MgO-Y 2O3复合烧结助剂对氮化硅轴承球致密化的影响*

黄佳雯，周健震，李 军，沈晨琛，罗浩东，郭大伟

（1.景德镇学院机械电子工程学院，江西 景德镇 333403；2.景德镇陶瓷大学机械电子工程学院，江西 景德镇 333403）

0 引言

氮化硅轴承球在现代工业中占有重要地位，具有耐高温、硬度大、耐腐蚀等优良特性[1-2]，因此，被广泛应用在滚珠轴承、增压器转子、汽轮机叶片等现代工业上。由于氮化硅轴承球的广泛使用，其面对的处境类型随之增加，在密闭颠簸的工作环境中对氮化硅轴承球材料性能的要求也随之提高。目前被广泛使用的氮化硅轴承球材料虽然具有良好的导热性[3]，但其强度和致密化较低。这是由于氮化硅存在三种晶体结构，其中，长轴状β氮化硅晶体会出现大量的氮化硅晶体交错桥连，从而出现微型气孔等，导致氮化硅轴承球致密性降低。因此，课题组将探讨MgOY2O3复合烧结助剂对氮化硅轴承球致密化的影响。

对于氮化硅轴承球致密度问题，能通过选择合适的烧结助剂来增加致密度[4]。Hanqin Liang等[5]探究了采用热压烧结添加剂对致密性、力学性能、热导率等影响，结果表明，烧结助剂的添加有利于提高氮化硅轴承球的断裂韧性、维氏硬度和导热率。Hailong Hu等[6]研究了ZrSi2-MgO体系的添加量对氮化硅烧结行为和导热系数的影响，同时发现了ZrSi2-MgO体系形成的ZrO2与MgO和氮化硅协同形成液相Si、Zr、MgO、N，促进了氮化硅的致密化。Chuan Bing Cheng等[7]探究了以采用9wt%的Y2O3和Yb2O3复合烧结添加剂制备了氮化硅轴承球，结果表明，随着多种烧结添加剂Yb2O3含量从0增加到9wt%，其抗弯强度、断裂韧性和氮化硅相含量均增加。刘剑等[8]探究了MgO-Y2O3烧结助剂对氮化硅轴承球的影响，结论表明，Y2O3与氮化硅反应可减少氧元素融入氮化硅晶体的概率。综上所述，烧结助剂对氮化硅致密化有影响，因此，烧结助剂对氮化硅轴承球致密化同样有影响。

鉴于烧结助剂能有效地提高氮化硅轴承球的综合性能，课题组在满足提高氮化硅轴承球综合性能的前提下，尽可能降低成本，最终选择了价格较低的MgO-Y2O3作为复合式烧结助剂，使用常压烧结技术设备制备氮化硅轴承球，探究MgO-Y2O3复合式烧结助剂不同添加量、不同比例对氮化硅轴承球的致密化影响。其研究意义是在保证优良的氮化硅轴承球综合性能的前提下推广至可大批生产的工厂中。

1 实验

1.1 样品制备装置

采用双压辊挤压造粒机制备氮化硅轴承球造粒，如图1所示。该装置由控制系统、传动系统、动力系统、造粒系统四部分组成。1）控制系统由电控箱组成。通过电动箱控制设备的开关。2）传动系统包括混合搅龙和副电机。副电机利用带动副轴提供动力，从而带动混合搅龙旋转。3）动力系统包括主电机和锥齿轮传动结构。主电机为主轴旋转提供动力，锥齿轮传动结构为造粒系统提供动力。4）造粒系统包括入料口、压辊、切料刀、出料刮板及出料口。入料口和出料口提供粉粒进出口，压辊匀速转动将粉体压成形，切料刀将从压辊压出的料切成小块，出料刮板防止粉料粘连在机壁上。

图1 双压辊挤压造粒机

1.2 实验原料及烧结助剂

本实验采用的原材料为α-Si3N4含量≥93.1%的氮化硅粉体（平均粒径为0.6μm），活性MgO≥62%、游离CaO≤1.8%的氧化镁粉体，Y2O3含量占61.4%的三氧化二钇粉体。

