在能源短缺和環(huán)境日益惡化的今天，風(fēng)能作為一種新型的可再生清潔能源，被譽(yù)為21世紀(jì)最有發(fā)展前景的綠色能源，越來越受到世界各國(guó)的重視。全球風(fēng)電行業(yè)的快速發(fā)展，對(duì)所用軸承提出了更高的要求，尤其是應(yīng)用在兆瓦級(jí)別的風(fēng)力發(fā)電機(jī)上的軸承，只有極少?gòu)S家才具有技術(shù)能力試制。圖1為風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)圖，表1為風(fēng)力發(fā)電設(shè)備應(yīng)用軸承的主要區(qū)域及要求匯總。
       氮化硅（Si3N4），作為一種新型現(xiàn)代陶瓷材料，因其具有熱穩(wěn)定性能好、抗氧化能力強(qiáng)、耐磨性能好、能自潤(rùn)滑等優(yōu)異性能，制成的氮化硅軸承被廣泛應(yīng)用在風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中。
       據(jù)國(guó)家能源局處消息稱，2012年以來，我國(guó)新增風(fēng)電裝機(jī)容量連續(xù)4年居世界第一，領(lǐng)跑全球。截至去年底，我國(guó)風(fēng)電累計(jì)新增裝機(jī)容量8758萬千瓦，成為煤電、水電之后的第三大電源。國(guó)內(nèi)在大功率并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相繼投入，風(fēng)力發(fā)電氮化硅單單就軸承球國(guó)內(nèi)外的市場(chǎng)就將有望突破200萬粒，市場(chǎng)容量每年超過10億元。
       氮化硅陶瓷材料應(yīng)用在風(fēng)電行業(yè)軸承中的情況主要分為兩類：氮化硅陶瓷軸承（圖2）、氮化硅陶瓷滾動(dòng)體與鋼制軸承底座制成的混合陶瓷軸承（圖3）。氮化硅陶瓷軸承是指內(nèi)外圈、滾動(dòng)體采用氮化硅陶瓷材料，保持器采用不銹鋼、尼龍、氧化鋯、氮化硅或特定鋁合金制成的軸承，其性能比混合陶瓷軸承佳。
       一、氮化硅陶瓷軸承的優(yōu)越性能
       1、輕質(zhì)耐高速：氮化硅的密度僅為3.19g/cm3，相對(duì)于軸承鋼7.85g/cm3具有的輕質(zhì)優(yōu)勢(shì)所產(chǎn)生的離心力更小，使用與高速旋轉(zhuǎn)設(shè)備，且不易出現(xiàn)“抱軸”；
       2、低熱膨脹系數(shù)：在100-800℃間低熱膨脹系數(shù)有助于防止其卡死，能更好的應(yīng)用在風(fēng)力較大區(qū)域的風(fēng)電設(shè)備上；
       3、高強(qiáng)度：氮化硅的高抗壓強(qiáng)度是大型風(fēng)力發(fā)電設(shè)備中高接觸應(yīng)力滾動(dòng)軸承所需要的。
       4、高硬度：2倍于軸承鋼硬度，滿足風(fēng)力設(shè)備在外界環(huán)境中粒子沖擊及滑動(dòng)摩擦損傷；
       5、耐高溫：軸承的疲勞壽命受到溫升變化的極大影響，在1000℃下氮化硅軸承還具有良好的接觸應(yīng)力和使用壽命；
       6、耐腐蝕：氮化硅具有極強(qiáng)的耐腐蝕能力，對(duì)大多數(shù)酸、堿具有優(yōu)異的穩(wěn)定性，應(yīng)用在風(fēng)電行業(yè)，可抵抗雨水等侵蝕；
       7、自潤(rùn)滑性能好：氮化硅材料在潤(rùn)滑條件差的情況下具有減摩、潤(rùn)滑功能，提高軸承的可靠性和壽命，同時(shí)減低噪聲。        二、氮化硅軸承的制造工藝流程
       氮化硅陶瓷軸承的制造過程涉及較多過程，包括原料粉末的配置混合、坯體成型、坯體燒結(jié)、磨削精細(xì)加工、精密檢測(cè)等主要流程，具體見下圖4。
       1、氮化硅陶瓷軸承原料粉末調(diào)配
