中國(guó)粉體網(wǎng)訊 軸承作為工業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)件，素有“裝備的關(guān)節(jié)”之稱。軸承性能的優(yōu)劣直接影響和決定高端裝備的精度、壽命、極限轉(zhuǎn)速、承載能力、耐溫能力、穩(wěn)定性、可靠性和動(dòng)態(tài)性能等關(guān)鍵指標(biāo)，航空航天技術(shù)對(duì)高質(zhì)量軸承的需求尤其迫切。
陶瓷材料以其低密度、耐高／低溫、耐磨、耐腐蝕、抗磁電絕緣、無(wú)油自潤(rùn)滑等特性，體現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)金屬材料的物理化學(xué)性能。陶瓷軸承分為全陶瓷軸承和混合陶瓷軸承兩大類(lèi)，其中全陶瓷軸承的套圈及滾動(dòng)體均為陶瓷材料；混合陶瓷軸承僅滾動(dòng)體為陶瓷材料。由于工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，在一些比較苛刻的條件下，如航空、航天、核能、化學(xué)、石油等領(lǐng)域，需要軸承在高溫、高速、腐蝕、真空、無(wú)潤(rùn)滑等特殊環(huán)境下仍然能夠正常工作，鋼軸承和混合陶瓷軸承已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足使用要求，因此，全陶瓷軸承得到了逐步的重視。
現(xiàn)階段我國(guó)尚不具備應(yīng)用于極端工況的超高精度全陶瓷球軸承的設(shè)計(jì)制造能力，嚴(yán)重制約了相關(guān)重大裝備技術(shù)的發(fā)展，影響了國(guó)民經(jīng)濟(jì)健康高效發(fā)展和國(guó)防安全。因此，針對(duì)超高精度全陶瓷球軸承，在軸承材料性能、軸承設(shè)計(jì)、關(guān)鍵組件制造及服役等核心技術(shù)領(lǐng)域開(kāi)展深入研究，已成為解決當(dāng)前高性能全陶瓷球軸承關(guān)鍵技術(shù)的突破口。
材料制備技術(shù)
材料方面主要涉及粉體制備與坯體燒結(jié)兩個(gè)方面。
氮化硅粉體制備方法主要有四種：硅粉直接氮化反應(yīng)法、二氧化硅碳熱還原法、硅亞胺熱解法、化學(xué)氣相沉積法。其中碳熱還原合成技術(shù)以成本低、反應(yīng)速度快、成品率高等特點(diǎn)，迅速實(shí)現(xiàn)商業(yè)化生產(chǎn)，成為國(guó)內(nèi)生產(chǎn)α-氮化硅粉末的主要方式。
目前，制備氮化硅陶瓷的常見(jiàn)燒結(jié)方式有常壓燒結(jié)、反應(yīng)燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、氣壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)和放電等離子燒結(jié)等。相比于其他燒結(jié)方式，熱等靜壓燒結(jié)制品具有更理想的壓碎載荷比、離散度和截面孔隙度，進(jìn)而獲得更好的軸承組件硬度和斷裂韌性。
高性能陶瓷軸承組件坯體燒結(jié)流程
目前，美國(guó)ORTECH、加拿大CYCLONE、日本UBE等公司生產(chǎn)的氮化硅陶瓷球均采用熱等靜壓燒結(jié)方式。而國(guó)內(nèi)廠商受限于燒結(jié)過(guò)程中用于隔絕高溫／高壓氣體的包套的相關(guān)制備技術(shù)不成熟，無(wú)法實(shí)現(xiàn)粉體在惡劣環(huán)境中的直接熱等靜壓燒結(jié)成型，因而多采用氣壓燒結(jié)預(yù)成型后，再經(jīng)熱等靜壓二次燒結(jié)處理，該種燒結(jié)方式制得的陶瓷軸承組件與直接熱等靜壓成型相比，其硬度和斷裂韌性等屬性均有所下降。
全陶瓷球軸承設(shè)計(jì)理論
全陶瓷球軸承設(shè)計(jì)理論相對(duì)于金屬及混合陶瓷球軸承發(fā)展較為滯后，目前面向超精密全陶瓷球軸承的高性能制造基礎(chǔ)理論與技術(shù)體系尚未構(gòu)建。全陶瓷球軸承的設(shè)計(jì)可以借鑒金屬球軸承的設(shè)計(jì)理論，但由于陶瓷與金屬材料屬性的不同，鋼軸承設(shè)計(jì)理論在全陶瓷軸承的設(shè)計(jì)過(guò)程中存在諸多局限。陶瓷材料本身對(duì)應(yīng)力較為敏感，當(dāng)設(shè)計(jì)軸承的內(nèi)外圈溝曲率半徑系數(shù)時(shí)，若直接沿用鋼軸承設(shè)計(jì)參數(shù)，會(huì)使球與內(nèi)外圈接觸應(yīng)力偏大，降低軸承的疲勞壽命。另外，陶瓷球硬度和
