一种大尺寸氮化硅陶瓷球及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种氮化硅陶瓷球及其制备方法，属于陶瓷材料技术领域。本发明专利技术采用真空注凝成形的方法，可以实现球形度高、密度均匀的大尺寸、超大尺寸氮化硅陶瓷球的成形；本发明专利技术采用微波干燥，干燥速度快，坯体变形小；本发明专利技术对排胶后的陶瓷球进行冷等静压处理，有利于烧结后陶瓷球致密度的提升；本发明专利技术采用两步气压烧结工艺，有利于陶瓷球内部气孔的排除和致密度的进一步提升。本发明专利技术采用注凝成形结合冷等静压成形以及两步气压烧结的方法制备的大尺寸、超大尺寸氮化硅陶瓷球的表面和芯部在相对密度、维氏硬度及断裂韧性等性能上不存在明显差异，可以实现大尺寸、超大尺寸氮化硅陶瓷球致密度及力学性能的均匀化。

【技术实现步骤摘要】
一种大尺寸氮化硅陶瓷球及其制备方法
本专利技术涉及陶瓷材料
，尤其涉及一种大尺寸氮化硅陶瓷球及其制备方法。
技术介绍
氮化硅陶瓷具有高强度、高硬度、高韧性、耐高温、耐腐蚀、耐磨损和自润滑等优点，是作为轴承滚动元件的理想材料。以氮化硅作为滚动体的轴承特别适合在高速、高低温、贫油润滑等工况下使用，如用作精密机床电主轴轴承、电动汽车轴承和风电轴承等。制备氮化硅陶瓷球的一般工艺流程为粉料制备、成形、烧结和研磨加工。成形是制备氮化硅陶瓷球的关键工艺步骤之一，目的是获得球形度好、密度高且均匀、内部缺陷少的球坯。中小尺寸氮化硅陶瓷球的成形一般采用金属模具干压成形的方法，但对于大尺寸、超大尺寸陶瓷球(直径20～200mm)，干压成形过程中，由于压力的不均匀分布会造成陶瓷球内部存在密度梯度，因此，干压成形不适用于大尺寸、超大尺寸陶瓷球的成形。目前，大尺寸、超大尺寸陶瓷球的成形通常是先通过冷等静压压制成相应尺寸的圆柱体，再用车床修整成球形坯体。这种成形方法不仅效率低，而且制备的陶瓷球球形度差，对于超大尺寸陶瓷球也会存在密度梯度。此外，大尺寸、超大尺寸陶瓷球的烧结也是亟待攻克的一项技术难题。由于大尺寸陶瓷球的体积较大，在烧结过程中容易形成温度梯度，造成陶瓷球表面和芯部致密度及显微结构的差异，从而影响陶瓷球致密度及力学性能的均匀性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种大尺寸氮化硅陶瓷球及其制备方法，所制备的氮化硅陶瓷球球形度高、致密度和力学性能的均匀性好。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种氮化硅陶瓷球的制备方法，包括以下步骤：将氮化硅粉、烧结助剂和增强相在无水乙醇中球磨混合后，进行造粒，得到造粒粉料；将丙烯酸铵单体、交联剂、分散剂和水混合，得到预混液；将所述造粒粉料分散于所述预混液中，向所得浆料中加入催化剂和引发剂，得到注凝浆料；将所述注凝浆料进行真空注凝成形，微波干燥后，得到陶瓷球素坯；将所述陶瓷球素坯依次进行排胶、冷等静压、气压烧结和加工，得到氮化硅陶瓷球；所述氮化硅陶瓷球的直径为20～200mm；所述气压烧结的方式为两步气压烧结，第一步气压烧结的氮气压力为0.1～2MPa；第二步气压烧结的氮气压力为2～20MPa。优选的，所述烧结助剂包括氧化铝和稀土氧化物，所述稀土氧化物包括氧化钇、氧化镧、氧化钕、氧化镱和氧化铒中的一种或几种；所述混合料中，所述氧化铝的质量百分含量为2～8％，所述稀土氧化物的质量百分含量为2～10％。