高性能氮化硅陶瓷滚子的研制

于琦，张永乾，杨泽琨，刘丽斌，苏柏万

(1.洛阳轴承研究所有限公司，河南 洛阳 471039；2.河南省高性能轴承技术重点实验室，河南 洛阳 471039；3.滚动轴承产业技术创新战略联盟，河南 洛阳 471039；4.北京控制工程研究所，北京 100081)

随着工业技术的高速发展，对轴承的要求也越来越高，如结构小型化，尺寸精密化，速度高速化，高真空、防腐蚀等更苛刻的工况条件也日益增多，钢制轴承在某些性能方面已无法满足其使用要求[1]。

与轴承钢相同，氮化硅(Si3N4)失效模式均为疲劳失效。由于其密度为3.1～3.3 g/cm3，仅为轴承钢的40%，因此滚动体的质量较轻，惯性较小，在轴承快速启停中，保持架承受的应力较低，并且轴承高速运转时的摩擦显著降低，意味着运转温度更低，且润滑剂的使用寿命更长，所以陶瓷混合轴承适用于高dm·n值工况[2]。在边界润滑状态，Si3N4和钢材之间不易发生黏合，使得陶瓷混合轴承在恶劣动态条件或低工作黏度(K<1)润滑下运行时，寿命比钢制轴承长。国内外的研究结果表明，应用陶瓷材料制造滚动体可显著提高高速轴承的使用性能和寿命。

国外已开展陶瓷滚子轴承研究，并有陶瓷滚子轴承销售[3-4]，但国内尚未见有关高性能氮化硅陶瓷滚子轴承的研制或生产的报道。

鉴于此，现制作2种不同配方的Si3N4陶瓷，检测其材料性能，选取综合性能较优的配方，通过研磨加工试制陶瓷滚子，并检测其公差等级，对装有陶瓷滚子的混合轴承进行试验。

1 滚子性能试验

1.1 原料

Si3N4原料粉末特性见表1。

表1 Si3N4粉末性能

1.2 制备方法

烧结助剂为纳米级的氧化铝(Al2O3)和氧化钇(Y2O3)，混合后加入Si3N4原料中，试制2种不同助剂含量的配方，见表2。

表2 陶瓷滚子配方

按照表2进行配料，加入球磨机中，以酒精为介质，使用Si3N4磨介球研磨混合。将磨好的混合料经离心喷雾干燥制粒，自动压制，冷等静压，气氛压力烧结，研磨加工等工序，制成φ10 mm×10 mm的陶瓷滚子，并装入NU208轴承进行验证试验。

1.3 试验设备及方法

采用阿基米德排水法测量烧结后滚子的密度；采用压痕法测量滚子的维氏硬度(HV10)和断裂韧性；采用激光共聚焦扫描显微镜检测滚子孔隙度。陶瓷滚子成品尺寸按照GB/T 4661—2002《滚动轴承 圆柱滚子》规定进行检测。

2 结果与分析

2.1 陶瓷材料的力学性能

2种烧结助剂含量试样的力学性能见表3。由表3可知，1#试样密度低于2#试样，这是因为Al2O3和Y2O3密度均大于Si3N4，1#试样Al2O3和Y2O3含量低于2#试样，故在致密情况下1#试样密度较低。1#试样硬度高于2#试样，断裂韧性低于2#试样，这是因为1#试样的Si3N4含量较高，烧结后Si3N4以β相存在，β- Si3N4为柱状晶，强度高，受力过程中，层叠状的β- Si3N4柱可提高其承载能力，因此1#试样具有较高的硬度和较低的断裂韧性。

表3 陶瓷材料的力学性能

2.2 陶瓷材料的孔隙度

试样的金相组织如图1所示，由图可知，2种试样均有部分细碎孔隙，材料致密化程度相似，但均达到致密，试样金相组织与密度检测结果一致。

图1 Si3N4滚子金相照片

1#试样的孔隙数稍多于2#试样，这是因为Si3N4材料的烧结是液相烧结，分为重排、溶解-再结晶、晶粒生长等阶段。Si3N4烧结过程中，液相的含量和分布情况会对致密化有重要的影响，1#试样助剂含量较少，烧结过程中产生的液相少，颗粒重排速度慢，致密化速度较慢，烧结难度较大，需要更高要求的粉料处理技术，更合理的烧结工艺和更严格的工艺控制。

2.3 陶瓷滚子成品尺寸

为研究低烧结助剂含量下陶瓷滚子的性能，选取助剂质量分数为8%的滚子进行研磨加工，试制出的陶瓷滚子成品如图2所示。

图2 陶瓷滚子成品

随机选取5个陶瓷滚子进行检测，结果见表4，由表可知，滚子尺寸达到GB/T 4661—2002中Ⅰ级的要求。

表4 陶瓷滚子尺寸

3 轴承试验

对装有成品陶瓷滚子的NU208轴承进行高速试验及抗断油能力试验[5-6]，套圈材料为8Cr4Mo4V,保持架材料为铝青铜。选取1套同型号的全钢轴承进行对比试验，滚子材料为8Cr4Mo4V，公差等级与陶瓷滚子等级相同，为Ⅰ级。

3.1 高速试验

试验在简支梁高温高速试验机上进行，采用温度传感器检测轴承外圈温度，施加1 kN的径向载荷。高速试验程序见表5，试验结果如图5所示。

表5 高速试验程序

图3 外圈温度随转速变化情况

由图5可知，51 000 r/min转速下，陶瓷滚子轴承外圈温度为164 ℃，提高转速继续试验，混合陶瓷滚子轴承转速达到62 500 r/min，超出驱动电主轴转速范围，最终中止试验，此时外圈温度为190 ℃。试验后混合陶瓷滚子轴承外观完好，主要尺寸精度、旋转精度、游隙等指标变化不大，14个滚子表面光滑无异常。钢制滚子轴承转速达51 000 r/min时，因试验机主机电流值超过允许电流，报警停机，外圈温度为191 ℃。

通过高速试验可以得出，混合陶瓷滚子轴承最高转速和温升均优于钢制滚子轴承，这是由于Si3N4密度小于钢材，离心力小。陶瓷滚子具有较高的弹性模量，载荷下形成的压力椭圆小，在高速运动下，混合陶瓷滚子轴承摩擦发热少，因此,混合陶瓷滚子轴承运转温度较钢制轴承更低，高速下轴承温升更小。

3.2 抗断油能力试验

测试2种轴承在30 000，36 000，39 000，42 000，45 000 r/min转速下的抗断油能力。每种转速下的断油试验程序见表6，试验结果见表7。

表6 断油试验程序

表7 断油试验结果

由表7可知，混合陶瓷滚子轴承在转速45 000 r/min下断油45 s时，主机电流超过允许值，报警停机，试验后混合陶瓷滚子轴承转动灵活，无卡滞现象。钢制滚子轴承在转速42 000 r/min，断油试验14 s时，轴承卡死。

由此可知，混合陶瓷滚子轴承抗断油能力优于钢制滚子轴承，这是由于陶瓷材料热膨胀系数小，高速下其温升较钢制轴承小，轴承的温度敏感性降低，减小了轴承卡死的风险。

4 结论

1)助剂含量较低的陶瓷材料会降低氮化硅陶瓷滚子的密度和断裂韧性，提高其硬度。

2)高性能、高精度的氮化硅陶瓷滚子公差等级达到Ⅰ级。

3)与钢制滚子轴承相比，混合陶瓷滚子轴承具有较好的高速性能和抗断油能力。