从陶瓷轴承的进展看材料技术对产品创新的促进作用
2010-02-08机械委 罗唯力
本文所讨论的轴承是指滚动轴承，这是一种用途极广的重要的机械基础件。各种机械的服役条件、运转精度和使用寿命往往与轴承相连，有时甚至是取决于轴承的参数。因此，机械的创新经常涉及到轴承的创新，不断地推出比广泛应用的传统产品性能优异的高端产品。
轴承性能的提高与拓展，离不开设计、工艺和材料三个因素。特别是材料技术，对轴承创新推动，尤为明显。近二三十年高技术陶瓷的应用，研发出具有新性能的高端轴承，这些轴承有的已渐入主流产品行列，在民用工业和国防工业中越来越显示出其不可替代的潜能。
一、国外陶瓷轴承研制概况
研制陶瓷轴承所用的高技术陶瓷又称结构陶瓷、精细陶瓷或先进陶瓷，主要有氮化硅、碳化硅、氧化锆和氧化铝。其中用得较为普遍是氮化硅，它有很多适合于轴承制造的性能：即氮化硅有很高的硬度；有良好的耐蚀性能；密度小大大减少运转中轴承球的离心力，塑性变形很小等。另外，氮化硅的线胀系数比轴承钢低，轴承运转时温升也不会导致卡死。同时氮化硅不导电，无磁性，在强磁场等条件下运转，亦显示优越性。陶瓷比钢逊色的性能主要是抗弯强度较低，但通过严格的陶瓷制造工艺，目前氮化硅的强度可达到800--1000MPa，在已适合轴承上的应用。
陶瓷轴承作为产品来开发是1984年由日本东芝材料公司和光洋精工公司联手开始的；1992年开发出适用于酸、碱溶液的氮化硅材料；1993年制造出耐腐蚀轴承；1995年陶瓷轴承的优异性能和高的可靠性已获得认可，美国宇航局首先将之用于太空穿梭飞机涡轮泵上；同年陶瓷轴承又被用于汽车涡轮增压器上；1999年，陶瓷轴承在硬盘驱动器中产品化应用取得成功；二十一世纪后，陶瓷轴承的应用进一步打开，不少世界知名企业都介绍其新开发的陶瓷轴承产品。
世界知名的SKF公司则推出EXPLORER轴承系列，在润滑不良条件下也能工作，并且振动、摩擦、发热均下降，保持运转精度和尺寸稳定性，从而将传统的维修操作完全改观，并导致泵的结构设计可以简化。
这种轴承适用于泵、压缩机、风扇、风力发电机、齿轮箱及透平机，轴承寿命比之于任何其他厂家的同类钢轴承，寿命提高三倍。
英国的泵业市场每年销售额约为9.8亿英磅，其中80%为离心泵，每套轴承平均使用寿命仅为1年，轴承的失效占泵的失效率为60~70%。FAG旗下的Barden公司（英国）所开发的X—Life Ultra系列的混合轴承，增加轴承的寿命且节省泵的服役费用。例如美国航天局太空穿梭飞机主发动机燃料泵轴承，原来每次穿梭飞行后均要更换，耗费10万英磅，采用Barden公司的混合轴承后，穿梭飞行6次仍完好，节省费用至少80%。FAG/Barden的X—Life Ultra系列亦可作机床主轴轴承，其寿命比相同的钢轴承提高10倍。
还有各种有关陶瓷轴承应用于不同行业的报导，包括：制药机械、食品机械、纺织机械、高速真空泵、体育用品如溜冰鞋和自行车等。著名的发动机公司Pratt and Whitney 声称已将混合陶瓷轴承装到美国空军新一代战机的引擎上。
二、国内陶瓷轴承开发的问题
虽然氮化硅陶瓷球的生产为陶瓷轴承的发展打下基础，但我国在陶瓷轴承的生产进展是缓慢的，不但应用面窄，数量少，而且与生产出性能优异的高端轴承也有很大差距。原因是推动这项工作主要是材料研制单位而非轴承制造厂商。另一方面，陶瓷轴承的研制是一个系统技术问题，决非将陶瓷球取代钢球便成了陶瓷轴承，要真正制造出适合相应工况使用的优质陶瓷轴承，涉及到轴承结构设计，内外圈材料的选配、润滑技术及陶瓷球的制造技术这几个方面的问题，厂家未必给予足够的注意：
