原材料粉末對氮化硅陶瓷球性能的影響

馮穎，馬越，張玲

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

氮化硅(Si3N4)陶瓷具有密度小、硬度高、熱膨脹系數(shù)小、耐高溫、耐腐蝕、化學穩(wěn)定性好、彈性模量大、抗壓強度高等性能，在化工、冶金、機械、石油、交通、航空航天、電子、家用電器、真空等行業(yè)中有廣泛的應用前景[1]。Si3N4陶瓷材料可以有效提高軸承性能，擴大軸承在高速、高溫、腐蝕等特殊環(huán)境中的使用范圍[2]。目前，隨著高端裝備制造業(yè)、新型清潔能源的發(fā)展，特別是風力發(fā)電行業(yè)、航空航天事業(yè)的發(fā)展，與之配套使用的Si3N4陶瓷球需求量增大。Si3N4陶瓷球在軸承行業(yè)中也已實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)[3]。

目前，Si3N4陶瓷球的制造工藝主要采用粉末冶金工藝，粉末性能對Si3N4陶瓷球的力學性能、制備工藝以及產(chǎn)品外觀有很大影響[4]。由于制備方法和后續(xù)處理工藝不同，不同廠家的Si3N4粉料性能差異較大，從而對Si3N4材料的燒結(jié)、性能以及陶瓷球的加工和表面質(zhì)量有較大影響。

分別選用國產(chǎn)和進口Si3N4原材料粉末，制備不同規(guī)格的Si3N4陶瓷球，研究粉末特性對球性能的影響。

1 試驗

1.1 試樣

國產(chǎn)和進口Si3N4粉末性能見表1，其掃描電鏡形貌如圖1所示。由此可知，2種粉末均為微米級顆粒，大部分為不規(guī)則形狀的α-Si3N4，另外有少量長條形β-Si3N4。與國產(chǎn)原材料粉末相比，進口原材料粉末粒度小、雜質(zhì)含量少。這是因為國產(chǎn)Si3N4粉末的制備方法一般采用硅粉直接氮化法；進口Si3N4粉末在硅粉氮化后，用鹽酸和氫氟酸等后處理工藝去除氧和其他雜質(zhì)，最后去除殘余的鹽酸和氫氟酸。

表1 國產(chǎn)和進口Si3N4粉末的初始特性

(a)國產(chǎn)Si3N4

采用納米級Y2O3和Al2O3粉末作為燒結(jié)助劑，經(jīng)球磨混合、冷等靜壓成形、氣氛壓力燒結(jié)制造，再進行研磨加工制得加工精度為G5級的陶瓷球。分別用2種原材料制備φ6.35 mm和φ14.287 5 mm 2種規(guī)格的陶瓷球，同種規(guī)格陶瓷球的制備工藝相同。

1.2 試驗設備及方法

對試樣進行力學性能檢測。采用排水法測量試樣的密度；采用壓痕法測量試樣的維氏硬度和斷裂韌性；采用萬能材料試驗機測量試樣的壓碎載荷，與同規(guī)格鋼球的壓碎載荷標準值比較得到陶瓷球壓碎載荷比；采用激光共聚焦掃描顯微鏡對孔隙度及金相組織進行觀察；利用掃描電鏡對燒結(jié)試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)進行分析；利用振動測量儀檢測試樣的振動值；利用體視顯微鏡(10×)檢查試樣的表面缺陷。

2 結(jié)果與分析

2.1 陶瓷球的綜合力學性能

試驗制備的陶瓷球的綜合力學性能見表2。由表可知，對于φ6.35 mm的陶瓷球，2種原材料粉末制備的試樣力學性能相差不大；對于φ14.287 5 mm的陶瓷球，使用進口原材料粉末制備的試樣具有更高的密度、硬度和壓碎載荷，但是斷裂韌性值略低。

進口原材料粉末對大尺寸陶瓷球的力學性能影響較大，這是因為進口原材料粉末粒度細、粒度均勻、雜質(zhì)含量少、燒結(jié)活性高，有助于陶瓷球的燒結(jié)致密化。對于尺寸較大的陶瓷球，燒結(jié)所需的驅(qū)動力較大，當溫度等燒結(jié)條件不容易滿足其致密化需求時，使用燒結(jié)活性較大的原材料粉末可以在較低的燒結(jié)條件下達到致密化目的。同時，粒度較小的原材料粉末有助于提高材料硬度，對性能的影響表現(xiàn)更為顯著。

2.2 陶瓷球的金相組織及孔隙度

試樣的金相組織照片如圖2所示。由圖可知，1#和2#試樣的孔隙很少，材料致密化程度較高；3#試樣的孔隙不均勻分布，近表面區(qū)域較為致密，中心區(qū)域孔隙較多；4#試樣孔隙很少，材料致密化程度較高。試樣的金相組織與密度檢測結(jié)果一致。密度高的試樣金相組織孔隙較少；反之，孔隙較多。

圖2 陶瓷球的金相組織照片

3#試樣的金相組織表明，近表面區(qū)域已完成致密化；中心區(qū)域孔洞較多、致密化不完全。這是因為Si3N4燒結(jié)屬于液相燒結(jié)，其過程分為重排、溶解-再結(jié)晶、晶粒長大3個階段。Si3N4材料的熱導率較低，燒結(jié)過程中陶瓷球的近表面區(qū)域溫度較高，首先形成液相，致密化過程較早。隨著溫度升高，液相擴展、增多，內(nèi)部致密化進程加快。液相的含量和分布對材料的致密化過程有重要影響。3#試樣的燒結(jié)條件沒有產(chǎn)生足夠和均勻的液相，因此沒有實現(xiàn)完全致密化。

