轴承用陶瓷材料的制备新工艺

1 热等静压技术

热等静压[5]是把粉末压坯或装入特制容器内的粉末体(粉末包套)置入热等静压机高压容器中，以密闭容器中的高压惰性气体或氮气为传压介质，通过施以高温和高压，使粉末体被压制和烧结成致密的零件或材料的过程。与传统的气压法、热压法等技术相比，热等静压技术应用于陶瓷材料中，更有效地强化了压制和烧结过程，促进材料致密化。热等静压技术已在制备Si3N4发动机喷嘴、燃气涡轮机叶片、陶瓷刀具、轴承球及开关电路基片等产品中得到了实际应用[6]。其优点是可以降低烧结助剂的含量和烧结温度，大幅度提高制品的性能，且各向同性、组织结构优良。表1所示为分别采用传统气压烧结方法和热等静压技术制备得到的氮化硅材料性能对比。

1.1 设备的结构特点

热等静压设备由压力容器、加热系统、压缩机、真空泵、冷却系统及电气设备组成[7]。热等静压压力容器由高强度钢制成空心圆筒体，密封形式有螺纹式和框架式2种。其中，框架式结构的热等静压机在高温高压的工作条件下，无需外加任何特殊的防护装置，结构紧凑而且能有效地保证生产的安全性。除压力容器外，加热系统也是HIP设备不可缺少的关键部件。目前，加热系统的安装方式为插入式，分别位于底部和侧部2个加热区，可实现快速升温、快速冷却，炉内温差小于±15 ℃。加热元件的材料按设计的温度范围选定。

1.2 工艺流程

热等静压的主要工艺过程有：粉料处理→(压模成形)→包套包封→热等静压[8]。

(1)粉料处理。陶瓷粉末原料中加入添加剂，制成流动性好的粉末料。

(2)压模成形。制得的粉末料利用普通压模成形，得到陶瓷素坯。

(3)包套包封。用压力介质无法透过的材料做成气密容器，把陶瓷素坯封装其中。包套在HIP工艺中除了起到传递介质压力的作用外，还可以阻挡压力介质随压力进入带孔的素坯体内[9]。包套的材料有低碳钢、Ni和Mo等金属，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]。

玻璃容器法是将被处理物放入特制的玻璃管内，在真空环境下加热使玻璃包套密封。玻璃粉末法是将玻璃粉末包覆在被处理物外层，然后通过在真空下加热使玻璃呈熔融状态而达到密封作用。同时，为了防止玻璃与陶瓷之间发生反应，通常会在两者之间放置阻挡层，如BN粉末等。对于所使用的玻璃材质，其熔融温度、流动性及润湿性等相关性能要与制备的陶瓷材料相匹配，以达到包封完全的目的。目前，有报道可使用的玻璃材质有铅硅玻璃、硼硅玻璃(Pyrex)、铝硅玻璃、96%硅酸盐玻璃(Vycor)和石英玻璃。

(4)热等静压。经包套封装的产品在热等静压炉中进行高温高压处理。产品的相对密度能够接近100%，提高了致密度和强度，产品质量高且不易变形。

此外，气压烧结+热等静压的无包套烧结方法也同样得到研究和应用。该方法是预先采用传统的气压烧结，使烧结体得到预烧，密度达到理论密度的93%以上，开口气孔已经消除后，直接进行热等静压处理，最终得到高性能制品。该方法能够克服热等静压方法中包套处理困难的问题，简化了生产工艺。

1.3 应用前景

除了在陶瓷领域，热等静压技术在硬质合金、钨钼钛等难熔金属及合金的制备加工方面也迅速得到发展和应用。目前国内应用的总体水平与国外还有相当大的差距，主要表现在基础理论研究、成形关键技术、HIP设备的改进和完善等方面，因此，仍需要科研人员的深入研究和探索。

2 陶瓷粉末注射成形技术

陶瓷注射成形技术[11]是将陶瓷粉末与聚合物材料均匀混合，使其成为具有良好流动性的流态物质，而后将其在注射机上经一定压力和温度，注入模具内成形，再将得到的成形坯块经脱脂后进行烧结，最终得到致密产品。CIM具有常规粉末冶金和机加工方法无法比拟的优势，可制造形状复杂、体积较小、尺寸精度要求高和需批量生产的制品，适合于用传统法后续加工费用高并且在性能方面质量可靠性要求高的领域[12]。在国外，注射成形陶瓷发展得很快，从制品上看，小到螺丝螺母、光导纤维导管及齿轮，大到发动机燃烧室、涡轮转子及叶片都可制造。美国已经实现了发动机中氮化硅零部件的应用。注射成形材料的性能已接近或达到同类材料其他工艺的水平，大部分制品的成本降低了约一半，使一些常规工艺不能制造的产品得以制造成功。发达国家的注射成形技术研究已涉及到几乎所有最新发展的结构陶瓷材料[13]。

