馮穎，馬越，張玲

(1.洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039)

氮化硅(Si3N4)陶瓷具有密度小、硬度高、熱膨脹系數(shù)小、耐高溫、耐腐蝕、化學(xué)穩(wěn)定性好、彈性模量大、抗壓強(qiáng)度高等性能，在化工、冶金、機(jī)械、石油、交通、航空航天、電子、家用電器、真空等行業(yè)中有廣泛的應(yīng)用前景[1]。Si3N4陶瓷材料可以有效提高軸承性能，擴(kuò)大軸承在高速、高溫、腐蝕等特殊環(huán)境中的使用范圍[2]。目前，隨著高端裝備制造業(yè)、新型清潔能源的發(fā)展，特別是風(fēng)力發(fā)電行業(yè)、航空航天事業(yè)的發(fā)展，與之配套使用的Si3N4陶瓷球需求量增大。Si3N4陶瓷球在軸承行業(yè)中也已實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)[3]。

目前，Si3N4陶瓷球的制造工藝主要采用粉末冶金工藝，粉末性能對Si3N4陶瓷球的力學(xué)性能、制備工藝以及產(chǎn)品外觀有很大影響[4]。由于制備方法和后續(xù)處理工藝不同，不同廠家的Si3N4粉料性能差異較大，從而對Si3N4材料的燒結(jié)、性能以及陶瓷球的加工和表面質(zhì)量有較大影響。

分別選用國產(chǎn)和進(jìn)口Si3N4原材料粉末，制備不同規(guī)格的Si3N4陶瓷球，研究粉末特性對球性能的影響。

1 試驗(yàn)

1.1 試樣

國產(chǎn)和進(jìn)口Si3N4粉末性能見表1，其掃描電鏡形貌如圖1所示。由此可知，2種粉末均為微米級顆粒，大部分為不規(guī)則形狀的α-Si3N4，另外有少量長條形β-Si3N4。與國產(chǎn)原材料粉末相比，進(jìn)口原材料粉末粒度小、雜質(zhì)含量少。這是因?yàn)閲a(chǎn)Si3N4粉末的制備方法一般采用硅粉直接氮化法；進(jìn)口Si3N4粉末在硅粉氮化后，用鹽酸和氫氟酸等后處理工藝去除氧和其他雜質(zhì)，最后去除殘余的鹽酸和氫氟酸。

表1 國產(chǎn)和進(jìn)口Si3N4粉末的初始特性

(a)國產(chǎn)Si3N4

采用納米級Y2O3和Al2O3粉末作為燒結(jié)助劑，經(jīng)球磨混合、冷等靜壓成形、氣氛壓力燒結(jié)制造，再進(jìn)行研磨加工制得加工精度為G5級的陶瓷球。分別用2種原材料制備φ6.35 mm和φ14.287 5 mm 2種規(guī)格的陶瓷球，同種規(guī)格陶瓷球的制備工藝相同。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及方法

對試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測。采用排水法測量試樣的密度；采用壓痕法測量試樣的維氏硬度和斷裂韌性；采用萬能材料試驗(yàn)機(jī)測量試樣的壓碎載荷，與同規(guī)格鋼球的壓碎載荷標(biāo)準(zhǔn)值比較得到陶瓷球壓碎載荷比；采用激光共聚焦掃描顯微鏡對孔隙度及金相組織進(jìn)行觀察；利用掃描電鏡對燒結(jié)試樣的微觀組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析；利用振動測量儀檢測試樣的振動值；利用體視顯微鏡(10×)檢查試樣的表面缺陷。

2 結(jié)果與分析

2.1 陶瓷球的綜合力學(xué)性能

試驗(yàn)制備的陶瓷球的綜合力學(xué)性能見表2。由表可知，對于φ6.35 mm的陶瓷球，2種原材料粉末制備的試樣力學(xué)性能相差不大；對于φ14.287 5 mm的陶瓷球，使用進(jìn)口原材料粉末制備的試樣具有更高的密度、硬度和壓碎載荷，但是斷裂韌性值略低。

