高強度金屬陶瓷材料在氣體動壓軸承中的應(yīng)用

張　曄　邊寧濤　劉茂平

（輕工業(yè)鐘表研究所，陜西　西安，710061）

高強度金屬陶瓷材料在氣體動壓軸承中的應(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基高強度金屬陶瓷材料在氣體動壓軸承研制中的應(yīng)用效果。

氣體動壓軸承 ；金屬陶瓷材料；粉末注射成型

1　概述

精密微型氣體動壓軸承是應(yīng)用氣體潤滑和流體力學理論創(chuàng)造的最精密的機械裝置之一，氣體動壓軸承在輕負荷、高轉(zhuǎn)速應(yīng)用領(lǐng)域，具有其它支承技術(shù)無法比擬的技術(shù)優(yōu)勢。由于無接觸運轉(zhuǎn)，具有抖晃小、噪聲小、轉(zhuǎn)速高、壽命長等特點，因而在特殊場合使用的高速電機上得到應(yīng)用，如機械轉(zhuǎn)子陀螺、激光照排機、光學掃描系統(tǒng)、硬盤驅(qū)動器（HDD）主軸電機等場合。

高強度金屬陶瓷材料的低密度、高強度、高穩(wěn)定性、無磁性和良好的摩擦學性能，非常適合作為氣體動壓軸承材料。尤其是能夠解決好高強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，有效解決氣體動壓軸承發(fā)展的技術(shù)瓶頸。圖1為高強度金屬陶瓷材料在氣體動壓軸承中的應(yīng)用方案。

2　氣體動壓軸承常用材料性能

作為氣體動壓軸承材料，其應(yīng)有的性質(zhì)從大的方面來說可分為兩大類：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）、化學穩(wěn)定性（耐腐蝕性）、強度、導(dǎo)熱性及熱膨脹系數(shù)等；第二類是對接觸滑動的抵抗能力，即減摩耐磨和抗膠合性。要求一對摩擦副表面不宜發(fā)生膠合，磨損量要小，使磨粒不致產(chǎn)生對軸承有害的影響，對軸承幾何形狀及尺寸改變的影響減至最低限度。

3　高強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為高強度金屬陶瓷材料組份性能。

高強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級孔——微孔、B級孔——大孔、C級孔——污染）實現(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、高熔點的特點，如果制成材料為簡單的立方幾何體，加工余量大。根據(jù)試驗，用電加工方法將一個圓柱體材料加工成一個氣體動壓軸承毛坯，需要48小時。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，各項同性，無隱性缺陷，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)。試驗結(jié)果表明，模壓試驗只能制備簡單幾何形狀的材料。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）進行軸承坯件成型，以達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。采用此項技術(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)計及改進（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ABB公司的QIH—6型熱等靜壓機，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%達到0.01%。達到A01級孔隙率標準。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)測試結(jié)果。

圖1　高強度金屬陶瓷材料在氣體動壓軸承中的應(yīng)用方案

表1　氣體動壓軸承常用材料應(yīng)用情況

表2　高強度金屬陶瓷材料組份性能

4　金屬陶瓷材料氣體動壓軸承零件超精密加工技術(shù)

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

（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)勢外，另一項優(yōu)勢就是成型精度高，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，但隨著對加工技術(shù)的深入研究，研制專用設(shè)備進行鍍膜、加工螺旋槽和研磨，使得自動化、批量化生產(chǎn)動壓軸承成為現(xiàn)實。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壓軸承超精密加工精度測試結(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壓軸承

圖7　力矩性能測試曲線

TiC基金屬陶瓷材料氣體動壓軸承超精密加工精度測試結(jié)果見表4。

本文所述TiC基金屬陶瓷材料，已在多種動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壓軸承。圖7為某種TiC基金屬陶瓷材料動壓氣浮電機經(jīng)過上萬次起停試驗后的力矩性能測試曲線。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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