中國粉體網訊 軸承作為航空發(fā)動機、精密機床、高速列車等重大設備的關鍵基礎部件，其性能的優(yōu)劣直接影響和決定高端裝備的精度、壽命、極限轉速、承載能力、耐溫能力、穩(wěn)定性、可靠性和動態(tài)性能等關鍵指標。隨著高端裝備服役工況向極端復雜化發(fā)展，基于極端工況下軸承的設計、制造和服役等關鍵技術已經成為進一步拓展高性能軸承應用領域的“卡脖子”難題。
如在航空發(fā)動機設計中，軸承技術代表著發(fā)動機極限速、耐溫能力和可靠性水平，而軸承材料和技術占了90%~95%以上。由此可見，極端工況下服役的高性能軸承的重要性，因此，在材料性能、軸承設計、制造及服役等核心技術領域同時開展研究已成為解決當前高性能軸承“卡脖子”關鍵技術的突破口。
高性能陶瓷球軸承關鍵技術
隨著高端設備技術的發(fā)展，軸承使用環(huán)境越來越多樣化，當前主流軸承鋼種已不能滿足發(fā)展現(xiàn)狀。陶瓷球軸承具有高硬度、高強度、高溫耐性、低熱膨脹系數(shù)、低摩擦系數(shù)等優(yōu)良性能，在高端設備領域中得以應用。近年來，隨著材料研究深入、市場需求升級，陶瓷球軸承應用場景不斷擴展，目前已涉及到航天航空、衛(wèi)星、機床、汽車、半導體裝置、真空機械等多個領域。
氮化硅陶瓷軸承
高性能陶瓷球軸承作為解決軸承在極端工況下服役的核心關鍵部件，其材料制備、設計理論精密制造工藝等關鍵技術的發(fā)展水平對陶瓷軸承在極端工況下的服役行為起決定性作用。
01.陶瓷球軸承結構特性
軸承服役工況及裝備需求決定了軸承結構特點及類型。隨著陶瓷球軸承所覆蓋的應用領域越來越廣泛，針對不同技術領域的極端工況已開發(fā)出不同類型的陶瓷球軸承。
陶瓷軸承分類
陶瓷球軸承是指軸承圈和陶瓷球的組合，可分為混合陶瓷球軸承、全陶瓷球軸承兩大類，其中全陶瓷球軸承是指軸承內外圈和滾動體均由陶瓷材料制成，混合陶瓷球軸承是指僅滾動體零件由陶瓷材料制成�；旌咸沾汕蜉S承標準化程度高，具有壽命長、精度高、剛度高、轉速高等特點，可用于絕緣、無潤滑、高速、腐蝕、真空等特殊條件下使用。
02.陶瓷球軸承材料特性
軸承級陶瓷材料主要包括氮化硅（Si3N4）、氧化鋯（ZrO2）、氧化鋁（Al2O3）等，其中Si3N4是目前陶瓷球軸承使用的標準材料。氮化硅陶瓷材料與高溫軸承鋼及其它陶瓷材料相比更具有優(yōu)異的特性，主要用于數(shù)控機床、高速精密機械中。作為一種特殊的陶瓷材料，Si3N4陶瓷制備工藝復雜，制備過程包括粉體制備、成型、燒結、精密加工等。
Si3N4陶瓷球制備與生產流程圖
粉體方面，氮化硅粉體的合成方法主要有硅粉氮化法和化學合成法，國內均采用硅粉氮化法，與化學合成法制備的粉體相比，后者制備的粉體純度高、球形度好、燒結活性高、受硅原料穩(wěn)定性影響低，是制備高精度氮化硅陶瓷粉體的首選方法。
成型方面，隨著陶瓷粉體制備技術的提高，對坯體成型方法要求也越來越嚴苛，主要包括干壓成型法、塑性成型法、漿料成型法和固體無模成型法等幾大類。長期以來，長疲勞壽命陶瓷球毛坯主要是COORSTEK和Toshiba主導。
燒結方面，影響Si3N4坯體致密化燒結因素主要是燒結助劑的選擇和用量、燒結溫度、保溫時間及燒結方法等。不同的燒結方式對粉體擴散機制和相變過程的影響效果不同。目前，熱等靜壓法被認為是制造氮化硅毛坯球最佳工藝，因為該工藝直接適用于密封預成形或是燒結生產方法的一部分，能生產出100%的致密材料。
精密加工，Si3N4材料是硬度太高，這給Si3N4陶瓷球超精密研磨加工、研磨劑研制、研磨設備研發(fā)等帶來一系列技術挑戰(zhàn)，尤其是超精密Si3N4陶瓷球加工屬于世界軸承制造業(yè)公認的技術難題。此外，世界各國的軸承精度標準是依據ISO標準制定的，我國習慣上用P來表示精度級。共有P0、P6、P5、P4、P2五個級別。P0、P6屬于低檔產品，P5、P4屬于精密級，P2屬于超精密級（頂端產品）。
03.陶瓷球軸承基本設計理論
陶瓷球軸承常用于超高速、潤滑不充分等場合，對軸承的基本要求是：具有較長的精度使用壽命、摩擦發(fā)熱小，剛度高，針對這些要求，在陶瓷球軸承進行優(yōu)化設計時，應考慮以下幾點：
1）陶瓷球軸承旋滾比盡可能�。�
2）陶瓷球軸承剛度盡可能大；
