Гибридные роликоподшипники с керамическими телами качения используются во многих перспективных областях, например, в железнодорожной промышленности и в ветроэнергетике.

Подшипниковый нитрид кремния, Si₃N₄ является стандартным материалом для роликоподшипников и соответствует международным стандартам. Были приняты методы испытания и проверки (рис. 1). Всё это было направлено на применение крупногабаритных керамических шариков для подшипников. В настоящее время на рынке доступны высококачественные шарики для подшипников из нитрида кремния диаметром до 47,625 мм (1 7/8”).

Керамические, каменные и мраморные шаровые элементы испокон века использовались человеком: в качестве пушечных ядер, в детских играх и т.д. Развитие синтетической керамики в 1960-1970 гг. привело к тому, что высококачественные керамические шарики из нитрида кремния стали использоваться в разнообразных механизмах: в реактивных двигателях, шпинделях металлорежущих станков, электродвигателях, автомобилях Формулы 1, насосах и пр.

Разработка керамических шариков для подшипников и области их применения
Важным стимулом для развития современной технической керамики было стремление разработать газотурбинный двигатель с высоким КПД. Подшипники основного вала таких двигателей должны обладать высокими эксплуатационными характеристиками для работы в условиях с частотой вращения вала более 30 000 об/мин и температурами выше 650 °C [1]. При температуре газа свыше 1100 °C используются только керамические материалы с большей твёрдостью в сравнении с подшипниковыми сталями или даже кобальтовыми стеллитами и инструментальными сталями с высоким содержанием вольфрама. Газовые турбины применяются в основном в реактивных двигателях, где требуются материалы, обладающие малой массой (плотностью), высокой прочностью и выдерживающие высокие температуры, а также соответствующие многим дополнительным требованиям, например, жёсткости, технологичности и доступности.

Известно, что керамические материалы имеют низкую плотность и выдерживают высокие температуры, но в то же время они непрочные и хрупкие. Научные исследования привели к получению нового синтетического материала – нитрида кремния. Научно-исследовательский центр (ERC) SKF в Нидерландах начал работу с керамическими материалами с раннего этапа их разработки.

Нитрид кремния является особым типом керамики, обладающим свойством самоусиления. Две его керамические фазы: альфа-нитрид кремния и бета-нитрид кремния – имеют различные формы кристаллов, одна из которых образует удлинённые иглы (рис. 2). Во время обработки баланс между двумя фазами может быть отрегулирован для получения прочного материала. Первый коммерчески доступный нитрид кремния, обладавший прочностью и жёсткостью, подходящими для применения в подшипниках, это нитрид кремния горячего прессования или горячего изостатического прессования (HIP).

В 1960-1970 г.г. компания Marlin Rockwell Corp. (MRC) Группы SKF разработала первые керамические подшипники. Гибридный подшипник с разрезным внутренним кольцом был изготовлен MRC для программы испытаний, финансировавшейся правительством США. В 1984 г. [1] SKF была продемонстрирована длительная эксплуатация нитрида кремния в подшипнике с использованием пластичной смазки при температурах свыше 500 °C.

В 1990 г. станкостроительная промышленность также обратила внимание на преимущества легких керамических шариков, подходящих для эксплуатации в условиях высоких скоростей вращения. В середине 1990-х в частотных преобразователях электродвигателей начали применять быстродействующие электронные приборы, которые приводили к повреждению стандартных подшипников электрическими токами. Гибридные подшипники были предложены как альтернативое решение электрической изоляции. Приблизительно в это время гибридные подшипники были применены в гоночных машинах Формулы 1, что доказало их прочность при эксплуатации в сложных условиях (смазывание на нижнем пределе нормальных условий работы и большие нагрузки). С 2000 г. началось использование гибридных подшипников в насосных и компрессорных установках, обеспечив условия смазывания на нижнем пределе нормальных условий работы и применения с жидкостями с вязкостью ниже вязкости смазочного масла, например, с хладагентами, в качестве смазок. Кроме того, прекрасная устойчивость керамики к коррозии обеспечила ее применение в компрессорах высокосернистого газа. Не так давно керамика стала использоваться в области возобновляемых источников энергии, например, генераторах ветроэнергетических установок. Для этого требуются крупногабаритные керамические шарики диаметром 47,625 мм (рис. 1). Другой всё более развивающейся областью применения является железнодорожная промышленность, где тела качения используются в тяговых двигателях (рис. 3). Электроизоляция и высокие технические характеристики керамических тел качения при относительно низких нагрузках (генерируют меньше тепла при трении) увеличивают срок службы пластичной смазки.

