CN102010207A - 一种高α相氮化硅陶瓷轴承球的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种氮化硅陶瓷轴承球的制备方法，它主要有如下步骤：一是原料处理，它是选用高α相氮化硅粉体作为原料，将原料放入球磨机内，球磨介质用无水酒精，球磨后用远红外干燥箱将其烘干，并用筛网进行过筛，并分批次存放；二是气压烧结成型，将处理后的原料在高温气压的同时作用下直接压制成致密的轴承球；它具有能获得致密性能优良的陶瓷轴承球，质量密度高，强度高，硬度高，耐磨性较好；能准确地控制产品形状；生产期短，质量稳定可靠等特点。

Description

一种高α相氮化硅陶瓷轴承球的制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种高α相氮化硅陶瓷轴承球的制备方法，属于陶瓷工具的制备技术领域。

背景技术

氮化硅Si3N4是一种人工合成的化合物，它具有高强、超硬、耐磨、耐腐蚀、低密度、低膨胀系数、抗热震性好、抗氧化能力强等优越的性能；氮化硅既是性能优良的高温结构陶瓷，又是新型的功能陶瓷。近几十年来在世界范围内得到了高度重视和广泛研究，氧化硅陶瓷在化工、冶金、机械、石油、电子、航天航空等领域都得到广泛的应用。

随着工业技术的高速发展，对轴承的要求也越来越高，轴承结构小型化，尺寸精密化，速度高速化，温度高温化，及对于高真空、防腐蚀等苛刻工况条件的满足也日益紧迫；采用钢质材料的轴承对于某些性能已无法满足，大量试验证明，高速环境下工作的精密轴承（转速在4×104r/min以上）中球是轴承中最薄弱的零件，大约60%～70%的高速轴承失效都是由于钢球产生不同程度的疲劳破坏所致，目前，国内的高速轴承就普遍存在这个问题；为了改善高速轴承性能以提高其疲劳寿命，国内外应用结构陶瓷来制造球体或其他轴承零件，可显著提高高速轴承的使用性能和寿命，其中氮化硅或氮化硅基陶瓷复合材料是制造轴承及其零件最理想的材料，并取得了很好的使用效果。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种耗能低，生产周期短，产品纯度高，设备投资少，制造成本低的、用高α相氮化硅粉体制备的氮化硅陶瓷轴承球的制备方法。

本发明的目的是通过如下技术方案来完成的，它主要由如下步骤：一是原料处理，它是选用高α相氮化硅粉体作为原料，将原料放入球磨机内，球磨介质用无水酒精，球磨后用远红外干燥箱将其烘干，并用筛网进行过筛，并分批次存放；二是气压烧结成型，将处理后的原料在高温高压的同时作用下直接压制成致密的轴承球。

    所述的氮化硅粉体原料要求如下：

α- Si3N4     ≧93%

游离硅         <0.5％   

氮含量         ≧37%                      

氧含量         ≦2%

X-射线分析     主要α、少量β相

    将原料放入球磨机内，在加入无水酒精介质后进行湿磨，球磨时间为80—100小时，卸料后用远红外干燥箱将料烘干，用90—110目筛过筛，分批次存放供气压烧结成型。

所述的气压烧结成型是：氮化硅粉料先在钢模中预压成型，并使预成型件装入气压模前具有一定强度即可，预压成型是在控制压制速度，缓慢加压条件下进行；然后将预成型件放在模具的下垫块上，最后套上气压外模套，装上上压头；将装好粉料的气压模装入气压炉内，密封炉门，通入氮气进行保护，然后进行气压烧结成型；气压完成后，等模具冷却后即可脱模成气压陶瓷轴承球。

    所述的气压陶瓷轴承球的最佳气压温度为1450℃土5℃，加压的单位压力一般为4-6MPa；压模装炉后，先施以初压，将料压紧，初压一般为总压的30-50%；当温度升至500-700℃时，压力升至总压的40-50%；温度升至1000-1400℃时，压力升至总压力的60-70%；温度达到1200-1350℃时，压力保持在总压的85%左右；温度升至1450℃时，压力为总压力的100%；当保温结束后，分阶段降温，让模具在压机上冷却后脱模成陶瓷轴承球。

本发明主要采用高纯人工合成化学物质，即高α相氮化硅粉体，经过先进的气压成型烧结工艺制成，具有能获得致密性能优良的陶瓷轴承球，制品质量密度高，强度高，硬度高，耐磨性较好；能准确地控制产品形状；生产期短，质量稳定可靠等特点。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明作详细的介绍：本发明所述的氮化硅陶瓷轴承球生产工艺包括：一是原料处理，它是选用高α相氮化硅粉体作为原料，将原料放入球磨机内，球磨介质用无水酒精，球磨后用远红外干燥箱将其烘干，并用筛网进行过筛，并分批次存放；二是气压烧结成型，将处理后的原料在高温高压的同时作用下直接压制成致密的轴承球。

一． 原料处理工艺：氮化硅陶瓷轴承球属于高技术陶瓷产品，主要采用高纯人工合成化学物质，经过先进的工艺技术制成。对原料的要求达到高纯性，不得混入任何其他杂质，否则严重影响产品质量

