饶水林

（江西昌兴航空装备股份有限公司）

摘　要：氮化硅陶瓷轴承具有强度高、硬度大、密度低、耐高温等众多优异物理性能，广泛地应用于航空航天领域，在航空发动机中使用尤为普遍。随着航空事业的快速发展，对氮化硅陶瓷轴承的性能有了更加严格的要求，氮化硅陶瓷轴承需要在高温以及重载条件下更高速、平稳的运行。基于比较分析方法，就发展现状、缺陷、未来趋势等方面对比分析了氮化硅陶瓷轴承和钢轴承。已有研究表明，氮化硅陶瓷轴承的耐高温性能、耐腐蚀性能以及其工作寿命等性能远强于钢轴承，但其断裂韧性及拉伸强度等机械性能还有较大的提升空间。

0　引言

氮化硅陶瓷具有强度高、硬度大、密度低、耐高温、超高速等优异的综合性能，在航空航天及装备制造领域中得到应用。轴承是机械设备中一种及其重要的零部件，使用十分普遍。其主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动时的摩擦系数，并保证其回转精度。其作用与人体关节相似，故素有“机械的关节”之称。轴承严重磨损、过热、咬死、润滑剂变质等一系列问题将会直接导致装备和系统止转性恶性失效。在航空发动机中，轴承的工作环境十分恶劣，处于高温环境，对轴承的性能是一个很大的考验，极易造成轴承的失效。采用综合性能更好的材料，进一步优化轴承的性能是解决该问题的根本方法。

陶瓷轴承在多方面都有应用。朱爱华等比较了钢轴承和氮化硅陶瓷轴承的性能，得出机车牵引电动机轴承用氮化硅陶瓷轴承主要优势是能有效防止电流经过轴承产生的“电蚀”损害；陶瓷轴承的润滑脂寿命比一般钢制轴承的寿命长3-4 倍。张宝林等研究了混合型氮化硅陶瓷轴承的新进展。文怀兴等研究了氮化硅陶瓷轴承润滑技术的研究现状与发展趋势。郇昌天等研究氮化硅在H2SO4，HNO3，HCl，HF等酸溶液及高温SO2和HCl气体中的腐蚀行为，并对其腐蚀机理进行总结。以上结果均表明氮化硅陶瓷轴承具有很优良的性质。1　氮化硅陶瓷轴承

氮化硅陶瓷轴承有较低的密度、较高的硬度、较高的抗压强度、良好的稳定性，耐高温、抗磨损、抗腐蚀等特性显著，广泛应用于真空、高温、高速工作环境，适应性较为广泛。氮化硅陶瓷与钢之间的动静摩擦系数小，可有效减少烧伤滚道与冷焊情况发生，即使在恶劣条件下也可以延长轴承寿命。氮化硅陶瓷轴承如图1所示。

图1 氮化硅陶瓷轴承

近年来，陶瓷轴承在各个领域中得到了日益广泛的应用。陶瓷轴承可大致分为高速、高温、低温以及一般4个方面的应用。在高速方面，混合陶瓷轴承滑动速度比全钢轴承慢的多，混合陶瓷轴承产生的热量也少的多。适用于喷气涡轮发动机这样高速的航空发动机。在高温方面，全钢轴承不易保持硬度，且液体润滑剂容易退化，氮化硅轴承却依旧能保持良好的运行。多应用在航空与绝热发动机方面。在低温方面，钢轴承易发生粘和磨损、划伤和咬死的情况，混合陶瓷轴承则耐磨损、抗划伤。多应用于提供超低温推进、使用液体燃料推进的火箭发动机的低温涡轮泵中。陶瓷轴承具有抗腐蚀性， 在一般应用中，可运用在各种精密、环境差的仪器中。如真空泵、高速电动车、海水机械、钻孔机等。

2　氮化硅陶瓷轴承的性能缺陷

氮化硅陶瓷轴承的结构和性能匹配性是设计和应用的核心技术，其包括应力设计、热设计、摩擦学设计和寿命设计。应力设计要考虑公称接触应力、工况附加应力、结构附加应力和振动附加应力，以及配副材料的承载能力。在设计氮化硅陶瓷轴承时，首先要确定基本的结构参数，然后结合工况进行表面摩擦学性能的匹配性设计、工作性能设计、结构动态性能设计、热特性设计、润滑性能相容性设计和材料匹配性设计等，该过程程序繁琐，操作复杂。

图2 氮化硅陶瓷轴承

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。从而导致动态性能设计方法的较大变化，需要开发专用的动态性能分析软件。

作为航空轴承的新型材料，航空陶瓷轴承还要经过大量的适应工作状况的试验。寿命验证试验是Z基本的试验，还需要完成高速试验、极限温升试验、抗污染能力试验、断油试验和叶片脱落冲击试验等。经过大量的试验可以得到清晰的边界的各种参数，并为陶瓷轴承的设计提供科学依据。

3　高可靠性陶瓷轴承技术研究进展

航空轴承技术的发展历史从M50到M50 NiL、Cronidur 30，再到目前普及的氮化硅陶瓷材料，航空轴承技术的迅速发展离不开轴承材料的研发。未来航空轴承将向环保化、轻量化、普遍化、高强度化等发展，相对应的保护和检测技术也会有巨大发展。

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。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。其工艺流程如图3所示。

图3 氮化硅陶瓷轴承的生产流程

未来当陶瓷轴承的性能更加优良时，且能低成本制造时，陶瓷轴承将其转化为民用技术。可广泛应用于民品高速机床、低温工程、高速电机、化工等行业，使用领域可以完全覆盖现在的精密、中速以上全钢轴承的所有应用领域。性能价格比远远优于全钢轴承，寿命可比现在使用的轴承寿命提高3倍以上，节省大量的停机检修时间，废品降低、库存轴承备件减少等。此外，由于技术含量高，不可能仿冒，投资风险小。

氧化铝、氧化锆与碳化硅陶瓷球的失效形式为碎料，然而氮化硅陶瓷轴承陶瓷球的失效形式为剥落。氮化硅陶瓷球的滚动接触疲劳是衡量氮化硅陶瓷轴承性能的一个重要的性能指标，表面气孔数量、气孔尺寸、气孔分布均匀性、氮化硅陶瓷球表面粗糙度、氮化硅陶瓷球残余应力及润滑条件均对氮化硅陶瓷球滚动接触疲劳强度有较大影响。图4为氮化硅陶瓷轴承表面微观形貌图。

图4 氮化硅陶瓷轴承表面微观形貌

相对应的保护检测系统有陶瓷轴承的运行健康状态监控技术、无损检测和可靠性评价技术。轴承性能的波动和轴承失效都会导致系统出现严重问题甚至瘫痪， 智能健康监测系统(Intelligent Health Monitoring Systems)是未来航空装备技术监测的总体发展趋势，轴承和齿的健康状态监测是其中Z重要的一项。无损检测技术是对表面和次表层缺陷和损伤的检测技术，能有效的控制陶瓷元件的成品质量、研究所受损伤的一般模式和规律、获得抗损伤的极限能力和建立可靠性评价模型。

4　结论

在航空、航天、高端制造领域中，陶瓷轴承已经普遍应用。氮化硅陶瓷轴承已成为航空轴承的中坚力量，并正朝着普及化的方向努力。对于航空航天所需要高温、高速、长寿命和质载等高性能要求，陶瓷轴承技术需要持续不断地发展、研究并创新下去。

来源：《中国陶瓷工业》2020年第3期