軸承用陶瓷材料的制備新工藝

馮穎，李夏，于琦，孔永剛

(洛陽軸研科技股份有限公司，河南 洛陽，471039)

陶瓷材料具有高強度、高硬度、耐腐蝕和優(yōu)良的高溫穩(wěn)定性，可以有效提高軸承性能，擴大軸承在高溫和腐蝕等特殊環(huán)境中的使用范圍。目前，陶瓷軸承及軸承零件，如氮化硅(Si3N4)陶瓷，不僅應(yīng)用在高科技和重要裝備領(lǐng)域，在軸承行業(yè)也已實現(xiàn)了工業(yè)化生產(chǎn)。

陶瓷材料的成形和加工方法對最終軸承及軸承零件性能有直接影響[1]。目前陶瓷常用的制備方法有反應(yīng)燒結(jié)(RS)，常壓燒結(jié)(PLS)，重?zé)Y(jié)(PS),氣壓燒結(jié)(GPS),熱壓法(HP)和熱等靜壓燒結(jié)(HIP)等。隨著對高性能陶瓷軸承及軸承零件需求的增加，先進工藝和新技術(shù)的開發(fā)愈加顯得重要，熱等靜壓法和注射成形法(CIM)[2-3]在精密陶瓷成形、陶瓷產(chǎn)業(yè)化方面有著不可替代的優(yōu)勢。利用HIP和CIM等方法已經(jīng)制造出全致密、高精度氮化硅零件和制品[4]，并越來越多地應(yīng)用在機械工業(yè)、石油化工、電子、核工業(yè)和航天領(lǐng)域。

1 熱等靜壓技術(shù)

熱等靜壓[5]是把粉末壓坯或裝入特制容器內(nèi)的粉末體(粉末包套)置入熱等靜壓機高壓容器中，以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮氣為傳壓介質(zhì)，通過施以高溫和高壓，使粉末體被壓制和燒結(jié)成致密的零件或材料的過程。與傳統(tǒng)的氣壓法、熱壓法等技術(shù)相比，熱等靜壓技術(shù)應(yīng)用于陶瓷材料中，更有效地強化了壓制和燒結(jié)過程，促進材料致密化。熱等靜壓技術(shù)已在制備Si3N4發(fā)動機噴嘴、燃氣渦輪機葉片、陶瓷刀具、軸承球及開關(guān)電路基片等產(chǎn)品中得到了實際應(yīng)用[6]。其優(yōu)點是可以降低燒結(jié)助劑的含量和燒結(jié)溫度，大幅度提高制品的性能，且各向同性、組織結(jié)構(gòu)優(yōu)良。表1所示為分別采用傳統(tǒng)氣壓燒結(jié)方法和熱等靜壓技術(shù)制備得到的氮化硅材料性能對比。

1.1 設(shè)備的結(jié)構(gòu)特點

熱等靜壓設(shè)備由壓力容器、加熱系統(tǒng)、壓縮機、真空泵、冷卻系統(tǒng)及電氣設(shè)備組成[7]。熱等靜壓壓力容器由高強度鋼制成空心圓筒體，密封形式有螺紋式和框架式2種。其中，框架式結(jié)構(gòu)的熱等靜壓機在高溫高壓的工作條件下，無需外加任何特殊的防護裝置，結(jié)構(gòu)緊湊而且能有效地保證生產(chǎn)的安全性。除壓力容器外，加熱系統(tǒng)也是HIP設(shè)備不可缺少的關(guān)鍵部件。目前，加熱系統(tǒng)的安裝方式為插入式，分別位于底部和側(cè)部2個加熱區(qū)，可實現(xiàn)快速升溫、快速冷卻，爐內(nèi)溫差小于±15 ℃。加熱元件的材料按設(shè)計的溫度范圍選定。

1.2 工藝流程

熱等靜壓的主要工藝過程有：粉料處理→(壓模成形)→包套包封→熱等靜壓[8]。

(1)粉料處理。陶瓷粉末原料中加入添加劑，制成流動性好的粉末料。

(2)壓模成形。制得的粉末料利用普通壓模成形，得到陶瓷素坯。

(3)包套包封。用壓力介質(zhì)無法透過的材料做成氣密容器，把陶瓷素坯封裝其中。包套在HIP工藝中除了起到傳遞介質(zhì)壓力的作用外，還可以阻擋壓力介質(zhì)隨壓力進入帶孔的素坯體內(nèi)[9]。包套的材料有低碳鋼、Ni和Mo等金屬，也有玻璃。其中，氮化硅陶瓷多使用玻璃包套，其包封方式主要有玻璃容器法和玻璃粉末法[10]。

