陶瓷軸承球的應(yīng)用和生產(chǎn)加工*

徐學(xué)敏

(中材高新氮化物陶瓷有限公司　山東 淄博　255000)

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陶瓷軸承球的應(yīng)用和生產(chǎn)加工*

徐學(xué)敏

(中材高新氮化物陶瓷有限公司山東 淄博255000)

摘要筆者主要介紹了氮化硅陶瓷軸承球具有的優(yōu)點(diǎn)和特性，并介紹了其應(yīng)用領(lǐng)域及范圍。通過(guò)對(duì)氮化硅陶瓷材料性能的對(duì)比分析，確定其生產(chǎn)加工工藝，最終生產(chǎn)出高于G5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求的氮化硅陶瓷球。

關(guān)鍵詞氮化硅軸承球加工工藝

前言

近年來(lái)，隨著社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，軸承的使用環(huán)境和條件越來(lái)越多樣化，對(duì)軸承的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和性能的要求也越來(lái)越高。隨著應(yīng)用材料科學(xué)的不斷突破和創(chuàng)新，陶瓷球軸承應(yīng)運(yùn)而生。由于陶瓷材料具有低密度、耐高溫、長(zhǎng)壽命、低發(fā)熱、低熱膨脹、高剛性、無(wú)磁性、絕緣性等優(yōu)異的性能，可以承受金屬材料和高分子材料難以勝任的嚴(yán)酷的工作環(huán)境，并且又具有軸承材料所要求的全部重要特性，因此將陶瓷材料應(yīng)用于制造軸承，已成為世界高新技術(shù)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用的熱點(diǎn)，成為機(jī)械工業(yè)材料技術(shù)革命的標(biāo)志。

1　氮化硅軸承球的應(yīng)用

新型材料之一的陶瓷作為滾動(dòng)軸承材料使用，最早始于1960年初期，以美國(guó)為中心就開(kāi)始了研究，日本從1980年初也開(kāi)始這項(xiàng)工作的研究。

陶瓷種類繁多，雖然氮化硅在工業(yè)陶瓷中不是最硬的，韌性也不是最高的，但是在要求高性能的軸承應(yīng)用中，氮化硅被認(rèn)為具有最佳的機(jī)械物理綜合特性。氮化硅的一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是，如果發(fā)生失效，那么失效是以類似于軸承鋼失效的方式即局部剝落方式發(fā)生的，其它類型的陶瓷材料則以災(zāi)難性的碎裂方式損壞。作為滾動(dòng)軸承用的材料，從滾動(dòng)疲勞壽命和可靠性的觀點(diǎn)看，只有氮化硅才能勝任。

眾所周知，陶瓷材料與軸承鋼相比具有質(zhì)量輕、耐熱、耐腐蝕等優(yōu)異性能，作為軸承使用，可分為只有滾動(dòng)體是陶瓷材質(zhì)的混合軸承和內(nèi)、外圈/滾動(dòng)體都是陶瓷材質(zhì)的全陶瓷軸承兩種。陶瓷材料軸承所適用的工作環(huán)境分為“正?！被颉皹O端”兩種，正常環(huán)境是指在油或脂潤(rùn)滑條件下，工作溫度為-40～200 ℃。其它應(yīng)用場(chǎng)合不論是在高溫、低溫或惡劣/腐蝕條件下，都被認(rèn)為是極端環(huán)境。

在航空航天、航海、核工業(yè)、石油、化工、輕紡工業(yè)、機(jī)械、冶金、電力、食品、機(jī)車、地鐵、高速機(jī)床及科研國(guó)防軍事技術(shù)等領(lǐng)域需要在高溫、高速、深冷、易燃、易爆、強(qiáng)腐蝕、真空、電絕緣、無(wú)磁、干摩擦等特殊工況下工作，陶瓷軸承不可或缺的替代作用正在被人們逐漸地認(rèn)識(shí)。

2　氮化硅陶瓷的優(yōu)點(diǎn)和特性

2.1耐熱性

一般鋼制的軸承使用溫度超過(guò)120 ℃時(shí)，硬度就會(huì)降低，滾動(dòng)壽命也會(huì)下降。而氮化硅具有很好的溫度特性，特別適用于高溫環(huán)境。高溫環(huán)境下，軸承鋼已經(jīng)喪失了其硬度和強(qiáng)度，而陶瓷材料即使在高溫下強(qiáng)度和硬度也不會(huì)發(fā)生變化，所以對(duì)于用在高溫環(huán)境的軸承來(lái)說(shuō)，該材料是非常適合的。

