王 泉 ，劉秀蓮，葛華偉

（1.哈爾濱軸承配件有限公司 鋼球分廠，黑龍江 哈爾濱 150036；2 中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 研發(fā)中心,黑龍江 哈爾濱 150036）

1 前言

隨著現(xiàn)代機(jī)械工業(yè)、航空航天工業(yè)的發(fā)展，以及應(yīng)用材料科學(xué)的不斷突破和創(chuàng)新，陶瓷球軸承應(yīng)運(yùn)而生。Si3N4陶瓷材料的密度為3.2×103kg/m3，比軸承鋼的7.8×103kg/m3要低很多，Si3N4陶瓷材料的維氏硬度為1400～1700 kgf/mm2，軸承鋼的維氏硬度為700～800 kgf/mm2。陶瓷具有硬度高、耐熱性好、高耐蝕性和重量輕等許多優(yōu)良特點(diǎn)，特別適合做高速、高精度及長(zhǎng)壽命混合陶瓷球軸承的滾動(dòng)體。此次所進(jìn)行的Si3N4陶瓷球加工工藝的研究，主要是在毛坯陶瓷球的基礎(chǔ)上進(jìn)行磨削和精研加工，研制出G5級(jí)Si3N4陶瓷球。

2 Si3N4陶瓷的優(yōu)點(diǎn)和特性

2.1 高溫應(yīng)用

氮化硅具有很好的溫度特性，特別適用于高溫環(huán)境。高溫環(huán)境下高溫軸承鋼已經(jīng)喪失了其硬度和強(qiáng)度時(shí)，而氮化硅還沒(méi)有發(fā)生變化。如M50高溫軸承鋼的使用溫度極限約為400℃，達(dá)到這一溫度，鋼硬度下降程度很大，而氮化硅在這一溫度范圍內(nèi)完全保持原有硬度，只在約800℃時(shí)，其硬度和強(qiáng)度才開(kāi)始下降。這里的硬度值是相對(duì)于室溫下標(biāo)準(zhǔn)態(tài)GCr15滾動(dòng)軸承鋼的硬度來(lái)標(biāo)定的。

在溫度升高情況下，陶瓷不變形不收縮，保持良好的尺寸穩(wěn)定性，而軸承鋼為了保持良好的尺寸穩(wěn)定性，必須進(jìn)行特殊熱處理才能達(dá)到。但當(dāng)對(duì)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)性、壽命和運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性提出更高要求時(shí)，陶瓷軸承在高溫和高轉(zhuǎn)速的工作環(huán)境下，應(yīng)使用固體潤(rùn)滑劑。

2.2 較小的離心力

氮化硅的密度約為3.2×103kg/m3，而軸承鋼的密度約為7.8×103kg/m3，僅為鋼密度的40%，所以當(dāng)滾動(dòng)體使用陶瓷時(shí)，軸承在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)能夠抑制因離心力作用引起的滾動(dòng)體載荷的增加。另外例如角接觸球軸承具有一定的接觸角，這種軸承滾動(dòng)體與滾道面之間會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)，當(dāng)選用密度小的陶瓷滾動(dòng)體時(shí)，不僅旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)小，而且對(duì)軸承發(fā)熱和表面損傷起到有益作用。

2.3 化學(xué)穩(wěn)定性

在氧化和腐蝕環(huán)境，尤其是在反復(fù)滾動(dòng)而擠掉表面油膜的接觸區(qū)應(yīng)具有抗氧化和腐蝕穩(wěn)定性。不銹軸承鋼，如9Cr18Mo，其化學(xué)穩(wěn)定性是有限的，甚至大部分酸都能使這種不銹鋼發(fā)生腐蝕，所以不適合做化學(xué)工業(yè)用軸承，而氮化硅對(duì)大多數(shù)酸，如鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸和堿，如氫氧化鈉溶液等都具有很高化學(xué)穩(wěn)定性。只有氫氟酸和鹽酸、硝酸的混合液對(duì)氮化硅產(chǎn)生腐蝕，可用于陶瓷試樣的腐蝕劑。