玻璃容器法是將被處理物放入特制的玻璃管內(nèi)，在真空環(huán)境下加熱使玻璃包套密封。玻璃粉末法是將玻璃粉末包覆在被處理物外層，然后通過在真空下加熱使玻璃呈熔融狀態(tài)而達到密封作用。同時，為了防止玻璃與陶瓷之間發(fā)生反應(yīng)，通常會在兩者之間放置阻擋層，如BN粉末等。對于所使用的玻璃材質(zhì)，其熔融溫度、流動性及潤濕性等相關(guān)性能要與制備的陶瓷材料相匹配，以達到包封完全的目的。目前，有報道可使用的玻璃材質(zhì)有鉛硅玻璃、硼硅玻璃(Pyrex)、鋁硅玻璃、96%硅酸鹽玻璃(Vycor)和石英玻璃。

(4)熱等靜壓。經(jīng)包套封裝的產(chǎn)品在熱等靜壓爐中進行高溫高壓處理。產(chǎn)品的相對密度能夠接近100%，提高了致密度和強度，產(chǎn)品質(zhì)量高且不易變形。

此外，氣壓燒結(jié)+熱等靜壓的無包套燒結(jié)方法也同樣得到研究和應(yīng)用。該方法是預(yù)先采用傳統(tǒng)的氣壓燒結(jié)，使燒結(jié)體得到預(yù)燒，密度達到理論密度的93%以上，開口氣孔已經(jīng)消除后，直接進行熱等靜壓處理，最終得到高性能制品。該方法能夠克服熱等靜壓方法中包套處理困難的問題，簡化了生產(chǎn)工藝。

1.3 應(yīng)用前景

除了在陶瓷領(lǐng)域，熱等靜壓技術(shù)在硬質(zhì)合金、鎢鉬鈦等難熔金屬及合金的制備加工方面也迅速得到發(fā)展和應(yīng)用。目前國內(nèi)應(yīng)用的總體水平與國外還有相當(dāng)大的差距，主要表現(xiàn)在基礎(chǔ)理論研究、成形關(guān)鍵技術(shù)、HIP設(shè)備的改進和完善等方面，因此，仍需要科研人員的深入研究和探索。

2 陶瓷粉末注射成形技術(shù)

陶瓷注射成形技術(shù)[11]是將陶瓷粉末與聚合物材料均勻混合，使其成為具有良好流動性的流態(tài)物質(zhì)，而后將其在注射機上經(jīng)一定壓力和溫度，注入模具內(nèi)成形，再將得到的成形坯塊經(jīng)脫脂后進行燒結(jié)，最終得到致密產(chǎn)品。CIM具有常規(guī)粉末冶金和機加工方法無法比擬的優(yōu)勢，可制造形狀復(fù)雜、體積較小、尺寸精度要求高和需批量生產(chǎn)的制品，適合于用傳統(tǒng)法后續(xù)加工費用高并且在性能方面質(zhì)量可靠性要求高的領(lǐng)域[12]。在國外，注射成形陶瓷發(fā)展得很快，從制品上看，小到螺絲螺母、光導(dǎo)纖維導(dǎo)管及齒輪，大到發(fā)動機燃燒室、渦輪轉(zhuǎn)子及葉片都可制造。美國已經(jīng)實現(xiàn)了發(fā)動機中氮化硅零部件的應(yīng)用。注射成形材料的性能已接近或達到同類材料其他工藝的水平，大部分制品的成本降低了約一半，使一些常規(guī)工藝不能制造的產(chǎn)品得以制造成功。發(fā)達國家的注射成形技術(shù)研究已涉及到幾乎所有最新發(fā)展的結(jié)構(gòu)陶瓷材料[13]。

2.1 注射成形機

注射成形機有往復(fù)螺桿式、液壓柱塞式和氣壓式3種[14]。其中，應(yīng)用最多的為臥式往復(fù)注射成形機，其主要由模具緊固開合系統(tǒng)、注射系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)4部分組成。注射成形機的注射能力由下列參數(shù)決定：①注入模具中喂料的量；②鎖模力和開模力的大??；③注射壓力；④以單位時間內(nèi)注射的次數(shù)或料的體積表示的注射成形速度；⑤注射的最大距離；⑥開模的行程；⑦沿分模線注射還是垂直分模線注射；⑧控制系統(tǒng)是開路還是閉路。對于陶瓷材料的注射成形，要求注射機相應(yīng)零部件的耐磨性能好，特別是注射機的螺桿、止回閥和料筒，應(yīng)具有一定的硬度和表面質(zhì)量保證[15]。

模具設(shè)計中，需要考慮的最重要因素是坯件的收縮率，由此來確定模腔尺寸，這也是與塑料注射成形的一個主要區(qū)別。另外，分模線的方位、流道的大小和位置以及澆口的設(shè)計對注射成形都會產(chǎn)生重要影響。

