氮化硅,最强轴承滚珠材料
氮化硅,最强“轴承滚珠”材料 一、前景概要大量实验证明,在高转速(转速在 4×104r/min 以上)环境下工作的精密轴承中“球”是轴承中最 薄弱的零件,大约 60%-70%的高速轴承失效都是由钢球产 生不同程度的疲劳导致的。许多国内高速轴承就普遍存在轴 承钢球产生不同程度疲劳破坏等问题。为了改善高速轴承性 能以延长其疲劳寿命,国内外应用结构陶瓷来制造球体或其 他轴承零件可显著提高“高速轴承”的使用性能和寿命。陶瓷 种类繁多,而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,氮化硅却被认为 是具有最佳的机械物理综合特性。 这是为啥?图 1 风力发电 机用“氮化硅陶瓷滚珠”混合轴承其重要原因是:其他陶瓷损 坏的话是以灾难性破裂方式产生的,而氮化硅陶瓷则是以类 似于轴承钢失效的方式即局部剥落的方式发生的。因此作为 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!下文将对氮化硅轴承材料的特点做简单 的剖析,并对其滚动体(氮化硅滚珠)的成型工艺做简单介 绍。二、氮化硅轴承材料的优越性在哪?1 比密度小,离心力 小-更利于高速运转氮化硅陶瓷材料的密度约为 3.2×103kg/m3,而轴承钢的密度约为 7.8×103kg/m3。氮化 硅陶瓷密度仅为轴承钢密度的 40%左右。 因此当滚动体使用 氮化硅陶瓷时,轴承在高速旋转时能有效抑制因离心力作用 引起的滚动体载荷的增加。因此,采用低密的氮化硅球更加 利于轴承的高转速发展。图 2 轴承转动示意图(gif)2 耐热 -可适应更高温工作条件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。例如:M50 高温轴 承钢的使用温度极限约为 400℃,达到这一温度,钢硬度下 降程度很大,而氮化硅在这一温度范围内完全保持原有硬度, 只在约 800℃时,其硬度和强度才开始下降。因此,对于用 在高温环境的轴承来说,氮化硅材料是非常适合的。例如: 航空喷气发动机、燃气轮机、核反应堆系统、X 光管钨盘, 以及火箭、宇宙飞船中。3 线膨胀系数小-可用于环境温度变 化领域氮化硅的线膨胀系数大约是轴承钢的 1/4,所以氮化 硅轴承材料随温度变化的尺寸变化量小。防抱死:因此,氮 化硅陶瓷材料制备的轴承,可有效的防止轴承材料因温度变 化导致尺寸变化而发生“抱死”等现象。从而保证设备的稳定 运行,减少因设备故障发生的损失。4 优异的自润滑性能氮 化硅陶瓷材料本身具有减摩、抗磨、润滑功能,在不良的润 滑工况条件下,如贫油润滑、无油干摩擦情况下,显示出优 越的减摩自润滑性能,具有良好的应急状态,可以有效避免 设备突发故障造成的损失。氮化硅自润滑的机理尚存在争议, 目前有学者认为产生这种特性的主要原因是氮化硅在摩擦 过程中会微量分解,在表面形成很薄的气膜,从而使摩擦阻 力减小。并且随着摩擦的不断进行,摩擦面越来越光洁,阻 力越来越小,起到了润滑减磨的效果。图 3 热压成型的氮化 硅球工作了十年后 “变得圆滑了”,同理轴承滚珠也会类似变 化 5 化学性质稳定-耐腐蚀氮化硅对大多数酸,诸如盐酸、 硫 酸、硝酸和磷酸以及碱具有良好的耐化学稳定性,只有氢氟 酸或盐酸与硝酸的混合液能对氮化硅产生腐蚀。因此,氮化 硅制备的轴承材料可长时间于腐蚀性的酸、 碱、 盐等溶液中, 相比于钢制轴承而言,其平均寿命将比不锈钢轴承高 4-25 倍。可应用于化工机械设备、食品、海洋、污水处理等部门 使用的机器,降低腐蚀带来的困扰。6 无磁性、绝缘性在强 磁环境下,使用钢制轴承,从轴承本身磨损下来的微粉被吸 附于滚动体和滚动面上,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材料制备轴 承会产生电蚀,而引起牵引电机轴承的寿命降低。采用绝缘 的全陶瓷氮化硅轴承材料可以有效改善电蚀对轴承的影响。 三、 氮化硅滚珠的制造工艺既然“球”是轴承中最薄弱的零件, 那么氮化硅滚珠(轴承球)的制备工艺也就显得尤为重要。 下文将为大家简单解析氮化硅滚珠是怎么做出来的。 图 4 氮 化硅陶瓷轴承滚动体氮化硅球的制造一般分为毛坯成形、粗 磨加工和研磨加工。其加工工艺流程边框图如下。 图 5 氮化硅球的加工过程 1 氮化硅毛坯球成型与大多数陶 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烧结生 产方法的一部分,能生产出致密度接近 100%的材料。热等 静压法工艺流程简述: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。?氮化硅毛坯球的制造技术对氮化硅陶瓷球的后续加工 过程影响很大,毛坯球的尺寸公差及表面质量将决定着陶瓷 球最终质量及后期加工成本。2 磨料选择陶瓷球加工包括粗 磨、精磨、精研、及超精研等工序,其中粗磨加工去除陶瓷 球留量的 95%。在各个工序完成之后,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 必然带有大量的磨料颗粒,必须清洗干净,尤其是精研和超 精研工序。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。 图 6 不同研磨工段磨料选择?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;?超精研工序采用金刚石软 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 粗磨工序粗磨工序可以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,在磨削前,先将 磨盘的沟槽用相同尺寸的钢球进行滚压和磨合,使陶瓷球与 沟槽滚道得到良好的吻合,以提高表面精度和几何精度。粗 磨加工: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。4 精磨工序精 磨加工工序与粗磨基本相同,可进一步消除前工序机械加工 的缺陷,提高球的尺寸精度和表面质量。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。5 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。6 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