烧结温度调控下的氮化硅陶瓷球性能演变

氮化硅陶瓷球因其比重轻、强度高、耐磨性强、电绝缘性好以及自润滑特性等卓越性能，成为陶瓷轴承滚动体的理想选择。特别是在高速运转、高温环境、低扭矩需求以及贫油润滑等严苛工况下，氮化硅陶瓷球作为滚动体的陶瓷轴承展现出其独特的优势。因此，它非常适用于精密机床的高速电主轴轴承、风电轴承以及航空航天轴承等高端应用领域。

氮化硅是一种强共价键化合物，其自扩散系数很低，导致烧结驱动力不足。这使得通过传统的固相烧结方法难以实现其致密化。因此，在制造过程中，需要添加一些烧结助剂。这些助剂能与氮化硅粉末表面的SiO2发生反应，形成液相。在液相的作用下，颗粒会重新排列，并通过溶解-淀析和晶粒长大的过程，最终达到致密化的效果。这一过程被称为氮化硅陶瓷的液相烧结。
氮化硅陶瓷滚珠常用的液相烧结方法包括常压烧结、热压烧结和气压烧结等。
氮化硅在超过1700℃的高温下开始分解，为了抑制其分解，通常在常压烧结过程中采用埋粉的方式进行操作。然而，埋粉的抑制效果有限，导致常压烧结的温度一般被限制在1750℃以下。为了促进氮化硅的致密化过程，还必须加入大量的烧结助剂。然而，这些烧结助剂的加入却可能对最终产品的使用性能产生不利影响。

热压烧结是一种结合了液相和机械压力双重作用下的致密化技术，使得烧结过程能够在较低的温度下进行，从而得到性能优异的制品。然而，由于热压烧结过程受到石墨模具的限制，因此只能用于生产形状简单的制品，且生产效率较低。这限制了热压烧结技术在某些复杂形状或大规模生产中的应用。
气压烧结（GPS）技术利用高压氮气（1～10 MPa）来抑制氮化硅的分解，使得氮化硅陶瓷的烧结温度得以提升至1900 ℃以上。通过这种技术，成功地解决了氮化硅陶瓷在烧结过程中致密化和高温分解之间的矛盾。此外，气压烧结技术还有助于减少烧结助剂的加入量，从而提高制品的性能。由于其高效性和稳定性，气压烧结技术非常适合大批量生产氮化硅陶瓷制品。

本研究以自制的α-Si3N4粉作为原料，并辅以纳米级Y2O3和Al2O3作为烧结助剂，进行了工业化试验。试验中采用了成本较低的气压烧结工艺，以制备氮化硅陶瓷球。研究重点关注了烧结温度对陶瓷球致密化、相组成、显微结构和力学性能的影响。通过对陶瓷球的显微结构与其力学性能之间的关系进行深入分析，以期获得更加优化的制备工艺和性能表现。
本研究以自制的α-Si3N4粉作为原料，并辅以纳米级Y2O3和Al2O3作为烧结助剂，进行了工业化试验。试验中采用了成本较低的气压烧结工艺，以制备氮化硅陶瓷球。研究重点关注了烧结温度对陶瓷球致密化、相组成、显微结构和力学性能的影响。通过对陶瓷球的显微结构与其力学性能之间的关系进行深入分析，以期获得更加优化的制备工艺和性能表现。
(1)随着烧结温度的逐步升高，陶瓷球的相对密度呈现先增大后减小的趋势，同时，晶粒尺寸和长径比也在持续增大。
(2)氮化硅陶瓷球的力学性能与其显微结构紧密相连。特别是，其断裂韧性主要受到晶粒尺寸和长径比的影响，随着这两者的增大，断裂韧性也在逐渐提升。此外，维氏硬度和压碎强度不仅受晶粒尺寸的影响，还与陶瓷球的致密度及内部缺陷有关。因此，随着烧结温度的升高，这两项性能指标先呈现提升趋势，随后又出现下降。
(3)在1780℃的烧结条件下，陶瓷球展现出最优的综合力学性能。此时，其相对密度高达99%，维氏硬度、断裂韧性和压碎强度分别达到了1530 HV、7 MPa·m1/2和296 MPa。