軸承用氮化硅球的制造方法

孫立鈞,張桂燕

（1.哈爾濱軸承集團(tuán)公司 質(zhì)量管理部，黑龍江 哈爾濱150036；2.中航工業(yè)哈爾濱軸承有限公司 套圈工部，黑龍江 哈爾濱，150036）

1 前言

隨著機(jī)械制造業(yè)向高精度、高速度方向發(fā)展，陶瓷球軸承以其優(yōu)越性能引人注目。目前世界各國(guó)研究、生產(chǎn)陶瓷球軸承的公司很多，如SKF、FAG、NSK等。雖然氮化硅在工業(yè)陶瓷中不是最硬的，韌性也不是最高的，但是在要求高性能的軸承應(yīng)用中，氮化硅被認(rèn)為具有最佳的機(jī)械物理綜合特性，所以用于高性能滾動(dòng)軸承的陶瓷一般指的就是氮化硅（Si3N4）。

2 滾動(dòng)軸承用陶瓷材料的使用特性

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)。表 1 為熱壓氮化硅（Si3N4）和滾動(dòng)軸承鋼的材料特性比較，表 2 為熱壓氮化硅（Si3N4）和滾動(dòng)軸承鋼的基本差別。

圖1 氮化硅球的加工過程

3 氮化硅球的制造

氮化硅球的制造一般分為毛坯成形、粗磨加工和研磨加工。其加工工序如圖 1 所示。

3.1 毛坯成形

表1 熱壓Si3N4和滾動(dòng)軸承鋼材料特性

表2 熱壓Si3N4和滾動(dòng)軸承鋼的基本差別

象大多數(shù)陶瓷制品一樣，氮化硅球也用粉末制造。目前常用的氮化硅毛坯球制造工藝有：反應(yīng)燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)等。在軸承零件生產(chǎn)中，熱等靜壓法目前被認(rèn)為是制造氮化硅毛坯球最佳工藝，因?yàn)樵摴に囍苯舆m用于密封預(yù)成形或是燒結(jié)生產(chǎn)方法的一部分，能生產(chǎn)出100%的致密材料。熱等靜壓法是在250MPa的壓力和750℃的溫度下，在氬氣保護(hù)氣氛中，將氮化硅材料熱壓2h，制成試樣球。再用玻璃粉末噴射球坯，形成一個(gè)多孔的殼體，然后將其置于一個(gè)真空的專用爐中加熱，從材料中除去被束縛住的空氣，并使玻璃熔化，控制冷卻后，玻璃層變成了密封層。熱壓階段完成后，減小壓力，促使玻璃從球中清除出來。

3.2 粗磨、精磨加工

氮化硅球的粗磨和精磨加工與鋼球的加工機(jī)理基本一致。粗磨加工是氮化硅球在同心砂輪溝槽內(nèi)進(jìn)行磨加工時(shí)，球在相對(duì)于砂輪軸線同心的砂輪槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)，通過較高的擠壓力與球表面和砂輪有相對(duì)運(yùn)動(dòng)來磨去球的部分留量。而精磨加工用的固定盤和轉(zhuǎn)動(dòng)盤均是鑄鐵盤，盤的硬度應(yīng)大于220HB。粗磨工序可以消除毛坯球表面的缺陷，提高表面粗糙度和尺寸精度，精磨工序是進(jìn)一步消除前工序機(jī)械加工的缺陷，并改善球的幾何精度。

3.3 精研加工

氮化硅球的精研加工是在轉(zhuǎn)動(dòng)的鑄鐵研球盤的V形溝槽里和固定研球盤平面的壓持下，形成三圓弧面接觸狀態(tài)，在研磨壓力的作用下及轉(zhuǎn)動(dòng)研球盤的帶動(dòng)下，使氮化硅球沿溝槽不斷地滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)。磨料被氮化硅球擠壓，而嵌入研球盤溝槽表面上，形成三個(gè)圓弧形磨具。

3.4 超精研加工

氮化硅球超精研加工是在立式研球機(jī)上采用單盤多溝封閉法加工。超精研加工，由于球在研盤內(nèi)的各自溝槽里作圓周研磨，溝槽的滾道與球相當(dāng)吻合，因而避免了諸如循環(huán)精研時(shí)的碰撞與摩擦，能夠加工出表面質(zhì)量更好、幾何精度和尺寸精度更高、振動(dòng)值很小的高精度球。

3.5 磨料的選用

對(duì)于一般的鋼球，都是在熱處理前軟磨，熱處理后用碳化硅砂輪硬磨以除去磨量。而氮化硅球的所有磨量都是通過研磨去除的，所以研磨時(shí)間要比鋼球長(zhǎng)很多。氮化硅球的磨加工要根據(jù)不同的加工過程選用不同種類和不同硬度的磨料，磨料粒度由粗到細(xì)，如果磨料使用的過多或過少，則可降低研磨效率和球表面精度，只有采用與相應(yīng)加工工序相協(xié)調(diào)的磨料配比，才能得到理想的效果。粗磨和精磨工序采用不同粒度的金剛砂，也可采用碳化硅進(jìn)行磨削；精研工序采用的是氮化硼或三氧化二鉻進(jìn)行研磨；超精研采用金剛石軟膏或用三氧化二鉻、機(jī)械油和硬脂酸配制的超精研油膏進(jìn)行研磨。

3.6 氮化硅球與軸承鋼球比較

按以上方法加工出的7.937 5mm（5/16"）規(guī)格的氮化硅球經(jīng)過檢測(cè)，并和同規(guī)格軸承鋼球進(jìn)行比較，其結(jié)果見表 3。

表3 檢測(cè)結(jié)果

由檢測(cè)結(jié)果可知，按以上方法加工出的氮化硅球其技術(shù)參數(shù)完全能達(dá)到G10級(jí)球的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)束語

由陶瓷材料的性能可知其某些特性對(duì)制造滾動(dòng)軸承是有利的。這些特性包括：重量輕、硬度高，耐高溫、超高溫時(shí)尺寸穩(wěn)定、耐腐蝕等。但加工出的G10級(jí)氮化硅球振動(dòng)值高于鋼球，且加工難度大，加工費(fèi)用高，研磨時(shí)間長(zhǎng)，不適合批量生產(chǎn)。怎樣提高氮化硅球加工的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，進(jìn)一步使陶瓷的潛在性能充分利用，是我們進(jìn)一步研究的目標(biāo)。