3）陶瓷球與套圈滾道間的接觸應力盡可能�。�
4）陶瓷球軸承額定載荷盡可能大。
04.陶瓷球軸承零件精密加工技術
1、高精密陶瓷球制造關鍵技術
要制成超精密高端陶瓷球軸承，首要任務就是制造出超精密陶瓷球。其中，陶瓷球的研磨加工是制造精密陶瓷球的必不可少的環(huán)節(jié)之一。
陶瓷球精密加工關鍵技術
保證Si3N4陶瓷球超精密大規(guī)模生產的基本要點有：
Si3N4陶瓷球表面實現(xiàn)等概率磨削加工，即保證球面上每個質點都有相同的研磨概率；
磨削效率具有自動尺寸選擇性，即大球或者長軸方向自動實現(xiàn)優(yōu)先磨削；
研磨技術容易實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化低成生產；
目前公開報道的各種研磨技術均無法同時達到上述三點要求，據報道國內陶瓷球最高研磨精度達到G5級，大部分Si3N4陶瓷球軸承精度都在P5級以下精度。
2、陶瓷球軸承套圈控形控性制造技術
軸承套圈是軸承工作中起旋轉和支承滾動體運轉的零件，其加工工藝水平及精度直接影響軸承服役行為。相對于鋼制軸承套圈，陶瓷球軸承套圈的加工工藝因陶瓷材料本身硬脆特性而變得復雜。陶瓷球軸承套圈加工工藝以精密磨削、精密研磨為主，加工難度大、效率低，因此在陶瓷軸承技術發(fā)展與應用的過程中以鋼制軸承套圈與陶瓷球配合使用的混合陶瓷軸承率先得到應用。
陶瓷軸承套圈的關鍵技術主要是圍繞軸承套圈加工過程中如何實現(xiàn)陶瓷套圈高質量的控形控性制造為主要目標。陶瓷軸承套圈溝道磨削產生溝形誤差的主要原因是砂輪外緣輪廓精度、磨削工藝、夾具和光磨時間。目前較為理想的陶瓷軸承套圈裝夾方式包括壓輥式和氣動式；磨削工藝目前主要是切入式超精加工。
陶瓷軸承套圈溝道超精加工原理示意圖
來源：張珂等，《氮化硅全陶瓷球軸承溝道超精加工仿真與試驗研究》
高性能陶瓷球軸承發(fā)展趨勢
現(xiàn)階段，Si3N4陶瓷球軸承已經成為航空器APU、飛機附件機匣、火箭發(fā)動機等領域部分裝備的標配軸承，隨著高端制造裝備領域發(fā)展過程中服役環(huán)境與工況的極端復雜化，Si3N4陶瓷球軸承發(fā)揮出更顯著的綜合性優(yōu)勢。其發(fā)展趨勢與目標也更加明確：
高性能Si3N4材料。選用高純、粒度分布集中的粉體，采用脫氧和脫碳等工藝處理，并用熱等靜壓燒結工藝，通過顯微結構工程控制材料晶粒生長趨勢，改善陶瓷表面裂紋擴展機理。
Si3N4陶瓷球軸承設計理論。設計陶瓷球軸承時，除了需要設計基本的結構參數(shù)外，還需要面向工況開展表面摩擦學性能的匹配性設計、材料匹配性設計、結構動態(tài)性能設計、熱特性設計、潤滑性能相容性設計和工作性能設計等，但設計理念和結果還需要進一步驗證。
Si3N4陶瓷球軸承零件超精密加工技術。針對陶瓷球軸承在極端工況下應用情況，優(yōu)化對滾動體、套圈、保持架等零部件的精密加工設備及工藝，通過對零部件表面進行相貌精密加工，提高零部件間接觸與潤滑性能。
Si3N4陶瓷球軸承綠色潤滑技術。在極端工況下開發(fā)的Si3N4陶瓷球軸承的自潤滑性能，有效改善其潤滑性能，同時本身及其摩擦損耗產物不對生態(tài)環(huán)境造成危害，將成為Si3N4陶瓷球軸承潤滑技術的重要發(fā)展方向。
Si3N4陶瓷球軸承極端工況下服役狀態(tài)與遠期性能預測。搭建智能健康監(jiān)測系統(tǒng)是未來航空裝備技術監(jiān)測的總體發(fā)展趨勢，軸承健康狀態(tài)監(jiān)測是其中最重要的一項，其中包括軸承的運行健康狀態(tài)監(jiān)控技術、軸承無損檢測技術和軸承可靠性評估技術。
參考來源：
李頌華等：面向極端工況的Si3N4全陶瓷軸承關鍵技術與研究進展.軸承雜志社
張珂：氮化硅陶瓷球研磨機理分析與工藝參數(shù)優(yōu)化
張珂等：氮化硅全陶瓷球軸承溝道超精加工仿真與試驗研究
韓光田：全陶瓷球軸承套圈溝道精密磨削與砂輪修整研究
吳承偉等：超精密高性能氮化硅軸承研究現(xiàn)狀與應用
中國軸承協(xié)會、中國粉體網
（中國粉體網編輯整理/空青）
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