CN102942362A

CN102942362A - 一种高性能钇锆陶瓷轴承球及其制备方法

Info

Publication number: CN102942362A
Application number: CN2012103392848A
Authority: CN
Inventors: 蔡报贵; 任修明; 毛华云; 张锦红; 张毅; 吴君国; 滕飞
Original assignee: JIANGXI JINLI PERMANENT MAGNETIC TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: JIANGXI JINLI PERMANENT MAGNETIC TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2013-02-27

Abstract

本发明涉及了一种高性能钇锆陶瓷轴承球及其制备方法，属于结构陶瓷领域。本发明采用亚微米级的氧化钇粉和氧化锆粉，添加多种高分子作为分散剂、粘结剂、润滑剂、保湿剂，通过高速搅拌分散后采用喷雾造粒工艺获得实心球形，粒度分布好、流动性好的造粒料。造粒料通过双向压制后的球坯还需经过冷等静压处理得到陶瓷球素坯。陶瓷球素坯经过烘干水分后进行烧结，在冷却时控制冷却速度后即可获得高性能的钇锆陶瓷球。本发明具有工艺操作简单、工艺可靠性高，可实现低成本批量化生产。

Description

一种高性能钇锆陶瓷轴承球及其制备方法

技术领域

本发明涉及钇锆陶瓷球，具体的说是一种高性能钇锆陶瓷轴承球及其制备方法。

背景技术

随着轴承行业的发展，轴承的滚动体材料逐渐从钢制滚动体发展到陶瓷滚动体。陶瓷滚动体与钢制滚动体相比，具有密度小、硬度高、无磁性、高绝缘、耐腐蚀、寿命长等特点，目前能够作为陶瓷滚动体的陶瓷材料主要是钇锆陶瓷、氧化铝、氮化硅和碳化硅材料。氧化铝和碳化硅材料由于其力学性能尤其是断裂韧性很低，只能适用于低端的低速轴承。钇锆陶瓷和氮化硅陶瓷具有较好的综合力学性能，是陶瓷轴承滚动体的首选材料。与氮化硅陶瓷相比，钇锆陶瓷具有与轴承钢相当的弹性模量和热膨胀系数，且断裂韧性高，在价格上制备成本仅为氮化硅陶瓷的三分之一，因此钇锆陶瓷轴承球具有很好的应用前景和市场容量。

目前，钇锆陶瓷轴承球主要采用干压法成球，然后在高温炉中烧结而成。该种方法制备的钇锆陶瓷轴承球存在素坯密度低，且密度分布很不均匀，这容易在烧结过程中造成局部收缩不一致，导致烧结性能低。本发明通过在钇锆陶瓷粉体制备过程中加入浆料稳定剂，粘结剂、润滑剂、保湿剂等高分子添加物，制备出流动性好、成分均匀的浆料。这种浆料经过喷雾造粒设备后形成颗粒级搭配较好的球形颗粒。将造粒好的粉料装入模具经过钢模压制制成素坯，再将素坯进行冷等静压压制后，经过烧结制成钇锆陶瓷轴承球。该方法制备的钇锆陶瓷球具有致密性高、组织均匀、性能优异的特点，且工艺操作简单，工艺可靠性高，可以实现批量化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能钇锆陶瓷轴承球及其制备方法，采用该方法制备的钇锆陶瓷轴承球具有密度高、性能优异、尺寸易于控制、可以批量生产等特点。

本发明的技术方案是：

一种高性能钇锆陶瓷轴承球，其特征在于：按质量分数计，其成分由85-96.5％的氧化锆和3.5-15％氧化钇组成。

所述钇锆陶瓷轴承球的相对致密度≥99.2％，三点抗弯强度≥1200MPa，断裂韧性≥12MPam0.5，维氏硬度≥1300。

一种高性能钇锆陶瓷轴承球的制备方法，其特征在于：以氧化锆粉和氧化钇粉为基本原料，经过浆料配置、喷雾造粒、压制成型、冷等静压处理、烧结过程制备，具体制备过程如下：

1)浆料制备

将氧化锆粉、氧化钇粉、溶剂(去离子水或蒸馏水)按比例混合，再加入一定比例的浆料稳定剂、粘结剂、润滑剂、保湿剂，经过高速循环搅拌磨混合4-6小时后过50-150目筛网，即制得浆料。其中：

