作者：
成都高新區正通特種材料廠總經理 鄭文龍
成都高新區正通特種材料廠總工程師 劉嶸
四川大學教授 熊計
軸承技術和產業已有百多年歷史，時至今日，軸承材料基本上還是由鋼和陶瓷占統治地位。當前，隨著科學技術的進步，目前的軸承材料難適應新技術條件的要求。須引進和創造新的材料，填補當前軸承的不足和短板。
近十年來，我們應用幾種高耐磨材料，嘗試開發高端軸承，現將實踐和理論的研發情況報告如下：
一、新材料解決了現代軸承不能解決的問題
十年前，國家x重大科技工程項目，需要軸承干磨（無潤滑劑），溫度700C度，使用壽命＞40年。試遍了國內外所有高端軸承，都不能達到這一技術要求。我們以WC基合金材料為基礎，研究該新材料的配方，經過七年反復試驗研究，其干磨壽命是進口鋼軸承的16倍，達到了該環境下的全部技術要求，經使用系統測試認定，在該系統中使用壽命可達到85年。首次開拓了該材料在滾動軸承上的應用，解決了現軸承不能解決的問題。
二、本材料與現用軸承材料的性能比較優勢
這是一種以WC、TiC、TiNC基為主的合金材料。在首次運用成功的基礎上，為進一步研究其在軸承領域應用的可行性，我們對其性能與當今軸承材料性能進行了理論和實驗對比：
1、硬度對比
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。從直線坐標上看，其硬度介于鋼和陶瓷之間。顯然，本材料在硬度上填補了現有軸承的空缺，又比軸承鋼高了一個領域。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，壽命高。強大的基因性能，必然為軸承帶來更高壽命效果。
2、耐磨性對比。
在中國測試技術研究院的監測下，我們用本企業WC基ZT15材料與瑞士SKF，德國FAG，日本NSK6005軸承材料進行了上100次的對磨試驗。試驗結果如下表。
本材料和鋼軸承磨失比表
由上表可見，在本廠和中國測試研究院合作經上百次的共同測試統計結果。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、耐溫性對比
本材料與進口軸承鋼進行了兩項溫度耐磨試驗。
3.1 退火后耐磨性試驗
把本材料分別放在450C度，1450度真空退火一小時后，與軸承鋼進行了30多次磨損對比試驗。結果匯總如下表：
注：本企業ZT15N磨損量為1。
由上表可見，本材料無論在常溫下，還是經450C度，1450C度退火，與進口軸承鋼對磨磨失量都是基本一致的。磨損比為：1：9.0一9.4，較均勻。實驗證明，本材料耐磨性與退火溫度無關。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比圖：
上圖是本材料與進口軸承鋼在連續升溫中測得的磨損曲線。上曲線為進口軸承鋼，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。作為軸承材料，這是一個重要指標。遺憾的是我們沒有時間和條件，統一兩材料領域檢測標準，系統檢測實驗，收集和整理本材料和軸承鋼的基礎斷裂韌性和形態斷裂韌性系統數據。以及斷裂韌性與軸承靜、動載荷的關系（這些基礎數據后續正在跟進）。目前雖然缺乏這些系統基礎實驗數據，并不完全影響本材料在軸承上的推薦和應用。我們可以針對需要具體開發的軸承，試驗首先滿足強度要求，再配以相應的耐磨性。歷史實驗數據也告訴我們，本材料的斷裂韌性遠高于陶瓷。在此性能上，本材料取代陶瓷材料無任何技術?的問題。本材料數十年來，長期應用在高速破、粉碎機錘頭，大中小沖擊機，風鉆鉆頭，沖壓模，盾構機刀頭，軋輥上，其抗沖擊力剪切力在實踐中得到了證實。至少目前在中，低載荷軸承上完全可用。待斷裂韌性進行系統實驗，分析，對比后，再推廣到沖擊性強的領域。
5、耐腐蝕性
軸承鋼耐腐蝕性差，不銹鋼耐磨性差，陶瓷強度極差。本材料不銹蝕，抗氧化，高耐磨，比陶瓷強度高3一8倍。較全面適應做高防腐的軸承。在腐蝕領域，干磨領域內可廣泛應用。
6、其它性能
抗疲勞斷裂是軸承的重要指標。據有關資料報道，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。抗疲勞性與陶瓷同樣優秀。
在高精度精密機械中，軸承會受環境溫度和自轉產生的溫度影響，熱膨脹系數大的，會降低精密度和穩定性。本材料的熱膨脹系數相當于軸承鋼的1/3。因此，本材料軸承比鋼軸承在精密機械和儀器中的精度和穩定性更高。
上列這些性能正是軸承需要的性能。且多數性能已超現在軸承材料。
三、本材料的制作特征和質量
