9
Fabrication and characterization of machinable Si 3 N 4 /h-BN functionally graded materials Wang Ruigang * , Pan Wei, Chen Jian, Jiang Mengning, Fang Minghao State Key Lab of New Ceramics and Fine Processing, Department of Materials Science and Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, PR China (Refereed) Received 26 November 2001; accepted 11 April 2002 Abstract A new design method of machinable ceramic composites was proposed, which applies the graded-structure concept to the design of machinable Si 3 N 4 ceramics. Silicon nitride/hexagonal boron nitride (h-BN) functionally graded materials (FGMs) were fabricated by hot pressing at 17508C for 2 h, varying the alignment of the amount of hexagonal BN using powder layering method. The improved machinability of Si 3 N 4 /h-BN composite can be attributed to addition of layered structure hexagonal BN. Hexagonal BN possesses excellent cleavage planes perpen- dicular to the c-axis. Ease of machining depends on degree of crystal interlocking; hence volume content of h-BN crystals and their aspect ratio affect machinability. Such design can improve the machinability of composite, and at the same time can make the mechanical properties of Si 3 N 4 ceramic not to be sacri®ced too much. The texture of h-BN and b-Si 3 N 4 was observed during hot pressing sintering. # 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved. Keywords: A. Nitride; B. Multilayer; C. Ceramic; D. Microstructure 1. Introduction Machining is emerging as an inevitable requirement for ¯exible use of advanced ceramics, especially for structural ceramics. However, extremely high hardness of ceramics makes conventional machining very dif®cult or even impossible. In the past years, a lot of researches have been focused on the improvement of cera- mic machinability [1±4]. Generally, two methods were used in improving the Materials Research Bulletin 37 (2002) 1269±1277 0025-5408/02/$ ± see front matter # 2002 Elsevier Science Ltd. All rights reserved. PII:S0025-5408(02)00773-0 * Corresponding author. Tel.: 86-10-6277-2859; fax: 86-10-6277-1160. E-mail address: [email protected] (W. Ruigang).

Fabrication and characterization of machinable Si3N4/h-BN functionally graded materials

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Fabrication and characterization of machinable Si3N4/h-BN functionally graded materials

���������� � ���������� ���� �� ������������������� ���������� ���� ���������

��� �������� � ���� !�� "��� "��� #����� ��� #�����

����� ��� ��� ��� ������� ��� ���� ���������� ���������� ��������� �������

��� ������������ ������ � !��"������� #��$��� %&&&'(� �) ����

$�������%

�����&� '( ��&����� '))*+ ����,�� ** -,��� '))'

��������

- �. ���� ����� �� ��������� ������� ���,������ .�� ,��,���� .���� �,,���� ���

�������������� ����,� �� ��� ���� ����������� ����� ��������/ ������ ��������0�����

���� ����� $����% ���������� ���� ��������� $�1#�% .��� ��������� �� ��� ,������ ��

*23)�! ��� ' �� &����� ��� ������� �� ��� ����� �� ��0����� �� ���� ,�.�� �������

�����/ 4�� ��,��&� ������������ �� ���������� ���,����� �� �� ��������� �� ����� ��

������ ��������� ��0����� ��/ 5�0����� �� ,�������� �0������ ����&��� ,���� ,��,��

������ �� ��� ���0��/ 6��� �� ������� �,�� � ����� �� ������� �������7��+ ����

&����� ����� �� ���� �������� � ����� ��,��� ����� ������ ������������/ ���� ���� ��

��,��&� ��� ������������ �� ���,������ � �� ��� ���� ���� �� ��7� ��� ���������

,��,������ �� ����� ������� �� �� �� �����8�� �������/ 4�� ��0���� �� ���� � ������� .��

�����&� ���� ��� ,������ �������/ � '))' 6���&��� ������ 9�/ -�� ������ �����&�/

�������* -/ ������+ �/ #���������+ !/ !������+ :/ #�������������

� ���� ������

#������ �� ������� �� � ��&������ ��;������� ��� <�0���� ��� �� �&������������ ��,������� ��� ���������� ��������/ 5�.�&��� �0������� ���� ������ ���������� ��7�� ��&������ ������� &��� ��8���� �� �&� ��,�������/ = ���

,��� ������ � ��� �� ���������� ��&� ��� ������ � ��� ��,��&���� �� �������� ������������ >*?�@/ 1�������� �.� ������ .��� ��� � ��,��&�� ���

