高性能氮化硅陶瓷滾子的研制

于琦，張永乾，楊澤琨，劉麗斌，蘇柏萬

(1.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471039；2.河南省高性能軸承技術重點實驗室，河南 洛陽 471039；3.滾動軸承產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟，河南 洛陽 471039；4.北京控制工程研究所，北京 100081)

隨著工業(yè)技術的高速發(fā)展，對軸承的要求也越來越高，如結構小型化，尺寸精密化，速度高速化，高真空、防腐蝕等更苛刻的工況條件也日益增多，鋼制軸承在某些性能方面已無法滿足其使用要求[1]。

與軸承鋼相同，氮化硅(Si3N4)失效模式均為疲勞失效。由于其密度為3.1～3.3 g/cm3，僅為軸承鋼的40%，因此滾動體的質(zhì)量較輕，慣性較小，在軸承快速啟停中，保持架承受的應力較低，并且軸承高速運轉時的摩擦顯著降低，意味著運轉溫度更低，且潤滑劑的使用壽命更長，所以陶瓷混合軸承適用于高dm·n值工況[2]。在邊界潤滑狀態(tài)，Si3N4和鋼材之間不易發(fā)生黏合，使得陶瓷混合軸承在惡劣動態(tài)條件或低工作黏度(K<1)潤滑下運行時，壽命比鋼制軸承長。國內(nèi)外的研究結果表明，應用陶瓷材料制造滾動體可顯著提高高速軸承的使用性能和壽命。

國外已開展陶瓷滾子軸承研究，并有陶瓷滾子軸承銷售[3-4]，但國內(nèi)尚未見有關高性能氮化硅陶瓷滾子軸承的研制或生產(chǎn)的報道。

鑒于此，現(xiàn)制作2種不同配方的Si3N4陶瓷，檢測其材料性能，選取綜合性能較優(yōu)的配方，通過研磨加工試制陶瓷滾子，并檢測其公差等級，對裝有陶瓷滾子的混合軸承進行試驗。

1 滾子性能試驗

1.1 原料

Si3N4原料粉末特性見表1。

表1 Si3N4粉末性能

1.2 制備方法

燒結助劑為納米級的氧化鋁(Al2O3)和氧化釔(Y2O3)，混合后加入Si3N4原料中，試制2種不同助劑含量的配方，見表2。

表2 陶瓷滾子配方

按照表2進行配料，加入球磨機中，以酒精為介質(zhì)，使用Si3N4磨介球研磨混合。將磨好的混合料經(jīng)離心噴霧干燥制粒，自動壓制，冷等靜壓，氣氛壓力燒結，研磨加工等工序，制成φ10 mm×10 mm的陶瓷滾子，并裝入NU208軸承進行驗證試驗。

1.3 試驗設備及方法

采用阿基米德排水法測量燒結后滾子的密度；采用壓痕法測量滾子的維氏硬度(HV10)和斷裂韌性；采用激光共聚焦掃描顯微鏡檢測滾子孔隙度。陶瓷滾子成品尺寸按照GB/T 4661—2002《滾動軸承 圓柱滾子》規(guī)定進行檢測。

2 結果與分析

2.1 陶瓷材料的力學性能

2種燒結助劑含量試樣的力學性能見表3。由表3可知，1#試樣密度低于2#試樣，這是因為Al2O3和Y2O3密度均大于Si3N4，1#試樣Al2O3和Y2O3含量低于2#試樣，故在致密情況下1#試樣密度較低。1#試樣硬度高于2#試樣，斷裂韌性低于2#試樣，這是因為1#試樣的Si3N4含量較高，燒結后Si3N4以β相存在，β- Si3N4為柱狀晶，強度高，受力過程中，層疊狀的β- Si3N4柱可提高其承載能力，因此1#試樣具有較高的硬度和較低的斷裂韌性。

