張　曄　邊寧濤　劉茂平

（輕工業(yè)鐘表研究所，陜西　西安，710061）

高強(qiáng)度金屬陶瓷材料在氣體動(dòng)壓軸承中的應(yīng)用

張曄邊寧濤劉茂平

（輕工業(yè)鐘表研究所，陜西西安，710061）

本文給出了氣體動(dòng)壓軸承材料選擇的原則及常用材料性能，介紹了利用金屬粉末注射成型技術(shù)及熱等靜壓技術(shù)開展TiC基高強(qiáng)度金屬陶瓷材料軸承坯件成型技術(shù)研究所取得的成果，最后，給出TiC基高強(qiáng)度金屬陶瓷材料在氣體動(dòng)壓軸承研制中的應(yīng)用效果。

氣體動(dòng)壓軸承 ；金屬陶瓷材料；粉末注射成型

1　概述

精密微型氣體動(dòng)壓軸承是應(yīng)用氣體潤(rùn)滑和流體力學(xué)理論創(chuàng)造的最精密的機(jī)械裝置之一，氣體動(dòng)壓軸承在輕負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速應(yīng)用領(lǐng)域，具有其它支承技術(shù)無(wú)法比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。由于無(wú)接觸運(yùn)轉(zhuǎn)，具有抖晃小、噪聲小、轉(zhuǎn)速高、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因而在特殊場(chǎng)合使用的高速電機(jī)上得到應(yīng)用，如機(jī)械轉(zhuǎn)子陀螺、激光照排機(jī)、光學(xué)掃描系統(tǒng)、硬盤驅(qū)動(dòng)器（HDD）主軸電機(jī)等場(chǎng)合。

高強(qiáng)度金屬陶瓷材料的低密度、高強(qiáng)度、高穩(wěn)定性、無(wú)磁性和良好的摩擦學(xué)性能，非常適合作為氣體動(dòng)壓軸承材料。尤其是能夠解決好高強(qiáng)度金屬陶瓷材料的精密成型和制件超精密加工技術(shù)，可以使其替代多種如TC4、GT35、9Cr8等傳統(tǒng)材料，有效解決氣體動(dòng)壓軸承發(fā)展的技術(shù)瓶頸。圖1為高強(qiáng)度金屬陶瓷材料在氣體動(dòng)壓軸承中的應(yīng)用方案。

2　氣體動(dòng)壓軸承常用材料性能

作為氣體動(dòng)壓軸承材料，其應(yīng)有的性質(zhì)從大的方面來(lái)說可分為兩大類：第一類是要求具有并在使用條件下能經(jīng)常保持精密尺寸、形狀所具備的性質(zhì)，例如尺寸穩(wěn)定性（物理及金相穩(wěn)定性）、化學(xué)穩(wěn)定性（耐腐蝕性）、強(qiáng)度、導(dǎo)熱性及熱膨脹系數(shù)等；第二類是對(duì)接觸滑動(dòng)的抵抗能力，即減摩耐磨和抗膠合性。要求一對(duì)摩擦副表面不宜發(fā)生膠合，磨損量要小，使磨粒不致產(chǎn)生對(duì)軸承有害的影響，對(duì)軸承幾何形狀及尺寸改變的影響減至最低限度。

3　高強(qiáng)度金屬陶瓷材料的組份及制備技術(shù)

根據(jù)前期研究和國(guó)外研究成果，確定材料的基本組成為：TiC、Ni、Mo等，材料的制備方法為粉末冶金成型。表2為高強(qiáng)度金屬陶瓷材料組份性能。

高強(qiáng)度金屬陶瓷材料冶金質(zhì)量的控制，是通過晶粒度的控制（粉末粒度，燒結(jié)溫度）、材料均勻性的控制（壓型，燒結(jié)溫度）、孔隙率的控制（A級(jí)孔——微孔、B級(jí)孔——大孔、C級(jí)孔——污染）實(shí)現(xiàn)的。

