新材料與表面工程技術(shù)在滾動(dòng)體中的應(yīng)用1 

引言 
　　隨著機(jī)械工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)軸承提出了更高的要求。提高軸承性能的途徑有： 
　　①采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)； 
　　②采用先進(jìn)的制造技術(shù)； 
　　③采用新材料； 
　　④采用先進(jìn)的管理理念和方法。 
　　本文探討新材料及表面工程技術(shù)在滾動(dòng)體制造中的應(yīng)用。 
　　常用(傳統(tǒng))滾動(dòng)體材料 
　　1、高碳鉻軸承鋼 
　　高碳鉻軸承鋼包括GCr15、GCr9、GCr6、GCr15SiMn等，用于制造通常工作條件下的軸承滾動(dòng)體，目前用量占滾動(dòng)體生產(chǎn)量的85%以上。 
　　2、滲碳軸承鋼 
　　滲碳軸承鋼包括08、10、25、15Mn、G20CrMo、G20{TodayHot}CrNiMo、G20CrNi2Mo、G20Cr2Ni4、G10CrNi3Mo、G20Cr2Mn2Mo等，用于制造耐沖擊軸承滾動(dòng)體。一般碳鋼球用于制造價(jià)格較低的軸承，合金滲碳軸承鋼用于制造汽車、軋機(jī)軸承等。 
　　3、不銹軸承鋼 
　　不銹軸承鋼包括9Cr18、9Cr18Mo、0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、1Cr17Ni2、1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等，用于制造腐蝕介質(zhì)中的軸承滾動(dòng)體。 
　　特殊滾動(dòng)體材料 
　　1、高溫軸承鋼 
　　高溫軸承鋼包括Cr4Mo4V(M50)、W9Cr4V2Mo、Cr15Mo4V、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等，用于制造耐高溫軸承滾動(dòng)體，用于燃?xì)廨啓C(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)等高溫高速軸承。 
　　2、中碳軸承鋼 
　　中碳軸承鋼包括GCr10、40CrA、65Mn、50CrNiA、55SiMoV等，用于制造受沖擊載荷的滾動(dòng)體，如55SiMoV用于制造渦輪鉆具軸承的滾動(dòng)體。 
　　3、無磁軸承材料 
　　無磁軸承材料包括G52、G60、25Cr18Ni10W、Ocr40Ni55A13、QBe2.0、NiCu28-2.5-1.5。 
　　①G52用于制造無磁高溫高壓水軸承滾動(dòng)體。 
　　②G60用于制造無磁高溫高真空及氧化性介質(zhì)中的軸承滾動(dòng)體。 
　　③25Cr18Ni10W用于制造無磁軸承滾動(dòng)體。④Ocr40Ni55A13用于制造無磁軸承滾動(dòng)體。⑤QBe2.0用于無磁低溫耐腐蝕軸承滾動(dòng)體。 
　　⑥NiCu28-2.5-1.5用于制造無磁耐腐蝕鋼球。 
　　新型滾動(dòng)體材料 
　　1、工程陶瓷材料 
　　工程陶瓷材料包括氮化硅陶瓷、氧化鋯陶瓷、氮化硼陶瓷。 
　　①氮化硅陶瓷(Si3N4)：制造高速或高溫、耐腐蝕精密陶瓷軸承球或滾子。 
　　②氧化鋯陶瓷(ZrO2)：制造高溫、耐腐蝕中低速陶瓷軸承球或滾動(dòng)子。 
　　③氮化硼陶瓷(BN)：制造高溫、耐腐蝕、自潤(rùn)滑全陶瓷{HotTag}軸承。 
　　表一 工程陶瓷材料性能及軸承鋼(GCr15)性能的比較 
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項(xiàng)目/ 氮化硅 氧化鋯 氮化硼 軸承鋼 
材料 Si3N4 ZrO2 BN GCr15 
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密度(g/cm3) 3.2 5.8~6.05 1.8~2.19 7.85 
硬度(HV) 1700(9) 1300(7) 莫氏2 700 
抗彎強(qiáng)度(MPa) 700 1200 600~800 2400 
斷裂韌性(MPa·m1/2) 6~8 7~14 25 
彈性模量(GPa) 320 150~220 80 208 
熱膨脹系數(shù)(10-6/K) 3.2 8.7~11.4 2~7.5 11.8 
電阻率(Ω·mm2/m) 1017~1018 1010 1016 10-1~1 
使用溫度(℃) 800 800 900 300 
尺寸穩(wěn)定性 好 好 好 差 
耐腐蝕性能 好 好 好 差 
