中國粉體網(wǎng)訊  氮化硅陶瓷是一類重要的先進(jìn)陶瓷材料，具備耐高溫、耐磨損、低密度、高強(qiáng)度、高硬度等優(yōu)異性能，廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、航空航天、國防軍工、半導(dǎo)體、生物醫(yī)療等核心技術(shù)領(lǐng)域。其中，氮化硅陶瓷球作為一類細(xì)分產(chǎn)品在粉體研磨、機(jī)械軸承等領(lǐng)域發(fā)揮著不可或缺的作用。

圖片來源：威海圓環(huán)

目前國內(nèi)制備的氮化硅大球（>8mm）技術(shù)相對成熟，與國外氮化硅制造強(qiáng)國間差距不那么大，但是微珠方面尤其是<4mm的氮化硅微珠，國內(nèi)質(zhì)量相對穩(wěn)定的生產(chǎn)廠家仍然稀缺。因此，氮化硅微珠引起了政府及產(chǎn)業(yè)界的極大重視，例如山東省工業(yè)和信息化廳便將氮化硅微珠列入《山東省重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2023年版）》，并提出具體要求：粒徑＜0.4mm，密度＞3.2g/cm³，維氏硬度＞1580，抗彎強(qiáng)度＞600MPa，斷裂韌性＞7MPa·m^1/2。

01.哪些領(lǐng)域急需氮化硅微珠？

超細(xì)研磨

由于氮化硅陶瓷具備的高力學(xué)性能、耐熱性能及化學(xué)穩(wěn)定性，是結(jié)構(gòu)陶瓷材料中綜合性能非常優(yōu)良的一類材料，所以其應(yīng)用也非常之廣泛，隨之而來的氮化硅粉體制備需求也越來越多、越來越精細(xì)，研磨所用到的氮化硅微珠也隨之大幅增長。

圖片來源：中材高新

例如，近年來隨著國內(nèi)新能源汽車及芯片的快速發(fā)展，氮化硅基板使用越來越多，且對純度要求越來越高，目前氮化硅球已逐步替代氧化鋯球成為半導(dǎo)體行業(yè)用氮化硅粉體精細(xì)研磨的主流研磨介質(zhì)。

軸承

軸承產(chǎn)業(yè)是國家基礎(chǔ)性戰(zhàn)略產(chǎn)業(yè)，軸承更是高端裝備核心基礎(chǔ)零部件，對國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)起著重要支撐作用。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速進(jìn)步，滾動軸承的使用環(huán)境和應(yīng)用條件越發(fā)苛刻，我國現(xiàn)有軸承鋼種已不能滿足或不能充分滿足主機(jī)對軸承的工業(yè)要求。

典型軸承鋼與陶瓷材料性能對比

大量試驗(yàn)研究表明，工程陶瓷材料（氮化硅、碳化硅、氧化鋯、氧化鋁等）具有作為軸承基礎(chǔ)材料的優(yōu)良特性。其中，氮化硅是目前被認(rèn)為最適合用來制造高性能滾動軸承的陶瓷材料。

不同材質(zhì)的軸承球

隨著精密加工及制造的迅速發(fā)展，對軸承質(zhì)量及精度的要求也越來越高，氮化硅微珠的需求量會不斷增加。

02.氮化硅微珠的制備流程

1、粉體制備

氮化硅粉體制備方法主要有四種：硅粉直接氮化反應(yīng)法、二氧化硅碳熱還原法、硅亞胺熱解法、化學(xué)氣相沉積法。其中硅粉直接氮化反應(yīng)法在工業(yè)生產(chǎn)中使用最多且最為成熟，成本相對較低。

2、粉體研磨

由于氮化硅硬度很高，通常需要進(jìn)行分級研磨（粗磨-精磨）以提升研磨效率和細(xì)度。將氮化硅原粉與水1:1混合后加進(jìn)添加10-20mm的氮化硅球滾筒球磨機(jī)中研磨48H，再進(jìn)入填充1.0-1.2mm的氮化硅微珠的30L臥式棒銷砂磨機(jī)進(jìn)行精磨24H，研磨至D50小于0.4um。將漿料裝入自動除鐵機(jī)除鐵后再添加粘結(jié)劑，調(diào)節(jié)漿料運(yùn)動粘度在200-300mm²/s。

3、微珠成型

氮化硅球目前市場上最常用的工藝是壓制成型，壓制成型工藝較成熟但通常只適用于>4mm的氮化硅球的制備。壓制成型容易形成表層剝離且其中間會形成一條突出腰帶，需要利用金剛石磨機(jī)研磨7-10天，同心度較難精準(zhǔn)控制，后期加工較難。