2.2離心力

氮化硅的密度約為3.24×103kg/m3，而軸承鋼的密度約為7.8×103kg/m3，僅為軸承鋼密度的40%左右，所以當(dāng)滾動(dòng)體使用陶瓷時(shí)，軸承在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)能夠抑制因離心力作用引起的滾動(dòng)體載荷的增加。

2.3線膨脹系數(shù)

氮化硅的線膨脹系數(shù)大約是軸承鋼的1/4，所以隨溫度變化的尺寸變化量小，故有益于在溫度變化大的環(huán)境中使用。

2.4硬度、彈性系數(shù)、泊松比

因?yàn)榈璧膹椥韵禂?shù)大約是軸承鋼的1.5倍，所以相對(duì)載荷的彈性變形小，相對(duì)載荷的剛性就高。

2.5耐腐蝕、無(wú)磁性、絕緣性

化工機(jī)械設(shè)備、食品、海洋等部門使用的機(jī)器，采用鋼制軸承時(shí)其腐蝕是個(gè)問(wèn)題，在強(qiáng)磁環(huán)境中，使用鋼制軸承，從軸承本身磨損下來(lái)的微粉被吸附在滾動(dòng)體和滾動(dòng)面之間，這將成為軸承提早剝落損壞和噪聲增大的主要原因。鐵路車輛牽引電機(jī)使用軸承鋼制軸承會(huì)產(chǎn)生電蝕，往往成為軸承提早剝落損壞的原因。而氮化硅陶瓷對(duì)大多數(shù)強(qiáng)酸和強(qiáng)堿都具有很高的化學(xué)穩(wěn)定性。

普通軸承鋼AISI52100(GCr15)、不銹鋼AISI440(9Cr18)、氮化硅(Si3N4)、氧化鋯(ZrO2)和氧化鋁(Al2O3)5種軸承材料性能對(duì)照情況見(jiàn)表1。

表1　5種軸承材料性能對(duì)照表

陶瓷軸承作為一種重要的機(jī)械基礎(chǔ)件，由于其具有金屬軸承所無(wú)法比擬的優(yōu)良特性，在新材料世界獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。近年來(lái)，在國(guó)計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域中得到了日益廣泛的應(yīng)用。

3　陶瓷球的生產(chǎn)加工

氮化硅陶瓷球是用硅粉作原料，先用通常成形的方法做成所需的形狀，在氮?dú)庵屑案邷叵逻M(jìn)行氮化，使硅粉與氮?dú)夥磻?yīng)生成氮化硅。氮化硅的強(qiáng)度很高，尤其是熱壓氮化硅，是世界上最堅(jiān)硬的物質(zhì)之一。

盡管陶瓷材料與軸承鋼材料在基本特性上有很大差別，但研磨機(jī)理基本相似。由于軸承用球?qū)π螤罹?、尺寸精度、表面質(zhì)量和材料特性的要求很高，所以為了加工出適應(yīng)這些要求的陶瓷球，必須經(jīng)過(guò)由粗到精多道工序的研磨。目前我公司陶瓷球經(jīng)過(guò)的加工工序有粗磨、細(xì)磨、精磨、精研及超精研。

在加工陶瓷制品時(shí)，由于材料硬度特別高和脆性大，加工時(shí)易使材料表面產(chǎn)生裂紋，這些裂紋可在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中引起零件斷裂。為了能控制陶瓷零件的加工，只能用極小的磨量來(lái)進(jìn)行各工序的加工。因此使加工周期很長(zhǎng)，成本增加。 陶瓷球的整個(gè)加工工藝最重要的是必須始終保持加工球在加工中不出現(xiàn)表面損傷。只有在所有的工藝參數(shù)與陶瓷材料的特性相匹配時(shí)，才能在保證質(zhì)量和經(jīng)濟(jì)性的前提下獲得加工工藝的改進(jìn)。

