新材料与表面技术在滚动体中的应用

1、新材料与表面技术在滚动体中的应用（表）查看原文：http:/www. chinainfo, gov, cn/data/200706/1 20070608 156368. html丄打欠数：;2据中国钢铁新闻网2007年6月8日报道:随着机械工业技术的发展,对轴承提岀r更高的要求。提高轴承性能的途径冇： 采用先进的设计技术； 采用先进的制造技术： 采用新材料； 采用先进的管理理念和方法。本文探讨新材料及表闻工程技术在滚动体制造中的应用。常用（传统）滚动体材料1、高碳饼轴承钢高碳倂轴承钢包括gcrl5> gct9、gcr6. gcrlssimn等，用于制造通常工作条件下的轴 承滚动体，目前用

2、量占滚动体牛产量的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 9crl8、9crl8mo、0crl8ni9、lcrl8ni9> lcrl8ni9ti> lcrl7ni2> lcrl3、 2crl3、3crl3. 4crl3等,用于制造腐蚀介质中的轴承滚动体。特殊滚动体材料冇1

3、、高温轴承钢高温轴承钢包括 cr4mo4v（m50）、w9cr4v2mo> crl5mo4v> 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gcrlo. 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、25crl8nilow. 0cr40ni55a13> qbe2. 0、nicu28-2. 5-1 5。 g52用于制造无磁高温高压水轴承滚动体。

4、 g60用于制造无磁高温鬲真空及氧化性介质中的轴承滚动体。 25crl8nilow用于制造无磁轴承滚动体。 0cr40ni55a13用于制造无磁轴承滚动体。 qbe2. 0丿ij于无磁低温耐腐蚀轴承滚动体。nicu28-2. 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、氧化错陶瓷、氮化硼陶瓷。 氮化硅陶瓷(s13n4)：制造高速或高温、耐腐蚀精密陶瓷轴承球或滚子。 氧化咎陶瓷(zr02):制造肓温、耐腐蚀中低速陶瓷轴承球或滚动子。 氮化硼陶瓷(bn)：制造高温、耐腐蚀、口润滑全陶瓷轴承。表一工程陶瓷材料性能及轴承钢(gcrl5)性能的比较项冃/

5、氮化硅氧化鉛氮化硼轴承钢 材料 si3n4 zr02 bn gcrl5密度(g/cm3) 3.2 58605 182. 19 7.85硬度(i1v) 1700(9) 1300(7)莫氏 2 700抗弯强度(mpa) 700 1200 600800 2400断裂韧性(mpaml/2) 68 714 25弹性模量(gpa) 320 150220 80 208热膨胀系数(10-6/k) 3.2 8. 711.4 27. 5 11.8 电阻率(q mm2/m) 10171018 1010 1016 10-广 1 使用温度(°c) 800 800 900 300尺寸稳定性好好好差耐腐蚀性能好好

6、好差2、氮化硅陶瓷材料其特点是: 多晶材料，晶体结构属六方晶系。 氮化硅陶瓷外观呈灰口、蓝灰、灰黑色。 理论密度：3. 19±0. ig/cm3,密度低。 高碾度，良好的耐磨性，低磨擦系数(自配磨0.02、0.07),自润滑性好。 耐高温，抗热震性鮫好。 具有较高的断裂韧性，抗冲击性能较好。 耐腐蚀性好，能耐所有酸(除氢氛酸以外)腐蚀，能抗弱碱腐蚀，对大多数强碱和熔盐 不稳定。 与轴承钢相近的接触疲劳寿命，相似的疲劳剥落形式。 氮化硅粉末性能：粒度0. 50. 8 um,低的杂质含量和氧含量<2wt%, a相含量90wt%o 氮化硅粉末制造方法：a、硅粉直接氮化法3si+2n2

7、-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 sic14+6xh3->si (nh) 2+4xh4c13si(nh)2->si3n4+n2+3h2粉末纯度肓，细度细n均匀，制造成本高。c、碳热还原氮化法 3sio2+2n2+6c->si3n4+6cod、化学气相沉积法 3sic14+4nh3-si3n4+12hcl需激化诱导，粉末纯度高，细度细且均匀，制造成本极高。仃1)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屮，同时加热和但轴向加压，烧结温度16501850°c, 压力1530mpa,保温

