新材料与表面工程技术在滚动体中的应用

引言 

随着机械工业技术的发展，对轴承提出了更高的要求。提高轴承性能的途径有： 

①采用先进的设计技术； 
②采用先进的制造技术； 
③采用新材料； 
④采用先进的管理理念和方法。 

本文探讨新材料及表面工程技术在滚动体制造中的应用。 

常用(传统)滚动体材料 

1、高碳铬轴承钢 
高碳铬轴承钢包括GCr15、GCr9、GCr6、GCr15SiMn等，用于制造通常工作条件下的轴承滚动体，目前用量占滚动体生产量的85%以上。 

2、渗碳轴承钢 
渗碳轴承钢包括08、10、25、15Mn、G20CrMo、G20CrNiMo、G20CrNi2Mo、G20Cr2Ni4、G10CrNi3Mo、G20Cr2Mn2Mo等，用于制造{TodayHot}耐冲击轴承滚动体。一般碳钢球用于制造价格较低的轴承，合金渗碳轴承钢用于制造汽车、轧机轴承等。 

3、不锈轴承钢 
不锈轴承钢包括9Cr18、9Cr18Mo、0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、1Cr17Ni2、1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等，用于制造腐蚀介质中的轴承滚动体。 

特殊滚动体材料 

1、高温轴承钢 
高温轴承钢包括Cr4Mo4V(M50)、W9Cr4V2Mo、Cr15Mo4V、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等，用于制造耐高温轴承滚动体，用于燃气轮机、航空发动机等高温高速轴承。 

2、中碳轴承钢 
中碳轴承钢包括GCr10、40CrA、65Mn、50CrNiA、55SiMoV等，用于制造受冲击载荷的滚动体，如55SiMoV用于制造涡轮钻具轴承的滚动体。 

3、无磁轴承材料 

无磁轴承材料包括G52、G60、25Cr18Ni10W、Ocr40Ni55A13、QBe2.0、NiCu28-2.5-1.5。 

①G52用于制造无磁高温高压水轴承滚动体。 
②G60用于制造无磁高温高真空及氧化性介质中的轴承滚动体。 
③25Cr18Ni10W用于制造无磁轴承滚动体。④Ocr40Ni55A13{HotTag}用于制造无磁轴承滚动体。⑤QBe2.0用于无磁低温耐腐蚀轴承滚动体。 
⑥NiCu28-2.5-1.5用于制造无磁耐腐蚀钢球。 

新型滚动体材料 

1、工程陶瓷材料 

工程陶瓷材料包括氮化硅陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化硼陶瓷。 

①氮化硅陶瓷(Si3N4)：制造高速或高温、耐腐蚀精密陶瓷轴承球或滚子。 
②氧化锆陶瓷(ZrO2)：制造高温、耐腐蚀中低速陶瓷轴承球或滚动子。 
③氮化硼陶瓷(BN)：制造高温、耐腐蚀、自润滑全陶瓷轴承。 

表一 工程陶瓷材料性能及轴承钢(GCr15)性能的比较 
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项目/ 氮化硅 氧化锆 氮化硼 轴承钢 
材料 Si3N4 ZrO2 BN GCr15 
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密度(g/cm3) 3.2 5.8~6.05 1.8~2.19 7.85 
硬度(HV) 1700(9) 1300(7) 莫氏2 700 
抗弯强度(MPa) 700 1200 600~800 2400 
断裂韧性(MPa·m1/2) 6~8 7~14 25 
弹性模量(GPa) 320 150~220 80 208 
热膨胀系数(10-6/K) 3.2 8.7~11.4 2~7.5 11.8 
电阻率(Ω·mm2/m) 1017~1018 1010 1016 10-1~1 
使用温度(℃) 800 800 900 300 
尺寸稳定性 好 好 好 差 
耐腐蚀性能 好 好 好 差 
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2、氮化硅陶瓷材料 