为了分析不同配比烧结剂对氮化硅轴承球烧结的影响，设计了不同配比的烧结配方，实验原料总质量为100 g，具体烧结配方如表1所示。

表1 烧结配方

1.3 样品制备

将Si3N4粉体、MgO粉体、Y2O3粉体按表1烧结配方配比，将行星球磨机进行1 h空转，运转中发现问题及时处理，确保正常运转后，加入100 g物料、适量玛瑙球和适量无水乙醇进行球磨。球磨好的浆料在80℃的烘箱中烘干5 h，烘干后进行研磨，再过100目标准筛，得到混合粉体。使用5%的PVB溶液对粉体进行造粒，对造粒成的粒子进行干压、冷等静压成型，制成直径9.525 mm的陶瓷球素胚。将素胚放在600°C下保温1 h进行排胶处理，排胶后将素胚放入石墨坩埚中，再将石墨坩埚放入石墨匣钵中。在碳化铬常压烧结炉分别设置1 350℃、1 450℃、1 550℃、1 650℃和1 700℃保温2 h，对进行常压烧结的氮化硅轴承球样品进行探究，从而研究MgOY2O3复合烧结助剂对氮化硅轴承球致密化的影响。

1.4 样品表征

使用耐火材料体积密度测试仪ET-320M，采用阿基米德原理，依照氮化硅轴承球的特性通过煮沸饱和法测量其致密度。采用X射线衍射仪（TD-3500）进行物相分析。采用TESCAN SEM/FIB-SEM集成拉曼一体化显微镜观察分析烧结样品的微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 氮化硅轴承球样品的SEM分析

M9Y1、M7Y3、M5Y5、M3Y7、M1Y9五 种 配 比 烧结助剂，在1 650℃下保温2 h，对不同配比的MgOY2O3复合烧结助剂烧结成的氮化硅轴承球样品进行微观结构检测，得到氮化硅轴承球样品的SEM照片，如图2所示。由图2可以看出，在M9Y1中由于MgO占烧结助剂总量的90%，反应过量的MgO在烧结反应中产生玻璃相，在高温的情况下易分解或者挥发，从而产生气孔。而在M3Y7中，样品表面较为光滑平整，已没有明显的气孔分布，气孔数量较少，达到较高的致密化。

图2 氮化硅轴承球样品的SEM照片

2.2 含MgO-Y2O3烧结助剂的氮化硅轴承球物相分析

M7Y3在不同温度经过2 h烧结后的XRD图谱，如图3所示。由图3可知，在五种温度下主晶相都为β-Si3N4晶体，说明在这五种温度下α-Si3N4已经完全转换成了β-Si3N4。从XRD图谱中看出，在1 550℃以下，β-Si3N4并无明显变化，而在1 550℃时，Y2（Si3O3N4）的衍射峰增加到最大值。这说明在1 450℃到1 550℃时，Y2O3和Si3N4易形成Y2（Si3O3N4）。在1 650℃时，β-Si3N4衍射峰有较明显增加。当温度到达1 700℃时，β-Si3N4衍射峰有明显增加。

图3 样品M7Y3在不同温度烧结后的XRD图谱

2.3 MgO-Y2O3不同比例对氮化硅轴承球致密性影响

不同配方烧结的氮化硅轴承球样品的相对密度，如图4所示，从图中可以看出五种配方烧结出的陶瓷相对密度均超过98%，其中，M5Y5配方的氮化硅轴承球相对密度达到最高，为99.52%。在相同的烧结助剂含量中，以M5Y5明显分开两种不同情况。对于M7Y3和M9Y1的相对密度较小地减少，这应该与MgO的过量而在烧结过程中产生玻璃相，在高温的条件下易挥发而产生的气孔有关系。对于M1Y9和M3Y7的相对密度较小地减少，可能是由于MgO烧结助剂的含量过少，没有很好地促进烧结过程的液相含量增加，无法提高Si、N原子的扩散速度，无法促进颗粒的致密化过程。

图4 不同配方氮化硅轴承球的相对密度

3 结论

1）MgO-Y2O3烧结助剂对氮化硅轴承球烧结，由于Y2（Si3O3N4）的产生，在1 550℃前α-Si3N4转换β-Si3N4的相转化速率较慢；当温度高于1 550℃时，α-Si3N4转换β-Si3N4的相转化速率开始增加；当温度高于1 650℃时，相转化速率最高。

2）MgO-Y2O3烧结助剂体系中，MgO含量不可过多也不可过少，否则都会影响烧结出的氮化硅轴承球的致密性。当烧结助剂配比为5%MgO和5%Y2O3时，可得到表面形貌优良并具有高致密度的氮化硅轴承球。