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 4xl04r/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3.2xl03kg/m3，而轴承钢的密度约为7.8x103kg/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1209 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 4009，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 8009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 7509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，能够加工出表面质量更好、几何精度和尺寸精度更高、 振动值很小的高精度球。图 7 立式研球机 7 成品球检验陶瓷 球加工过程包括成形加工和机械加工 2 个阶段，在陶瓷球生 产的每一道工序都可能产生偶然性表面缺陷。由于陶瓷材料 的脆性和缺陷敏感性，表面缺陷降低了陶瓷球的可靠性，影 响了陶瓷轴承的广泛应用。为保证成品球品质，国内外采用 射线检测、超声波检测、渗透检测、激光散射等多种方法进 行陶瓷球表面缺陷检测研究。由于陶瓷球表面缺陷具有多样 性且球表面不可展开，至今还没有完善的无损检测方法。参 考资料 1、氮化硅陶瓷轴承研发现状及产业化对策，中材高 新材料，张伟儒，陈波著。2、陶瓷轴承球的应用和生产加 工，中材高新氮化物陶瓷，徐学敏著。3、轴承用氮化硅球 的制造方法，哈尔滨轴承集团，孙立钧；中航工业哈尔滨轴 承，张桂燕著。4、Si3N4陶瓷球加工工艺的研究，哈尔滨 轴承配件，王泉；中航工业哈尔滨轴承，刘秀莲，葛华伟著。