8、时间广4h。特点：致密，基木达到理论密度(9旷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气氛屮烧结，温度 1700、1800°c，时间几小时,压力 0. lmpa(latm)o特点：成本低，易于批量生产，相对密度9599%,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°c，时间数小时,压力510mpa。特点：性能好，致密(相对密度97为9%),易

9、于批量生产，国内普遍采用，町制造轴承球， 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烧结示，用热等静压炉，ar2或 n2气做压力传递介质，在高温(1700 1999°c)高压(150200mpa)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(99100%),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。(小结陶瓷轴承滚动了： iip sn htp sn陶瓷轴承球：gps sn hip sn一般用途的陶瓷球：s sn srb sn3、氧化错陶瓷

10、材料其特点是： 晶体结构：部分稳定氧化钳(psz),立方相(cub)结构+单斜和(mono)结构。 较高的韧性(所有陶瓷材料屮最高的)，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。 常用的氧化错陶瓷为mg-pszo 高硬度，耐磨损，不易划伤对偶件。 耐腐蚀，对多数酸碱稳定。 接触疲劳寿命与轴承相弟较人，不适宜制造高速重载陶瓷轴承。 可制造轻载中低速腐蚀场合的陶瓷轴承。 氧化钻粉末制造方法：钳英石(zrsiod)砂与焦碳和氯气在8001200°c发生氯化反应生成气相zrc14和sic14。4、聚甲醛工程幫料聚甲醛是一种高熔点、高结晶性的热犁性工程塑料，分均聚和

11、共聚甲醛，是机械性能屮 最接近金属的工程塑料z (性能如下表)o项目均聚甲醛共聚甲醛密度(g/cm3)1.42 1.41抗变强度(mpa) 90 98抗压强度(mpa) 127 110冲击强度(j/m)缺口 76 65无缺口 1310 1140 洛氏硬度m94 m80 摩擦系数0. 35 0. 35 使用温度-40100性能特点： 与金属接近的比强度和比刚性； 高的弹性模量； 高的刚性和硬度； 鮫好的冲击强度和耐蠕变性及耐疲芳性。 制造轻载低速耐腐蚀轴承滚动体； 制造轻载低速口润滑轴承滚动体。5、其他材料 金属陶瓷材料：硕质合金等。今日焦点： 铝合金材料 铜合金材料 钛合金材料选择滚动体材料，

12、应根据不同的使用条件，进行合理选择。表面工程技术1、概述机械产品的故障往往是个别零件失效造成的，而零件失效往往是由于局部表面失效造成 的，腐蚀从零件表面开始，摩擦磨损在零件表面发生，疲劳裂纹有表面向里延伸。应用表面 工程技术可将那些易损零件的易损表面的失效期处长，使产品的整体性能得到提高。轴承是典型的表面工作零件，轴承表面有细微的磨损、疲劳、腐蚀等失效出现，就可使 整套的轴承失效，可通过表面工程技术改善轴承工作表面的状态，捉高轴承的寿命。 表而工程技术是经表而预处理后，通过表面涂覆、表而改性或多种表面技术复合处理, 改变固休金属表而或非金属表而的形态、化学成份、组织结构和应力状况，以获得所需耍

13、的 表而性能的系统工程。 表面工程技术是为机电产品适应高温、高压、高速、重载及腐蚀介质、恶劣工况条件 的需要而于近十多年形成并迅速发展起来的一门新兴学科，具有多学科交叉、综合、复合的 显苦特色，可有效推进产品质量提高和坏境保护改善。表面丄程技术在解决耐懒和防腐以及 捉供功能性涂层方而，具有突出的成效。 表而工程技术的主要功能：a、提高表面耐磨性或耐腐蚀、抗疲劳、抗氧化、防辐射性能；b、改善表面的传热性或隔热性；c、改善表而的导电性或绝缘性；d、改善表面的导磁性或电磁屏蔽性；e、改善表而的增光性、反光性或吸波性；f、改善表面的粘着性或不粘性；g、改善表而的吸油性或干摩性；ii、改善表面的摩擦系数

