陶瓷轴承的应用

　　摘要：陶瓷轴承具有长寿命、耐高温、耐腐蚀和超高速等优异的综合性能，已经在航  空航天及装备制造领域中得到应用。介绍了陶瓷轴承的发展背景，归纳了陶瓷材料技术研  究进展，概括了陶瓷滚动体毛坯和成品的无损探伤技术和方法，阐述了陶瓷滚动体表面低  损伤加工的必要性，探讨了陶瓷轴承的润滑行为和热行为，提出了陶瓷轴承的失效模式和  设计准则，分析了陶瓷轴承的结构和性能设计方法，给出了部分典型应用和极限性能试验  情况，展望了高性能陶瓷轴承技术的发展趋势。为继续深化陶瓷轴承技术研究、攻克极限  工况下的陶瓷轴承关键技术、发展面向工况的轴承设计制造技术、实现高性能陶瓷轴承的  技术转化和推广应用、解决高端装备的公共轴承技术难题提供技术基础。

　　关键词：陶瓷轴承；轴承设计；极限性能；制造技术

  引言：轴承是工业机械领域的关键基础件，素有“装备的关节”之称。轴承性能的优劣直接影响和决定高端装备的精度、寿命、极限转速、承载能力、耐温能力、稳定性、可靠性和动态性能等关键指标，航空航天技术对高质量轴承的需求尤其迫切。随着高端技术的发承性能的要求也越来越苛刻，轴承若发生严重磨损、过 热、咬死、润滑剂变质等将会直接导致装备和系统的止 转性恶性失效，因此，轴承对发展现代高端装备的重要 性越来越突出。在航空发动机设计中，轴承材料和技术始终占到 90%～95%以上。可以说，轴承技术代表着发动机极限转速、耐温能力和可靠性水平[1]。目前，提高发动机推力和燃油效率的直接方法依然是提高涡第 2 期王黎钦等：高可靠性陶瓷轴承技术研究进展限转速性能、耐温能力、润滑性能和承载能力等，因此，人类始终没有停止过研究开发新的轴承材料[2-4]。研制开发陶瓷轴承的最初目标是提高航空航天国防装备轴承的极限性能。20 世纪末，美、日、欧等国家和地区在各类技术计划的引导和资助下，完成了大量的材料、应用基础、设计、制造工艺、质量控制等基础研究，建立了可靠的基础数据。瑞典 SKF、德国 Schaeffler 等国际著名轴承公司都开发出高水平的陶瓷轴承技术和产品，特别是热等静压烧结技术（HIPPed）氮化硅（Si3N4）陶瓷轴承为高端装备技术的发展提供了核心技术支撑。经过 40 多年的研究和积累，Si3N4 陶瓷轴承已经应用在直升机主传动装置、航空 APU、飞机附件传动、导弹发动机、火箭发动机和航天卫星上，已成为高端制造装备中高速和高功率主轴的标配轴承。

　　本文重点介绍了高可靠性陶瓷轴承技术在航空发动机上的应用，并对陶瓷轴承技术的发展进行评述和展望。

　　1陶瓷轴承材料轴承材料主要是指高铬抗疲劳轴承钢、耐高温工具钢、高强度齿轮轴承一体化钢等轴承材料，包括 GCr15、9Cr18、M50、M50NiL、Cronidur30、BG42、XD15N、CSS-42L 等，航空技术的发展对高温、高速、高可靠性轴承及材料的的需求也越来越高，由此也促进了轴承材料技术的发展。

　　氮化硅（Si3N4）等精细工程陶瓷具有密度低、硬度高、抗压强度高、稳定性好、耐高温、抗磨损、抗腐蚀、 抗冷焊、电绝缘和不导磁等优点，该类材料轴承可广泛用于真空、高温、高速、低温、腐蚀、要求不导磁、不导电和防冷焊等工况，还可适用于瞬时无润滑等特殊工况，且对润滑剂污染敏感性小，适应性广泛。特别是陶瓷与钢的动静摩擦系数小，且稳定，不易烧伤滚道和发生冷焊，在恶劣工况下能够显著延长轴承的使用寿命。德国早期研制的航空混合式陶瓷轴承[5]如图 1 所示。

　　由于存在夹杂、微型气孔和晶界玻璃相等，早期陶瓷材料的脆性始终是影响长寿命轴承失效模式和抗冲击能力的最直接因素之一。近年来，通过大量研究，发展了陶瓷毛坯的热等静压烧结技术，通过控制图 1 德国FAG 开发的航空发动机用陶瓷轴承分等，使氮化硅（Si3N4）陶瓷轴承、氧化锆（ZrO2）陶瓷轴承的综合性能大幅度提高，抗弯强度和断裂韧性等关键指标都能满足要求，其中热等静压氮化硅陶瓷相对密度可以达到 99.9%以上，3 点抗弯强度高于 10001 MPa，断裂韧性可达到 8～9 MPa·m 2 以上，大大优于1 滚动轴承的最低门槛值 6 MPa·m 2 。陶瓷与轴承钢材料的主要参数对比见表 1。

