混合式陶瓷轴承的研究现状及发展趋势_薛继瑞

3. 22 \98T1D
800
SN- Ò
> 3121 \98T1D
780
SN- Ó
3124 \98T1D
760
美国 NortonNBD-200
3135
800
日本东芝公司 TX-910 3116
800
/ 九五0 攻关合同指标 98%T1D
1200 e 600 -
( MPa#m "- ) 81 0 61 5 61 8 41 1 61 7 6~ 8
承用高性能氮化硅毛坯球, 并在国内首次建成了
气氛压力烧结 3~ 60 98% ~ 99%T1D < 球径 6%
表 3 Si3N4 的 3 个材料体系主要性能
加工余量 ( 单边) mm 01 1~ 0. 25
性能
材料编号
密度
抗弯强度( MPa)
断裂韧性
硬度
热膨胀系数 弹性模量
( g/ cm3)
RT
SN- Ñ
从 70 年代到 90 年代, 是西方发达国家对陶 瓷轴承研究和发展最快的阶段, 基本完成了实验 室的高投入试验, 进入工业化生产阶段。目前世 界上各国生产、研究、销售陶瓷轴承的公司很多, 如: SKF, FAG, 美国福特汽车公司, NSK, TTC, NTK, KOYO 等公司。NSK 公司已有 28 个规格 3 种级别 的角接触球轴承供用户选择。美国和西欧各国重 点在高科技和军工装备上使用轴承球, 据统计国 际上陶瓷轴承的应用量已达 2000 万套。 212 国内状况
根据国外相关陶瓷轴承资料, 针对陶瓷轴承 球制定了氮化硅毛坯球质量检查措施 ( 见表 4) , 并已用于科研开发质量控制过程。
表 2 氮化硅毛坯球性能指标
测方法、精加工技术及陶瓷轴承的组装及性能评 价技术等关键问题的解决, 在我国研制出陶瓷轴
可制备规格 密度
烧成方法
( mm)
( g/ cm3)
毛坯球 不圆度
硅酸盐通报 2002 年第 6 期
综合述评
混合式陶瓷轴承的研究现状及发展趋势
薛继瑞
( 中国无机非金属材料科技实业公司, 北京 100831)
张伟儒 王重海
( 山东工业陶瓷研究设计院, 淄博 255031)
摘 要 系统地阐述了陶瓷轴承的发展历史及 研究状 况, 重点分析 了我国 混合式 陶瓷轴 承的研
我国对陶瓷轴承的研究始于 80 年代末。/ 八 五0期间( 1991 年~ 1995 年) , 国家科委首次将/ 陶 瓷轴承0列入国家科技攻关计划, 山东工业陶瓷研 究设计院与洛阳轴承研究所联合在国内首次承担 了/ 氮化硅陶瓷轴承球的研制与开发0项目攻关任 务。通过对氮化硅材质、制备工艺、质量控制及检
抗弯强度 ( MPa)
断裂韧性 ( MPa#m "- )
20~ 1000 e 20~ 300 e
20 e
20 e
20 e 1000 e
20 e
氮化硅
3120 31 0~ 410
310
01 26
1650
700~ 800 700
610~ 810
轴承钢
7185
1110~ 121 0
200
01 30
700
2400
1 混合陶瓷轴承的优越性能
111 高速运转性能 对一般轴承而言, 当 DN 值在 2. 5 @ 106 以上, 其滚动体的离心力便 会随转速的升 高而急剧增 大, 轴承的滚动接触表面的滑动摩擦加剧, 轴承的 寿命就随着缩短。实验结果已证实: 采用低密度 氮化 硅 陶 瓷, 轴 承 可 比 钢 制 轴 承 提 高 寿 命
陶瓷轴承 可分为全陶瓷轴 承和混合 陶瓷轴 承。全陶瓷轴承是指轴承全部由陶瓷材料组成, 混合陶瓷轴承是指轴承中的一部分是由陶瓷材料 构成, 其余由轴承钢组成。混合陶瓷轴承又可分 为 3 种: ( 1) 滚动体是陶瓷材料而其余由轴承钢构 成的轴承; ( 2) 滚动体和外圈是陶瓷而其余是轴承 钢的轴承; ( 3) 滚动体和内圈是陶瓷材料而其他为 轴承钢的轴承。通常所说的混合陶瓷轴承是指滚 动体是陶瓷而内外套圈为轴承钢的轴承。 211 国外状况
3~ 6 倍, 同时, 滚动体的离心力大大减少, 由于滚 动体的离心力引起的高速打滑现象也大大减少, 从而使滚动体、保持架组件的惯性力显著减少。
