饒水林

（江西昌興航空裝備股份有限公司）

摘　要：氮化硅陶瓷軸承具有強(qiáng)度高、硬度大、密度低、耐高溫等眾多優(yōu)異物理性能，廣泛地應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中使用尤為普遍。隨著航空事業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)氮化硅陶瓷軸承的性能有了更加嚴(yán)格的要求，氮化硅陶瓷軸承需要在高溫以及重載條件下更高速、平穩(wěn)的運(yùn)行。基于比較分析方法，就發(fā)展現(xiàn)狀、缺陷、未來趨勢(shì)等方面對(duì)比分析了氮化硅陶瓷軸承和鋼軸承。已有研究表明，氮化硅陶瓷軸承的耐高溫性能、耐腐蝕性能以及其工作壽命等性能遠(yuǎn)強(qiáng)于鋼軸承，但其斷裂韌性及拉伸強(qiáng)度等機(jī)械性能還有較大的提升空間。

0　引言

氮化硅陶瓷具有強(qiáng)度高、硬度大、密度低、耐高溫、超高速等優(yōu)異的綜合性能，在航空航天及裝備制造領(lǐng)域中得到應(yīng)用。軸承是機(jī)械設(shè)備中一種及其重要的零部件，使用十分普遍。其主要功能是支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低其運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)，并保證其回轉(zhuǎn)精度。其作用與人體關(guān)節(jié)相似，故素有“機(jī)械的關(guān)節(jié)”之稱。軸承嚴(yán)重磨損、過熱、咬死、潤滑劑變質(zhì)等一系列問題將會(huì)直接導(dǎo)致裝備和系統(tǒng)止轉(zhuǎn)性惡性失效。在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，軸承的工作環(huán)境十分惡劣，處于高溫環(huán)境，對(duì)軸承的性能是一個(gè)很大的考驗(yàn)，極易造成軸承的失效。采用綜合性能更好的材料，進(jìn)一步優(yōu)化軸承的性能是解決該問題的根本方法。

陶瓷軸承在多方面都有應(yīng)用。朱愛華等比較了鋼軸承和氮化硅陶瓷軸承的性能，得出機(jī)車牽引電動(dòng)機(jī)軸承用氮化硅陶瓷軸承主要優(yōu)勢(shì)是能有效防止電流經(jīng)過軸承產(chǎn)生的“電蝕”損害；陶瓷軸承的潤滑脂壽命比一般鋼制軸承的壽命長3-4 倍。張寶林等研究了混合型氮化硅陶瓷軸承的新進(jìn)展。文懷興等研究了氮化硅陶瓷軸承潤滑技術(shù)的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。郇昌天等研究氮化硅在H2SO4，HNO3，HCl，HF等酸溶液及高溫SO2和HCl氣體中的腐蝕行為，并對(duì)其腐蝕機(jī)理進(jìn)行總結(jié)。以上結(jié)果均表明氮化硅陶瓷軸承具有很優(yōu)良的性質(zhì)。1　氮化硅陶瓷軸承

氮化硅陶瓷軸承有較低的密度、較高的硬度、較高的抗壓強(qiáng)度、良好的穩(wěn)定性，耐高溫、抗磨損、抗腐蝕等特性顯著，廣泛應(yīng)用于真空、高溫、高速工作環(huán)境，適應(yīng)性較為廣泛。氮化硅陶瓷與鋼之間的動(dòng)靜摩擦系數(shù)小，可有效減少燒傷滾道與冷焊情況發(fā)生，即使在惡劣條件下也可以延長軸承壽命。氮化硅陶瓷軸承如圖1所示。

