引入新材料 促進(jìn)軸承技術(shù)的新發(fā)展
2023-08-09作者：
成都高新區(qū)正通特種材料廠總經(jīng)理 鄭文龍
成都高新區(qū)正通特種材料廠總工程師 劉嶸
四川大學(xué)教授 熊計(jì)
軸承技術(shù)和產(chǎn)業(yè)已有百多年歷史，時(shí)至今日，軸承材料基本上還是由鋼和陶瓷占統(tǒng)治地位。當(dāng)前，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，目前的軸承材料難適應(yīng)新技術(shù)條件的要求。須引進(jìn)和創(chuàng)造新的材料，填補(bǔ)當(dāng)前軸承的不足和短板。
近十年來，我們應(yīng)用幾種高耐磨材料，嘗試開發(fā)高端軸承，現(xiàn)將實(shí)踐和理論的研發(fā)情況報(bào)告如下：
一、新材料解決了現(xiàn)代軸承不能解決的問題
十年前，國家x重大科技工程項(xiàng)目，需要軸承干磨（無潤滑劑），溫度700C度，使用壽命＞40年。試遍了國內(nèi)外所有高端軸承，都不能達(dá)到這一技術(shù)要求。我們以WC基合金材料為基礎(chǔ)，研究該新材料的配方，經(jīng)過七年反復(fù)試驗(yàn)研究，其干磨壽命是進(jìn)口鋼軸承的16倍，達(dá)到了該環(huán)境下的全部技術(shù)要求，經(jīng)使用系統(tǒng)測(cè)試認(rèn)定，在該系統(tǒng)中使用壽命可達(dá)到85年。首次開拓了該材料在滾動(dòng)軸承上的應(yīng)用，解決了現(xiàn)軸承不能解決的問題。
二、本材料與現(xiàn)用軸承材料的性能比較優(yōu)勢(shì)
這是一種以WC、TiC、TiNC基為主的合金材料。在首次運(yùn)用成功的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步研究其在軸承領(lǐng)域應(yīng)用的可行性，我們對(duì)其性能與當(dāng)今軸承材料性能進(jìn)行了理論和實(shí)驗(yàn)對(duì)比：
1、硬度對(duì)比
由上不難看出，本材料硬度高于軸承鋼，高硬部分與陶瓷相當(dāng)。從直線坐標(biāo)上看，其硬度介于鋼和陶瓷之間。顯然，本材料在硬度上填補(bǔ)了現(xiàn)有軸承的空缺，又比軸承鋼高了一個(gè)領(lǐng)域。硬度雖然不能完全決定軸承的壽命，但它是軸承壽命的基因。基因強(qiáng)，壽命高。強(qiáng)大的基因性能，必然為軸承帶來更高壽命效果。
2、耐磨性對(duì)比。
在中國測(cè)試技術(shù)研究院的監(jiān)測(cè)下，我們用本企業(yè)WC基ZT15材料與瑞士SKF，德國FAG，日本NSK6005軸承材料進(jìn)行了上100次的對(duì)磨試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如下表。
本材料和鋼軸承磨失比表
由上表可見，在本廠和中國測(cè)試研究院合作經(jīng)上百次的共同測(cè)試統(tǒng)計(jì)結(jié)果。均勻地反映出，本材料（ZT15N）耐磨性是瑞典SKF的9.3倍，德國FAG9.4倍，日本NSK8.1倍。注：本材料在WC基材料中，耐磨性屬中下水平，更好的材料耐磨性＞本材料10倍或以上。
3、耐溫性對(duì)比
本材料與進(jìn)口軸承鋼進(jìn)行了兩項(xiàng)溫度耐磨試驗(yàn)。
3.1 退火后耐磨性試驗(yàn)
把本材料分別放在450C度，1450度真空退火一小時(shí)后，與軸承鋼進(jìn)行了30多次磨損對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果匯總?cè)缦卤恚?/p>
注：本企業(yè)ZT15N磨損量為1。
由上表可見，本材料無論在常溫下，還是經(jīng)450C度，1450C度退火，與進(jìn)口軸承鋼對(duì)磨磨失量都是基本一致的。磨損比為：1：9.0一9.4，較均勻。實(shí)驗(yàn)證明，本材料耐磨性與退火溫度無關(guān)。其耐磨壽命不受退火溫度影響。
3.2 本材料與軸承鋼在升溫中耐磨性對(duì)比圖：
上圖是本材料與進(jìn)口軸承鋼在連續(xù)升溫中測(cè)得的磨損曲線。上曲線為進(jìn)口軸承鋼，隨溫升磨損曲線爬升很快，顯示軸承鋼隨溫升磨損量增大。軸承鋼耐磨性受溫度影響極大。下曲線為本材料升溫磨損曲線。曲線顯示，本材料磨損性不受升溫影響。
4、斷裂韌性