本材料屬粉沫冶金。材料主要由硬質相（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，晶相組織穩定，結構致密等）。影響材料的物理力學性能主要由上述成分，量比，及金屬晶粒度決定。通俗地講，配方設計決定性能。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的性能，滿足軸承在不同使用環境下的需要。這與現軸承鋼GCr15，SiC材料的單一性能有極大的差別和優勢。
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。如強度可以是SiC的2—8倍的變化。可以根據使用需要，在尺寸不變條件下，調節配方，在設計上提高軸承強度。
3、在首先滿足強度的需要下，滿足其它性能要求。達到各項性能的均勻。其優勢更在于，組合產生綜合性能更好的軸承。
4、本材料的理化性能指標（硬度，強度，抗疲勞，抗腐蝕…）主要由配方決定。有穩定的生產工藝，生產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、本材料在生產工藝穩定下，性能由配方決定。配方全部可量化，因此，由本材料制作軸承，其質量的可靠性和一致性，能得到充分保證。材料性能的指標量化，可控精度高，如：
硬度公差可控到＜1度。
強度公差可控到±50N。
密度公差可控到0.05以內。
金相組織＜Ao2Bo2Coo。晶粒度可控。
由此能有效地保證本軸材料質量。
四、加工研發現狀
硬度HRA＞84，HRC＞70屬硬質材料。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，粗糙度達到P4級是巨大的突破。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的設備和嚴密的質量控制。
本材料的滾動體可用SiC，Zr02，TiCN基材料球。實現了滾動體和套圈都是高耐磨，耐高溫，耐腐蝕材料的統一。與傳統的鋼套，陶瓷球不相匹配的短板耐磨軸承，有質的變化。
五、本材料軸承的經濟性
本軸承的材料成本是軸承鋼的10一20倍。加工成本相應也較好。本材料軸承的成本缺乏競爭力是不爭的事實。但從應用價值和使用成本仍然有其優勢。
1、解決現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、解決現有軸承的短板。如渦扇發動機軸承，鋼套配陶瓷軸承失效快。采用本材料軸承，套圈和滾動體都是高耐磨，耐高溫材料，導彈巡航距離，可以數倍至數十倍的增加。
3、環境差軸承壽命過短。如山里破碎砂石機，制沙機，軸承壽命3一5個月左右。用本軸承可以＞15～24個月。
4、長壽命可以解決維修成本高，降低綜合成本。當前鋼軸承售價真正的白菜價，但換軸承的人工成本遠高于軸承成本。延長使用壽命。減少更換次數，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在白菜價軸承。生產本軸承產業，就能長壽命中獲取維修利潤，解決軸承低效益問題。
5、隨著本技術的研發深入，水平提高，預計本軸承將與不少設備同壽命。特別是高精密設備。由此產生的效益，不僅限于經濟。
如，機床軸承壽命現為5一10年，本軸承可以輕易提高5倍使用壽命。
據了解風電軸承壽命有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，就可提高風電設備使用年限從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，促進技術的全面推高和發展。
6、為了降低一般軸承的成本，本企業正開發鑲嵌軸承，進一步降低本材料軸承價格。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。構建一個節約，物盡其用的社會。
7、本材可以回收，循環使用。軸承材料實際消耗＜10%。90%可以回收再利用，且回收價格不菲，目前是10一15萬/噸。
六、我們的愿望
正如本年度諾貝爾獎獲得者克勞澤說，科學發現是全人類的財富。
本材料軸承才剛剛開始，體量弱小。我們深知本企業及人員對軸承專業的理論，生產，應用知識嚴重不足。要想達到項目服務于人類的目的，我們必須依靠現有的國內強大的軸承產業，學協會，研究機構。希望更多的專家，學者，院校，研究所，企業參與本軸承的研發。更希望學協會和政府予以支持。
（來源：中軸協軸承工業，版權歸原作者或機構所有）
