YA-TZP陶瓷材料的性能及在拉丝模的应用

D01:10.13374/i.issn1001-053x.1991.s2.011 第13卷第5(I)期 北京科技大学学报 Voi.13 No.5(I) 1991年9月 Journal of University of Science and Technology Beijing Sept.1991 色 YA-TZP陶瓷材料的性能及在拉丝模的应用 葛昌纯·夏元洛·柳光祖· 铺要：研究发现，YA-TZP陶瓷材料的性能取决于其显微结构。当临界品粒度约为 ~0.7μm时，其最佳机械性能为cb=940一1010MPa,K1。=10.9MPa√m,而且在 250°C时效50h无中温强度衰减。还研究了Zr02基体中不同相的形税、显微裂纹以及第二相 质点，并用透射电子显微能发现了位错网和位错线。这种YA-T之P陶瓷材科料用于拉丝模有 良好的应用前是。 关键词：YA-TZP陶瓷，显微组织结构，位错，拉丝 Investigation on Microstructure of YA-TZP and Its Application for Wire Drawing Dies Ge Changchun Xia Yuanluo Liu Guangzu ABSTRACT:The properties of YA-TZP depend on its microstructures. Optimal.combination of mechanical properties with =940~1010 MPa and KIc=10.9 MPav m was obtained as the critical grain size~0,7um,No strength degradation after aging at 250C for 50h.The morphology of diffe- rent phases in ZrO2,the microcracks and particles of secondary phase were investigated and dislocation networks and lines were found under TEM,Pre- liminary tests show good prospect on application for wire drawing dies. KEY WORDS:YA-TZP ceramic,microstructures,dislocation,wire drawing dies TZP材料是一种具有最佳综合机械性能的陶瓷材料，可以用来制作拉丝模具。但是，它 的主要弱点是中温强度衰减现象，即在中温(250~400℃)长时间时效后强度下降。这一现 1991-06-13收稿 ·特种陶瓷粉未治金研究室(Laboratory of Specia】Ceramics and Powder Metallurgy) 61

结 春第 一 翔 ， 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 “ 。 对 一 ， 户 ， 一 陶瓷材料的性能及在拉丝模的应用 葛 昌纯 ’ 夏 元 洛 柳光祖 吸肠 摘 要 研究没现 ， 入 一 肉瓷材料的性能取决于 共显微结构 。 当临界晶 粒 度 约 为 一 卜 时 ， 其最佳机械性能为 。 、 。 一 ， 。 一 ， 护石 ， 而 且 在 。 。 时效 无 中 温强度衰 减 。 还研究 了 基体中不 同相的 形貌 、 显徽裂纹以及第二 相 质点 ， 并 用透射 电子显 微镜发 现 了位错网 和位错线 。 这种 人 一 陶 瓷材料 用于拉丝模 有 良好的应用菌景 。 关键词 丫 一 陶瓷 ， 显 微组织结构 ， 位错 拉丝模 一 叭卜 ， 夕 几“ 推 “ “ 夕之 一 「 尤 。 。 ， 杯了 ， 。 口 也 名 。 卜 。 肠御 奋 五 ℃ · 五 汕 ， 。 。 卜 一 ， ， 。 ， 材料是一种具有最佳徐合机械性能的 陶 瓷材料 ， 可 以 用 来制作拉丝模具 。 但是 ， 它 的 主要弱点 是 中温强度衰减现象 ， 即 在 中温 一 ℃ 长时 间时效后强度下降 。 这一现 一 一 收稿 特种 阿瓷粉末 冶金研究室 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1991．s2．011