2.1 注射成形机

注射成形机有往复螺杆式、液压柱塞式和气压式3种[14]。其中，应用最多的为卧式往复注射成形机，其主要由模具紧固开合系统、注射系统、液压系统和控制系统4部分组成。注射成形机的注射能力由下列参数决定：①注入模具中喂料的量；②锁模力和开模力的大小；③注射压力；④以单位时间内注射的次数或料的体积表示的注射成形速度；⑤注射的最大距离；⑥开模的行程；⑦沿分模线注射还是垂直分模线注射；⑧控制系统是开路还是闭路。对于陶瓷材料的注射成形，要求注射机相应零部件的耐磨性能好，特别是注射机的螺杆、止回阀和料筒，应具有一定的硬度和表面质量保证[15]。

模具设计中，需要考虑的最重要因素是坯件的收缩率，由此来确定模腔尺寸，这也是与塑料注射成形的一个主要区别。另外，分模线的方位、流道的大小和位置以及浇口的设计对注射成形都会产生重要影响。

2.2 工艺流程

注射成形的主要工艺过程是：原料粉末预混合+黏结剂配制→混炼→喂料→注射成形→注射坯→脱脂→烧结→成品。

2.2.1 原料粉末

CIM工艺所用粉末的特性，如颗粒形貌、大小、分布及比表面积等对整个工艺过程有很大影响[16]。理想的陶瓷粉末应有以下特点[17]：特定的粒度分布，散装密度高，成本低；无团聚；粉末以球形或近球形为主；有足够的粒间摩擦以避免脱脂后的变形，自然坡度角可超过55°；平均粒径小(一般小于1 μm)，以利于快速烧结；颗粒全致密，无内孔；表面洁净，不会与黏结剂发生化学反应，无毒，低成本。

2.2.2 黏结剂

黏结剂的作用是黏结粉末颗粒，使混合料在注射机料筒中加热时具有流变性和润滑性。因此，黏结剂是整个粉末的载体，其选择合适与否是整个注射成形工艺的关键。对黏结剂的一般要求为[18]：用较少的黏结剂能使混合料产生较好的流变性；在去除黏结剂的过程中与原料粉末不起任何化学反应；不留碳。通常用于粉末注射成形的黏结剂分为5类[19]：热塑性化合物、热固性化合物、水基体系、凝胶体系及无机物。目前应用于陶瓷材料的主要是热塑性黏结剂[20]。

2.2.3 混料工艺

首先在混料器中加入黏结剂进行加热，然后慢慢加入粉末，直至两者的扭矩能够达到一个稳定值，表明混合料的均匀性已得到改善。最后，还可以将冷却后的混合料捏合和挤压，使其进一步均匀化。均匀化之后的混合料通过制粒就得到了用于注射的喂料。

2.2.4 注射成形

注射成形工艺过程与塑料注射成形工艺过程及设备条件基本相同。在注射成形过程中，混合料在注射机料筒内被加热成具有流变性的塑性物料，并在适当的注射压力下注入模具中，成形出毛坯。成形坯的质量直接影响成品的性能，而模具形状、模具温度、浆料温度、注射压力、保温时间和冷却速度等均对坯料质量有影响。注射成形的毛坯在微观上应均匀一致，以使制品在烧结过程中均匀收缩。

2.2.5 脱脂

成形毛坯在烧结前必须去除毛坯内所含有的黏结剂，该过程称为脱脂。脱脂工艺必须保证黏结剂从毛坯的不同部位沿着颗粒之间的微小通道逐渐地排出，而不降低毛坯的强度。目前常用的脱脂方法有溶剂脱脂和热脱脂[21-22]。脱脂工艺要与黏结剂相适应，特别要注意黏结剂组分的软化温度点，以避免产生开裂、变形等脱脂缺陷。

2.2.6 烧结

与一般的粉末冶金方法相同，烧结是使成形毛坯收缩致密化成为具备所需性能产品的关键阶段[23]。粉末冶金的各种烧结方法及致密化措施均适用于注射成形技术。但不同的是，由于注射成形坯中加入了大量的黏结剂，因此其烧结后收缩较大，一般线收缩系数为13%～20%。

2.3 应用现状和前景

陶瓷粉末注射成形技术使陶瓷材料的加工领域和陶瓷零件的开发范围都得到了拓展，其应用已经获得认可。但目前来说，该技术仍不够成熟，存在一些亟待解决的问题，如低成本的粉末、黏结剂的开发设计、注射及脱脂缺陷的控制等，都直接影响到CIM技术的产业化发展。虽然存在问题，但其发展前景是乐观的，相信随着研究的深入和技术的完善，其必将成为生产低成本、高性能陶瓷制品的有效方法和手段。