彈性模量比軸承鋼大很多，如果鋼球直接換成陶瓷球，勢(shì)必造成接觸應(yīng)力增大以及其他性能參數(shù)的改變，最終導(dǎo)致軸承壽命縮短，工作性能降低。因此，形成適用于全陶瓷球軸承的設(shè)計(jì)理論體系是提高其工作特性與服役性能的前提。
全陶瓷球軸承設(shè)計(jì)理論
全陶瓷球軸承設(shè)計(jì)理論包括結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、解析數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)、潤(rùn)滑與密封設(shè)計(jì)、動(dòng)力學(xué)仿真分析設(shè)計(jì)等，部分設(shè)計(jì)理論如上表所示。全陶瓷球軸承的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)決定了軸承球-圈接觸形式、摩擦系數(shù)、極限轉(zhuǎn)速等服役特性，而解析數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)軸承服役性能精確表征，準(zhǔn)確預(yù)判其服役狀態(tài)并改善工況條件延長(zhǎng)使用性能與壽命的依據(jù)。因此，結(jié)構(gòu)參數(shù)與數(shù)學(xué)模型的設(shè)計(jì)是全陶瓷球軸承設(shè)計(jì)理論的核心。
全陶瓷球軸承組件精密加工技術(shù)
高精度制造關(guān)鍵技術(shù)
陶瓷球制造工藝是陶瓷軸承組件研究取得成果最早的技術(shù)之一。早在20世紀(jì)60年代國(guó)際上已開(kāi)展針對(duì)陶瓷球加工制造相關(guān)技術(shù)的研發(fā)工作，我國(guó)在90年代出現(xiàn)了一批聚焦陶瓷球表面加工的研究學(xué)者，針對(duì)陶瓷球加工技術(shù)進(jìn)行了深入研究，提出了多種新型陶瓷球表面加工工藝方案和應(yīng)用技術(shù)。陶瓷球研磨拋光的技術(shù)主要圍繞球體成球基本條件、研磨拋光工藝和陶瓷球表面完整性檢測(cè)3個(gè)方向展開(kāi)。
陶瓷球精密加工關(guān)鍵技術(shù)
套圈制造技術(shù)
軸承套圈在軸承工作中起著旋轉(zhuǎn)和支撐滾動(dòng)體運(yùn)轉(zhuǎn)作用，其加工工藝水平和精度直接影響軸承服役行為。導(dǎo)致軸承失效的最主要原因之一是軸承溝道表面質(zhì)量欠佳，因此，軸承套圈溝道的精密加工是提高整個(gè)軸承服役性能的關(guān)鍵因素。相對(duì)于鋼制軸承套圈較成熟的制造工藝而言，陶瓷軸承套圈的加工工藝因陶瓷材料本身的脆硬特性而變得復(fù)雜。陶瓷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，因而在陶瓷軸承技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用過(guò)程中以鋼軸承圈和陶瓷球配合使用的混合陶瓷軸承率先得到應(yīng)用。
不同材質(zhì)軸承套圈加工工藝對(duì)比
陶瓷軸承溝道精密磨削與精密研磨是陶瓷軸承制造最重要的關(guān)鍵技術(shù)之一，溝道加工質(zhì)量決定了溝道與滾動(dòng)體的配合程度，從而影響軸承的旋轉(zhuǎn)精度、表面磨損性能、承載能力、振動(dòng)及噪聲等性能，因此，軸承套圈加工過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)陶瓷套圈高質(zhì)量的控形控性制造成為陶瓷軸承套圈技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的首要問(wèn)題。
綜合性能測(cè)試技術(shù)
性能試驗(yàn)平臺(tái)
