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燒結溫度對氮化硅陶瓷球?有哪些影響

來源:|作者:金瑞 |發布時間:2022-02-09 |次瀏覽
氮化硅陶瓷材料與軸承鋼材料相比具有質量輕、強度高、耐腐蝕等特性,用陶瓷材料制成的滾動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用于航空、航天、高速電主軸等眾多領域,具有廣泛的市場前景。氮化硅是強共價鍵化合物,氮原子和硅原子的自擴散系數低,致密化所需的體積擴散及晶界擴散速度、燒結驅動力小,可燒結性差。在制備過程中易產生各種缺陷,從而降低材料性能,限

氮化硅陶瓷材料與軸承鋼材料相比具有質量輕、強度高、耐腐蝕等特性,用陶瓷材料制成的滾動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用于航空、航天、高速電主軸等眾多領域,具有廣泛的市場前景。


氮化硅是強共價鍵化合物,氮原子和硅原子的自擴散系數低,致密化所需的體積擴散及晶界擴散速度、燒結驅動力小,可燒結性差。在制備過程中易產生各種缺陷,從而降低材料性能,限制了氮化硅陶瓷球軸承的使用。目前國內通常采用氣氛壓力燒結制備氮化硅陶瓷球,其燒結機理為液相燒結,晶粒通過溶解、析出、再結晶從而達到致密。因燒結驅動力小,通常氮化硅陶瓷球燒結溫度不低于1700℃,同時為防高溫下氮化硅分解,采用氮氣(N2)做為加壓介質以抵住其分解。本試驗采用氣氛壓力燒結的方法,研究燒結溫度對氮化硅陶瓷球密度、壓碎載荷比、孔隙度、硬度和斷裂韌性等性能的影響。


燒結溫度對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。密度數值直觀反映氮化硅陶瓷球致密化程度,通過精確測量密度值,可以研究材料致密化程度。滾動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轉時要承受更高的接觸應力,即Hertz表面應力,所以對于氮化硅陶瓷球材料,其內部孔隙、夾雜物、高的添加劑含量和偏析、顯微結構不均勻、裂紋等材料缺陷都會嚴重縮短其滾動接觸委靡壽命。所以要求陶瓷材料不但應有良好的機械物理性能,更應具有高的致密化程度和低的材料缺陷。


氮化硅材料內部氣孔率增加時,其強度、斷裂韌性等性能隨之降低。陶瓷球材質中游離硅、添加劑、孔隙、夾雜等對陶瓷球的密度有較大影響,進而直接影響陶瓷球軸承的性能,特別是對軸承的委靡壽命、承載能力影響大。游離硅、添加劑、夾雜等會使陶瓷球的密度增加,孔隙、裂紋等內部缺陷會使陶瓷球的密度降低,故通過檢測陶瓷毛坯球的密度,可以評價陶瓷球的致密性、純凈度等。


試驗采用阿基米德排水法測量燒結后陶瓷球密度。不同燒結溫度下的密度測試不低于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,由圖可以看出,在1710℃時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℃時密度達到3.235g/cm3。隨溫度的繼續升高,密度處于緩慢上升狀態,至1810℃時密度達到3.271g/cm3。


燒結溫度對陶瓷球孔隙度的影響

試驗證明,顯微結構均勻、致密的陶瓷球滾動接觸委靡壽命更高。氮化硅陶瓷球是通過壓制、燒結制成,陶瓷球材料內部不可避免地存在孔隙。但要求陶瓷球材料的內部孔隙越少越好,且應分布均勻細小,不允許出現可能成為委靡源的較大孔隙或孔隙群。試驗對待檢陶瓷球進行鑲嵌、制樣,通過切削、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不同燒結溫度的氮化硅陶瓷球。除燒結溫度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小、分散的孔隙。


燒結溫度對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。在待測樣品的橫截面上用維氏硬度計壓頭在一定壓力下產生壓痕,硬度計壓頭為金剛石,形狀為136°夾角的四方棱錐體,通過檢測壓痕對角線長度,經計算得出試樣硬度和斷裂韌性。


燒結溫度為1710℃的陶瓷球試樣因孔隙較多,無法準確檢測其硬度和斷裂韌性,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。

燒結溫度對氮化硅陶瓷球斷裂韌性的影響


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