烧结温度对氮化硅陶瓷球​有哪些影响

氮化硅陶瓷材料与轴承钢材料相比具有质量轻、强度高、耐腐蚀等特性，用陶瓷材料制成的滚动体可以使离心力降低，能有效提高轴承性能。目前，以氮化硅(氮化硅)材料为代表的陶瓷球轴承已广泛应用于航空、航天、高速电主轴等众多领域，具有广泛的市场前景。

氮化硅是强共价键化合物，氮原子和硅原子的自扩散系数低，致密化所需的体积扩散及晶界扩散速度、烧结驱动力小，可烧结性差。在制备过程中易产生各种缺陷，从而降低材料性能，限制了氮化硅陶瓷球轴承的使用。目前国内通常采用气氛压力烧结制备氮化硅陶瓷球，其烧结机理为液相烧结，晶粒通过溶解、析出、再结晶从而达到致密。因烧结驱动力小，通常氮化硅陶瓷球烧结温度不低于1700℃，同时为防高温下氮化硅分解，采用氮气(N2)做为加压介质以抵住其分解。本试验采用气氛压力烧结的方法，研究烧结温度对氮化硅陶瓷球密度、压碎载荷比、孔隙度、硬度和断裂韧性等性能的影响。

烧结温度对氮化硅陶瓷球密度的影响

密度是氮化硅陶瓷球的表征之一。密度数值直观反映氮化硅陶瓷球致密化程度，通过精确测量密度值，可以研究材料致密化程度。滚动轴承零件的基本前提是具备足够的委靡寿命。但由于氮化硅材料有较大的弹性模量，陶瓷球轴承在高速运转时要承受更高的接触应力，即Hertz表面应力，所以对于氮化硅陶瓷球材料，其内部孔隙、夹杂物、高的添加剂含量和偏析、显微结构不均匀、裂纹等材料缺陷都会严重缩短其滚动接触委靡寿命。所以要求陶瓷材料不但应有良好的机械物理性能，更应具有高的致密化程度和低的材料缺陷。

氮化硅材料内部气孔率增加时，其强度、断裂韧性等性能随之降低。陶瓷球材质中游离硅、添加剂、孔隙、夹杂等对陶瓷球的密度有较大影响，进而直接影响陶瓷球轴承的性能，特别是对轴承的委靡寿命、承载能力影响大。游离硅、添加剂、夹杂等会使陶瓷球的密度增加，孔隙、裂纹等内部缺陷会使陶瓷球的密度降低，故通过检测陶瓷毛坯球的密度，可以评价陶瓷球的致密性、纯净度等。

试验采用阿基米德排水法测量烧结后陶瓷球密度。不同烧结温度下的密度测试不低于5组，取平均值作为该温度下的密度值。图1所示为不同温度下陶瓷球密度变化趋势，由图可以看出，在1710℃时氮化硅陶瓷球密度低，为3．166g/cm3。随着温度升高，密度急剧升高，1740℃时密度达到3．235g/cm3。随温度的继续升高，密度处于缓慢上升状态，至1810℃时密度达到3．271g/cm3。

烧结温度对陶瓷球孔隙度的影响

试验证明，显微结构均匀、致密的陶瓷球滚动接触委靡寿命更高。氮化硅陶瓷球是通过压制、烧结制成，陶瓷球材料内部不可避免地存在孔隙。但要求陶瓷球材料的内部孔隙越少越好，且应分布均匀细小，不允许出现可能成为委靡源的较大孔隙或孔隙群。试验对待检陶瓷球进行镶嵌、制样，通过切削、研磨在陶瓷球直径1/3处制出横截面，将截面抛至镜面。在100倍金相显微镜下检测不同烧结温度的氮化硅陶瓷球。除烧结温度1710℃的陶瓷球试样截面具有较多孔隙外，其余各试样仅存在少量细小、分散的孔隙。

烧结温度对陶瓷球硬度和断裂韧性的影响

硬度和断裂韧性是衡量陶瓷材料性能的基本参数。在待测样品的横截面上用维氏硬度计压头在一定压力下产生压痕，硬度计压头为金刚石，形状为136°夹角的四方棱锥体，通过检测压痕对角线长度，经计算得出试样硬度和断裂韧性。

烧结温度为1710℃的陶瓷球试样因孔隙较多，无法准确检测其硬度和断裂韧性，1740，1770，1790和1810℃下陶瓷球硬度和断裂韧性的变化趋势如图3和图4所示。可以看出随温度升高，陶瓷球硬度HV10稍有减小，约为1610～1625HV10，且陶瓷球断裂韧性随温度升高缓慢变大。