　　近年来，随着陶瓷轴承在高端装备领域的推广应用，材料对轴承质量的影响得到了广泛重视，ISO26602:2009  《Fine  ceramics   (advanced  ceramics, advanced  technical  ceramics)  —  Silicon  nitride materials for rolling bearing balls》对滚动轴承氮化硅陶瓷材料的弹性模量、泊松比、热膨胀系数、弯曲强度、硬度、断裂韧性、显微结构、材料分级等性能指标给出了明确的测量方法和范围，ASTM F 2094/F 2094M-08 《Standard Specification for Silicon Nitride Bearing Balls》除了对材料质量标准明确要求外，还明确规定了氮化硅陶瓷球的化学成分、表面质量、检测方法、几何参数以及等级用途等。

　　2陶瓷轴承的设计与验证技术陶瓷滚动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。

　　大量研究表明，热压气氛烧结（GPS）和热等静压烧结（HIP）的氮化硅陶瓷在滚动接触寿命试验过程中，即使在 7.6 GPa 的高接触应力下，其失效模式依然是渐进性的疲劳失效模式，如图 2 所示[6-7]。对于航空等关键部位的轴承而言，有着漫长的起源和扩展过程和可以监测使用的“良性”失效模式，意味着在轴承使用过程中不会发生粉碎性的瞬间解体。但陶瓷轴承正常工况下，其温升一般要比全钢轴承的低 20%～氮化硅(Si3N4)陶瓷、氧化锆(ZrO2)陶瓷和轴承钢性能参数对比采用 L-P 公式计算，混合式陶瓷轴承的寿命会被严重低估[8]，采用不同材料和工艺制备的陶瓷轴承，其寿命参数是会变化的，因此，必须先通过试验获取该参数的准确值硬度HRC3 点弯曲强度/MPa拉伸强度/MPa1 断裂韧性（/ MPa·m 2 ）杨氏模量/GPa泊松比热膨胀系数（/ ×10-6/K）室温热传导率（/ W/m·K）室温比热（/ J/kg·K）

　　使用上限温度/℃ 导磁性导电性 耐腐蚀性陶瓷滚动体的滚动接触疲劳失效模式陶瓷滚动轴承的应力设计要综合考虑公称接触应力、振动附加应力、热应力、结构附加应力和工况附加应力等，同时还要考虑配副材料的承载能力。事实上，为了充分发挥陶瓷新材料的优势，陶瓷轴承往往需要突破钢轴承的极限性能，如高速性能、高温性能、长寿命质载和高可靠性等。因此与通用滚动轴承设计不同，在设计陶瓷轴承时，除了需要设计基本的结构参润滑剂降解的进一步降低具有更明显的优势。因此， 陶瓷轴承的基本寿命设计理论仍然可以采用 L-P 的设计公式，即 L=（C/P）n/3，式中：C、P 分别为轴承的基本额定动载荷与当量动载荷；n 为与材料有关的寿命指数，对于钢制单列球轴承和滚子轴承，n 分别取值 9和 10，对氮化硅混合式陶瓷轴承，n=16.1，很显然陶瓷轴承疲劳发展趋势与钢轴承不同。Zaretsky、Harris 等人对长期积累的大量基础数据研究结果表明，如果仍数外，还需要面向工况开展表面摩擦学性能的匹配性设计、材料匹配性设计、结构动态性能设计、热特性设计、润滑性能相容性设计和工作性能设计等，但设计理 念和结果还需要进一步验证。特别值得一提的是，由于材料机械性能的差异，陶瓷轴承刚度会产生较大的变化，由此引起转子系统的支撑刚度与动态响应以及附加动载荷的较大变化，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。

　　第 2 期王黎钦等：高可靠性陶瓷轴承技术研究进展9在航空陶瓷轴承材料匹配性设计方面，重点考虑轴承的抗疲劳能力匹配问题，过大的硬度差会导致轴承元件的过早疲劳和不对称疲劳。FAG 研究结果显示，Si3N4 陶瓷与 M50NiL 钢以及 Cronidur 30 钢组成的混合式陶瓷轴承性能匹配最佳。而哈尔滨工业大学的长期研究结果则表明，通过材料配方与组分设计及轴承钢表面的 2 次改性处理技术，将陶瓷元件的硬度从高向低调整，将轴承钢滚道承载区域改性和表面改性适当提高，其寿命相应比全钢轴承延长 1.5～2 倍。滚动轴承内部的主承载区都是点接触或线接触，接触应力很高。陶瓷轴承设计需要统筹考虑无限寿命的承载能力与瞬态附加动载荷和基于环境热特性及接触微区瞬态热效应的热边界特性、以及基于接触微区永久变形精确计算的极限静载荷等。研究表明，陶瓷滚动体的高速离心力减小将导致轴承最小载荷和接触角及实际接触应力等发生显著变化；接触微区的温升减小将进一步显著改变轴承的工作游隙和润滑剂的流变特性。此外，尽管轴承内部发热量大大减少，但热传导系数、比热容和热膨胀系数等不同，陶瓷轴承内部的摩擦热分配机制发生了显著变化，陶瓷滚动体的热影响区域趋表化现象十分严重，在大温差条件或温度急剧变化的工况下，高速陶瓷滚动体表层极薄区域还会经历热应力的急剧变化，导致高速质载热振损伤。超低温高速质载陶瓷轴承工作后浅表层出现的细密收敛网纹[8]如图 3 所示，毋容置疑，对轴承的精度、噪声、疲劳寿命会产生较大影响。

