專利名稱：稀土陶瓷軸承元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的陶瓷軸承，具體說，涉及一種以非氧化物陶瓷材料或氧化物陶瓷材料為基料，同時含有稀土的滾動軸承元件及其制造方法。
隨著現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展，使用滾動軸承的環(huán)境及條件都較以苛前刻，一般高碳鉻軸承鋼制的滾動軸承已經(jīng)不能滿足要求，許多領(lǐng)域都需要在500℃以上的高溫環(huán)境中，具有耐磨損、抗沖擊、韌性好、耐腐蝕、抗氧化、潤滑性能好的軸承。陶瓷軸承的出現(xiàn)對軸承業(yè)來說是很大的技術(shù)進(jìn)步，陶瓷材料比重小，耐高溫、耐腐蝕、具有良好的力學(xué)性能及使用性能，是一種很有發(fā)展前途的軸承。
EP-O320951公開了一種用于渦輪增壓器的陶瓷滾動軸承，其內(nèi)、外圈用鋼制成，滾珠由陶瓷材料制成。其陶瓷材料包括氮化硅、碳化硅及鋁氧粉。
EP-O158901公開了一種滾動支撐元件，該元件也由陶瓷材料制成，為改進(jìn)其燒結(jié)性能，在陶瓷材料中添加了包括釔在內(nèi)的稀土化合物。
CN-85100177A公開了一種以氮化硅為基料制作陶瓷刀具材料的方法，該方法在氮化硅粉料中除加入少量的氧化釔或其他稀土氧化物外還加入氧化鋁、氧化鎂、氧化鋯等氧化物，為阻止晶粒過分發(fā)展及促進(jìn)致密化作用，還加入少量氮化鋁。其燒結(jié)方法包括無壓燒結(jié)，熱壓或高溫等靜壓燒結(jié)。
在現(xiàn)有技術(shù)中，由于各種粉料在混合前都需達(dá)到極細(xì)的粒度，此時粉料顆粒間的親合性極大。嚴(yán)重影響粉料混合的均勻性，從而導(dǎo)致燒結(jié)材料的結(jié)構(gòu)性能不均勻性。通過實踐發(fā)明人還認(rèn)識到如何選擇使用控制燒結(jié)劑對燒結(jié)過程中控制晶粒的過分長大有很重要的影響。
本發(fā)明的目的在于提供一種改進(jìn)了的稀土陶瓷軸承元件及其制作方法，它以氮化硅、碳化硅、氧化鋁、氧化鋯，Sialon等非氧化物陶瓷材料或氧化物陶瓷材料為基通過選用合適的添加劑并對各種粉粒分別進(jìn)行磁化予處理，達(dá)到提高該陶瓷軸承材料的燒結(jié)均勻性及致密化度從而改進(jìn)陶瓷軸承元件的力學(xué)性能的目的。
具體說來，本發(fā)明涉及一種稀土陶瓷軸承元件及其制作方法。它以一種氧化物或非氧化物的陶瓷原料為主晶相體，以碳化鈦作為耐磨分散相，以氧化釔、氧化錳等為致密化劑，選用氮化鈦為控制燒結(jié)劑，它與碳化鈦相配合，有助于控制晶粒的生長;各種粉料在混合之前，先分別進(jìn)行磁化予處理，防止粉末顆粒間的凝聚抱團。然后再進(jìn)行混磨烘干造粒、成型。
本發(fā)明所采用的陶瓷材料，它包括各種非氧化物陶瓷材料及氧化物陶瓷材料例如氮化硅、碳化硅、氧化鋯、氧化鋁、Sialon等，作為控制燒結(jié)劑的氮化鈦，其用量為0.1-15%(重量百分比)，它可有效地阻止碳化鈦晶粒的過分長大，從而獲得較高的韌性，增加基體的抗熱振性。
本發(fā)明對各種原料的要求如下氮化硅粉末α相大于80%，純度大于95%，平均粒徑在0.1-2.2μ以內(nèi);氮化鈦、碳化鈦粉末的純度應(yīng)大于98%，平均顆粒徑在0.1-3.0μ以內(nèi);錳的氧化物或氮化物的純度大于98%，平均粒徑在0.1-3.0μ以內(nèi);稀土氧化物及三氧化二鋁、氧化鋯、氧化鎂、氮化鋁粉末純度大于98%，平均粒徑在0.1-2.0μ以內(nèi)。
