超精密高性能氮化硅軸承研究現(xiàn)狀與應(yīng)用*

吳承偉 張 偉 李東炬

(1.大連理工大學(xué) 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 遼寧大連116024；2.大連大友高技術(shù)陶瓷有限公司 遼寧大連116600)

1 氮化硅軸承的性能優(yōu)勢(shì)

軸承是一切旋轉(zhuǎn)機(jī)械的靈魂，被稱為機(jī)械工業(yè)的“芯片”。沒有高端軸承就沒有尖端裝備與精密儀器。如：航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸承、精密機(jī)床軸承、高鐵軸承、核電軸承，特別是尖端武器裝備上的高端軸承。

氮化硅（Si3N4）材料屬于高強(qiáng)度人工晶體，俗稱“陶瓷王”，具有密度小、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、電絕緣、不導(dǎo)磁、抗壓強(qiáng)度高、自潤(rùn)滑性能好等諸多特點(diǎn)[1-6]。氮化硅密度大約為軸承鋼的42%，彈性模量高達(dá)320 GPa，抗拉強(qiáng)度1600 MPa，抗壓強(qiáng)度高達(dá)3600 MPa，900℃以下力學(xué)性質(zhì)幾乎不變，是滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體的理想材料之一。以氮化硅球作為滾動(dòng)體、以合金鋼為套圈制成的混合陶瓷軸承，最充分利用了氮化硅材料抗壓強(qiáng)度高、合金鋼抗彎強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)點(diǎn)，與普通鋼球軸承相比，具有重量輕、極限轉(zhuǎn)速高、摩擦力矩小、運(yùn)轉(zhuǎn)精度好、使用壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。氮化硅陶瓷球軸承是目前世界上研究最熱門、性能最優(yōu)異、應(yīng)用最廣泛的高端陶瓷軸承。氮化硅陶瓷球軸承幾乎就是陶瓷軸承的代名詞。然而，由于氮化硅材料硬度太高，大約是淬火合金鋼硬度的約兩倍，給氮化硅球超精密研磨加工、研磨劑研制、研磨裝備研發(fā)等帶來了一系列技術(shù)挑戰(zhàn)，普通的鋼球研磨技術(shù)和工藝不能完全適用，尤其是超精密氮化硅陶瓷球加工屬于世界軸承制造業(yè)的公認(rèn)技術(shù)難題。

世界各國(guó)的軸承精度標(biāo)準(zhǔn)都是依據(jù)ISO標(biāo)準(zhǔn)制定，個(gè)別國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)略高于ISO標(biāo)準(zhǔn)。中國(guó)、德國(guó)、日本與國(guó)際ISO標(biāo)準(zhǔn)的表示法基本一致，習(xí)慣上都用字母P（Precision）加精度等級(jí)表示，共分為P0、P6、P5、P4、P2五個(gè)等級(jí)。P0和P6級(jí)精度為低檔產(chǎn)品，P5、P4級(jí)屬于精密級(jí)，P2級(jí)是頂端產(chǎn)品，屬于超精密級(jí)。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀及發(fā)展動(dòng)態(tài)

2.1 氮化硅陶瓷軸承的國(guó)外研發(fā)動(dòng)態(tài)

現(xiàn)代軸承制造技術(shù)的奠基人是德國(guó) FAG創(chuàng)始人弗里德里?！べM(fèi)舍爾，他于1983年設(shè)計(jì)了世界第一臺(tái)專用鋼球磨床，經(jīng)過二百多年來的發(fā)展，經(jīng)典的鋼球磨削理論已經(jīng)比較成熟。目前超精密陶瓷球研磨加工的理論基礎(chǔ)幾乎完全來自于鋼球磨削理論。然而氮化硅材料硬度大約是淬火合金鋼硬度的兩倍，超精加工非常困難，普通的鋼球研磨技術(shù)和工藝不能完全適用。

