陶瓷轴承球的应用和生产加工*

徐学敏

(中材高新氮化物陶瓷有限公司　山东 淄博　255000)



陶瓷轴承球的应用和生产加工*

徐学敏

(中材高新氮化物陶瓷有限公司山东 淄博255000)

摘要笔者主要介绍了氮化硅陶瓷轴承球具有的优点和特性，并介绍了其应用领域及范围。通过对氮化硅陶瓷材料性能的对比分析，确定其生产加工工艺，最终生产出高于G5级标准要求的氮化硅陶瓷球。

关键词氮化硅轴承球加工工艺

前言

近年来，随着社会进步和科学技术的高速发展，轴承的使用环境和条件越来越多样化，对轴承的结构、材质和性能的要求也越来越高。随着应用材料科学的不断突破和创新，陶瓷球轴承应运而生。由于陶瓷材料具有低密度、耐高温、长寿命、低发热、低热膨胀、高刚性、无磁性、绝缘性等优异的性能，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，因此将陶瓷材料应用于制造轴承，已成为世界高新技术开发与应用的热点，成为机械工业材料技术革命的标志。

1　氮化硅轴承球的应用

新型材料之一的陶瓷作为滚动轴承材料使用，最早始于1960年初期，以美国为中心就开始了研究，日本从1980年初也开始这项工作的研究。

陶瓷种类繁多，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。氮化硅的一个很大的优点是，如果发生失效，那么失效是以类似于轴承钢失效的方式即局部剥落方式发生的，其它类型的陶瓷材料则以灾难性的碎裂方式损坏。作为滚动轴承用的材料，从滚动疲劳寿命和可靠性的观点看，只有氮化硅才能胜任。

众所周知，陶瓷材料与轴承钢相比具有质量轻、耐热、耐腐蚀等优异性能，作为轴承使用，可分为只有滚动体是陶瓷材质的混合轴承和内、外圈/滚动体都是陶瓷材质的全陶瓷轴承两种。陶瓷材料轴承所适用的工作环境分为“正常”或“极端”两种，正常环境是指在油或脂润滑条件下，工作温度为-40～200 ℃。其它应用场合不论是在高温、低温或恶劣/腐蚀条件下，都被认为是极端环境。

在航空航天、航海、核工业、石油、化工、轻纺工业、机械、冶金、电力、食品、机车、地铁、高速机床及科研国防军事技术等领域需要在高温、高速、深冷、易燃、易爆、强腐蚀、真空、电绝缘、无磁、干摩擦等特殊工况下工作，陶瓷轴承不可或缺的替代作用正在被人们逐渐地认识。

2　氮化硅陶瓷的优点和特性

2.1耐热性

一般钢制的轴承使用温度超过120 ℃时，硬度就会降低，滚动寿命也会下降。而氮化硅具有很好的温度特性，特别适用于高温环境。高温环境下，轴承钢已经丧失了其硬度和强度，而陶瓷材料即使在高温下强度和硬度也不会发生变化，所以对于用在高温环境的轴承来说，该材料是非常适合的。

2.2离心力

氮化硅的密度约为3.24×103kg/m3，而轴承钢的密度约为7.8×103kg/m3，仅为轴承钢密度的40%左右，所以当滚动体使用陶瓷时，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。

2.3线膨胀系数

氮化硅的线膨胀系数大约是轴承钢的1/4，所以随温度变化的尺寸变化量小，故有益于在温度变化大的环境中使用。

2.4硬度、弹性系数、泊松比

因为氮化硅的弹性系数大约是轴承钢的1.5倍，所以相对载荷的弹性变形小，相对载荷的刚性就高。

2.5耐腐蚀、无磁性、绝缘性

化工机械设备、食品、海洋等部门使用的机器，采用钢制轴承时其腐蚀是个问题，在强磁环境中，使用钢制轴承，从轴承本身磨损下来的微粉被吸附在滚动体和滚动面之间，这将成为轴承提早剥落损坏和噪声增大的主要原因。铁路车辆牵引电机使用轴承钢制轴承会产生电蚀，往往成为轴承提早剥落损坏的原因。而氮化硅陶瓷对大多数强酸和强碱都具有很高的化学稳定性。

