Si3N4陶瓷球加工工藝的研究

王 泉 ，劉秀蓮，葛華偉

（1.哈爾濱軸承配件有限公司 鋼球分廠，黑龍江 哈爾濱 150036；2 中航工業哈爾濱軸承有限公司 研發中心,黑龍江 哈爾濱 150036）

1 前言

隨著現代機械工業、航空航天工業的發展，以及應用材料科學的不斷突破和創新，陶瓷球軸承應運而生。Si3N4陶瓷材料的密度為3.2×103kg/m3，比軸承鋼的7.8×103kg/m3要低很多，Si3N4陶瓷材料的維氏硬度為1400～1700 kgf/mm2，軸承鋼的維氏硬度為700～800 kgf/mm2。陶瓷具有硬度高、耐熱性好、高耐蝕性和重量輕等許多優良特點，特別適合做高速、高精度及長壽命混合陶瓷球軸承的滾動體。此次所進行的Si3N4陶瓷球加工工藝的研究，主要是在毛坯陶瓷球的基礎上進行磨削和精研加工，研制出G5級Si3N4陶瓷球。

2 Si3N4陶瓷的優點和特性

2.1 高溫應用

氮化硅具有很好的溫度特性，特別適用于高溫環境。高溫環境下高溫軸承鋼已經喪失了其硬度和強度時，而氮化硅還沒有發生變化。如M50高溫軸承鋼的使用溫度極限約為400℃，達到這一溫度，鋼硬度下降程度很大，而氮化硅在這一溫度范圍內完全保持原有硬度，只在約800℃時，其硬度和強度才開始下降。這里的硬度值是相對于室溫下標準態GCr15滾動軸承鋼的硬度來標定的。

在溫度升高情況下，陶瓷不變形不收縮，保持良好的尺寸穩定性，而軸承鋼為了保持良好的尺寸穩定性，必須進行特殊熱處理才能達到。但當對運轉平穩性、壽命和運轉可靠性提出更高要求時，陶瓷軸承在高溫和高轉速的工作環境下，應使用固體潤滑劑。

2.2 較小的離心力

氮化硅的密度約為3.2×103kg/m3，而軸承鋼的密度約為7.8×103kg/m3，僅為鋼密度的40%，所以當滾動體使用陶瓷時，軸承在高速旋轉時能夠抑制因離心力作用引起的滾動體載荷的增加。另外例如角接觸球軸承具有一定的接觸角，這種軸承滾動體與滾道面之間會產生旋轉滑動，當選用密度小的陶瓷滾動體時，不僅旋轉滑動小，而且對軸承發熱和表面損傷起到有益作用。

2.3 化學穩定性

在氧化和腐蝕環境，尤其是在反復滾動而擠掉表面油膜的接觸區應具有抗氧化和腐蝕穩定性。不銹軸承鋼，如9Cr18Mo，其化學穩定性是有限的，甚至大部分酸都能使這種不銹鋼發生腐蝕，所以不適合做化學工業用軸承，而氮化硅對大多數酸，如鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸和堿，如氫氧化鈉溶液等都具有很高化學穩定性。只有氫氟酸和鹽酸、硝酸的混合液對氮化硅產生腐蝕，可用于陶瓷試樣的腐蝕劑。

2.4 非磁性、絕緣性

在強磁環境中使用鋼制軸承，從軸承本身磨損下來的微粉被吸附在滾動體和滾道之間，這將成為軸承提早剝落損壞和噪聲增大的主要原因。陶瓷軸承是非磁性的，在需要完全非磁性的場合，以前尚未找到滿意的解決辦法，目前陶瓷的無磁性已開始用于超導相關的領域中。

3 G5級陶瓷球加工工藝

3.1 工藝過程

選擇7.9375mm（5/16"）外購毛坯陶瓷球進行G5級Si3N4陶瓷球加工工藝試驗后，確定其工藝過程及各工序技術參數見表1。

3.2 采用的技術原理

盡管陶瓷材料與軸承鋼材料在基本特性上有很大差別，但兩種材料球的研磨原理基本相似，但由于陶瓷球的硬度特別高且脆性大，加工時易使材料表面產生裂紋，這些裂紋可在軸承運轉中引起零件斷裂，所以陶瓷球的研磨加工要分步進行，由粗到精分多道工序來完成，因此，加工時間長，成本高。

（1）磨料的選擇。要根據不同的加工過程選用不同的磨料，磨料粒度由粗到細，以取得最佳磨削效果。粗磨和精磨工序采用不同粒度的金剛砂進行磨削，也可采用碳化硅；精研工序采用的是氮化硼進行研磨；超精研采用金剛石軟膏進行研磨。

（2）由于陶瓷材料硬度高，耐磨性極好，所以研磨盤應具有強的抗磨損能力、致密的組織和適中的硬度，粗磨時研磨盤硬度為240HB為好，精研、超精研的研磨盤硬度為220HB為好。

（3）粗磨工序可以消除毛坯球表面的各種缺陷，包括燒結氧化層、氣孔和表面微小裂紋等，在磨削前，先將磨盤的溝槽用相同尺寸的鋼球進行滾壓和磨合，使陶瓷球與溝槽滾道得到良好的吻合，以提高表面精度和幾何精度。

（4） 精磨加工工序與粗磨基本相同，可進一步消除前工序機械加工的缺陷，提高球的尺寸精度和表面質量。

（5） 精研的作用是使陶瓷球的尺寸精度和球形精度及表面質量得以充分改善。由于陶瓷球的質量輕，循環時在機床出球口增加一個刀板，防止存球，保證了陶瓷球進球和出球過程中不受阻力，進出球均勻、合理適當。

（6） 超精研是采用封閉式單溝加工。由于鋼球在兩研磨盤各自的溝槽內作有規律的研磨，同時研磨劑又很細，所以研磨盤溝槽與鋼球球形相當吻合，從而能加工出表面很光滑的正確球形，以獲得最佳的球直徑變動量、球形誤差、表面粗糙度和振動值。

表1 G5級陶瓷球加工工藝過程

（7） 在各個工序完成之后，都要對陶瓷球進行清洗，以保證陶瓷球良好的清潔度。因為前工序的陶瓷球表面必然帶有大量的磨料顆粒，必須清洗干凈，尤其是精研和超精研工序。

4 檢驗結果

經檢驗，成品陶瓷球各項技術指標見表2。

表2 檢驗結果

5 結束語

雖然研制出符合要求的Si3N4陶瓷球，但陶瓷球毛坯制造技術還不夠成熟，毛坯球直徑公差較大，且表面存在疏松層，必須留有足夠的加工余量；所有的加工磨量都是通過研磨除去的，磨削時間極長，生產成本高，無法形成批量生產，有待進一步研究。