氮化硅陶瓷軸承的發(fā)展大體可分為三個(gè)階段：20世紀(jì)60年代主要是探索陶瓷軸承材料選擇，對(duì)各種陶瓷材料的性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究。1963年Taylor等人[7]采用熱壓碳化硅和氧化鋁作為滾動(dòng)體制成陶瓷軸承，在 538℃環(huán)境下，陶瓷軸承的綜合性能明顯優(yōu)于鋼制軸承。進(jìn)入70年代，科學(xué)家們開始探索使用氮化硅陶瓷材料。1973年Scott等人[8]發(fā)現(xiàn)在重載條件下采用氮化硅球作為滾動(dòng)體，軸承壽命明顯提高。更重要的是，他們發(fā)現(xiàn)氮化硅陶瓷球軸承的疲勞破壞形式與鋼制軸承的疲勞破壞形式極為相似，均為表面疲勞剝落，并不是人們擔(dān)心的氮化硅球破碎。1975年P(guān)arker等人[9]對(duì)熱壓氮化硅球軸承進(jìn)行了疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在相同條件下氮化硅球軸承的使用壽命明顯高于鋼制軸承。1988年Aramaki等人[10]將鋼制軸承和氮化硅陶瓷球軸承作了溫升對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氮化硅陶瓷球軸承產(chǎn)生的熱量?jī)H為鋼制軸承產(chǎn)生熱量的80%，氮化硅陶瓷球軸承的極限轉(zhuǎn)速遠(yuǎn)高于鋼制軸承。

上世紀(jì)90年代，氮化硅球軸承的設(shè)計(jì)理論和各種實(shí)驗(yàn)研究得到了進(jìn)一步發(fā)展，特別是得益于“熱等靜壓”高溫高壓燒結(jié)技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟。1994年 Rhoads等人[11]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)鋼制套圈發(fā)生疲勞剝落時(shí)，氮化硅陶瓷球仍能經(jīng)得起較高的沖擊荷載，氮化硅陶瓷球破壞的概率小于同尺寸的鋼球破壞概率，在無潤(rùn)滑或潤(rùn)滑不良情況，氮化硅球軸承運(yùn)行狀態(tài)明顯優(yōu)于鋼制軸承。1995年，Chiu等人[12]對(duì)氮化硅球軸承進(jìn)行重載疲勞試驗(yàn)和高速疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氮化硅球軸承在同等條件下的溫升明顯低于鋼制軸承，疲勞壽命高于鋼制軸承。O’Brien等人[13]研究了氮化硅球軸承的疲勞破壞，再次證明氮化硅球軸承的抗疲勞破壞性能遠(yuǎn)高于鋼制球軸承。這些前期的實(shí)驗(yàn)反復(fù)證明了氮化硅陶瓷球的疲勞可靠性高于鋼制軸承，從而加快了氮化硅陶瓷球軸承在尖端領(lǐng)域的應(yīng)用。1996 年美國(guó)將氮化硅陶瓷軸承應(yīng)用在航天飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)上，1995～1997年，美國(guó)航空工業(yè)進(jìn)行了大直徑氮化硅陶瓷球軸承的研究，不僅承受了高速、大負(fù)荷和沖擊負(fù)荷，還安全經(jīng)歷了起飛、爬高、巡航和降落等典型工況試驗(yàn)以及斷油30 s考驗(yàn)，全負(fù)荷最長(zhǎng)斷油安全運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間為 5.5 min，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了實(shí)際要求，而且在供油恢復(fù)以后，軸承亦隨之恢復(fù)到正常工作狀態(tài)，完全避免了鋼制軸承斷油發(fā)熱、融化卡死的惡性失效，發(fā)現(xiàn)氮化硅陶瓷球軸承的實(shí)際安全工作壽命是同尺寸全鋼軸承的 5倍！據(jù)報(bào)道，美國(guó)在航空APU、姿態(tài)控制系統(tǒng)裝置、發(fā)動(dòng)機(jī)空氣循環(huán)裝置、短距起飛垂直著陸發(fā)動(dòng)機(jī)噴管等航空領(lǐng)域開始使用氮化硅陶瓷球軸承，但是相關(guān)技術(shù)資料對(duì)外嚴(yán)格保密。