象被认为是在中温时效过程中，表面！一m转变所致。这就限制了其应用范围1,2)。 某些拔丝条件（如拔铜合金丝），是在肥皂水的滑下拉拔、摩棕产生的热最不能及时 散失，使模具长期在250℃左右工作，如朵不解决TZF材料的中温哀减问题，就难以使其在 拉丝模中得到应用。 本文研究了含Y2O:和A2O:的YA-TZP材料，从原料制备着手，对材料的制备工艺性 能与显微组织关系进行了研究，试制了具有优良综合机桃锉能的YA-TZP材料。本文着重研 究显微组织结构。 1 实验方法 用妇描电镜对新鲜断口进行观察，并用能谱仪进行了元素的半定量分析。由于YA- TZP陶瓷材料绝缘性很好，所以，在观察以前需对断口进行喷碳或喷金处理。 用金刚石砂轮将样品切成5mm×5mm×2mm的小片，然后通过机械磨光到50μm左右， 再用离子减薄，制成透射电镜样品，在透射扫描电子显微镜下进行组织观察。 2结果与讨论 图1是在透射扫描电子显微镜下观察到的YA-TZP陶瓷材料的典型显微组织照片。从中 可见t相晶粒具有规则的外形，近似于六边形。晶粒大小比较均匀，没有异常长大现象。按 照截距法可以估计出，图1中晶粒尺寸约为0.3μm;图1d中晶粒尺寸约为0.7nm。 晶粒尺寸对材料的淫能影响很大，只有在临界晶粒尺寸下，YA-TZP材料含有可转变 相最多。实验发现，在晶粒尺寸约为0.7μm时，材料具有最佳的综合机械性能。晶粒尺寸 小于临界值，晶界会对→m转变起抑制作；晶界尺寸大于临界值，在冷却过程中便会有 一部分t相自发转变成m相。在这两种情况下，都得不到最多的可转变t相含量。所以，只有 很好地控制YA-TZP材料的显微组织，才能充分利用→m马氏体相变的增韧效果。 图1YA-TZP材料的显微组织(TEM) Fig.1 Microstructure of YA-TZP (TEM) 62

象被认为是在中温时效过程 中 ， 表 面卜 。 转变所致 。 这溉限制了其应用 范围 〔 ‘ ， “ ” 。 一 某些拔丝 条件 如 拔铜 合 金丝 ， 是在 肥 皂水 的润滑 下拉拔 、 摩擦 产生 的 热 量不 能 及时 散失 ， 使模具 长期在 功 ℃ 左 右工作 ， 如果不 解决 材 抖的 中温哀减 问题 ， 就 难 以使其在 拉 丝模 中得 到应 用 。 本文研究 了含 。 和 州 的 一 材料 ， 从原料制备着手 ， 对材料的 制备 工 艺性 能 与显微组 织关 系进行 了研究 ， 试 制 了具 有优 良综合机 械性能 的 一 材料 。 本文着重研 究 显微组 织结 构 。 少 「 、 实 验 方 法 用扫描电镜对新鲜 断 日 进行 观察 ， 并 用能谱仪 进行 了元素的 半 定 量 分 析 。 陶 瓷材料绝缘 性很好 ， 所 以 ， 在 观察以前需对断 口 进行喷 碳 或喷金处理 。 用 金刚石砂轮将样 品切 成 义 的 小片 ， 然后通过机械磨光 到 再 用离 子减薄 ， 制 成透射 电镜 样 品 ， 在透射扫描 电子显微镜卞进行组 织观察 。 ’ 由 于 协 左 右 ， 结 果与讨论 图 是在透射扫描 电子显微镜下观察到的 一 陶瓷材料 的 典型 显 微 组 织 照片 。 从 中 可 见 相 晶粒具 有规 则 的外形 ， 近似于六边形 。 晶粒大 小 比 较均 匀 ， 没 有 异常长大现象 。 按 照截距法可 以估计 出 ， 图 中晶粒尺 寸 约为。 优 图 中晶粒尺寸 约为 。 晶粒尺 寸 对材料的性能 影响 很 大 ， 只 有在临 界 晶粒尺 寸 下 ， 一 材料含有可转变 相 最 多 。 实验 发现 ， 一 在 晶拉尺 寸 约为 时 ， 材料具有最佳 的综 合机 械性能 。 晶粒尺寸 小 于 临 界值 ， 晶界会 对 、 。 转 变起抑制 作 用 晶界尺 寸 大于 临界值 ， 在 冷却过 程 中便 会有 一部分 相 自发转变 成阴相 。 在这两 种情况 下 ， 都得不 到最多的可 转变 相 含量 。 所 以 ， 只 有 很好地 控制 一 材料 的显微组 织 ， 才能 充分 利 用 ‘ 。 马 氏体相 变的 增韧效果 。 图 一 尸材料的显 微 组织 一

