aspect ratio of reinforced grains is higher. The fracture strength and toughness of SN–G both are approximately 10% greater than those of SN–L. As a result, SN–G cutting tool has a higher wear resistance and a longer tool life. Keywords: magnesia–gadolinium oxide/lutetium oxide; silicon nitride; cutting; tool life; wear mechanism 氮化硅(Si 3 N 4 )具有高硬度、高强度、耐腐蚀以及优异的抗氧化性能和抗热震性能，是优良的高温结构材料和刀具材料 [1] 。然而，由于强共价键和低扩散系数，Si 3 N 4 较难烧结致密化。由于较低的共熔点，MgO 是最早使用的烧结助剂，虽然其可以实现氮化硅陶瓷的烧结致密，但是 MgO 与 Si 3 N 4 表面的SiO 2 反应形成的 SiO 2 –MgO 系统的玻璃相熔点低，所得氮化硅陶瓷的高温强度明显降低，后来同步引入稀土氧化物作为烧结助剂成功制备了高温强度优异的 Si 3 N 4 陶瓷 [1] 。MgO–Re 2 O 3 (Re 为稀土元素)复合助剂，可以通过液相烧结显著改善 Si 3 N 4 致密化，并可以通过控制 Re 2 O 3 种类，来调控 Si 3 N 4 陶瓷显微结构和力学性能 [2–4] 。 研究表明：在 MgO–Re 2 O 3 复合助剂中，MgO–Gd 2 O 3 和 MgO–Lu 2 O 3 可以较好的改善 Si 3 N 4陶瓷显微结构与力学性能 [5–8] 。美国橡树岭国家实验室 Becher 等研究了 MgO–Re 2 O 3 (Re=La、Gd、Lu)对热压 Si 3 N 4 陶瓷显微结构与性能的影响，结果表明：在未引入 Si 3 N 4 晶种情况下，以 MgO–Gd 2 O 3 为助剂制备的 Si 3 N 4 陶瓷具有最高的室温强度 (1 226 MPa)、高温强度(1 200 ℃，906 MPa)和断裂韧性(11~12 MPa·m 1/2 ) [6] 。Tong 等研究表明：以稀土离 收稿日期：2016–12–27。 修订日期：2017–01–19。 第一作者：郭伟明(1982—)，男，博士，副教授。 基金项目：广东省引进创新科研团队计划( 2013G061)；国家自然科学基金(51402055)资助. Received date: 2016–12–27. Revised date: 2017–01–19. First author: GUO Weiming (1982–), male, Ph.D., Associate Professor E-mail: wmguo@gdut.edu.cn 2017-05-02 14:41:10 http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.2310.TQ.20170502.1441.013.html