112 高温性能 温度变化对轴承的滚动疲劳寿命产生较大影 响, 通常作为 耐热材料 使用的 M50 钢制 轴承在 250 e 时的额定寿命约为常温下的十分之一。而 对于陶瓷轴承, 由于陶瓷材料具有优异的高温性 能, 在高温工况下具有很好的滚动疲劳强度, 试验 结果证明, 在 1000 e 高温下 Si3N4 还保持相当高 的抗弯强度, 因此陶瓷轴承有较好的接触应力和 较长的疲劳寿命。 113 化学稳定性 Si3N4 对 大 多 数 酸, 诸 如 盐 酸 ( HCl ) 、硫 酸 ( H2SO4) 、硝 酸( HNO3) 和磷酸( H3PO4 ) 以及碱, 比 如苛性钠溶液( NaOH) 具有良好的耐化学稳定性。 只有氢氟 酸 ( HF ) 和盐 酸、硝 酸 的混 合 液 ( HCl/ HNO3) 能对 Si3N4 产生腐蚀。因此在化学工业或 核动力工业, 陶瓷轴承可替代化学稳定性差的钢 质轴承。 除此之外, 陶瓷轴承是非磁性的, 其绝缘性能 也很好。表 1 列出了氮化硅陶瓷和钢质材料滚动 体的特性及一些基本差别。
陶瓷轴承的发展大体可分为 3 个阶段: 60 年 代主要探索哪种陶瓷适合作为轴承材料, 研究者 对各种陶瓷材料的性能进行了大量的试验研究, 具有典型代表性的工作是 1960 年美国的 Carterhe 和 Zaretsky 用结 晶玻璃 作为滚 动体进 行疲 劳试 验, 研究结果表明, 结晶玻璃的破坏性形势与轴承 钢的破坏性相似, 在相同应力条件下, 陶瓷材料的 寿命仅是轴承钢的 10% [ 3] 。1963 年T aylor 等人用 热压碳化硅和热压氧 化铝制作的滚 动体在高于 811K 的环境下, 发现陶瓷材料能保持良好的钢性 和耐 腐蚀 性的 温度 范围 要比 轴承 钢宽 的多[ 4] 。 1968 年 Harris 对轴承滚动体在高速下的离心力进 行了研究, 结果表明: 用比重小的氮化硅陶瓷材料 作轴承滚动体可有效地阻止轴承寿命的下降[ 5] 。 这一时期的研究者最终认为在所有的陶瓷材料中 氮化硅最适合作轴承材料。70 年代把探索轴承
的疲劳试验表明, 氮化硅陶瓷轴承使用寿命可达 计算寿命的 10. 7 倍。
/ 九五0期间, 山东工业陶瓷研究设计院、洛阳 轴承研究所、中国建筑材料科学研究院、中科院上 海硅酸盐研究所等单位联合承担国家科技部国家 科技攻关课题/ 氮化硅陶瓷轴承批量制备技术0。 通过对本专题的实施, 解决了轴承用氮化硅陶瓷 轴承毛坯球、精密陶瓷球及陶瓷球轴承的批量制 备技术, 在我国实现了批量化生产。表 2 为氮化 硅毛坯球性能指标, 表 3 为山东工业陶瓷研究设 计院针对陶瓷轴承不同的应用环境研制的 3 种氮 化硅材料体系的性能指标。
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材料的主要精力集中到氮化硅材料身上, 并取得 了卓有成效的结果。Scott, Dalaleng 等人认为氮化 硅是一种可湿润且能使润滑油在轴承中形成适当 厚度油膜的材料, 在不润滑时热压氮化硅是最耐 磨的材料, 而高温下使用固体润滑剂可消除热压 氮化硅材料的磨损, 在相同应力条件下, 氮化硅混 合轴承的使用寿命 L10 比其他陶瓷混合轴承 L10 要大许多倍。氮化硅陶瓷球的疲劳破坏形式与轴 承钢疲劳破坏形势相似, 均为疲劳剥落, 而非断裂 破碎[ 6] 。Baumgarter, Whieldon, Parker 也都 对热压 氮化硅进行了疲劳试验, 结论是混合陶瓷轴承的 使用寿命相当于或高 于同型号钢轴 承的使用寿 命[ 7] 。进入 80 年代, 对混合陶瓷轴承研究开发的 不断深入, 1982 年美国润滑 工程协会 的 Morrison 等人对混合轴承的使用寿命进行研究, 认为混合 轴承的寿命仍然是载荷的指数函数, 并且得出混 合陶瓷轴承的寿命比 钢轴承对外载 荷的依赖性 大[ 8] 。日本的菊地藤男等人在 1983 年对混合陶 瓷轴承和全陶瓷轴承作了疲劳试验: ¹ 常压烧结 碳化硅、氮化硅和热压碳化硅不适合作轴承材料; º 热压氮化硅陶瓷的寿命相当于或好于轴承钢的 寿命, 如果保证陶瓷材料具有良好的微观结构和 表面质量可提高其性能, 轴承的破坏形式是疲劳 剥落; » 在运行中, 陶瓷套圈辊道表面变形极小, 特别是热压氮化硅陶瓷材料几乎没有变形。1988 年 Aramaki 等人将钢轴承和混合轴承作了对比试 验, 结果表明混合轴承产生的热量仅为钢轴承产 生热量的 80% ; 混合轴承在运行中氮化硅陶瓷球 产生的离心力和陀螺矩都比钢球小; 混合轴承的