       氮化硅陶瓷軸承的化學(xué)成分包括氮化硅和燒結(jié)助劑，原始粉末中Si3N4常以金屬硅氮化法、氧化硅還原法、亞胺熱分解法、氣相法等方法制備，以α型Si3N4為佳。制備的Si3N4粉末中含有的Fe、Al、Ca等雜質(zhì)降低了氮化硅軸承的高溫強(qiáng)度，且削弱了耐氧性能。燒結(jié)助劑有MgO、Y2O3粉末及C、SiC、ZrO2等纖維，下面為制作氮化硅軸承燒結(jié)體較常用的成分：
       （1）Si3N4+MgO+AlN+ Y2O3，其中Y2O3為主要燒結(jié)助劑成分，得到的軸承機(jī)械強(qiáng)度與硬度高；
       （2）Si3N4+SiO2+SrO+CeO2+MgO或Si3N4+SiO2+SrO+CeO2+ZrO2，燒結(jié)助劑總量控制在2%-10%；
       （3）Si3N4+SiO2+第ⅢA主族氧化物，得到抗彎強(qiáng)度和韌性均好的燒結(jié)體。
       2、成型和燒結(jié)
       氮化硅陶瓷軸承的成型和燒結(jié)主要分為熱壓及熱等靜壓方法、先冷壓成型后在N2或惰性氣氛環(huán)境中常壓燒結(jié)的方法。
       （1）熱壓燒結(jié)：這是目前制造氮化硅陶瓷軸承應(yīng)用最多的方法，溫度一般在1600-1800℃，保溫15min-1h，在石墨模中的壓力一般為20-40MPa，且常用BN作為脫模劑。優(yōu)點(diǎn)是燒結(jié)溫度低，添加燒結(jié)助劑用量少，致密度高，耐磨和抗疲勞性能優(yōu)良。
       （2）熱等靜壓：壓力方向不受限制、可施加壓力大（50-200MPa）、燒結(jié)溫度低（1750-1800℃）。但設(shè)備費(fèi)及運(yùn)轉(zhuǎn)費(fèi)用昂貴，制造的氮化硅陶瓷軸承多用于實(shí)驗(yàn)室研究階段。
       （3）常壓燒結(jié)：先將干燥造粒的混合粉末再150-500MPa壓力下成型，制成接近最終形狀的預(yù)制件再進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)溫度較高，且需要N2或惰性氣體防止Si3N4高溫氧化。優(yōu)點(diǎn)是無需模具、生產(chǎn)效率高，但缺點(diǎn)是軸承質(zhì)量較差。
       3、精加工和無損檢測(cè)
       氮化硅陶瓷軸承的優(yōu)異物化性能決定了其多應(yīng)用在精度要求高的環(huán)境下，故需對(duì)燒結(jié)后的氮化硅陶瓷軸承的套圈、滾動(dòng)體等毛坯進(jìn)行精密加工。先在樹脂結(jié)合劑金剛石砂輪的磨床上磨削以提高其燒結(jié)制品的尺寸精度，后在以金剛石磨粒的研磨機(jī)上精研磨和采用細(xì)粉磨粒拋光，最后在進(jìn)行陶瓷軸承的無損檢測(cè)。
       在ASTMF 2094/F 2094M-08 標(biāo)準(zhǔn)中，將氮化硅陶瓷球的缺陷分為夾雜、疏松、各類劃痕和小坑、裂紋和色差等5大類加以控制，采用光學(xué)檢查、熒光穿透性檢查和超聲檢查等檢測(cè)方法控制表面質(zhì)量，其中光學(xué)檢查依然是目前高可靠性陶瓷球的主要檢查手段。圖5為陶瓷球檢測(cè)示意圖，圖6為陶瓷缺陷顯微照片。研究表明，Si3N4陶瓷的抗疲勞能力需要杜絕在主承載區(qū)域內(nèi)5μm以上的顯著缺陷。高級(jí)檢測(cè)手段包括高精度X射線無損探傷技術(shù)、表面波聲成像技術(shù)和掃描電子聲發(fā)射技術(shù)。
       三、氮化硅陶瓷軸承國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
       自上個(gè)世紀(jì)70年代，國(guó)外研究學(xué)者已經(jīng)在氮化硅陶瓷軸承，研究的重點(diǎn)放在了全氮化硅陶瓷軸承、氮化硅滾動(dòng)體與其它材料的混合軸承性能及陶瓷軸承的設(shè)計(jì)理論上。目前世界上生產(chǎn)、研究、銷售氮化硅陶瓷軸承的公司有很多，如瑞典的斯凱孚（SKF）、德國(guó)的舍弗勒（FAG）、美國(guó)CoorsTek、日本的精工（NSK）公司等，NSK公司已經(jīng)有28個(gè)規(guī)格3種級(jí)別的角接觸球軸承供用戶選擇。國(guó)內(nèi)在“八五”期間將“陶瓷軸承”列為國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃，上海硅酸鹽研究所等開始了氮化硅陶瓷軸承的研究，目前已經(jīng)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)主要有中材高新、上海泛聯(lián)、中興實(shí)強(qiáng)等單位，但產(chǎn)品質(zhì)量與國(guó)外相比還有較大差距，尤其是高端氮化硅陶瓷球90%依賴盡快，規(guī)模化生產(chǎn)技術(shù)還存在較多問題，如下：
