新材料与表面技术在滚动体中应用1

新材料与表面工程技术在滚动体中的应用1 

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、G20{TodayHot}CrNiMo、G20CrNi2Mo、G20Cr2Ni4、G10CrNi3Mo、G20Cr2Mn2Mo等，用于制造耐冲击轴承滚动体。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{HotTag}轴承。 
表一 工程陶瓷材料性能及轴承钢(GCr15)性能的比较 
---------------------------------------------------------------------------- 
项目/ 氮化硅 氧化锆 氮化硼 轴承钢 
材料 Si3N4 ZrO2 BN GCr15 
---------------------------------------------------------------------------- 
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 
---------------------------------------------------------------------------- 
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。