造粒粉體松裝密度對氮化硅陶瓷球燒結(jié)致密化的影響

徐金夢，張偉儒，孫峰，荊赫，厲成強

(中材高新氮化物陶瓷有限公司，山東 淄博 255000)

氮化硅(Si3N4)陶瓷球具有質(zhì)量小、自潤滑、絕緣、無磁、高彈性模量、耐腐蝕等優(yōu)異性能，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機床主軸、電主軸、汽車發(fā)動機、航空和航天發(fā)動機、風力發(fā)電機等領(lǐng)域的高速、高精密、長壽命軸承中[1]。同時，Si3N4陶瓷球可使軸承具有質(zhì)量小，摩擦損耗低和干摩擦條件下運轉(zhuǎn)能力強等特點，滿足航空發(fā)動機領(lǐng)域軸承的輕量化、長壽命和低摩擦損失的需求[2]。

Si3N4陶瓷球素坯密度直接影響陶瓷球燒結(jié)后的各項性能指標，提高Si3N4陶瓷球的素坯密度有利于降低Si3N4陶瓷球燒結(jié)后的微氣孔數(shù)，提高疲勞壽命[3-4]。在Si3N4陶瓷球制造過程中，影響素坯強度的最主要因素為Si3N4噴霧造粒粉體的形貌和松裝密度[5-6]。研磨后Si3N4料漿經(jīng)噴霧造粒后球形化，粉體顆粒尺寸的近正態(tài)分布有利于提高粉體松裝密度，提高成型的壓制密度[7-8]。本文分析了Si3N4噴霧造粒粉體松裝密度對Si3N4陶瓷球力學性能及顯微結(jié)構(gòu)的影響。

1 Si3N4粉噴霧造粒

Si3N4粉是制備Si3N4陶瓷球的主要原料，選擇合適的粉料處理方式，獲得形狀規(guī)則、粒度分布均勻的粉體是Si3N4陶瓷球成型、燒結(jié)、加工等工藝能夠穩(wěn)定實施的基礎(chǔ)[10-12]。

根據(jù)霧化方式不同，Si3N4粉的噴霧造粒方式主要有離心噴霧造粒、壓力噴霧造粒及二流體噴霧造粒。壓力噴霧造粒將Si3N4粉混合均勻后的料漿通過高壓噴入造粒塔進行霧化，霧滴被熱氣流快速干燥成球形粉體[13-15]，可防止料漿中各組分團聚和沉降分層，通過控制顆粒表面溶劑的揮發(fā)速率獲得顆粒形貌規(guī)則，粒度分布均勻，流動性好及松裝密度合適的噴霧造粒粉體，從而改善粉體填充模具的性能，提高素坯密度及均勻性[9]。因此，選擇壓力噴霧造粒方式，研究噴霧造粒粉體松裝密度對Si3N4陶瓷球性能的影響。

2 試驗

2.1 原料

Si3N4粉(粒度分布中累積體積分數(shù)為50%時對應(yīng)的粒度D50=1.5 μm，α-Si3N4含量為93%，純度為99.9%)、Y2O3粉(D50=1.8 μm，純度為99.9%)、Al2O3粉(D50=2.2 μm，純度為99.95%)等。

2.2 試樣制備

按Si3N4∶Y2O3∶Al2O3=92%∶4%∶4%(質(zhì)量比)進行配料后加入球磨機，以無水乙醇為溶劑，Si3N4球為研磨介質(zhì)進行混合和分散，混合時間為24 h，Si3N4球與混合粉體的質(zhì)量比為3∶1。混合均勻后漿料固相的質(zhì)量分數(shù)為55%，黏度為4 000 MPa·s。通過控制噴霧干燥塔進口溫度和噴片孔徑獲得不同松裝密度的造粒粉體。使用干壓機將Si3N4噴霧造粒粉體壓制成為直徑8.731 mm的陶瓷球素坯，然后進行氣氛壓力燒結(jié)(Gas Pressure Sintering，GPS)，燒結(jié)溫度為1 850 ℃，升溫速率為3 ℃/min，保溫時間為1.5 h，氮氣壓力為9 MPa。

2.3 性能檢測

根據(jù)阿基米德排水法原理，采用油浸法測試Si3N4陶瓷球素坯密度，利用排水法測試燒結(jié)密度，結(jié)合稱量時的配比計算試樣的理論密度，根據(jù)公式ρR=ρS/ρT計算相應(yīng)的相對密度，其中，ρS為實際密度，ρT為理論密度。

利用BT-1000粉體綜合特性測試儀測試噴霧造粒粉體松裝密度；利用篩分法測試噴霧造粒粉體顆粒級配；采用萬能試驗機測試陶瓷球壓碎載荷，與同規(guī)格鋼球的壓碎載荷標準值對比得到壓碎載荷比；采用壓痕法測試Si3N4陶瓷球維氏硬度及斷裂韌性，每個Si3N4陶瓷球取5個點的算術(shù)平均值作為最終結(jié)果；利用材料力學萬能試驗機測試Si3N4陶瓷材料三點彎曲強度。

采用金相顯微鏡評價Si3N4陶瓷球內(nèi)部氣孔，采用體式顯微鏡分析噴霧造粒粉體顆粒形貌，采用掃描電子顯微鏡分析Si3N4陶瓷球微觀組織及晶粒斷裂形貌。

3 結(jié)果與討論

3.1 噴霧造粒粉體性能對陶瓷球力學性能的影響

同批次料漿，不同噴霧造粒工藝制得的造粒粉體篩分數(shù)據(jù)及松裝密度見表1，不同松裝密度噴霧造粒粉體壓制陶瓷球素坯密度、燒結(jié)密度及陶瓷球抗彎強度、壓碎載荷、斷裂韌性及維氏硬度等力學性能數(shù)據(jù)見表2。