　　要考虑装配应力、热应力、表面质量状态和润滑状态等修正，由于材料特性差异，不能沿用全钢轴承的修正参数。

　　作为航空轴承的新型材料，陶瓷轴承应用到航空领域还要经过大量的工况适应性验证，除了寿命验证试验以外，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，以获得清晰的设计边界和使用边界参数，并为可靠性设计提供科学依据。

　　3陶瓷轴承的制造技术与质量控制技术尽管Si3N4 陶瓷在所有的工程陶瓷中具有优异的综合性能，但与轴承钢相比，其低韧性、高硬度和中等弯曲强度依然是陶瓷材料对损伤和缺陷敏感的致命弱点，因而低缺陷毛坯、低损伤加工工艺和无损检测是保障陶瓷轴承质量一致性和工作可靠性的最直接手段，即使是采用热等静压制造的氮化硅（HIPPed Si3N）4 陶瓷滚动体亦如此，因此，高可靠性的陶瓷轴承需要 100%的无损探伤来保证。陶瓷无损检测技术分为毛坯检测技术和成品检测技术，其中声发射共振技术（Acoustic Resonance）和激光材料评价技术（Laser Material Evaluation Techniques）在高端应用中具有良好的前景。

　　陶瓷滚动轴承元件的主要承载表面和次表层的缺陷和损伤可以由毛坯带来和由加工过程引起，如图4所示。从滚动轴承内部的 Hertz 接触基本理论可知，在不考虑摩擦力时，由材料显微结构缺陷引起的疲劳损伤起源于距表面半径 b＝ 0.78（b 为轴承内部接触椭圆的短轴半径）深度处的次表层，考虑到陶瓷的显微结构的非均匀性，实际疲劳起源区域预计在距表层深度 b 以内，同时在考虑摩擦力作用时，由于剪切应力和摩擦热影响区域趋表化，会引起疲劳起源深度逐步趋表化，图 5 为轴承内部高速滑滚接触区域中摩擦系数 u 对摩擦副次表层最大剪切应力的影响规律，热影响规律与此类似。

　　陶瓷轴承滚动体的高精度 X 射线无损探伤技术、表面波声成像技术 （Surface Wave AcousticImaging） 和扫描电子声发射技术（Scanning Electron Acoustic Micrographs，SEAMS）开始投入使用，使得无损探伤精度大幅度提高，其中 Micro CT 分辨率可以达到 1 μm，通过强大的软件可以获得实际 3D 图像，如图6 所示。此外，国际上将高精度成像 NDE 技术（CT）与有限元(FEM)快速建模方法集成，发展了对陶瓷零件内部结构损伤和缺陷的高精度 3D 成像无损检测分析NDE FE 方法和技术[10]，为进一步采用 FEM 方法评估损伤或缺陷的危险程度提供了技术检测手段。

　　4陶瓷轴承的润滑技术陶瓷轴承具有很好的润滑工况适应性。由于发热小，并与轴承钢的摩擦相容性好等优势，陶瓷轴承在固体润滑、薄膜润滑、脂润滑、少量润滑和贫油润滑等比较恶劣的条件下能够可靠地工作，而且由于抗磨图 6  陶瓷晶须增强复合材料Micro CT 3 维扫描图像损、热性能稳定，且不会出现高温熔化咬死等恶性失效，润滑恢复后仍能继续工作，这对航空轴承的断油能力要求，特别是直升机等长时间高功率密度断油运行能力要求是一个重要保障。陶瓷轴承和钢轴承在模拟航空发动机要求的断油试验过程的温升记录如图7 所示，很显然陶瓷轴承在断油过程中温升较低，恢复供油后能迅速恢复到断油前的低温升稳定工作状态，分析认为，在断油过程中，由于结构尺寸变化小和接触区滑动摩擦变化小从而增强了抗断油能力，而在ACM 高转速 50000 r/min 下，达到了极限试验 117 min断油条件的安全运行。