[发明专利]一种高性能钇锆陶瓷轴承球及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及钇锆陶瓷球，具体的说是一种高性能钇锆陶瓷轴承球及其制备方法。

背景技术

随着轴承行业的发展，轴承的滚动体材料逐渐从钢制滚动体发展到陶瓷滚动体。陶瓷滚动体与钢制滚动体相比，具有密度小、硬度高、无磁性、高绝缘、耐腐蚀、寿命长等特点，目前能够作为陶瓷滚动体的陶瓷材料主要是钇锆陶瓷、氧化铝、氮化硅和碳化硅材料。氧化铝和碳化硅材料由于其力学性能尤其是断裂韧性很低，只能适用于低端的低速轴承。钇锆陶瓷和氮化硅陶瓷具有较好的综合力学性能，是陶瓷轴承滚动体的首选材料。与氮化硅陶瓷相比，钇锆陶瓷具有与轴承钢相当的弹性模量和热膨胀系数，且断裂韧性高，在价格上制备成本仅为氮化硅陶瓷的三分之一，因此钇锆陶瓷轴承球具有很好的应用前景和市场容量。

目前，钇锆陶瓷轴承球主要采用干压法成球，然后在高温炉中烧结而成。该种方法制备的钇锆陶瓷轴承球存在素坯密度低，且密度分布很不均匀，这容易在烧结过程中造成局部收缩不一致，导致烧结性能低。本发明通过在钇锆陶瓷粉体制备过程中加入浆料稳定剂，粘结剂、润滑剂、保湿剂等高分子添加物，制备出流动性好、成分均匀的浆料。这种浆料经过喷雾造粒设备后形成颗粒级搭配较好的球形颗粒。将造粒好的粉料装入模具经过钢模压制制成素坯，再将素坯进行冷等静压压制后，经过烧结制成钇锆陶瓷轴承球。该方法制备的钇锆陶瓷球具有致密性高、组织均匀、性能优异的特点，且工艺操作简单，工艺可靠性高，可以实现批量化生产。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高性能钇锆陶瓷轴承球及其制备方法，采用该方法制备的钇锆陶瓷轴承球具有密度高、性能优异、尺寸易于控制、可以批量生产等特点。

本发明的技术方案是：

一种高性能钇锆陶瓷轴承球，其特征在于：按质量分数计，其成分由85-96.5％的氧化锆和3.5-15％氧化钇组成。

所述钇锆陶瓷轴承球的相对致密度≥99.2％，三点抗弯强度≥1200MPa，断裂韧性≥12MPam0.5，维氏硬度≥1300。

一种高性能钇锆陶瓷轴承球的制备方法，其特征在于：以氧化锆粉和氧化钇粉为基本原料，经过浆料配置、喷雾造粒、压制成型、冷等静压处理、烧结过程制备，具体制备过程如下：

1)浆料制备

将氧化锆粉、氧化钇粉、溶剂(去离子水或蒸馏水)按比例混合，再加入一定比例的浆料稳定剂、粘结剂、润滑剂、保湿剂，经过高速循环搅拌磨混合4-6小时后过50-150目筛网，即制得浆料。其中：

所述的氧化锆粉、氧化钇粉为亚微米粉，粒径D₅₀＜0.5um；

所述的氧化锆粉、氧化钇粉重量百分比为：85-96.5％∶3.5-15％；

所述的混合粉体与溶剂的重量百分比为：80-85％∶15-20％；

所述的浆料稳定剂为柠檬酸铵，其加入质量为混合粉体质量的0.5-1.5％；

所述的粘结剂为聚乙烯醇或聚乙二醇，其加入重量为混合粉料重量的0.5-1％；

所述的润滑剂为油酸，其加入重量为混合粉料重量的0.5-1％；

所述的保湿剂为丙三醇，其加入重量为混合粉料重量的0.5-1％。

2)喷雾造粒

将所制备的浆料经过开式喷雾造粒设备进行造粒，造粒温度在180-200℃，造粒粉料的颗粒呈实心球形状，颗粒大小在20-150um之间。

3)压制成型

造粒后的粉料在自动分料成型机上进行双向压制，压制压力为5-20MPa。

4)冷等静压处理

压制成型后的毛坯经过真空封装后需进行冷等静压处理，压制压力为100-200MPa，保压时间30-120s。

5)烧结

将素坯放入坩埚中，在烘箱中80-120℃保温8-12hr后除去所含水分，然后放入烧结设备中升温至1500-1650℃烧结，保温时间在0.5-2小时。同时降温速率＜100℃/h，降温后即得钇锆陶瓷轴承球。

与现有技术相比，本发明至少具有以下几个有益效果：

1)采用亚微米级的氧化锆粉料和氧化钇粉料能够降低烧结温度，同时获得晶粒尺寸较小且均匀的微观结构组织。

2)在浆料制备过程中，加入一定量的稳定剂、粘结剂、润滑剂、保湿剂能后浆料在喷雾过程中不分层，且喷雾造粒后粉料能够含有一定的水分。在造粒粉料的双向压制过程中球坯不分层、不破裂，并能与模具有较好的润滑性。

3)采用冷等静压处理，能够提高球坯烧结时的起始密度，降低烧结温度和烧结收缩率。