14、（提高或降低）；i、改善表而的装饰性或仿古做ih性。 表面工程技术是系统工程技术，包括a、表面工程基础理论:表而失效分析理论；表而摩擦磨损理论；表而腐蚀与防护理论；表面界而结介与复合理 论。b、表而工程技术及复合表面工程技术：复合表面技术；化学转化膜技术；表面涂层（厚膜）技术；表面薄膜技术；表面化学粘涂 技术；磨擦化学膜技术；表面机械强化技术。c、表面加工技术：表而预处理技术；表而层的机械加工技术；表而层的特种加工技术。d、表面质量检测与控制：表而几何特性与检测；表而力学特性与检测；物理及化学特性与检测；表而分析技术。e、表面工程技术设计：表而层结构设计；表而层材料设计；表面层工艺设计；表面工

15、程车间设计及表而工程车; 表面工程技术经济分析。f、常用的表面技术：堆焊技术；熔接技术（低真空熔接、激光熔敷等）；电镀、电刷镀及化学镀；热喷涂技术 （火焰喷涂、电弧喷涂、等离了喷涂、爆炸喷涂、高能超声速喷涂）；粘结技术；涂装技术; 物理与化学气相沉积技术（真空蒸镀、离子溅射、离子镀等）；化学热处理、激光相变硬化、 激光非晶化、激光合金化、电了束相变硬化、离了注入等。g、表面工程技术在轴承的滚动体中应用的意义（a）在表而滚动体制备性能优异的表面功能薄层，使其具有比基体材料更高的耐磨性、 抗腐蚀性和耐高温等性能，如碳钢球通过表面处理代替不锈钢川丁腐蚀性场合，带动滚动制 造的技术创新。（b）对特种中

16、人型轴承，改变“川后丢弃”的维修观念，向“再制造”的观念转变，变 原样修复为实现超过原始性能的改进性修复。推动维修观念的创新。（c）节能接材，有利于环境保护，符合国家可持续性发展战略。（d）推动高新技术产业的发展。2、离子注入表而的处理技术 基木原理的定义：离子注入表而处理是把某种元素的原子电离成离子，并使其在机十至几百千伏的电压下 进行加速，在获得较高速度后射入方在真空靶室中的工件表面的一种离子束加工技术。 离子注入技术特点：a、明显改善材料的耐磨性、抗蚀性、耐高温性及光、电、超导等性能；b、表而合金层不受相平衡、固溶体等传统合金化规则的限制，原则上任何元素都可以 注入到任何基体金属中；c、

17、离子注入层与基体材料z间无界而，不存在结合不良产生剥落的问题；d、无环境污染 离子注入设备：离子注入机主要包括一个产生离子的离子源和一个带有抽真空系统的靶室。离子源有固 体离子源、气体离子源及固体/气体离子源。 离子注入技术的应用：a、用于工具、刀具、模具等离了注入，大幅提高滚动体工模具的寿命b、用于大型轴承的滚子和钢球的表面处理，获得所需的高温、耐蚀、电磁、口润滑等 特性，尤其对于大尺寸零件基体口j采用价格相对较低的材料，进行离了注入，获得所需的表 面合金化层，结合高能离子束或激光表而处理技术，即可达到所需性能，解决整体材料普遍 热处理或加工方法无法实现的零件制造。3、激光束表面改性技术激光

18、束表而改性技术是在材料表而就加极高的能量，使z发生物理化学变化，可显著提 高材料的硬度、强度、耐磨性、耐蚀性和高温性能等，从而人人提高产品质量，成倍地延长 产品使用寿命和降低成本，取得巨大的经济效益。激光束表面改性技术的优点a、加热处理深度小，易于控制；b、激光光斑的能量密度大，对准确地引导至表而地不同部位；c、处理后变形小；d、易于传输、切换和口动控制。e、无化学污染，利于保护环境。激光表而改性包括相变硕化、熔凝、涂敷、合金化、非晶化和微晶化、冲击强化等。激光表而合金化激光表而合金化是在髙能束激光作用下，将i种或多种合金元素与基体表而快速熔凝, 从而使价簾材料表层获得具有预定高合金特地技术。 特点：a、普通金属能获得高级合金的性能；b、层深和层