#�������� �������� ������� �2 $'))'% *'(A?*'22

))'3�3�)B�)'�C ? ��� ���� ������ � '))' 6���&��� ������ 9�/ -�� ������ �����&�/

==D � ) ) ' 3 � 3 � ) B $ ) ' % ) ) 2 2 � � )

� !�����,��� ������/ 4��/D �B(�*)�('22�'B3A+ ��0D �B(�*)�('22�**()/�+���� �������* ��.��AAE�����/�������/��/� $�/ ������%/

Page 2: Fabrication and characterization of machinable Si3N4/h-BN functionally graded materials

������������ �� ������� ���������/ F� ����� �� �� ������� � .��7 ��������,���� �� ������ ��������� �������� � �����0 �� ���������� ����7 �<����� �

,��,������ ���� �������/ 4��� ����� �� ��� ���,�� ��������� ���������� ���� �� ������������ ������������� >3@/ 4�� ����� �� �������������������� .���� �� �� �,���� � ������������ �� �������� �� �G����� ��� ����������

�� ,����� ,������� � ������������ �������������� � ��������������� ���� ��,����� �������� ���� ��������� �������� >(@/

= ���� .��7� ��0����� ���� ����� $����%� .���� ��� �0������ ������������ ���� � ,�������7� ��������� ������� �� ���� �� ���,����� .�� ������ .��� ������ ����� ����,��&� ������������ �� ���,�����/ - ��������� ���������� �1# .�� �����

� ���������/ -� ��� ���� ����� ���������� ������� ���,������ .��� ���� ���,������� � ��������� ���� ,������ � &������ �� ��������� ,��,������ ���� �� �����������7 ���������� ��. ������� ����8����� � ������ ��������� �� ����� ������/

���/ * ����������� ��� ���� ����,� � ������ �,������ �� ������������ �����������1#/4�� ��.������7��������������� �� �1#� ��� ���������� �� ���������,������/ 4�� ���� ����� �� ��� ���������� �1# �� ,��� �����+ ��� ���� �����

�� ���� ������� ��������� �� �.� ����/ -� ��� ������ �� ��� ������� ���������.��� ���� � ������ ���������� ���,������ �� �� ������ ���� ������ ������

�����/ ����� �������� ���� �� ���� � ��������� � ���������� ���� ������������������� ���,������ .���� ���� �� ,����� ������ ���� ��� ������ �����������/����� ��� ����� ,��� �� ��� ��������.��� ������ ������ ��� �&������ ���� ��

��� �������� ������� � ����� ��������� ,��,������ �� ����� ���� �����/

� ������������

,-%- ��������� ���������� ��� ���������

= ���� �0,������� ������� ,�.��� $������ )/2*?*/' ��� ����� !�/� !���+ ����� )/3� ��� 1H �.�� =�������� !���% .��� ��� �� ��. ���������/ -������

���/ */ ��������� ����������� � ������ �,������ �� ��������� ���������� �1#�/

*'2) .- ) ����� �� ��- /��������� )������� # ������ 01 2,&&,3 %,456%,11

Page 3: Fabrication and characterization of machinable Si3N4/h-BN functionally graded materials

�� ��� ������� ,��,����� �� ����� � ���� .��� B .�IH'F�?' .�I-�'F� $H'F�?

-�'F�� JAA/3I� 1�=�#� !���% �� ������� ���� ��� ��0���� .��� ���������.������ ��0� � ����� � � ������ ���� .��� ������� ��� �B �� ��� ��� ��B)�! � ���&� ������� � *)) ���� ���&�/ 4�� ���������� ,������ �� ��� ���������

���������� �1# �� � ,�.���������� �����/ 4�� ,�.��� .��� ,�� ��� � ����� ���������������� � ����,����� ��� ������ ���,��� $� 3)��� *) ��% ��

*)) # �/ 4�� ���,������ ������ �� �����������/ ���� ��� ���� ����� �� ��������� ��� &����� �� ���� �� )� 3� *)� *3� ')� '3 &��I/ 4�� ����7��� �� ���� ����� .������ �� ��� �;�����

�7� � 7

� ��

$*%

.���� $7% �� &����� ������� �� ���� �� ��� ,������ 7� � ��� ������ ����������

�0,��� � � �� ��� ����7��� �� ��� ������ �����/ = ���� �0,������� ��� ����7����� ��� ������ ����� �� ����� * ��/ 1��� ���,���� .��� ������ �� *23)�! ��� ' ���� ,������� �� '3 # � � � ������ �����,����/ 4�� ����� ������ ����7��� �� ���

���� ���,����� .�� ( ��/

,-,- ���������8���� ��������� ��� ������� �� ��

K�: .�� ������ ��� �� ���� ���,������� ���� � K���� ������������� $#���-������� :�#�0���� "�,�%/ 4�� L��7��� �������� .��� ��� � ,���������,��� �� ���� ����� .��� � ��� �� 3 7� ��� ��� *3 �/ #�������������� �� ��������

������� �� ���������� �1# .��� ������� ���� ����� ����� .��� �����&� �������� ������� ��������,�� ���� 5������ �6#��3)/ 6����� ���������� $������� ��� � � �% � ��� ,��8�� �� ���� ���������� ���,������ .�� ���������� � ��

��������� ���� ����� ������� ��������,� $"�6�(�)*�%/4�� ������������ �� ��� �,����� .�� ����� ���� ������ ������ �����/ 4��

������ ����� .��� �� ���� � ����� ���� ,���� �,������ �� '3)) �,� .��� � ��,

�� .���� ,���� � ��� ���� ��, �� ��� ������ �� ���� ��/ !���������������������������� �� ��� ���� ��������� .��� ���������� �/ 4�� ������������� .���

,������ �� � )/3 �� 8��� ���� ������ ���������,��� �����;���� � .��� ��������� ������ �����&�� � � �,����� ��������,� $F���,�� �M�*' :� 9�9� "�,�%/

� ������� �� ���������

0-%- ���������8���� ��0�(/�+#� �9�

���/ *$�% � $�% ���.� �������������� ��������������� �� ��� ��������� ���&����� ��������� .��� ������ �0,��� � � * � � � '� ���,����&���/ 4�� ������������� ��� ������ &������ � ����� ��������,��/ ���� ��� ��������� �� ��� ������

� ��� ������ � ��� ��������� �� ��� ��������������� .���� ��&���� ������/ #�����,�������� ��� ��� ���7 �� ��������� � �� ��&��� ������ �� ��� ���������

.- ) ����� �� ��- /��������� )������� # ������ 01 2,&&,3 %,456%,11 *'2*

Page 4: Fabrication and characterization of machinable Si3N4/h-BN functionally graded materials

���/ '/ 6����� �������������� ,��8�� �� ���������� ���������� ���� ��������� .��� ������

�0,��� � � ' ���� ���� ����� �� ��� �����/

*'2' .- ) ����� �� ��- /��������� )������� # ������ 01 2,&&,3 %,456%,11

Page 5: Fabrication and characterization of machinable Si3N4/h-BN functionally graded materials

��������/ 4�� ������ ����8����� ��������������� �� ,��� ����� $���� �����%

���.� ��� ���8�����/ #��� ����� ������ ,�������/ ���/ ' ���.� ��� ������ �������� ��� ����� �� �1# ���� ���� ����� $,��� �����% �� � ����� $'3 &��I����������%/ 4��� ��8��� ��� ���������� �� ���� � ��� ���������� �1#/

0-,- ��7� �� �+#� ��� �+��0�(

4�� �,,������� �� � ����� ,��,������� �� ��� ��, ������� ���� ����,������

������� � ��� ��������� ���.�� �� ���� � �������/ ���� ��� K�: ������� ������0��� ���� � ������� ��0����� � ���� ���,����� ,������� � ,��,������� �� �������,������ �������/ ���/ � ����������� ��� K���� ��������� ,������ �� '3 &��I

���� ����� �� ��� ���������� �1#/ F�� ���� � ������� ,���� .�� ���� ���� ���,������/ - �0������� �� ��� ��������� ,������ ��� ��� ����,����� ���,��� ��� ��� � ��, ����� ��&���� ���� ��� ������&� ������� ��� ��� $) ) '% ,��7 ���

���� � ����� �� $* ) *%�$' * )% ��� ������� ��� ������� � ���� �.� �������� .�������8����� ������� ������� � ��� ��, ������� ��� � ��� ��� �������/ ���� ��0����

�� ���� �� �����&� � ��� �������������� ,�������,��/

0-0- :��;���<� �������� ��0�(/�+#� �9�

4�� ������ �� ���� ����� � L��7���N� ������ �� ���� ����� �� ���������� �1#

.�� �&��������/ 4�� L��7��� ������ �� ���������� ����� ������� .��� ������������ &����� ������� ���� ���� ����� �� ��� �����/ 4�� ������ �� ����������.��� '3I ���� &����� ����� �� �� ���� �� =L � 3�(2 1 �� .���� ������� ���

��;���� �� �������/ 4�� ������ �� ����� �� ��� ��������� ���� ������������� >3@

���/ �/ K�: ,������ ��7� � ��� �������� ,������� � ,��,������� �� ��� ����,������ ������� ���

������ ���������� �1#� �� '3 &��I ���� �����/

.- ) ����� �� ��- /��������� )������� # ������ 01 2,&&,3 %,456%,11 *'2�

Page 6: Fabrication and characterization of machinable Si3N4/h-BN functionally graded materials

$� 1 �% � ������ ������ ���,��� 4����!' >2@ $�?3 1 �%/ 6��� ����&��� �� �����,��� �� ���� ,�������� ������ ������ �� ������� .��� ���� ����� �� ���. ����/ �/ -���.��� ��� ����� �� ����� � ����, ������� � ��� ������ �� ����������

���,������ ������ �� �� ��� ������ ��� .��7 ��������� ����� �� ��� �������������/ -� � .��7 ,����� ��� ����� �� ���� .��� ���8� ��� ����7 �<����� ������ ��� ������ �� ���,�����/ - ��,����� ����� �� ���� ��� ���������� �� ��� ��

���8���� �� �� ��� ���� ������ .���� ����� ��� ,���� � ��� ��������������/

0-(- ������������� ��0�(/�+#� �������� ��� �9�

- &������ �� ������ ��&� ��� ����� � �� ��,��&� ��� ������������ �� �����

��������� ������ ,����� �������� � �������������� ���� $��������� ��� ������� ��������������� ���/%/ = ���� �� ������ ��� ��� ������������ �� ���� � ���

�0������ ��������� ,��,������ �� ����� �� ���� ���� ���,�������� � �������,��������� � ���� ���������� ������� ���,����� .�� �&���,� � ���� .��7/= ������� ���� � ������� �� �&������ ,��,������� �� ��� ������/ =� �� �� ���

���� ��� ������ �� ���� ���������� ���,����� ����� �������� �������� .��� ����������� ���� �����/ 4�� ������ �� ���������� .��� '3I ���� &�����

����� �� �� ���� �� =L � 3�(2 1 �� .���� ������� ��� ��;���� �� �������/ ���/ 3���.� ��� .���� �,����� ������ �� ��������� '3 &��I ���������� � ���������� �1# ���� � ������ ������ ����/ -������ �� ��� ������ ����� �

�0,������ �������� ��� ������ �� ') � '3 &��I ���� ����� �� �� ���������� ������ ������ �����/ #����&��� ��� �������� �,��� .���� �� �� ������������� �� �� ����� �� �G����� ��� ����7��� �� '3 &��I ���� �����

������� �� ��� ��;������� �� ��� �������� �,,�������/ 4�� ��������� ����&��

���/ �/ 6������ �� ��� ���� ����� � ��� ������ �� ���������� �1#/

*'2� .- ) ����� �� ��- /��������� )������� # ������ 01 2,&&,3 %,456%,11

Page 7: Fabrication and characterization of machinable Si3N4/h-BN functionally graded materials

�������� �� ���������� ���,����� ���� ������ ����� �� ���� � ��� ����&��� ��

������ ���� ����� ��������/ :���� ������� ��� ����&��� �� ���� �������� ������ ���������� �� ��� ���,����� � � ��������,�� ����� � ����.� ,�.��� ���,� �� ����������� ��&�� ���� �� ��� ������������/ 4�� ����������� ,������� �� �� ��������� ��

������ ����� ��� ��,��&���� �� ������������ ������� �� ,��&���� ���.�� ������7� ��������� .��� �������/ #����&��� �� �,,���� ���� ��� ���� ,����� ����������� .��7�� � ���� ��������� �� �������/

0->- ������� �� �� �"� ��� ��0�(/�+#� �9�

���/ ( ���.� ��� ���� ����� ��������������� �� ������ ���������� �1#/ �6#��������,�� �� �������� ������� ,������� �� ��� ,������ ������� ��8�� ��� ,�������

��������� �� ���� ,����� � ��� ����,����� ���� ���,������/ - ������� ,���������������� �� ���� ����� � ����,����� ���-�'F� >B@� ��!��� >A@� ����0��

������� >*)@� � ����'F� ��� ,��&������ ��� �����&�/ - ����� ���������������,� �� ��� �������� �������������� ������� ���.� ��� ,������ �� ��������������� ����� .��� ���� ��,��� ����� �� ��� ��������� �����/

