梯度陶瓷球材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及非氧化物基陶瓷材料领域，具体公开了一种高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]尚速、精密、尚承载力、尚可靠性的尚性能轴承广品是尚端数控机床、尚速列车、风力发电等重大装备的关键基础件。轴承球是轴承产品的核心零件，其失效是制约高性能轴承发展的瓶颈问题之一。氮化硅轴承球相对于传统滚动轴承用的钢球，具有低密度、耐高温、高刚性、高硬度、低热膨胀系数、自润滑性、非灾难性破坏、无磁性等优异性能。轴承球采用烧结的Si3N4陶瓷材料可以改善克服缺点，但通常传统烧结的Si3N4陶瓷材料不能实现表硬心韧的力学性能，不能满足高性能轴承产品的需求。
【发明内容】
[0003]本发明的目的在于克服上述缺点而提供一种高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备方法。本发明制备的Si3N4梯度陶瓷球材料具有更优异的力学性能，具有表硬心韧的高性能，且能显著提高Si3N4陶瓷球的抗疲劳性能和使用寿命。
[0004]本发明通过以下技术方案予以实现:
[0005 ]本发明提供的一种制备表硬心韧高性能S i 3N4梯度陶瓷球的方法，包括如下步骤:
[0006](I)以Si3N4粉为基体原料，心部以FSi3N4晶种和Al2O3-Re2O3为烧结助剂，表层以AlN和Al2O3-Re2O3为烧结助剂，心部按照Si3N4J-Si3N4晶种:Al2O3-Re2O3的质量分数比为98?60%:1?20%:1?20%的配比经混料、干燥后，得到心部为Si3N4-P-Si3N4晶种-Al2O3-Re2O3的混合粉体，表层按照Si3N4 = AlN = Al2O3-Re2O3的质量分数比为98?60%:1?20%:1?20 %的配比经混料、干燥后，得到表层为Si3N4-AlN-Al2O3-Re2O3的混合粉体，其中Re = Sc，Y，La, Ce , Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho , Er, Tm, Yb, Lu ψ 的任一种，所述的Al203_Re203 中的Al2OwRe2O3质量分数比为I?99%:99?1% ;
[0007](2)将Si3N4-P-Si3N4晶种-Al2O3-Re2O3混合粉体作为陶瓷球心部成分，Si3N4-AlN-Al2O3-Re2O3混合粉体作为陶瓷球表层成分，通过球形模具及冷等静压成型获得梯度球坯体；
[0008](3)将梯度球坯体通过气压烧结获得表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料。
[0009]上述步骤(I)中，Si3N4粉的纯度为95?100%，粒径为<10ym;f3-Si3N4晶种粉的纯度为99.9% ;Al2O3粉的纯度为99.9% !Re2O3粉的纯度为99.9% ;AlN粉的纯度为98?100%，粒径为<10um;心部厚度为5?50mm，表层厚度为0.5?10mm。
[0010]上述步骤(I)中，心部将Si3N4 J-Si3N4晶种和Al2O3-Re2O3，表层将Si3N4、AlN和Al2O3-Re2O3按所述质量分数比进行配料，以乙醇为溶剂，以Si3N4球为球磨介质，在球磨机上混合4?48h，干燥后得到心部为Si3N4-P-Si3N4晶种-Al2O3-Re2O3的混合粉体，表层为Si3N4-AlN-Al2O3-Re2O3 的混合粉体。
[0011]上述步骤(I)中，球磨机是辊式球磨机，在辊式球磨机上混合24h。
[0012]上述步骤(I)中，Si3N4:P_Si3N4晶种:Al2O3-Re2O3 的质量分数比为 87%:3%:10%，其中Re = Lu;Si3N4:AlN:Al203-Re203的质量分数比为90%:2%:8%，其中Re = Y;所述的Al2O3-Re2O3中的Al2O3iRe2O3质量分数比为25%:75%。
[0013]上述步骤(2)中，冷等静压成型压力100?300MPa，保压时间I?lOmin。
[0014]上述步骤(2)中，冷等静压成型压力200MPa，保压时间5min。
[0015]上述步骤(3)中，气压烧结方法为:将梯度球坯体放入氮化硼坩祸，以20°C/min的升温速率将温度升至1000?1250°C，再以10°C/min的升温速率将温度升至1300?1600°C，然后以5°C/min的升温速率将温度升至1600?2000°C，并保温0.5?4h，整个烧结过程氮气压力为0.1?lOMPa，通过气压烧结获得表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料。
[0016]上述步骤(3)中，气压烧结方法为:将梯度球坯体放入氮化硼坩祸，以20°C/min的升温速率将温度升至1200°C，再以10°C/min的升温速率将温度升至1600°C，然后以5°C/min的升温速率将温度升至1850°C，并保温2h，整个烧结过程氮气压力为0.1MPa，通过气压烧结获得表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料。
[0017]本发明制备得到的表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的相对密度高于96%，心部硬度为10?20GPa，断裂韧性为6?14MPa.;外部硬度为15?25GPa，断裂韧性为3?1MPa.m1/2o