Контроль качества высокоэффективных керамических шариков для подшипников
Обычно первая оценка материала выставляется после проверки макроструктуры (рис. 4, вверху), микроструктуры и однородности (рис. 4, в середине) на срезах образцов заготовки или готовых шариков, получаемых закреплением и сошлифовыванием образцов. Достаточно быстро могут быть определены жесткость (рис. 4, внизу) и сопротивление вдавливанию материала, из которого планируется изготавливать подшипник.

Были разработаны новые методы проверки прочности керамических шариков. Особенно в случае использования высокопрочных материалов было определено, что на прочность сильное влияние оказывало качество поверхности. И качество поверхности шарика подшипника оказалось намного лучше, чем качество поверхности эталонного образца изгибаемого прутка. Испытание «шарика с канавкой» (рис. 5) обладает тем преимуществом, что прочность может оцениваться на реальных шариках подшипника, а не на изгибаемых прутках, как в настоящее время указано в ISO 26602:2009. Шарики надрезаются и получают вертикальную нагрузку. Они нагружаются подобно изгибаемым пруткам. Данные о таких испытаниях опубликованы [2, 3]. Показано [4], что дефекты поверхности, например трещины «C» по Герцу, имеют значительное влияние на прочность шарика.

Изначально поверхностная усталость при циклическом качении может быть оценена полимерным диском в круглопалочном станке (рис. 6). Пруток получает нагрузку между двумя вращающимися стальными дисками. Обычно в качестве приёмного испытания проводится 40×10⁶ циклов при контактном давлении 3 или 4,8 ГПа. Поверхностная усталость при циклическом качении на изготовленных шариках может проверяться с помощью модернизированной четырехшариковой машине трения. Верхний керамичес­кий шарик двигает три нижних стальных шарика в гнездо шарика, моделируя принцип действия простейшего подшипника (рис. 7). Подобное испытание также может выполняться с пятью шариками, используя в нижней части четыре шарика. Другой возможной оценкой усталос­ти контакта качения для изготовленных керамических шариков является испытание с V-образной канавкой (рис. 8). Шарик нагружается между двумя кольцами с V-образной канавкой с контактным напряжением от 1,5 до 5,5 ГПа. При стандартной частоте вращения вала шарики диаметром 28,6 мм должны выдерживать около 6 миллионов циклов напряжения в час.

Износостойкость гибридных подшипников проверяется в различных условиях смазывания. Обычно стандартным подшипником для проверки износостойкости является радиально-упорный шарикоподшипник 7209 с шариками диаметром 12,7 мм. Проверка на износостойкость гибридного подшипника 7318 с пластичной смазкой и шариками диаметром 31,7 мм показана на рис. 9.

Выводы
С помощью данных методов тес­тирования керамических тел качения в гибридных подшипниках конечные пользователи могут быть уверены в характе­ристиках этих материалов. В связи с непрерывным улучшением керамических материалов, разработанных для применения в областях, где требуется высокая эффективность, вполне возможно, что гибридные подшипники будут использоваться в дальнейшем в новых отраслях промышленности в соответствии с требуемыми характеристиками.

Справочная литература
[1] Pallini, R.A.: “Turbine engine bearings for ultra-high temperatures”, SKF Ball Bearing Journal 234, September 1989.
[2] P. Supancic, R. Danzer, S. Witschnig, E. Polaczek, R. Morrell, ”A new test to determine the tensile strength of brittle balls — The notched ball test”, Journal of the European Ceramic Society 29 2447–2459 (2009).
[3] P. Supancic, R. Danzer, W. Harrer, Z. Wang, S. Witschnig, O. Schöppl, “Strength Tests on Silicon Nitride Balls”, Key Engineering Materials Vol. 409 pp 193-200 (2009).
[4] P. Supancic, R. Danzer, Z. Wang, S. Witschnig, O. Schöppl, “The Notched Ball Test – A New Strength Test for Ceramic Spheres”, 9th Symp. on Ceramic Materials, Shanghai (2008).