       1、高品質(zhì)氮化硅粉體受限：我國(guó)主要采用硅粉氮化法制備氮化硅粉體，但純度低、球形度差、燒結(jié)溫度高等缺點(diǎn)；相比日本的宇部興產(chǎn)株式會(huì)社是唯一利用化學(xué)合成法制備的粉體產(chǎn)品質(zhì)量高，是制備高精度氮化硅軸承的首選材料，但其對(duì)華嚴(yán)格限制供貨量，阻礙了國(guó)內(nèi)氮化硅陶瓷軸承的發(fā)展；
       2、氮化硅陶瓷球成型效率低：坯體球形度差、產(chǎn)量低，尤其是2mm以下的小球，軸承球精度僅僅為G5水平，而SKF等公司的氮化硅軸承球的精度可達(dá)G2級(jí)，配套的精密軸承噪音小、轉(zhuǎn)速高、壽命長(zhǎng)，綜合性能明顯優(yōu)于國(guó)內(nèi)；
       3、檢測(cè)手段落后：氮化硅具有的無磁、絕緣等性質(zhì)使其在快速生產(chǎn)過程中快速無損檢測(cè)的要求更高，國(guó)內(nèi)依然采用人工顯微鏡檢驗(yàn)，而國(guó)外已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)化的快速連續(xù)無損檢測(cè)，差距較大。
       近些年國(guó)外公司申請(qǐng)了很多關(guān)于氮化硅陶瓷軸承相關(guān)方面的專利，為我國(guó)的生產(chǎn)商提供有價(jià)值的技術(shù)情報(bào)，部分專利詳見下表：        四、氮化硅陶瓷軸承發(fā)展趨勢(shì)
       氮化硅陶瓷軸承因其具有的熱穩(wěn)定性能好、抗氧化能力強(qiáng)、耐磨性能好、能自潤(rùn)滑等優(yōu)異性能在風(fēng)電、航空航天、核電等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，具有巨大的潛力，未來的氮化硅陶瓷軸承的發(fā)展趨勢(shì)主要包括：
       （1）高韌高強(qiáng)材料技術(shù)：在現(xiàn)有氮化硅粉體中減少Fe、Al等雜質(zhì)元素、提高α相含量、高球型度和粒徑分布相對(duì)集中，經(jīng)熱等靜壓燒結(jié)，可得到性能更佳的氮化硅毛坯材料。
       （2）低成本批量穩(wěn)定生產(chǎn)技術(shù)：包括全壽命期研發(fā)費(fèi)用、產(chǎn)品費(fèi)用和維修費(fèi)用等在內(nèi)的氮化硅陶瓷軸承的高成本依然是制約其大面積應(yīng)用的主要因素，實(shí)現(xiàn)低成本批量的穩(wěn)定生產(chǎn)可促進(jìn)氮化硅陶瓷軸承在各行各業(yè)大顯神通。
       （3）健康管理技術(shù)：在風(fēng)電行業(yè)、航空航天等領(lǐng)域，對(duì)氮化硅陶瓷軸承的應(yīng)用環(huán)境和條件提出了越來越苛刻的要求，氮化硅軸承性能的波動(dòng)和軸承失效都會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的系統(tǒng)問題或者失效，建立軸承的健康管理系統(tǒng)軸承和齒輪的健康狀態(tài)監(jiān)測(cè)是重要的解決方案。
       （4）無損檢測(cè)：在嚴(yán)苛條件下使用的氮化硅陶瓷軸承需要先進(jìn)且有效的無損檢測(cè)手段，配合現(xiàn)有的自動(dòng)化設(shè)備，形成完整的智能化無損檢測(cè)體系。
       作者：弋木
       參考文獻(xiàn)
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