2.2 氮化硅陶瓷球軸承的國(guó)內(nèi)研發(fā)動(dòng)態(tài)

我國(guó)對(duì)氮化硅陶瓷軸承的研究始于上世紀(jì) 90年代初，列入國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃，本世紀(jì)初，我國(guó)基本解決了氮化硅陶瓷毛坯球批量制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了氮化硅陶瓷毛胚球批量化生產(chǎn)。磨球精度達(dá)到了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO3290-2001）標(biāo)準(zhǔn) G10～G5級(jí)，達(dá)到了日本NSK公司20世紀(jì)80年代的水平。

進(jìn)入21世紀(jì)，由于國(guó)家尖端裝備領(lǐng)域?qū)τ诟叨溯S承的戰(zhàn)略需求，我國(guó)學(xué)者關(guān)于氮化硅陶瓷球軸承的理論研究也在不斷深入。金衛(wèi)東等[14]、祁海等[15]發(fā)現(xiàn)氮化硅陶瓷球的疲勞破壞主要受到毛胚材料缺陷以及磨球加工精度等因素影響，并不是氮化硅材料本身的力學(xué)性質(zhì)導(dǎo)致。這與國(guó)際學(xué)者 O’Brien等的實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致。楊虎等[16]研究了氮化硅陶瓷球軸承在水介質(zhì)中的運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性與失效機(jī)理，發(fā)現(xiàn)氮化硅球軸承具有很強(qiáng)的抗氣蝕特性。李松生等[17]研究了脂潤(rùn)滑氮化硅球軸承在振動(dòng)和反復(fù)起停條件下的動(dòng)態(tài)破壞失效問題，有趣的是發(fā)現(xiàn)振動(dòng)條件下軸承的保持架容易發(fā)生早期破壞，而不是氮化硅陶瓷球。

由于氮化硅球軸承耐高速、耐高溫等諸多優(yōu)點(diǎn)，它在重型裝甲車輛領(lǐng)域受到了特別關(guān)注，我國(guó)已經(jīng)有很多相關(guān)的理論與實(shí)驗(yàn)研究[18-20], 發(fā)現(xiàn)坦克發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪增壓器采用氮化硅球軸承后，渦輪增壓效率提高了5%～8%，與常用的滑動(dòng)軸承相比（普通鋼制滾動(dòng)軸承無法滿足高極限轉(zhuǎn)速），不但軸承發(fā)熱量降低了約26%，而且可以提高極限轉(zhuǎn)速20%以上。充分展示了氮化硅陶瓷球軸承在重型裝甲車輛發(fā)動(dòng)機(jī)中良好的應(yīng)用前景。

2.3 氮化硅陶瓷球的超精密研磨技術(shù)發(fā)展?fàn)顩r

盡管關(guān)于氮化硅陶瓷球軸承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能分析與實(shí)驗(yàn)，國(guó)內(nèi)外有大量的公開資料，但是關(guān)于超精密陶瓷球的大批量制造、超精密高端氮化硅陶瓷球軸承的批量制造理論、核心工藝與關(guān)鍵技術(shù)尚未見到公開報(bào)道。要制造出超精密高端氮化硅球軸承，首要任務(wù)是制造出超精密氮化硅陶瓷球。保證氮化硅球超精密大規(guī)模生產(chǎn)的基本要點(diǎn)有：(1) 氮化硅球表面實(shí)現(xiàn)等概率磨削加工，亦即保證球面上每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都有相同的研磨概率；（2）磨削效率具有自動(dòng)尺寸選擇性，亦即大球或者長(zhǎng)軸方向自動(dòng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先磨削；（3）研磨技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化低成本生產(chǎn)。然而，目前公開報(bào)道的各種研磨技術(shù)均無法同時(shí)達(dá)到上述三點(diǎn)要求。

