CN105319222A - 一种基于晶界相评价氮化硅滚动接触疲劳性能的方法 - Google Patents

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张培志
祁海
郭方全
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Abstract

本发明涉及陶瓷材料领域，特别是涉及一种基于晶界相评价氮化硅滚动接触疲劳性能的方法。本发明公开了一种基于晶界相评价氮化硅滚动接触疲劳性能的方法，包括下列步骤：Si3N4球进行滚动接触疲劳试验；对晶界相的影响进行评价：滚动接触疲劳试验后用显微镜观察Si3N4球，并将Si3N4球表面的浅层剥落作为疲劳失效的判断标志，该浅层剥落是指在Si3N4球表面形成微米级深度、面积和晶界相偏析所形成的缺陷相近的细小剥落。与现有技术相比，本发明提出了一个影响Si3N4球滚动接触疲劳性能的新因素，并对其进行了评价，结果可以作为Si3N4球使用载荷的参考，也可以作为Si3N4球生产商质量筛选的依据。

Description

一种基于晶界相评价氮化硅滚动接触疲劳性能的方法
技术领域
本发明涉及陶瓷材料领域，特别是涉及一种基于晶界相评价氮化硅滚动接触疲劳性能的方法。
背景技术
Si3N4陶瓷的剥落而非灾难性碎裂的滚动接触疲劳失效形式是其作为轴承材料的基础，而且Si3N4陶瓷具有低理论密度、低膨胀系数、高硬度、高弹性模量、耐磨损、耐高温、耐酸碱腐蚀、自润滑性好、不导磁、不导电等性能，其被广泛用于高速高精度等极限工作条件的轴承应用中。
由于Si3N4陶瓷的难烧结性，通常采用的是液相烧结，即在烧结时加入一定量高温下能形成液相的烧结助剂来促进致密化，但烧结后会在晶界间残留下玻璃相。在Si3N4轴承球的实际生产中，使用较为普遍的气压烧结(GPS)工艺需要添加10％左右的烧结助剂来保证致密化，这些烧结助剂形成的晶界相会对Si3N4轴承球的性能产生一定影响。
目前，现有技术已经将气孔率、表面微裂纹(环形/直线形)、表面强度、润滑条件、残余应力和粗糙度等作为影响Si3N4轴承球滚动接触疲劳性能的因素，但还没有对晶界相的影响进行详细研究。
发明内容
本发明的目的就是解决上述现有技术出现的问题，提供一种方法，在不同接触应力条件下评价晶界相对Si3N4轴承球滚动接触疲劳性能的影响，确定Si3N4球的质量。
为此，本发明公开了一种基于晶界相评价氮化硅滚动接触疲劳性能的方法，包括下列步骤：
Si3N4球进行滚动接触疲劳试验；
对晶界相的影响进行评价：滚动接触疲劳试验后用显微镜观察Si3N4球，并将Si3N4球表面的浅层剥落作为疲劳失效的判断标志，该浅层剥落是指在Si3N4球表面形成微米级深度、面积和晶界相偏析所形成的缺陷相近的细小剥落。
所述滚动接触疲劳试验步骤为：将Si3N4轴承球装在滚动接触疲劳试验机上，进行疲劳试验。
本发明人研究发现，晶界相均布的Si3N4球滚动接触疲劳性能较好，而表面有晶界相偏析所形成的缺陷的Si3N4陶瓷球的滚动接触疲劳性能对载荷较为敏感，在较大接触应力的情况下，滚动接触疲劳性能明显变差。本发明人在球表面用光学显微镜观察到的晶界相偏析导致的缺陷通常表现为树枝状或雪花状白斑(以下简称白斑)，但也有一些颜色偏暗难于观察的异常偏析缺陷。晶界相偏析所形成的缺陷导致的疲劳失效与传统技术(GB/T24607-2009)中规定的大块剥落(剥落深度≥0.05mm；剥落面积≥0.5mm2)不同，而是较浅层的细小剥落(简称浅层剥落)，其形成原因是，由于晶界相偏析所形成的缺陷处的Si3N4晶粒之间结合不足，受到滚动接触应力后，发生脱离，在Si3N4球表面形成微米级深度、面积和晶界相偏析所导致缺陷相近的细小剥落。在滚动接触疲劳试验研究中，本发明人观察到表面有晶界相偏析形成的缺陷的Si3N4球的浅层剥落形状与晶界相偏析导致的缺陷形状相似的现象，此种剥落失效对高精密轴承用Si3N4轴承球(尤其是直径<8mm的小尺寸球)的正常使用影响较大。因此，利用表面存在晶界相偏析形成的缺陷的Si3N4陶瓷球的滚动接触疲劳性能对载荷敏感的特性，可以用滚动接触疲劳试验方法来确定Si3N4球在何种接触应力条件下疲劳寿命较长。与现有技术相比，本发明提出了一个影响Si3N4球滚动接触疲劳性能的新因素，并对其进行了评价，结果可以作为Si3N4球使用载荷的参考，也可以作为Si3N4球生产商质量筛选的依据。
附图说明
图1、2是三点纯滚动接触疲劳试验机的结构简图，图中1为驱动轮；2为热电偶；3为供油管；4为被试球；5为陪试滚子；6为：支撑滚轮；7为导轮。
具体实施方式
以下结合具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照制造厂商所建议的条件。除非另外说明，否则所有的百分比和份数均按重量计。
除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语与本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
首先从加工完成且检验合格的Si3N4球产品批次中随机选取一定样本量的试验样品，选择合适的试验载荷确定接触应力，将Si3N4球试样装在如图1、2所示滚动接触疲劳试验机上，加载，开机进行疲劳试验。
(1)当所受应力循环达到指定次数时，关机，用光学显微镜观察试样球表面，若出现浅层剥落，说明在这一接触应力的情况下，该批Si3N4球不能符合疲劳寿命的要求。
(2)当所受应力循环达到指定次数时，关机，用光学显微镜观察试样球表面，若未出现浅层剥落，说明在小于这一接触应力(包含这一接触应力)的情况下，该批Si3N4球都能符合疲劳寿命的要求。
(3)当所受应力循环未达到指定次数时，关机，用光学显微镜观察试样球表面，若出现浅层剥落，说明在这一接触应力下，该批Si3N4球不能符合疲劳寿命的要求。
本发明的范围不受所述具体实施方案的限制，所述实施方案只欲作为阐明本发明各个方面的单个例子，本发明范围内还包括功能等同的方法和组分。实际上，除了本文所述的内容外，本领域技术人员参照上文的描述和附图可以容易地掌握对本发明的多种改进。所述改进也落入所附权利要求书的范围之内。上文提及的每篇参考文献皆全文列入本文作为参考。

Claims (2)

1.一种基于晶界相评价氮化硅滚动接触疲劳性能的方法，包括下列步骤
a)Si3N4球进行滚动接触疲劳试验；
b)对晶界相的影响进行评价：滚动接触疲劳试验后用显微镜观察Si3N4球，并将Si3N4球表面的浅层剥落作为疲劳失效的判断标志，该浅层剥落是指在Si3N4球表面形成微米级深度、面积和晶界相偏析所形成的缺陷相近的细小剥落。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述滚动接触疲劳试验步骤为：将Si3N4轴承球装在滚动接触疲劳试验机上，进行疲劳试验。
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