所述的氧化锆粉、氧化钇粉为亚微米粉，粒径D₅₀＜0.5um；

所述的氧化锆粉、氧化钇粉重量百分比为：85-96.5％∶3.5-15％；

所述的混合粉体与溶剂的重量百分比为：80-85％∶15-20％；

所述的浆料稳定剂为柠檬酸铵，其加入质量为混合粉体质量的0.5-1.5％；

所述的粘结剂为聚乙烯醇或聚乙二醇，其加入重量为混合粉料重量的0.5-1％；

所述的润滑剂为油酸，其加入重量为混合粉料重量的0.5-1％；

所述的保湿剂为丙三醇，其加入重量为混合粉料重量的0.5-1％。

2)喷雾造粒

将所制备的浆料经过开式喷雾造粒设备进行造粒，造粒温度在180-200℃，造粒粉料的颗粒呈实心球形状，颗粒大小在20-150um之间。

3)压制成型

造粒后的粉料在自动分料成型机上进行双向压制，压制压力为5-20MPa。

4)冷等静压处理

压制成型后的毛坯经过真空封装后需进行冷等静压处理，压制压力为100-200MPa，保压时间30-120s。

5)烧结

将素坯放入坩埚中，在烘箱中80-120℃保温8-12hr后除去所含水分，然后放入烧结设备中升温至1500-1650℃烧结，保温时间在0.5-2小时。同时降温速率＜100℃/h，降温后即得钇锆陶瓷轴承球。

与现有技术相比，本发明至少具有以下几个有益效果：

1)采用亚微米级的氧化锆粉料和氧化钇粉料能够降低烧结温度，同时获得晶粒尺寸较小且均匀的微观结构组织。

2)在浆料制备过程中，加入一定量的稳定剂、粘结剂、润滑剂、保湿剂能后浆料在喷雾过程中不分层，且喷雾造粒后粉料能够含有一定的水分。在造粒粉料的双向压制过程中球坯不分层、不破裂，并能与模具有较好的润滑性。

3)采用冷等静压处理，能够提高球坯烧结时的起始密度，降低烧结温度和烧结收缩率。

4)在烧结过程中控制降温过程，能够缓慢释放烧结应力，降低球坯烧结过程中产生裂纹等缺陷。

具体实施例

以下参照具体的实施例来说明本发明。本领域技术人员能够理解，这些实施例仅用于说明本发明，其不以任何方式限制本发明的范围。

实施例1

将重量为96.5kg的氧化锆粉、3.5Kg的氧化钇粉，去离子水25Kg放入循环搅拌磨中搅拌，在搅拌初期加入柠檬酸铵0.5Kg，聚乙二醇0.5Kg，油酸0.5Kg，丙三醇0.5Kg，搅拌4hr后过50目晒网，即得混合浆料。将混合浆料通过开式喷雾设备进行造粒，造粒温度为180℃，造粒颗粒成实心球型，粒径在80-100um。将造粒粉料通过双向压制设备，压制压力为5MPa，成型为球坯，再将这些球坯真空封装后进行冷等静压压制，压制压力100MPa，保压时间120s，即得钇锆陶瓷球素坯。将陶瓷球素坯装入坩埚中置入烘箱中在80℃保温10hr后取出放入烧结炉中进行烧结，烧结温度1500℃，保温1hr后开始降温，降温速率为90℃/h，将至1000℃时随炉降温，即得钇锆陶瓷球。其性能为相对致密度99.2％，三点抗弯强度1200MPa，断裂韧性12.1MPam0.5，维氏硬度1300。

实施例2

将重量为85kg的氧化锆粉、15Kg的氧化钇粉，去离子水17.6Kg放入循环搅拌磨中搅拌，在搅拌初期加入柠檬酸铵1.5Kg，聚乙二醇1Kg，油酸0.75Kg，丙三醇0.6Kg，搅拌6hr后过100目晒网，即得混合浆料。将混合浆料通过开式喷雾设备进行造粒，造粒温度为200℃，造粒颗粒成实心球型，粒径在20-70um。将造粒粉料通过双向压制设备，压制压力为20MPa，成型为球坯，再将这些球坯真空封装后进行冷等静压压制，压制压力200MPa，保压时间30s即得钇锆陶瓷球素坯。将陶瓷球素坯装入坩埚中置入烘箱中在120℃保温12hr后取出放入烧结炉中进行烧结，烧结温度1650℃，保温0.5hr后开始降温，降温速率为80℃/h，将至1000℃时随炉降温，即得钇锆陶瓷球。其性能为相对致密度99.4％，三点抗弯强度1270MPa，断裂韧性12.8MPam0.5，维氏硬度1370。

