氮化硅陶瓷_极具前途的轴承用材
经验交流
氮 化硅 陶 瓷 极 具前 途 的轴 承 用 材
蒋沂 萍
山 东临 沂 沂 德钢球制造有 限 责 任公 司
临沂
・
前言
近 几 年 来 随 着 社 会进 步 和 科 学技 术 的 高 速 发
,
陶瓷轴 承 的选材
结构 陶瓷 按 化 学 组 成 可 分 为 碳化 物
氧 化 物 硅 酸 盐 等系 列
, ,
,
、
、
氮化 物
、
。
展
,
轴 承 的 使 用 环 境 和 条 件越 来 越 多样 化
、
,
对轴 承
由于 陶 瓷 是 无 机 非 金 属 化
、
的结 构
、
材 质 和 性 能 的要 求也越 来 越 高
,
,
一 些 高科
合 物 而 不 是 单 质 所 以 其 晶 体结 构不 像 金 属 合 金 那
样 简 单 而 是 复杂多 样 如 面 心 立 方 结构 密 排 六 方
技 领域 和 某 些 特殊 环境 下 工作 的机械
、
、 、 、 、 、
,
、
如航空航
、
天 核 能 冶 金 化 工 石 油 仪 器 机 械 电子 纺织
、
、
、
、
结构
、
体 心 立 方 结构 等 等
。
,
其 元 素结合 力 主 要 是 离
,
制 药 等工 业 需 要 在 高 温 高 速 高 精 度 真 空 无 磁
性 无 油 润 滑 强 酸 强 碱 等 特殊 环 境 下 工 作
,
、
子 键 和 共 价键
在 实 际 应 用 的 陶瓷 材 料 中 纯 粹 的
,
、
、
。
这些
离 子 键 或 纯 碎 的 共价键 物 质 几 乎 没 有
,
绝 大 多数 陶
,
新 的 要 求 仅 仅 依靠 对 传统 的 金 属 轴 承 改 进 结 构或
改 善润 滑 条件 已 经 远 远 不 能满 足 必 须 开 发新 型 材
瓷化 学 键 都 是 介 于 离子 键 与 共 价 键 之 间 的 混合 键
,
因 此 同 一 般 的 金 属 相 比 其 晶 体 结构 复 杂 而 表 面 能
料 从根 本
,
进 行 突破 和 创 新 才行
,
。
国 内 外 研 究发
,
小 其 强 度 硬 度 弹性模 量 耐 磨 性 耐 蚀性 以 及 耐
、
、
、
、
现 某 些 陶瓷 材 料 具 有 优 异 的 性 能 可 以 承受 金 属 材 料 和 高分 子 材 料 难 以 胜 任 的 严 酷 的 工 作 环 境 并 且
又 具 有 轴 承 材 料 所 要 求 的 全 部 重要 特性
,
热 性 均 比金 属 优 越
工性
、
,
但 某些 陶 瓷材 料 的 塑 性
,
、
可加
抗 热震 性 却 不 如金 属
。
所 以 并 非所有 的陶瓷
,
因此将 陶
材 料 都适 合 用 来制造 轴 承 料
,
用 来 制造轴 承 的 陶 瓷 材 还 需 具 备 高 的抗 压
、
瓷材 料应用 于 轴承制造 与应用 的热 点
二
,
,
已 成 为世界 高 新 技 术 开 发
除 了具 备 以 上 特殊性 能外
、
成 为 机 械 工 作 材 料 技 术 革命 的 标
强度
抗 滚 动接触 疲 劳特 性 和 具 有 剥 落 失 效模 式
心
、 、
匕、
等
。
目前 可 供 选 用 的 陶 瓷 材 料 有
、
等 其 特性 见下 表
,
表
陶 瓷 材 料 和 轴 承 钢 材 性 能一 览 表
轴承钢
密度
,
杨 氏 模量 抗压强度
维 氏硬 度
一
、一 ’ 一 一 一
一 一
一
一 一 一
韧性 热 传导 率
比热
一
一
一
一
热膨 胀 系 数
、
’
议
勺
泊松 比
电阻率
、。 ,
,飞,
子 日
使用 上 限温 度
抗 热 冲击 滚 动接 触 疲 劳 失 效 形 式
・
高
剥落
中等
低
断裂
低
很高
录落 吐
剥 落 断裂
陶瓷 工 程 》 《
经验交流
在 高性 能 的 滚 动轴 承应 用 中 滚 动 疲 劳 寿 命 是
,
