CN1073503A - 稀土陶瓷轴承元件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种稀土陶瓷轴承元件及其制造方
法，它是以陶瓷原料为基料，同时加入稀土化合物及
各种添加剂，包括碳化钛，氮化钛等。为提高各种粉
料混合的均匀性，本发明还采用了对各种粉料分别进
行磁化预处理的工艺，从而使烧结后产品结构均匀，
力学性能好。采用本发明方法制造出的轴承元件具
有致密度大，抗冲击韧性强等特点，同时产品质量稳
定，工艺重复性好。
Description
本发明涉及一种改进的陶瓷轴承，具体说，涉及一种以非氧化物陶瓷材料或氧化物陶瓷材料为基料，同时含有稀土的滚动轴承元件及其制造方法。
随着现代技术发展，使用滚动轴承的环境及条件都较以苛前刻，一般高碳铬轴承钢制的滚动轴承已经不能满足要求，许多领域都需要在500℃以上的高温环境中，具有耐磨损、抗冲击、韧性好、耐腐蚀、抗氧化、润滑性能好的轴承。陶瓷轴承的出现对轴承业来说是很大的技术进步，陶瓷材料比重小，耐高温、耐腐蚀、具有良好的力学性能及使用性能，是一种很有发展前途的轴承。
EP-O 320951公开了一种用于涡轮增压器的陶瓷滚动轴承，其内、外圈用钢制成，滚珠由陶瓷材料制成。其陶瓷材料包括氮化硅、碳化硅及铝氧粉。
EP-O158901公开了一种滚动支撑元件，该元件也由陶瓷材料制成，为改进其烧结性能，在陶瓷材料中添加了包括钇在内的稀土化合物。
CN-85100177A公开了一种以氮化硅为基料制作陶瓷刀具材料的方法，该方法在氮化硅粉料中除加入少量的氧化钇或其他稀土氧化物外还加入氧化铝、氧化镁、氧化锆等氧化物，为阻止晶粒过分发展及促进致密化作用，还加入少量氮化铝。其烧结方法包括无压烧结，热压或高温等静压烧结。
在现有技术中，由于各种粉料在混合前都需达到极细的粒度，此时粉料颗粒间的亲合性极大。严重影响粉料混合的均匀性，从而
导致烧结材料的结构性能不均匀性。通过实践发明人还认识到如何选择使用控制烧结剂对烧结过程中控制晶粒的过分长大有很重要的影响。
本发明的目的在于提供一种改进了的稀土陶瓷轴承元件及其制作方法，它以氮化硅、碳化硅、氧化铝、氧化锆，Sialon等非氧化物陶瓷材料或氧化物陶瓷材料为基通过选用合适的添加剂并对各种粉粒分别进行磁化予处理，达到提高该陶瓷轴承材料的烧结均匀性及致密化度从而改进陶瓷轴承元件的力学性能的目的。
具体说来，本发明涉及一种稀土陶瓷轴承元件及其制作方法。它以一种氧化物或非氧化物的陶瓷原料为主晶相体，以碳化钛作为耐磨分散相，以氧化钇、氧化锰等为致密化剂，选用氮化钛为控制烧结剂，它与碳化钛相配合，有助于控制晶粒的生长;各种粉料在混合之前，先分别进行磁化予处理，防止粉末颗粒间的凝聚抱团。然后再进行混磨烘干造粒、成型。
本发明所采用的陶瓷材料，它包括各种非氧化物陶瓷材料及氧化物陶瓷材料例如氮化硅、碳化硅、氧化锆、氧化铝、Sialon等，作为控制烧结剂的氮化钛，其用量为0.1-15%（重量百分比），它可有效地阻止碳化钛晶粒的过分长大，从而获得较高的韧性，增加基体的抗热振性。
本发明对各种原料的要求如下：氮化硅粉末α相大于80%，纯度大于95%，平均粒径在0.1-2.2μ以内;氮化钛、碳化钛粉末的纯度应大于98%，平均颗粒径在0.1-3.0μ以内;锰的氧化物或氮化物的纯度大于98%，平均粒径在0.1-3.0μ以内;稀土氧化物及三氧化二铝、氧化锆、氧化镁、氮化铝粉末纯度大于98%，平均粒径在0.1- 2.0μ以内。
在混料前，将上述各种粉末分别通过2，000-12，000高斯的强磁场进行予处理，处理后的粉末出现极化现象，使同质粉末间产生排斥力，增加粉末的散度，防止其凝聚抱团，从而有助于与异种粉末充分均匀混合，提高烧结体的致密度，材质的均匀性、减少气孔率。
一定量的锰的氧化物或氮化物的加入，能够明显加速氮化过程，减少烧结助剂的数量，提交烧成后基体的密度、抗氧化能力及高温下的机械强度，该组份的添加量为1-10%（重量百分比）。