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　　2、氮化硅陶瓷材料 
　　其特點(diǎn)是： 
　　①多晶材料，晶體結(jié)構(gòu)屬六方晶系。 
　　②氮化硅陶瓷外觀呈灰白、藍(lán)灰、灰黑色。 
　　③理論密度：3.19±0.1g/cm3，密度低。 
　　④高硬度，良好的耐磨性，低磨擦系數(shù)(自配磨0.02~0.07)，自潤(rùn)滑性好。 
　　⑤耐高溫，抗熱震性較好。 
　　⑥具有較高的斷裂韌性，抗沖擊性能較好。 
　　⑦耐腐蝕性好，能耐所有酸(除氫氟酸以外)腐蝕，能抗弱堿腐蝕，對(duì)大多數(shù)強(qiáng)堿和熔鹽不穩(wěn)定。 
　　⑧與軸承鋼相近的接觸疲勞壽命，相似的疲勞剝落形式。 
　　⑨氮化硅粉末性能： 
　　粒度0.5~0.8μm，低的雜質(zhì)含量和氧含量＜2wt%，α相含量＞90wt%。 
　　⑩氮化硅粉末制造方法： 
　　A、硅粉直接氮化法3Si+2N2→Si3N4 
　　國(guó)內(nèi)普遍采用的方法，需經(jīng)球磨得到細(xì)粉，易引入雜質(zhì)。 
　　B、硅亞胺分解法SiCl4+6NH3→Si(NH)2+4NH4Cl 
　　3Si(NH)2→Si3N4+N2+3H2 
　　粉末純度高，細(xì)度細(xì)且均勻，制造成本高。 
　　C、碳熱還原氮化法3SiO2+2N2+6C→Si3N4+6CO 
　　D、化學(xué)氣相沉積法3SiCl4+4NH3→Si3N4+12HCl 
　　需激化誘導(dǎo)，粉末純度高，細(xì)度細(xì)且均勻，制造成本極高。 
　　(11)致密氮化硅陶瓷制造方法： 
　　A、熱壓氮化硅(HP SN) 
　　方法：氮化硅混合粉末在石墨模具中，同時(shí)加熱和但軸向加壓，燒結(jié)溫度1650~1850℃，壓力15~30MPa，保溫時(shí)間1~4h。特點(diǎn)：致密，基本達(dá)到理論密度(99~100%)，制品形狀簡(jiǎn)單，難于批量化生產(chǎn)，可制造滾子毛坯，成品價(jià)格昂貴。 
　　B、常壓燒結(jié)氮化硅(S SN) 
　　方法：氮化硅混合粉末經(jīng)模壓或冷等靜壓成形，用燒結(jié)爐在N2氣氛中燒結(jié)，溫度1700~1800℃，時(shí)間幾小時(shí)，壓力0.1MPa(1atm)。 
　　特點(diǎn)：成本低，易于批量生產(chǎn)，相對(duì)密度95~99%，孔隙較多，不適宜制造軸承球。 
　　C、氣氛壓力燒結(jié)氮化硅(GSP SN) 
　　方法：氮化硅混合粉末經(jīng)冷等靜壓成形，用氣氛壓力燒結(jié)爐在高壓N2氣氛中燒結(jié)，燒結(jié)溫度1800℃，時(shí)間數(shù)小時(shí)，壓力5~10MPa。 
　　特點(diǎn)：性能好，致密(相對(duì)密度97~99%)，易于批量生產(chǎn)，國(guó)內(nèi)普遍采用，可制造軸承球，成本較高。 
　　D、熱等靜壓燒結(jié)氮化硅(HIP SN) 
　　方法：氮化硅混合粉經(jīng)模壓或冷等靜壓成形，S或GPS燒結(jié)后，用熱等靜壓爐，Ar2或N2氣做壓力傳遞介質(zhì)，在高溫(1700~1999℃)高壓(150~200MPa)下使氮化硅致密，使原已燒結(jié)過的RBSN、SSN、SRBSN進(jìn)一步排除氣孔。添加劑含量低。 
　　特點(diǎn)：性能優(yōu)異，基本完全致密(99~100%)，可批量生產(chǎn)，可制造高性能陶瓷軸承球，國(guó)外普遍采用，成本高。 
　　(12)小結(jié) 
　　陶瓷軸承滾動(dòng)子：HP SN HIP SN 
　　陶瓷軸承球：GPS SN HIP SN 
　　一般用途的陶瓷球：S SN SRB SN 
　　3、氧化鋯陶瓷材料 
　　其特點(diǎn)是： 
　　①晶體結(jié)構(gòu)：部分穩(wěn)定氧化鋯(PSZ)，立方相(cub)結(jié)構(gòu)+單斜相(mono)結(jié)構(gòu)。 
　　②較高的韌性(所有陶瓷材料中最高的)，抗彎強(qiáng)度可達(dá)1300MPa，但斷裂韌性對(duì)溫度敏感，高溫應(yīng)用時(shí)應(yīng)注意。 
　　③常用的氧化鋯陶瓷為Mg-PSZ。 
　　④高硬度，耐磨損，不易劃傷對(duì)偶件。 
　　⑤耐腐蝕，對(duì)多數(shù)酸堿穩(wěn)定。 
　　⑥接觸疲勞壽命與軸承相差較大，不適宜制造高速重載陶瓷軸承。 
　　⑦可制造輕載中低速腐蝕場(chǎng)合的陶瓷軸承。 
　　⑧氧化鋯粉末制造方法： 
　　鋯英石(ZrSiO4)砂與焦碳和氯氣在800~1200℃發(fā)生氯化反應(yīng)生成氣相ZrCl4和SiCl4。