斷裂韌性是指材料的脆性或韌性。量化指標(biāo)為單位橫切面積承受的沖擊力。延伸到軸承與靜載荷力密切相關(guān)。作為軸承材料，這是一個(gè)重要指標(biāo)。遺憾的是我們沒有時(shí)間和條件，統(tǒng)一兩材料領(lǐng)域檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)檢測(cè)實(shí)驗(yàn)，收集和整理本材料和軸承鋼的基礎(chǔ)斷裂韌性和形態(tài)斷裂韌性系統(tǒng)數(shù)據(jù)。以及斷裂韌性與軸承靜、動(dòng)載荷的關(guān)系（這些基礎(chǔ)數(shù)據(jù)后續(xù)正在跟進(jìn)）。目前雖然缺乏這些系統(tǒng)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并不完全影響本材料在軸承上的推薦和應(yīng)用。我們可以針對(duì)需要具體開發(fā)的軸承，試驗(yàn)首先滿足強(qiáng)度要求，再配以相應(yīng)的耐磨性。歷史實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也告訴我們，本材料的斷裂韌性遠(yuǎn)高于陶瓷。在此性能上，本材料取代陶瓷材料無任何技術(shù)?的問題。本材料數(shù)十年來，長期應(yīng)用在高速破、粉碎機(jī)錘頭，大中小沖擊機(jī)，風(fēng)鉆鉆頭，沖壓模，盾構(gòu)機(jī)刀頭，軋輥上，其抗沖擊力剪切力在實(shí)踐中得到了證實(shí)。至少目前在中，低載荷軸承上完全可用。待斷裂韌性進(jìn)行系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，分析，對(duì)比后，再推廣到?jīng)_擊性強(qiáng)的領(lǐng)域。
5、耐腐蝕性
軸承鋼耐腐蝕性差，不銹鋼耐磨性差，陶瓷強(qiáng)度極差。本材料不銹蝕，抗氧化，高耐磨，比陶瓷強(qiáng)度高3一8倍。較全面適應(yīng)做高防腐的軸承。在腐蝕領(lǐng)域，干磨領(lǐng)域內(nèi)可廣泛應(yīng)用。
6、其它性能
抗疲勞斷裂是軸承的重要指標(biāo)。據(jù)有關(guān)資料報(bào)道，陶瓷抗疲勞斷裂是軸承鋼的十倍。本材料與陶瓷彈性模量相當(dāng)。抗疲勞性與陶瓷同樣優(yōu)秀。
在高精度精密機(jī)械中，軸承會(huì)受環(huán)境溫度和自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的溫度影響，熱膨脹系數(shù)大的，會(huì)降低精密度和穩(wěn)定性。本材料的熱膨脹系數(shù)相當(dāng)于軸承鋼的1/3。因此，本材料軸承比鋼軸承在精密機(jī)械和儀器中的精度和穩(wěn)定性更高。
上列這些性能正是軸承需要的性能。且多數(shù)性能已超現(xiàn)在軸承材料。
三、本材料的制作特征和質(zhì)量
本材料屬粉沫冶金。材料主要由硬質(zhì)相（WC、TiC、TiCN）、金屬粘接相（Co、Ni）、添加劑Ta、V、Mo、Cr……的碳化物組成（注：添加劑助力本材料的耐溫，耐腐蝕，自潤滑，晶相組織穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)致密等）。影響材料的物理力學(xué)性能主要由上述成分，量比，及金屬晶粒度決定。通俗地講，配方設(shè)計(jì)決定性能。其特征如下：
1、本材料是由多種材料組成的群體性組合材料。它可以組配成千萬種配方及相應(yīng)的性能，滿足軸承在不同使用環(huán)境下的需要。這與現(xiàn)軸承鋼GCr15，SiC材料的單一性能有極大的差別和優(yōu)勢(shì)。
2、它的不同配方，可使材料的耐磨性以5，10，20倍于軸承鋼的變化。同樣也可以使其它性能有不同的變化。如強(qiáng)度可以是SiC的2—8倍的變化?？梢愿鶕?jù)使用需要，在尺寸不變條件下，調(diào)節(jié)配方，在設(shè)計(jì)上提高軸承強(qiáng)度。
3、在首先滿足強(qiáng)度的需要下，滿足其它性能要求。達(dá)到各項(xiàng)性能的均勻。其優(yōu)勢(shì)更在于，組合產(chǎn)生綜合性能更好的軸承。
4、本材料的理化性能指標(biāo)（硬度，強(qiáng)度，抗疲勞，抗腐蝕…）主要由配方?jīng)Q定。有穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)因素基本上不影響其性能。這與軸承鋼不同，除材料性能外，受制造，加工性能影響也較大。本材料配方能更好的，有效的，掌控自生的性能。
