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小于4mm氮化硅微珠:小身材大擔(dān)當(dāng),國(guó)內(nèi)正缺,!


來(lái)源:中國(guó)粉體網(wǎng)   山川

[導(dǎo)讀]  陶瓷微珠中的貴族。

中國(guó)粉體網(wǎng)訊  氮化硅陶瓷是一類重要的先進(jìn)陶瓷材料,具備耐高溫、耐磨損,、低密度、高強(qiáng)度,、高硬度等優(yōu)異性能,,廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、航空航天,、國(guó)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(jī)械軸承等領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用,。


圖片來(lái)源:威海圓環(huán)


目前國(guó)內(nèi)制備的氮化硅大球(>8mm)技術(shù)相對(duì)成熟,,與國(guó)外氮化硅制造強(qiáng)國(guó)間差距不那么大,但是微珠方面尤其是<4mm的氮化硅微珠,,國(guó)內(nèi)質(zhì)量相對(duì)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(diǎn)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(qiáng)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(lái)的氮化硅粉體制備需求也越來(lái)越多、越來(lái)越精細(xì),,研磨所用到的氮化硅微珠也隨之大幅增長(zhǎng),。


圖片來(lái)源:中材高新


例如,近年來(lái)隨著國(guó)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(lái)越多,,且對(duì)純度要求越來(lái)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(guó)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(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)起著重要支撐作用,。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步,滾動(dòng)軸承的使用環(huán)境和應(yīng)用條件越發(fā)苛刻,,我國(guó)現(xiàn)有軸承鋼種已不能滿足或不能充分滿足主機(jī)對(duì)軸承的工業(yè)要求,。


典型軸承鋼與陶瓷材料性能對(duì)比



大量試驗(yàn)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(lái)制造高性能滾動(dòng)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(duì)軸承質(zhì)量及精度的要求也越來(lái)越高,,氮化硅微珠的需求量會(huì)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(duì)較低,。


2,、粉體研磨


由于氮化硅硬度很高,通常需要進(jìn)行分級(jí)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(jìn)添加10-20mm的氮化硅球滾筒球磨機(jī)中研磨48H,,再進(jìn)入填充1.0-1.2mm的氮化硅微珠的30L臥式棒銷砂磨機(jī)進(jìn)行精磨24H,研磨至D50小于0.4um,。將漿料裝入自動(dòng)除鐵機(jī)除鐵后再添加粘結(jié)劑,,調(diào)節(jié)漿料運(yùn)動(dòng)粘度在200-300mm2/s。


3、微珠成型


氮化硅球目前市場(chǎng)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(huì)形成一條突出腰帶,需要利用金剛石磨機(jī)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(lái)源:河源帝諾新材料有限公司


滾動(dòng)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(jiǎn)單、生產(chǎn)效率高,、產(chǎn)品質(zhì)量好的優(yōu)勢(shì),,是一種適合于規(guī)模化大生產(chǎn)的工藝技術(shù),。該法球坯間歇性粘粉層層長(zhǎng)大模式對(duì)于粉體層間結(jié)合力,,粉體堆積致密度,球坯強(qiáng)度有著極大要求,,特別對(duì)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(qiáng)度低的問(wèn)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(jī)物及水分在燒結(jié)過(guò)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(shì)是可以以較低的成本制備性能較好,并實(shí)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(jì)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(guò)程中在產(chǎn)品的各個(gè)方向上施加同等壓力,,在高溫、高壓作用下實(shí)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(jìn)而獲得更好的軸承組件硬度和斷裂韌性,。目前,美國(guó)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(guó)內(nèi)廠商受限于燒結(jié)過(guò)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(wú)法實(shí)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(shí)間較長(zhǎng),,整圓精磨加工是在金剛石研磨底盤的整圓機(jī)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(jī)。每臺(tái)機(jī)器內(nèi)裝有四個(gè)六棱形拋光桶,,拋光桶繞軸心公轉(zhuǎn)的同時(shí)也反向自轉(zhuǎn),,使其中物料形成強(qiáng)烈的剪切摩擦,以達(dá)到快速拋光的效果,。每個(gè)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(lái)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(lái)越�,。贿有高性能軸承,,尤其是微型軸承的需求量越來(lái)越大,,對(duì)軸承用滾動(dòng)體的要求也越來(lái)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(duì)我國(guó)精密制造業(yè)的進(jìn)一步突破具有重要意義。


參考來(lái)源:

[1]黃印.氮化硅微珠的市場(chǎng)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(jìn)展

[3]中國(guó)粉體網(wǎng)


(中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川)

注:圖片非商業(yè)用途,,存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除


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作者:山川

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