1.轴承结构设计：目前市售的陶瓷轴承都是将相同尺寸陶瓷球取代钢球而成的，用在载荷轻的微小型轴承时，问题看不出来，但当载荷重时，由于陶瓷与钢的材料性能的差别，必然引起轴承受载表面接触应力产生变化，这将直接影响轴承的接触疲劳寿命，甚至有导致早期失效的可能。因此轴承结构设计必须针对此问题作相适应的调整，才能充分获得由于陶瓷球的应用而给轴承性能带来的增益。
2.内外圈材料的选配：此问题涉及到二个方面，其一是所选的材料应适合轴承的工作条件，如温度、腐蚀等；其二是使内外圈的钢表面与陶瓷球有更佳的摩擦学性能匹配。
在常温及非腐蚀条件下，用得Z广泛的材料是标准的高碳铬轴承钢GCr15,经过多年努力，我国生产的GCr15不论纯洁度和均匀性都能满足轴承制造的要求。但试验数据表明，GCr15不是氮化硅陶瓷的Z佳摩擦学性能匹配的材料，氮化钢可能更好。德国近几年已出现了氮化钢的高速轴承，声称只有氮化钢与陶瓷球配合才有此效果。
在高温条件下，我国所用的高温轴承钢是Cr4Mo4V,相当于美国的M50。对于耐腐蚀轴承，我国用的较多是不锈轴承钢9Cr18，或9Cr18Mo，相当于美国的440C，这是一种高硬度的马氏体不锈钢，但同样因为含碳和含铬高，容易引起早期疲劳剥落，难以获得静音性能，亦需进一步予以解决。
考虑到奥氏体不锈钢比马氏体不锈钢有更好的耐腐蚀性能，同时兼备无磁性，因此也有用奥氏体不锈钢进行渗碳处理制造轴承，这种轴承在含水环境中和酸等介质中，比440C有更好的耐腐蚀性能。
3.润滑技术：陶瓷轴承的润滑技术相当复杂，根据不同服役条件，要求不同的润滑技术，润滑剂涵括了油、脂、固体、气体以及所传输的液体介质，如果不能解决润滑问题，陶瓷轴承就不能成功应用。
当轴承浸没在传输的液体介质工作时，只能靠介质润滑，由于陶瓷的耐腐蚀性，使陶瓷轴承胜任在传输介质中工作，这是一个优点。但在一些情况下，介质的润滑性能相当差，例如液态天然气，其粘度只为0.2～0.3Cst，仅为30号机油粘度(30Cst)的百分之一。这样低的粘度要在摩擦介面上建立润滑膜是相当困难的。当不存在润滑膜时，如用钢轴承，则摩擦表面将会产生严重粘着而咬死，如用陶瓷轴承，则陶瓷与钢在干摩擦时，其摩擦系数也达到0.8左右，相当高，轴承亦因之无法工作。这时，保持器的设计就显得重要，如果能使保持器的材料在轴承运转过程中，不断转移到轴承的摩擦表面，形成一层固体润滑转移膜，问题会可能解决。
对于常用的油、脂等润滑剂，它们对钢铁等金属材料，是靠形成表面吸附膜和产生化学反应膜而起到润滑作用的。对陶瓷来说，离子键的氧化物陶瓷（氧化锆、氧化铝等），可以产生强烈的吸附膜，相当于钢铁材料中的氧化铁一样，润滑油中极性分子链垂直排列于陶瓷表面，起到有效的润滑作用。但共价键陶瓷，如氮化硅、碳化硅，则润滑油中的极性分子链平行于陶瓷表面排列，故润滑性能差。至于化学反应膜，不论离子键或共价键陶瓷，与硫、磷、氯等极压添加剂都不起反应，不能形成摩擦化学反应膜，也就是常用的极压添加剂并不能改善陶瓷的润滑性能，因此期待研制出对陶瓷表面起作用的高效润滑剂。