在混料前，將上述各種粉末分別通過2，000-12，000高斯的強磁場進(jìn)行予處理，處理后的粉末出現(xiàn)極化現(xiàn)象，使同質(zhì)粉末間產(chǎn)生排斥力，增加粉末的散度，防止其凝聚抱團，從而有助于與異種粉末充分均勻混合，提高燒結(jié)體的致密度，材質(zhì)的均勻性、減少氣孔率。
一定量的錳的氧化物或氮化物的加入，能夠明顯加速氮化過程，減少燒結(jié)助劑的數(shù)量，提交燒成后基體的密度、抗氧化能力及高溫下的機械強度，該組份的添加量為1-10%(重量百分比)。
氧化釔、氧化硒、氧化鈣、氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂等氧化物及氮化鋁的加入都可促進(jìn)燒結(jié)體的致密化，改善晶界的性能，其添加量為1-20%(重量百分比)。
本發(fā)明所采用稀土類致密化燒結(jié)劑是用下述方法配制的用甲醇為溶劑，將稀土氧化物如氧化釔、氧化鈰、氧化鑭、氧化硒等溶于其中。甲醇的主要作用是(1)溶解稀土氧化物，使之在混料過程中能均勻地混合到粉體中，充分發(fā)揮致密催化作用;(2)在高溫下分解產(chǎn)生的氫氣有助于氮化過程的加快，這是因為氫氣與硅表面的二氧化硅反應(yīng)，使之還原，除去二氧化硅，使硅更容易氮化;(3)在高溫下產(chǎn)生的一氧化碳?xì)怏w可有效地吸收燒結(jié)體中殘留氧，轉(zhuǎn)化為二氧化碳，可防止氮化硅的分解及氧化。溶液中，稀土氧化物的重量含量為3-6%。在粉料混合時，溶液的添加量為30-50%(重量百分比)。該溶液可在粉料混合及燒結(jié)中單獨添加，也可在該二個步驟中同時添加。
本發(fā)明的陶瓷軸承元件的制備順序如下將上述各種粉料經(jīng)研磨并磁化處理后按一定比例含有稀土氧化物的甲醇溶液進(jìn)行混磨、烘干、造粒，再將其裝入石墨模具中進(jìn)行成型燒結(jié)。
本發(fā)明所采用的燒結(jié)工藝可以是一段燒結(jié)，也可以是二段燒結(jié)。在燒結(jié)過程中，還可以用稀土氧化物的甲醇溶液對燒結(jié)進(jìn)行滴滲或?qū)⑵渚鶆驀娙霘夥占訅簾Y(jié)爐內(nèi)，使稀土元素均勻滲入燒結(jié)體的表面及亞表面，進(jìn)一步提高燒結(jié)體的性能。
為了提高滾動軸承的高溫潤滑性能，可以在粉料中摻入一定比例的氟化物或二硫化鉬粉末，也可將其與稀土化合物一起溶入上述甲醇溶液，在燒結(jié)過程中使其滲入燒結(jié)體的表面及亞表面。
由于本發(fā)明采用了獨特的方式對粉末原料進(jìn)行予處理，并選用了若干具有特殊功能的添加劑，又對稀土元素的添加方式進(jìn)行了改進(jìn)，因此使燒結(jié)后的軸承原件基體組織的致密度、抗沖擊韌性得到很大提高，以氮化硅復(fù)合陶瓷軸承為例，其材料的抗彎強度達(dá)到78-98Kg/mm2，斷裂韌性達(dá)Kic＝8-9MN/m2，硬度達(dá)HV＝1700以上，相對致密度達(dá)99.5%以上，密度達(dá)3.2-3.45g/cm2，尤其明顯的是，采用本發(fā)明制造的軸承燒結(jié)體，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，工藝重復(fù)性好，實屬對現(xiàn)有生產(chǎn)技術(shù)的一重大貢獻(xiàn)。本發(fā)明的滾動軸承具有極限轉(zhuǎn)速高、耐酸堿腐蝕、抗氧化、抗高低溫、高剛度、防磁、電絕緣性好、壽命長等優(yōu)點。
為了加深對本發(fā)明理解，下面將以實施例的方式對本發(fā)明配料及燒結(jié)過程進(jìn)行描述，該實施例僅用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定。
例一、以氮化硅為基料的稀土陶瓷軸承元件的配制。
