造粒粉体松装密度对氮化硅陶瓷球烧结致密化的影响

2021-07-22徐金梦张伟儒孙峰荆赫厉成强

轴承 2021年12期

徐金梦，张伟儒，孙峰，荆赫，厉成强

(中材高新氮化物陶瓷有限公司，山东淄博 255000)

氮化硅(Si3N4)陶瓷球具有质量小、自润滑、绝缘、无磁、高弹性模量、耐腐蚀等优异性能，已经广泛应用于机床主轴、电主轴、汽车发动机、航空和航天发动机、风力发电机等领域的高速、高精密、长寿命轴承中[1]。同时，Si3N4陶瓷球可使轴承具有质量小，摩擦损耗低和干摩擦条件下运转能力强等特点，满足航空发动机领域轴承的轻量化、长寿命和低摩擦损失的需求[2]。

Si3N4陶瓷球素坯密度直接影响陶瓷球烧结后的各项性能指标，提高Si3N4陶瓷球的素坯密度有利于降低Si3N4陶瓷球烧结后的微气孔数，提高疲劳寿命[3-4]。在Si3N4陶瓷球制造过程中，影响素坯强度的最主要因素为Si3N4喷雾造粒粉体的形貌和松装密度[5-6]。研磨后Si3N4料浆经喷雾造粒后球形化，粉体颗粒尺寸的近正态分布有利于提高粉体松装密度，提高成型的压制密度[7-8]。本文分析了Si3N4喷雾造粒粉体松装密度对Si3N4陶瓷球力学性能及显微结构的影响。

1 Si3N4粉喷雾造粒

Si3N4粉是制备Si3N4陶瓷球的主要原料，选择合适的粉料处理方式，获得形状规则、粒度分布均匀的粉体是Si3N4陶瓷球成型、烧结、加工等工艺能够稳定实施的基础[10-12]。

根据雾化方式不同，Si3N4粉的喷雾造粒方式主要有离心喷雾造粒、压力喷雾造粒及二流体喷雾造粒。压力喷雾造粒将Si3N4粉混合均匀后的料浆通过高压喷入造粒塔进行雾化，雾滴被热气流快速干燥成球形粉体[13-15]，可防止料浆中各组分团聚和沉降分层，通过控制颗粒表面溶剂的挥发速率获得颗粒形貌规则，粒度分布均匀，流动性好及松装密度合适的喷雾造粒粉体，从而改善粉体填充模具的性能，提高素坯密度及均匀性[9]。因此，选择压力喷雾造粒方式，研究喷雾造粒粉体松装密度对Si3N4陶瓷球性能的影响。

2 试验

2.1 原料

Si3N4粉(粒度分布中累积体积分数为50%时对应的粒度D50=1.5 μm，α-Si3N4含量为93%，纯度为99.9%)、Y2O3粉(D50=1.8 μm，纯度为99.9%)、Al2O3粉(D50=2.2 μm，纯度为99.95%)等。

2.2 试样制备

按Si3N4∶Y2O3∶Al2O3=92%∶4%∶4%(质量比)进行配料后加入球磨机，以无水乙醇为溶剂，Si3N4球为研磨介质进行混合和分散，混合时间为24 h，Si3N4球与混合粉体的质量比为3∶1。混合均匀后浆料固相的质量分数为55%，黏度为4 000 MPa·s。通过控制喷雾干燥塔进口温度和喷片孔径获得不同松装密度的造粒粉体。使用干压机将Si3N4喷雾造粒粉体压制成为直径8.731 mm的陶瓷球素坯，然后进行气氛压力烧结(Gas Pressure Sintering，GPS)，烧结温度为1 850 ℃，升温速率为3 ℃/min，保温时间为1.5 h，氮气压力为9 MPa。

2.3 性能检测

根据阿基米德排水法原理，采用油浸法测试Si3N4陶瓷球素坯密度，利用排水法测试烧结密度，结合称量时的配比计算试样的理论密度，根据公式ρR=ρS/ρT计算相应的相对密度，其中，ρS为实际密度，ρT为理论密度。

利用BT-1000粉体综合特性测试仪测试喷雾造粒粉体松装密度；利用筛分法测试喷雾造粒粉体颗粒级配；采用万能试验机测试陶瓷球压碎载荷，与同规格钢球的压碎载荷标准值对比得到压碎载荷比；采用压痕法测试Si3N4陶瓷球维氏硬度及断裂韧性，每个Si3N4陶瓷球取5个点的算术平均值作为最终结果；利用材料力学万能试验机测试Si3N4陶瓷材料三点弯曲强度。

