De Vervaardiging van Al2O3/van het Tin Dichte Samenstellingen van het Poeder van de Grondstof Al2O3/Ti Perst Direct het Gebruiken van N2 capsule-Vrije Hiping en Hun Evaluatie samen

De Synthese van dichte samengestelde materialen met de samenstellingen van AlO₂₃ /Tin is = % vol. ~ 100/0 90/10 geprobeerd direct van AlO/₂₃(Ti, Tin_0.30) gemengde poederovereenkomsten gebruikend hetvrije hete₂ isostatic drukken van N (HIP). Het Fijne poeder van Ti (mm ~ 0.3 in diameter) werd met de fase_0.30 van het Tin voorbereid door thermische decompositie van pre-verpletterd fijn poeder₂ TiH bij 400 °C voor 1 die h in een vacuüm, door thermische behandeling in N. wordt gevolgd.₂ Dan, mengde₂₃ AlO/(Ti,_0.30 Tin) poederovereenkomsten met homogeen verspreide (Ti, Tin_0.30) deeltjes werd vervaardigd en toen werd heup-gesinterd. Tijdens het eerste stadium van HIPing [1350 MPa °C/6/1 h], vast lichaam/gas werden de reactie tussen (Ti, Tin_0.30) en N₂, waarin allebei in de poederovereenkomsten bevat waren, bewogen tot om Tin te vormen. Dan, na het opeenvolgende tweede stadium van HIPing [1350/2 h MPa °C/196], bereikten de meesten van gesinterde samenstellingen die uit AlO₂₃ bestaan en de fasen van het Tin een hogere relatieve dichtheid dan 98.5% met gesloten poriën, niettemin een capsule-vrije HIPing. Verspreiding van de enkel gevormde deeltjes van het Tin (0.30 mm ~ 0.35) onderdrukt de korrelgroei van AlO₂₃ tijdens het sinteren. De Mechanische eigenschappen, zoals buigende sterkte (s_b) zijn, Vickers hardheid (h)_V, breukhardheid (k)_IC, en andere eigenschappen geëvalueerd als functie van de inhoud van het Tin.

Aangezien de metaalnitriden vaak wenselijke gecombineerde eigenschappen, zoals hoge het smelten temperaturen, hoge hardheid, lage dichtheid, laag elektroweerstandsvermogen, uitstekende slijtageweerstand en hoge chemische stabiliteit openbaren, daarom, zijn zij wijd gebruikt in de halfgeleiderindustrieën. Onder metaalnitriden, toont het titanium (TiN)nitride uitstekend gedrag, en het heeft stijgende rente als constituent van samenstellingen voor brede toepassingen, zoals scherpe hulpmiddelen, hulpmiddeldeklaag, microelectronics1, en zonne-controlefilms aangetrokken.

Heel wat documenten op alO-Tin₂₃ samengestelde materialen zijn gepubliceerd, en veel van hen behandeld het sinteren van mengsels van het poeder₂₃ van AlO en van het Tin [2-4]. Nochtans, in de handel verkrijgbare bestaat het poeder van het Tin uit grote deeltjes omdat het blik van het Tin niet in fijn poeder met een conventioneel malenprocédé worden verpletterd toe te schrijven aan zijn uitstekende hoge hardheid. Daarom resulteerde de toevoeging van groot Tin partilces aan andere anorganische materialen vaak in vermindering van originele mechanische eigenschappen, en een verbetering van de prestaties van samengestelde materialen kan niet worden verwacht.

