黃佳雯，周健震，李 軍，沈晨琛，羅浩東，郭大偉

（1.景德鎮(zhèn)學(xué)院機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403；2.景德鎮(zhèn)陶瓷大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，江西 景德鎮(zhèn) 333403）

0 引言

氮化硅軸承球在現(xiàn)代工業(yè)中占有重要地位，具有耐高溫、硬度大、耐腐蝕等優(yōu)良特性[1-2]，因此，被廣泛應(yīng)用在滾珠軸承、增壓器轉(zhuǎn)子、汽輪機(jī)葉片等現(xiàn)代工業(yè)上。由于氮化硅軸承球的廣泛使用，其面對(duì)的處境類型隨之增加，在密閉顛簸的工作環(huán)境中對(duì)氮化硅軸承球材料性能的要求也隨之提高。目前被廣泛使用的氮化硅軸承球材料雖然具有良好的導(dǎo)熱性[3]，但其強(qiáng)度和致密化較低。這是由于氮化硅存在三種晶體結(jié)構(gòu)，其中，長軸狀β氮化硅晶體會(huì)出現(xiàn)大量的氮化硅晶體交錯(cuò)橋連，從而出現(xiàn)微型氣孔等，導(dǎo)致氮化硅軸承球致密性降低。因此，課題組將探討MgOY2O3復(fù)合燒結(jié)助劑對(duì)氮化硅軸承球致密化的影響。

對(duì)于氮化硅軸承球致密度問題，能通過選擇合適的燒結(jié)助劑來增加致密度[4]。Hanqin Liang等[5]探究了采用熱壓燒結(jié)添加劑對(duì)致密性、力學(xué)性能、熱導(dǎo)率等影響，結(jié)果表明，燒結(jié)助劑的添加有利于提高氮化硅軸承球的斷裂韌性、維氏硬度和導(dǎo)熱率。Hailong Hu等[6]研究了ZrSi2-MgO體系的添加量對(duì)氮化硅燒結(jié)行為和導(dǎo)熱系數(shù)的影響，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了ZrSi2-MgO體系形成的ZrO2與MgO和氮化硅協(xié)同形成液相Si、Zr、MgO、N，促進(jìn)了氮化硅的致密化。Chuan Bing Cheng等[7]探究了以采用9wt%的Y2O3和Yb2O3復(fù)合燒結(jié)添加劑制備了氮化硅軸承球，結(jié)果表明，隨著多種燒結(jié)添加劑Yb2O3含量從0增加到9wt%，其抗彎強(qiáng)度、斷裂韌性和氮化硅相含量均增加。劉劍等[8]探究了MgO-Y2O3燒結(jié)助劑對(duì)氮化硅軸承球的影響，結(jié)論表明，Y2O3與氮化硅反應(yīng)可減少氧元素融入氮化硅晶體的概率。綜上所述，燒結(jié)助劑對(duì)氮化硅致密化有影響，因此，燒結(jié)助劑對(duì)氮化硅軸承球致密化同樣有影響。

鑒于燒結(jié)助劑能有效地提高氮化硅軸承球的綜合性能，課題組在滿足提高氮化硅軸承球綜合性能的前提下，盡可能降低成本，最終選擇了價(jià)格較低的MgO-Y2O3作為復(fù)合式燒結(jié)助劑，使用常壓燒結(jié)技術(shù)設(shè)備制備氮化硅軸承球，探究MgO-Y2O3復(fù)合式燒結(jié)助劑不同添加量、不同比例對(duì)氮化硅軸承球的致密化影響。其研究意義是在保證優(yōu)良的氮化硅軸承球綜合性能的前提下推廣至可大批生產(chǎn)的工廠中。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品制備裝置

采用雙壓輥擠壓造粒機(jī)制備氮化硅軸承球造粒，如圖1所示。該裝置由控制系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)、造粒系統(tǒng)四部分組成。1）控制系統(tǒng)由電控箱組成。通過電動(dòng)箱控制設(shè)備的開關(guān)。2）傳動(dòng)系統(tǒng)包括混合攪龍和副電機(jī)。副電機(jī)利用帶動(dòng)副軸提供動(dòng)力，從而帶動(dòng)混合攪龍旋轉(zhuǎn)。3）動(dòng)力系統(tǒng)包括主電機(jī)和錐齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。主電機(jī)為主軸旋轉(zhuǎn)提供動(dòng)力，錐齒輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)為造粒系統(tǒng)提供動(dòng)力。4）造粒系統(tǒng)包括入料口、壓輥、切料刀、出料刮板及出料口。入料口和出料口提供粉粒進(jìn)出口，壓輥勻速轉(zhuǎn)動(dòng)將粉體壓成形，切料刀將從壓輥壓出的料切成小塊，出料刮板防止粉料粘連在機(jī)壁上。

圖1 雙壓輥擠壓造粒機(jī)

1.2 實(shí)驗(yàn)原料及燒結(jié)助劑

本實(shí)驗(yàn)采用的原材料為α-Si3N4含量≥93.1%的氮化硅粉體（平均粒徑為0.6μm），活性MgO≥62%、游離CaO≤1.8%的氧化鎂粉體，Y2O3含量占61.4%的三氧化二釔粉體。

為了分析不同配比燒結(jié)劑對(duì)氮化硅軸承球燒結(jié)的影響，設(shè)計(jì)了不同配比的燒結(jié)配方，實(shí)驗(yàn)原料總質(zhì)量為100 g，具體燒結(jié)配方如表1所示。