4.陶瓷球的制造技术：国内目前市上供应的氮化硅陶瓷球Z好的精度达到G5级，有的规格甚至达到G3级，球径差已控制在80nm（纳米）以内，所以国内陶瓷球的超精加工水平是相当好的，可以满足轴承制造的需要。然而，仍需注意到轴承球的加工精度还有继续提高的趋势，而目前加工陶瓷球是沿用加工钢球的球磨机，这种单盘旋转带V型槽的球磨机，据近来学者的分析，其研磨的轨迹是一个圆环，而不是展开成一个球面，对更高精度的球面加工将是一个困难问题。另外在烧结技术方面，国外多用热等静压（HIP），国内大多数用气压烧结（GPS）技术，HIP烧结用得不普遍。坯球的成份控制及其制造工艺对成品球的品质有至关重要的影响，如何以更低成本制造出性能更好的陶瓷球，仍有一定的探索空间。陶瓷圆柱滚子的商业化生产也没有完成，尚待填补。
三、展望
陶瓷轴承由于显露出来的优异性能，使它可以成为高附加值的高端轴承产品。目前国内的轴承生产量很大，年产早已超过三十亿套，并大量出口海外市场，但出口的是以中低端轴承为主，国内需要的高端轴承，相当部分也要从进口解决。因而有实力的轴承制造厂商应投入力量开发高端产品市场，陶瓷轴承也可以作为其中的选项。结合国内目前的技术条件，可以研发的有应用前景的陶瓷轴承，大概有以下类型：体育用品用轴承：溜冰鞋轴承、高档自行车轴承；化工泵用耐腐蚀轴承，真空泵轴承；纺织机用高速轴承；空调、吸尘器等家电用微小型轴承；电机用低噪音轴承；硬盘驱动器用轴承；机床主轴高速高精度轴承，电主轴高速轴承、滚珠螺杆用轴承；发动机坛压器用高温高速轴承；汽车传动用和铁路机车用高速重载轴承。
从陶瓷轴承的开发应用所取得的进展中，可以明显地看到陶瓷作为一种新材料的出现对轴承这种重要机械基础件的创新所带来的促进作用。今后仍需在不同方面应用先进的材料技术，促使陶瓷轴承产品的完善化。比如，用失效分析技术研究轴承的损坏原因以提高其疲劳寿命，用无损检测技术检查陶瓷球的微细缺陷以提高其使用的可靠性。只有这样，才可以制造出技术含量更高的产品，将陶瓷轴承安全地用于更加严酷的条件之下，例如用作航空发动机主轴轴承。这些至关重要而又有相当难度的技术问题，并非可以容易地从资料中获得借鉴的，或许先行者亦未解决，还得靠自己不断的探索与创新。
轴承性能的提高与拓展，离不开设计、工艺和材料三个因素。特别是材料技术，对轴承创新推动，尤为明显。近二三十年高技术陶瓷的应用，研发出具有新性能的高端轴承，这些轴承有的已渐入主流产品行列，在民用工业和国防工业中越来越显示出其不可替代的潜能。
一、国外陶瓷轴承研制概况
研制陶瓷轴承所用的高技术陶瓷又称结构陶瓷、精细陶瓷或先进陶瓷，主要有氮化硅、碳化硅、氧化锆和氧化铝。其中用得较为普遍是氮化硅，它有很多适合于轴承制造的性能：即氮化硅有很高的硬度；有良好的耐蚀性能；密度小大大减少运转中轴承球的离心力，塑性变形很小等。另外，氮化硅的线胀系数比轴承钢低，轴承运转时温升也不会导致卡死。同时氮化硅不导电，无磁性，在强磁场等条件下运转，亦显示优越性。陶瓷比钢逊色的性能主要是抗弯强度较低，但通过严格的陶瓷制造工艺，目前氮化硅的强度可达到800--1000MPa，在已适合轴承上的应用。
陶瓷轴承作为产品来开发是1984年由日本东芝材料公司和光洋精工公司联手开始的；1992年开发出适用于酸、碱溶液的氮化硅材料；1993年制造出耐腐蚀轴承；1995年陶瓷轴承的优异性能和高的可靠性已获得认可，美国宇航局首先将之用于太空穿梭飞机涡轮泵上；同年陶瓷轴承又被用于汽车涡轮增压器上；1999年，陶瓷轴承在硬盘驱动器中产品化应用取得成功；二十一世纪后，陶瓷轴承的应用进一步打开，不少世界知名企业都介绍其新开发的陶瓷轴承产品。
世界知名的SKF公司则推出EXPLORER轴承系列，在润滑不良条件下也能工作，并且振动、摩擦、发热均下降，保持运转精度和尺寸稳定性，从而将传统的维修操作完全改观，并导致泵的结构设计可以简化。