由表1可知，堆積時氣孔率偏高，壓制成型時不利于素坯密度的提高；當噴霧造粒粉體粗顆粒占比較高和中間尺寸顆粒占比適中時，有利于提高造粒粉體松裝密度，但由表2可知，其壓制成型素坯密度反而偏低，主要原因是堆積密度高，壓制過程排氣較困難。

由表1和表2可知：隨造粒粉體松裝密度增大，Si3N4陶瓷球素坯密度呈先增大后減小的趨勢；當松裝密度為0.89 g/cm3時，Si3N4陶瓷球素坯密度最大為1.92 g/cm3，燒結(jié)后密度和力學性能最優(yōu)；當松裝密度繼續(xù)增大時，Si3N4陶瓷球素坯密度降低，力學性能變差；5#造粒粉體壓制Si3N4陶瓷球的力學性能最優(yōu)。

表1 不同噴霧造粒工藝制得的造粒粉體篩分數(shù)據(jù)及與松裝密度對應(yīng)關(guān)系

表2 噴霧造粒粉體的松裝密度和陶瓷球GPS后的力學性能

因此，松裝密度過高或過低都會影響粉體的壓制性能及Si3N4陶瓷球素坯密度，從而影響Si3N4陶瓷球力學性能，其機理是松裝密度直接影響噴霧造粒粉體壓制成型后的氣孔率，氣體難排出，導(dǎo)致燒結(jié)過程中顆粒和物質(zhì)遷移距離過長，不利于燒結(jié)致密化。

5#Si3N4噴霧造粒粉體顆粒形貌為實心球形(圖1)，顆粒尺寸集中在50～150 μm，可以保證粉體合適的松裝密度及良好的流動性，適合壓制成型，坯體具有較高的密度，有助于燒結(jié)致密化，從而使壓制后的Si3N4陶瓷球力學性能最優(yōu)。

圖1 5# Si3N4噴霧造粒粉體顆粒形貌

3.2 噴霧造粒粉體性能對陶瓷球顯微結(jié)構(gòu)的影響

1#～9#噴霧造粒粉體壓制Si3N4陶瓷球GPS后的金相如圖2所示，隨造粒粉體松裝密度升高，GPS后Si3N4陶瓷球內(nèi)部氣孔數(shù)先增加后減少，Si3N4陶瓷球的致密度先升高后下降；造粒粉體松裝密度為0.84～0.88 g/cm3時，GPS后Si3N4陶瓷球內(nèi)部微氣孔較多，致密化程度較低；造粒粉體松裝密度為0.89 g/cm3(5#試樣)時，GPS后Si3N4陶瓷球內(nèi)部氣孔數(shù)最少，尺寸最小，致密化程度較高；當造粒粉體松裝密度增大到0.90 g/cm3及以上時，GPS后Si3N4陶瓷球內(nèi)部氣孔尺寸增大且數(shù)量增多，致密度比松裝密度0.84～0.89 g/cm3噴霧造粒粉體壓制的Si3N4陶瓷球有所下降。

圖2 不同松裝密度噴霧造粒粉體壓制Si3N4陶瓷球GPS后金相照片

利用SEM觀察力學性能最優(yōu)及較差的Si3N4陶瓷球壓碎試樣的顯微結(jié)構(gòu)和晶粒斷裂形貌，如圖3所示，隨造粒粉體松裝密度升高，Si3N4陶瓷球的致密度先升高后下降，松裝密度過高或過低都會導(dǎo)致晶粒生長不均勻，內(nèi)部存在孔隙。

圖3 不同松裝密度噴霧造粒粉體壓制Si3N4陶瓷球GPS后掃描電子顯微鏡照片

由圖3a可知，Si3N4陶瓷球組織結(jié)構(gòu)均勻，晶粒發(fā)育充分，形成大量均勻的長柱狀β-Si3N4晶粒且長徑比接近，晶粒間不存在孔隙。原因為5#噴霧造粒粉體顆粒均勻，粒徑分布合理，燒結(jié)驅(qū)動力大，燒結(jié)后產(chǎn)生的長柱狀β-Si3N4晶粒相互搭接形成互鎖結(jié)構(gòu)，其斷裂方式以穿晶斷裂為主，使Si3N4陶瓷材料具有較高的抗彎強度。

由圖3b可知，Si3N4陶瓷球GPS后晶粒生長不均勻，晶粒尺寸相差較大，晶粒間孔隙較大，小尺寸晶粒較多，晶界相比表面積大，斷裂方式為晶界斷裂，因此斷裂韌性值較低。

由圖3c可知，顯微結(jié)構(gòu)組織不均勻，存在部分粗大的β-Si3N4晶粒，尺寸相差較大。這是由于9#噴霧造粒粉體原始粒度不均勻，導(dǎo)致燒結(jié)后產(chǎn)生粗大的再結(jié)晶晶粒，異常長大的β-Si3N4晶粒不利于互鎖結(jié)構(gòu)的緊密性，造成Si3N4陶瓷材料綜合力學性能下降。

4 結(jié)論

以Si3N4粉為原料，Y2O3，Al2O3為燒結(jié)助劑，分析了噴霧造粒粉體松裝密度對陶瓷球燒結(jié)致密化及力學性能的影響，得出以下結(jié)論：

1)隨造粒粉體松裝密度增大，Si3N4陶瓷球素坯密度呈先增大后減小的趨勢。當松裝密度為0.89 g/cm3時，成型的Si3N4陶瓷球燒結(jié)后致密化程度最高，力學性能最優(yōu)。

2)噴霧造粒粉體松裝密度為0.89 g/cm3時，成型的Si3N4陶瓷球顯微氣孔最少，晶粒尺寸均勻，以穿晶斷裂方式為主。