一种风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球及其制备方法和应用，涉及风力发电技术领域。本发明专利技术采用热压烧结制备氮化硅陶瓷球，热压烧结方法在高温下有机械加压的作用，能够提高烧结驱动力，促进致密化，因而所需烧结助剂含量低，烧结时烧结助剂与颗粒表层物质反应形成的氧氮化物液相少，烧结后在晶界间留下的玻璃相少，有助于提高氮化硅陶瓷球的疲劳寿命，本发明专利技术采用热压烧结方式制备氮化硅陶瓷球材料晶界相、玻璃相少，氮化硅陶瓷球纯度高，能够有效提高风力发电轴承的疲劳寿命及可靠性；且所制备的氮化硅陶瓷球密度均匀，且硬度高、断裂韧性强，能够避免变形、开裂等问题，且批次稳定性好，生成工艺简单高效，成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球及其制备方法和应用
本专利技术涉及风力发电
，尤其涉及一种风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球及其制备方法和应用。
技术介绍
近年来，风能作为清洁、无污染的可再生能源之一在世界范围内受到越来越多的关注。随着我国能源结构转型升级，风电的开发建设规模愈发庞大，风电机组的装机容量逐年递增，风电机组的持续安全运行，将为能源结构转型提供坚实的保障。滚动轴承作为风电机组传动装置的关键部件之一，通常工作在低速、重载及阵风等恶劣环境下，其运转状态直接影响机组的安全稳定运行，滚动轴承发生故障将对整个旋转机械甚至整个风机的运行状态产生重大影响，严重时导致整台机组停机。随着国内大功率并网风力发电机的相继投入以及航空航天事业的蓬勃发展，氮化硅陶瓷轴承球在国内外市场需求强劲。氮化硅陶瓷球具有重量轻、自润滑、高弹性模量、耐腐蚀、绝缘、无磁、抗热震和抗氧化等优异性能，900℃以下力学性质几乎不变，已经广泛应用于航空、航天发动机以及风力发电机等高速、高精密、长寿命轴承领域。采用氮化硅(Φ≥30mm)作为滚动体材料的轴承，具有重量轻、摩擦损耗低和干运转能力强等特点，能够有效提升风电机组使用寿命。目前，大尺寸氮化硅陶瓷球(Φ30～101.6mm)制备过程中存在一系列问题，其成型难度大，成型后素坯球需要人工修球，且球坯密度梯度不均匀，从而导致烧结过程中易出现变形、开裂等问题，而且大尺寸氮化硅陶瓷球制备成本高，且批次稳定性较差。因此，研发适合大尺寸氮化硅陶瓷球的生产工艺，实现其高效批量化制备对加速大功率并网风力发电机关键部件的国产化进程具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球及其制备方法和应用，所制备的大尺寸氮化硅陶瓷球密度均匀，且硬度高、断裂韧性强，能够避免变形、开裂等问题，且批次稳定性好，生成工艺简单高效，成本低。为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：本专利技术提供了一种风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球的制备方法，包括以下步骤：将氮化硅、烧结助剂和有机溶剂混合，进行球磨混合，得到混合料浆；以所述氮化硅和烧结助剂的总质量为100％计，所述氮化硅的质量百分数为95～99％，所述烧结助剂的质量百分数为1～5％；将所述混合料浆进行喷雾造粒，得到喷雾造粒粉；将所述喷雾造粒粉置于球形烧结模具中，进行热压烧结，得到陶瓷毛坯球；将所述陶瓷毛坯球进行精加工，得到风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球；所述风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球的直径为30～101.6mm。优选的，所述氮化硅的粒度分布中，累积体积分数为50％时对应的粒度D50＝1.5μm，所述氮化硅中，α-Si3N4含量为95％，所述氮化硅的纯度为99.9％。优选的，所述烧结助剂包括氧化镁、氧化铝、氧化钇、氧化锆、氧化镧、氧化铈和氧化钕中的一种或多种。优选的，所述球磨混合的转速为100～400r/min，时间为6～24h。优选的，所述喷雾造粒所用喷雾造粒塔的进口温度为190～200℃，喷片孔径为0.7～0.9mm，所述喷雾造粒粉的粒径为50～100μm。优选的，所述热压烧结的烧结温度为室温～1850℃，烧结压力为15～25MPa，总烧结时间为7～11h；所述烧结过程的升温速率为1～15℃/min。优选的，所述热压烧结的程序包括：第一阶段：自室温升温至900℃，时间为80～120min；第二阶段：自900℃升温至1200℃，时间为60～100min；第三阶段：自1200℃升温至1500℃，时间为120～150min；第四阶段：1500℃，保温30～60min；第五阶段：自1500℃升温至1700℃，时间为80～100min；第六阶段：自1700℃升温至1850℃，时间为60～100min。优选的，所述精加工包括依次进行的粗磨、细磨、精磨、精研和超精研。本专利技术提供了上述技术方案所述制备方法制备得到的风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球。本专利技术提供了上述技术方案所述风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球在风力发电机轴承中的应用。