[0018]优选地，本发明制备得到的表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的的相对密度为99.5%，心部硬度为17GPa，断裂韧性为10.5MPa.;外部硬度为22GPa，断裂韧性为
5.5MPa.m1/2o
[0019]本发明心部采用的P-Si3N4晶种促进了Si3N4晶粒的生长，表层采用的AlN-Al2O3-Y2O3形成了Sialon相，研究表明，i3-Si3N4晶种可以促进Si3N4陶瓷烧结过程中α相向β相转变，并提高其断裂韧性和抗弯强度。通过引入FSi3N4晶种，Si3N4陶瓷的断裂韧性从6.3MPa.m1/2提高到8.4?8.7MPa.m1/2，且抗弯强度仍保持在lGPa。Sialon对提高Si3N4陶瓷材料的硬度和高温性能有很大的效果。本发明采用的梯度陶瓷球结构实现了表硬心韧的力学性能，获得表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料。本发明与现有技术相比，具有如下有益效果:
[0020](I)本发明通过引入梯度陶瓷球结构，相对于传统烧结的Si3N4陶瓷材料，通过梯度陶瓷球结构制备的Si3N4陶瓷球材料具有更优异的力学性能，实现了表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备；
[0021 ] (2)该梯度结构能显著提高Si3N4陶瓷球的抗疲劳性能和使用寿命；
[0022](3)该梯度结构的Si3N4陶瓷球具有更广阔的应用领域，广泛应用在航空航天、风力发电精密机床及军工等领域。
【附图说明】
[0023]附图1为具有表硬心韧结构的高性能Si3N4梯度陶瓷球的结构示意图；
[0024]附图2为具有表硬心韧结构的高性能Si3N4梯度陶瓷球的制备工艺流程图。
【具体实施方式】
[0025]下面结合说明书和具体实施例对本发明做进一步详细、完整地说明，但决非限制本发明，本发明也并非仅局限于下述实施例的内容，下述所使用的实验方法若无特殊说明，均为本技术领域现有常规的方法，所使用的配料或材料，如无特殊说明，均为通过商业途径可得到的配料或材料。下面给出实施案例
[0026]实施例1
[0027]本发明的表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备方法，具体包括如下步骤:
[0028](I)以Si3N4粉为基体原料，心部以FSi3N4晶种和Al2O3-Re2O3,表层以AlN和Al2O3-Re2O3 为烧结助剂。其中 Re = Sc，Y，La ,Ce, Pr, Nd，Pm, Sm, Eu, Gd ,Tb ,Dy ,Ho ,Er ,Tm, Yb ,Lu 中的任一种。
[0029]本实施例中，心部按照Si3N4J-Si3N4晶种:Al2O3 = Lu2O3的质量分数比为87%:3%:5%:5%的配比进行混料，表层按照Si3N4: AlN: Al2O3: Y2O3的质量分数比为90 %:2%:2%:6 %的配比进行混料，以乙醇为溶剂，以Si3N4球为球磨介质，在辊式球磨机上混合24h，经混料、干燥后，得到心部为混合均匀的Si3N4-f3-Si3N4晶种-Al2O3-Re2O3混合粉体，表层为Si3N4-AlN-Al2O3-Re2O3 混合粉体。
[0030](2)将Si3N4-P-Si3N4晶种-Al2O3-Re2O3混合粉体作为陶瓷球心部成分，Si3N4-AlN-Al2O3-Re2O3混合粉体作为陶瓷球表层成分，通过球形模具及冷等静压成型获得梯度球坯体，心部厚度为5?50mm，表层厚度为0.5?1mm，冷等静压成型压力200MPa，保压时间5min。
[0031](3)将梯度球坯体放入氮化硼坩祸，以20°C/min的升温速率将温度升至1200°C，然后以10°C/min的升温速率将温度升至1600°C，然后以5°C/min的升温速率将温度升至18500C，并保温2h，整个烧结过程氮气压力为0.1MPa，通过气压烧结获得表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料。
[0032]本发明制备得到的表硬心韧高性能Si 3 N 4梯度陶瓷球材料，其相对密度高于99.5%，心部硬度为17GPa，断裂韧性为10.5MPa.;外部硬度为22GPa，断裂韧性为
5.5MPa.m1/2o
[0033]实施例2
[0034]本发明实施例的表硬心韧高性能Si3N4梯度陶瓷球材料的制备方法，具体如下:心部按照Si3N4粉质量分数为89% J-Si3N4晶种粉的质量分数为HMgO-Yb2O3粉的质量分数为10%的配比进行混料，表面按照Si3N4粉质量分数为86%、AlN粉的质量分数为4%、Al203-Lu203粉的质量分数为10%的配比进行混料，其中Mg0:Yb203质量分数比为50%:50%、Al203:Lu2O3的质量分数比为50%: 50%，按照实施例1方法制备Si3N4梯度陶瓷，其中以20 °C/min的升温速率将温度升至1200 °C，然后以10°C/min的升温速率将温度升至1550 °C，然后以5°C/min的升温速率将温度升至1800°C，并保温2h，整个烧结过程氮气压力为0.2MPa，通过气压烧结获得高性能Si3N4梯度陶瓷球材料。
[00