造粒粉體松裝密度對氮化硅陶瓷球燒結致密化的影響

徐金夢，張偉儒，孫峰，荊赫，厲成強

(中材高新氮化物陶瓷有限公司，山東 淄博 255000)

氮化硅(Si3N4)陶瓷球具有質量小、自潤滑、絕緣、無磁、高彈性模量、耐腐蝕等優異性能，已經廣泛應用于機床主軸、電主軸、汽車發動機、航空和航天發動機、風力發電機等領域的高速、高精密、長壽命軸承中[1]。同時，Si3N4陶瓷球可使軸承具有質量小，摩擦損耗低和干摩擦條件下運轉能力強等特點，滿足航空發動機領域軸承的輕量化、長壽命和低摩擦損失的需求[2]。

Si3N4陶瓷球素坯密度直接影響陶瓷球燒結后的各項性能指標，提高Si3N4陶瓷球的素坯密度有利于降低Si3N4陶瓷球燒結后的微氣孔數，提高疲勞壽命[3-4]。在Si3N4陶瓷球制造過程中，影響素坯強度的最主要因素為Si3N4噴霧造粒粉體的形貌和松裝密度[5-6]。研磨后Si3N4料漿經噴霧造粒后球形化，粉體顆粒尺寸的近正態分布有利于提高粉體松裝密度，提高成型的壓制密度[7-8]。本文分析了Si3N4噴霧造粒粉體松裝密度對Si3N4陶瓷球力學性能及顯微結構的影響。

1 Si3N4粉噴霧造粒

Si3N4粉是制備Si3N4陶瓷球的主要原料，選擇合適的粉料處理方式，獲得形狀規則、粒度分布均勻的粉體是Si3N4陶瓷球成型、燒結、加工等工藝能夠穩定實施的基礎[10-12]。

根據霧化方式不同，Si3N4粉的噴霧造粒方式主要有離心噴霧造粒、壓力噴霧造粒及二流體噴霧造粒。壓力噴霧造粒將Si3N4粉混合均勻后的料漿通過高壓噴入造粒塔進行霧化，霧滴被熱氣流快速干燥成球形粉體[13-15]，可防止料漿中各組分團聚和沉降分層，通過控制顆粒表面溶劑的揮發速率獲得顆粒形貌規則，粒度分布均勻，流動性好及松裝密度合適的噴霧造粒粉體，從而改善粉體填充模具的性能，提高素坯密度及均勻性[9]。因此，選擇壓力噴霧造粒方式，研究噴霧造粒粉體松裝密度對Si3N4陶瓷球性能的影響。

2 試驗

2.1 原料

Si3N4粉(粒度分布中累積體積分數為50%時對應的粒度D50=1.5 μm，α-Si3N4含量為93%，純度為99.9%)、Y2O3粉(D50=1.8 μm，純度為99.9%)、Al2O3粉(D50=2.2 μm，純度為99.95%)等。

2.2 試樣制備

按Si3N4∶Y2O3∶Al2O3=92%∶4%∶4%(質量比)進行配料后加入球磨機，以無水乙醇為溶劑，Si3N4球為研磨介質進行混合和分散，混合時間為24 h，Si3N4球與混合粉體的質量比為3∶1。混合均勻后漿料固相的質量分數為55%，黏度為4 000 MPa·s。通過控制噴霧干燥塔進口溫度和噴片孔徑獲得不同松裝密度的造粒粉體。使用干壓機將Si3N4噴霧造粒粉體壓制成為直徑8.731 mm的陶瓷球素坯，然后進行氣氛壓力燒結(Gas Pressure Sintering，GPS)，燒結溫度為1 850 ℃，升溫速率為3 ℃/min，保溫時間為1.5 h，氮氣壓力為9 MPa。

2.3 性能檢測

根據阿基米德排水法原理，采用油浸法測試Si3N4陶瓷球素坯密度，利用排水法測試燒結密度，結合稱量時的配比計算試樣的理論密度，根據公式ρR=ρS/ρT計算相應的相對密度，其中，ρS為實際密度，ρT為理論密度。

利用BT-1000粉體綜合特性測試儀測試噴霧造粒粉體松裝密度；利用篩分法測試噴霧造粒粉體顆粒級配；采用萬能試驗機測試陶瓷球壓碎載荷，與同規格鋼球的壓碎載荷標準值對比得到壓碎載荷比；采用壓痕法測試Si3N4陶瓷球維氏硬度及斷裂韌性，每個Si3N4陶瓷球取5個點的算術平均值作為最終結果；利用材料力學萬能試驗機測試Si3N4陶瓷材料三點彎曲強度。

采用金相顯微鏡評價Si3N4陶瓷球內部氣孔，采用體式顯微鏡分析噴霧造粒粉體顆粒形貌，采用掃描電子顯微鏡分析Si3N4陶瓷球微觀組織及晶粒斷裂形貌。

3 結果與討論

3.1 噴霧造粒粉體性能對陶瓷球力學性能的影響

同批次料漿，不同噴霧造粒工藝制得的造粒粉體篩分數據及松裝密度見表1，不同松裝密度噴霧造粒粉體壓制陶瓷球素坯密度、燒結密度及陶瓷球抗彎強度、壓碎載荷、斷裂韌性及維氏硬度等力學性能數據見表2。

