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
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。
１
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 ，ＩＳＯ ２６６０２：２００９ 《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％～ ３０％，在高速条件下，其低摩擦热对表面材料磨损和
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 陶瓷粉体的纯度、粒径及其一致性、造粒过程与相成
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 １０００
第２期
王黎钦等：高可靠性陶瓷轴承技术研究进展
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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。
quality CREB technology and extend typical applications and solve the bearing technology problems of advanced equipment.
Key words: ceramic rolling element bearing; bearing design; ultimate performance; fabrication;
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。
王黎钦（１９６４），男，博士，教授，博士 生导师，研究方向为机械设计与理论、摩 擦学、宇航空间机构及控制。
failure modes and design criterion were put forward. The design methodology of CREB structure and performance were analyzed and some cases of typical applications and extreme tests of CREBs were demonstrated. The technological trends for future high quality CREBs were
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。
０ 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 展，装备的极限性能在不断突破和提升，相应地对轴
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 轮进口温度和转子转速，而这会直接挑战轴承的极
基金项目：国家重点基础研究发展 计划项目（２０１３ＣＢ６３２３０５）资助
关键词：陶瓷轴承；轴承设计；极限性能；制造技术
Advances in High-reliability Ceramic Rolling Element Bearing Technology
WANG Li-qin1，JIA Hong-xia2，ZHENG De-zhi1，YE Zheng-huan1
≤３１６
导磁性
导磁
导磁
导磁
导电性
导体
导体
导体
耐腐蚀性
差
差
差
滚动接触失效形式
剥落
剥落
剥落
参数 密度 （／ ｋｇ／ｍ３） 硬度 ＨＲＣ ３ 点弯曲强度 ／ＭＰａ 拉伸强度 ／ＭＰａ
１
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 滚动接触失效形式
Hale Waihona Puke １３９４ ２２２２００ ２３
１２１０ ５１
杨氏模量 ／ＧＰａ
２１９
２１８
２０３
泊松比
０．３００
０．２９６
０．２９０
热膨胀系数 （／ ×１０－６／Ｋ） １２．３
１２．１
１１．０
室温热传导率 （／ Ｗ／ｍ·Ｋ） ３０．０
２５．０
１９．３
室温比热 （／ Ｊ／ｋｇ·Ｋ）
４５０
４４８
４３６
使用上限温度 ／℃
≤１２０ ≤３１５
８
航空发动机
第 ３９ 卷
表 １ 氮化硅（Ｓｉ３Ｎ４）陶瓷、氧化锆（ＺｒＯ２）陶瓷和轴承钢 性能参数对比
参数
ＧＣｒ１５
Ｍ５０
Ｍ５０ＮｉＬ
密度 （／ ｋｇ／ｍ３）
７８３０
７９７２
７８５０
硬度 ＨＲＣ
６０～６４ ６２～６６
６０～６４（表面）
３ 点弯曲强度 ／ＭＰａ
拉伸强度 ／ＭＰａ
１
断裂韧性 （／ ＭＰａ·ｍ ２ ）
收稿日期：２０１３－０１－２５
（1. Space and Aerospace Tribology Research Lab, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China; 2. AVIC Harbin Bearing Corp. Ltd., Harbin 150030, China ）