6��� �������������� �� ���,����� ���.� ��� ������ ������� ��������� � ���,���������� ��������� �� ��� <�7� ���� ����� .��� ��� ,���� ,���� ,��,��������� ��� ��� ,������ �������� .���� ��� �� �� �� ��� ������� �� ��� ���� <�7��

���� ��� &������ <�. �� ��� ����� ,���� ��� ��� ,������/ ���� ��� � ��������������� ������� �� ���,����� .��� � ����� ���� .���� ���� ����� � � .��7

���� ���.�� ��� ������/ ��� � ����7 ��, ����� ��� ���� ����� �� .��� ,��,����������� ���� ��� �������� ���.�� ��� ����� � ���� ����� �� ���� ��� ���������.���� ��� ���� �����/ �������� ��� ����7 �<����� � ,��,������ ������ ����

<�7� ��� ��8���� ������� �� ��� ����� ���� .���� ���� ����� �� ��� ���� �����/4�� �������� ������� �� ��� ���,����� ���.� ����� ������ �� ����7 �<������,�������� � ����&��� ����7�� �� ��� ���� �����/ -�� �� .���� �0,���� ���

��,��&���� �� ������������ �� ���������� �1#/

���/ 3/ 5��� ����� .��� ������ ������ ���� � ��������� '3 &��I ���������� ���,����� �

���������� �1#/

.- ) ����� �� ��- /��������� )������� # ������ 01 2,&&,3 %,456%,11 *'23

Page 8: Fabrication and characterization of machinable Si3N4/h-BN functionally graded materials

� ����������

��� ������������ � ���� ������� ���� ,������� ��� ,������� �,,������� ������� ��������/ !������ ��� �0������ ������� � ��������� ,��,������ �� �����

.��� ��� ������������ �� ����� � ��������� ���������� �1# .�� ����� �

���������� � ��� ,��,������ �� ����� �1#� .��� 8��� �&��������/ =� .�� ���. ����

���/ (/ �6# ��������,�� �� ���������� �1# �� ������� ����� .��� ���� ���� ������ ���.��D

$�% ����� �����+ $�% 3 &��I ���������� �����+ $�% *) &��I ���������� �����+ $% *3 &��I ����������

�����+ $�% ') &��I ���������� �����+ $�% '3 &��I ���������� �����/ 4�� 5 ������� ������,�� ��

��� ����,������ �������/

*'2( .- ) ����� �� ��- /��������� )������� # ������ 01 2,&&,3 %,456%,11

Page 9: Fabrication and characterization of machinable Si3N4/h-BN functionally graded materials

������ �� ���������� ���,����� ����� ������� .��� ��� ������� �� ���� ������

.���� �� �&�������� �� ��� ������������ �� ���������� ���,������ � �1#/ -���� ���� ����� �� �� .��� 7�. ���� ��� �����7���� ,��,������ �� ���������� ��� ������������ ��������� �� ����� ������ ���� ������� ����7 ��������� � �0������

������������� .���� ������� ������&��� ���� �������/ 4���� ���������� �1# ��� �&������ �� �,,�������� � �������� 8��/

����������

>*@ :/1/ 1������� "/ -�/ !����/ ���/ 33 $*A2'% ��(/

>'@ #/�/ �������� 4/ 6�������� "/ -�/ !����/ ���/ 2A $*AA(% *A3�/

>�@ �/ / ������ !/"/ 6&��� 5/5/O/ K� �� ��/� "/ -�/ !����/ ���/ 2B $*AA3% '*3/

>�@ O/ !������� H/ -7���� "/ !����/ ���/ ",/ *)( $*AAB% **�3/

>3@ 5/5/O/ K�� �/ "������� "/ -�/ !����/ ���/ 2B $*AA3% �A2/

>(@ �/ �� �/1/ ��� �� ��/� ���� #���� #����/ 6�/ 'A $')))% B�/

>2@ 4/ 6�������� �/ !��7�������� #/�/ �������� "/ 6��/ !����/ ���/ ') $')))% '(*A/

>B@ :/ 1��������9����� 1/ ������� �/ 4��&���� "/ #����/ ���/ 9���/ 3 $*AB(% A�)/

>A@ �/ ���� 9/:/ ������ :/ /5/ 5�������� "/ -�/ !����/ ���/ (2 $*AB�% !B�/

>*)@ �/�/ 4����� "/�/ 5������� "/ -�/ !����/ ���/ B' $*AAA% '3(�/

.- ) ����� �� ��- /��������� )������� # ������ 01 2,&&,3 %,456%,11 *'22