滾動(dòng)軸承用陶瓷球強(qiáng)度測(cè)定方法研究

張博文，朱宇騰，杜曉宇

（1.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 471039；2.高性能軸承數(shù)字化設(shè)計(jì)國(guó)家國(guó)際科技合作基地，河南 洛陽(yáng) 471039；3.河南省高性能軸承技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 洛陽(yáng) 471039）

1 前言

隨著科技的不斷發(fā)展，陶瓷球在軸承行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越廣。與鋼球相比，陶瓷球具有重量輕、自潤(rùn)滑、耐高溫、耐腐蝕、絕緣、無(wú)磁等性能，被廣泛應(yīng)用于精密機(jī)床、航空航天等領(lǐng)域。

由于應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展、應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜多變，對(duì)陶瓷球性能的要求越來(lái)越苛刻。陶瓷球的強(qiáng)度直接影響了陶瓷球的性能和使用壽命。科學(xué)、準(zhǔn)確地測(cè)量陶瓷球的強(qiáng)度是陶瓷球軸承設(shè)計(jì)、應(yīng)用的基礎(chǔ)。

2 國(guó)內(nèi)外測(cè)定方法

2.1 國(guó)內(nèi)外情況概述

目前，國(guó)內(nèi)針對(duì)氮化硅陶瓷的強(qiáng)度測(cè)定方法根據(jù)試樣形狀、試驗(yàn)原理的不同大致可分為以下幾類：

1）梁或棱柱形陶瓷材料強(qiáng)度測(cè)定，即將梁或棱柱試樣置于支撐棒上方，通過(guò)軋輥對(duì)矩形截面的梁或棱柱試樣施加彎曲載荷，直至試樣斷裂，根據(jù)斷裂載荷計(jì)算試樣彎曲強(qiáng)度[1]。根據(jù)軋輥施加載荷的位置，可分為四點(diǎn)彎曲法和三點(diǎn)彎曲法，試驗(yàn)原理簡(jiǎn)圖如圖 1 所示：

圖1 梁或棱柱試樣試驗(yàn)原理

對(duì)于此種強(qiáng)度測(cè)定方法，試樣均為梁或棱柱，并未以軸承用陶瓷球的形式進(jìn)行試驗(yàn)，然而梁或棱柱試樣在斷裂試驗(yàn)中的應(yīng)力分布（壓應(yīng)力為主）和斷裂形式與軸承用陶瓷球（剪應(yīng)力為主）是不一樣的[2]，不能準(zhǔn)確地反應(yīng)出陶瓷球在實(shí)際工況下的強(qiáng)度。也就是說(shuō)這種方法更適用于陶瓷毛坯的強(qiáng)度測(cè)定，反應(yīng)的是材料自身的物理屬性，而不適用于軸承用陶瓷球成品的強(qiáng)度測(cè)定。

2）陶瓷球壓痕法強(qiáng)度測(cè)定，即使用硬度計(jì)壓入試樣形成裂紋，測(cè)量裂紋長(zhǎng)度計(jì)算陶瓷球強(qiáng)度[3]。

對(duì)于此種測(cè)定方法，雖然試樣為陶瓷球而非梁或棱柱，但該試驗(yàn)測(cè)定的是陶瓷球裂紋擴(kuò)展抗性的參數(shù)，該參數(shù)與陶瓷球的耐磨性，以及由短裂紋引起的微觀的、連續(xù)性的損傷累積而造成的失效中陶瓷球的接觸疲勞壽命密切相關(guān)。對(duì)于長(zhǎng)裂紋引起的宏觀的、災(zāi)難性材料突然破壞而導(dǎo)致的失效，陶瓷球的強(qiáng)度起著決定性作用，因此此種方法也有一定局限性。

3）C 形環(huán)、V 形缺口陶瓷球強(qiáng)度測(cè)定，即將陶瓷材料加工成 C 形環(huán)試樣或在陶瓷球中心平面加工 V 形缺口（C 形環(huán)、V 形缺口球試樣如圖 2所示），在缺口中心平面的垂直方向施加載荷直至試樣斷裂，根據(jù)斷裂載荷計(jì)算陶瓷球強(qiáng)度[4]。

圖2 C 形環(huán)試樣、V 形缺口球試樣

對(duì)于此種測(cè)定方法，在美、法等國(guó)已經(jīng)有了較長(zhǎng)時(shí)間的應(yīng)用，積累了一定的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，其試驗(yàn)原理與本文所述方法較為相似，基本能反應(yīng)出陶瓷球在實(shí)際工況下的強(qiáng)度。然而 C 形環(huán)、V 形缺口陶瓷球的加工難度很大，且計(jì)算復(fù)雜，僅能在具有精密儀器且環(huán)境溫度和相對(duì)濕度恒定[5]的試驗(yàn)室中進(jìn)行，難以在實(shí)際生產(chǎn)中推廣。