对原料氮化硅粉体的要求：

α- Si3N4     ≧93%

   游离硅         <0.5%

   氮含量         ≧37%

   氧含量         ≦2%

   X-射线分析     主要α、少量β相

  处理工艺流程是：

    原料加无水酒精→按重量装入磨球筒→湿磨→卸料→过筛→保存。

    将原料放入球磨机内，球磨介质用无水酒精，球磨时间为96小时，然后用远红外干燥箱将料烘干；用100目筛过筛，分批次存放。具体球磨时间还包括80—100小时内的任意选择；而所述的筛网过筛，还包括90—110目内的筛网作任意选择。

二.   气压烧结成型工艺：气压成型烧结是陶瓷轴承球制造中最有效最新的工艺。气压法是将处理后的原料在通入保护气氛下、高温高压的同时作用下直接压制成致密的轴承球。与其他方法相比，具有以下优点：能获得致密性能优良的陶瓷轴承球；质量密度高，强度高，硬度高，耐磨性较好；能准确地控制产品形状尺寸；生产期短，质量稳定可靠。

    气压烧结成型的工艺流程是：

            ←过筛←破碎←预压、装模废坯

       ↓              ↑

  合格料→按要求称重→预压成型→装模→装炉→气压烧结→缓慢冷却→脱模→检验→入库

气压成型的用料，必须彻底干燥。合格粉料先在钢模中预成型，钢模和气压模必须配套。预成型件装入气压模前具有一定强度即可。装模时产生废坯经破碎和过筛后，仍可使用。预压成型一般需控制压制速度，缓慢加压。预压件允许有不严重的开裂、分层、轻微掉角现象。脱模时可用预先涂上氮化硼石墨垫块托住。装入气压模前先用氮化硼涂料涂在石墨垫块内衬两侧及气压模内壁，起到不粘模作用。预成型件仔细放在模具的下垫块上，最后套上气压外模套，装上上压头。将装好粉料的气压模装入气压炉内，密封炉门，通入氮气、氧气、氢气进行保护，然后进行气压烧结成型。气压完成后，等模具冷却即可脱模。气压工艺对陶瓷轴承球的质量起决定性的作用，压力及保温时间尤为重要，必须严格控制。

    气压陶瓷轴承球的最佳气压温度为1450℃土5℃，若气压温度过低，此时液相生成量太少，轴承球达不到理论密度和要求的各种性能。如温度太高，Si??N??分解加剧，影响轴承球质量，并造成表面不平整等现象。

    加压的单位压力一般为4-6MPa；压模装炉后，先施以初压，将料压紧；初压一般为总压的30-50%。当温度升至500-700℃时，压力升至总压的40-50%。温度升至1000-1400℃时，压力升至总压力的60-70%。温度达到1200-1350℃时，压力保持在总压的85%左右。温度升至1450℃时，压力为总压力的100%.当保温结束后，分阶段降温，让模具在压机内冷却。本发明的其它实施例的具体气压温度可在上述气压温度范围中任意选择；同样，加压的单位压力也可以在上述压力范围内任意选择。

Claims (4)

1.一种氮化硅陶瓷轴承球的制备方法，其特征在于：它主要有如下步骤：一是原料处理，它是选用高α相氮化硅粉体作为原料，将原料放入球磨机内，球磨介质用无水酒精，球磨后用远红外干燥箱将其烘干，并用筛网进行过筛，并分批次存放；二是气压烧结成型，将处理后的原料在氮气、氧气、氢气气氛高温高压的同时作用下直接压制成致密的轴承球。

2.根据权利要求1所述的氮化硅陶瓷轴承球的制备方法，其特征在于所述的氮化硅粉体原料要求如下：

   α- Si?N?     ≧93%，

   游离硅         <0.5%，

   氮含量         ≧37%，

   氧含量         ≦2%，

   X-射线分析     主要α、少量β相，

    将原料放入球磨机内，在加入无水酒精介质后进行湿磨，球磨时间为80—100小时，卸料后用远红外干燥箱将料烘干，用90—110目筛过筛，分批次存放供气压烧结成型。

3.根据权利要求2所述的氮化硅陶瓷轴承球的制备方法，其特征在于所述的气压烧结成型是：氮化硅粉料先在钢模中预压成型，并使预成型件装入气压模前具有一定强度即可，预压成型是在控制压制速度，缓慢加压条件下进行；然后将预成型件放在模具的下垫块上，最后套上气压外模套，装上上压头；将装好粉料的气压模装入气压炉内，密封炉门，通入氮气、氢气、氧气三种气体气氛下进行，然后进行气压烧结成型；气压完成后，等模具冷却即可脱模成气压陶瓷轴承球。

4.根据权利要求3所述的氮化硅陶瓷轴承球的制备方法，其特征在于所述的气压陶瓷轴承球的最佳气压温度为1450℃土5℃，加压的单位压力一般为4-6MPa；压模装炉后，先施以初压，将料压紧，初压一般为总压的30-50%；当温度升至500-700℃时，压力升至总压的40-50%；温度升至1000-1200℃时，压力升至总压力的60-70%；温度达到1200-1350℃时，压力保持在总压的85%左右；温度升至1450℃时，压力为总压力的100%；当保温结束后，分阶段降温，让模具在压机内冷却后脱模成陶瓷轴承球。