全陶瓷球軸承試驗(yàn)平臺(tái)是開(kāi)展軸承性能測(cè)試的技術(shù)條件，也是對(duì)理論研究成果進(jìn)行驗(yàn)證的設(shè)備依據(jù)。與普通軸承試驗(yàn)機(jī)一致，適用于全陶瓷球軸承的試驗(yàn)平臺(tái)包括軸承性能試驗(yàn)機(jī)、疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)、強(qiáng)化試驗(yàn)機(jī)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證試驗(yàn)機(jī)與特殊定制試驗(yàn)機(jī)等，試驗(yàn)設(shè)備的主機(jī)結(jié)構(gòu)原理、載荷施加技術(shù)、驅(qū)動(dòng)技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、控制技術(shù)與普通軸承試驗(yàn)機(jī)基本相同。
綜合性能測(cè)試
全陶瓷球軸承因材料特性可適用于各種溫域工況，且均表現(xiàn)出優(yōu)異服役性能。軸承運(yùn)動(dòng)與服役特性涉及到軸承材料、潤(rùn)滑、動(dòng)力學(xué)、熱特性等關(guān)鍵技術(shù)。針對(duì)全陶瓷球軸承服役技術(shù)研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析有助于全面了解和掌握軸承服役運(yùn)行規(guī)律，對(duì)軸承的推廣應(yīng)用與性能提升具有重要促進(jìn)作用。不同工況下的軸承性能測(cè)試情況如下。
１）常溫工況
氮化硅全陶瓷球軸承具有一定自潤(rùn)滑性，可以在無(wú)潤(rùn)滑條件下工作，常溫工況下對(duì)其提供潤(rùn)滑介質(zhì)后全陶瓷球軸承的服役性能更佳、工作壽命更長(zhǎng)。通過(guò)對(duì)比同型號(hào)全陶瓷球軸承與金屬球軸承在同一工況及相同潤(rùn)滑條件下的服役性能后發(fā)現(xiàn)，全陶瓷球軸承與金屬球軸承振動(dòng)和溫升性能差別較大，全陶瓷球軸承的外圈振動(dòng)和溫升特性明顯好于金屬球軸承，全陶瓷球軸承外圈振動(dòng)加速度均方根值平均減小30％，軸承溫升值平均減小21％。
２）極端溫度工況
極端溫度環(huán)境下潤(rùn)滑介質(zhì)的選擇與應(yīng)用是解決軸承在極端溫度環(huán)境下應(yīng)用的關(guān)鍵問(wèn)題。目前國(guó)內(nèi)已有學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)手段采用聚四氟乙烯（PEFE）作為固體潤(rùn)滑介質(zhì)對(duì)不同軸承鋼材料進(jìn)行摩擦學(xué)試驗(yàn)，結(jié)果表明，具有自潤(rùn)滑性的PEFE可以在低溫環(huán)境下降低摩擦系數(shù)，實(shí)現(xiàn)低溫工況下的軸承材料固體潤(rùn)滑。部分學(xué)者研究了PEFE復(fù)合材料在液氧、液氫中的摩擦磨損性能，并探究了以PEFE軸承保持架為軸承固體潤(rùn)滑介質(zhì)，在軸承運(yùn)行過(guò)程中載荷、轉(zhuǎn)速對(duì)轉(zhuǎn)移膜的形成、轉(zhuǎn)移和破裂現(xiàn)象的影響。結(jié)果表明，全陶瓷球軸承選擇合適的保持架會(huì)生成轉(zhuǎn)移膜。配有聚氯乙烯（PVX）保持器的氮化硅全陶瓷球軸承在低于-160℃環(huán)境溫度下工作時(shí)，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)并未出現(xiàn)明顯振幅變化，也未出現(xiàn)失效情況。PVX保持器側(cè)梁表面（保持器外圓表面）出現(xiàn)明顯劃擦與蹭傷區(qū)域。保持器粉末在全陶瓷球軸承滾道與滾珠間接觸微區(qū)的低溫、滑滾效應(yīng)耦合作用下形成了一層薄膜并可對(duì)軸承起到潤(rùn)滑作用。
全陶瓷球軸承超低溫工作特性
參考來(lái)源：張珂等.全陶瓷球軸承高性能制造研究進(jìn)展
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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