本专利技术提供了一种风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球的制备方法，包括以下步骤：将氮化硅、烧结助剂和有机溶剂混合，进行球磨混合，得到混合料浆；以所述氮化硅和烧结助剂的总质量为100％计，所述氮化硅的质量百分数为95～99％，所述烧结助剂的质量百分数为1～5％；将所述混合料浆进行喷雾造粒，得到喷雾造粒粉；将所述喷雾造粒粉置于球形烧结模具中，进行热压烧结，得到陶瓷毛坯球；将所述陶瓷毛坯球进行精加工，得到风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球；所述风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球的直径为30～101.6mm。本专利技术采用热压烧结制备氮化硅陶瓷球，热压烧结方法在高温下有机械加压的作用，能够提高烧结驱动力，促进致密化，因而所需烧结助剂含量低，烧结时烧结助剂与颗粒表层物质反应形成的氧氮化物液相少，烧结后在晶界间留下的玻璃相少，使所得氮化硅陶瓷材料晶界相、玻璃相少，氮化硅陶瓷球纯度高，能够有效提高风力发电轴承的疲劳寿命及可靠性。本专利技术利用喷雾造粒防止混合料浆中各组分团聚和沉降分层，通过控制颗粒表面溶剂的挥发速率，获得颗粒形貌规则、粒度分布均匀、流动性好及松装密度合适的喷雾造粒粉体，从而改善粉体填充模具的性能，提高素坯密度及均匀性。本专利技术使用喷雾造粒粉进行热压烧结，无需成型剂，可以提高粉料流动性及模具填充密度，同时可避免陶瓷球成型后脱成型剂步骤，节约工艺时间，减少陶瓷球杂质含量，进而提高陶瓷球力学性能。本专利技术使用球形烧结模具，能够克服传统热压烧结用模具形状简单、只能制备简单形状制品件的瓶颈，直接烧结得到球形氮化硅材料，避免由圆柱形氮化硅加工得到氮化硅球，减少环带的力学不均匀性，促进氮化硅陶瓷球的密度均匀性。本专利技术的方法制备的氮化硅陶瓷球产品批次稳定性好，且生成工艺简单高效，成本低，能够避免变形、开裂等问题。实施例的结果表明，本专利技术制备的风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球密度均匀，强度为1240～1310MPa，断裂韧性＞9MPa·m1/2，表面粗糙度0.006≤Ra≤0.010，球形误差为0.2～0.4，各项性能指标均符合GB/T308.2-2010/ISO3290-2：2008《滚动轴承珠第2部分：氮化硅陶瓷微珠》标准要求的G20级标准要求。附图说明图1为实施例1制备的氮化硅陶瓷球的TEM图。具体实施方式本专利技术提供了一种风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球的制备方法，包括以下步骤：将氮化硅、烧结助剂和有机溶剂混合，进行球磨混合，得到混合料浆；以所述氮化硅和烧结助剂的总质量为100％计，所述氮化硅的质量百分数为95～99％，所述烧结助剂的质量百分数为1～5％；将所述混合料浆进行喷雾造粒，得到喷雾造粒粉；将所述喷雾造粒粉置于球形烧结模具中，进行热压烧结，得到陶瓷毛坯球；将所述陶瓷毛坯球进行精加工，得到风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球；所述风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：/n将氮化硅、烧结助剂和有机溶剂混合，进行球磨混合，得到混合料浆；以所述氮化硅和烧结助剂的总质量为100％计，所述氮化硅的质量百分数为95～99％，所述烧结助剂的质量百分数为1～5％；/n将所述混合料浆进行喷雾造粒，得到喷雾造粒粉；/n将所述喷雾造粒粉置于球形烧结模具中，进行热压烧结，得到陶瓷毛坯球；/n将所述陶瓷毛坯球进行精加工，得到风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球；/n所述风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球的直径为30～101.6mm。/n

【技术特征摘要】
1.一种风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将氮化硅、烧结助剂和有机溶剂混合，进行球磨混合，得到混合料浆；以所述氮化硅和烧结助剂的总质量为100％计，所述氮化硅的质量百分数为95～99％，所述烧结助剂的质量百分数为1～5％；
将所述混合料浆进行喷雾造粒，得到喷雾造粒粉；
将所述喷雾造粒粉置于球形烧结模具中，进行热压烧结，得到陶瓷毛坯球；
将所述陶瓷毛坯球进行精加工，得到风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球；
所述风力发电用大尺寸氮化硅陶瓷球的直径为30～101.6mm。


2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述氮化硅的粒度分布中，累积体积分数为50％时对应的粒度D50＝1.5μm，所述氮化硅中，α-Si3N4含量为95％，所述氮化硅的纯度为99.9％。


3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述烧结助剂包括氧化镁、氧化铝、氧化钇、氧化锆、氧化镧、氧化铈和氧化钕中的一种或多种。


4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述球磨混合的转速为100～400r/min，时间为6～24h。


5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述喷雾...

【专利技术属性】
技术研发人员：宋琳生，张进中，
申请(专利权)人：灵石鸿润和新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：山西;14