图2是YA-TZP材料内的m相形貌，呈李晶状。这可能是由于在岸品的加工以及电子束 的辐照下，亚稳状态的t相在应力诱导下发生了t-→m马氏体相变的结果。可在t相基体上观察 到c相大晶粒。其尺寸约为：相晶粒的两倍。这说明c相形核比较困难，其长大速度远大于形 核速度。进一步研究可以发现，这种c相晶粒并不是单晶体，其内部含有极为细小、弥散的 析出相。Ruhle和Claussen2)也观察到过类似的结果，并证明了这些细小的析出相是t相。 它们是在冷却过程中，从c相中析出来的。 图3是在晶界上观察到的显微裂纹。一种是切向裂纹，躺在晶界上（图3下方），另一种 是径向裂纹，垂直于晶界（图3的右上方）。裂纹周围的晶粒都已发生了t→m转变。所以， 这些显微裂纹可能是由于马氏体相变产生了较大的体积膨胀而引起的，对于强度是不利的， 但是，，对于提高材料的断裂韧性却有一定的贡献。在陶瓷材料的破坏过程中，处于主裂纹 前沿应力场区域内的微裂纹处会有很大的应力集中。在集中应力的作用下，微裂纹扩展，并 与主裂纹连成一片，此过程要吸收一部分断裂能，缓和了主裂纹前沿的应力场，提高了材料 图2YA-TZP材料中m相形貌(TEM) 图2显微裂纹的透射电镜照片 Fig.2 Morphology of m-phase in Fig.3 TEM micrograph of YA-TZP (TEM) microcracks 7,08 图4YA-TZP材料的断面形貌、第二相质点(SEM) 图5A12O,质点内的位错亚结构 Fig.4 Morphology and secondary phasc Fig.5 Dislocation sub-structure particles in YA-TZP in Al2Os particles 63

图 是 一 丁 材料内的。 相形貌 ， 呈李晶状 。 这可能 是由子在 择品的加工以及电子束 的辐 照下 ， 亚稳状态 的爱相 在应 力诱导下发生 了 ‘ “ 马 氏体相 变的结果 。 可祖相 基体上观察 到。 相 大 晶粒 。 其尺寸约为‘相 晶粒 的 两 倍 。 这说 明。 相 形核比 较困难 ， 其长大速度远 大于 形 核速度 。 进一步研究可 以 发现 ， 这种 。 相 晶粒并不 是 单晶体 ， 其内部含有极为细小 、 弥散 的 析 出相 。 位 和 ” 〔 ’ 也观察到过 类似 的结果 ， 并证 明 了这些 细小的 析 出相是 相 。 它们 是在冷却过程 中 ， 从。 相 中析 出来 的 。 图 是在晶界上观察到的显微裂纹 。 一种是切 向裂纹 ， 躺 在 晶界上 图 下方 ， 另一 种 是径 向裂纹 ， 垂直于 晶界 图 的右上 方 。 裂纹周围的 晶粒都 已发生 了 ， ， 转变 。 所以 ， 这些显 微裂纹可能是 由于马氏体相 变 产生 了较大 的 体积 膨胀 而 引起的 ， 对于 强度是不 利的 ， 但 是 ， ， 对于提高材料 的断裂韧性却有一定的贡献 。 在 陶瓷材料的破坏过程 中 ， 处于 主裂纹 前沿应 力场 区域 内的微裂纹处会 有很大 的应 力集 中 。 在集 中应力的 作用 下 ， 微裂纹扩展 ， 并 与 主 裂纹连 成一片 ， 此过程 要吸 收一部分 断裂能 ， 缓和 了主裂纹前沿的应力场 ， 提高 了材料 图 一 丫 材料中仇 相 形貌 优 一 一 图 显 微裂 纹的透射 电镜 照 片 黔黔︸ 哪梦一一 于州砚稗翻 呐 朴 外卜 冲 、 〔 今 图 一 材料 的断面 形 貌 、 第二 相质 点 吐 一 图 质点内的位错亚 结构 ‘ 一

