軸承用陶瓷材料的制備新工藝

1 熱等靜壓技術

熱等靜壓[5]是把粉末壓坯或裝入特制容器內的粉末體(粉末包套)置入熱等靜壓機高壓容器中，以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮氣為傳壓介質，通過施以高溫和高壓，使粉末體被壓制和燒結成致密的零件或材料的過程。與傳統的氣壓法、熱壓法等技術相比，熱等靜壓技術應用于陶瓷材料中，更有效地強化了壓制和燒結過程，促進材料致密化。熱等靜壓技術已在制備Si3N4發動機噴嘴、燃氣渦輪機葉片、陶瓷刀具、軸承球及開關電路基片等產品中得到了實際應用[6]。其優點是可以降低燒結助劑的含量和燒結溫度，大幅度提高制品的性能，且各向同性、組織結構優良。表1所示為分別采用傳統氣壓燒結方法和熱等靜壓技術制備得到的氮化硅材料性能對比。

1.1 設備的結構特點

熱等靜壓設備由壓力容器、加熱系統、壓縮機、真空泵、冷卻系統及電氣設備組成[7]。熱等靜壓壓力容器由高強度鋼制成空心圓筒體，密封形式有螺紋式和框架式2種。其中，框架式結構的熱等靜壓機在高溫高壓的工作條件下，無需外加任何特殊的防護裝置，結構緊湊而且能有效地保證生產的安全性。除壓力容器外，加熱系統也是HIP設備不可缺少的關鍵部件。目前，加熱系統的安裝方式為插入式，分別位于底部和側部2個加熱區，可實現快速升溫、快速冷卻，爐內溫差小于±15 ℃。加熱元件的材料按設計的溫度范圍選定。

1.2 工藝流程

熱等靜壓的主要工藝過程有：粉料處理→(壓模成形)→包套包封→熱等靜壓[8]。

(1)粉料處理。陶瓷粉末原料中加入添加劑，制成流動性好的粉末料。

(2)壓模成形。制得的粉末料利用普通壓模成形，得到陶瓷素坯。

(3)包套包封。用壓力介質無法透過的材料做成氣密容器，把陶瓷素坯封裝其中。包套在HIP工藝中除了起到傳遞介質壓力的作用外，還可以阻擋壓力介質隨壓力進入帶孔的素坯體內[9]。包套的材料有低碳鋼、Ni和Mo等金屬，也有玻璃。其中，氮化硅陶瓷多使用玻璃包套，其包封方式主要有玻璃容器法和玻璃粉末法[10]。

玻璃容器法是將被處理物放入特制的玻璃管內，在真空環境下加熱使玻璃包套密封。玻璃粉末法是將玻璃粉末包覆在被處理物外層，然后通過在真空下加熱使玻璃呈熔融狀態而達到密封作用。同時，為了防止玻璃與陶瓷之間發生反應，通常會在兩者之間放置阻擋層，如BN粉末等。對于所使用的玻璃材質，其熔融溫度、流動性及潤濕性等相關性能要與制備的陶瓷材料相匹配，以達到包封完全的目的。目前，有報道可使用的玻璃材質有鉛硅玻璃、硼硅玻璃(Pyrex)、鋁硅玻璃、96%硅酸鹽玻璃(Vycor)和石英玻璃。

(4)熱等靜壓。經包套封裝的產品在熱等靜壓爐中進行高溫高壓處理。產品的相對密度能夠接近100%，提高了致密度和強度，產品質量高且不易變形。

此外，氣壓燒結+熱等靜壓的無包套燒結方法也同樣得到研究和應用。該方法是預先采用傳統的氣壓燒結，使燒結體得到預燒，密度達到理論密度的93%以上，開口氣孔已經消除后，直接進行熱等靜壓處理，最終得到高性能制品。該方法能夠克服熱等靜壓方法中包套處理困難的問題，簡化了生產工藝。

1.3 應用前景

除了在陶瓷領域，熱等靜壓技術在硬質合金、鎢鉬鈦等難熔金屬及合金的制備加工方面也迅速得到發展和應用。目前國內應用的總體水平與國外還有相當大的差距，主要表現在基礎理論研究、成形關鍵技術、HIP設備的改進和完善等方面，因此，仍需要科研人員的深入研究和探索。

2 陶瓷粉末注射成形技術

陶瓷注射成形技術[11]是將陶瓷粉末與聚合物材料均勻混合，使其成為具有良好流動性的流態物質，而后將其在注射機上經一定壓力和溫度，注入模具內成形，再將得到的成形坯塊經脫脂后進行燒結，最終得到致密產品。CIM具有常規粉末冶金和機加工方法無法比擬的優勢，可制造形狀復雜、體積較小、尺寸精度要求高和需批量生產的制品，適合于用傳統法后續加工費用高并且在性能方面質量可靠性要求高的領域[12]。在國外，注射成形陶瓷發展得很快，從制品上看，小到螺絲螺母、光導纖維導管及齒輪，大到發動機燃燒室、渦輪轉子及葉片都可制造。美國已經實現了發動機中氮化硅零部件的應用。注射成形材料的性能已接近或達到同類材料其他工藝的水平，大部分制品的成本降低了約一半，使一些常規工藝不能制造的產品得以制造成功。發達國家的注射成形技術研究已涉及到幾乎所有最新發展的結構陶瓷材料[13]。

