Composites of SiC-Si3N4 consisted of uniformly distributed elongated $\beta$-Si3N4 grains and equiaxed $\beta$-SiC grains were fabricated with $\beta$-SiC,. $\alpha$-Si3N4 Al2O3 and Y2O3 powders. By hot-pressing and subsequent annelaing elongated $\beta$-Si3N4 grains were grown via$\alpha$longrightarrow$\beta$ phase transformation and equiaxed $\beta$-Si3N4 composites increased with increasing the Si3N4 content owing to the reduced defect size and enhanced crack deflection by elongated $\beta$-Si3N4 grains and the grain boundary strengthening by nitrogen incorporation. Typical flexural strength and fracture toughness of SiC-40 wt% Si3N4 composites were 783 MPa and 4.2 MPa.m1/2 respectively.
$Si_3N_4/Sic$. nano-composites were fabricated by hot-pressing, gas pressure sintering. The composites contained up to 50 wt. % of SiC. The mechanical properties such as strength, toughness, and hardness of the composite are compared each other. The flexural strength of the composites was improved significantly by introducing fine SiC particles into $Si_3N_4$ matrix, while the fracture toughness was not improved. The increase in flexural strength is attributed to the formation of uniformly elongated $\beta -Si_3N_4$ grains as well as the reduction of grain size.
In order to fulfil the requirements of the various performance profiles of ceramic cutting tools, six different SiC-based ceramics have been fabricated by hot-pressing (SiC--${Si}_3 {N}_4$composites) or by hot-pressing and subsequent annealing (monolithic SiC and SiC-TiC composites). Correlation between the annealing time and the corresponding microstructure and the mechanical properties of resulting ceramics have been investigated. The grain size of both ${Si}_3 {N}_4$and SiC in SiC-${Si}_3 {N}_4$composites increased with the annealing time. Monolithic SiC has the highest hardness, SiC-TiC composite the highest toughness, and the SiC-${Si}_3 {N}_4$composite the highest strength among the ceramics investigated. The hardness of SiC-${Si}_3 {N}_4$composites was relatively independent of the grain size, but dependent on the sintered density. The cutting performance of the newly developed SiC-based ceramic cutting tools will be described in Part 2 of this paper.
Ultrafine Si3N4 and Si3N4+SiC mixed powders were synthesized through thermal plasma chemical vapor deposition(CVD) using a hybrid plasma, which was characterized by the supersposition of a radio-frequency plasma and arc jet. The reactant SiCl4 was injected into an arc jet and completely decomposed in a hybrid plasma, and the second reactant CH4 and/or NH3 mixed with H2 were injected into the tail flame through double stage ring slits. In the case of ultrafine Si3N4 powder synthesis, reaction efficiency increased significantly by double stage injection compared to single stage one, although crystallizing behaviors depended upon injection speed of reactive quenching gas (NH3+N2) and injection method. For the preparation of Si2N4+SiC mixed powders, N/C composition ratio could be controlled by regulating the injection speed of NH3 and/or CH4 reactant and H2 quenching gas mixtures as well as by adjusting the reaction space.
The densifying behavior of ultrafine amorphous Si3N4 (about 20 nm)-$\beta$-SiC (about 40~80 nm) powders (O2 : 1.3~15wt%, 0$700^{\circ}C$ within 15 sec and then immediately cooled and held at 135$0^{\circ}C$ for 10 min in N2 atmosphere without resorting to additives using a Xe image heating apparatus. Using an ultrafine pure Si3N4 powder with particle size less than 30nm, further more, mixed with an appropriate amount of $\beta$-SiC, was found to be advantageous to obtain uniform and homogeneous microstructure. In addition, ultrafine Si3N4 powders were also proved to be effective as sintering additive on densifying large sized Si3N4 powder compacts.
A nitrogenation of coal ash in the presence of carbon was carried out to examine the effects of reaction temperature, reaction time and carbon composition on the formation of AlN, SiC and Si3N4. Decreasing the particle size increased the formation of AlN and its maximum composition in the product was obtaiend under 1450~150$0^{\circ}C$, 2 hours of reaction time and about 30% of carbon addition(on the basis of sample weight). Compositions of SiC and Si3N4 were distributed to the opposite so that SiC showed a higher composition compared with Si3N4 at a lower temperature, a shorter reaction time and a greater carbon addition.