消除毛坯球表面的各種缺陷，包括燒結(jié)氧化層、氣孔和表面微小裂紋等。

由于氮化硅硬度較高，用鋼球毛坯的加工方式很難去除氮化硅球坯的多余材料，因此氮化硅球的粗磨工序只能采用下板金剛石材質(zhì)平板、上板鑄鐵板材質(zhì)導(dǎo)球板進(jìn)行磨削加工，在球和砂輪間存在特殊的運(yùn)動(dòng)機(jī)理，球在導(dǎo)球板的作用下相對(duì)于砂輪軸線同心的砂輪平板內(nèi)運(yùn)動(dòng)。通過(guò)較高的擠壓力和球表面與砂輪的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)磨去球坯的部分留量。加工結(jié)果取決于諸多特性參數(shù)和影響因素，如機(jī)床、砂輪、球坯和加工參數(shù)等。

機(jī)床的影響因素以其設(shè)計(jì)和加工狀態(tài)、靜動(dòng)態(tài)和熱特性、工藝控制、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、加壓方式等為特征。

砂輪的影響因素以其砂輪技術(shù)條件硬度、粒度、磨料種類、結(jié)合劑、進(jìn)出球口部位的幾何形狀、硬度、粗糙度、動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能以及磨損程度為特征。

加工球的影響因素以其材料、組織、可磨削性、勻質(zhì)性、強(qiáng)度、硬度、幾何形狀、批直徑變動(dòng)量為特征。

加工參數(shù)是磨削壓力、砂輪轉(zhuǎn)速、冷卻劑、裝球量和加工時(shí)間。

單是通過(guò)磨加工，既不能使陶瓷球達(dá)到與鋼球相同的幾何形狀精度，也不能達(dá)到與鋼球相同的表面質(zhì)量特性。必須再通過(guò)下面幾道工序研磨才可以把磨加工形成的粗糙表面以及過(guò)大的形狀偏差研磨掉。

內(nèi)部控制管理體制的不完善，導(dǎo)致高校在招標(biāo)過(guò)程中，缺少必要的監(jiān)督制度與嚴(yán)格的操作過(guò)程以及容易受行政干擾，導(dǎo)致采購(gòu)的物質(zhì)質(zhì)量、價(jià)格和售后服務(wù)都很難得到保證，極易滋生腐敗。另外，高校在物資采購(gòu)和驗(yàn)收時(shí)，存在一人同時(shí)負(fù)責(zé)這兩項(xiàng)工作的情況，嚴(yán)重違反分工控制準(zhǔn)則。在設(shè)備采購(gòu)后，高校中出現(xiàn)不把新采購(gòu)設(shè)備計(jì)入固定資產(chǎn)項(xiàng)目的情況，導(dǎo)致國(guó)有資產(chǎn)流失嚴(yán)重。

3.2研磨加工

球在研磨加工時(shí)，球和研磨盤(pán)的運(yùn)動(dòng)機(jī)理以及機(jī)床結(jié)構(gòu)與粗磨加工時(shí)相似。但由兩塊研磨盤(pán)取代金剛石板和導(dǎo)球板。下研磨板加工成V型槽，使球自傳軸均勻地變化，快速地去掉多余的加工留量，以完成研磨加工。

研磨盤(pán)的硬度、盤(pán)溝的截面形狀(同心溝槽)和研磨壓力的相互作用，使磨料在兩個(gè)工作面間滾動(dòng)時(shí)，由磨粒銳角產(chǎn)生切削作用。其結(jié)果是形成細(xì)微且無(wú)方向的加工痕跡，其與鋼球研磨時(shí)的磨削機(jī)理相一致。

影響研磨加工工序的參數(shù)甚多。下面列舉有關(guān)研磨混合劑、工藝和運(yùn)動(dòng)機(jī)理方面的一些參數(shù)。

1)研磨混合劑。要根據(jù)不同的加工過(guò)程選用不同的磨料，磨料粒度要由粗到細(xì)，以取得最佳的磨削效果。磨工序使用碳化硅或碳化硼或金剛石研磨，研工序使用金剛石微粉進(jìn)行研磨。磨料在配制過(guò)程中(由磨料和研磨液組成。磨料粒度、種類、磨粒形狀、磨粒數(shù)量、磨粒強(qiáng)度、磨粒破碎性、磨粒磨損特性起重要作用)，研磨液則以分量、粘度、承載特性和各種添加劑表現(xiàn)其特性。

2)加工工藝及運(yùn)動(dòng)機(jī)理。在研磨盤(pán)內(nèi)，材料、磨損狀態(tài)、覆蓋層和溫度起重要作用。另外，磨料的配制與添加、研磨時(shí)的溫度、研磨壓力，加工球和材料也對(duì)工藝有著重大影響。

