• 新材料与表面工程技术在滚动体中的应用(1)
  • 发布时间:2018-07-23 17:04 | 作者:采集侠 | 来源:网络整理 | 浏览:
  • 引言   随着机械工业技术的发展,对轴承提出了更高的要求。提高轴承性能的途径有:   ①采用先进的设计技术;   ②采用先进的制造技术;   ③采用新材料;   ④采用先进的管理理念和方法。   本文探讨新材料及表面工程技术在滚动体制造中的应用。   常用(传统)滚动体材料   1、高碳铬轴承钢   高碳铬轴承钢包括GCr15、GCr9、GCr6、GCr15SiMn等,用于制造通常工作条件下的轴承滚动体,目前用量占滚动体生产量的85%以上。   2、渗碳轴承钢   渗碳轴承钢包括08、10、25、15Mn、G20CrMo、G20CrNiMo、G20CrNi2Mo、G20Cr2Ni4、G10CrNi3Mo、G20Cr2Mn2Mo等,用于制造耐冲击轴承滚动体。一般碳钢球用于制造价格较低的轴承,合金渗碳轴承钢用于制造汽车、轧机轴承等。   3、不锈轴承钢   不锈轴承钢包括9Cr18、9Cr18Mo、0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、1Cr17Ni2、1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等,用于制造腐蚀介质中的轴承滚动体。   特殊滚动体材料   1、高温轴承钢   高温轴承钢包括Cr4Mo4V(M50)、W9Cr4V2Mo、Cr15Mo4V、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等,用于制造耐高温轴承滚动体,用于燃气轮机、航空发动机等高温高速轴承。   2、中碳轴承钢   中碳轴承钢包括GCr10、40CrA、65Mn、50CrNiA、55SiMoV等,用于制造受冲击载荷的滚动体,如55SiMoV用于制造涡轮钻具轴承的滚动体。   3、无磁轴承材料   无磁轴承材料包括G52、G60、25Cr18Ni10W、Ocr40Ni55A13、QBe2.0、NiCu28-2.5-1.5。   ①G52用于制造无磁高温高压水轴承滚动体。   ②G60用于制造无磁高温高真空及氧化性介质中的轴承滚动体。   ③25Cr18Ni10W用于制造无磁轴承滚动体。④Ocr40Ni55A13用于制造无磁轴承滚动体。⑤QBe2.0用于无磁低温耐腐蚀轴承滚动体。   ⑥NiCu28-2.5-1.5用于制造无磁耐腐蚀钢球。   新型滚动体材料   1、工程陶瓷材料   工程陶瓷材料包括氮化硅陶瓷、氧化锆陶瓷、氮化硼陶瓷。   ①氮化硅陶瓷(Si3N4):制造高速或高温、耐腐蚀精密陶瓷轴承球或滚子。   ②氧化锆陶瓷(ZrO2):制造高温、耐腐蚀中低速陶瓷轴承球或滚动子。   ③氮化硼陶瓷(BN):制造高温、耐腐蚀、自润滑全陶瓷轴承。   表一 工程陶瓷材料性能及轴承钢(GCr15)性能的比较 ---------------------------------------------------------------------------- 项目/ 氮化硅 氧化锆 氮化硼 轴承钢 材料 Si3N4 ZrO2 BN GCr15 ---------------------------------------------------------------------------- 密度(g/cm3) 3.2 5.8~6.05 1.8~2.19 7.85 硬度(HV) 1700(9) 1300(7) 莫氏2 700 抗弯强度(MPa) 700 1200 600~800 2400 断裂韧性(MPa·m1/2) 6~8 7~14 25 弹性模量(GPa) 320 150~220 80 208 热膨胀系数(10-6/K) 3.2 8.7~11.4 2~7.5 11.8 电阻率(Ω·mm2/m) 1017~1018 1010 1016 10-1~1 使用温度(℃) 800 800 900 300 尺寸稳定性 好 好 好 差 耐腐蚀性能 好 好 好 差 ----------------------------------------------------------------------------   2、氮化硅陶瓷材料   其特点是:   ①多晶材料,晶体结构属六方晶系。   ②氮化硅陶瓷外观呈灰白、蓝灰、灰黑色。   ③理论密度:3.19±0.1g/cm3,密度低。   ④高硬度,良好的耐磨性,低磨擦系数(自配磨0.02~0.07),自润滑性好。   ⑤耐高温,抗热震性较好。   ⑥具有较高的断裂韧性,抗冲击性能较好。   ⑦耐腐蚀性好,能耐所有酸(除氢氟酸以外)腐蚀,能抗弱碱腐蚀,对大多数强碱和熔盐不稳定。   ⑧与轴承钢相近的接触疲劳寿命,相似的疲劳剥落形式。   ⑨氮化硅粉末性能:   粒度0.5~0.8μm,低的杂质含量和氧含量<2wt%,α相含量>90wt%。   ⑩氮化硅粉末制造方法:   A、硅粉直接氮化法3Si+2N2→Si3N4   国内普遍采用的方法,需经球磨得到细粉,易引入杂质。   B、硅亚胺分解法SiCl4+6NH3→Si(NH)2+4NH4Cl   3Si(NH)2→Si3N4+N2+3H2   粉末纯度高,细度细且均匀,制造成本高。   C、碳热还原氮化法3SiO2+2N2+6C→Si3N4+6CO   D、化学气相沉积法3SiCl4+4NH3→Si3N4+12HCl   需激化诱导,粉末纯度高,细度细且均匀,制造成本极?。   (11)致密氮化硅陶瓷制造方法:   A、热压氮化硅(HP SN)   方法:氮化硅混合粉末在石墨模具中,同时加热和但轴向加压,烧结温度1650~1850℃,压力15~30MPa,保温时间1~4h。特点:致密,基本达到理论密度(99~100%),制品形状简单,难于批量化生产,可制造滚子毛坯,成品价格昂贵。   B、常压烧结氮化硅(S SN)   方法:氮化硅混合粉末经模压或冷等静压成形,用烧结炉在N2气氛中烧结,温度1700~1800℃,时间几小时,压力0.1MPa(1atm)。   特点:成本低,易于批量生产,相对密度95~99%,孔隙较多,不适宜制造轴承球。   C、气氛压力烧结氮化硅(GSP SN)   方法:氮化硅混合粉末经冷等静压成形,用气氛压力烧结炉在高压N2气氛中烧结,烧结温度1800℃,时间数小时,压力5~10MPa。   特点:性能好,致密(相对密度97~99%),易于批量生产,国内普遍采用,可制造轴承球,成本较高。   D、热等静压烧结氮化硅(HIP SN)   方法:氮化硅混合粉经模压或冷等静压成形,S或GPS烧结后,用热等静压炉,Ar2或N2气做压力传递介质,在高温(1700~1999℃)高压(150~200MPa)下使氮化硅致密,使原已烧结过的RBSN、SSN、SRBSN进一步排除气孔。添加剂含量低。   特点:性能优异,基本完全致密(99~100%),可批量生产,可制造高性能陶瓷轴承球,国外普遍采用,成本高。   (12)小结   陶瓷轴承滚动子:HP SN HIP SN   陶瓷轴承球:GPS SN HIP SN   一般用途的陶瓷球:S SN SRB SN   3、氧化锆陶瓷材料   其特点是:   ①晶体结构:部分稳定氧化锆(PSZ),立方相(cub)结构+单斜相(mono)结构。   ②较高的韧性(所有陶瓷材料中最高的),抗弯强度可达1300MPa,但断裂韧性对温度敏感,高温应用时应注意。   ③常用的氧化锆陶瓷为Mg-PSZ。   ④高硬度,耐磨损,不易划伤对偶件。   ⑤耐腐蚀,对多数酸碱稳定。   ⑥接触疲劳寿命与轴承相差较大,不适宜制造高速重载陶瓷轴承。   ⑦可制造轻载中低速腐蚀场合的陶瓷轴承。   ⑧氧化锆粉末制造方法:   锆英石(ZrSiO4)砂与焦碳和氯气在800~1200℃发生氯化反应生成气相ZrCl4和SiCl4。(来源:机经网)

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