軸承用氮化硅球的制造方法

孫立鈞,張桂燕

（1.哈爾濱軸承集團公司 質量管理部，黑龍江 哈爾濱150036；2.中航工業哈爾濱軸承有限公司 套圈工部，黑龍江 哈爾濱，150036）

1 前言

隨著機械制造業向高精度、高速度方向發展，陶瓷球軸承以其優越性能引人注目。目前世界各國研究、生產陶瓷球軸承的公司很多，如SKF、FAG、NSK等。雖然氮化硅在工業陶瓷中不是最硬的，韌性也不是最高的，但是在要求高性能的軸承應用中，氮化硅被認為具有最佳的機械物理綜合特性，所以用于高性能滾動軸承的陶瓷一般指的就是氮化硅（Si3N4）。

2 滾動軸承用陶瓷材料的使用特性

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。表 1 為熱壓氮化硅（Si3N4）和滾動軸承鋼的材料特性比較，表 2 為熱壓氮化硅（Si3N4）和滾動軸承鋼的基本差別。

圖1 氮化硅球的加工過程

3 氮化硅球的制造

氮化硅球的制造一般分為毛坯成形、粗磨加工和研磨加工。其加工工序如圖 1 所示。

3.1 毛坯成形

表1 熱壓Si3N4和滾動軸承鋼材料特性

表2 熱壓Si3N4和滾動軸承鋼的基本差別

象大多數陶瓷制品一樣，氮化硅球也用粉末制造。目前常用的氮化硅毛坯球制造工藝有：反應燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結等。在軸承零件生產中，熱等靜壓法目前被認為是制造氮化硅毛坯球最佳工藝，因為該工藝直接適用于密封預成形或是燒結生產方法的一部分，能生產出100%的致密材料。熱等靜壓法是在250MPa的壓力和750℃的溫度下，在氬氣保護氣氛中，將氮化硅材料熱壓2h，制成試樣球。再用玻璃粉末噴射球坯，形成一個多孔的殼體，然后將其置于一個真空的專用爐中加熱，從材料中除去被束縛住的空氣，并使玻璃熔化，控制冷卻后，玻璃層變成了密封層。熱壓階段完成后，減小壓力，促使玻璃從球中清除出來。

3.2 粗磨、精磨加工

氮化硅球的粗磨和精磨加工與鋼球的加工機理基本一致。粗磨加工是氮化硅球在同心砂輪溝槽內進行磨加工時，球在相對于砂輪軸線同心的砂輪槽內運動，通過較高的擠壓力與球表面和砂輪有相對運動來磨去球的部分留量。而精磨加工用的固定盤和轉動盤均是鑄鐵盤，盤的硬度應大于220HB。粗磨工序可以消除毛坯球表面的缺陷，提高表面粗糙度和尺寸精度，精磨工序是進一步消除前工序機械加工的缺陷，并改善球的幾何精度。

3.3 精研加工

氮化硅球的精研加工是在轉動的鑄鐵研球盤的V形溝槽里和固定研球盤平面的壓持下，形成三圓弧面接觸狀態，在研磨壓力的作用下及轉動研球盤的帶動下，使氮化硅球沿溝槽不斷地滾動旋轉。磨料被氮化硅球擠壓，而嵌入研球盤溝槽表面上，形成三個圓弧形磨具。

3.4 超精研加工

氮化硅球超精研加工是在立式研球機上采用單盤多溝封閉法加工。超精研加工，由于球在研盤內的各自溝槽里作圓周研磨，溝槽的滾道與球相當吻合，因而避免了諸如循環精研時的碰撞與摩擦，能夠加工出表面質量更好、幾何精度和尺寸精度更高、振動值很小的高精度球。

3.5 磨料的選用

對于一般的鋼球，都是在熱處理前軟磨，熱處理后用碳化硅砂輪硬磨以除去磨量。而氮化硅球的所有磨量都是通過研磨去除的，所以研磨時間要比鋼球長很多。氮化硅球的磨加工要根據不同的加工過程選用不同種類和不同硬度的磨料，磨料粒度由粗到細，如果磨料使用的過多或過少，則可降低研磨效率和球表面精度，只有采用與相應加工工序相協調的磨料配比，才能得到理想的效果。粗磨和精磨工序采用不同粒度的金剛砂，也可采用碳化硅進行磨削；精研工序采用的是氮化硼或三氧化二鉻進行研磨；超精研采用金剛石軟膏或用三氧化二鉻、機械油和硬脂酸配制的超精研油膏進行研磨。

3.6 氮化硅球與軸承鋼球比較

按以上方法加工出的7.937 5mm（5/16"）規格的氮化硅球經過檢測，并和同規格軸承鋼球進行比較，其結果見表 3。

表3 檢測結果

由檢測結果可知，按以上方法加工出的氮化硅球其技術參數完全能達到G10級球的標準。

4 結束語

由陶瓷材料的性能可知其某些特性對制造滾動軸承是有利的。這些特性包括：重量輕、硬度高，耐高溫、超高溫時尺寸穩定、耐腐蝕等。但加工出的G10級氮化硅球振動值高于鋼球，且加工難度大，加工費用高，研磨時間長，不適合批量生產。怎樣提高氮化硅球加工的可靠性和經濟性，進一步使陶瓷的潛在性能充分利用，是我們進一步研究的目標。