实施例3

将重量为94.6kg的氧化锆粉、5.4Kg的氧化钇粉，去离子水20Kg放入循环搅拌磨中搅拌，在搅拌初期加入柠檬酸铵0.7Kg，聚乙烯醇0.5Kg，油酸1Kg，丙三醇0.7Kg，搅拌5hr后过150目晒网，即得混合浆料。将混合浆料通过开式喷雾设备进行造粒，造粒温度为190℃，造粒颗粒成实心球型，粒径在80-120um。将造粒粉料通过双向压制设备，压制压力为13MPa，成型为球坯，再将这些球坯真空封装后进行冷等静压压制，压制压力150MPa，保压时间90s，即得钇锆陶瓷球素坯。将陶瓷球素坯装入坩埚中置入烘箱中在100℃保温8hr后取出放入烧结炉中进行烧结，烧结温度1550℃，保温2hr后开始降温，降温速率为70℃/h，将至1000℃时随炉降温，即得钇锆陶瓷球。其性能为相对致密度99.4％，三点抗弯强度1270MPa，断裂韧性12.4MPam0.5，维氏硬度1360。

实施例4

将重量为90kg的氧化锆粉、10Kg的氧化钇粉，去离子水22Kg放入循环搅拌磨中搅拌，在搅拌初期加入柠檬酸铵1Kg，聚乙烯醇1Kg，油酸0.5Kg，丙三醇1Kg，搅拌6hr后过100目晒网，即得混合浆料。将混合浆料通过开式喷雾设备进行造粒，造粒温度为200℃，造粒颗粒成实心球型，粒径在100-150um。将造粒粉料通过双向压制设备，压制压力为17MPa，成型为球坯，再将这些球坯真空封装后进行冷等静压压制，压制压力170MPa，保压时间100s，即得钇锆陶瓷球素坯。将陶瓷球素坯装入坩埚中置入烘箱中在100℃保温10hr后取出放入烧结炉中进行烧结，烧结温度1600℃，保温1hr后开始降温，降温速率为90℃/h，将至1000℃时随炉降温，即得钇锆陶瓷球。其性能为相对致密度99.2％，三点抗弯强度1220MPa，断裂韧性12.0MPam0.5，维氏硬度1310。

以上对本发明具体实施方式的描述并不限制本发明，本领域技术人员可以根据本发明作出各种改变或变形，只要不脱离本发明的精神，均应属于本发明所附权利要求的范围。

Claims

1.一种高性能钇锆陶瓷轴承球，其特征在于：按质量分数计，其成分由85-96.5％的氧化锆和3.5-15％氧化钇组成。

2.根据权利要求1所述的高性能钇锆陶瓷轴承球，其特征在于，所述钇锆陶瓷轴承球的相对致密度≥99.2％，三点抗弯强度≥1200MPa，断裂韧性≥12MPam^0.5，维氏硬度≥1300。

3.一种如权利要求1所述高性能钇锆陶瓷轴承球的制备方法，其特征在于：

步骤1：将氧化锆粉和氧化钇粉溶入去离子水或蒸馏水中，加入稳定剂、粘结剂、润滑剂、保湿剂，并采用高速搅拌工艺混合4-6h，即制得浆粒；

步骤2：步骤1所得的浆料经过喷雾造粒工艺获得实心球形、粒度搭配好、流动性好的造粒粉料；

步骤3：步骤2所得的造粒粉料采用双向压制制得球坯；

步骤4：步骤3所得的球坯进行真空封装后进行冷等静压压制处理，获得素坯；

步骤5：步骤4所得的素坯在烘箱中烘干后进行烧结，再经过保温和冷却降温处理后，即得钇锆陶瓷球。

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：所述氧化锆粉和所述氧化钇粉的重量百分比为：85-96.5％∶3.5-15％。

5.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述氧化锆粉和氧化钇粉为亚微米粉，粉末粒径D₅₀＜0.5um。

6.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，由所述氧化锆粉和氧化钇粉组成的混合粉体与所述去离子水或蒸馏水的重量百分比为：80-85％∶15-20％。

7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤1中稳定剂为柠檬酸铵，含量为粉体总质量的0.5-1.5％，粘结剂为聚乙二醇或聚乙烯醇，含量为粉体总质量的0.5-1％，润滑剂为油酸，含量为粉体总质量的0.5-1％，保湿剂为丙三醇，含量为粉体总质量的0.5-1％。

8.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：

步骤2中喷雾造粒的温度在180-200℃。

9.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：

步骤2中造粒粉料的颗粒呈实心球形状，颗粒大小在20-150um之间。

10.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤3中采用双向压制的压制压力在5-20MPa。

11.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤4中进行冷等静压压制的压制压力为100-200MPa，保压时间30-120s。

12.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于：步骤5中素坯球的烘干温度为80-120℃，烘干时间为8-12h；烧结温度在1500-1650℃，保温时间为0.5-2h，降温速率＜100℃/h。

13.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，步骤5中得到的所述钇锆陶瓷球的相对致密度≥99.2％，三点抗弯强度≥1200MPa，断裂韧性≥12MPam^0.5，维氏硬度≥1300。