中國粉體網(wǎng)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(yīng)用于機械工程,、航空航天、國防軍工,、半導(dǎo)體,、生物醫(yī)療等核心技術(shù)領(lǐng)域。其中,,氮化硅陶瓷球作為一類細(xì)分產(chǎn)品在粉體研磨,、機械軸承等領(lǐng)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(nèi)制備的氮化硅大球(>8mm)技術(shù)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(nèi)質(zhì)量相對穩(wěn)定的生產(chǎn)廠家仍然稀缺,。因此,,氮化硅微珠引起了政府及產(chǎn)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(yīng)用示范指導(dǎo)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(lǐng)域急需氮化硅微珠?
超細(xì)研磨
由于氮化硅陶瓷具備的高力學(xué)性能,、耐熱性能及化學(xué)穩(wěn)定性,,是結(jié)構(gòu)陶瓷材料中綜合性能非常優(yōu)良的一類材料,所以其應(yīng)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(xì),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(nèi)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(dǎo)體行業(yè)用氮化硅粉體精細(xì)研磨的主流研磨介質(zhì)。
軸承
軸承產(chǎn)業(yè)是國家基礎(chǔ)性戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè),,軸承更是高端裝備核心基礎(chǔ)零部件,,對國民經(jīng)濟和國防建設(shè)起著重要支撐作用。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速進步,,滾動軸承的使用環(huán)境和應(yīng)用條件越發(fā)苛刻,,我國現(xiàn)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(chǔ)材料的優(yōu)良特性,。其中,氮化硅是目前被認(rèn)為最適合用來制造高性能滾動軸承的陶瓷材料,。
不同材質(zhì)的軸承球
隨著精密加工及制造的迅速發(fā)展,,對軸承質(zhì)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(yīng)法、二氧化硅碳熱還原法,、硅亞胺熱解法,、化學(xué)氣相沉積法,。其中硅粉直接氮化反應(yīng)法在工業(yè)生產(chǎn)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(xì)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(jié)劑,,調(diào)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(zhǔn)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(zhì)行業(yè)里目前使用最普遍的一種成型工藝,。該技術(shù)具有設(shè)備和生產(chǎn)工藝簡單,、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好的優(yōu)勢,,是一種適合于規(guī)�,;笊a(chǎn)的工藝技術(shù)。該法球坯間歇性粘粉層層長大模式對于粉體層間結(jié)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(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻致密的坯體,。
4,、微珠脫膠
氮化硅微珠在燒結(jié)前需要先真空脫膠,,避免坯體內(nèi)的有機物及水分在燒結(jié)過程中揮發(fā)氧化、腐蝕燒結(jié)爐內(nèi)的石墨爐膛,、匣缽及發(fā)熱棒,。在真空排膠爐里根據(jù)需要控制脫膠溫度600-1500℃,保溫2-6h,。
5,、燒結(jié)
氣壓燒結(jié)是目前工業(yè)生產(chǎn)氮化硅陶瓷使用最多的燒結(jié)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(xiàn)批量化生產(chǎn),。因此,氮化硅微珠采用氣壓燒結(jié)是非常經(jīng)濟且有效的,。
軸承用氮化硅陶瓷材料制備技術(shù)流程圖
熱等靜壓燒結(jié)是一種燒結(jié)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(zhì),燒結(jié)過程中在產(chǎn)品的各個方向上施加同等壓力,,在高溫,、高壓作用下實現(xiàn)產(chǎn)品致密化。相比于其他燒結(jié)方式,,熱等靜壓燒結(jié)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(chǎn)的氮化硅陶瓷球均采用熱等靜壓燒結(jié)方式,。而國內(nèi)廠商受限于燒結(jié)過程中用于隔絕高溫/高壓氣體的包套的相關(guān)制備技術(shù)不成熟,無法實現(xiàn)粉體在惡劣環(huán)境中的直接熱等靜壓燒結(jié)成型,,因而多采用氣壓燒結(jié)預(yù)成型后,,再經(jīng)熱等靜壓二次燒結(jié)處理,該種燒結(jié)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(chǎn)中多采用離心式滾筒拋光機。每臺機器內(nèi)裝有四個六棱形拋光桶,,拋光桶繞軸心公轉(zhuǎn)的同時也反向自轉(zhuǎn),,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(jié)
隨著精密制造業(yè)的快速發(fā)展,,氮化硅陶瓷應(yīng)用越來越廣,,高純氮化硅粉的精細(xì)研磨需要用到的研磨介質(zhì)也越來越小,;還有高性能軸承,,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(shù)與產(chǎn)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(wǎng)
(中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川)
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