3 一種新的測(cè)定方法

3.1 概述

下文將介紹一種新的陶瓷球強(qiáng)度測(cè)定方法，即由磨床在陶瓷球中心平面磨制缺口制備試樣，隨后通過(guò)兩平行砧板在缺口球垂直缺口中心平面的頂點(diǎn)處施加載荷。缺口兩側(cè)面受到擠壓而接觸，缺口根部相對(duì)的陶瓷球表面產(chǎn)生拉應(yīng)力。勻速增大載荷直至斷裂。根據(jù)斷裂載荷可計(jì)算出缺口球的強(qiáng)度。

3.2 適用范圍

本文所述方法適用于直徑范圍為 3～50 mm的軸承用陶瓷球。陶瓷球宜采用氮化硅（Si3N4）制成。其原因是目前國(guó)際市場(chǎng)上常用的陶瓷球的直徑范圍為 3～50 mm。此外，對(duì)于直徑小于3 mm 的陶瓷球，在缺口制備、幾何參數(shù)測(cè)量和加載過(guò)程中，由于尺寸太小很難進(jìn)行裝夾，操作困難；而對(duì)于直徑大于 50 mm 的陶瓷球，其微觀組織已發(fā)生改變，同一批次試樣使用此強(qiáng)度測(cè)定方法得到的結(jié)果較為離散，因此限定適用范圍為 3～50 mm 的陶瓷球。另外，目前的國(guó)內(nèi)外各種研究和試驗(yàn)多以氮化硅材料為主。實(shí)際上我國(guó)軸承行業(yè)陶瓷材料相關(guān)的幾項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，例如GB/T 308.2《滾動(dòng)軸承球第2部分：陶瓷球》、GB/T 4661.2《滾動(dòng)軸承 圓柱滾子 第 2 部分：陶瓷滾子的外形尺寸、產(chǎn)品幾何技術(shù)規(guī)范（GPS）和公差值》、GB/T 39271.1《滾動(dòng)軸承陶瓷滾動(dòng)體混合軸承的額定載荷 第1部分：額定動(dòng)載荷》也均限定了材料為氮化硅。其他材料如氧化鋁、氧化鋯等的相關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累不足，暫不列入本文考慮范圍內(nèi)。

3.3 測(cè)定要求

3.3.1 試樣制備

為確保反映材料的特性和質(zhì)量，應(yīng)至少選取30 個(gè)名義上相同（由相同材料經(jīng)相同加工制成的同一批次陶瓷球）的試樣，以便于強(qiáng)度值統(tǒng)計(jì)評(píng)定。缺口應(yīng)由金剛石切割砂輪制備，且位于缺口球中心平面上。缺口球中心平面上剩余的弓形部分為韌帶。缺口參數(shù)如圖 3 所示，其幾何形狀應(yīng)滿足表 1 的規(guī)定。

表1 缺口幾何形狀

圖3 缺口參數(shù)

試樣應(yīng)在清水或合適的溶劑中清洗。若加工過(guò)程中使用了膠水或其他粘合劑，殘留物應(yīng)使用合適的溶劑完全去除。若使用超聲清洗設(shè)備，應(yīng)避免試樣相互接觸而在陶瓷球表面產(chǎn)生損傷。清洗后試樣應(yīng)烘干。

缺口加工過(guò)程中，會(huì)在缺口根部和被測(cè)表面的交匯處產(chǎn)生大量的剝落和/或裂紋。在試驗(yàn)之前，所有缺口球試樣均應(yīng)通過(guò)合適的方法對(duì)明顯的剝落和/或裂紋進(jìn)行檢查。單純的剝落會(huì)導(dǎo)致韌帶上應(yīng)力分布的變化。剝落最大長(zhǎng)度超過(guò)陶瓷球直徑 5% 的試樣不應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)。起源于缺口根部且足夠長(zhǎng)的暗裂紋可能會(huì)延伸至被測(cè)表面。最大裂紋長(zhǎng)度超過(guò)陶瓷球直徑 3% 的試樣不應(yīng)進(jìn)行試驗(yàn)。若一個(gè)或多個(gè)陶瓷球在清洗時(shí)發(fā)生斷裂，則強(qiáng)烈建議在光學(xué)顯微鏡下對(duì)所有陶瓷球進(jìn)行裂紋檢查。若缺口根部同時(shí)含有剝落和裂紋，兩種缺陷最大總長(zhǎng)不應(yīng)超過(guò)陶瓷球直徑的 5%。

3.3.2 測(cè)定步驟

試樣應(yīng)在試驗(yàn)前存放在試驗(yàn)氣氛中至少 2h以適應(yīng)試驗(yàn)環(huán)境，并記錄環(huán)境溫度和相對(duì)濕度。試驗(yàn)溫度應(yīng)在 15～30°C 內(nèi)，在整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中，溫度變化不應(yīng)超過(guò) 3°C，相對(duì)濕度變化不超過(guò) 10%。