普通轴承钢AISI52100(GCr15)、不锈钢AISI440(9Cr18)、氮化硅(Si3N4)、氧化锆(ZrO2)和氧化铝(Al2O3)5种轴承材料性能对照情况见表1。

表1　5种轴承材料性能对照表

陶瓷轴承作为一种重要的机械基础件，由于其具有金属轴承所无法比拟的优良特性，在新材料世界独领风骚。近年来，在国计民生的各个领域中得到了日益广泛的应用。

3　陶瓷球的生产加工

氮化硅陶瓷球是用硅粉作原料，先用通常成形的方法做成所需的形状，在氮气中及高温下进行氮化，使硅粉与氮气反应生成氮化硅。氮化硅的强度很高，尤其是热压氮化硅，是世界上最坚硬的物质之一。

尽管陶瓷材料与轴承钢材料在基本特性上有很大差别，但研磨机理基本相似。由于轴承用球对形状精度、尺寸精度、表面质量和材料特性的要求很高，所以为了加工出适应这些要求的陶瓷球，必须经过由粗到精多道工序的研磨。目前我公司陶瓷球经过的加工工序有粗磨、细磨、精磨、精研及超精研。

在加工陶瓷制品时，由于材料硬度特别高和脆性大，加工时易使材料表面产生裂纹，这些裂纹可在轴承运转中引起零件断裂。为了能控制陶瓷零件的加工，只能用极小的磨量来进行各工序的加工。因此使加工周期很长，成本增加。 陶瓷球的整个加工工艺最重要的是必须始终保持加工球在加工中不出现表面损伤。只有在所有的工艺参数与陶瓷材料的特性相匹配时，才能在保证质量和经济性的前提下获得加工工艺的改进。

消除毛坯球表面的各种缺陷，包括烧结氧化层、气孔和表面微小裂纹等。

由于氮化硅硬度较高，用钢球毛坯的加工方式很难去除氮化硅球坯的多余材料，因此氮化硅球的粗磨工序只能采用下板金刚石材质平板、上板铸铁板材质导球板进行磨削加工，在球和砂轮间存在特殊的运动机理，球在导球板的作用下相对于砂轮轴线同心的砂轮平板内运动。通过较高的挤压力和球表面与砂轮的相对运动来磨去球坯的部分留量。加工结果取决于诸多特性参数和影响因素，如机床、砂轮、球坯和加工参数等。

机床的影响因素以其设计和加工状态、静动态和热特性、工艺控制、驱动系统、加压方式等为特征。

砂轮的影响因素以其砂轮技术条件硬度、粒度、磨料种类、结合剂、进出球口部位的几何形状、硬度、粗糙度、动态和静态性能以及磨损程度为特征。

加工球的影响因素以其材料、组织、可磨削性、匀质性、强度、硬度、几何形状、批直径变动量为特征。

加工参数是磨削压力、砂轮转速、冷却剂、装球量和加工时间。

单是通过磨加工，既不能使陶瓷球达到与钢球相同的几何形状精度，也不能达到与钢球相同的表面质量特性。必须再通过下面几道工序研磨才可以把磨加工形成的粗糙表面以及过大的形状偏差研磨掉。

内部控制管理体制的不完善，导致高校在招标过程中，缺少必要的监督制度与严格的操作过程以及容易受行政干扰，导致采购的物质质量、价格和售后服务都很难得到保证，极易滋生腐败。另外，高校在物资采购和验收时，存在一人同时负责这两项工作的情况，严重违反分工控制准则。在设备采购后，高校中出现不把新采购设备计入固定资产项目的情况，导致国有资产流失严重。

3.2研磨加工

球在研磨加工时，球和研磨盘的运动机理以及机床结构与粗磨加工时相似。但由两块研磨盘取代金刚石板和导球板。下研磨板加工成V型槽，使球自传轴均匀地变化，快速地去掉多余的加工留量，以完成研磨加工。

研磨盘的硬度、盘沟的截面形状(同心沟槽)和研磨压力的相互作用，使磨料在两个工作面间滚动时，由磨粒锐角产生切削作用。其结果是形成细微且无方向的加工痕迹，其与钢球研磨时的磨削机理相一致。

