氮化硅微珠的市場前景及其制備工藝流程

黃印

摘 要：氮化硅陶瓷具有僅次于金剛石的超高硬度、高抗彎強度、較高的斷裂韌性和耐腐蝕、耐高溫、耐磨損等許多優(yōu)異的物理性能，其用途越來越精細(xì)及廣泛。本文主要研究氮化硅微珠的制備工藝流程及河源帝諾新材料有限公司根據(jù)其10余年的氧化鋯珠的生產(chǎn)成型經(jīng)驗，研究開發(fā)出新型的氮化硅微珠滴定成型制備工藝及其各項性能測試對比。

關(guān)鍵詞：氮化硅；滴定成型；研磨微珠；微型軸承；性能測試

1前言

氮化硅是一種先進(jìn)的工程陶瓷和半導(dǎo)體材料，該材料具有高的室溫和高溫強度、高硬度、耐磨蝕性、抗氧化性和良好的抗熱沖擊及機械沖擊性能，因此在冶金、機械、能源、汽車、半導(dǎo)體、化工等現(xiàn)代化科技技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域被應(yīng)用的越來越多。

隨著精密制造業(yè)的快速發(fā)展，氮化硅粉的精細(xì)研磨需要用到的研磨介質(zhì)也越來越小，還有高溫軸承，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。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國間差距不那么大，但是微珠尤其是<4mm的微珠，目前國內(nèi)還沒有質(zhì)量相對穩(wěn)定的生產(chǎn)廠家，因此，我們應(yīng)該盡早實現(xiàn)氮化硅陶瓷微珠自主生產(chǎn)制備，搶占市場，滿足國內(nèi)氮化硅粉料研磨及微型軸承的應(yīng)用，打破國外技術(shù)壟斷。

2 氮化硅微珠主要應(yīng)用市場

2.1半導(dǎo)體行業(yè)

氮化硅陶瓷可用于制作電路基板、耐高溫和溫度劇變的電絕緣體，以及區(qū)域熔融和晶體生產(chǎn)的坩堝，并在電視機制造中用作彩波管。

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氮化硅半導(dǎo)體行業(yè)的主流研磨介質(zhì)。

2.2陶瓷軸承

作為軸承材料考慮，最基本的特性是滾動疲勞壽命，各種陶瓷軸承的滾動壽命排序如下： 氮化硅>氧化鋯>碳化硅>氧化鋁。由此可見常見結(jié)構(gòu)陶瓷中，氮化硅最適合做軸承材料。

氮化硅軸承由于其本身密度低、熱膨脹系數(shù)小、耐高溫、耐腐蝕、壽命長等優(yōu)點，其應(yīng)用越來越普遍。且隨著精密加工及制造的迅速發(fā)展，氮化硅微珠軸承的需求量會不斷增加，對軸承質(zhì)量及精度的要求也越來越高。

2.3氮化硅粉體行業(yè)

由于氮化硅具備的高力學(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)，用到的氮化硅微珠也隨之大幅增長。

3 氮化硅微珠生產(chǎn)制備工藝流程

3.1氮化硅粉體制備方法

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，我司目前采用直接氮化反應(yīng)法的粉料。

3.2 氮化硅粉體研磨工藝

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臥式棒銷砂磨機進(jìn)行精磨24H，研磨至D50小于0.4um。將漿料裝入自動除鐵機除鐵后再添加粘結(jié)劑，調(diào)節(jié)漿料運動粘度在200-300mm2/s。

3.3氮化硅微珠成型制備工藝

3.3.1壓制成型

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研磨7-10天，同心度較難精準(zhǔn)控制，后期加工較難；

3.3.2滾動成型

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)模化大生產(chǎn)的工藝技術(shù)。在滾動成型過程中，球坯在漿水的潤濕作用下，通過不斷滾動、相互擠壓和相互碰撞，逐漸粘粉長大。球坯成長過程如下：“加入成型漿水-充分滾動-加入粉料-充分滾動”。這種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。

3.3.3 滴定成型

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。滴定成型可以很好的避免坯體分層包心引起的強度低的問題，制備坯體內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻致密的坯體。

3.4氮化硅微珠脫膠工藝

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。

3.5 氮化硅微珠燒結(jié)工藝

3.5.1氣壓燒結(jié)

氣壓燒結(jié)是指陶瓷在高溫?zé)Y(jié)過程中，施加一定的氣體壓力，壓力范圍通常在1～20Mpa，以便抑制在高溫下氮化硅陶瓷的分解，從而提高燒結(jié)溫度，進(jìn)一步促進(jìn)材料的致密化，獲得高密度的陶瓷制品。氣壓燒結(jié)也是目前工業(yè)生產(chǎn)氮化硅使用最多的燒結(jié)方法。氣壓燒結(jié)最大的優(yōu)勢是可以以較低的成本制備性能較好，并實現(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)濟且有效的。

3.5.2熱等靜壓燒結(jié)

熱等靜壓燒結(jié)是工程陶瓷快速致密化燒結(jié)最有效的一種方法，其基本原理是以高壓氣體作為介質(zhì)作用于陶瓷材料，使其在加熱過程中經(jīng)受各項均衡的壓力，借助于高溫和高壓的共同作用達(dá)到材料的致密化。熱等靜壓燒結(jié)雖然可以提高致密度，增強各項物理性能，但其設(shè)備昂貴，使用和維護(hù)的費用也很高。目前氮化硅微珠批量生產(chǎn)多使用氣壓燒結(jié)。

3.6氮化硅微珠精磨、拋光工藝

3.6.1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。

3.6.2 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。每臺機器內(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。

4 結(jié)論

由于氮化硅陶瓷的各種優(yōu)異物理化學(xué)性能，氮化硅陶瓷微珠將會在半導(dǎo)體芯片行業(yè)、微型軸承行業(yè)及氮化硅粉體生產(chǎn)行業(yè)等應(yīng)用越來越廣泛。國內(nèi)目前生產(chǎn)制備工藝還處于發(fā)展階段，氮化硅粉體制備工藝和燒結(jié)工藝相比于成型工藝相對成熟一些，本文中研發(fā)的氮化硅微珠滴定生產(chǎn)工藝，使得氮化硅微珠各項性能顯著提升，且工藝成熟穩(wěn)定，可直接規(guī)模化生產(chǎn)，有望于近年趕超美日等精工強國。滴定成型的氮化硅微珠成型后不用過冷等靜壓，直接氣壓燒結(jié)，制備的微珠致密度和耐壓強度和經(jīng)過冷等靜壓處理后再熱等靜壓燒結(jié)的微珠致密度和耐壓強度對比差異很小，節(jié)省兩道高成本生產(chǎn)工序，使得成型工藝及燒結(jié)工藝成本大大降低。

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