Hoewel het fijne poeder van Ti wordt vereist om een fijn korrelTin in de matrijs te verdelen om dichte tin-Toegevoegde samenstellingen met betere mechanische eigenschappen te vervaardigen, kan metaalTi niet in een fijn deeltje door conventioneel bal-malend proces wegens zijn hoge rekbaarheid worden verpletterd. Anderzijds, rapporteerde men dat het fijne poeder van Ti door de reducerende reactie van metaaloxides zou kunnen worden verkregen, bijvoorbeeld, thermisch behandelde onderwaterstof [5] of NH₃ [6] van fijne TiO₂. In de huidige studie om fijn metaalTi samen te stellen, werd brosse TiH₂ gekozen omdat deze samenstelling mechanisch kan worden verpletterd. Poeder van Ti met een diameter van submicron-meter werd geproduceerd door het verwarmen pre-bal-gemalen TiH₂ in een vacuüm en dan onder stikstofatmosfeer. AlO₂₃ /de Ti gemengde poederovereenkomsten werden hoog-effectief vervaardigd, waarin bevoegdheden van dit de fijne Ti uniform in AlO werden verdeeld₂₃. En de hoge drukstikstof HIPing werd toegepast densify de poederovereenkomsten gebruikend een capsule-vrije methode die brengt een vrij-selectie van vorm en grootte van gesinterde compact zonder pre-sintert van groene organismen aan bijna 92 ~ 93% relatieve dichtheid kan [1]. Deze capsule-vrije hoge druk N₂ HIPing maakt het mogelijk ook dat de te vormen metaalnitriden zich, alhoewel dit metaal niet kan zijn onder de normale druk van N₂ bij hoge temperaturen nitrized. De Gelijktijdige synthese van titaniumnitride direct van Ti en N₂ en de sinterende en mechanische eigenschappen van de gesinterde materialen werden beschreven in relatie met hun microstructuren.

Het Beginnende poeder was TiH₂ (TSHT, Co. Ltd, Hyogo, Japan, deeltjesgrootte van de Technologieën van het Titanium van Osaka van £₂ 45 van P mm, zuiverheid ~ 99.98%). Dit brosse poeder werd verpletterd met een planetarische balmolen gebruikend ballen SUS (10 mm in diameter) voor 24 h bij een roterende snelheid van 200 t/min in AR.

Het Fijne a - poeder₂₃ AlO (tm-DAR, Co. Ltd, Nagano van Chemische Producten Taimei, Japan, het mm_s van P ~ 0.10, zuiverheid ~ 99.99%) en bal-gemalen poeder₂ TiH (mm_s P~0.3) werd en gewogen in AlO₂₃ /(Ti, Tin_0.30) = mass% 100/0~89.10/10.89, veronderstellend die allen (Ti, Tin_0.30) in Tin na het aangewezen verwarmen onder de hoge druk van N₂ en dan in de samenstellingen van AlO/₂₃ Tin = % vol. ~ 100/0 90/10 zouden omzetten. Het samengestelde poeder werd droog-gemengd met een mortier en een stamper voor 1 h in AR. Dan, werd het gemengde poeder behandeld door thermische decompositie bij 400 °C voor 1 die h in een vacuüm, door thermische behandeling bij 200°C voor 1 h in N. wordt gevolgd.₂ Na thermische decompositie, werd het samengestelde poeder gemengd volledig met een planetarische balmolen gebruikend gedeeltelijk gestabiliseerde zirconiumdioxyde (PSZ)ballen (1 mm in diameter) en methylalcohol voor 10 min bij 700 t/min (een middelpuntvliedende kracht over ~ 11 g). Dan, was het poeder droog in een vacuüm voor 6 h en dan gekoeld in AR. Het droog-gemengde poeder werd samengeperst gebruikend een éénassige vorm/een duiker (13 mm in diameter) bij MPa 20 en toen, densified door koude isostatic bij (CIP) MPa te drukken 245. AlO₂₃ /(Ti, Tin_0.30) werden de gemengde poederovereenkomsten heup-behandeld. De Dichte samenstellingen₂₃ van AlO/van het Tin werden vervaardigd door capsule-vrije n-HIPing₂ (1350 Mpa °C/6/1 h +1350 Mpa °C/196/2h); deze voorwaarden werden bepaald van onze inleidende experimentele resultaten.

De Kristallijne fasen van steekproeven werden geïdentificeerd door de diffractieanalyse (XRD) van de Röntgenstraal (CuKa₁ straling met grafietmonochromator, Rint 2200, Rigaku, Osaka, Japan). De Bulk dichtheid van gesinterde steekproeven werd gemeten door de methode van Archimedes. Observatie van de Microstructuur op de breukoppervlakten van werd gesinterde steekproeven uitgevoerd door gebied-emissie type aftastenelektronenmicroscopie (FE-SEM, jsm-7001FD, JEOL Ltd., Tokyo, Japan) en hun gemiddelde korrelgrootte werd bepaald door een onderscheppingsmethode [8]. Na kristallijne faseidentificatie, werden de testbars (~ 3×3.5×11 mm³) voor mechanisch-bezitsmetingen gesneden van de gesinterde materialen met een diamant scherp-blad en toen waren hun vier kanten opgepoetst om oppervlakte met een diamantdeeg (het nominale mm van deeltjesgrootte 1-3) te weerspiegelen.