采用金相显微镜评价Si3N4陶瓷球内部气孔，采用体式显微镜分析喷雾造粒粉体颗粒形貌，采用扫描电子显微镜分析Si3N4陶瓷球微观组织及晶粒断裂形貌。

3 结果与讨论

3.1 喷雾造粒粉体性能对陶瓷球力学性能的影响

同批次料浆，不同喷雾造粒工艺制得的造粒粉体筛分数据及松装密度见表1，不同松装密度喷雾造粒粉体压制陶瓷球素坯密度、烧结密度及陶瓷球抗弯强度、压碎载荷、断裂韧性及维氏硬度等力学性能数据见表2。

由表1可知，堆积时气孔率偏高，压制成型时不利于素坯密度的提高；当喷雾造粒粉体粗颗粒占比较高和中间尺寸颗粒占比适中时，有利于提高造粒粉体松装密度，但由表2可知，其压制成型素坯密度反而偏低，主要原因是堆积密度高，压制过程排气较困难。

由表1和表2可知：随造粒粉体松装密度增大，Si3N4陶瓷球素坯密度呈先增大后减小的趋势；当松装密度为0.89 g/cm3时，Si3N4陶瓷球素坯密度最大为1.92 g/cm3，烧结后密度和力学性能最优；当松装密度继续增大时，Si3N4陶瓷球素坯密度降低，力学性能变差；5#造粒粉体压制Si3N4陶瓷球的力学性能最优。

表1 不同喷雾造粒工艺制得的造粒粉体筛分数据及与松装密度对应关系

表2 喷雾造粒粉体的松装密度和陶瓷球GPS后的力学性能

因此，松装密度过高或过低都会影响粉体的压制性能及Si3N4陶瓷球素坯密度，从而影响Si3N4陶瓷球力学性能，其机理是松装密度直接影响喷雾造粒粉体压制成型后的气孔率，气体难排出，导致烧结过程中颗粒和物质迁移距离过长，不利于烧结致密化。

5#Si3N4喷雾造粒粉体颗粒形貌为实心球形(图1)，颗粒尺寸集中在50～150 μm，可以保证粉体合适的松装密度及良好的流动性，适合压制成型，坯体具有较高的密度，有助于烧结致密化，从而使压制后的Si3N4陶瓷球力学性能最优。

图1 5# Si3N4喷雾造粒粉体颗粒形貌

3.2 喷雾造粒粉体性能对陶瓷球显微结构的影响

1#～9#喷雾造粒粉体压制Si3N4陶瓷球GPS后的金相如图2所示，随造粒粉体松装密度升高，GPS后Si3N4陶瓷球内部气孔数先增加后减少，Si3N4陶瓷球的致密度先升高后下降；造粒粉体松装密度为0.84～0.88 g/cm3时，GPS后Si3N4陶瓷球内部微气孔较多，致密化程度较低；造粒粉体松装密度为0.89 g/cm3(5#试样)时，GPS后Si3N4陶瓷球内部气孔数最少，尺寸最小，致密化程度较高；当造粒粉体松装密度增大到0.90 g/cm3及以上时，GPS后Si3N4陶瓷球内部气孔尺寸增大且数量增多，致密度比松装密度0.84～0.89 g/cm3喷雾造粒粉体压制的Si3N4陶瓷球有所下降。

图2 不同松装密度喷雾造粒粉体压制Si3N4陶瓷球GPS后金相照片

利用SEM观察力学性能最优及较差的Si3N4陶瓷球压碎试样的显微结构和晶粒断裂形貌，如图3所示，随造粒粉体松装密度升高，Si3N4陶瓷球的致密度先升高后下降，松装密度过高或过低都会导致晶粒生长不均匀，内部存在孔隙。

图3 不同松装密度喷雾造粒粉体压制Si3N4陶瓷球GPS后扫描电子显微镜照片

由图3a可知，Si3N4陶瓷球组织结构均匀，晶粒发育充分，形成大量均匀的长柱状β-Si3N4晶粒且长径比接近，晶粒间不存在孔隙。原因为5#喷雾造粒粉体颗粒均匀，粒径分布合理，烧结驱动力大，烧结后产生的长柱状β-Si3N4晶粒相互搭接形成互锁结构，其断裂方式以穿晶断裂为主，使Si3N4陶瓷材料具有较高的抗弯强度。

由图3b可知，Si3N4陶瓷球GPS后晶粒生长不均匀，晶粒尺寸相差较大，晶粒间孔隙较大，小尺寸晶粒较多，晶界相比表面积大，断裂方式为晶界断裂，因此断裂韧性值较低。

由图3c可知，显微结构组织不均匀，存在部分粗大的β-Si3N4晶粒，尺寸相差较大。这是由于9#喷雾造粒粉体原始粒度不均匀，导致烧结后产生粗大的再结晶晶粒，异常长大的β-Si3N4晶粒不利于互锁结构的紧密性，造成Si3N4陶瓷材料综合力学性能下降。