氮化硅陶瓷球制备技术的研究进展

徐 欢

(上海材料研究所有限公司，上海 200437)

0 引言

氮化硅(Si3N4)是机械物理综合性能较优的陶瓷材料,具有低密度、高弹模、高硬度、高强度、低热膨胀系数、耐高温、耐磨损、耐腐蚀以及绝缘性等特性。使用该材料制备的Si3N4陶瓷球组装的轴承的优点颇多,如极限转速高、使用寿命长、精度保持好、干运转性好,且可以在高温、腐蚀、辐射、磁性等特殊环境中工作。目前,Si3N4陶瓷球已被制成系列标准规格的轴承球元件,广泛应用于各种高精度高转速机床、地铁、航天发动机和石油化工机械等领域。

本文介绍了Si3N4陶瓷球的发展历程,简述了Si3N4陶瓷球的国内外现状,并基于批量生产的视角,从原料、成型、烧结以及加工四个方面介绍了Si3N4陶瓷球的主要制备技术,以期为高性能陶瓷材料的开发与应用提供思路。

1 Si3N4陶瓷球的发展历史

Si3N4最早于1857年由Devil和Whohler首次人工合成[1]。反应烧结Si3N4(Reaction-Bonded Silicon Nitride,简称RBSN)于1955年由柯林斯和格比[2]开发,因该材料气孔率高且机械强度低限制了其在工程机械领域的应用。热压Si3N4(Hot Pressed Sintered Silicon Nitride,简称HPSN)于1961年由Deeley等人开发,该材料在压力下烧结而成,其密度和强度等力学性能均获得了显著提高,HPSN是最先被开发出的高性能Si3N4陶瓷。

20世纪60年代末,因传统钢轴承无法满足航空燃气涡轮轴承的使用要求,轴承工程师们迫切需要寻求新的轴承材料。Si3N4凭借其轻质、耐高温、耐腐蚀等特性[3]成为先进轴承最有潜力的材料。在美国“先进燃气轮机计划”的推动下,轴承工程师们就Si3N4的特性与应用展开了大量的研究,包括其疲劳寿命[4-6]、摩擦磨损机理[7]、润滑条件[8]、可靠性评估、制备与加工技术等。1973年,美国诺顿公司的Baumgartner[9]等人测试HPSN的疲劳寿命以评估其作为轴承材料的可行性;试验结果表明,Si3N4具有优异的疲劳寿命,其疲劳失效方式为剥落。1978年,Bersch[10]在汽车工程大会及展览会报告了Si3N4的优良特性,并表示将Si3N4用于滚动元件可以缓解当前的轴承问题。

期间,Si3N4固溶物“Sialon”[11,12]的发现和稀土元素作为烧结助剂的应用进一步促进了Si3N4的改性与开发。科研人员就烧结助剂对Si3N4陶瓷的致密化、显微结构以及性能的影响展开了大量的探索与研究,开发出热等静压Si3N4(Hot Isostatic Pressing Sintered Silicon Nitride,简称HIPSN)、气压烧结Si3N4(Gas Pressure Sintered Silicon Nitride,简称GPSN)[13]、烧结Si3N4(Pressureless Sintered Silicon Nitride,简称SSN)等一系列高性能的氮化硅。

1984年,光洋精工[14]和东芝正式将Si3N4陶瓷应用于轴承领域。自此,Si3N4陶瓷球逐步从实验室研发阶段走向工程应用阶段,在科研工作者和轴承制造商们的努力下,Si3N4陶瓷球批量化生产技术不断成熟,从而实现了Si3N4陶瓷球的商品化。

2 国内外现状

Si3N4陶瓷球凭借其优异的性能,开辟了属于自己的高端轴承应用市场,但市场容量较小,仅占滚动轴承市场份额的约1%。

目前,国外陶瓷球轴承的制造商主要有美国的诺顿、瑞典的斯凯孚、法国的圣戈班和日本的光洋精工株式会社等。这些公司的产品在性能上具有竞争优势,代表性产品有诺顿公司的NBD-200陶瓷球、圣戈班的CERAMA陶瓷球。国内的陶瓷球制造商有洛阳轴承研究所有限公司、中国中材集团有限公司、上海材料研究所有限公司和上海泛联科技股份有限公司等。上海材料研究所有限公司是国内较早实现Si3N4陶瓷球产业化的单位,该单位制备的陶瓷球凭借其性价比优势一直给国外企业供货。

与进口Si3N4陶瓷球相比,国产Si3N4陶瓷球在疲劳寿命、振动值、噪声值等方面有待于改善,导致这些差距的主要原因是技术路线不同。国外Si3N4陶瓷球采用热等静压烧结技术(Hot Isostatic Pressing Sintering,简称HIP)制备,而国内Si3N4陶瓷球采用气压烧结技术(Gas Pressure Sintering,简称GPS)制备。

3 Si3N4陶瓷球的制备技术

Si3N4陶瓷球的制备过程是先获得致密高强的陶瓷球烧结体毛坯,然后再对毛坯进行精密加工,从而达到要求的尺寸、圆度和粗糙度。制备过程一般包括原料准备、素坯成型、高温烧结和磨加工四个阶段。

3.1 原料准备

原粉作为成型和烧结的基础,其性能直接关系到后续成型、烧结的开展,也影响最终材料的性能。当前,商用级Si3N4原粉主要有硅亚胺热解法、硅粉氮化法[15]和自蔓延燃烧合成法三种制备方法。

硅亚胺热解法是高效率制备高质量Si3N4原粉的最佳方法。该方法制备的Si3N4粉具有纯度高、α相含量高、结晶度高、氧含量低、粉体细小(0.2 μm～1.0 μm)且粒度分布均匀等特点。日本宇部兴产株式会社使用该方法每年可生产数百吨高质量Si3N4粉体供应全球。