优选的，所述增强相包括碳化钨、碳化钛、氮化钛、碳化硅和碳化钼中的一种或几种；所述混合料中，所述增强相的质量百分含量为0.5～5％；所述混合料中，所述氮化硅粉的质量百分含量为85～95％。优选的，所述预混液中，丙烯酸铵单体的质量浓度为6～18％；所述交联剂包括N,N-亚甲基双丙烯酰胺，所述丙烯酸铵单体和交联剂的质量比为(5～15):1；所述分散剂包括聚丙烯酸铵、柠檬酸铵和六偏磷酸钠中的一种或几种；所述分散剂的质量为所述造粒粉料总质量的0.5～3％。优选的，所述造粒粉料在注凝浆料中的质量固相含量为60～85％；所述引发剂包括过硫酸铵，所述引发剂的质量为浆料质量的0.01～0.1％；所述催化剂包括N，N，N，N-四甲基乙二胺，所述催化剂的质量为引发剂质量的20～60％。优选的，所述微波干燥的温度为100～150℃，时间为10～120min；所述排胶的温度为450～650℃，保温时间为1～4h。优选的，所述冷等静压的压力为100～300MPa，保压时间为30～300s。优选的，所述两步气压烧结中，第一步气压烧结的烧结温度为1600～1800℃，保温时间为1～6h；第二步气压烧结的烧结温度为1700～1900℃，保温时间为1～6h。本专利技术提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的氮化硅陶瓷球。本专利技术提供了一种氮化硅陶瓷球的制备方法，包括以下步骤：将氮化硅粉、烧结助剂和增强相在无水乙醇中球磨混合后，进行造粒，得到造粒粉料；将丙烯酸铵单体、交联剂、分散剂和水混合，得到预混液；将所述造粒粉料分散于所述预混液中，向所得浆料中加入催化剂和引发剂，得到注凝浆料；将所述注凝浆料进行真空注凝成形，微波干燥后，得到陶瓷球素坯；将所述陶瓷球素坯依次进行排胶、冷等静压、气压烧结和加工，得到氮化硅陶瓷球；所述氮化硅陶瓷球的直径为20～200mm；所述气压烧结的方式为两步气压烧结，第一步气压烧结的氮气压力为0.1～2MPa；第二步气压烧结的氮气压力为2～20MPa。本专利技术采用真空注凝成形方法，可以实现球形度高、密度均匀的大尺寸、超大尺寸氮化硅陶瓷球的成形；本专利技术先将氮化硅粉、烧结助剂和增强相在无水乙醇中球磨混合并进行造粒后，再制备水基注凝浆料，避免了氮化硅粉长时间和水接触发生水解反应而导致粉料中氧含量的增加，影响陶瓷球的力学性能；本专利技术采用微波干燥，干燥速度快，坯体变形小；本专利技术对排胶后的陶瓷球进行冷等静压处理，可以进一步提高陶瓷球的素坯密度，有利于烧结后陶瓷球致密度的提升；本专利技术采用两步气压烧结工艺，先在较低的氮气压力下烧结使陶瓷球表面的气孔闭合，再在较高的氮气压力下烧结促进陶瓷球的致密化，有利于陶瓷球内部气孔的排除和致密度的进一步提升。本专利技术采用注凝成形结合冷等静压成形以及两步气压烧结的方法制备的大尺寸、超大尺寸氮化硅陶瓷球的表面和芯部在相对密度、维氏硬度及断裂韧性等性能上不存在明显差异，可以实现大尺寸、超大尺寸氮化硅陶瓷球致密度及力学性能的均匀化。附图说明图1为陶瓷球素坯修整前的结构示意图；图2为陶瓷球素坯修整后的结构示意图。图3为实施例4制备的大尺寸陶瓷球毛坯的照片。具体实施方式本专利技术提供了一种氮化硅陶瓷球的制备方法，包括以下步骤：将氮化硅粉、烧结助剂和增强相在无水乙醇中球磨混合后，进行造粒，得到造粒粉料；将丙烯酸铵单体、交联剂、分散剂和水混合，得到预混液；将所述造粒粉料分散于所述预混液中，向所得浆料中加入催化剂和引发剂，得到注凝浆料；将所述注凝浆料进行真空注凝成形，微波干燥后，得到陶瓷球素坯；将所述陶瓷球素坯依次进行排胶、冷等静压、气压烧结和加工，得到氮化硅陶瓷球；所述氮化硅陶瓷球的直径为20～200mm；所述气压烧结的方式为两步气压烧结，第一步气压烧结的氮气压力为0.1～2MPa；第二步气压烧结的氮气压力为2～20MPa。