由表1可知，堆積時氣孔率偏高，壓制成型時不利于素坯密度的提高；當噴霧造粒粉體粗顆粒占比較高和中間尺寸顆粒占比適中時，有利于提高造粒粉體松裝密度，但由表2可知，其壓制成型素坯密度反而偏低，主要原因是堆積密度高，壓制過程排氣較困難。

由表1和表2可知：隨造粒粉體松裝密度增大，Si3N4陶瓷球素坯密度呈先增大后減小的趨勢；當松裝密度為0.89 g/cm3時，Si3N4陶瓷球素坯密度最大為1.92 g/cm3，燒結后密度和力學性能最優；當松裝密度繼續增大時，Si3N4陶瓷球素坯密度降低，力學性能變差；5#造粒粉體壓制Si3N4陶瓷球的力學性能最優。

表1 不同噴霧造粒工藝制得的造粒粉體篩分數據及與松裝密度對應關系

表2 噴霧造粒粉體的松裝密度和陶瓷球GPS后的力學性能

因此，松裝密度過高或過低都會影響粉體的壓制性能及Si3N4陶瓷球素坯密度，從而影響Si3N4陶瓷球力學性能，其機理是松裝密度直接影響噴霧造粒粉體壓制成型后的氣孔率，氣體難排出，導致燒結過程中顆粒和物質遷移距離過長，不利于燒結致密化。

5#Si3N4噴霧造粒粉體顆粒形貌為實心球形(圖1)，顆粒尺寸集中在50～150 μm，可以保證粉體合適的松裝密度及良好的流動性，適合壓制成型，坯體具有較高的密度，有助于燒結致密化，從而使壓制后的Si3N4陶瓷球力學性能最優。

圖1 5# Si3N4噴霧造粒粉體顆粒形貌

3.2 噴霧造粒粉體性能對陶瓷球顯微結構的影響

1#～9#噴霧造粒粉體壓制Si3N4陶瓷球GPS后的金相如圖2所示，隨造粒粉體松裝密度升高，GPS后Si3N4陶瓷球內部氣孔數先增加后減少，Si3N4陶瓷球的致密度先升高后下降；造粒粉體松裝密度為0.84～0.88 g/cm3時，GPS后Si3N4陶瓷球內部微氣孔較多，致密化程度較低；造粒粉體松裝密度為0.89 g/cm3(5#試樣)時，GPS后Si3N4陶瓷球內部氣孔數最少，尺寸最小，致密化程度較高；當造粒粉體松裝密度增大到0.90 g/cm3及以上時，GPS后Si3N4陶瓷球內部氣孔尺寸增大且數量增多，致密度比松裝密度0.84～0.89 g/cm3噴霧造粒粉體壓制的Si3N4陶瓷球有所下降。

圖2 不同松裝密度噴霧造粒粉體壓制Si3N4陶瓷球GPS后金相照片

利用SEM觀察力學性能最優及較差的Si3N4陶瓷球壓碎試樣的顯微結構和晶粒斷裂形貌，如圖3所示，隨造粒粉體松裝密度升高，Si3N4陶瓷球的致密度先升高后下降，松裝密度過高或過低都會導致晶粒生長不均勻，內部存在孔隙。

圖3 不同松裝密度噴霧造粒粉體壓制Si3N4陶瓷球GPS后掃描電子顯微鏡照片

由圖3a可知，Si3N4陶瓷球組織結構均勻，晶粒發育充分，形成大量均勻的長柱狀β-Si3N4晶粒且長徑比接近，晶粒間不存在孔隙。原因為5#噴霧造粒粉體顆粒均勻，粒徑分布合理，燒結驅動力大，燒結后產生的長柱狀β-Si3N4晶粒相互搭接形成互鎖結構，其斷裂方式以穿晶斷裂為主，使Si3N4陶瓷材料具有較高的抗彎強度。

由圖3b可知，Si3N4陶瓷球GPS后晶粒生長不均勻，晶粒尺寸相差較大，晶粒間孔隙較大，小尺寸晶粒較多，晶界相比表面積大，斷裂方式為晶界斷裂，因此斷裂韌性值較低。

由圖3c可知，顯微結構組織不均勻，存在部分粗大的β-Si3N4晶粒，尺寸相差較大。這是由于9#噴霧造粒粉體原始粒度不均勻，導致燒結后產生粗大的再結晶晶粒，異常長大的β-Si3N4晶粒不利于互鎖結構的緊密性，造成Si3N4陶瓷材料綜合力學性能下降。

4 結論

以Si3N4粉為原料，Y2O3，Al2O3為燒結助劑，分析了噴霧造粒粉體松裝密度對陶瓷球燒結致密化及力學性能的影響，得出以下結論：

1)隨造粒粉體松裝密度增大，Si3N4陶瓷球素坯密度呈先增大后減小的趨勢。當松裝密度為0.89 g/cm3時，成型的Si3N4陶瓷球燒結后致密化程度最高，力學性能最優。

2)噴霧造粒粉體松裝密度為0.89 g/cm3時，成型的Si3N4陶瓷球顯微氣孔最少，晶粒尺寸均勻，以穿晶斷裂方式為主。