轴承用氮化硅球的制造方法

孙立钧,张桂燕

（1.哈尔滨轴承集团公司 质量管理部，黑龙江 哈尔滨150036；2.中航工业哈尔滨轴承有限公司 套圈工部，黑龙江 哈尔滨，150036）

1 前言

随着机械制造业向高精度、高速度方向发展，陶瓷球轴承以其优越性能引人注目。目前世界各国研究、生产陶瓷球轴承的公司很多，如SKF、FAG、NSK等。虽然氮化硅在工业陶瓷中不是最硬的，韧性也不是最高的，但是在要求高性能的轴承应用中，氮化硅被认为具有最佳的机械物理综合特性，所以用于高性能滚动轴承的陶瓷一般指的就是氮化硅（Si3N4）。

2 滚动轴承用陶瓷材料的使用特性

陶瓷具有硬度高、耐热性好、高耐蚀性和重量轻等许多优良特点。表 1 为热压氮化硅（Si3N4）和滚动轴承钢的材料特性比较，表 2 为热压氮化硅（Si3N4）和滚动轴承钢的基本差别。

图1 氮化硅球的加工过程

3 氮化硅球的制造

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

3.1 毛坯成形

表1 热压Si3N4和滚动轴承钢材料特性

表2 热压Si3N4和滚动轴承钢的基本差别

象大多数陶瓷制品一样，氮化硅球也用粉末制造。目前常用的氮化硅毛坯球制造工艺有：反应烧结、热压烧结、热等静压烧结等。在轴承零件生产中，热等静压法目前被认为是制造氮化硅毛坯球最佳工艺，因为该工艺直接适用于密封预成形或是烧结生产方法的一部分，能生产出100%的致密材料。热等静压法是在250MPa的压力和750℃的温度下，在氩气保护气氛中，将氮化硅材料热压2h，制成试样球。再用玻璃粉末喷射球坯，形成一个多孔的壳体，然后将其置于一个真空的专用炉中加热，从材料中除去被束缚住的空气，并使玻璃熔化，控制冷却后，玻璃层变成了密封层。热压阶段完成后，减小压力，促使玻璃从球中清除出来。

3.2 粗磨、精磨加工

氮化硅球的粗磨和精磨加工与钢球的加工机理基本一致。粗磨加工是氮化硅球在同心砂轮沟槽内进行磨加工时，球在相对于砂轮轴线同心的砂轮槽内运动，通过较高的挤压力与球表面和砂轮有相对运动来磨去球的部分留量。而精磨加工用的固定盘和转动盘均是铸铁盘，盘的硬度应大于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，精磨工序是进一步消除前工序机械加工的缺陷，并改善球的几何精度。

3.3 精研加工

氮化硅球的精研加工是在转动的铸铁研球盘的V形沟槽里和固定研球盘平面的压持下，形成三圆弧面接触状态，在研磨压力的作用下及转动研球盘的带动下，使氮化硅球沿沟槽不断地滚动旋转。磨料被氮化硅球挤压，而嵌入研球盘沟槽表面上，形成三个圆弧形磨具。

3.4 超精研加工

氮化硅球超精研加工是在立式研球机上采用单盘多沟封闭法加工。超精研加工，由于球在研盘内的各自沟槽里作圆周研磨，沟槽的滚道与球相当吻合，因而避免了诸如循环精研时的碰撞与摩擦，能够加工出表面质量更好、几何精度和尺寸精度更高、振动值很小的高精度球。

3.5 磨料的选用

对于一般的钢球，都是在热处理前软磨，热处理后用碳化硅砂轮硬磨以除去磨量。而氮化硅球的所有磨量都是通过研磨去除的，所以研磨时间要比钢球长很多。氮化硅球的磨加工要根据不同的加工过程选用不同种类和不同硬度的磨料，磨料粒度由粗到细，如果磨料使用的过多或过少，则可降低研磨效率和球表面精度，只有采用与相应加工工序相协调的磨料配比，才能得到理想的效果。粗磨和精磨工序采用不同粒度的金刚砂，也可采用碳化硅进行磨削；精研工序采用的是氮化硼或三氧化二铬进行研磨；超精研采用金刚石软膏或用三氧化二铬、机械油和硬脂酸配制的超精研油膏进行研磨。

3.6 氮化硅球与轴承钢球比较

按以上方法加工出的7.937 5mm（5/16"）规格的氮化硅球经过检测，并和同规格轴承钢球进行比较，其结果见表 3。

表3 检测结果

由检测结果可知，按以上方法加工出的氮化硅球其技术参数完全能达到G10级球的标准。

4 结束语

由陶瓷材料的性能可知其某些特性对制造滚动轴承是有利的。这些特性包括：重量轻、硬度高，耐高温、超高温时尺寸稳定、耐腐蚀等。但加工出的G10级氮化硅球振动值高于钢球，且加工难度大，加工费用高，研磨时间长，不适合批量生产。怎样提高氮化硅球加工的可靠性和经济性，进一步使陶瓷的潜在性能充分利用，是我们进一步研究的目标。