中國粉體網訊 氮化硅陶瓷是一類重要的先進陶瓷材料,,具備耐高溫,、耐磨損、低密度,、高強度,、高硬度等優(yōu)異性能,廣泛應用于機械工程,、航空航天,、國防軍工、半導體,、生物醫(yī)療等核心技術領域,。其中,氮化硅陶瓷球作為一類細分產品在粉體研磨,、機械軸承等領域發(fā)揮著不可或缺的作用,。
圖片來源:威海圓環(huán)
目前國內制備的氮化硅大球(>8mm)技術相對成熟,與國外氮化硅制造強國間差距不那么大,,但是微珠方面尤其是<4mm的氮化硅微珠,,國內質量相對穩(wěn)定的生產廠家仍然稀缺。因此,,氮化硅微珠引起了政府及產業(yè)界的極大重視,,例如山東省工業(yè)和信息化廳便將氮化硅微珠列入《山東省重點新材料首批次應用示范指導目錄(2023年版)》,并提出具體要求:粒徑<0.4mm,,密度>3.2g/cm3,,維氏硬度>1580,,抗彎強度>600MPa,斷裂韌性>7MPa·m1/2,。
01.哪些領域急需氮化硅微珠,?
超細研磨
由于氮化硅陶瓷具備的高力學性能、耐熱性能及化學穩(wěn)定性,,是結構陶瓷材料中綜合性能非常優(yōu)良的一類材料,,所以其應用也非常之廣泛,隨之而來的氮化硅粉體制備需求也越來越多,、越來越精細,,研磨所用到的氮化硅微珠也隨之大幅增長。
圖片來源:中材高新
例如,,近年來隨著國內新能源汽車及芯片的快速發(fā)展,,氮化硅基板使用越來越多,且對純度要求越來越高,,目前氮化硅球已逐步替代氧化鋯球成為半導體行業(yè)用氮化硅粉體精細研磨的主流研磨介質,。
軸承
軸承產業(yè)是國家基礎性戰(zhàn)略產業(yè),軸承更是高端裝備核心基礎零部件,,對國民經濟和國防建設起著重要支撐作用,。隨著科學技術的飛速進步,滾動軸承的使用環(huán)境和應用條件越發(fā)苛刻,,我國現有軸承鋼種已不能滿足或不能充分滿足主機對軸承的工業(yè)要求,。
典型軸承鋼與陶瓷材料性能對比
大量試驗研究表明,工程陶瓷材料(氮化硅,、碳化硅,、氧化鋯、氧化鋁等)具有作為軸承基礎材料的優(yōu)良特性,。其中,,氮化硅是目前被認為最適合用來制造高性能滾動軸承的陶瓷材料。
不同材質的軸承球
隨著精密加工及制造的迅速發(fā)展,,對軸承質量及精度的要求也越來越高,,氮化硅微珠的需求量會不斷增加。
02.氮化硅微珠的制備流程
1,、粉體制備
氮化硅粉體制備方法主要有四種:硅粉直接氮化反應法,、二氧化硅碳熱還原法、硅亞胺熱解法,、化學氣相沉積法,。其中硅粉直接氮化反應法在工業(yè)生產中使用最多且最為成熟,成本相對較低,。
2,、粉體研磨
由于氮化硅硬度很高,,通常需要進行分級研磨(粗磨-精磨)以提升研磨效率和細度。將氮化硅原粉與水1:1混合后加進添加10-20mm的氮化硅球滾筒球磨機中研磨48H,,再進入填充1.0-1.2mm的氮化硅微珠的30L臥式棒銷砂磨機進行精磨24H,,研磨至D50小于0.4um。將漿料裝入自動除鐵機除鐵后再添加粘結劑,,調節(jié)漿料運動粘度在200-300mm2/s,。
3、微珠成型
氮化硅球目前市場上最常用的工藝是壓制成型,,壓制成型工藝較成熟但通常只適用于>4mm的氮化硅球的制備,。壓制成型容易形成表層剝離且其中間會形成一條突出腰帶,需要利用金剛石磨機研磨7-10天,,同心度較難精準控制,,后期加工較難。
三種成型工藝,,圖片來源:河源帝諾新材料有限公司