的断裂韧性。 ·从图4中可以看出断面上存在一个大的第二：相质点。能谱分析能证明这种质点是固溶 少量ZO,的A12O,颗粒。通过对大量断口样品观察证明，它不是裂纹源，其周围没有发现 放射状裂纹。相反，它还与裂纹发生交互作用，阻碍主裂纹的扩展。当主裂纹扩展到第二相 质点的前沿时，由于受到质点的阻碍，走向会发生偏转，裂纹绕过质点后才得以继续向前发 展，这对提高断裂韧性有一定贡献。 通过透射扫描电镜对这种AI2O:质点进行了进一步的观察研究，发现其中存在着大昼的 位错网及位错线，如图5所示。相当规则的位错网可能是在长时间的炉冷过程中，位错线之 间发生交互作用的结果。这种位错亚结构的作用有待进一步研究。 3YA-TZP陶瓷材料用作拉丝模的试验 用这种TZP材料制取了14.5mm×12mm,内孔为1.60mm及1.80mm的拉丝模。 对中2.0mm的黄铜进行了拉拔实验。道次压缩率分别为19%和21%，肥皂水润滑，拉了 69900m孔径没有超过规定公差。丝材表面光洁度优于用硬质合金模拉出的丝材。表明YA- TZP材料用于拉丝模的前景良好。 4结 论 :(1)YA-TZP材料的性能取决于它的显微组织。在临界晶粒尺寸~0.Tμm时，具有最佳 综合机械性能：。=940~1010MPa,KIc=10.93 MPavm。 (2)适当控制显微组织可以消除中温时效后的强度衰减。 (3)发现在Al2O,质点内存在大量位错。 (4)YA-TZP材料用于做拉丝模拉制黄铜丝效果良好。 参考文献 1 Matsui M,et al.Am.Ceram.Soc.Bull.,1981,60(3):382 2 Ruhle M,Claussen N.Advances in Ceramics,1984,12,399~407 64

的断裂韧性 。 ‘ 从图 中可 以 看 出断面上存在一个大的 第二 相 质点 。 能谱分析能证 明这 种质点 是 固溶 少 量 的 ， 颗粒 。 通过对大 量断 口 样 品 观 察证 明 ， 它不是裂纹源 ， 其周 围没 有发现 放射状裂纹 。 相 反 ， 它还与裂纹发生 交互作 用 ， 阻碍 主裂纹的 扩展 。 当主裂纹扩展 到第二相 质点 的前沿时 ， 由于受到 质点的阻碍 ， 走向会 发生偏 转 ， 裂纹绕过 质点 后才 得以继续 向前 发 展 ， 这对提高断裂韧性有一定贡 献 。 通过透射扫描电镜 对这种 。 质点 进行 了进一步的观察研究 ， 发 现其 中在在着 大 量的 位错 网及位错 线 ， 如 图 所示 。 相 当规则 的 位错 网可能 是在长时 间的炉 冷过程 中 ， 位 错 线之 间发 生 交互作用的 结果 。 这种位错 亚结 构的 作用 有待进一步研究 。 一 陶瓷材料用作拉丝模的试验 用 这种 材料制取 了中 。 ， 内孔为 中 。 及 小 。 的 拉丝模 。 对 中 。 。 ， 的黄铜进行 了拉拔 实验 。 道次压缩 率分别 为 和 写 ， 肥 皂 水 润 滑 ， 孔径没有 超过规定公 差 。 丝材表 面光洁度优于 用硬 质合金模拉 出的 丝材 。 表 明 材料用于拉丝模 的前景 良好 。 拉了 结 论 一 材料的 性能取决于 它 的显微组织 。 在临 界晶粒尺寸 一 时 ， 具 有最佳 综 合机械性能 ， 、 一 ， 尤 。 了石 。 适 当控制显微组织可 以消除 中温时效后的强度衰减 。 发现在 质点内存 在大 量位错 。 一 材料用于 做拉丝模拉制黄铜丝效果 良好 。 尽 ， 。 ， 参 考 文 献 。 。 。 ， 。 几 ， ，