運(yùn)動(dòng)機(jī)理參數(shù)為同心溝槽節(jié)圓半徑，溝槽截面形狀和研磨盤(pán)的轉(zhuǎn)速。

在實(shí)際加工中，研磨工序劃分為細(xì)磨、精磨、精研及超精研加工階段。細(xì)磨及精磨材料研磨量較大，精研及超精研的材料研磨量較小。

從根本上來(lái)講，影響研磨加工工藝的主要是磨料和磨料液膜。

細(xì)磨及精磨大都采用碳化硅、碳化硼和人造金剛石粉作磨料。

精研及超精研選用氧化鉻、碳化硼、人造金剛石粉或天然金剛石粉作磨料。

含有磨料的磨料液膜由煤油、脂、機(jī)油、磨料的混合溶液構(gòu)成。根據(jù)不同種類磨料液膜，可以提高磨料的作用，或減輕磨料的作用。以此影響研磨能力和表面粗糙度。

在判斷精研磨料時(shí)，通常不是粒度，而只是磨料種類和磨料硬度起決定性作用。

如果磨料使用得過(guò)多或者過(guò)少，則可降低形位精度和研磨效率。只有采用與相應(yīng)加工工序相協(xié)調(diào)的磨料和研磨液配比量，才能得到理想的磨料液膜。對(duì)研磨壓力和所要求的研磨加工時(shí)間也須作出正確選擇，以便從粗加工開(kāi)始，經(jīng)過(guò)細(xì)磨、精磨、精研和超精研，最終獲得最佳的表面質(zhì)量。

軸承陶瓷球研磨加工的技巧在于，使所有上述可調(diào)參數(shù)處于相匹配的變化中。

3.3清洗

在各個(gè)工序完成后，都要對(duì)陶瓷球進(jìn)行清洗，以保證陶瓷球良好的清潔度，因?yàn)榍肮ば虻奶沾汕虮砻姹囟〞?huì)帶著大量的磨料顆粒，必須清洗干凈，尤其是精研和超精研工序。

3.4檢測(cè)結(jié)果

經(jīng)過(guò)上述工藝加工出的產(chǎn)品，球形誤差小于0.08，表面粗糙度Ra小于0.005 μm，產(chǎn)品各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到G5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。

4　結(jié)語(yǔ)

筆者闡述了作為滾動(dòng)軸承用的陶瓷材料氮化硅的特性和制成滾動(dòng)軸承的應(yīng)用，以及氮化硅陶瓷球的生產(chǎn)加工。除氮化硅外，氧化鋁(Al2O3)和氧化鋯(ZrO2)等也可用作軸承材料，但就目前所考慮的滾動(dòng)疲勞壽命這個(gè)問(wèn)題，最適合用作滾動(dòng)軸承的還是氮化硅。氧化鋁系列陶瓷可用作高精度氣浮導(dǎo)軌臺(tái)等。

應(yīng)當(dāng)提出，陶瓷軸承球成本高，但壽命要高出很多，適應(yīng)性強(qiáng)，速度性能更是優(yōu)越，所以，從綜合的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，陶瓷軸承球的應(yīng)用前景十分廣闊。隨著陶瓷球加工工藝的不斷改進(jìn)，成本的降低，其應(yīng)用前景十分可觀，用途會(huì)越來(lái)越廣泛。

參考文獻(xiàn)

1張勁松.陶瓷軸承的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用.軸承,1996(5):15～17

2王泉,劉秀蓮,葛華偉.氮化硅陶瓷球加工工藝的研究.哈爾濱軸承,2012(11):8～10

*作者簡(jiǎn)介：徐學(xué)敏(1980-)，本科，工程師；主要從事材料技術(shù)與研究。

中圖分類號(hào)：TQ174.75+8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1002-2872(2016)07-0032-04

The Application and Manufacture Process of the Ceramic Bearing Balls

Xu Xuemin

(Sinoma Advanced Nitride Ceramics Co.,Ltd,Shandong,Zibo,255000)

Abstract:This paper mainly introduces the advantages and properties of silicon nitride rolling balls, and presented the applications fields. The processing technique was settled by comparison of the material properties of Silicon Nitride. In this way, balls graded over G5,were processed.

Key words:Silicon Nitride; Bearing balls; Processing technique