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类型原材料粉末对氮化硅陶瓷球性能的影响.pdf

  • 上传人:first2
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  • 上传时间:2021-09-07
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    关 键  词:
    原材料 粉末 氮化 陶瓷球 性能 影响
    资源描述:
    试验与分析 原材料粉末对氮化硅陶瓷球性能的影响 冯颖, , , 马越, , , 张玲, , ( 洛阳轴研科技股份有限公司, 河南洛阳; 河南省高性能轴承技术重点实验室, 河南洛阳 ; 滚动轴承产业技术创新战略联盟, 河南洛阳) 摘要: 分别采用国产和进口氮化硅原材料粉末制备不同规格的氮化硅陶瓷球, 研究原材料粉末对氮化硅陶瓷材 料力学性能、 烧结致密化、 组织结构和陶瓷球表面质量的影响。结果表明: 随着氮化硅陶瓷球尺寸增大, 原材料 粉末对陶瓷球质量影响增大; 对于大尺寸陶瓷球, 使用进口原材料粉末能明显提高材料的力学性能、 组织均匀 性, 能够促进烧结致密化, 提高陶瓷球表面质量。 关键词: 滚动轴承; 氮化硅陶瓷球; 原材料粉末; 力学性能 中图分类号: ; 文献标志码: 文章编号: ( ) , , , , , , , , ( , , , ; , , ; , , ) : , , , , : ; ; ; 氮化硅( ) 陶瓷具有密度小、 硬度高、 热 膨胀系数小、 耐高温、 耐腐蚀、 化学稳定性好、 弹性 模量大、 抗压强度高等性能, 在化工、 冶金、 机械、 石油、 交通、 航空航天、 电子、 家用电器、 真空等行 业中有广泛的应用前景 。陶瓷材料可以 有效提高轴承性能, 扩大轴承在高速、 高温、 腐蚀 等特殊环境中的使用范围 。目前, 随着高端装 备制造业、 新型清洁能源的发展, 特别是风力发电 行业、 航空航天事业的发展, 与之配套使用的 陶瓷球需求量增大。陶瓷球在轴承行 业中也已实现了工业化生产 。 目前, 陶瓷球的制造工艺主要采用粉末 冶金工艺, 粉末性能对 陶瓷球的力学性能、 收稿日期: ; 修回日期: 制备工艺以及产品外观有很大影响 。由于制备 方法和后续处理工艺不同, 不同厂家的 粉料 性能差异较大, 从而对 材料的烧结、 性能以 及陶瓷球的加工和表面质量有较大影响。 分别选用国产和进口 原材料粉末, 制备 不同规格的 陶瓷球, 研究粉末特性对球性能 的影响。 试验 ?试样 国产和进口 粉末性能见表 , 其扫描电 镜形貌如图 所示。由此可知, 种粉末均为微米 级颗粒, 大部分为不规则形状的 , 另外有 少量长条形 。与国产原材料粉末相比, 轴承年期 , 万方数据 进口原材料粉末粒度小、 杂质含量少。这是因为 国产 粉末的制备方法一般采用硅粉直接氮 化法; 进口 粉末在硅粉氮化后, 用盐酸和氢 氟酸等后处理工艺去除氧和其他杂质, 最后去除 残余的盐酸和氢氟酸。 表 国产和进口 粉末的初始特性 原材料来源 元素及杂质含量, 粒度 相含量, 国产 少量 进口 ( ) 国产 ( ) 进口 图 原材料粉末的扫描电镜照片 采用纳米级 和 粉末作为烧结助剂, 经球磨混合、 冷等静压成形、 气氛压力烧结制造, 再进 行研磨加工制得加工精度为 级的陶瓷球。分别 用 种原材料制备 和 种 规格的陶瓷球, 同种规格陶瓷球的制备工艺相同。 ?试验设备及方法 对试样进行力学性能检测。采用排水法测量 试样的密度; 采用压痕法测量试样的维氏硬度和 断裂韧性; 采用万能材料试验机测量试样的压碎 载荷, 与同规格钢球的压碎载荷标准值比较得到 陶瓷球压碎载荷比; 采用激光共聚焦扫描显微镜 对孔隙度及金相组织进行观察; 利用扫描电镜对 烧结试样的微观组织结构进行分析; 利用振动测 量仪检测试样的振动值; 利用体视显微镜( ) 检查试样的表面缺陷。 结果与分析 ?陶瓷球的综合力学性能 试验制备的陶瓷球的综合力学性能见表 。