En toen werd three-point het buigen sterktes_b geëvalueerd met een cross-head snelheid van 0.5 mm/min en een mm-spanwijdte 8 lengte gebruikend de kalibers van WC. Hardheid H van Vickers_V en de breukhardheid K werden_IC geëvalueerd met een van toepassing zijnde lading van 19.6 N en een duurtijd van 15 s voor de eerstgenoemden, en de methode van de inkepingsbreuk (ALS) met de vergelijking van Niihara voor de laatstgenoemden [9].

Patronen XRD van poeder₂ TiH nadat (a) het bal-malen en (b) na dehydrogenation werd gemeten. Na bal-maalt, werden de hoofdpieken XRD van TiH_1.924 (JCPDS#25-0983) en een kleine hoeveelheid fasen Ni-Cr-Fe (van JCPDS#35-0983) waargenomen; de laatstgenoemde fase was onzuiverheden van het roestvrije schip en de bal tijdens malen. Dehydrogenation bij 400 °C in een vacuüm voor 1 h gaf een mengsel van Ti (JCPDS#44-1294) en Tin_0.30 (JCPDS#41-1352); een thermische behandeling bij lage temperatuur in N₂ resulteerde in de vorming van Tin_0.30 met een molverhouding van Ti/Tin_0.30 ~ 4/6, geschat vanaf intensiteit XRD. Figuur 1 toont de foto's van SEM voor TiH₂ na bal-maalt en een mengsel van Ti en Tin_0.30 na het dehydrogenating, openbarend de partikelgroottes van beide steekproeven van ongeveer 0.3 mm.

Figuur 1. De foto's van SEM voor TiH₂ na bal-maalt, en de steekproef die uit Ti en Tin na_0.30 het dehydrogenating bestaat.

Figuur 2. De foto's van SEM voor de breukoppervlakten van (a) een gemengd poeder (AlO/₂₃(Ti, Tin_0.3)) compact en (b) pre-gesinterde compact (1350 °C/6 MPa/1 h) met de samenstelling die aan AlO/₂₃% vol. TiN=90/10 beantwoordt.

De Bulk dichtheid van gemengde poeder (AlO/Ti/TiN_230.3) overeenkomsten steeg monotoon van 2.28 tot 2.34 Mg/m³ met stijgende (het Tin van Ti_0.3) inhoud. Omgekeerd, steeg de relatieve die dichtheid vanaf de theoretische dichtheid (3.987, 4.503 en 4.715 Mg/m³) respectievelijk wordt berekend₂₃ van AlO (JCPDS#46-1212), Ti (JCPDS#44-1294)_0.3 en Tin (JCPDS#41-1352 die) veronderstelt, dat de verhouding van het Tin_0.3 van Ti ~ 4/6 was, een weinig van 57.2 tot 57.8% (Fig. 2 (a)). Dan werden de dichte poederovereenkomsten verwarmd bij 1350 °C onder hoge stikstofdruk van MPa 6 (1 h) en volgden opeenvolgend MPa at196 (1 h), door capsule-vrije n-HIPing₂.