氮化 硅 陶瓷 轴 承相 关 部 件 的 加 工 基 本 与轴 承 钢 材 部 件加 工 相 似 磨 削 机 理 基 本 相 同
,
所 要 求 的 最 重 要 的特 性之 一
,
。
从 上 表可 以看 出 虽
, ,
。
但 是 由于
,
然 氮化 硅 在 工 业 陶瓷 中不 是 最 硬 的 韧性也 不 是 最
氮 化 硅 的 各 种性 能 与钢材 的 性 能存 有 较大 的差 异
所 以 在 机械 加 工 中磨削工 具 剂 等 均 有 相 当大 的差 别
、 、 、
高 的 但 是 氮 化 硅 在 陶 瓷 的 滚 动 疲劳 损伤与轴 承 钢
材 的 表 面 剥 落 相 似 并 且 具 有低 密度
,
、
加工 系数
、
、
研 磨混 合
、
、
中等 弹性 模
,
,
各 工 序 对 于 磨料 的 粒 度
、
量
、
低热膨 胀 系数 和 高 抗 压 强 度等优点
。
因此 氮 化
,
种 类 形 状 数 量 强 度 破 碎 特性 磨损 特性 等要 求 均有 所 不 同
硼
、
、
硅 被认 为具 有最 佳 的机 械物理综 合 特 性
是 目前 制
。
目前使 用 的 磨 料 主 要 有 碳 化 硅 碳 化
。
造 滚动轴 承 的 最 佳 用 材
金 刚石 粉 等
,
另 外在加 工 中各 工 序采 用 的 研 磨
,
液 也 有 所不 同 只 有与 相 应 加 工 工 序 相 协 调 的 磨料
氮化 硅 陶瓷 轴承 的制备
氮 化 硅 轴 承相 关 部件 的 制造 工 序 为 原 料 一 混 合一 成 型 一 热 压 一 粗加 工 一 精加工 一 检验 一 装 配
一成品 氮 化 硅 陶 瓷 粉 末 的制 取 方 法
和 研 磨 液 的 配 比量
才 能得到理 想 的 磨料 液膜
。
,
获
得理 想 的磨 削速度 和 表 面 质 量
氮化 硅 陶瓷 轴 承 的 装 配
,
从 所 周 知 一 般滚 动轴 承是 由 四 种 主要 零 件 组 成 的 即 外 圈 内圈 滚 动 体 及 保 持 架
,
、
、
。
滚动 轴 承 的
装配
内圈
,
基 本 上 可 通 过 两 个 步 聚 来 完成
,
第 一 步是 将
、
轴 承 零 件用 氮化 硅 粉 末 要 求具 有 下 列 重 要 特
性
量高
,
外 圈 和 一 组 滚动 体 组 合 起 来
,
,
保证它们之 间
纯度高
、
高均 匀 而 细 的 颗粒
,
相含
的 某 种 配 合 关 系 如 保 证 轴 承 应 具 有 一 定 的 径 向游
因此 尽 管 氮 化 硅 粉末 的 制 取 方 法很 多
、
,
如直
,
隙 值 或 公 称 宽度 的一 定 公 差 值等 第 二 步 是 铆 接保 持架
,
接 氮 化 法 化学 气 相 沉 积 法 碳热 还 原 氮 化 法 等 其 中较适 宜 的方 法 属碳 热 还
原 氮化 法
细二 氧化 硅 粉
,
保证把滚动 体 固定 在 轴 承 的 套 圈 里
,
,
使其 旋
,
即 采 用 高纯 度
,
转灵活
且 不 致 散落
,
,
以 利滚动轴 承 能在 各 种 机 械
将其 与 作 为还 原 剂 的 碳 粉 混 合
℃还 原 氮化
, ,
氮
中 的 安装 和 使 用
由 于 滚 动 轴 承有 十 大类之 多
,
不
气氛
一
其反应式为
,
同类 型 的 轴 承 采 用 的 保持 架 形 式 各 不 相 同 因 此 轴
承 的 装 配 方法 也 不 尽 相 同
。
将反 应 所 得 到 的氮化硅 粉
一
,
末 在 氧化性 气 氛 中
,
℃下 热 处 理 除 碳 得 到
, ,
的粉末含 金 属 杂 质 较 少 纯 度 高 颗 粒 细
相 含量
氮 化 硅 陶瓷轴 承 的 应 用 特 性
氮 化 硅 陶瓷 轴 承 主 要 用 于 四 个 方 面
高 符合轴 承零件 用 材 的要 求
。
氮化 硅 陶瓷 轴 承 相 关 部 件 的成 型
高速 腐蚀 用 轴