滾動成型是研磨介質行業(yè)里目前使用最普遍的一種成型工藝。該技術具有設備和生產工藝簡單,、生產效率高,、產品質量好的優(yōu)勢,是一種適合于規(guī)�,;笊a的工藝技術,。該法球坯間歇性粘粉層層長大模式對于粉體層間結合力,粉體堆積致密度,,球坯強度有著極大要求,,特別對于氮化硅這種塑性較差的粉體,成型更加困難,,往往存在著球坯致密度差,、分層、包心,、不圓和裂紋等缺陷,。
滴定成型工藝是目前較新的一種陶瓷微珠制備成型工藝,主要用于制備0.05-3.0mm的微珠,。滴定成型可以很好地避免坯體分層包心引起的強度低的問題,,制備坯體內部結構均勻致密的坯體。
4,、微珠脫膠
氮化硅微珠在燒結前需要先真空脫膠,,避免坯體內的有機物及水分在燒結過程中揮發(fā)氧化、腐蝕燒結爐內的石墨爐膛,、匣缽及發(fā)熱棒,。在真空排膠爐里根據需要控制脫膠溫度600-1500℃,,保溫2-6h。
5,、燒結
氣壓燒結是目前工業(yè)生產氮化硅陶瓷使用最多的燒結方法,,其最大的優(yōu)勢是可以以較低的成本制備性能較好,并實現批量化生產,。因此,,氮化硅微珠采用氣壓燒結是非常經濟且有效的。
軸承用氮化硅陶瓷材料制備技術流程圖
熱等靜壓燒結是一種燒結工程陶瓷快速致密化的最有效方法,。該方法以氣體作為壓力介質,,燒結過程中在產品的各個方向上施加同等壓力,在高溫,、高壓作用下實現產品致密化,。相比于其他燒結方式,熱等靜壓燒結制品具有更理想的壓碎載荷比,、離散度和截面孔隙度,,進而獲得更好的軸承組件硬度和斷裂韌性。目前,,美國ORTECH,、加拿大CYCLONE、日本UBE等公司生產的氮化硅陶瓷球均采用熱等靜壓燒結方式,。而國內廠商受限于燒結過程中用于隔絕高溫/高壓氣體的包套的相關制備技術不成熟,,無法實現粉體在惡劣環(huán)境中的直接熱等靜壓燒結成型,因而多采用氣壓燒結預成型后,,再經熱等靜壓二次燒結處理,,該種燒結方式制得的陶瓷軸承組件與直接熱等靜壓成型相比,其硬度和斷裂韌性等屬性均有所下降,。
6,、微珠精磨
氮化硅微珠由于其超高的硬度,表面處理加工工藝較為困難,,精磨時間較長,,整圓精磨加工是在金剛石研磨底盤的整圓機中,磨7-10天,,將微珠表面凹凸不平磨成表面平整光滑即可,。磨削工作中需要不斷添加冷卻水,防止氮化硅微珠發(fā)熱氧化,。
7,、微珠拋光
氮化硅微珠在工業(yè)生產中多采用離心式滾筒拋光機。每臺機器內裝有四個六棱形拋光桶,拋光桶繞軸心公轉的同時也反向自轉,,使其中物料形成強烈的剪切摩擦,,以達到快速拋光的效果。每個拋光桶里按照微珠:水:拋光粉8:2:1的比例添加,,拋光48H,。
小結
隨著精密制造業(yè)的快速發(fā)展,氮化硅陶瓷應用越來越廣,,高純氮化硅粉的精細研磨需要用到的研磨介質也越來越�,。贿有高性能軸承,,尤其是微型軸承的需求量越來越大,,對軸承用滾動體的要求也越來越高,氮化硅微珠的重要性日益凸顯,,因此,,重視其技術與產業(yè)發(fā)展對我國精密制造業(yè)的進一步突破具有重要意義。
參考來源:
[1]黃印.氮化硅微珠的市場前景及其制備工藝流程.河源帝諾新材料有限公司
[2]張珂等.全陶瓷球軸承高性能制造研究進展
[3]中國粉體網
(中國粉體網編輯整理/山川)
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