影响研磨加工工序的参数甚多。下面列举有关研磨混合剂、工艺和运动机理方面的一些参数。

1)研磨混合剂。要根据不同的加工过程选用不同的磨料，磨料粒度要由粗到细，以取得最佳的磨削效果。磨工序使用碳化硅或碳化硼或金刚石研磨，研工序使用金刚石微粉进行研磨。磨料在配制过程中(由磨料和研磨液组成。磨料粒度、种类、磨粒形状、磨粒数量、磨粒强度、磨粒破碎性、磨粒磨损特性起重要作用)，研磨液则以分量、粘度、承载特性和各种添加剂表现其特性。

2)加工工艺及运动机理。在研磨盘内，材料、磨损状态、覆盖层和温度起重要作用。另外，磨料的配制与添加、研磨时的温度、研磨压力，加工球和材料也对工艺有着重大影响。

运动机理参数为同心沟槽节圆半径，沟槽截面形状和研磨盘的转速。

在实际加工中，研磨工序划分为细磨、精磨、精研及超精研加工阶段。细磨及精磨材料研磨量较大，精研及超精研的材料研磨量较小。

从根本上来讲，影响研磨加工工艺的主要是磨料和磨料液膜。

细磨及精磨大都采用碳化硅、碳化硼和人造金刚石粉作磨料。

精研及超精研选用氧化铬、碳化硼、人造金刚石粉或天然金刚石粉作磨料。

含有磨料的磨料液膜由煤油、脂、机油、磨料的混合溶液构成。根据不同种类磨料液膜，可以提高磨料的作用，或减轻磨料的作用。以此影响研磨能力和表面粗糙度。

在判断精研磨料时，通常不是粒度，而只是磨料种类和磨料硬度起决定性作用。

如果磨料使用得过多或者过少，则可降低形位精度和研磨效率。只有采用与相应加工工序相协调的磨料和研磨液配比量，才能得到理想的磨料液膜。对研磨压力和所要求的研磨加工时间也须作出正确选择，以便从粗加工开始，经过细磨、精磨、精研和超精研，最终获得最佳的表面质量。

轴承陶瓷球研磨加工的技巧在于，使所有上述可调参数处于相匹配的变化中。

3.3清洗

在各个工序完成后，都要对陶瓷球进行清洗，以保证陶瓷球良好的清洁度，因为前工序的陶瓷球表面必定会带着大量的磨料颗粒，必须清洗干净，尤其是精研和超精研工序。

3.4检测结果

经过上述工艺加工出的产品，球形误差小于0.08，表面粗糙度Ra小于0.005 μm，产品各项性能指标均达到G5级标准要求。

4　结语

笔者阐述了作为滚动轴承用的陶瓷材料氮化硅的特性和制成滚动轴承的应用，以及氮化硅陶瓷球的生产加工。除氮化硅外，氧化铝(Al2O3)和氧化锆(ZrO2)等也可用作轴承材料，但就目前所考虑的滚动疲劳寿命这个问题，最适合用作滚动轴承的还是氮化硅。氧化铝系列陶瓷可用作高精度气浮导轨台等。

应当提出，陶瓷轴承球成本高，但寿命要高出很多，适应性强，速度性能更是优越，所以，从综合的社会经济效益来看，陶瓷轴承球的应用前景十分广阔。随着陶瓷球加工工艺的不断改进，成本的降低，其应用前景十分可观，用途会越来越广泛。

参考文献

1张劲松.陶瓷轴承的开发和应用.轴承,1996(5):15～17

2王泉,刘秀莲,葛华伟.氮化硅陶瓷球加工工艺的研究.哈尔滨轴承,2012(11):8～10

*作者简介：徐学敏(1980-)，本科，工程师；主要从事材料技术与研究。

中图分类号：TQ174.75+8

文献标识码：B

文章编号：1002-2872(2016)07-0032-04

The Application and Manufacture Process of the Ceramic Bearing Balls

Xu Xuemin

(Sinoma Advanced Nitride Ceramics Co.,Ltd,Shandong,Zibo,255000)

Abstract:This paper mainly introduces the advantages and properties of silicon nitride rolling balls, and presented the applications fields. The processing technique was settled by comparison of the material properties of Silicon Nitride. In this way, balls graded over G5,were processed.

Key words:Silicon Nitride; Bearing balls; Processing technique