3#和4#試樣燒結(jié)條件相同，但4#試樣孔洞較少、致密化完全。這是因為與國產(chǎn)原材料粉末相比，進口原材料粉末采用了后處理工藝來去除雜質(zhì)，雜質(zhì)含量極低，極大提高了粉末的燒結(jié)活性。同時，Si3N4原始粉末粒度小，顆粒重排速度快，在液相中的溶解度高，有助于液相燒結(jié)的快速完成。Si3N4陶瓷球的尺寸大，燒結(jié)難度大，采用燒結(jié)活性較大的進口原材料粉末更有助于滿足大尺寸陶瓷球的致密化要求。

2.3 陶瓷球的微觀結(jié)構(gòu)

1#和3#試樣拋光面的掃描電鏡照片如圖3所示。由圖可知，燒結(jié)后Si3N4晶相發(fā)生轉(zhuǎn)變，α-Si3N4已完全轉(zhuǎn)變成長柱晶β-Si3N4；2種試樣的組織不均勻且存在粗大晶粒。這是因為制備試樣所用的Si3N4國產(chǎn)原材料粉末粒徑分布寬、原始粒度不均勻，導致燒結(jié)后易產(chǎn)生粗大的再結(jié)晶晶粒。另外，3#試樣的晶粒尺寸較大，這是因為大尺寸陶瓷球的燒結(jié)溫度較高。

3#和4#燒結(jié)試樣拋光面不同位置的掃描電鏡照片如圖4所示。由圖可知，3#試樣近表面區(qū)域的晶粒比中心區(qū)域晶粒粗大，說明近表面區(qū)域的溫度高于中心區(qū)域，燒結(jié)過程領先于中心區(qū)域，致密化過程已完成，晶粒開始長大。該結(jié)果與金相組織及孔隙度分析結(jié)果一致。4#試樣近表面區(qū)域和中心區(qū)域的顯微結(jié)構(gòu)沒有太大差異，同時，其晶粒也比3#試樣更加均勻細小。這是因為初始原材料粉末的粒度對燒結(jié)后組織的晶粒度有很大影響。Si3N4進口原材料粉末粒度小，粒徑分布均勻，雜質(zhì)含量低，燒結(jié)驅(qū)動力大，更容易滿足大尺寸陶瓷球的燒結(jié)條件，且燒結(jié)后其組織均勻、晶粒細小。因此，對比陶瓷球的綜合力學性能時，4#試樣比3#試樣具有更高的密度、硬度和壓碎載荷。4#試樣的斷裂韌性值較低，這是因為材料的斷裂韌性值與壓痕的裂紋擴展方式有關。晶粒尺寸越小，晶界的比表面積越大，斷裂方式主要是晶界斷裂，斷裂韌性值變低；晶粒尺寸越大，能夠有效阻斷裂紋擴展，斷裂韌性值較高。Si3N4材料的斷裂韌性值與β長柱晶直徑的平方根成正比，Si3N4材料韌性隨著β晶粒尺寸的增大而增大[5]。3#試樣比4#試樣的晶粒度大，因此其斷裂韌性值較高。

圖4 3#和4#試樣不同位置的掃描電鏡照片

Si3N4陶瓷球應用于軸承時，其失效模式主要表現(xiàn)為疲勞剝落，其接觸疲勞性能與斷裂韌性沒有直接關系，細小均勻的顯微組織是具有良好滾動接觸疲勞壽命的基本條件[6]。因此，對Si3N4材料性能進行評判時，應綜合考慮其力學性能。

2.4 陶瓷球表面質(zhì)量

對研磨加工后的陶瓷球進行表面精度及表面缺陷檢查。測量其振動值，統(tǒng)計外觀合格率，結(jié)果見表3。

表3 陶瓷球表面質(zhì)量檢查結(jié)果

由表3可知，4種試樣的加工精度均能達到G5級。1#和2#試樣的表面質(zhì)量相差不大；4#試樣的振動值較低、外觀合格率較高，表面質(zhì)量明顯優(yōu)于3#試樣。這是由于Si3N4是硬脆材料，加工原理是通過磨料磨粒與材料表面磨削產(chǎn)生微裂紋，微裂紋逐漸增長使材料的脆性去除[7]。如果材料的組織不均勻，存在粗大晶粒或燒結(jié)助劑聚集區(qū)域，加工過程中很容易產(chǎn)生表面缺陷。尺寸較大的陶瓷球燒結(jié)溫度相對較高，更易產(chǎn)生組織偏析或粗大晶粒。進口原材料粉末晶粒細小，燒結(jié)活性較高，可有效改善材料的組織均勻性，極大地提高產(chǎn)品表面質(zhì)量和產(chǎn)品合格率。

3 結(jié)論

1)尺寸較小的陶瓷球，原材料粉末對Si3N4材料的力學性能影響不大；尺寸較大的陶瓷球，使用進口原材料粉末可有效提高材料的綜合力學性能。

2)尺寸較小的陶瓷球，原材料粉末對Si3N4陶瓷球的孔隙度和金相組織影響不大；尺寸較大的陶瓷球，進口原材料粉末燒結(jié)活性大，有助于完成燒結(jié)致密化。

3)使用國產(chǎn)原材料粉末，燒結(jié)后陶瓷球顯微組織不均勻，存在粗大晶粒；使用進口原材料粉末，燒結(jié)后組織均勻，晶粒度細小。

4)尺寸較小的陶瓷球，原材料粉末對Si3N4陶瓷球的表面質(zhì)量影響不大；尺寸較大的陶瓷球，使用進口原材料粉末可提高陶瓷球表面加工質(zhì)量，從而有效提高產(chǎn)品合格率。