氮化硅粉末α相大于80%，純度大于95%，平均粒徑為0.1-2.2U，碳化鈦粉末的加入量為1-30%，純度大于98%，氮化鈦的加入量為10%，純度大于98%，平均粒徑為0.1-2.0μ。氧化鋁，氧化鋯、氧化鎂、氮化鋁粉末純度大于98%，加入量為1-10%，平均粒徑為0.1-2.0μ。將上述粉料分別進(jìn)行予磁化處理，然后置于球磨罐中，再加入稀土化合物的甲醇溶液，其重量為總量的30%，混磨50-60小時，使其充分混合，然后烘干，二次造粒，平均粒徑為0.01-2μ，置于模具中成型。
例二、以氧化物陶瓷原料為基的稀土陶瓷軸承元件的配制。
在氧化鋁或氧化鋯基體粉料中加入氧化鈣、氧化鎂、氧化釔，氧化鈦等粉末或其他稀土氧化物5-25%，再加入二硫化鉬1-5%，其中氧化鋯，氧化鋁的平均粒徑為0.1-2μ范圍內(nèi)，其他添加劑的粒徑在0.1-2.0μ范圍內(nèi)，上述粉末的純度均大于98%，將它們分別進(jìn)行磁化處理，然后置于球磨罐中再加入適量的稀土氧化物的甲醇溶液，混磨50-60小時，再進(jìn)行烘干二次造粒，其平均粒徑為0.01-2μ，再置于模具中成型。
例三、燒結(jié)工藝A將陶瓷坯體置于氣氛加壓燒結(jié)爐內(nèi)，將由甲醇與稀土元素配成的溶液經(jīng)氣氛加壓裝置加壓，均勻噴入氣氛燒結(jié)爐內(nèi)，使溶液均勻滲入燒結(jié)體表面及亞表面，保護(hù)氣壓為10個大氣壓，燒結(jié)溫度為1450-2000℃，所得燒結(jié)體致密度高，強度高。
例四、燒結(jié)工藝B將陶瓷坯體置于氣氛加壓燒結(jié)爐內(nèi)，加噴稀土的甲醇溶液，該溶液中含有二硫化鉬或氟化物等固體滑劑，通入保護(hù)氣體，使壓力增至20個大氣壓，燒結(jié)40-80分鐘。該方法燒結(jié)的軸承在500℃以上的高溫狀態(tài)下，具有高抗氧化性，自潤滑性好。
例五、燒結(jié)工藝C本工藝系二段燒結(jié)工藝，在第一燒結(jié)階段滲入以鈰或釔為主的混合稀土氧化物，在150-200kg/cm2的氮氣氣氛保護(hù)下以1600-1900℃的高溫進(jìn)行燒結(jié);在第二段燒結(jié)階段，燒結(jié)溫度降至1200-1700℃，氮氣壓力增至250-400kg/cm2，所得的燒結(jié)體致密度可達(dá)99%以上。
例六、燒結(jié)工藝D為防止坯體在燒結(jié)過程中的分解，采用一種控制成形體周圍氣氛的填粉保護(hù)法，填粉的主要成份為陶瓷粉末、稀土元素和氧化釔、瑪瑙粉，該法不需要加壓燒結(jié)爐，如在填粉中加入適量二硫化鉬或氟化物，還可提高元件500℃以上時的自潤滑性能。
本發(fā)明所提供的方法，特別適用于制造滾動軸承，其中包括軸承的滾動體(滾珠、滾柱、滾針等)及內(nèi)、外圈。除此之外，還可以用于制作機床刀具、塊規(guī)、閥座、閥球、發(fā)動機的零部件及泥漿泵殼體等。
權(quán)利要求
1.一種稀土陶瓷軸承元件，它是由氧化物或非氧化物陶瓷原料為主晶相體，以碳化鈦為耐磨分散相，以氧化釔為致密化劑，其特征在于它還含有一種控制燒結(jié)劑氮化鈦，其含量為0.1-15%(重量比)。
2.如權(quán)利要求1所述的稀土陶瓷軸承元件，其特征在于所述的軸承元件包括滾動體、內(nèi)外套圈，該元件中還含有自潤滑劑二硫化鉬或氟化物。
3.一種稀土陶瓷軸承元件的制造方法，它包括以下步驟選用一種氧化物或非氧化物的陶瓷原料為基料，以碳化鈦為耐磨分散相，以氧化釔為致密化劑，以氮化鈦為控制燒結(jié)劑;將上述各種粉料分別進(jìn)行磁化予處理，其磁場強度為2，000-12，000高斯;將上述粉料在球磨罐中混磨，然后烘干造粒，并置于模具中成型;在燒結(jié)爐中進(jìn)行燒結(jié)。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所說的陶瓷原料包括氮化硅，碳化硅、氧化鋯、氧化鋁、Sialon。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于氮化硅粉末的α相大于80%，純度大于95%，平均粒徑為0.1-2.2μ氮化鈦、碳化鈦粉末的純度大于98%，平均粒徑為0.1-3.0μ。