圖1 氮化硅陶瓷軸承

近年來，陶瓷軸承在各個(gè)領(lǐng)域中得到了日益廣泛的應(yīng)用。陶瓷軸承可大致分為高速、高溫、低溫以及一般4個(gè)方面的應(yīng)用。在高速方面，混合陶瓷軸承滑動(dòng)速度比全鋼軸承慢的多，混合陶瓷軸承產(chǎn)生的熱量也少的多。適用于噴氣渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)這樣高速的航空發(fā)動(dòng)機(jī)。在高溫方面，全鋼軸承不易保持硬度，且液體潤滑劑容易退化，氮化硅軸承卻依舊能保持良好的運(yùn)行。多應(yīng)用在航空與絕熱發(fā)動(dòng)機(jī)方面。在低溫方面，鋼軸承易發(fā)生粘和磨損、劃傷和咬死的情況，混合陶瓷軸承則耐磨損、抗劃傷。多應(yīng)用于提供超低溫推進(jìn)、使用液體燃料推進(jìn)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的低溫渦輪泵中。陶瓷軸承具有抗腐蝕性， 在一般應(yīng)用中，可運(yùn)用在各種精密、環(huán)境差的儀器中。如真空泵、高速電動(dòng)車、海水機(jī)械、鉆孔機(jī)等。

2　氮化硅陶瓷軸承的性能缺陷

氮化硅陶瓷軸承的結(jié)構(gòu)和性能匹配性是設(shè)計(jì)和應(yīng)用的核心技術(shù)，其包括應(yīng)力設(shè)計(jì)、熱設(shè)計(jì)、摩擦學(xué)設(shè)計(jì)和壽命設(shè)計(jì)。應(yīng)力設(shè)計(jì)要考慮公稱接觸應(yīng)力、工況附加應(yīng)力、結(jié)構(gòu)附加應(yīng)力和振動(dòng)附加應(yīng)力，以及配副材料的承載能力。在設(shè)計(jì)氮化硅陶瓷軸承時(shí)，首先要確定基本的結(jié)構(gòu)參數(shù)，然后結(jié)合工況進(jìn)行表面摩擦學(xué)性能的匹配性設(shè)計(jì)、工作性能設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)、熱特性設(shè)計(jì)、潤滑性能相容性設(shè)計(jì)和材料匹配性設(shè)計(jì)等，該過程程序繁瑣，操作復(fù)雜。

圖2 氮化硅陶瓷軸承

與軸承鋼相比，其低韌性、高硬度和中等彎曲強(qiáng)度依然是氮化硅陶瓷材料對(duì)損傷和缺陷敏感的致命弱點(diǎn)。高可靠性的氮化硅陶瓷軸承需要完全無損探傷來保證。材料機(jī)械性能的差異使陶瓷軸承剛度產(chǎn)生明顯的變化，這會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的支撐剛度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和附加動(dòng)載荷也產(chǎn)生較明顯變化。從而導(dǎo)致動(dòng)態(tài)性能設(shè)計(jì)方法的較大變化，需要開發(fā)專用的動(dòng)態(tài)性能分析軟件。

作為航空軸承的新型材料，航空陶瓷軸承還要經(jīng)過大量的適應(yīng)工作狀況的試驗(yàn)。壽命驗(yàn)證試驗(yàn)是Z基本的試驗(yàn)，還需要完成高速試驗(yàn)、極限溫升試驗(yàn)、抗污染能力試驗(yàn)、斷油試驗(yàn)和葉片脫落沖擊試驗(yàn)等。經(jīng)過大量的試驗(yàn)可以得到清晰的邊界的各種參數(shù)，并為陶瓷軸承的設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)。

3　高可靠性陶瓷軸承技術(shù)研究進(jìn)展

航空軸承技術(shù)的發(fā)展歷史從M50到M50 NiL、Cronidur 30，再到目前普及的氮化硅陶瓷材料，航空軸承技術(shù)的迅速發(fā)展離不開軸承材料的研發(fā)。未來航空軸承將向環(huán)保化、輕量化、普遍化、高強(qiáng)度化等發(fā)展，相對(duì)應(yīng)的保護(hù)和檢測(cè)技術(shù)也會(huì)有巨大發(fā)展。