Na 1^st HIPing (1350 M °C/6/1 h), werden de steekproeven correspong aan de samenstellingen van AlO₂₃ /Tin = 100/0, 95/% vol. 5, en 90/10 geëvalueerd vanuit de gezichtspunten; de kristallijne faseverandering, microstructuurontwikkeling en de relatieve dichtheid, met verwachting voor vorming van Tin van Ti en Tin_0.3 en het pre-gesinterde organismen ³ 92- 93% relatieve dichtheid die slechts gesloten poriën bevatten. Patronen XRD (die Fig. 3, Ging) weg voor het poeder compacte en pre-gesinterde lichaam worden de genomen dat aan % vol. 90/10 na 1 HIPing^st beantwoordt, respectievelijk, openbaarden dat eerstgenoemde compact uit AlO,₂₃ Ti en Tin,_0.3 echter, laatstgenoemde van AlO en₂₃ Tin met een kleine hoeveelheid AlTiNO (_{0.542.460.284.58} JCPDS#42-1279), test bestond de vorming van Tin door vast lichaam/gasreactie waartussen (het Tin van Ti_0.3) en 6 MPa-N₂. De Relatieve dichtheid van pre-gesinterde organismen werd bepaald om 97.5% (100/0 % vol., bulkdichtheid van 3.89 Mg/m)³, 95.5% (95/5 % vol., 3.87 Mg/m)³, en 94.5% te zijn (90/10 % vol., 3.90 Mg/m³, Fig. 2 (B)) gebaseerd op de theoretische dichtheid van kristallijne fasen voor AlO₂₃ en Tin zonder eerbied aan AlTiNO_{0.542.460.284.58}. Deze gegevens steunen de ideeën die tijdens het 1st stadium van HIPing gemengde poederovereenkomsten zouden veranderen in pre gesinterde organismen zonder open die poriën, uit matrijs AlO₂₃ en van het Tin precipitaten worden samengesteld, en toen stadium^nd 2 de pre-gesinterde organismen in dichte samengestelde materialen onder de hoge druk van N₂ bij de zelfde temperatuur van 1350 °C. zouden resulteren.

Het patroon XRD van de HEUP sinterde organismen (Juist Fig. 3,) werd gemeten; er was weinig verandering in de kristallijne fase in de waaier van AlO₂₃ /Tin = % vol. ~ 100/0 90/10, echter, WC en AlTiNO werd_{0.542.460.284.58} ontdekt als onzuiverheden. Men dacht dat de eerstgenoemde onzuiverheid in de steekproeven tijdens het verpulveren van de dichte gesinterde materialen met een super-hard stamper WC-Co en een mortier werd gemengd en laatstgenoemde door de reactie in vaste toestand onder AlO,₂₃ Tin en_0.3 reactief Ti met geabsorbeerde zuurstof op zijn oppervlakte tijdens HIPing werd verklaard. De Bulk dichtheid van de gesinterde overeenkomsten veranderde van 3.97 tot 4.07 Mg/m³ met de stijgende inhoud van het Tin. In tegendeel, verminderde hun relatieve dichtheid van 99.6 tot 98.6%; deze relatieve dichtheid werd berekend gebruikend de theoretische dichtheid van 3.987 Mg/m³ (AlO₂₃) en 5.388 Mg/m³ (Tin: JCPDS#38-1420), in berekening, de waarden van 15.66 Mg/m³ (WC: JCPDS#25-1047) en 0.978 Mg/m³ (AlTiNO_{0.542.460.284.58}: JCPDS#42-1279) werden genegeerd wegens de kleine bedragen. De daling van relatieve dichtheid kunnen=zou= in termen van afschaffing van densification voor AlO door₂₃ de aanwezigheid van Tin worden verklaard, die in de vermindering van korrelgrootte van AlO resulteerde₂₃, zoals later zal worden beschreven.

Figuur 4 stelt de foto's van SEM voor de breukoppervlakten van voor zo voorbereid AlO₂₃ /Tin = ~ 100/0 90/10 % vol.samenstellingen na capsule-vrije n-HIPing₂ (MPa 1350°C/6/1 h-1350 MPa °C/196/1 h); de homogene microstructuren die uit kleine matrijs-korrels AlO₂₃ en de fijne die deeltjes van het Tin bestaan bij AlO korrel₂₃ grenzen worden verdeeld werden waargenomen. De Abnormale korrelgroei van matrijs-korrels₂₃ AlO werd niet erkend in alle steekproeven openbaren, die dat de homogene fijne deeltjes van het Tin controle over de korrelgroei van AlO tijdens₂₃ HIPing hadden. Van deze foto's van SEM, werd de korrelgrootte G_s van AlO₂₃ en Tin geschat: G_s van AlO₂₃ geleidelijk aan van 2.0 aan mm 1.3~1.4 is verminderd, anderzijds, G_s van Tin was bijna constant van 0.3 binnen de waaier van 0.4 mm, was het duidelijk dat deze grootte zoals Tin en Ti_0.3 als beginnende materialen dat zelfde was. De Bulk dichtheid van gesinterde overeenkomsten steeg monotoon met de stijgende inhoud van het Tin toe te schrijven aan het zware Tin, anderzijds, relatieve die dichtheid van 99.6 tot 98.6% is verminderd; alhoewel gebruikend een capsule-vrije HIPing.

