[发明专利]具有高疲劳寿命的氮化硅轴承球

说明书

新颖结构的陶瓷材料因其优异的性能质量而引起了工业界的注意。这些性能，如优异的高温强度、高刚性、耐热冲击和耐氧化性，为它们在多种应用中的潜在用途奠定了基础。

美国专利No.4,935,388(Lucek)指出，陶瓷材料的可靠性与其空间同质性相关，而这种同质性以材料展现的光学异常程度为特征。Lucek特别指出，当材料具有空间同质性时，氮化硅的可靠性会大大提高，例如大于约70微米就没有光学异常现象。Lucek提出，上述光学异常预示了许多种不同质的现象，其中包括(但并不限于)多孔区域、被铁等材料污染的区域和具有微小裂缝的区域。Lucek公开的氮化硅陶瓷含有约1重量％氧化镁作为烧结助剂，其滚动接触疲劳寿命(roll contact fatigue life，简称“RCF寿命”)用L10值表示时，(用ASTM测试方法STP 771进行测试，6.9GPa接触应力)至少为4百万个应力周。尽管该RCF寿命是已知最高中的一个，但是商业上仍需要RCF寿命进一步提高的碳化硅材料。

因此，本发明的目的是提高一种具有优异RCF寿命的氮化硅材料。

发明概述

根据本发明，提供了一种轴承球，它基本上含有：

a)至少约94重量％的晶相氮化硅，和

b)主要由Mg，Al，Si和O构成的单一颗粒边界相。

并且用ASTM测试方法STP 771，在6.9GPa接触应力下进行测试时，其L10值至少为50百万应力周。较佳地，其L10值至少为60百万周。更佳地，其L10值至少为70百万周。

在优选例子中，颗粒边界相基本上由下列物质构成：1-2重量％Mg，以氧化镁状；0.21.0重量％Al，以氧化铝状；和2-4重量％Si，以氧化硅状；以及氧。更佳地，颗粒边界相的Mg组份为轴承的1.0-1.6重量％，以氧化镁状；颗粒边界相的Al组份为0.3-0.6重量％，以氧化铝状；颗粒边界相的Si组份为2.0-3.0重量％，以氧化硅状。在特别优选的例子中，轴承用ASTM测试方法STP771，6.9GPa接触应力下进行测试，其L1O值为50-80百万应力周。

此外，在优选例中，本发明轴承球的挠曲强度至少为950MPa。

发明详细描述

出乎意料地发现，向基本由氮化硅和约1重量％氧化镁构成的坯体(greenbody)添加约0.20-1.0重量％的氧化铝，获得了RCF寿命非常高的陶瓷。

为了不受某一具体理论的束缚，据信，在Lucek的常规氮化硅陶瓷的烧结过程中，氧化镁烧结助剂和3重量％氧化硅(以杂质形式存在于氮化硅粉末中)在平衡时形成至少两种不可混和的液相，从而在烧结体内形成至少两种颗粒边界相。这种非均一的颗粒边界相可能降低了陶瓷的强度、刚性和RCF寿命。根据相图，在本发明中添加氧化铝据信可在平衡时生成单一的MgO-SiO₂-Al₂O₃相。因此能获得更好的均匀性和更高的性能。

本发明的氮化硅陶瓷可用常规材料和常规的加工方法制造。在优选例子中，陶瓷是用氮化硅粉末或其初始粉末制造的。如果陶瓷是用氮化硅粉末制造的，那么可以使用任何一种常规的氮化硅粉末。典型地，氮化硅占本发明陶瓷的至少约94重量％，更佳为约97-98.5重量％。

在本发明的优选例子中，氧化镁和氧化铝被用作烧结助剂。氧化镁的添加量为烧结陶瓷的约1.0-2.0重量％，较佳为约1.0-1.6重量％。最佳地，使用约1重量％，纯度大于99％，平均颗粒大小小于1微米的氧化镁。类似地，氧化铝的添加量为烧结陶瓷的约0.20-1.0重量％，较佳为约0.4-0.6重量％。最佳地，使用约0.47重量％，纯度大于99％，平均颗粒大小小于1微米的氧化镁。

氧化硅可以杂质形式存在于原料氮化硅粉末中。最后，硅以氧化硅状态存在于烧结陶瓷的颗粒边界相中，含量约为陶瓷的2-4重量％，较佳为2-3重量％。

氮化硅和烧结助剂粉末可用任何已知的混合方法进行混合，其中包括(但并不限于)球磨或碾磨法。在本发明的优选例中，优选振磨法(vibratory milling)。

如果形成坯体，那么可用本领域中任何典型方法进行。这些方法包括粉浆浇注、压模、冷冻铸模、和冷等静压。在本发明的优选例中，本发明的粉末是用冷等静加压法。