在本专利技术中，若无特殊说明，所需制备原料均为本领域技术人员熟知的市售商品。本专利技术将氮化硅粉、烧结助剂和增强相在无水乙醇中球磨混合后，进行造粒，得到造粒粉料。在本专利技术中，所述氮化硅粉中，α-Si3N4的质量固相含量优选≥80％，所述氮化硅粉的平均粒径D50优选≤1.5μm。在所述混合料中，所述氮化硅粉的质量分数优选为85～95％。在本专利技术中，所述烧结助剂优选包括氧化铝和稀土氧化物，所述氧化铝的纯度本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化硅陶瓷球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n将氮化硅粉、烧结助剂和增强相在无水乙醇中球磨混合后，进行造粒，得到造粒粉料；/n将丙烯酸铵单体、交联剂、分散剂和水混合，得到预混液；/n将所述造粒粉料分散于所述预混液中，向所得浆料中加入催化剂和引发剂，得到注凝浆料；/n将所述注凝浆料进行真空注凝成形，微波干燥后，得到陶瓷球素坯；/n将所述陶瓷球素坯依次进行排胶、冷等静压、气压烧结和加工，得到氮化硅陶瓷球；所述氮化硅陶瓷球的直径为20～200mm；/n所述气压烧结的方式为两步气压烧结，第一步气压烧结的氮气压力为0.1～2MPa；第二步气压烧结的氮气压力为2～20MPa。/n

【技术特征摘要】
1.一种氮化硅陶瓷球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将氮化硅粉、烧结助剂和增强相在无水乙醇中球磨混合后，进行造粒，得到造粒粉料；
将丙烯酸铵单体、交联剂、分散剂和水混合，得到预混液；
将所述造粒粉料分散于所述预混液中，向所得浆料中加入催化剂和引发剂，得到注凝浆料；
将所述注凝浆料进行真空注凝成形，微波干燥后，得到陶瓷球素坯；
将所述陶瓷球素坯依次进行排胶、冷等静压、气压烧结和加工，得到氮化硅陶瓷球；所述氮化硅陶瓷球的直径为20～200mm；
所述气压烧结的方式为两步气压烧结，第一步气压烧结的氮气压力为0.1～2MPa；第二步气压烧结的氮气压力为2～20MPa。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结助剂包括氧化铝和稀土氧化物，所述稀土氧化物包括氧化钇、氧化镧、氧化钕、氧化镱和氧化铒中的一种或几种；所述混合料中，所述氧化铝的质量百分含量为2～8％，所述稀土氧化物的质量百分含量为2～10％。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述增强相包括碳化钨、碳化钛、氮化钛、碳化硅和碳化钼中的一种或几种；所述混合料中，所述增强相的质量百分含量为0.5～5％；所述混合料中，所述氮化硅粉的质量百分含量为85～95％。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张伟儒，王文雪，张晶，孙峰，李柏恒，宋健，张明帅，李晓天，张峰梅，
申请(专利权)人：中材高新氮化物陶瓷有限公司，中国航发哈尔滨轴承有限公司，
类型：发明
国别省市：山东;37