Figuur 5 toont (a) three-point het buigen sterktes_b, (b) de hardheid H van Vickers_V en (c) breukhardheid K_IC van de samengestelde₂₃ materialen van AlO/van het Tin. Het sterktes werd_b verbeterd met de stijgende inhoud van het Tin tot de samenstelling van AlO₂₃ /Tin = % vol. 97/3, van ~525 aan hoogste waarde 640 MPa, en toen verminderde de_b swaarde aan ~510 MPa. Deze tendens zou kunnen worden verklaard dat van 100/0 tot 97/3 % vol. samenstellingswaaier, de relatieve dichtheid bijna het zelfde hoog was aangezien 99.3%, echter, G_s van AlO₂₃ geleidelijk aan van 2.0 aan ~1.3 mm verminderde.

(a)

(b)

Figuur 3. Linker; representatieve patronen XRD voor (a) het compacte poeder en (b) pre-gesinterd lichaam na 1^st HIPing. Recht; Patronen XRD voor de materialen₂₃ van AlO/van het Tin met de samenstellingen van % vol. 100/0~90/10 na capsule-vrij N₂ HIPing van (1350 °C/6 MPa/1 h) - (1350 °C/196 MPa/1 h).

Daarom was de verhoging van sterkte toe te schrijven aan de vermindering van AlO₂₃ korrelgrootte. Hardheid H van Vickers_V en de breukhardheid K_IC stegen tot AlO₂₃ /Tin = % vol.samenstelling 95/5, en neigden toen lichtjes te verminderen; de hoogste waarden van H_V en K_IC waren 19.5 GPa, en 4.5 MPam^1/2, respectievelijk. Deze gegevens werden verondersteld om een kleine bit te zijn beter in vergelijking met die (s_b=457 MPa, H=19.2_V GPa, MPa_IC K=4.43•m^1/2) voor monolithische die AlO₂₃ in de huidige studie wordt vervaardigd. De waarden van H_V en K_IC voor AlO₂₃ were18-23 GPa en 2.7-4.2 MPa•m^1/2 [10] werden, en die van de dunne films van het Tin of de keramiek gemeld om 16-20 Gpa [10] en MPa te zijn 3.46•m^1/2 [11], respectievelijk. Nochtans, tot nu toe, is weinig informatie betrokken over mechanische eigenschappen van bulkTin beschikbaar wegens zijn slechte sinterability en het Tin zelf is gebruikt als dunne film. Van deze gegevens zou men kunnen verklaren dat het mechanische gedrag van de huidige samenstellingen met hun relatieve dichtheid en korrelgrootte van matrijs AlO nauw verwant is₂₃.

Figuur 4. De foto's van SEM voor breukoppervlakten van de samenstellingen₂₃ van AlO/van het Tin met de diverse samenstellingen.

Figuur 5. Mechanische eigenschappen van de samenstellingen₂₃ van AlO/van het Tin (a) het buigen sterktes_b, (b) de hardheid H van Vickers_V , (c) breukhardheid K_IC als functie van de inhoud van het Tin.