Synthesis of high purity ultrafine Si3N4 and ${\beta}$-Sialon powders was investigated via the simultaneous reduction and nitriding of amorphous SiO2, SiO2-Al2O3 system prepaerd by hydrolysis of alkoxides, using carbonablack as a reducing agent. In Si(OC2H5)4-C2H5 OH-H2 O-NH4OH system, hydrolysis rate increased with increasing reaction temperature and pH. Pure ${\alpha}$-Si3N4 was formed at 1350$^{\circ}C$ for 5 hrs in N2 atmosphere. In Si(OC2H5)4-Al(OC3H7)3-C6H6-H2 O-NH4OH system, weight loss increased as Si/Al ratio decreased. Single phase ${\beta}$-Sialon consisted of Si/Al=2 was formed at 1350$^{\circ}C$ in N2 and minor phases of ${\alpha}$-Si3N4, AIN, and X-phase were existed besides theSialon phase at other Si/Al ratios. The Si3N4 and Sialon powders synthesized from alkoxides consisted of uniform find particles of 0.05-0.2$\mu\textrm{m}$ in diameter, respectively.
It is known that Si3N4 ceramic insert has less hardness than Al2O3 ceramic insert. But Si3N4 ceramic insert has not only high toughness and strength but also low thermal expansion coefficient, which makes it has longer tool life under thermal stress condition. In this study, commercial Si3N4 ceramic insert and home-made SiC-Si3N4 ceramic insert which has different sintering time and chemical composition is tested under various cutting conditions. The experimental result is compared in terms of tool life and cutting force. Generally, As the cutting speed and the feed rate increased, the cutting force and the flank wear increased too. The performance of SiC-Si3N4 ceramic insert shows the possibility to be a new ceramic tool.
It is known that Si$_3$N$_4$ceramic insert has less hardness than A1$_2$O$_3$ceramic insert. But Si$_3$N$_4$ceramic insert has not only high toughness and strength but also low thermal expansion coefficient, which makes it has longer tool life under thermal stress condition. In this study, commercial Si$_3$N$_4$ ceramic insert and home-made SiC-Si$_3$N$_4$ceramic insert which has different sintering time and chemical composition is tested under various cutting conditions. The experimental result is compared in terms of tool life and cutting force. Generally, As the cutting speed and the feed rate increased, the cutting force and the flank wear increased too. The performance of SiC-Si$_3$N$_4$ceramic insert shows the possibility to be a new ceramic tool.
본 연구에서는 기상 반응법을 이용하여 TMS(Tetramethylsilane:Si($CH_3$)$_4$)와 NH$_3$그리고 H$_2$의 혼합기체로부터 반응 온도 1000~120$0^{\circ}C$ 및 입력비(NH$_3$/Si($CH_3$)$_4$) 1~3의 조건에서 초미분의 SiC-Si$_3$N$_4$복합 분말을 합성하였다. 합성되어진 복합 분말들의 결정상의 변화와 평균 입경을 알아보기 위해 XRD와 TEM 분석을 행한 결과, 구형의 비정질 분말이 형성되었으며, 입자의 크기는 약 70~130nm이었다. 입자의 크기는 입력비에 관계없이 거의 일정하였으나 반응 온도가 증가함에 따라서 감소하였다. FT-IR과 EA 분석 결과, 합성되어진 분말은 Si, N, C, 그리고 H로 이루어진 화합물임을 확인할 수 있었다. 또한 입력비가 다른 조건에서 합성되어진 분말을 $N_2$분위기 하에서 155$0^{\circ}C$로 2시간 열처리를 행한 결과, 낮은 입력비인 경우 $\beta$-SiC, $\alpha$-Si$_3$N$_4$와 $\beta$-Si$_3$N$_4$의 결정상들이 혼재하였으나, 높은 입력비인 경우는 결정화 후 $\alpha$-Si$_3$N$_4$상만이 존재하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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