氮化 硅 陶瓷 轴 承 相 关部件 的 制 备 方 法 很 多 如
,
轴承
承
’
高温 轴 承
,
真空用 轴承
。
反 应 烧结 法 热 压 烧 结 法 无 压 烧结 法 二 次 反 应 烧
、
、
、
。
氮化 硅 陶 瓷 轴 承之所 以 能 够 在 特 殊 环 境 和 情 况 氮化 硅 陶
。
为 了 获 得 完 全 致 密 的 氮化 硅 材 料 采 用 热 压 法 较 为 理 想 由 于 氮 化 硅 的共 价键 特 点 自 等静 结法等
,
。
下 工 作 完 全 得 益 于 氮 化 硅 陶瓷 的性 能
。
,
瓷 使 得 陶瓷 轴 承 具有 以 下 优 点 高速
扩散 系 数小
毛坯时
, ,
,
难 以 烧结致密
一
,
所 以 在制造 轴 承 零 件
和
在
粉 末 中加 人 烧结 助 剂
。
,
陶瓷 材 料 的重 要 仅 为 同 等 钢材 重 要 的 度 小 这 一 特点
,
,
密
混 合 后 制成 复 合 粉末
。
将 这种 粉 末按 所 需 量
一
可 实 现 轴 承 的 轻 量 化 和 高速 化
,
使
装 人 成 型 用 的石 墨 模 中 在
内热 压 成 型
℃温 度 范 围
,
得 陶 瓷 轴 承 在 高 速 旋转 时 能 够 抑 制 因 离 心 力 作 用 引起 的 滚动 体 载荷 的增 加 和 打 滑
滑 动 和 自旋 滑 动
一
,
在 成 型 过 程 中注 意 控 制 液 相 的 作 用
。
,
陀 螺 力 矩 引起 的
,
同时 使其 达 到致 密化
,
用 该 法 制备 的 烧结体 结 晶
, , ,
陶瓷 轴 承 的 转 速 是 钢制轴 承 的
颗 粒 呈 长 柱状 密 度 高 气孔 率 接 近 零 具有较 高 的
强度
,
倍 其
,
,
值可达
,
,
万
例 如角接触球
高 的 韧 性 和 高 的可 靠 性
从 质量 方 面 看 是 最
轴承
时
,
由 于 具 有 一 定 的接 触 角
,
其 滚动 体与 滚 道 面
好的
。
之 间 会产 生 旋转 滑 动 当采 用 密 度 小 的 陶瓷滚动 体 氮化 硅 陶 瓷 轴 承 相 关部 件 的 加 工
不 仅旋转 滑 动小 而 且 对 轴 承发 热和 表 面损伤
陶瓷 工 程 》
一
赫
豁赢磊
均 起 到有 益 的 作 用 对 于 航 空 航 天 飞 行 器也是非 常
,
黔
在 强 磁 环 境 中 使用 钢 制轴 承时 从 轴 承 本身 磨 损 下 来 的 微 粉 被 吸 附在 滚动 体 和 滚 道 面 之 间 成
, , ,
有益 的
。
高刚性 氮 化 硅 陶瓷 的 弹性模 量 比金 属 高得 多 是金 属
,
为轴 承提早 剥落 损坏
陶瓷 轴 承 是 完 全 非 磁性
绝 缘性
,
的
倍
,
,
因 而 受 力后 的 弹性 变 形 小
一
,
,
相对 载荷 的
,
所 以可 用 于 需 要 完全 非 磁 性轴 承 的 场合
,
刚性 高 大 约 可 提 高 刚 度 巧
,
、
从 而 减轻 了
。
机 床 的 振 动 在 高精 密 系 统 中获 得 了 良好 的 应 用 价 值 如 超 精 密 机床 的主 轴 高 精 度 的 航 天 轴 承 等
长 寿命
绝 缘 材料 使轴 承 免 遭 电弧 损伤
由 于 陶瓷 材料 位错 少
硬度
, ,
,
迁移 率 低
。
,
且 具有高 的
一 般较 金 属 的硬 度要 高 一 倍 多
,
,
能够 减 少 磨
,
损 使得 陶瓷 轴 承具有 好 的 耐 磨性
,
,
此外 氮化 硅 陶
一
瓷 的 机 械 强 度并 不 低 其 抗 拉 强 度 和 抗 弯 强 度 与 金
属 相 当 而 抗 压 强 度 极 高 大 约是 金 属 材 料 的
滚 动 轴 承在 各个 领 域 的 应 用 范 围
、 、
究 生 产 销 售 陶瓷 轴 承 的 公 司 很 多 但 大 多为 混 合