De Hoogst dichte gesinterde samenstellingen₂₃ van AlO/van het Tin met de relatieve dichtheid van 98% zijn of meer vervaardigd van het gemengde poeder [AlO₂₃ /(Ti, Tin_0.30)] overeenkomsten direct door gelijktijdige synthese en het sinteren gebruikend capsule-vrije hoge druk n-HIPing₂. De Materialen met de samenstellingen van AlO₂₃ /Tin = 97/% vol. 3 die en 95/5 uit homogene (2.0-1.3₂₃ mm) bestaat matrijs AlO en de fijne die deeltjes van het Tin (~0.3 mm) uniform bij de AlO korrel₂₃ grenzen wordt verdeeld gaven hogere mechanische eigenschappen dan die van monolithische alumina. Van de resultaten van de huidige studie, is het ontruimd dat door capsule-vrije n-HIPing₂ op de voorbereiding toe te passen die van techniekkeramiek metaal-nitride bevat, dat het nitride zelfs moeilijk is om in de conventionele omstandigheden worden samengesteld, dit proces de goedkope vervaardigingsmethode van eenvoudige behandeling in een korte verrichtingstijd voorziet. En zullen de zo voorbereide metaalnitriden een nieuw breed toepassingsgebied voortaan verstrekken.

De auteurs wensen om Dr. T. Fujii, Industrieel Onderzoekscentrum van Prefectuur Shiga in Japan voor zijn aanbieding van bal-gemalen fijn poeder te danken₂ TiH.

1. Sheriff M., Eskandarany Gr., Omori M., Sumiyama K., Hirai T., Suziki K., „Plasma het Geactiveerde Sinteren voor Consolidatie van het Mechanisch Gereageerde poeder van het Tin“, J. Jpn. Soc. het Metaal van het Poeder van het Poeder., 44 (1997) 547-553.
2. Gogotsi Y.G., Porz F., „Mechanisch eigenschappen en oxydatiegedrag van₂₃ alO-AlN-Tin samenstellingen“ J. Am. Ceram. Soc., 75 (1992) 2251-2259.
3. Mocellin A., Bayer G., „Chemisch en microstructureel onderzoek van hoog-tenperatureinteractie AlN en TiO2“ J. Mater. Sc.i., 20 (1985) 3697-3704.
4. Rak Z.S., Czechowski J., „Vervaardiging en Eigenschappen van alO-Tin₂₃ Corpusculaire Samenstellingen,“ J. Eur. Ceram. Soc., 18 (1998) 373 - 380.
5. Wang Y., Yuan Z., Matsuura H., Tukihashi F., „de Kinetica van de Extractie van de Vermindering van Titania en Ijzer van een Ilmeniet door H2-Ar Gasmengsels“, Internationale ISIJ, 49 [2] (2009) 164-170.
6. Li J., Gao L., Guo J., Yam D., „Nieuwe Methode om Electroconductive het nitride-Aluminium van het Titanium Oxyde Nanocomposites“ J. Am Voor Te Bereiden. Ceram. Soc., 85 [3] (2000) 724-726.
7. Lu C.J., Li Z.Q.,“ Structurele evolutie van tiH-BC₂₄ tijdens balmalen en verdere thermische behandeling“, J. Alloys Compounds, 448 (2008) 198-201.
8. Mendelson M.I., de „Gemiddelde Grootte van de Korrel in Polycrystalline Keramiek“, J. Am. Ceram. Soc., 52 (1969) 443-446.
9. Niihara K., Morena R., Hasselman D.P.H., „Evaluatie van K_IC van Brosse Vaste Lichamen door de Methode van de Inkeping met Lage barst-aan-Paragraaf Verhoudingen“, J. Mater. Sc.i. Lett., 1 (1982) 13-16.
10. Lackey W.J., Stinton D.P., Cerny G.A., Schaffhauser A.C., Fehrenbacher L.L., „Ceramische Deklaag voor Geavanceerde Hitte een motor-Overzicht en Projectie“, Adv. Ceram. Mat., 2 [1] (1987) 24-30.
11. Moriyama M., Aoki H., Kobayashi Y., Kamata K., de „Mechanische Eigenschappen van de heet-Gedrukte Keramiek van het Tin met Diverse Additieven“, J. Ceram. Soc. Jpn., 101 [3] (1993) 279-284.

Katsuya Takaoka, Hajime Yagura, Masaki Kato en Ken Hirota
Afdeling van Moleculaire Chemie & Biochemie, Faculteit van Wetenschap & Techniek, Doshisha Universiteit, kyo-Tanabe 610-0321, Japan

Dit document werd ook gepubliceerd in af:drukken vorm vooraf „In Technologie van Materialen en de Verwerking van Materialen“, 13 [2] (2011) 93-98.