2.4 非磁性、絕緣性

在強(qiáng)磁環(huán)境中使用鋼制軸承，從軸承本身磨損下來(lái)的微粉被吸附在滾動(dòng)體和滾道之間，這將成為軸承提早剝落損壞和噪聲增大的主要原因。陶瓷軸承是非磁性的，在需要完全非磁性的場(chǎng)合，以前尚未找到滿意的解決辦法，目前陶瓷的無(wú)磁性已開(kāi)始用于超導(dǎo)相關(guān)的領(lǐng)域中。

3 G5級(jí)陶瓷球加工工藝

3.1 工藝過(guò)程

選擇7.9375mm（5/16"）外購(gòu)毛坯陶瓷球進(jìn)行G5級(jí)Si3N4陶瓷球加工工藝試驗(yàn)后，確定其工藝過(guò)程及各工序技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2 采用的技術(shù)原理

盡管陶瓷材料與軸承鋼材料在基本特性上有很大差別，但兩種材料球的研磨原理基本相似，但由于陶瓷球的硬度特別高且脆性大，加工時(shí)易使材料表面產(chǎn)生裂紋，這些裂紋可在軸承運(yùn)轉(zhuǎn)中引起零件斷裂，所以陶瓷球的研磨加工要分步進(jìn)行，由粗到精分多道工序來(lái)完成，因此，加工時(shí)間長(zhǎng)，成本高。

（1）磨料的選擇。要根據(jù)不同的加工過(guò)程選用不同的磨料，磨料粒度由粗到細(xì)，以取得最佳磨削效果。粗磨和精磨工序采用不同粒度的金剛砂進(jìn)行磨削，也可采用碳化硅；精研工序采用的是氮化硼進(jìn)行研磨；超精研采用金剛石軟膏進(jìn)行研磨。

（2）由于陶瓷材料硬度高，耐磨性極好，所以研磨盤(pán)應(yīng)具有強(qiáng)的抗磨損能力、致密的組織和適中的硬度，粗磨時(shí)研磨盤(pán)硬度為240HB為好，精研、超精研的研磨盤(pán)硬度為220HB為好。

（3）粗磨工序可以消除毛坯球表面的各種缺陷，包括燒結(jié)氧化層、氣孔和表面微小裂紋等，在磨削前，先將磨盤(pán)的溝槽用相同尺寸的鋼球進(jìn)行滾壓和磨合，使陶瓷球與溝槽滾道得到良好的吻合，以提高表面精度和幾何精度。

（4） 精磨加工工序與粗磨基本相同，可進(jìn)一步消除前工序機(jī)械加工的缺陷，提高球的尺寸精度和表面質(zhì)量。

（5） 精研的作用是使陶瓷球的尺寸精度和球形精度及表面質(zhì)量得以充分改善。由于陶瓷球的質(zhì)量輕，循環(huán)時(shí)在機(jī)床出球口增加一個(gè)刀板，防止存球，保證了陶瓷球進(jìn)球和出球過(guò)程中不受阻力，進(jìn)出球均勻、合理適當(dāng)。

（6） 超精研是采用封閉式單溝加工。由于鋼球在兩研磨盤(pán)各自的溝槽內(nèi)作有規(guī)律的研磨，同時(shí)研磨劑又很細(xì)，所以研磨盤(pán)溝槽與鋼球球形相當(dāng)吻合，從而能加工出表面很光滑的正確球形，以獲得最佳的球直徑變動(dòng)量、球形誤差、表面粗糙度和振動(dòng)值。

表1 G5級(jí)陶瓷球加工工藝過(guò)程

（7） 在各個(gè)工序完成之后，都要對(duì)陶瓷球進(jìn)行清洗，以保證陶瓷球良好的清潔度。因?yàn)榍肮ば虻奶沾汕虮砻姹厝粠в写罅康哪チ项w粒，必須清洗干凈，尤其是精研和超精研工序。

4 檢驗(yàn)結(jié)果

經(jīng)檢驗(yàn)，成品陶瓷球各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)見(jiàn)表2。

表2 檢驗(yàn)結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

雖然研制出符合要求的Si3N4陶瓷球，但陶瓷球毛坯制造技術(shù)還不夠成熟，毛坯球直徑公差較大，且表面存在疏松層，必須留有足夠的加工余量；所有的加工磨量都是通過(guò)研磨除去的，磨削時(shí)間極長(zhǎng)，生產(chǎn)成本高，無(wú)法形成批量生產(chǎn)，有待進(jìn)一步研究。