,
一
、
噪声增 大 的 主 要 原 因
,
,
由于
,
且 具 有 正 常 的 承 载能 力
。
陶瓷材 料 的 常温 电阻 率 比 较 高 可 作 为 较好 的
。
结
论
总之
,
采 用 陶瓷 材 料 制 造 轴 承
。
,
可 极 大地扩 展
目前 世界各 国研
倍
度
,
尤 其 是在 高 温 条件 下
即使 在
, , ,
,
仍 能保持高 的 强 度 和 硬
,
轴承
料
目
。
,
即 轴 承滚 动 体 为 陶瓷材 料
,
内外 圈 为 钢制 材
,
,
℃ 时 强 度也 基本 保 持 不 变
在有异
我 国 在 陶瓷 轴 承研 究 方 面 起 步 较 晚
国 家 自八
物 混 人 的情 况 下
陶瓷球 很 少 产 生 剥 落 失 效
一
点
五 开 始 将 陶瓷 球 轴 承 研 究 与 开 发 列 人 科 技 攻 关 项
,
蚀
因 此 耐 压 痕 性好 的 陶 瓷轴 承 通 常 具有 更 长 的
,
并 注 人 了大量 资金
,
,
一 些 科 研 院所 和 企 业 也 做
,
寿 命 一 般 较 钢 制 轴 承 提高 低发热
倍
。
出 了有 益 的 探索
,
取得 了可 喜 的 成 果
但 目前 仍处
于 试 验研 究 阶段 影 响 陶瓷 材 料在球 轴 承 中广 泛 应
。
由 于 氮 化 硅 陶 瓷 材 料 的 摩擦 系 数较 小
大约是
用 的 主要 原 因 是 它 的难 加工 性 和 过 高 的制造 成
标 准轴 承 钢 的
,
,
所 以 与 金 属 材料 相 比 氮化 硅
, ,
本 最 近 我 公 司 在 陶瓷轴 承 球 的 研 究 方 面 取 得较 大
进展
,
。
陶 瓷 的导 热性 能 较 左 低 热膨 胀
因 此
陶瓷 轴 承 工 作 时 产 生 的
。
加 工 速 度 较 国 内现 有 技 术 提 高 一 倍 以 上 级标 准 要 求
,
,
各
热 量 较小 可 延 长 润 滑 脂 的 寿命
项 技 术 指 标 均 达 到或 超 过
对我 国
,
陶瓷轴 承实现产业 化和 商品化 的进 程 可 起 到一 定 的推 进 作 用
、
氮化 硅 陶 瓷 的 热 膨 胀 系 数 大 约 是 轴 承 钢 的
,
。
当然 陶瓷 轴 承 的 研 究还 处 于 初期 其
, ,
因 此 陶瓷 轴 承 随 温 度 变 化 的尺 寸 变化量 小
, ,
,
研 究远 没 有 结束
还 需 要 在 以 下 几 方 面 进 一 步研
、
且 产 生 的 热 预 载 较低 从 而 避 免 了 过 多 的 热 量 聚 集
或疲 劳 剥 落 失 效 有 益 于 在 温 度 变 化 大 的 环境 中使
用
。
究 探 索 一 是研究适 应 范 围 更 宽 润 滑 条 件更 恶 劣
条 件 下 陶 瓷 轴 承 的 滚 动 接 触性 能
, , ,
二 是 研究 陶瓷 轴
耐蚀 性
承相 关部件 的 结 构 配 合 设 计 经 济 性 三 是 陶瓷 轴 承相 关部 件无 损检 测方 法和 破
,
以 及 加 工 的可 靠性 和
。
陶 瓷 材 料 不 活 泼 的 化 学 特 性 使 陶瓷 轴 承 具 有
一 定 的耐腐蚀性 能
,
坏 预 测 的技 术
,
四 是 制 定 陶瓷 轴 承 的 检验 标 准 等
,
因此
、
,
陶瓷轴 承 可 用 于 钢 制 轴
,
相 信 陶 瓷 轴 承进 人实 用 化 阶段 已 为 时不 远
其应 用
陶瓷 轴
承 由于 缺 乏 耐 化 学 性 而 提 前 失效 的 所 有 应 用 场 合
前 景 十 分广 阔
,
甚 至 象 有 人所 预 言 的 那 样
。
如 化 工 机 械设 备
无磁性
、
食品
海 洋 等部 门 使 用 的 机 械 以
承 今 后 会 完 全取 代钢 质轴 承
及 原 子 能设 备 中 的 应 用
。
收稿 日期
一
一
《陶瓷 工 程 》