MgO-Y 2O3復合燒結助劑對氮化硅軸承球致密化的影響*

黃佳雯，周健震，李 軍，沈晨琛，羅浩東，郭大偉

（1.景德鎮學院機械電子工程學院，江西 景德鎮 333403；2.景德鎮陶瓷大學機械電子工程學院，江西 景德鎮 333403）

0 引言

氮化硅軸承球在現代工業中占有重要地位，具有耐高溫、硬度大、耐腐蝕等優良特性[1-2]，因此，被廣泛應用在滾珠軸承、增壓器轉子、汽輪機葉片等現代工業上。由于氮化硅軸承球的廣泛使用，其面對的處境類型隨之增加，在密閉顛簸的工作環境中對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熱性[3]，但其強度和致密化較低。這是由于氮化硅存在三種晶體結構，其中，長軸狀β氮化硅晶體會出現大量的氮化硅晶體交錯橋連，從而出現微型氣孔等，導致氮化硅軸承球致密性降低。因此，課題組將探討MgOY2O3復合燒結助劑對氮化硅軸承球致密化的影響。

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

鑒于燒結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，最終選擇了價格較低的MgO-Y2O3作為復合式燒結助劑，使用常壓燒結技術設備制備氮化硅軸承球，探究MgO-Y2O3復合式燒結助劑不同添加量、不同比例對氮化硅軸承球的致密化影響。其研究意義是在保證優良的氮化硅軸承球綜合性能的前提下推廣至可大批生產的工廠中。

1 實驗

1.1 樣品制備裝置

采用雙壓輥擠壓造粒機制備氮化硅軸承球造粒，如圖1所示。該裝置由控制系統、傳動系統、動力系統、造粒系統四部分組成。1）控制系統由電控箱組成。通過電動箱控制設備的開關。2）傳動系統包括混合攪龍和副電機。副電機利用帶動副軸提供動力，從而帶動混合攪龍旋轉。3）動力系統包括主電機和錐齒輪傳動結構。主電機為主軸旋轉提供動力，錐齒輪傳動結構為造粒系統提供動力。4）造粒系統包括入料口、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出口，壓輥勻速轉動將粉體壓成形，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壁上。

圖1 雙壓輥擠壓造粒機

1.2 實驗原料及燒結助劑

本實驗采用的原材料為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劑對氮化硅軸承球燒結的影響，設計了不同配比的燒結配方，實驗原料總質量為100 g，具體燒結配方如表1所示。

表1 燒結配方

1.3 樣品制備

將Si3N4粉體、MgO粉體、Y2O3粉體按表1燒結配方配比，將行星球磨機進行1 h空轉，運轉中發現問題及時處理，確保正常運轉后，加入100 g物料、適量瑪瑙球和適量無水乙醇進行球磨。球磨好的漿料在80℃的烘箱中烘干5 h，烘干后進行研磨，再過100目標準篩，得到混合粉體。使用5%的PVB溶液對粉體進行造粒，對造粒成的粒子進行干壓、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。在碳化鉻常壓燒結爐分別設置1 350℃、1 450℃、1 550℃、1 650℃和1 700℃保溫2 h，對進行常壓燒結的氮化硅軸承球樣品進行探究，從而研究MgOY2O3復合燒結助劑對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樣品的微觀形貌。

2 結果與討論

2.1 氮化硅軸承球樣品的SEM分析

M9Y1、M7Y3、M5Y5、M3Y7、M1Y9五 種 配 比 燒結助劑，在1 650℃下保溫2 h，對不同配比的MgOY2O3復合燒結助劑燒結成的氮化硅軸承球樣品進行微觀結構檢測，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占燒結助劑總量的90%，反應過量的MgO在燒結反應中產生玻璃相，在高溫的情況下易分解或者揮發，從而產生氣孔。而在M3Y7中，樣品表面較為光滑平整，已沒有明顯的氣孔分布，氣孔數量較少，達到較高的致密化。

圖2 氮化硅軸承球樣品的SEM照片

2.2 含MgO-Y2O3燒結助劑的氮化硅軸承球物相分析

M7Y3在不同溫度經過2 h燒結后的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已經完全轉換成了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，Y2（Si3O3N4）的衍射峰增加到最大值。這說明在1 450℃到1 550℃時，Y2O3和Si3N4易形成Y2（Si3O3N4）。在1 650℃時，β-Si3N4衍射峰有較明顯增加。當溫度到達1 700℃時，β-Si3N4衍射峰有明顯增加。

圖3 樣品M7Y3在不同溫度燒結后的XRD圖譜

2.3 MgO-Y2O3不同比例對氮化硅軸承球致密性影響

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

圖4 不同配方氮化硅軸承球的相對密度

3 結論

1）MgO-Y2O3燒結助劑對氮化硅軸承球燒結，由于Y2（Si3O3N4）的產生，在1 550℃前α-Si3N4轉換β-Si3N4的相轉化速率較慢；當溫度高于1 550℃時，α-Si3N4轉換β-Si3N4的相轉化速率開始增加；當溫度高于1 650℃時，相轉化速率最高。

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