5、本材料在生產(chǎn)工藝穩(wěn)定下，性能由配方?jīng)Q定。配方全部可量化，因此，由本材料制作軸承，其質(zhì)量的可靠性和一致性，能得到充分保證。材料性能的指標(biāo)量化，可控精度高，如：
硬度公差可控到＜1度。
強(qiáng)度公差可控到±50N。
密度公差可控到0.05以內(nèi)。
金相組織＜Ao2Bo2Coo。晶粒度可控。
由此能有效地保證本軸材料質(zhì)量。
四、加工研發(fā)現(xiàn)狀
硬度HRA＞84，HRC＞70屬硬質(zhì)材料。加工難度大。尤其是軸承加工。之前，世界上沒有人用該材料加工出滾動(dòng)軸承。通過幾年的努力，我們完成了全部加工工藝的探索。解決了難度極大的勾道，防塵蓋槽的加工。特別是勾道的適圓，勾擺，勾形，粗糙度達(dá)到P4級(jí)是巨大的突破。批量加工也基本貫通。
與鋼軸承加工不同的是從毛坯到成品的工藝路線：僅有粗磨→精磨→超精磨。沒有鋼軸承那樣長的工藝加工路線及相應(yīng)的設(shè)備和嚴(yán)密的質(zhì)量控制。
本材料的滾動(dòng)體可用SiC，Zr02，TiCN基材料球。實(shí)現(xiàn)了滾動(dòng)體和套圈都是高耐磨，耐高溫，耐腐蝕材料的統(tǒng)一。與傳統(tǒng)的鋼套，陶瓷球不相匹配的短板耐磨軸承，有質(zhì)的變化。
五、本材料軸承的經(jīng)濟(jì)性
本軸承的材料成本是軸承鋼的10一20倍。加工成本相應(yīng)也較好。本材料軸承的成本缺乏競(jìng)爭(zhēng)力是不爭(zhēng)的事實(shí)。但從應(yīng)用價(jià)值和使用成本仍然有其優(yōu)勢(shì)。
1、解決現(xiàn)有軸承不能解決的問題。如本文前述的干磨，高溫，高壽命軸承。
2、解決現(xiàn)有軸承的短板。如渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)軸承，鋼套配陶瓷軸承失效快。采用本材料軸承，套圈和滾動(dòng)體都是高耐磨，耐高溫材料，導(dǎo)彈巡航距離，可以數(shù)倍至數(shù)十倍的增加。
3、環(huán)境差軸承壽命過短。如山里破碎砂石機(jī)，制沙機(jī)，軸承壽命3一5個(gè)月左右。用本軸承可以＞15～24個(gè)月。
4、長壽命可以解決維修成本高，降低綜合成本。當(dāng)前鋼軸承售價(jià)真正的白菜價(jià)，但換軸承的人工成本遠(yuǎn)高于軸承成本。延長使用壽命。減少更換次數(shù)，可以大大降低軸承使用成本。僅少更換一次，至多兩次。本軸承的使用成本就低于現(xiàn)在白菜價(jià)軸承。生產(chǎn)本軸承產(chǎn)業(yè)，就能長壽命中獲取維修利潤，解決軸承低效益問題。
5、隨著本技術(shù)的研發(fā)深入，水平提高，預(yù)計(jì)本軸承將與不少設(shè)備同壽命。特別是高精密設(shè)備。由此產(chǎn)生的效益，不僅限于經(jīng)濟(jì)。
如，機(jī)床軸承壽命現(xiàn)為5一10年，本軸承可以輕易提高5倍使用壽命。
據(jù)了解風(fēng)電軸承壽命有5一10年，每換一次再使用壽命僅1.5～2.年。本軸承提高五倍壽命，就可提高風(fēng)電設(shè)備使用年限從20年提高到25一50年。
軸承的使用壽命提高，具有長江后浪推前浪的作用，促進(jìn)技術(shù)的全面推高和發(fā)展。
6、為了降低一般軸承的成本，本企業(yè)正開發(fā)鑲嵌軸承，進(jìn)一步降低本材料軸承價(jià)格。該軸承僅在勾道處用本材料，其余保留軸承鋼，可以使普通軸承僅增加10一100元成本，壽命可以增加5～10倍。構(gòu)建一個(gè)節(jié)約，物盡其用的社會(huì)。
7、本材可以回收，循環(huán)使用。軸承材料實(shí)際消耗＜10%。90%可以回收再利用，且回收價(jià)格不菲，目前是10一15萬/噸。
六、我們的愿望
正如本年度諾貝爾獎(jiǎng)獲得者克勞澤說，科學(xué)發(fā)現(xiàn)是全人類的財(cái)富。
本材料軸承才剛剛開始，體量弱小。我們深知本企業(yè)及人員對(duì)軸承專業(yè)的理論，生產(chǎn)，應(yīng)用知識(shí)嚴(yán)重不足。要想達(dá)到項(xiàng)目服務(wù)于人類的目的，我們必須依靠現(xiàn)有的國內(nèi)強(qiáng)大的軸承產(chǎn)業(yè)，學(xué)協(xié)會(huì)，研究機(jī)構(gòu)。希望更多的專家，學(xué)者，院校，研究所，企業(yè)參與本軸承的研發(fā)。更希望學(xué)協(xié)會(huì)和政府予以支持。
（來源：中軸協(xié)軸承工業(yè)，版權(quán)歸原作者或機(jī)構(gòu)所有）