作者简介: 薛继瑞( 1958~ ) , 男, 高级工程师 1 主要从事建材军工新材料研究及管理工作 1
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硅酸盐通报 2002 Biblioteka Baidu第 6 期
综合述评
表 1 氮化硅陶瓷和钢质材料滚动体的特性对比
性能
材料
密度 ( g/ cm3)
膨胀系数 ( 10- 6m/ m#k)
弹性模量 ( GPa)
泊松比
维氏硬度 ( kgf/ mm2)
究开发水平及存在的问题, 提出了未来陶瓷轴承的发展趋势及产业化应重点解决的问题。
关键词 混合式陶瓷轴承 研究现状 趋势
随着工业技术的高速发展, 对轴承的要求也 越来越高, 具体体现在: 结构上要求小型化, 尺寸 上要求精密化, 速度上要求高速化, 温度上要求高 温化, 高真空、防腐蚀等更苛刻的工况条件也日益 增多。采用钢质材料 的轴承某些性 能已无法满 足, 大量试验证明, 高速环境下工作的精密轴承 ( 转速在 4 @ 104r/ min 以上) , 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于 钢球产生不同程度的疲劳破坏所致[ 1] 。目前, 国 内的高速轴承就普遍存在这个问题。为了改善高 速轴承性能以提高其疲劳寿命, 国内外的研究结 果表明: 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, 其中 氮化硅或氮化硅基陶瓷是制造轴承及其零件最理 想的材料, 并取得了很好的使用效果[ 2] 。
硅酸盐通报 2002 年第 6 期
综合述评
极限转速高, 耐 无润 滑环 境的 能力强[ 9] 。90 年 代, 研究的重点为混合轴承的性能、全陶瓷轴承的 性能及陶瓷轴承的设计理论。1994 年 Rhoads 等 人经试验证明当混合轴承套圈处于疲劳剥落过程 中, 氮化硅陶瓷球经得起较高载荷的冲击; 氮化硅 陶瓷球的破坏的概率比同尺寸的钢球破坏的概率 小; 在不润滑或润滑不良的条件下, 混合轴承运行 状态比钢轴承的好[ 10] 。1995 年, Chiu 等人对混合 陶瓷轴承进行重载疲 劳试验和高速 下的疲劳试 验, 发现氮化硅陶瓷在赫兹应力为 216MPa 时, 运 行 800~ 2170h 后仍处于良好状态, 高速混合轴承 润滑不良的条件下, 它的温升仍低于钢轴承的温 升[ 11] 。
年产 80 万粒氮化硅轴承球生产线, 所制备的氮化 硅轴承球经洛阳轴承 研究所加工成 G10 ) G5 级 精球, 达到日本 NSK 公司 90 年代初水平, 精球压 碎负荷达同尺寸钢球的 32% ( 一般达 30% 即可使 用) 。装配的 C136105Y 陶瓷轴承在 2DL48 电主轴 使用, 转 速 48000r/ min, dmN 值为 196 @ 104 mmr/ min, 使用寿命达 2494h, 为同型号钢质轴承的 3. 6 倍, 达到日本 NSK 公 司 90 年代水平。用氮化硅 轴承球组装的 C136105Y 陶瓷轴承在 转速 517 万 转/ 分, dmN 值 217 @ 104mmr/ min 条件下进行的台 架试验中对电主轴精度测量, 并对温升、噪声、润 滑和速度进行了研究, 结果表明氮化硅陶瓷轴承 完全可满足电主轴使用要求。对氮化硅陶瓷轴承
0
251 0
性能
导热系数
电阻率
材料
( W/ m#K )
( 8#mm2/ m)
使用温度
高温硬度 尺寸稳定性 耐腐蚀性
磁性
绝缘性
20 e
20 e
氮化硅
30~ 40
1017~ 1018 1000 e 以下好
好
好
好
非磁性
好
轴承钢
40~ 50
10- 1~ 10 300e 以下好
差
差
差
磁性
不绝缘
2 混合陶瓷轴承的发展现状