由 表可知, 对于 的陶瓷球, 种原材料粉末 制备的试样力学性能相差不大; 对于 的陶瓷球, 使用进口原材料粉末制备的试样具有更 高的密度、 硬度和压碎载荷, 但是断裂韧性值略低。 进口原材料粉末对大尺寸陶瓷球的力学性能 影响较大, 这是因为进口原材料粉末粒度细、 粒度 均匀、 杂质含量少、 烧结活性高, 有助于陶瓷球的 烧结致密化。对于尺寸较大的陶瓷球, 烧结所需 的驱动力较大, 当温度等烧结条件不容易满足其 致密化需求时, 使用烧结活性较大的原材料粉末 可以在较低的烧结条件下达到致密化目的。同 时, 粒度较小的原材料粉末有助于提高材料硬度, 对性能的影响表现更为显著。 表 陶瓷球的综合力学性能 试样 编号 球公称直径 原材料 来源 综合力学性能 密度 ( ) 硬度 断裂韧性 ( ) 压碎载荷比 , 国产 进口 国产 进口 ?陶瓷球的金相组织及孔隙度 试样的金相组织照片如图 所示。由图可 知, 和 试样的孔隙很少, 材料致密化程度较 高; 试样的孔隙不均匀分布, 近表面区域较为致 密, 中心区域孔隙较多; 试样孔隙很少, 材料致 密化程度较高。试样的金相组织与密度检测结果 冯颖, 等: 原材料粉末对氮化硅陶瓷球性能的影响 万方数据 一致。密度高的试样金相组织孔隙较少; 反之, 孔 隙较多。 图 陶瓷球的金相组织照片 试样的金相组织表明, 近表面区域已完成 致密化; 中心区域孔洞较多、 致密化不完全。这是 因为 烧结属于液相烧结, 其过程分为重排、 溶解 再结晶、 晶粒长大 个阶段。材料的 热导率较低, 烧结过程中陶瓷球的近表面区域温 度较高, 首先形成液相, 致密化过程较早。随着温 度升高, 液相扩展、 增多, 内部致密化进程加快。 液相的含量和分布对材料的致密化过程有重要影 响。试样的烧结条件没有产生足够和均匀的液 相, 因此没有实现完全致密化。 和 试样烧结条件相同, 但 试样孔洞较 少、 致密化完全。这是因为与国产原材料粉末相 比, 进口原材料粉末采用了后处理工艺来去除杂 质, 杂质含量极低, 极大提高了粉末的烧结活性。 同时, 原始粉末粒度小, 颗粒重排速度快, 在 液相中的溶解度高, 有助于液相烧结的快速完成。 陶瓷球的尺寸大, 烧结难度大, 采用烧结活 性较大的进口原材料粉末更有助于满足大尺寸陶 瓷球的致密化要求。 ?陶瓷球的微观结构 和 试样抛光面的扫描电镜照片如图 所 示。由图可知, 烧结后 晶相发生转变, 已完全转变成长柱晶 ; 种试样的 组织不均匀且存在粗大晶粒。这是因为制备试样 所用的 国产原材料粉末粒径分布宽、 原始粒 度不均匀, 导致烧结后易产生粗大的再结晶晶粒。 另外, 试样的晶粒尺寸较大, 这是因为大尺寸陶 瓷球的烧结温度较高。 ( ) 试样 ( ) 试样 图 国产粉末烧结试样的扫描电镜照片 和 烧结试样抛光面不同位置的扫描电镜 照片如图 所示。由图可知, 试样近表面区域的 晶粒比中心区域晶粒粗大, 说明近表面区域的温 度高于中心区域, 烧结过程领先于中心区域, 致密 化过程已完成, 晶粒开始长大。该结果与金相组 织及孔隙度分析结果一致。试样近表面区域和 中心区域的显微结构没有太大差异, 同时, 其晶粒 也比 试样更加均匀细小。这是因为初始原材料 粉末的粒度对烧结后组织的晶粒度有很大影响。 进口原材料粉末粒度小, 粒径分布均匀, 杂 质含量低, 烧结驱动力大, 更容易满足大尺寸陶瓷 轴承 万方数据 球的烧结条件, 且烧结后其组织均匀、 晶粒细小。 因此, 对比陶瓷球的综合力学性能时, 试样比 试样具有更高的密度、 硬度和压碎载荷。试样 的断裂韧性值较低, 这是因为材料的断裂韧性值 与压痕的裂纹扩展方式有关。晶粒尺寸越小, 晶 界的比表面积越大, 断裂方式主要是晶界断裂, 断 裂韧性值变低; 晶粒尺寸越大, 能够有效阻断裂纹 扩展, 断裂韧性值较高。材料的断裂韧性值 与 长柱晶直径的平方根成正比, 材料韧性 随着 晶粒尺寸的增大而增大 。试样比 试 样的晶粒度大, 因此其断裂韧性值较高。 ( ) 试样近表面区域 ( ) 试样中心区域 ( ) 试样近表面区域 ( ) 试样中心区域 图 和 试样不同位置的扫描电镜照片 陶瓷球应用于轴承时, 其失效模式主要 表现为疲劳剥落, 其接触疲劳性能与断裂韧性没 有直接关系, 细小均匀的显微组织是具有良好滚 动接触疲劳寿命的基本条件 。