三種成型工藝，圖片來源：河源帝諾新材料有限公司

滾動成型是研磨介質(zhì)行業(yè)里目前使用最普遍的一種成型工藝。該技術(shù)具有設(shè)備和生產(chǎn)工藝簡單、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好的優(yōu)勢，是一種適合于規(guī)�；�大生產(chǎn)的工藝技術(shù)。該法球坯間歇性粘粉層層長大模式對于粉體層間結(jié)合力，粉體堆積致密度，球坯強(qiáng)度有著極大要求，特別對于氮化硅這種塑性較差的粉體，成型更加困難，往往存在著球坯致密度差、分層、包心、不圓和裂紋等缺陷。

滴定成型工藝是目前較新的一種陶瓷微珠制備成型工藝，主要用于制備0.05-3.0mm的微珠。滴定成型可以很好地避免坯體分層包心引起的強(qiáng)度低的問題，制備坯體內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻致密的坯體。

4、微珠脫膠

氮化硅微珠在燒結(jié)前需要先真空脫膠，避免坯體內(nèi)的有機(jī)物及水分在燒結(jié)過程中揮發(fā)氧化、腐蝕燒結(jié)爐內(nèi)的石墨爐膛、匣缽及發(fā)熱棒。在真空排膠爐里根據(jù)需要控制脫膠溫度600-1500℃，保溫2-6h。

5、燒結(jié)

氣壓燒結(jié)是目前工業(yè)生產(chǎn)氮化硅陶瓷使用最多的燒結(jié)方法，其最大的優(yōu)勢是可以以較低的成本制備性能較好，并實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。因此，氮化硅微珠采用氣壓燒結(jié)是非常經(jīng)濟(jì)且有效的。

軸承用氮化硅陶瓷材料制備技術(shù)流程圖

熱等靜壓燒結(jié)是一種燒結(jié)工程陶瓷快速致密化的最有效方法。該方法以氣體作為壓力介質(zhì)，燒結(jié)過程中在產(chǎn)品的各個方向上施加同等壓力，在高溫、高壓作用下實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品致密化。相比于其他燒結(jié)方式，熱等靜壓燒結(jié)制品具有更理想的壓碎載荷比、離散度和截面孔隙度，進(jìn)而獲得更好的軸承組件硬度和斷裂韌性。目前，美國ORTECH、加拿大CYCLONE、日本UBE等公司生產(chǎn)的氮化硅陶瓷球均采用熱等靜壓燒結(jié)方式。而國內(nèi)廠商受限于燒結(jié)過程中用于隔絕高溫／高壓氣體的包套的相關(guān)制備技術(shù)不成熟，無法實(shí)現(xiàn)粉體在惡劣環(huán)境中的直接熱等靜壓燒結(jié)成型，因而多采用氣壓燒結(jié)預(yù)成型后，再經(jīng)熱等靜壓二次燒結(jié)處理，該種燒結(jié)方式制得的陶瓷軸承組件與直接熱等靜壓成型相比，其硬度和斷裂韌性等屬性均有所下降。

6、微珠精磨

氮化硅微珠由于其超高的硬度，表面處理加工工藝較為困難，精磨時間較長，整圓精磨加工是在金剛石研磨底盤的整圓機(jī)中，磨7-10天，將微珠表面凹凸不平磨成表面平整光滑即可。磨削工作中需要不斷添加冷卻水，防止氮化硅微珠發(fā)熱氧化。

7、微珠拋光

氮化硅微珠在工業(yè)生產(chǎn)中多采用離心式滾筒拋光機(jī)。每臺機(jī)器內(nèi)裝有四個六棱形拋光桶，拋光桶繞軸心公轉(zhuǎn)的同時也反向自轉(zhuǎn)，使其中物料形成強(qiáng)烈的剪切摩擦，以達(dá)到快速拋光的效果。每個拋光桶里按照微珠：水：拋光粉8：2：1的比例添加，拋光48H。

小結(jié)

隨著精密制造業(yè)的快速發(fā)展，氮化硅陶瓷應(yīng)用越來越廣，高純氮化硅粉的精細(xì)研磨需要用到的研磨介質(zhì)也越來越�。贿�有高性能軸承，尤其是微型軸承的需求量越來越大，對軸承用滾動體的要求也越來越高，氮化硅微珠的重要性日益凸顯，因此，重視其技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展對我國精密制造業(yè)的進(jìn)一步突破具有重要意義。

參考來源：

[1]黃印.氮化硅微珠的市場前景及其制備工藝流程.河源帝諾新材料有限公司

[2]張珂等.全陶瓷球軸承高性能制造研究進(jìn)展

[3]中國粉體網(wǎng)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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