氧化钇、氧化硒、氧化钙、氧化铝、氧化锆、氧化镁等氧化物及氮化铝的加入都可促进烧结体的致密化，改善晶界的性能，其添加量为1-20%（重量百分比）。
本发明所采用稀土类致密化烧结剂是用下述方法配制的：用甲醇为溶剂，将稀土氧化物如氧化钇、氧化铈、氧化镧、氧化硒等溶于其中。甲醇的主要作用是：（1）溶解稀土氧化物，使之在混料过程中能均匀地混合到粉体中，充分发挥致密催化作用;（2）在高温下分解产生的氢气有助于氮化过程的加快，这是因为氢气与硅表面的二氧化硅反应，使之还原，除去二氧化硅，使硅更容易氮化;（3）在高温下产生的一氧化碳气体可有效地吸收烧结体中残留氧，转化为二氧化碳，可防止氮化硅的分解及氧化。溶液中，稀土氧化物的重量含量为3-6%。在粉料混合时，溶液的添加量为30-50%（重量百分比）。该溶液可在粉料混合及烧结中单独添加，也可在该二个步骤中同时添加。
本发明的陶瓷轴承元件的制备顺序如下：将上述各种粉料经研磨并磁化处理后按一定比例含有稀土氧化物的甲醇溶液进行混磨、烘干、造粒，再将其装入石墨模具中进行成型烧结。
本发明所采用的烧结工艺可以是一段烧结，也可以是二段烧结。在烧结过程中，还可以用稀土氧化物的甲醇溶液对烧结进行滴渗或将其均匀喷入气氛加压烧结炉内，使稀土元素均匀渗入烧结体的表面及亚表面，进一步提高烧结体的性能。
为了提高滚动轴承的高温润滑性能，可以在粉料中掺入一定比例的氟化物或二硫化钼粉末，也可将其与稀土化合物一起溶入上述甲醇溶液，在烧结过程中使其渗入烧结体的表面及亚表面。
由于本发明采用了独特的方式对粉末原料进行予处理，并选用了若干具有特殊功能的添加剂，又对稀土元素的添加方式进行了改进，因此使烧结后的轴承原件基体组织的致密度、抗冲击韧性得到很大提高，以氮化硅复合陶瓷轴承为例，其材料的抗弯强度达到78-98Kg/mm2，断裂韧性达Kic＝8-9MN/m2，硬度达HV＝1700以上，相对致密度达99.5%以上，密度达3.2-3.45g/cm2，尤其明显的是，采用本发明制造的轴承烧结体，产品质量稳定，工艺重复性好，实属对现有生产技术的一重大贡献。本发明的滚动轴承具有极限转速高、耐酸碱腐蚀、抗氧化、抗高低温、高刚度、防磁、电绝缘性好、寿命长等优点。
为了加深对本发明理解，下面将以实施例的方式对本发明配料及烧结过程进行描述，该实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
例一、以氮化硅为基料的稀土陶瓷轴承元件的配制。
氮化硅粉末α相大于80%，纯度大于95%，平均粒径为0.1-2.2U，碳化钛粉末的加入量为1-30%，纯度大于98%，氮化钛的加入量为10%，纯度大于98%，平均粒径为0.1-2.0μ。氧化铝，氧化锆、氧化镁、氮化铝粉末纯度大于98%，加入量为1-10%，平均粒径为0.1-2.0μ。将上述粉料分别进行予磁化处理，然后置于球磨罐中，再加入稀土化合物的甲醇溶液，其重量为总量的30%，混磨50-60小时，使其充分混合，然后烘干，二次造粒，平均粒径为0.01-2μ，置于模具中成型。
例二、以氧化物陶瓷原料为基的稀土陶瓷轴承元件的配制。
在氧化铝或氧化锆基体粉料中加入氧化钙、氧化镁、氧化钇，氧化钛等粉末或其他稀土氧化物5-25%，再加入二硫化钼1-5%，其中氧化锆，氧化铝的平均粒径为0.1-2μ范围内，其他添加剂的粒径在0.1-2.0μ范围内，上述粉末的纯度均大于98%，将它们分别进行磁化处理，然后置于球磨罐中再加入适量的稀土氧化物的甲醇溶液，混磨50-60小时，再进行烘干二次造粒，其平均粒径为0.01-2μ，再置于模具中成型。
例三、烧结工艺A
将陶瓷坯体置于气氛加压烧结炉内，将由甲醇与稀土元素配成的溶液经气氛加压装置加压，均匀喷入气氛烧结炉内，使溶液均匀渗入烧结体表面及亚表面，保护气压为10个大气压，烧结温度为1450-2000℃，所得烧结体致密度高，强度高。
例四、烧结工艺B