進(jìn)口原材料粉末對大尺寸陶瓷球的力學(xué)性能影響較大，這是因?yàn)檫M(jìn)口原材料粉末粒度細(xì)、粒度均勻、雜質(zhì)含量少、燒結(jié)活性高，有助于陶瓷球的燒結(jié)致密化。對于尺寸較大的陶瓷球，燒結(jié)所需的驅(qū)動力較大，當(dāng)溫度等燒結(jié)條件不容易滿足其致密化需求時(shí)，使用燒結(jié)活性較大的原材料粉末可以在較低的燒結(jié)條件下達(dá)到致密化目的。同時(shí)，粒度較小的原材料粉末有助于提高材料硬度，對性能的影響表現(xiàn)更為顯著。

2.2 陶瓷球的金相組織及孔隙度

試樣的金相組織照片如圖2所示。由圖可知，1#和2#試樣的孔隙很少，材料致密化程度較高；3#試樣的孔隙不均勻分布，近表面區(qū)域較為致密，中心區(qū)域孔隙較多；4#試樣孔隙很少，材料致密化程度較高。試樣的金相組織與密度檢測結(jié)果一致。密度高的試樣金相組織孔隙較少；反之，孔隙較多。

圖2 陶瓷球的金相組織照片

3#試樣的金相組織表明，近表面區(qū)域已完成致密化；中心區(qū)域孔洞較多、致密化不完全。這是因?yàn)镾i3N4燒結(jié)屬于液相燒結(jié)，其過程分為重排、溶解-再結(jié)晶、晶粒長大3個(gè)階段。Si3N4材料的熱導(dǎo)率較低，燒結(jié)過程中陶瓷球的近表面區(qū)域溫度較高，首先形成液相，致密化過程較早。隨著溫度升高，液相擴(kuò)展、增多，內(nèi)部致密化進(jìn)程加快。液相的含量和分布對材料的致密化過程有重要影響。3#試樣的燒結(jié)條件沒有產(chǎn)生足夠和均勻的液相，因此沒有實(shí)現(xiàn)完全致密化。

3#和4#試樣燒結(jié)條件相同，但4#試樣孔洞較少、致密化完全。這是因?yàn)榕c國產(chǎn)原材料粉末相比，進(jìn)口原材料粉末采用了后處理工藝來去除雜質(zhì)，雜質(zhì)含量極低，極大提高了粉末的燒結(jié)活性。同時(shí)，Si3N4原始粉末粒度小，顆粒重排速度快，在液相中的溶解度高，有助于液相燒結(jié)的快速完成。Si3N4陶瓷球的尺寸大，燒結(jié)難度大，采用燒結(jié)活性較大的進(jìn)口原材料粉末更有助于滿足大尺寸陶瓷球的致密化要求。

2.3 陶瓷球的微觀結(jié)構(gòu)

1#和3#試樣拋光面的掃描電鏡照片如圖3所示。由圖可知，燒結(jié)后Si3N4晶相發(fā)生轉(zhuǎn)變，α-Si3N4已完全轉(zhuǎn)變成長柱晶β-Si3N4；2種試樣的組織不均勻且存在粗大晶粒。這是因?yàn)橹苽湓嚇铀玫腟i3N4國產(chǎn)原材料粉末粒徑分布寬、原始粒度不均勻，導(dǎo)致燒結(jié)后易產(chǎn)生粗大的再結(jié)晶晶粒。另外，3#試樣的晶粒尺寸較大，這是因?yàn)榇蟪叽缣沾汕虻臒Y(jié)溫度較高。

