氮化硅陶瓷轴承材料具有怎样的优越性？其制备难在哪？
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大量实验证明，在高转速环境下工作的精密轴承中“球”是轴承中最薄弱的零件，大约60%-70%的高速轴承失效都是由钢球产生不同程度的疲劳导致的。为了改善高速轴承性能以延长其疲劳寿命，国内外应用结构陶瓷来制造球体或其他轴承零件可显著提高“高速轴承”的使用性能和寿命。 陶瓷种类繁多，但在要求高性能的轴承应用中，氮化硅被认为是具有最佳的机械物理综合特性。 其重要原因是：其他陶瓷损坏的话是以灾难性破裂方式产生的，而氮化硅陶瓷则是以类似于轴承钢失效的方式即局部剥落的方式发生的。因此作为滚动轴承用的材料，从滚动疲劳寿命和可靠性的观点看，只有氮化硅才能胜任！下文将对氮化硅轴承材料的优势及其制造做简单的剖析。 一、氮化硅轴承材料有哪些优越性？1、 比密度小，离心力小-更利于高速运转 氮化硅陶瓷材料的密度约为3.2×103kg/m3，而轴承钢的密度约为7.8×103kg/m3。氮化硅陶瓷密度仅为轴承钢密度的40%左右。当滚动体使用氮化硅陶瓷时，轴承在高速旋转时能有效抑制因离心力作用引起的滚动体载荷的增加。因此，采用低密的氮化硅球更加利于轴承的高转速发展。 2、耐热-可适应更高温工作条件 一般钢制的轴承使用温度超过120℃时，硬度就会降低，滚动寿命也会下降。而氮化硅在400℃范围内完全保持原有硬度，只在约800℃时，其硬度和强度才开始下降。因此，对于用在高温环境的轴承来说，氮化硅材料是非常适合的。例如：航空喷气发动机、燃气轮机、核反应堆系统、X光管钨盘，以及火箭、宇宙飞船中。 3、 线膨胀系数小-可用于环境温度变化领域 氮化硅的线膨胀系数大约是轴承钢的1/4，所以氮化硅轴承材料随温度变化的尺寸变化量小。因此，氮化硅陶瓷材料制备的轴承，可有效的防止轴承材料因温度变化导致尺寸变化而发生“抱死”等现象。从而保证设备的稳定运行，减少因设备故障发生的损失。 4、优异的自润滑性能 氮化硅陶瓷材料本身具有减摩、抗磨、润滑功能，在不良的润滑工况条件下，如贫油润滑、无油干摩擦情况下，显示出优越的减摩自润滑性能，具有良好的应急状态，可以有效避免设备突发故障造成的损失。 5、化学性质稳定-耐腐蚀 氮化硅对大多数酸以及碱具有良好的耐化学稳定性，只有氢氟酸或盐酸与硝酸的混合液能对氮化硅产生腐蚀。因此，氮化硅制备的轴承材料可长时间于腐蚀性的酸、碱、盐等溶液中，相比于钢制轴承而言，其平均寿命将比不锈钢轴承高4-25倍。可应用于化工机械设备、食品、海洋、污水处理等部门使用的机器，降低腐蚀带来的困扰。 6、无磁性、绝缘性 在强磁环境下，使用钢制轴承，从轴承本身磨损下来的微粉被吸附于滚动体和滚动面上，这将成为轴承提早剥落损坏和噪声增大的主要原因。 铁路车辆牵引电机使用轴承钢材料制备轴承会产生电蚀，而引起牵引电机轴承的寿命降低。采用绝缘的全陶瓷氮化硅轴承材料可以有效改善电蚀对轴承的影响。 二、氮化硅材料的制备氮化硅陶瓷球是氮化硅陶瓷轴承中重要的组成部分，氮化硅陶瓷球的制造过程可以分为四个阶段。第一阶段为氮化硅原料制备，即将氮化硅粉料与烧结助剂以一定的比例均匀混合。 第二阶段为氮化硅陶瓷球的成型，常用的有挤出成型、注射成型、干法压制成型及注浆成型等成型方法。 第三阶段为氮化硅陶瓷球致密化烧结，烧结方法有常压烧结、热压烧结、气压烧结与热等静压烧结。第四阶段为后处理研磨加工，即粗磨、精磨、粗研、精研和抛光。 氮化硅陶瓷轴承的生产流程
三、其制备难在哪里？1、高端氮化硅粉体的制备 氮化硅粉体的合成方法主要有硅粉氮化法和化学合成法，国内均采用硅粉氮化法，与化学合成法制备的粉体相比，后者制备的粉体纯度高、球形度好、烧结活性高、受硅原料稳定性影响低，是制备高精度氮化硅球轴承的首选原料，日本UBE是唯一能够采用该方法生产氮化硅粉体的企业，但是目前该公司严格限制对华市场供货量，使得国内高品质氮化硅陶瓷球生产商受制于原料供给。 2、 性能缺陷 与轴承钢相比，其低韧性、高硬度和中等弯曲强度依然是氮化硅陶瓷材料对损伤和缺陷敏感的致命弱点。高可靠性的氮化硅陶瓷轴承需要完全无损探伤来保证。材料机械性能的差异使陶瓷轴承刚度产生明显的变化，这会导致转子系统的支撑刚度、动态响应和附加动载荷也产生较明显变化。 3、 精密研磨技术的制约 要制造出超精密高端氮化硅球轴承，首要任务是制造出超精密氮化硅陶瓷球。保证氮化硅球超精密大规模生产的基本要点有： （1）、氮化硅球表面实现等概率磨削加工，亦即保证球面上每个质点都有相同的研磨概率； （2）、 磨削效率具有自动尺寸选择性，亦即大球或者长轴方向自动实现优先磨削； （3）、 研磨技术容易实现大规模工业化低成本生产。 然而，目前国内公开报道的各种研磨技术少数厂家能够同时达到上述三点要求。 4、 氮化硅球轴承滚动接触疲劳 大量研究表明，Si3N4球的RCF（滚动接触疲劳）性能取决于其生产工艺水平，影响其性能的主要因素较多，大致上可以归纳为气孔、表面微裂纹(环形/直线形)、表面强度、残余应力、表面粗糙度等内因，润滑条件、载荷、转速等外因。制备氮化硅球轴承时，要充分考虑以上因素的影响。 |