而其中難度最大的是孔隙率的控制。

由于TiC基金屬陶瓷的高硬度、高熔點(diǎn)的特點(diǎn)，如果制成材料為簡(jiǎn)單的立方幾何體，加工余量大。根據(jù)試驗(yàn)，用電加工方法將一個(gè)圓柱體材料加工成一個(gè)氣體動(dòng)壓軸承毛坯，需要48小時(shí)。因此，需要制件的幾何形狀與零件相近，有較小的加工余量，其次材料性能均勻，各項(xiàng)同性，無(wú)隱性缺陷，成型采用的方法有兩種，一種是模壓成型+真空燒結(jié)方法，一種是注射成型+真空燒結(jié)技術(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，模壓試驗(yàn)只能制備簡(jiǎn)單幾何形狀的材料。不適合軸承形狀坯件材料，燒結(jié)后出現(xiàn)容易出現(xiàn)環(huán)形開裂，不適合軸承坯件直接成型。因此采用金屬粉末注射成型技術(shù)（metal injection molding MIM）進(jìn)行軸承坯件成型，以達(dá)到零件毛坯的余量小于0.2mm，最小壁厚小于1.5mm的近凈成型的目標(biāo)。采用此項(xiàng)技術(shù)，需解決配料技術(shù)及球磨工藝（TiC粒度≤1.5μm） 、黏合劑成分、脫脂工藝、燒結(jié)成形工藝、模具設(shè)計(jì)及改進(jìn)（由于注射成形的粉料中有大量的粘接劑，在脫脂燒結(jié)后，零件體積有較大的收縮，≈50%）等問題。最終采用熱等靜壓技術(shù)解決難度最大的孔隙率控制問題，如目前使用的美國(guó)ABB公司的QIH—6型熱等靜壓機(jī)，最高溫度2000℃；壓力200MPa；氬氣工作介質(zhì)，能有效將孔隙率從處理前的0.04%達(dá)到0.01%。達(dá)到A01級(jí)孔隙率標(biāo)準(zhǔn)。圖2為粉末注射成型的軸承零件，圖3為TiC基金屬陶瓷的金相結(jié)構(gòu)SEM，表3為金屬陶瓷材料參數(shù)測(cè)試結(jié)果。

圖1　高強(qiáng)度金屬陶瓷材料在氣體動(dòng)壓軸承中的應(yīng)用方案

表1　氣體動(dòng)壓軸承常用材料應(yīng)用情況

表2　高強(qiáng)度金屬陶瓷材料組份性能

4　金屬陶瓷材料氣體動(dòng)壓軸承零件超精密加工技術(shù)

動(dòng)壓氣浮陀螺電機(jī)具有長(zhǎng)壽命、低噪音等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著加工精度高、制造周期長(zhǎng)、軸承剛度低和起停過程存在磨損等特點(diǎn)，氣體動(dòng)壓軸承本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是：

（2）軸承的工作間隙大小影響軸承支撐的剛度，因而要求間隙在左右；

（3）在各種環(huán)境條件下（力學(xué)與溫度），軸承間隙應(yīng)保持不變。

圖2　粉末注射成型的軸承零件　

圖3　TiC基金屬陶瓷的金相結(jié)構(gòu)SEM

表3　金屬陶瓷材料參數(shù)測(cè)試結(jié)果

圖4　為軸承特殊加工工藝流程圖

TiC基金屬陶瓷材料坯件除了以上所述的自身材料性能優(yōu)勢(shì)外，另一項(xiàng)優(yōu)勢(shì)就是成型精度高，能夠顯著減少加工余量，大幅度降低零件加工成本。TiC基金屬陶瓷材料屬于超硬材料，主要以高速磨削和電加工為主要手段，但隨著對(duì)加工技術(shù)的深入研究，研制專用設(shè)備進(jìn)行鍍膜、加工螺旋槽和研磨，使得自動(dòng)化、批量化生產(chǎn)動(dòng)壓軸承成為現(xiàn)實(shí)。圖4為軸承特殊加工工藝流程圖。

表 4TiC基金屬陶瓷材料氣體動(dòng)壓軸承超精密加工精度測(cè)試結(jié)果

圖5　軸承零件圓度圖譜（TAYLOR-HOBSON）

圖6　TiC基金屬陶瓷材料氣體動(dòng)壓軸承

圖7　力矩性能測(cè)試曲線

TiC基金屬陶瓷材料氣體動(dòng)壓軸承超精密加工精度測(cè)試結(jié)果見表4。

本文所述TiC基金屬陶瓷材料，已在多種動(dòng)壓氣浮軸承上得到應(yīng)用，并形成批量生產(chǎn)，圖5為軸承零件圓度圖譜（TAYLOR-HOBSON），圖6為TiC基金屬陶瓷材料氣體動(dòng)壓軸承。圖7為某種TiC基金屬陶瓷材料動(dòng)壓氣浮電機(jī)經(jīng)過上萬(wàn)次起停試驗(yàn)后的力矩性能測(cè)試曲線。從該曲線可以看出，軸承起浮性能好，軸承停轉(zhuǎn)摩擦力矩小。

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