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度高、硬度大、密度低、耐高溫等眾多優異物理性能，廣泛地應用于航空航天領域，在航空發動機中使用尤為普遍。隨著航空事業的快速發展，對氮化硅陶瓷軸承的性能有了更加嚴格的要求，氮化硅陶瓷軸承需要在高溫以及重載條件下更高速、平穩的運行。基于比較分析方法，就發展現狀、缺陷、未來趨勢等方面對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強于鋼軸承，但其斷裂韌性及拉伸強度等機械性能還有較大的提升空間。

0　引言

氮化硅陶瓷具有強度高、硬度大、密度低、耐高溫、超高速等優異的綜合性能，在航空航天及裝備制造領域中得到應用。軸承是機械設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械旋轉體，降低其運動時的摩擦系數，并保證其回轉精度。其作用與人體關節相似，故素有“機械的關節”之稱。軸承嚴重磨損、過熱、咬死、潤滑劑變質等一系列問題將會直接導致裝備和系統止轉性惡性失效。在航空發動機中，軸承的工作環境十分惡劣，處于高溫環境，對軸承的性能是一個很大的考驗，極易造成軸承的失效。采用綜合性能更好的材料，進一步優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，得出機車牽引電動機軸承用氮化硅陶瓷軸承主要優勢是能有效防止電流經過軸承產生的“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展。文懷興等研究了氮化硅陶瓷軸承潤滑技術的研究現狀與發展趨勢。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，并對其腐蝕機理進行總結。以上結果均表明氮化硅陶瓷軸承具有很優良的性質。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、較高的抗壓強度、良好的穩定性，耐高溫、抗磨損、抗腐蝕等特性顯著，廣泛應用于真空、高溫、高速工作環境，適應性較為廣泛。氮化硅陶瓷與鋼之間的動靜摩擦系數小，可有效減少燒傷滾道與冷焊情況發生，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，陶瓷軸承在各個領域中得到了日益廣泛的應用。陶瓷軸承可大致分為高速、高溫、低溫以及一般4個方面的應用。在高速方面，混合陶瓷軸承滑動速度比全鋼軸承慢的多，混合陶瓷軸承產生的熱量也少的多。適用于噴氣渦輪發動機這樣高速的航空發動機。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行。多應用在航空與絕熱發動機方面。在低溫方面，鋼軸承易發生粘和磨損、劃傷和咬死的情況，混合陶瓷軸承則耐磨損、抗劃傷。多應用于提供超低溫推進、使用液體燃料推進的火箭發動機的低溫渦輪泵中。陶瓷軸承具有抗腐蝕性， 在一般應用中，可運用在各種精密、環境差的儀器中。如真空泵、高速電動車、海水機械、鉆孔機等。

2　氮化硅陶瓷軸承的性能缺陷

氮化硅陶瓷軸承的結構和性能匹配性是設計和應用的核心技術，其包括應力設計、熱設計、摩擦學設計和壽命設計。應力設計要考慮公稱接觸應力、工況附加應力、結構附加應力和振動附加應力，以及配副材料的承載能力。在設計氮化硅陶瓷軸承時，首先要確定基本的結構參數，然后結合工況進行表面摩擦學性能的匹配性設計、工作性能設計、結構動態性能設計、熱特性設計、潤滑性能相容性設計和材料匹配性設計等，該過程程序繁瑣，操作復雜。

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度依然是氮化硅陶瓷材料對損傷和缺陷敏感的致命弱點。高可靠性的氮化硅陶瓷軸承需要完全無損探傷來保證。材料機械性能的差異使陶瓷軸承剛度產生明顯的變化，這會導致轉子系統的支撐剛度、動態響應和附加動載荷也產生較明顯變化。從而導致動態性能設計方法的較大變化，需要開發專用的動態性能分析軟件。

作為航空軸承的新型材料，航空陶瓷軸承還要經過大量的適應工作狀況的試驗。壽命驗證試驗是Z基本的試驗，還需要完成高速試驗、極限溫升試驗、抗污染能力試驗、斷油試驗和葉片脫落沖擊試驗等。經過大量的試驗可以得到清晰的邊界的各種參數，并為陶瓷軸承的設計提供科學依據。

3　高可靠性陶瓷軸承技術研究進展

航空軸承技術的發展歷史從M50到M50 NiL、Cronidur 30，再到目前普及的氮化硅陶瓷材料，航空軸承技術的迅速發展離不開軸承材料的研發。未來航空軸承將向環保化、輕量化、普遍化、高強度化等發展，相對應的保護和檢測技術也會有巨大發展。

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階段。階段為氮化硅原料制備，即將氮化硅粉料與燒結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，燒結方法有常壓燒結、熱壓燒結、氣壓燒結與熱等靜壓燒結。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流程

未來當陶瓷軸承的性能更加優良時，且能低成本制造時，陶瓷軸承將其轉化為民用技術。可廣泛應用于民品高速機床、低溫工程、高速電機、化工等行業，使用領域可以完全覆蓋現在的精密、中速以上全鋼軸承的所有應用領域。性能價格比遠遠優于全鋼軸承，壽命可比現在使用的軸承壽命提高3倍以上，節省大量的停機檢修時間，廢品降低、庫存軸承備件減少等。此外，由于技術含量高，不可能仿冒，投資風險小。

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接觸疲勞是衡量氮化硅陶瓷軸承性能的一個重要的性能指標，表面氣孔數量、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力及潤滑條件均對氮化硅陶瓷球滾動接觸疲勞強度有較大影響。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

相對應的保護檢測系統有陶瓷軸承的運行健康狀態監控技術、無損檢測和可靠性評價技術。軸承性能的波動和軸承失效都會導致系統出現嚴重問題甚至癱瘓， 智能健康監測系統(Intelligent Health Monitoring Systems)是未來航空裝備技術監測的總體發展趨勢，軸承和齒的健康狀態監測是其中Z重要的一項。無損檢測技術是對表面和次表層缺陷和損傷的檢測技術，能有效的控制陶瓷元件的成品質量、研究所受損傷的一般模式和規律、獲得抗損傷的極限能力和建立可靠性評價模型。

4　結論

在航空、航天、高端制造領域中，陶瓷軸承已經普遍應用。氮化硅陶瓷軸承已成為航空軸承的中堅力量，并正朝著普及化的方向努力。對于航空航天所需要高溫、高速、長壽命和質載等高性能要求，陶瓷軸承技術需要持續不斷地發展、研究并創新下去。

來源：《中國陶瓷工業》2020年第3期