其特点是： 

①多晶材料，晶体结构属六方晶系。 
②氮化硅陶瓷外观呈灰白、蓝灰、灰黑色。 
③理论密度：3.19±0.1g/cm3，密度低。 
④高硬度，良好的耐磨性，低磨擦系数(自配磨0.02~0.07)，自润滑性好。 
⑤耐高温，抗热震性较好。 
⑥具有较高的断裂韧性，抗冲击性能较好。 
⑦耐腐蚀性好，能耐所有酸(除氢氟酸以外)腐蚀，能抗弱碱腐蚀，对大多数强碱和熔盐不稳定。 
⑧与轴承钢相近的接触疲劳寿命，相似的疲劳剥落形式。 
⑨氮化硅粉末性能： 
粒度0.5~0.8μm，低的杂质含量和氧含量＜2wt%，α相含量＞90wt%。 
⑩氮化硅粉末制造方法： 

A、硅粉直接氮化法3Si+2N2→Si3N4 
国内普遍采用的方法，需经球磨得到细粉，易引入杂质。 
B、硅亚胺分解法SiCl4+6NH3→Si(NH)2+4NH4Cl 
3Si(NH)2→Si3N4+N2+3H2 
粉末纯度高，细度细且均匀，制造成本高。 
C、碳热还原氮化法3SiO2+2N2+6C→Si3N4+6CO 
D、化学气相沉积法3SiCl4+4NH3→Si3N4+12HCl 
需激化诱导，粉末纯度高，细度细且均匀，制造成本极高。 

(11)致密氮化硅陶瓷制造方法： 

A、热压氮化硅(HP SN) 
方法：氮化硅混合粉末在石墨模具中，同时加热和但轴向加压，烧结温度1650~1850℃，压力15~30MPa，保温时间1~4h。特点：致密，基本达到理论密度(99~100%)，制品形状简单，难于批量化生产，可制造滚子毛坯，成品价格昂贵。 
B、常压烧结氮化硅(S SN) 
方法：氮化硅混合粉末经模压或冷等静压成形，用烧结炉在N2气氛中烧结，温度1700~1800℃，时间几小时，压力0.1MPa(1atm)。 
特点：成本低，易于批量生产，相对密度95~99%，孔隙较多，不适宜制造轴承球。 
C、气氛压力烧结氮化硅(GSP SN) 
方法：氮化硅混合粉末经冷等静压成形，用气氛压力烧结炉在高压N2气氛中烧结，烧结温度1800℃，时间数小时，压力5~10MPa。 
特点：性能好，致密(相对密度97~99%)，易于批量生产，国内普遍采用，可制造轴承球，成本较高。 
D、热等静压烧结氮化硅(HIP SN) 
方法：氮化硅混合粉经模压或冷等静压成形，S或GPS烧结后，用热等静压炉，Ar2或N2气做压力传递介质，在高温(1700~1999℃)高压(150~200MPa)下使氮化硅致密，使原已烧结过的RBSN、SSN、SRBSN进一步排除气孔。添加剂含量低。 
特点：性能优异，基本完全致密(99~100%)，可批量生产，可制造高性能陶瓷轴承球，国外普遍采用，成本高。 

(12)小结 

陶瓷轴承滚动子：HP SN HIP SN 
陶瓷轴承球：GPS SN HIP SN 
一般用途的陶瓷球：S SN SRB SN 

3、氧化锆陶瓷材料 

其特点是： 

①晶体结构：部分稳定氧化锆(PSZ)，立方相(cub)结构+单斜相(mono)结构。 
②较高的韧性(所有陶瓷材料中最高的)，抗弯强度可达1300MPa，但断裂韧性对温度敏感，高温应用时应注意。 
③常用的氧化锆陶瓷为Mg-PSZ。 
④高硬度，耐磨损，不易划伤对偶件。 
⑤耐腐蚀，对多数酸碱稳定。 
⑥接触疲劳寿命与轴承相差较大，不适宜制造高速重载陶瓷轴承。 
⑦可制造轻载中低速腐蚀场合的陶瓷轴承。 
⑧氧化锆粉末制造方法： 

锆英石(ZrSiO4)砂与焦碳和氯气在800~1200℃发生氯化反应生成气相ZrCl4和SiCl4。 

4、聚甲醛工程塑料 

聚甲醛是一种高熔点、高结晶性的热塑性工程塑料，分均聚和共聚甲醛，是机械性能中最接近金属的工程塑料之一(性能如下表)。 

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项目 均聚甲醛 共聚甲醛 
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密度(g/cm3)   1.42 1.41 
抗变强度(MPa) 90 98 
抗压强度(MPa) 127 110 
冲击强度(J/m)缺口 76 65 
无缺口  1310 1140 
洛氏硬度 M94 M80 
摩擦系数 0.35 0.35 
使用温度 -40~100 
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性能特点： 