3#和4#燒結(jié)試樣拋光面不同位置的掃描電鏡照片如圖4所示。由圖可知，3#試樣近表面區(qū)域的晶粒比中心區(qū)域晶粒粗大，說明近表面區(qū)域的溫度高于中心區(qū)域，燒結(jié)過程領(lǐng)先于中心區(qū)域，致密化過程已完成，晶粒開始長大。該結(jié)果與金相組織及孔隙度分析結(jié)果一致。4#試樣近表面區(qū)域和中心區(qū)域的顯微結(jié)構(gòu)沒有太大差異，同時(shí)，其晶粒也比3#試樣更加均勻細(xì)小。這是因?yàn)槌跏荚牧戏勰┑牧６葘Y(jié)后組織的晶粒度有很大影響。Si3N4進(jìn)口原材料粉末粒度小，粒徑分布均勻，雜質(zhì)含量低，燒結(jié)驅(qū)動力大，更容易滿足大尺寸陶瓷球的燒結(jié)條件，且燒結(jié)后其組織均勻、晶粒細(xì)小。因此，對比陶瓷球的綜合力學(xué)性能時(shí)，4#試樣比3#試樣具有更高的密度、硬度和壓碎載荷。4#試樣的斷裂韌性值較低，這是因?yàn)椴牧系臄嗔秧g性值與壓痕的裂紋擴(kuò)展方式有關(guān)。晶粒尺寸越小，晶界的比表面積越大，斷裂方式主要是晶界斷裂，斷裂韌性值變低；晶粒尺寸越大，能夠有效阻斷裂紋擴(kuò)展，斷裂韌性值較高。Si3N4材料的斷裂韌性值與β長柱晶直徑的平方根成正比，Si3N4材料韌性隨著β晶粒尺寸的增大而增大[5]。3#試樣比4#試樣的晶粒度大，因此其斷裂韌性值較高。

圖4 3#和4#試樣不同位置的掃描電鏡照片

Si3N4陶瓷球應(yīng)用于軸承時(shí)，其失效模式主要表現(xiàn)為疲勞剝落，其接觸疲勞性能與斷裂韌性沒有直接關(guān)系，細(xì)小均勻的顯微組織是具有良好滾動接觸疲勞壽命的基本條件[6]。因此，對Si3N4材料性能進(jìn)行評判時(shí)，應(yīng)綜合考慮其力學(xué)性能。

2.4 陶瓷球表面質(zhì)量

對研磨加工后的陶瓷球進(jìn)行表面精度及表面缺陷檢查。測量其振動值，統(tǒng)計(jì)外觀合格率，結(jié)果見表3。

表3 陶瓷球表面質(zhì)量檢查結(jié)果

由表3可知，4種試樣的加工精度均能達(dá)到G5級。1#和2#試樣的表面質(zhì)量相差不大；4#試樣的振動值較低、外觀合格率較高，表面質(zhì)量明顯優(yōu)于3#試樣。這是由于Si3N4是硬脆材料，加工原理是通過磨料磨粒與材料表面磨削產(chǎn)生微裂紋，微裂紋逐漸增長使材料的脆性去除[7]。如果材料的組織不均勻，存在粗大晶?；驘Y(jié)助劑聚集區(qū)域，加工過程中很容易產(chǎn)生表面缺陷。尺寸較大的陶瓷球燒結(jié)溫度相對較高，更易產(chǎn)生組織偏析或粗大晶粒。進(jìn)口原材料粉末晶粒細(xì)小，燒結(jié)活性較高，可有效改善材料的組織均勻性，極大地提高產(chǎn)品表面質(zhì)量和產(chǎn)品合格率。

3 結(jié)論

1)尺寸較小的陶瓷球，原材料粉末對Si3N4材料的力學(xué)性能影響不大；尺寸較大的陶瓷球，使用進(jìn)口原材料粉末可有效提高材料的綜合力學(xué)性能。

2)尺寸較小的陶瓷球，原材料粉末對Si3N4陶瓷球的孔隙度和金相組織影響不大；尺寸較大的陶瓷球，進(jìn)口原材料粉末燒結(jié)活性大，有助于完成燒結(jié)致密化。

3)使用國產(chǎn)原材料粉末，燒結(jié)后陶瓷球顯微組織不均勻，存在粗大晶粒；使用進(jìn)口原材料粉末，燒結(jié)后組織均勻，晶粒度細(xì)小。

4)尺寸較小的陶瓷球，原材料粉末對Si3N4陶瓷球的表面質(zhì)量影響不大；尺寸較大的陶瓷球，使用進(jìn)口原材料粉末可提高陶瓷球表面加工質(zhì)量，從而有效提高產(chǎn)品合格率。