这种轴承适用于泵、压缩机、风扇、风力发电机、齿轮箱及透平机，轴承寿命比之于任何其他厂家的同类钢轴承，寿命提高三倍。
英国的泵业市场每年销售额约为9.8亿英磅，其中80%为离心泵，每套轴承平均使用寿命仅为1年，轴承的失效占泵的失效率为60~70%。FAG旗下的Barden公司（英国）所开发的X—Life Ultra系列的混合轴承，增加轴承的寿命且节省泵的服役费用。例如美国航天局太空穿梭飞机主发动机燃料泵轴承，原来每次穿梭飞行后均要更换，耗费10万英磅，采用Barden公司的混合轴承后，穿梭飞行6次仍完好，节省费用至少80%。FAG/Barden的X—Life Ultra系列亦可作机床主轴轴承，其寿命比相同的钢轴承提高10倍。
还有各种有关陶瓷轴承应用于不同行业的报导，包括：制药机械、食品机械、纺织机械、高速真空泵、体育用品如溜冰鞋和自行车等。著名的发动机公司Pratt and Whitney 声称已将混合陶瓷轴承装到美国空军新一代战机的引擎上。
二、国内陶瓷轴承开发的问题
虽然氮化硅陶瓷球的生产为陶瓷轴承的发展打下基础，但我国在陶瓷轴承的生产进展是缓慢的，不但应用面窄，数量少，而且与生产出性能优异的高端轴承也有很大差距。原因是推动这项工作主要是材料研制单位而非轴承制造厂商。另一方面，陶瓷轴承的研制是一个系统技术问题，决非将陶瓷球取代钢球便成了陶瓷轴承，要真正制造出适合相应工况使用的优质陶瓷轴承，涉及到轴承结构设计，内外圈材料的选配、润滑技术及陶瓷球的制造技术这几个方面的问题，厂家未必给予足够的注意：
1.轴承结构设计：目前市售的陶瓷轴承都是将相同尺寸陶瓷球取代钢球而成的，用在载荷轻的微小型轴承时，问题看不出来，但当载荷重时，由于陶瓷与钢的材料性能的差别，必然引起轴承受载表面接触应力产生变化，这将直接影响轴承的接触疲劳寿命，甚至有导致早期失效的可能。因此轴承结构设计必须针对此问题作相适应的调整，才能充分获得由于陶瓷球的应用而给轴承性能带来的增益。
2.内外圈材料的选配：此问题涉及到二个方面，其一是所选的材料应适合轴承的工作条件，如温度、腐蚀等；其二是使内外圈的钢表面与陶瓷球有更佳的摩擦学性能匹配。
在常温及非腐蚀条件下，用得Z广泛的材料是标准的高碳铬轴承钢GCr15,经过多年努力，我国生产的GCr15不论纯洁度和均匀性都能满足轴承制造的要求。但试验数据表明，GCr15不是氮化硅陶瓷的Z佳摩擦学性能匹配的材料，氮化钢可能更好。德国近几年已出现了氮化钢的高速轴承，声称只有氮化钢与陶瓷球配合才有此效果。
在高温条件下，我国所用的高温轴承钢是Cr4Mo4V,相当于美国的M50。对于耐腐蚀轴承，我国用的较多是不锈轴承钢9Cr18，或9Cr18Mo，相当于美国的440C，这是一种高硬度的马氏体不锈钢，但同样因为含碳和含铬高，容易引起早期疲劳剥落，难以获得静音性能，亦需进一步予以解决。
考虑到奥氏体不锈钢比马氏体不锈钢有更好的耐腐蚀性能，同时兼备无磁性，因此也有用奥氏体不锈钢进行渗碳处理制造轴承，这种轴承在含水环境中和酸等介质中，比440C有更好的耐腐蚀性能。
3.润滑技术：陶瓷轴承的润滑技术相当复杂，根据不同服役条件，要求不同的润滑技术，润滑剂涵括了油、脂、固体、气体以及所传输的液体介质，如果不能解决润滑问题，陶瓷轴承就不能成功应用。