①与金属接近的比强度和比刚性； 
②高的弹性模量； 
③高的刚性和硬度； 
④较好的冲击强度和耐蠕变性及耐疲劳性。 

应用： 

①制造轻载低速耐腐蚀轴承滚动体； 
②制造轻载低速自润滑轴承滚动体。 

5、其他材料 

①金属陶瓷材料：硬质合金等。 
②铝合金材料 
③铜合金材料 
④钛合金材料 
选择滚动体材料，应根据不同的使用条件，进行合理选择。 

表面工程技术 

1、概述 

机械产品的故障往往是个别零件失效造成的，而零件失效往往是由于局部表面失效造成的，腐蚀从零件表面开始，摩擦磨损在零件表面发生，疲劳裂纹有表面向里延伸。应用表面工程技术可将那些易损零件的易损表面的失效期处长，使产品的整体性能得到提高。 

轴承是典型的表面工作零件，轴承表面有细微的磨损、疲劳、腐蚀等失效出现，就可使整套的轴承失效，可通过表面工程技术改善轴承工作表面的状态，提高轴承的寿命。 

①表面工程技术是经表面预处理后，通过表面涂覆、表面改性或多种表面技术复合处理，改变固体金属表面或非金属表面的形态、化学成份、组织结构和应力状况，以获得所需要的表面性能的系统工程。 

②表面工程技术是为机电产品适应高温、高压、高速、重载及腐蚀介质、恶劣工况条件的需要而于近十多年形成并迅速发展起来的一门新兴学科，具有多学科交叉、综合、复合的显著特色，可有效推进产品质量提高和环境保护改善。表面工程技术在解决耐磨和防腐以及提供功能性涂层方面，具有突出的成效。 

③表面工程技术的主要功能： 

A、提高表面耐磨性或耐腐蚀、抗疲劳、抗氧化、防辐射性能； 
B、改善表面的传热性或隔热性； 
C、改善表面的导电性或绝缘性； 
D、改善表面的导磁性或电磁屏蔽性； 
E、改善表面的增光性、反光性或吸波性； 
F、改善表面的粘着性或不粘性； 
G、改善表面的吸油性或干摩性； 
H、改善表面的摩擦系数(提高或降低)； 
I、改善表面的装饰性或仿古做旧性。 

④表面工程技术是系统工程技术，包括 

A、表面工程基础理论： 
表面失效分析理论；表面摩擦磨损理论；表面腐蚀与防护理论；表面界面结合与复合理论。 

B、表面工程技术及复合表面工程技术： 
复合表面技术；化学转化膜技术；表面涂层(厚膜)技术；表面薄膜技术；表面化学粘涂技术；磨擦化学膜技术；表面机械强化技术。 

C、表面加工技术： 
表面预处理技术；表面层的机械加工技术；表面层的特种加工技术。 

D、表面质量检测与控制： 
表面几何特性与检测；表面力学特性与检测；物理及化学特性与检测；表面分析技术。 

E、表面工程技术设计： 
表面层结构设计；表面层材料设计；表面层工艺设计；表面工程车间设计及表面工程车；表面工程技术经济分析。 

F、常用的表面技术： 
堆焊技术；熔接技术(低真空熔接、激光熔敷等)；电镀、电刷镀及化学镀；热喷涂技术(火焰喷涂、电弧喷涂、等离子喷涂、爆炸喷涂、高能超声速喷涂)；粘结技术；涂装技术；物理与化学气相沉积技术(真空蒸镀、离子溅射、离子镀等)；化学热处理、激光相变硬化、激光非晶化、激光合金化、电子束相变硬化、离子注入等。 

G、表面工程技术在轴承的滚动体中应用的意义 

(A)在表面滚动体制备性能优异的表面功能薄层，使其具有比基体材料更高的耐磨性、抗腐蚀性和耐高温等性能，如碳钢球通过表面处理代替不锈钢用于腐蚀性场合，带动滚动制造的技术创新。 
(B)对特种中大型轴承，改变“用后丢弃”的维修观念，向“再制造”的观念转变，变原样修复为实现超过原始性能的改进性修复。推动维修观念的创新。 
(C)节能接材，有利于环境保护，符合国家可持续性发展战略。 
(D)推动高新技术产业的发展。 