表1 燒結(jié)配方

1.3 樣品制備

將Si3N4粉體、MgO粉體、Y2O3粉體按表1燒結(jié)配方配比，將行星球磨機(jī)進(jìn)行1 h空轉(zhuǎn)，運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)處理，確保正常運(yùn)轉(zhuǎn)后，加入100 g物料、適量瑪瑙球和適量無水乙醇進(jìn)行球磨。球磨好的漿料在80℃的烘箱中烘干5 h，烘干后進(jìn)行研磨，再過100目標(biāo)準(zhǔn)篩，得到混合粉體。使用5%的PVB溶液對(duì)粉體進(jìn)行造粒，對(duì)造粒成的粒子進(jìn)行干壓、冷等靜壓成型，制成直徑9.525 mm的陶瓷球素胚。將素胚放在600°C下保溫1 h進(jìn)行排膠處理，排膠后將素胚放入石墨坩堝中，再將石墨坩堝放入石墨匣缽中。在碳化鉻常壓燒結(jié)爐分別設(shè)置1 350℃、1 450℃、1 550℃、1 650℃和1 700℃保溫2 h，對(duì)進(jìn)行常壓燒結(jié)的氮化硅軸承球樣品進(jìn)行探究，從而研究MgOY2O3復(fù)合燒結(jié)助劑對(duì)氮化硅軸承球致密化的影響。

1.4 樣品表征

使用耐火材料體積密度測試儀ET-320M，采用阿基米德原理，依照氮化硅軸承球的特性通過煮沸飽和法測量其致密度。采用X射線衍射儀（TD-3500）進(jìn)行物相分析。采用TESCAN SEM/FIB-SEM集成拉曼一體化顯微鏡觀察分析燒結(jié)樣品的微觀形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 氮化硅軸承球樣品的SEM分析

M9Y1、M7Y3、M5Y5、M3Y7、M1Y9五 種 配 比 燒結(jié)助劑，在1 650℃下保溫2 h，對(duì)不同配比的MgOY2O3復(fù)合燒結(jié)助劑燒結(jié)成的氮化硅軸承球樣品進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)檢測，得到氮化硅軸承球樣品的SEM照片，如圖2所示。由圖2可以看出，在M9Y1中由于MgO占燒結(jié)助劑總量的90%，反應(yīng)過量的MgO在燒結(jié)反應(yīng)中產(chǎn)生玻璃相，在高溫的情況下易分解或者揮發(fā)，從而產(chǎn)生氣孔。而在M3Y7中，樣品表面較為光滑平整，已沒有明顯的氣孔分布，氣孔數(shù)量較少，達(dá)到較高的致密化。

圖2 氮化硅軸承球樣品的SEM照片

2.2 含MgO-Y2O3燒結(jié)助劑的氮化硅軸承球物相分析

M7Y3在不同溫度經(jīng)過2 h燒結(jié)后的XRD圖譜，如圖3所示。由圖3可知，在五種溫度下主晶相都為β-Si3N4晶體，說明在這五種溫度下α-Si3N4已經(jīng)完全轉(zhuǎn)換成了β-Si3N4。從XRD圖譜中看出，在1 550℃以下，β-Si3N4并無明顯變化，而在1 550℃時(shí)，Y2（Si3O3N4）的衍射峰增加到最大值。這說明在1 450℃到1 550℃時(shí)，Y2O3和Si3N4易形成Y2（Si3O3N4）。在1 650℃時(shí)，β-Si3N4衍射峰有較明顯增加。當(dāng)溫度到達(dá)1 700℃時(shí)，β-Si3N4衍射峰有明顯增加。

圖3 樣品M7Y3在不同溫度燒結(jié)后的XRD圖譜

2.3 MgO-Y2O3不同比例對(duì)氮化硅軸承球致密性影響

不同配方燒結(jié)的氮化硅軸承球樣品的相對(duì)密度，如圖4所示，從圖中可以看出五種配方燒結(jié)出的陶瓷相對(duì)密度均超過98%，其中，M5Y5配方的氮化硅軸承球相對(duì)密度達(dá)到最高，為99.52%。在相同的燒結(jié)助劑含量中，以M5Y5明顯分開兩種不同情況。對(duì)于M7Y3和M9Y1的相對(duì)密度較小地減少，這應(yīng)該與MgO的過量而在燒結(jié)過程中產(chǎn)生玻璃相，在高溫的條件下易揮發(fā)而產(chǎn)生的氣孔有關(guān)系。對(duì)于M1Y9和M3Y7的相對(duì)密度較小地減少，可能是由于MgO燒結(jié)助劑的含量過少，沒有很好地促進(jìn)燒結(jié)過程的液相含量增加，無法提高Si、N原子的擴(kuò)散速度，無法促進(jìn)顆粒的致密化過程。

圖4 不同配方氮化硅軸承球的相對(duì)密度

3 結(jié)論

1）MgO-Y2O3燒結(jié)助劑對(duì)氮化硅軸承球燒結(jié)，由于Y2（Si3O3N4）的產(chǎn)生，在1 550℃前α-Si3N4轉(zhuǎn)換β-Si3N4的相轉(zhuǎn)化速率較慢；當(dāng)溫度高于1 550℃時(shí)，α-Si3N4轉(zhuǎn)換β-Si3N4的相轉(zhuǎn)化速率開始增加；當(dāng)溫度高于1 650℃時(shí)，相轉(zhuǎn)化速率最高。

2）MgO-Y2O3燒結(jié)助劑體系中，MgO含量不可過多也不可過少，否則都會(huì)影響燒結(jié)出的氮化硅軸承球的致密性。當(dāng)燒結(jié)助劑配比為5%MgO和5%Y2O3時(shí)，可得到表面形貌優(yōu)良并具有高致密度的氮化硅軸承球。