2.2 工藝流程

注射成形的主要工藝過程是：原料粉末預(yù)混合+黏結(jié)劑配制→混煉→喂料→注射成形→注射坯→脫脂→燒結(jié)→成品。

2.2.1 原料粉末

CIM工藝所用粉末的特性，如顆粒形貌、大小、分布及比表面積等對整個工藝過程有很大影響[16]。理想的陶瓷粉末應(yīng)有以下特點[17]：特定的粒度分布，散裝密度高，成本低；無團聚；粉末以球形或近球形為主；有足夠的粒間摩擦以避免脫脂后的變形，自然坡度角可超過55°；平均粒徑小(一般小于1 μm)，以利于快速燒結(jié)；顆粒全致密，無內(nèi)孔；表面潔凈，不會與黏結(jié)劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，無毒，低成本。

2.2.2 黏結(jié)劑

黏結(jié)劑的作用是黏結(jié)粉末顆粒，使混合料在注射機料筒中加熱時具有流變性和潤滑性。因此，黏結(jié)劑是整個粉末的載體，其選擇合適與否是整個注射成形工藝的關(guān)鍵。對黏結(jié)劑的一般要求為[18]：用較少的黏結(jié)劑能使混合料產(chǎn)生較好的流變性；在去除黏結(jié)劑的過程中與原料粉末不起任何化學(xué)反應(yīng)；不留碳。通常用于粉末注射成形的黏結(jié)劑分為5類[19]：熱塑性化合物、熱固性化合物、水基體系、凝膠體系及無機物。目前應(yīng)用于陶瓷材料的主要是熱塑性黏結(jié)劑[20]。

2.2.3 混料工藝

首先在混料器中加入黏結(jié)劑進行加熱，然后慢慢加入粉末，直至兩者的扭矩能夠達到一個穩(wěn)定值，表明混合料的均勻性已得到改善。最后，還可以將冷卻后的混合料捏合和擠壓，使其進一步均勻化。均勻化之后的混合料通過制粒就得到了用于注射的喂料。

2.2.4 注射成形

注射成形工藝過程與塑料注射成形工藝過程及設(shè)備條件基本相同。在注射成形過程中，混合料在注射機料筒內(nèi)被加熱成具有流變性的塑性物料，并在適當(dāng)?shù)淖⑸鋲毫ο伦⑷肽＞咧?，成形出毛坯。成形坯的質(zhì)量直接影響成品的性能，而模具形狀、模具溫度、漿料溫度、注射壓力、保溫時間和冷卻速度等均對坯料質(zhì)量有影響。注射成形的毛坯在微觀上應(yīng)均勻一致，以使制品在燒結(jié)過程中均勻收縮。

2.2.5 脫脂

成形毛坯在燒結(jié)前必須去除毛坯內(nèi)所含有的黏結(jié)劑，該過程稱為脫脂。脫脂工藝必須保證黏結(jié)劑從毛坯的不同部位沿著顆粒之間的微小通道逐漸地排出，而不降低毛坯的強度。目前常用的脫脂方法有溶劑脫脂和熱脫脂[21-22]。脫脂工藝要與黏結(jié)劑相適應(yīng)，特別要注意黏結(jié)劑組分的軟化溫度點，以避免產(chǎn)生開裂、變形等脫脂缺陷。

2.2.6 燒結(jié)

與一般的粉末冶金方法相同，燒結(jié)是使成形毛坯收縮致密化成為具備所需性能產(chǎn)品的關(guān)鍵階段[23]。粉末冶金的各種燒結(jié)方法及致密化措施均適用于注射成形技術(shù)。但不同的是，由于注射成形坯中加入了大量的黏結(jié)劑，因此其燒結(jié)后收縮較大，一般線收縮系數(shù)為13%～20%。

2.3 應(yīng)用現(xiàn)狀和前景

陶瓷粉末注射成形技術(shù)使陶瓷材料的加工領(lǐng)域和陶瓷零件的開發(fā)范圍都得到了拓展，其應(yīng)用已經(jīng)獲得認(rèn)可。但目前來說，該技術(shù)仍不夠成熟，存在一些亟待解決的問題，如低成本的粉末、黏結(jié)劑的開發(fā)設(shè)計、注射及脫脂缺陷的控制等，都直接影響到CIM技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。雖然存在問題，但其發(fā)展前景是樂觀的，相信隨著研究的深入和技術(shù)的完善，其必將成為生產(chǎn)低成本、高性能陶瓷制品的有效方法和手段。

3 結(jié)束語

陶瓷材料由于其加工難度大，一直無法得到廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，需要新技術(shù)的支持。熱等靜壓和注射成形技術(shù)正是在這種情況下應(yīng)運而生，為陶瓷材料和零件制造業(yè)提供了新的發(fā)展方向和良好機遇。隨著技術(shù)水平的不斷進步，陶瓷材料必定會越來越廣泛地應(yīng)用在各個領(lǐng)域，地位和作用也將會日益顯著。