2、离子注入表面的处理技术 

①基本原理的定义： 

离子注入表面处理是把某种元素的原子电离成离子，并使其在机十至几百千伏的电压下进行加速，在获得较高速度后射入方在真空靶室中的工件表面的一种离子束加工技术。 

②离子注入技术特点： 

A、明显改善材料的耐磨性、抗蚀性、耐高温性及光、电、超导等性能； 
B、表面合金层不受相平衡、固溶体等传统合金化规则的限制，原则上任何元素都可以注入到任何基体金属中； 
C、离子注入层与基体材料之间无界面，不存在结合不良产生剥落的问题； 
D、无环境污染 

③离子注入设备： 

离子注入机主要包括一个产生离子的离子源和一个带有抽真空系统的靶室。离子源有固体离子源、气体离子源及固体/气体离子源。 

④离子注入技术的应用： 

A、用于工具、刀具、模具等离子注入，大幅提高滚动体工模具的寿命 
B、用于大型轴承的滚子和钢球的表面处理，获得所需的高温、耐蚀、电磁、自润滑等特性，尤其对于大尺寸零件基体可采用价格相对较低的材料，进行离子注入，获得所需的表面合金化层，结合高能离子束或激光表面处理技术，即可达到所需性能，解决整体材料普遍热处理或加工方法无法实现的零件制造。 

3、激光束表面改性技术 

激光束表面改性技术是在材料表面施加极高的能量，使之发生物理化学变化，可显著提高材料的硬度、强度、耐磨性、耐蚀性和高温性能等，从而大大提高产品质量，成倍地延长产品使用寿命和降低成本，取得巨大的经济效益。 

①激光束表面改性技术的优点 

A、加热处理深度小，易于控制； 
B、激光光斑的能量密度大，可准确地引导至表面地不同部位； 
C、处理后变形小； 
D、易于传输、切换和自动控制。 
E、无化学污染，利于保护环境。 

激光表面改性包括相变硬化、熔凝、涂敷、合金化、非晶化和微晶化、冲击强化等。 

②激光表面合金化 

激光表面合金化是在高能束激光作用下，将一种或多种合金元素与基体表面快速熔凝，从而使价廉材料表层获得具有预定高合金特地技术。 

③特点： 

A、普通金属能获得高级合金的性能； 
B、层深和层宽可精密控制； 
C、材料利用率高； 
D、结合强度高； 
E、对基体金属性能影响少。 

④应用： 

用于滚动体的表面改性，如碳钢球经渡铬后，用激光束表面改性，可获得不锈钢球的性能。 

4、物理气相沉积(PVD)技术 

物理气相沉积技术(PVD)是利用热蒸发、离子溅射或辉光放电等物理过程，在基体表面沉积所需涂层的技术。 

物理气相沉积可镀制金属、合金、氧化物、氮化物、碳化物等膜层；膜层附着能力强，工艺温度低，一般无或很少变形。 

包括真空蒸镀、离子溅射、离子镀等。 

①离子溅射镀膜技术： 

离子溅射镀膜技术是在真空室中，利用荷能粒子轰击靶材表面，通过粒子的动量传递打出靶材中的原子及其他粒子，并使其沉积在基体上形成薄膜的技术。 

粒子溅射镀膜可实现大面积快速沉积，镀膜密度高，附着性好。 

②应用： 

溅射镀膜材料不受限制，凡能制成靶的材料均可以溅射成膜，广泛应用于机械、电子、化学、光学、塑料等行业。 

离子溅射MoS2用于轴承解决了轴承的润滑问题，实现了固体自润滑。 

化学气相沉积技术是一种化学气相生长法，是把含有构成薄膜元素的一种或几种化合物、单质气体供给基体，借气相作用或在基体表面上的化学反应生成要求的薄膜。 

可镀膜层：TiC、TiN、Ti(CN)、Al2O3、ZrO2、TiO2金刚石或类金刚石等。 

利用CVD技术可实现钢球或滚子的陶瓷化，在金属球或滚子表面形成陶瓷层，提高滚动体的耐磨性、耐温性、润滑性、耐蚀性等性能。如飞机舱门轴承球。