当轴承浸没在传输的液体介质工作时，只能靠介质润滑，由于陶瓷的耐腐蚀性，使陶瓷轴承胜任在传输介质中工作，这是一个优点。但在一些情况下，介质的润滑性能相当差，例如液态天然气，其粘度只为0.2～0.3Cst，仅为30号机油粘度(30Cst)的百分之一。这样低的粘度要在摩擦介面上建立润滑膜是相当困难的。当不存在润滑膜时，如用钢轴承，则摩擦表面将会产生严重粘着而咬死，如用陶瓷轴承，则陶瓷与钢在干摩擦时，其摩擦系数也达到0.8左右，相当高，轴承亦因之无法工作。这时，保持器的设计就显得重要，如果能使保持器的材料在轴承运转过程中，不断转移到轴承的摩擦表面，形成一层固体润滑转移膜，问题会可能解决。
对于常用的油、脂等润滑剂，它们对钢铁等金属材料，是靠形成表面吸附膜和产生化学反应膜而起到润滑作用的。对陶瓷来说，离子键的氧化物陶瓷（氧化锆、氧化铝等），可以产生强烈的吸附膜，相当于钢铁材料中的氧化铁一样，润滑油中极性分子链垂直排列于陶瓷表面，起到有效的润滑作用。但共价键陶瓷，如氮化硅、碳化硅，则润滑油中的极性分子链平行于陶瓷表面排列，故润滑性能差。至于化学反应膜，不论离子键或共价键陶瓷，与硫、磷、氯等极压添加剂都不起反应，不能形成摩擦化学反应膜，也就是常用的极压添加剂并不能改善陶瓷的润滑性能，因此期待研制出对陶瓷表面起作用的高效润滑剂。
4.陶瓷球的制造技术：国内目前市上供应的氮化硅陶瓷球Z好的精度达到G5级，有的规格甚至达到G3级，球径差已控制在80nm（纳米）以内，所以国内陶瓷球的超精加工水平是相当好的，可以满足轴承制造的需要。然而，仍需注意到轴承球的加工精度还有继续提高的趋势，而目前加工陶瓷球是沿用加工钢球的球磨机，这种单盘旋转带V型槽的球磨机，据近来学者的分析，其研磨的轨迹是一个圆环，而不是展开成一个球面，对更高精度的球面加工将是一个困难问题。另外在烧结技术方面，国外多用热等静压（HIP），国内大多数用气压烧结（GPS）技术，HIP烧结用得不普遍。坯球的成份控制及其制造工艺对成品球的品质有至关重要的影响，如何以更低成本制造出性能更好的陶瓷球，仍有一定的探索空间。陶瓷圆柱滚子的商业化生产也没有完成，尚待填补。
三、展望
陶瓷轴承由于显露出来的优异性能，使它可以成为高附加值的高端轴承产品。目前国内的轴承生产量很大，年产早已超过三十亿套，并大量出口海外市场，但出口的是以中低端轴承为主，国内需要的高端轴承，相当部分也要从进口解决。因而有实力的轴承制造厂商应投入力量开发高端产品市场，陶瓷轴承也可以作为其中的选项。结合国内目前的技术条件，可以研发的有应用前景的陶瓷轴承，大概有以下类型：体育用品用轴承：溜冰鞋轴承、高档自行车轴承；化工泵用耐腐蚀轴承，真空泵轴承；纺织机用高速轴承；空调、吸尘器等家电用微小型轴承；电机用低噪音轴承；硬盘驱动器用轴承；机床主轴高速高精度轴承，电主轴高速轴承、滚珠螺杆用轴承；发动机坛压器用高温高速轴承；汽车传动用和铁路机车用高速重载轴承。
从陶瓷轴承的开发应用所取得的进展中，可以明显地看到陶瓷作为一种新材料的出现对轴承这种重要机械基础件的创新所带来的促进作用。今后仍需在不同方面应用先进的材料技术，促使陶瓷轴承产品的完善化。比如，用失效分析技术研究轴承的损坏原因以提高其疲劳寿命，用无损检测技术检查陶瓷球的微细缺陷以提高其使用的可靠性。只有这样，才可以制造出技术含量更高的产品，将陶瓷轴承安全地用于更加严酷的条件之下，例如用作航空发动机主轴轴承。这些至关重要而又有相当难度的技术问题，并非可以容易地从资料中获得借鉴的，或许先行者亦未解决，还得靠自己不断的探索与创新。