如前所述，國(guó)外學(xué)者關(guān)于陶瓷球研磨技術(shù)研究的較早。早在1963年Taylor就研發(fā)出了陶瓷球軸承。二十世紀(jì)八十年代，日本Kato等人、英國(guó)Childs等人和美國(guó) Komandruri等人都從事過陶瓷球的加工。我國(guó)學(xué)者開始陶瓷球的加工研究大約始于二十世紀(jì)九十年代，目前公開報(bào)道的氮化硅球研磨理論都是基于剛體單球運(yùn)動(dòng)假設(shè)，研究球的勻速剛體運(yùn)動(dòng)[21-24]。然而實(shí)踐反復(fù)證明基于這種理想化的研磨理論，很難達(dá)到氮化硅陶瓷球高精度研磨。

V型槽循環(huán)研磨機(jī)床結(jié)構(gòu)最為常用的陶瓷球研磨機(jī)，適合于大批量生產(chǎn)，但是磨削精度一般。為了提高研磨效率，國(guó)內(nèi)外設(shè)計(jì)了多種形式的研磨磨床，例如：同軸三盤研磨機(jī)、雙自轉(zhuǎn)磨盤研磨機(jī)（提高自轉(zhuǎn)角）、磁懸浮研磨機(jī)等等，但是均不適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)，并且精度一般。孫新民等[25]研發(fā)了四軸球面研磨機(jī)，明顯提高了研磨精度，但是只能研磨單球，效率太低，無法用于陶瓷球大批量工業(yè)化生產(chǎn)。據(jù)報(bào)道目前國(guó)內(nèi)陶瓷球最高研磨精度達(dá)到了G5級(jí)，大部分氮化硅陶瓷球軸承精度都在P5級(jí)及以下精度。

氮化硅球和磨床道溝都是彈性體，不是理想剛體。圖1是氮化硅球與鑄鐵表面接觸時(shí)的彈性變形分析，顯然當(dāng)載荷只有幾個(gè)牛頓時(shí)，赫茲接觸的法向變形量就是幾十納米，接觸區(qū)寬度達(dá)到了百微米量級(jí)，與球精度G5和G3級(jí)處于同一個(gè)量級(jí)，顯然精磨磨球加工中球的彈性變形對(duì)于磨球精度具有重要影響。正是因?yàn)檫@些因素氮化硅陶瓷球超精密研磨必須在研磨理論上需要有所突破。遺憾的是國(guó)際上超精密氮化硅球研磨技術(shù)屬于尖端精加工技術(shù)，尚未見到任何詳細(xì)報(bào)道。

圖1 氮化硅球與鑄鐵表面接觸時(shí)的彈性變形分析（法向變形與赫茲接觸半徑）

3 結(jié)語(yǔ)

氮化硅球軸承是國(guó)內(nèi)外研究最熱門、性能最為優(yōu)異的高端陶瓷軸承之一，具有質(zhì)量輕、極限轉(zhuǎn)速高、摩擦力矩小、運(yùn)轉(zhuǎn)精度好、使用壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。本文對(duì)于國(guó)內(nèi)外氮化硅軸承的發(fā)展歷史、研究現(xiàn)狀與應(yīng)用情況進(jìn)行了詳細(xì)評(píng)述。指出了超精密氮化硅球軸承實(shí)現(xiàn)大批量制造需要突破的一系列理論與技術(shù)問題。目前氮化硅陶瓷球國(guó)內(nèi)研究的較多，雖然進(jìn)步可喜，但是仍然缺乏大批量高精度制造先進(jìn)理論與工藝，與國(guó)外超精密氮化硅球仍然有差距。超精密軸承套圈制造的基礎(chǔ)理論是無心磨理論與技術(shù)，缺乏結(jié)合機(jī)床系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的系統(tǒng)性研究。但是隨著國(guó)家制造業(yè)整體水平的不斷提高，超精密氮化硅球軸承的大批量生產(chǎn)制造，在不久的將來一定會(huì)實(shí)現(xiàn)。