因此, 对 材 料性能进行评判时, 应综合考虑其力学性能。 ?陶瓷球表面质量 对研磨加工后的陶瓷球进行表面精度及表面 缺陷检查。测量其振动值, 统计外观合格率, 结果 见表 。 表 陶瓷球表面质量检查结果 试样 编号 加工 精度 表面质量 振动值 表面缺陷类型外观合格率, 孔洞、 掉块 孔洞、 掉块 孔洞、 掉块 孔洞、 掉块 由表 可知, 种试样的加工精度均能达到 级。 和 试样的表面质量相差不大; 试样 的振动值较低、 外观合格率较高, 表面质量明显优 于 试样。这是由于 是硬脆材料, 加工原理 是通过磨料磨粒与材料表面磨削产生微裂纹, 微 裂纹逐渐增长使材料的脆性去除 。如果材料的 组织不均匀, 存在粗大晶粒或烧结助剂聚集区域, 加工过程中很容易产生表面缺陷。尺寸较大的陶 瓷球烧结温度相对较高, 更易产生组织偏析或粗 大晶粒。进口原材料粉末晶粒细小, 烧结活性较 高, 可有效改善材料的组织均匀性, 极大地提高产 品表面质量和产品合格率。 结论 ) 尺寸较小的陶瓷球, 原材料粉末对 材 料的力学性能影响不大; 尺寸较大的陶瓷球, 使用 进口原材料粉末可有效提高材料的综合力学 性能。 ) 尺寸较小的陶瓷球, 原材料粉末对 陶 瓷球的孔隙度和金相组织影响不大; 尺寸较大的 陶瓷球, 进口原材料粉末烧结活性大, 有助于完成 烧结致密化。 ) 使用国产原材料粉末, 烧结后陶瓷球显微 组织不均匀, 存在粗大晶粒; 使用进口原材料粉 末, 烧结后组织均匀, 晶粒度细小。 ) 尺寸较小的陶瓷球, 原材料粉末对 陶 瓷球的表面质量影响不大; 尺寸较大的陶瓷球, 使 冯颖, 等: 原材料粉末对氮化硅陶瓷球性能的影响 万方数据 用进口原材料粉末可提高陶瓷球表面加工质量, 从而有效提高产品合格率。 参考文献: 王正军 氮化硅陶瓷的研究进展 材料科学与工 艺, , ( ) : 黄传真, 杨为清, 艾兴 新型陶瓷轴承研究的现状与 展望 中国陶瓷工业, , ( ) : 李贵佳, 孙峰 利用国外专利技术, 解决国内氮化硅 陶瓷轴承球产业化问题 中国陶瓷, , ( ) : 江涌, 赵益辉 粉料粒度对氮化硅陶瓷性能的影响 中国粉体技术, , ( ) : , , , , , ( ) : 周井玲, 吴国庆, 陈晓阳, 等 氮化硅陶瓷球显微结构 与滚动接触疲劳性能 润滑与密封, , ( ) : , 孔伟时 工程陶瓷的磨削机理和磨削模型 机械 工人( 冷加工) , ( ) : ( 编辑: 王玉良 ) ( 上接第 页) 由表可知, 在对机床的调整和 次磨削后, 除 件套圈外径单一平面外径变动量 为 , 未达到工艺要求, 其余套圈 值均不大于 , 达到了工艺要求。 ?粗磨工艺控制 如前所述, 套圈零件原始端面、 外径面精度 差, 通过在套圈粗磨阶段分 次循环: 第 次循环 中套圈端面平面度应控制在 以下, 粗磨 外径面圆度必须控制在 以下, 然后稳定 处理后进行第 次循环, 使端面的平面度控制在 以下, 再将外径面磨削至工艺尺寸, 外径 面圆度控制在 以下, 使粗磨外径面的精 度达到工艺要求。经过以上方法, 最终加工出的 轴承套圈合格率达到 以上。 结束语 针对薄壁轴承深沟球轴承外圈磨削加工中存 在的问题, 通过改进采用 多工位数控双 端面磨床磨削套圈端面, 以纠正端面平面度超差 问题, 改进后比采用 和 平面磨床 组合加工的方法加工精度明显要高; 磨削外径面 时, 采用多次精细调整机床的方法, 有效改善了外 径面的圆度, 降低了废品率, 满足了生产需要。 随着各种特殊结构高精度薄壁轴承需求量的 增大, 薄壁轴承的加工中还会出现更多难题, 寻找 更好的加工设备和方法以及有效的纠正措施, 还 需要在生产中不断的探索和改进, 以进一步提高 套圈的加工精度和生产效率。 参考文献: 张秀君 薄壁轴承的设计应用 轴承, ( ) : 孙立才, 张林, 刘兢, 等 改善薄壁轴承套圈端面翘曲 的方法 轴承, ( ) : 刘桥方 轴承套圈磨工工艺 郑州: 河南人民出 版社, (
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