烧结温度对氮化硅陶瓷球密度的影响

氮化硅 是一个 强共价键化合物氮原子和硅原子的自扩散系数较低，导致致密化所需的体扩散速率和晶界扩散速率较低，烧结驱动力不足，从而造成烧结性能差。制备过程中容易形成各种缺陷，降低材料性能，限制了Si₃N₄陶瓷球轴承的应用。目前， 气体压力烧结在中国，该方法常用于制备Si₃N₄陶瓷球，其烧结机理为 液相烧结晶粒通过溶解、析出和重结晶实现致密化。由于烧结驱动力较低，氮化硅陶瓷球的烧结温度通常不低于1700℃。同时，为防止氮化硅在高温下分解，采用氮气（N₂）作为加压介质来抑制其分解。本实验采用气压烧结法，研究烧结温度对氮化硅陶瓷球性能的影响。 Si₃N₄陶瓷球例如密度、压碎载荷比、孔隙率、硬度和断裂韧性。

滚动轴承部件的基本前提是具有足够的疲劳寿命。然而，由于Si₃N₄材料的弹性模量较高，陶瓷球轴承承受的接触应力较高（即， 赫兹接触应力在高速运转过程中，Si₃N₄陶瓷球材料内部缺陷（例如孔隙、夹杂物、添加剂含量高、偏析、微观结构不均匀以及裂纹）会显著缩短其滚动接触疲劳寿命。因此，陶瓷材料不仅需要具备优异的机械和物理性能，还需要具有高致密度和低缺陷率。

随着氮化硅材料内部孔隙率的增加，其强度和断裂韧性等性能相应降低。陶瓷球材料中的游离硅、添加剂、孔隙、夹杂物和其他成分对陶瓷球的密度有显著影响，进而直接影响陶瓷球的性能。 陶瓷球轴承——尤其是它们的疲劳寿命和承载能力。游离硅、添加剂和夹杂物会增加陶瓷球的密度，而内部缺陷（例如孔隙和裂纹）会降低其密度。因此，可以通过测量陶瓷生球的密度来评估陶瓷球的致密化程度和纯度。

这 阿基米德排水法本实验采用密度计测量烧结陶瓷球的密度。每个烧结温度下，至少进行5组密度测试，取平均值作为该温度下的密度。图1显示了陶瓷球在不同温度下的密度变化趋势。由图可知，Si₃N₄陶瓷球的密度在1710℃时最低，为3.166 g/cm³。随着温度升高，密度迅速增加，在1740℃时达到3.235 g/cm³。温度继续升高后，密度增加速度减缓，在1810℃时达到峰值3.271 g/cm³。