燒結溫度對氮化矽陶瓷球密度的影響

氮化矽 是一個 強共價鍵化合物氮原子和矽原子的自擴散係數較低，導致緻密化所需的體擴散速率和晶界擴散速率較低，燒結驅動力不足，造成燒結性能差。製備過程中容易形成各種缺陷，降低材料性能，限制了Si₃N₄陶瓷球軸承的應用。目前， 氣體壓力燒結在中國，此方法常用於製備Si₃N₄陶瓷球，其燒結機制為 液相燒結晶粒透過溶解、析出和重結晶實現緻密化。由於燒結驅動力較低，氮化矽陶瓷球的燒結溫度通常不低於1700℃。同時，為防止氮化矽在高溫下分解，採用氮氣（N₂）作為加壓介質來抑制其分解。本實驗採用氣壓燒結法，研究燒結溫度對氮化矽陶瓷球性能的影響。 Si₃N₄陶瓷球例如密度、壓碎負荷比、孔隙率、硬度和斷裂韌性。

滾動軸承部件的基本前提是具有足夠的疲勞壽命。然而，由於Si₃N₄材料的彈性模量較高，因此陶瓷球軸承承受的接觸應力較高（即， 赫茲接觸應力在高速運轉過程中，Si₃N₄陶瓷球材料內部缺陷（例如孔隙、夾雜物、添加劑含量高、偏析、微觀結構不均勻以及裂縫）會顯著縮短其滾動接觸疲勞壽命。因此，陶瓷材料不僅需要具備優異的機械和物理性能，還需要具有高緻密度和低缺陷率。

隨著氮化矽材料內部孔隙率的增加，其強度和斷裂韌性等性能也相應降低。陶瓷球材料中的遊離矽、添加劑、孔隙、夾雜物和其他成分對陶瓷球的密度有顯著影響，進而直接影響陶瓷球的性能。 陶瓷球軸承——尤其是它們的疲勞壽命和承載能力。遊離矽、添加劑和夾雜物會增加陶瓷球的密度，而內部缺陷（例如孔隙和裂縫）會降低其密度。因此，可以透過測量陶瓷生球的密度來評估陶瓷球的緻密化程度和純度。

這 阿基米德排水法本實驗採用密度計測量燒結陶瓷球的密度。每個燒結溫度下，至少進行5組密度測試，取平均值作為該溫度下的密度。圖1顯示了陶瓷球在不同溫度下的密度變化趨勢。由圖可知，Si₃N₄陶瓷球的密度在1710℃時最低，為3.166 g/cm³。隨著溫度升高，密度迅速增加，在1740℃時達到3.235 g/cm³。溫度繼續升高後，密度增加速度減緩，在1810℃時達到峰值3.271 g/cm³。