将陶瓷坯体置于气氛加压烧结炉内，加喷稀土的甲醇溶液，该溶液中含有二硫化钼或氟化物等固体滑剂，通入保护气体，使压力增至20个大气压，烧结40-80分钟。该方法烧结的轴承在500℃以上的高温状态下，具有高抗氧化性，自润滑性好。
例五、烧结工艺C
本工艺系二段烧结工艺，在第一烧结阶段渗入以铈或钇为主的混合稀土氧化物，在150-200kg/cm2的氮气气氛保护下以1600-1900℃的高温进行烧结;在第二段烧结阶段，烧结温度降至1200-1700℃，氮气压力增至250-400kg/cm2，所得的烧结体致密度可达99%以上。
例六、烧结工艺D
为防止坯体在烧结过程中的分解，采用一种控制成形体周围气氛的填粉保护法，填粉的主要成份为陶瓷粉末、稀土元素和氧化钇、玛瑙粉，该法不需要加压烧结炉，如在填粉中加入适量二硫化钼或氟化物，还可提高元件500℃以上时的自润滑性能。
本发明所提供的方法，特别适用于制造滚动轴承，其中包括轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针等）及内、外圈。除此之外，还可以用于制作机床刀具、块规、阀座、阀球、发动机的零部件及泥浆泵壳体等。
Claims (15)
1、一种稀土陶瓷轴承元件，它是由氧化物或非氧化物陶瓷原料为主晶相体，以碳化钛为耐磨分散相，以氧化钇为致密化剂，其特征在于：它还含有一种控制烧结剂氮化钛，其含量为0.1-15%(重量比)。
2、如权利要求1所述的稀土陶瓷轴承元件，其特征在于：所述的轴承元件包括滚动体、内外套圈，该元件中还含有自润滑剂二硫化钼或氟化物。
3、一种稀土陶瓷轴承元件的制造方法，它包括以下步骤：
选用一种氧化物或非氧化物的陶瓷原料为基料，以碳化钛为耐磨分散相，以氧化钇为致密化剂，以氮化钛为控制烧结剂;
将上述各种粉料分别进行磁化予处理，其磁场强度为2，000-12，000高斯;
将上述粉料在球磨罐中混磨，然后烘干造粒，并置于模具中成型;
在烧结炉中进行烧结。
4、如权利要求3所述的方法，其特征在于：所说的陶瓷原料包括氮化硅，碳化硅、氧化锆、氧化铝、Sialon。
5、如权利要求3所述的方法，其特征在于：氮化硅粉末的α相大于80%，纯度大于95%，平均粒径为0.1-2.2μ：氮化钛、碳化钛粉末的纯度大于98%，平均粒径为0.1-3.0μ。
6、如权利3至5所述的方法，其特征在于：配料中还含有锰的氧化物或氮化物，其含量为1-10%（重量百分比）。
7、如权利要求6所述的方法，其特征在于：配料中还含有氧化硒、氧化钙、氧化铝、氧化锆、氧化镁及氮化铝，其添加量为1-10%（重量百分比）。
8、如权利要求3所述的方法，其特征在于：所述的稀土化合物包括氧化钇、氧化铈、氧化镧、氧化硒，将它们溶于甲醇之中，其浓度为3-6%，它们是在混料过程中和/或烧结过程中施用的。
9、如权利要求8所述的方法，其特征在于：在烧结过程中，稀土溶液是采用滴渗成喷入的方式加入的。
10、如权利要求3或8所述方法，其特征在于：在粉料中或稀土溶液中还含有二硫化钼或氟化物。
11、如权利要求3所述的方法，其特征在于烧结过程是在气氛加压烧结炉内一次完成的，其保护气压为10个大气压，温度为1450-2000℃。
12、如权利要求3所述的方法，其特征在于：烧结过程是分二段完成的，在第一阶段渗入以铈或钇为主的混合稀土氧化物，氮气压力为150-200kg/cm2，温度为1600-1900℃;第二阶段的烧结温度为1200-1700℃，氮气压力为250-400kg/cm2。
13、如权利要求3所述的方法，其特征在于：烧结过程是在气氛加压烧结炉内进行的，同时加喷稀土甲醇溶液，该溶液中还有二硫化钼或氟化物，通入保护气体、压力增至20个大气压，烧结40-80分钟。
14、如权利要求3所述的方法，其特征在于：烧结过程中采用填粉保护法，填粉的主要成份为陶瓷粉末、稀土元素和玛瑙粉。
15、如权利要求14所述的方法，其特征在于：填粉中还含有二硫化钼或氟化物。
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