6.如權(quán)利3至5所述的方法，其特征在于配料中還含有錳的氧化物或氮化物，其含量為1-10%(重量百分比)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于配料中還含有氧化硒、氧化鈣、氧化鋁、氧化鋯、氧化鎂及氮化鋁，其添加量為1-10%(重量百分比)。
8.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述的稀土化合物包括氧化釔、氧化鈰、氧化鑭、氧化硒，將它們?nèi)苡诩状贾?，其濃度?-6%，它們是在混料過程中和/或燒結(jié)過程中施用的。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于在燒結(jié)過程中，稀土溶液是采用滴滲成噴入的方式加入的。
10.如權(quán)利要求3或8所述方法，其特征在于在粉料中或稀土溶液中還含有二硫化鉬或氟化物。
11.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于燒結(jié)過程是在氣氛加壓燒結(jié)爐內(nèi)一次完成的，其保護(hù)氣壓為10個大氣壓，溫度為1450-2000℃。
12.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于燒結(jié)過程是分二段完成的，在第一階段滲入以鈰或釔為主的混合稀土氧化物，氮氣壓力為150-200kg/cm2，溫度為1600-1900℃;第二階段的燒結(jié)溫度為1200-1700℃，氮氣壓力為250-400kg/cm2。
13.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于燒結(jié)過程是在氣氛加壓燒結(jié)爐內(nèi)進(jìn)行的，同時加噴稀土甲醇溶液，該溶液中還有二硫化鉬或氟化物，通入保護(hù)氣體、壓力增至20個大氣壓，燒結(jié)40-80分鐘。
14.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于燒結(jié)過程中采用填粉保護(hù)法，填粉的主要成份為陶瓷粉末、稀土元素和瑪瑙粉。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其特征在于填粉中還含有二硫化鉬或氟化物。
全文摘要
本發(fā)明提供一種稀土陶瓷軸承元件及其制造方法，它是以陶瓷原料為基料，同時加入稀土化合物及各種添加劑，包括碳化鈦，氮化鈦等。為提高各種粉料混合的均勻性，本發(fā)明還采用了對各種粉料分別進(jìn)行磁化預(yù)處理的工藝，從而使燒結(jié)后產(chǎn)品結(jié)構(gòu)均勻，力學(xué)性能好。采用本發(fā)明方法制造出的軸承元件具有致密度大，抗沖擊韌性強等特點，同時產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，工藝重復(fù)性好。
文檔編號F16C33/00GK1073503SQ9211499
公開日1993年6月23日 申請日期1992年12月29日 優(yōu)先權(quán)日1992年12月29日
發(fā)明者王魁久, 王征, 王濤, 劉瑛 申請人:王魁久