Si3N4耐高温全陶瓷向心关节轴承磨损性能研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2025.09.010

摘要/Abstract

摘要：

针对高温工况下Si₃N₄耐高温全陶瓷向心关节轴承的接触特性和磨损性能进行研究。基于热力耦合有限元仿真方式对关节轴承内外圈温度场进行分析，利用自研的高温关节轴承试验机开展磨损试验，通过扫描电子显微镜和能谱仪对内外圈不同接触区域的磨损表面形貌和成分进行分析，探明全陶瓷关节轴承的磨损机理。结果表明：全陶瓷关节轴承在400 ℃高温下，磨损过程主要分为磨损量显著增大的磨合期、磨损量缓慢增大的稳定磨损期；磨损区域主要分为以黏着磨损和氧化磨损为主的核心承压区、以磨粒磨损为主的非核心承压区。该关节轴承在200 N径向载荷、2 Hz摆动频率、±25°摆动角度、25 000次摆动条件下磨损量为108 μm，耐磨性能良好，运行状态平稳。

关键词: Si₃N₄陶瓷, 向心关节轴承, 高温环境, 热力耦合, 磨损机理

Abstract:

The contact characteristics and wear properties of Si₃N₄ high temperature resistant all ceramic radial spherical plain bearings were studied under high temperature conditions. Based on thermal-mechanics coupling finite element simulation method， the temperature fields of the inner and outer rings of the spherical plain bearings were analyzed. The wear tests were carried out by using self-developed high-temperature spherical plain bearing test machine. The wear surface morphology and composition of different contact areas of inner and outer rings were analyzed by scanning electron microscope and energy dispersive spectrometer， and the wear mechanism of all ceramic spherical plain bearings was proved. Results show that the wear processs of all ceramic spherical plain bearings at 400 °C are mainly divided into a running-in period with a significant increase in wear and a stable wear period with a slow increase in wear. The wear areas are mainly divided into core bearing areas dominated by adhesive wear and oxidation wear， and non-core bearing areas dominated by abrasive wear. The wear loss of the spherical plain bearings is as 108 μm under the condition of 200 N radial load， 2 Hz swing frequency and ±25° swing angle， 25 000 swing times. The wear resistance is good and the running state is stable.

Key words: Si₃N₄ ceramics, spherical plain bearing, high temperature environment, thermo-mechanics coupling, wear mechanism

中图分类号:

TH117.1

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图/表 15

图 1 Si3N4全陶瓷关节轴承结构及运动加载示意图

Fig. 1 Si3N4 ceramic spherical plain bearing structure and motion loading diagram

表1 Si3N4全陶瓷关节轴承主要结构尺寸参数 (mm)

Tab.1 Main structure size parameters of Si3N4full ceramic plain bearings

参数	外圈外径D	内圈内径d	内圈宽度B	外圈宽度C	内圈球径d_k	开口宽度w	开口长度l	开口深度h
数值	16	8	8	5	13	9.4	13.6	2.7

表2 陶瓷材料的物理性质

Tab.2 Physical properties of ceramic materials

参数	数值
密度/（g·cm^-3）	3.24
弹性模量/GPa	320
泊松比	0.26
硬度/HRC	94
断裂韧性/（MPa·m^-1/2）	7.0
抗压强度/MPa	420
热膨胀系数/（10^-6·K^-1）	3.2

图2 载荷及边界条件

Fig.2 Load and boundary conditions

图3 轴承的温度云图

Fig.3 Temperature cloud map of bearing

图4 内圈的温度云图

Fig.4 Temperature cloud map of the inner ring

图5 外圈的温度云图

Fig.5 Temperature cloud map of the outer ring

图6 内圈的等效应力云图

Fig.6 Equivalent stress cloud map of the inner ring

图7 外圈的等效应力云图

Fig.7 Equivalent stress cloud map of the outer ring

图8 高温关节轴承试验机

Fig.8 High temperature plain bearing testing machine

表3 高温环境下GE8C轴承磨损试验参数

Tab.3 GE8C bearing wear test parameters under high temperature environment

参数	数值	参数	数值
径向载荷/N	200	摆角/（°）	±25
环境温度/℃	400	试件数量	1
摆动频率/Hz	2	摆动次数	25 000

图9 轴承摩擦因数变化

Fig.9 Variation of bearing friction coefficient

图10 轴承径向磨损位移量变化

Fig.10 Change of radial wear displacement of bearing

图11 向心关节轴承磨损区域

Fig.11 Wear area of spherical plain bearing

图 12 Si3N4内圈磨损前后不同区域SEM图及EDS图

Fig. 12 SEM and EDS images of different regions before and after wear of Si3N4 inner ring

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Study on Wear Performance of Si₃N₄ High Temperature Resistant All Ceramic Spherical Plain Bearings

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