氮化硅陶瓷球是氮化硅陶瓷軸承中重要的組成部分，氮化硅陶瓷球的制造過程可以分為四個(gè)階段。階段為氮化硅原料制備，即將氮化硅粉料與燒結(jié)助劑以一定的比例均勻混合。第二階段為氮化硅陶瓷球的成型，常用的有擠出成型、注射成型、干法壓制成型及注漿成型等成型方法。第三階段為氮化硅陶瓷球致密化燒結(jié)，燒結(jié)方法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、氣壓燒結(jié)與熱等靜壓燒結(jié)。第四階段為后處理研磨加工，即粗磨、精磨、粗研、精研和拋光。其工藝流程如圖3所示。

圖3 氮化硅陶瓷軸承的生產(chǎn)流程

未來當(dāng)陶瓷軸承的性能更加優(yōu)良時(shí)，且能低成本制造時(shí)，陶瓷軸承將其轉(zhuǎn)化為民用技術(shù)。可廣泛應(yīng)用于民品高速機(jī)床、低溫工程、高速電機(jī)、化工等行業(yè)，使用領(lǐng)域可以完全覆蓋現(xiàn)在的精密、中速以上全鋼軸承的所有應(yīng)用領(lǐng)域。性能價(jià)格比遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于全鋼軸承，壽命可比現(xiàn)在使用的軸承壽命提高3倍以上，節(jié)省大量的停機(jī)檢修時(shí)間，廢品降低、庫存軸承備件減少等。此外，由于技術(shù)含量高，不可能仿冒，投資風(fēng)險(xiǎn)小。

氧化鋁、氧化鋯與碳化硅陶瓷球的失效形式為碎料，然而氮化硅陶瓷軸承陶瓷球的失效形式為剝落。氮化硅陶瓷球的滾動(dòng)接觸疲勞是衡量氮化硅陶瓷軸承性能的一個(gè)重要的性能指標(biāo)，表面氣孔數(shù)量、氣孔尺寸、氣孔分布均勻性、氮化硅陶瓷球表面粗糙度、氮化硅陶瓷球殘余應(yīng)力及潤滑條件均對(duì)氮化硅陶瓷球滾動(dòng)接觸疲勞強(qiáng)度有較大影響。圖4為氮化硅陶瓷軸承表面微觀形貌圖。

圖4 氮化硅陶瓷軸承表面微觀形貌

相對(duì)應(yīng)的保護(hù)檢測(cè)系統(tǒng)有陶瓷軸承的運(yùn)行健康狀態(tài)監(jiān)控技術(shù)、無損檢測(cè)和可靠性評(píng)價(jià)技術(shù)。軸承性能的波動(dòng)和軸承失效都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重問題甚至癱瘓， 智能健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Intelligent Health Monitoring Systems)是未來航空裝備技術(shù)監(jiān)測(cè)的總體發(fā)展趨勢(shì)，軸承和齒的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)是其中Z重要的一項(xiàng)。無損檢測(cè)技術(shù)是對(duì)表面和次表層缺陷和損傷的檢測(cè)技術(shù)，能有效的控制陶瓷元件的成品質(zhì)量、研究所受損傷的一般模式和規(guī)律、獲得抗損傷的極限能力和建立可靠性評(píng)價(jià)模型。

4　結(jié)論

在航空、航天、高端制造領(lǐng)域中，陶瓷軸承已經(jīng)普遍應(yīng)用。氮化硅陶瓷軸承已成為航空軸承的中堅(jiān)力量，并正朝著普及化的方向努力。對(duì)于航空航天所需要高溫、高速、長壽命和質(zhì)載等高性能要求，陶瓷軸承技術(shù)需要持續(xù)不斷地發(fā)展、研究并創(chuàng)新下去。

來源：《中國陶瓷工業(yè)》2020年第3期