硅粉氮化法是制备商品级Si3N4原粉最成熟的方法,国内Si3N4粉体制造商多采用该法生产Si3N4原粉。该方法的优点是成本相对低,适合规模性生产;缺点是该方法制得的粉体,其品质次于硅亚胺热解法制得的粉体的品质,具体表现为杂质含量更高和α相含量更低。

自蔓延燃烧法[16]制备的商品级Si3N4粉体正在国内市场进行推广。该方法的优点是节能、生产周期短、工艺简单;缺点是制得的粉体易团聚且相组分难控制。基于该方法的成熟工艺有望进一步降低Si3N4陶瓷球的制备成本。但就目前而言,该方法制得的粉体的品质有待于接受陶瓷制造商们的验证。

3.2 素坯成型

粉末成型的技术分为干法成型和湿法成型,干法成型具有成型效率高、成型周期短和胶含量低等优点,是Si3N4陶瓷球产业化的首选成型方式。干法成型包括干压成型和等静压成型,这两种成型方式都已在Si3N4陶瓷球的素坯成型领域被普遍应用。

干压成型又称为模压成型,该方法成型的素坯的尺寸精度和形状精度均较高,但坯体密度偏低,直接进行烧结往往无法烧结致密,因此,干压成型的素坯常需经过等静压二次补压以提高素坯密度。

等静压成型分为湿袋法和干袋法。湿袋法的优点是灵活性较大,且成型素坯的坯体密度高且均匀;缺点是自动化程度低,需要在压制前准备包套。相较于湿袋法,干袋法制得的成型素坯也具有坯体密度高且均匀的特点,并且可以实现自动化连续作业。

Si3N4陶瓷球最初采用干压法结合湿袋法二次压制的方式进行成型。但随着干袋法等静压技术的不断完善,越来越多的陶瓷球制备商会选择干袋法等静压作为陶瓷球素坯的成型技术。基于上述成型工艺制备的素坯球体都不是理想的球体,且都会留有各自成型方式的成型特征。这些特征会增加后续磨加工的困难和时长,甚至会影响磨加工后陶瓷球的表观质量。因此,在Si3N4陶瓷球素坯烧结前须进行修坯处理。

3.3 高温烧结

Si3N4陶瓷的烧结方式颇多且均已研究得相当成熟,其中适用于Si3N4陶瓷球批量生产的烧结方式有GPS和HIP。

GPS[17-19]是针对Si3N4陶瓷烧结而开发的烧结技术,该技术是指在一定气体气氛下进行烧结的烧结方法。一般通入的气体为氩气或氮气,且通入气体后烧结炉内达到的气压压力为1 MPa～10 MPa。该方法通入气体的主要作用是抑制氮化硅的热分解。采用GPS制备氮化硅轴承球是最普遍的烧结方法,其优点是可使用较低成本制备出性能好、形状复杂的产品,且成品率高,易实现批量化生产。

HIP[20]也是一种气体辅助烧结的技术,不同于GPS的是烧结过程中所施加的气体压力较大,一般为100 MPa～300 MPa。该方法通入气体的主要作用是促进晶粒迁移和重排,从而促进其致密化。因此,HIP所用的最高烧结温度低于GPS所用的最高烧结温度。HIP[21]可分为HIP后处理和包套HIP烧结。HIP后处理的主要作用是在高压和低于晶粒快速长大的温度条件下,消除经预烧结的烧结体毛坯内的闭气孔,并愈合其内部缺陷;包套HIP是指将陶瓷粉末或预成型的陶瓷素坯置于不透气的包套材料内,然后在高温高压条件下实现致密化烧结。用于Si3N4陶瓷球制备的包套HIP技术称之为玻璃包套热等静压,最早由瑞士一家名为ASEA的公司开发,后转让给美国诺顿。但至今掌握该技术的企业极少,主要该技术对设备要求高,研究难度大。

3.4 磨加工

Si3N4陶瓷球是对尺寸精度、形状精度以及表观质量等指标均有要求的精密元件,因此,Si3N4陶瓷球烧结体毛坯需经磨加工才能达到使用要求。

目前,陶瓷球的加工承袭了钢球的加工方法,俗称同轴两盘研磨法[22]。针对Si3N4陶瓷的固有脆性以及硬度大等特性,须使用金刚石或碳化硼作为研料,且须进行分段加工。因此,相较于钢球的磨加工,Si3N4陶瓷球的磨加工成本更高、周期更长。

一直以来,国内外诸多科研人员都对陶瓷球研磨加工进行了很多试验研究,也提出了各种研磨方法,如磁悬浮化学机械抛光法、自回转控制研磨法等,但这些研磨方法尚未能应用于陶瓷球批量生产中。

4 总结

Si3N4陶瓷球作为高端轴承的典型代表,其在提高轴承性能的同时,也扩展了轴承在高速、高温、真空等特殊环境中的应用。经历了70多年的探索,氮化硅材料凭借其性能优势,经过应用开发、材料改性、技术改进以及工艺优化等一系列的研究,最终成为标准化的轴承组件。

目前,Si3N4陶瓷球的制备技术已经相当成熟。商品化的技术路线有两条:一是基于HIP的技术路线,一是基于GPS的技术路线。基于GPS制备的Si3N4陶瓷球略次于基于HIP制备的Si3N4陶瓷球。基于现有微观控制技术,有望通过工艺控制使得气压烧结氮化硅陶瓷(Gas Pressure Sintering Silicon Nitride,GPSN)的微观结构更接近于热等静压烧结氮化硅(Hot Isostatic Pressing Sintered Silicon Nitride,HIPSN)的微观结构,从而实现Si3N4陶瓷制备技术的升级以及Si3N4轴承球产品的升级。