應(yīng)確保加載機(jī)構(gòu)無(wú)損傷，砧板無(wú)其他試樣的碎屑。將試樣放置在砧板中心（即施加載荷的點(diǎn)位于加載方向的軸線上）。中心平面的垂線與加載方向的夾角應(yīng)小于 3°?？墒褂谩叭羌堋弊鳛橐粋€(gè)簡(jiǎn)易但足夠精確的輔助定位確保試樣的位置和加載方向。即使用一個(gè)直徑為 10Dw 厚度為0.9w的圓盤，將三個(gè)缺口球等距卡在圓盤邊緣，并使被測(cè)陶瓷球位于載荷中心，使圓盤和陶瓷球缺口組合并平行于砧板，三個(gè)缺口球應(yīng)放置穩(wěn)定，缺口球直徑應(yīng)相同，缺口幾何形狀近似，缺口最好能是同一工序加工得到的。在此之前，需要對(duì)陶瓷球和圓盤進(jìn)行清洗。輔助陶瓷球可固定在圓盤上。定位輔助也可修改為定心輔助，以便使被測(cè)陶瓷球位于加載裝置中心。輔助定位如圖4 所示。

圖4 輔助定位

可在試樣上施加預(yù)載，使試樣固定在砧板中心，預(yù)載荷不應(yīng)超過(guò)預(yù)期斷裂載荷的 10%。預(yù)載荷的加載速率應(yīng)低于之后試驗(yàn)載荷的加載速率。施加預(yù)載荷后，應(yīng)移除所有的輔助定位裝置，并在試樣周圍放置碎屑保護(hù)裝置。

選擇載荷范圍時(shí)，應(yīng)使預(yù)期平均斷裂載荷大致位于載荷測(cè)量量程的中間。載荷勻速增大并應(yīng)保證斷裂發(fā)生在 5～15 s 內(nèi)。推薦的加載裝置進(jìn)給速度V見(jiàn)式（1），載荷-時(shí)間函數(shù)關(guān)系見(jiàn)圖5。

圖5 載荷-時(shí)間函數(shù)關(guān)系

式（1）為經(jīng)驗(yàn)公式，對(duì)于直徑為 12.7 mm由典型氮化硅材料制成的陶瓷球，計(jì)算出的進(jìn)給速度為 1 mm/min，其斷裂時(shí)間約為 10 s。

符號(hào)說(shuō)明

Dw——陶瓷球直徑，mm

E——陶瓷球楊氏模量，GPa

F——斷裂載荷，N

F0——預(yù)載荷，N

f——修正系數(shù)

h——韌帶厚度，mm

l——缺口深度，mm

R1，R2——缺口根部半徑，mm

Rm——缺口根部平均半徑，mm

t——加載時(shí)間，s

V——進(jìn)給速度，mm/min

w——缺口寬度，mm

z——缺口中心平面偏離陶瓷球中心平面的距離，mm

ν——陶瓷球泊松比

σ——缺口球強(qiáng)度，MPa；

σexp——缺口球強(qiáng)度估計(jì)值，MPa

3.4 強(qiáng)度計(jì)算

根據(jù)式（2）計(jì)算缺口球強(qiáng)度。

修正系數(shù)f可通過(guò)式（3）進(jìn)行估算。

4 測(cè)定方法可信性

為了驗(yàn)證此試驗(yàn)方法的合理性和可信性，包含 SKF 在內(nèi)的六個(gè)軸承生產(chǎn)廠、研究機(jī)構(gòu)進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)。每個(gè)參與者以 60 個(gè)直徑為 12.7 mm的名義上相同的氮化硅陶瓷球?yàn)樵嚇樱诟髯詫?shí)驗(yàn)室加工缺口，并均分為兩組，其中一組 30 個(gè)缺口球由實(shí)驗(yàn)室自己試驗(yàn)，另外 30 個(gè)球在六個(gè)參與者間兩兩交換進(jìn)行斷裂試驗(yàn)和強(qiáng)度計(jì)算。兩兩交換的目的是排除缺口制備和測(cè)試程序?qū)ψ罱K結(jié)果的影響。綜合計(jì)算六個(gè)參與者的所有數(shù)據(jù)，比較各實(shí)驗(yàn)室的結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)結(jié)果符合正態(tài)分布，如圖 6 所示，平均強(qiáng)度為 1 106 MPa，標(biāo)準(zhǔn)偏差為 148 MPa，置信區(qū)間為 90%。證實(shí)本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的試驗(yàn)方法合理可信。

圖6 試驗(yàn)結(jié)果

5 總結(jié)

通過(guò)對(duì)比不難發(fā)現(xiàn)，本文所示強(qiáng)度測(cè)定方法更具科學(xué)性、合理性，更能反應(yīng)滾動(dòng)軸承用陶瓷球在實(shí)際工況下的強(qiáng)度。此外，此種方法兼顧經(jīng)濟(jì)性和可操作性，適宜在行業(yè)內(nèi)推廣。