燒結(jié)溫度對(duì)氮化硅陶瓷球?有哪些影響

氮化硅陶瓷材料與軸承鋼材料相比具有質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕等特性，用陶瓷材料制成的滾動(dòng)體可以使離心力降低，能有效提高軸承性能。目前，以氮化硅(氮化硅)材料為代表的陶瓷球軸承已廣泛應(yīng)用于航空、航天、高速電主軸等眾多領(lǐng)域，具有廣泛的市場(chǎng)前景。

氮化硅是強(qiáng)共價(jià)鍵化合物，氮原子和硅原子的自擴(kuò)散系數(shù)低，致密化所需的體積擴(kuò)散及晶界擴(kuò)散速度、燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力小，可燒結(jié)性差。在制備過(guò)程中易產(chǎn)生各種缺陷，從而降低材料性能，限制了氮化硅陶瓷球軸承的使用。目前國(guó)內(nèi)通常采用氣氛壓力燒結(jié)制備氮化硅陶瓷球，其燒結(jié)機(jī)理為液相燒結(jié)，晶粒通過(guò)溶解、析出、再結(jié)晶從而達(dá)到致密。因燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力小，通常氮化硅陶瓷球燒結(jié)溫度不低于1700℃，同時(shí)為防高溫下氮化硅分解，采用氮?dú)?N2)做為加壓介質(zhì)以抵住其分解。本試驗(yàn)采用氣氛壓力燒結(jié)的方法，研究燒結(jié)溫度對(duì)氮化硅陶瓷球密度、壓碎載荷比、孔隙度、硬度和斷裂韌性等性能的影響。

燒結(jié)溫度對(duì)氮化硅陶瓷球密度的影響

密度是氮化硅陶瓷球的表征之一。密度數(shù)值直觀反映氮化硅陶瓷球致密化程度，通過(guò)精確測(cè)量密度值，可以研究材料致密化程度。滾動(dòng)軸承零件的基本前提是具備足夠的委靡壽命。但由于氮化硅材料有較大的彈性模量，陶瓷球軸承在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)要承受更高的接觸應(yīng)力，即Hertz表面應(yīng)力，所以對(duì)于氮化硅陶瓷球材料，其內(nèi)部孔隙、夾雜物、高的添加劑含量和偏析、顯微結(jié)構(gòu)不均勻、裂紋等材料缺陷都會(huì)嚴(yán)重縮短其滾動(dòng)接觸委靡壽命。所以要求陶瓷材料不但應(yīng)有良好的機(jī)械物理性能，更應(yīng)具有高的致密化程度和低的材料缺陷。

氮化硅材料內(nèi)部氣孔率增加時(shí)，其強(qiáng)度、斷裂韌性等性能隨之降低。陶瓷球材質(zhì)中游離硅、添加劑、孔隙、夾雜等對(duì)陶瓷球的密度有較大影響，進(jìn)而直接影響陶瓷球軸承的性能，特別是對(duì)軸承的委靡壽命、承載能力影響大。游離硅、添加劑、夾雜等會(huì)使陶瓷球的密度增加，孔隙、裂紋等內(nèi)部缺陷會(huì)使陶瓷球的密度降低，故通過(guò)檢測(cè)陶瓷毛坯球的密度，可以評(píng)價(jià)陶瓷球的致密性、純凈度等。

試驗(yàn)采用阿基米德排水法測(cè)量燒結(jié)后陶瓷球密度。不同燒結(jié)溫度下的密度測(cè)試不低于5組，取平均值作為該溫度下的密度值。圖1所示為不同溫度下陶瓷球密度變化趨勢(shì)，由圖可以看出，在1710℃時(shí)氮化硅陶瓷球密度低，為3．166g/cm3。隨著溫度升高，密度急劇升高，1740℃時(shí)密度達(dá)到3．235g/cm3。隨溫度的繼續(xù)升高，密度處于緩慢上升狀態(tài)，至1810℃時(shí)密度達(dá)到3．271g/cm3。

燒結(jié)溫度對(duì)陶瓷球孔隙度的影響

試驗(yàn)證明，顯微結(jié)構(gòu)均勻、致密的陶瓷球滾動(dòng)接觸委靡壽命更高。氮化硅陶瓷球是通過(guò)壓制、燒結(jié)制成，陶瓷球材料內(nèi)部不可避免地存在孔隙。但要求陶瓷球材料的內(nèi)部孔隙越少越好，且應(yīng)分布均勻細(xì)小，不允許出現(xiàn)可能成為委靡源的較大孔隙或孔隙群。試驗(yàn)對(duì)待檢陶瓷球進(jìn)行鑲嵌、制樣，通過(guò)切削、研磨在陶瓷球直徑1/3處制出橫截面，將截面拋至鏡面。在100倍金相顯微鏡下檢測(cè)不同燒結(jié)溫度的氮化硅陶瓷球。除燒結(jié)溫度1710℃的陶瓷球試樣截面具有較多孔隙外，其余各試樣僅存在少量細(xì)小、分散的孔隙。

燒結(jié)溫度對(duì)陶瓷球硬度和斷裂韌性的影響

硬度和斷裂韌性是衡量陶瓷材料性能的基本參數(shù)。在待測(cè)樣品的橫截面上用維氏硬度計(jì)壓頭在一定壓力下產(chǎn)生壓痕，硬度計(jì)壓頭為金剛石，形狀為136°夾角的四方棱錐體，通過(guò)檢測(cè)壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度，經(jīng)計(jì)算得出試樣硬度和斷裂韌性。

燒結(jié)溫度為1710℃的陶瓷球試樣因孔隙較多，無(wú)法準(zhǔn)確檢測(cè)其硬度和斷裂韌性，1740，1770，1790和1810℃下陶瓷球硬度和斷裂韌性的變化趨勢(shì)如圖3和圖4所示?？梢钥闯鲭S溫度升高，陶瓷球硬度HV10稍有減小，約為1610～1625HV10，且陶瓷球斷裂韌性隨溫度升高緩慢變大。