烧结助剂含量对氮化硅陶瓷球致密化和力学性能的影响

王文雪，张晶，颜家森，孙峰，杨文武

(1.中国航发哈尔滨轴承有限公司，哈尔滨 150025；2.中材高新氮化物陶瓷有限公司，山东 淄博 255000；3.中国航发湖南动力机械研究所，湖南 株洲 412002)

混合陶瓷轴承与传统钢轴承相比具有许多独特的优势，大大扩展了轴承的使用范围和应用领域[1-2]。氮化硅(Si3N4)陶瓷材料由于具有比重轻，硬度大，耐磨损，耐腐蚀，耐高温，电绝缘及自润滑等优异性能，成为混合陶瓷轴承用滚动体的首选材料[3]。Si3N4与钢之间的黏附力小，使混合轴承在边界润滑条件下不易磨损，可延长轴承使用寿命[4-5]。此外，Si3N4陶瓷球和钢球的疲劳失效模式均为剥落失效，失效时不会发生灾难性破坏[6]。因此，以Si3N4陶瓷球为滚动体的混合轴承特别适合在高速、高温和贫油润滑等工况下使用，如精密机床高速电主轴轴承、风电轴承和航空航天轴承等。

Si3N4是强共价键化合物，自扩散系数很低，烧结驱动力不足，难以通过单纯的固相烧结来实现致密化，因此,需要加入一定量的烧结助剂，借助液相烧结完成致密化过程[7]。Si3N4陶瓷的液相烧结原理是烧结助剂与Si3N4粉表面的SiO2反应形成液相，在液相的作用下经颗粒重排、溶解-淀析及晶粒长大的过程达到致密化[8]。烧结助剂的组成和含量对Si3N4陶瓷的致密化和力学性能具有重要影响。Si3N4陶瓷常用的烧结助剂包括Y2O3，Al2O3，MgO，AlN和La2O3等，为降低液相的形成温度，改善晶界相的性能，通常采用二元或多元烧结助剂体系[9-11]。由于Si3N4在1 700 ℃以后开始发生分解，一般采用气压烧结(Gas Pressure Sintering,GPS)的方式，在高温的同时通入高压氮气(1～10 MPa)来抑制Si3N4的分解[8]。……