表3 陶瓷材料的力學性能

2.2 陶瓷材料的孔隙度

試樣的金相組織如圖1所示，由圖可知，2種試樣均有部分細碎孔隙，材料致密化程度相似，但均達到致密，試樣金相組織與密度檢測結果一致。

圖1 Si3N4滾子金相照片

1#試樣的孔隙數(shù)稍多于2#試樣，這是因為Si3N4材料的燒結是液相燒結，分為重排、溶解-再結晶、晶粒生長等階段。Si3N4燒結過程中，液相的含量和分布情況會對致密化有重要的影響，1#試樣助劑含量較少，燒結過程中產(chǎn)生的液相少，顆粒重排速度慢，致密化速度較慢，燒結難度較大，需要更高要求的粉料處理技術，更合理的燒結工藝和更嚴格的工藝控制。

2.3 陶瓷滾子成品尺寸

為研究低燒結助劑含量下陶瓷滾子的性能，選取助劑質(zhì)量分數(shù)為8%的滾子進行研磨加工，試制出的陶瓷滾子成品如圖2所示。

圖2 陶瓷滾子成品

隨機選取5個陶瓷滾子進行檢測，結果見表4，由表可知，滾子尺寸達到GB/T 4661—2002中Ⅰ級的要求。

表4 陶瓷滾子尺寸

3 軸承試驗

對裝有成品陶瓷滾子的NU208軸承進行高速試驗及抗斷油能力試驗[5-6]，套圈材料為8Cr4Mo4V,保持架材料為鋁青銅。選取1套同型號的全鋼軸承進行對比試驗，滾子材料為8Cr4Mo4V，公差等級與陶瓷滾子等級相同，為Ⅰ級。

3.1 高速試驗

試驗在簡支梁高溫高速試驗機上進行，采用溫度傳感器檢測軸承外圈溫度，施加1 kN的徑向載荷。高速試驗程序見表5，試驗結果如圖5所示。

表5 高速試驗程序

圖3 外圈溫度隨轉速變化情況

由圖5可知，51 000 r/min轉速下，陶瓷滾子軸承外圈溫度為164 ℃，提高轉速繼續(xù)試驗，混合陶瓷滾子軸承轉速達到62 500 r/min，超出驅(qū)動電主軸轉速范圍，最終中止試驗，此時外圈溫度為190 ℃。試驗后混合陶瓷滾子軸承外觀完好，主要尺寸精度、旋轉精度、游隙等指標變化不大，14個滾子表面光滑無異常。鋼制滾子軸承轉速達51 000 r/min時，因試驗機主機電流值超過允許電流，報警停機，外圈溫度為191 ℃。

通過高速試驗可以得出，混合陶瓷滾子軸承最高轉速和溫升均優(yōu)于鋼制滾子軸承，這是由于Si3N4密度小于鋼材，離心力小。陶瓷滾子具有較高的彈性模量，載荷下形成的壓力橢圓小，在高速運動下，混合陶瓷滾子軸承摩擦發(fā)熱少，因此,混合陶瓷滾子軸承運轉溫度較鋼制軸承更低，高速下軸承溫升更小。

3.2 抗斷油能力試驗

測試2種軸承在30 000，36 000，39 000，42 000，45 000 r/min轉速下的抗斷油能力。每種轉速下的斷油試驗程序見表6，試驗結果見表7。

表6 斷油試驗程序

表7 斷油試驗結果

由表7可知，混合陶瓷滾子軸承在轉速45 000 r/min下斷油45 s時，主機電流超過允許值，報警停機，試驗后混合陶瓷滾子軸承轉動靈活，無卡滯現(xiàn)象。鋼制滾子軸承在轉速42 000 r/min，斷油試驗14 s時，軸承卡死。

由此可知，混合陶瓷滾子軸承抗斷油能力優(yōu)于鋼制滾子軸承，這是由于陶瓷材料熱膨脹系數(shù)小，高速下其溫升較鋼制軸承小，軸承的溫度敏感性降低，減小了軸承卡死的風險。

4 結論

1)助劑含量較低的陶瓷材料會降低氮化硅陶瓷滾子的密度和斷裂韌性，提高其硬度。

2)高性能、高精度的氮化硅陶瓷滾子公差等級達到Ⅰ級。

3)與鋼制滾子軸承相比，混合陶瓷滾子軸承具有較好的高速性能和抗斷油能力。