2.1 注射成形機

注射成形機有往復螺桿式、液壓柱塞式和氣壓式3種[14]。其中，應用最多的為臥式往復注射成形機，其主要由模具緊固開合系統、注射系統、液壓系統和控制系統4部分組成。注射成形機的注射能力由下列參數決定：①注入模具中喂料的量；②鎖模力和開模力的大??；③注射壓力；④以單位時間內注射的次數或料的體積表示的注射成形速度；⑤注射的最大距離；⑥開模的行程；⑦沿分模線注射還是垂直分模線注射；⑧控制系統是開路還是閉路。對于陶瓷材料的注射成形，要求注射機相應零部件的耐磨性能好，特別是注射機的螺桿、止回閥和料筒，應具有一定的硬度和表面質量保證[15]。

模具設計中，需要考慮的最重要因素是坯件的收縮率，由此來確定模腔尺寸，這也是與塑料注射成形的一個主要區別。另外，分模線的方位、流道的大小和位置以及澆口的設計對注射成形都會產生重要影響。

2.2 工藝流程

注射成形的主要工藝過程是：原料粉末預混合+黏結劑配制→混煉→喂料→注射成形→注射坯→脫脂→燒結→成品。

2.2.1 原料粉末

CIM工藝所用粉末的特性，如顆粒形貌、大小、分布及比表面積等對整個工藝過程有很大影響[16]。理想的陶瓷粉末應有以下特點[17]：特定的粒度分布，散裝密度高，成本低；無團聚；粉末以球形或近球形為主；有足夠的粒間摩擦以避免脫脂后的變形，自然坡度角可超過55°；平均粒徑小(一般小于1 μm)，以利于快速燒結；顆粒全致密，無內孔；表面潔凈，不會與黏結劑發生化學反應，無毒，低成本。

2.2.2 黏結劑

黏結劑的作用是黏結粉末顆粒，使混合料在注射機料筒中加熱時具有流變性和潤滑性。因此，黏結劑是整個粉末的載體，其選擇合適與否是整個注射成形工藝的關鍵。對黏結劑的一般要求為[18]：用較少的黏結劑能使混合料產生較好的流變性；在去除黏結劑的過程中與原料粉末不起任何化學反應；不留碳。通常用于粉末注射成形的黏結劑分為5類[19]：熱塑性化合物、熱固性化合物、水基體系、凝膠體系及無機物。目前應用于陶瓷材料的主要是熱塑性黏結劑[20]。

2.2.3 混料工藝

首先在混料器中加入黏結劑進行加熱，然后慢慢加入粉末，直至兩者的扭矩能夠達到一個穩定值，表明混合料的均勻性已得到改善。最后，還可以將冷卻后的混合料捏合和擠壓，使其進一步均勻化。均勻化之后的混合料通過制粒就得到了用于注射的喂料。

2.2.4 注射成形

注射成形工藝過程與塑料注射成形工藝過程及設備條件基本相同。在注射成形過程中，混合料在注射機料筒內被加熱成具有流變性的塑性物料，并在適當的注射壓力下注入模具中，成形出毛坯。成形坯的質量直接影響成品的性能，而模具形狀、模具溫度、漿料溫度、注射壓力、保溫時間和冷卻速度等均對坯料質量有影響。注射成形的毛坯在微觀上應均勻一致，以使制品在燒結過程中均勻收縮。

2.2.5 脫脂

成形毛坯在燒結前必須去除毛坯內所含有的黏結劑，該過程稱為脫脂。脫脂工藝必須保證黏結劑從毛坯的不同部位沿著顆粒之間的微小通道逐漸地排出，而不降低毛坯的強度。目前常用的脫脂方法有溶劑脫脂和熱脫脂[21-22]。脫脂工藝要與黏結劑相適應，特別要注意黏結劑組分的軟化溫度點，以避免產生開裂、變形等脫脂缺陷。

2.2.6 燒結

與一般的粉末冶金方法相同，燒結是使成形毛坯收縮致密化成為具備所需性能產品的關鍵階段[23]。粉末冶金的各種燒結方法及致密化措施均適用于注射成形技術。但不同的是，由于注射成形坯中加入了大量的黏結劑，因此其燒結后收縮較大，一般線收縮系數為13%～20%。

2.3 應用現狀和前景

陶瓷粉末注射成形技術使陶瓷材料的加工領域和陶瓷零件的開發范圍都得到了拓展，其應用已經獲得認可。但目前來說，該技術仍不夠成熟，存在一些亟待解決的問題，如低成本的粉末、黏結劑的開發設計、注射及脫脂缺陷的控制等，都直接影響到CIM技術的產業化發展。雖然存在問題，但其發展前景是樂觀的，相信隨著研究的深入和技術的完善，其必將成為生產低成本、高性能陶瓷制品的有效方法和手段。

3 結束語

陶瓷材料由于其加工難度大，一直無法得到廣泛的發展和應用，需要新技術的支持。熱等靜壓和注射成形技術正是在這種情況下應運而生，為陶瓷材料和零件制造業提供了新的發展方向和良好機遇。隨著技術水平的不斷進步，陶瓷材料必定會越來越廣泛地應用在各個領域，地位和作用也將會日益顯著。