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各種陶瓷軸承性能特點及應用領域全解析

2017-08-04 09:24:04 作者：本網發布來源：網絡分享至：

一、前言

軸承是工業機械領域的關鍵基礎件，素有“裝備的關節”之稱。例如在航空發動機設計中，軸承材料和技術始終占到90%～95%以上。

傳統的軸承材料主要是指高鉻抗疲勞軸承鋼、耐高溫工具鋼、高強度齒輪軸承一體化鋼等軸承材料，包括GCr15、9Cr18、M50、M50NiL、Cronidur30、BG42、XD15N、CSS-42L等。

隨著航空技術及高端裝備的發展，對高溫、高速、高可靠性軸承及材料的的需求也越來越高，由此也促進了軸承材料技術的發展。陶瓷軸承因具有長壽命、耐高溫、耐腐蝕和超高速等優異的綜合性能，已經在航空航天及裝備制造領域中得到應用。

▲圖1 滾動軸承結構圖

二、陶瓷軸承的性能

目前己開發的陶瓷材料有氮化硅（Si3N4）、碳化硅（SiC）、碳化鈦（TiC）、氧化鋯（ZrO2）、氧化鋁（Al2O3）及纖維增強玻璃與玻璃陶瓷基復合材料等。工業陶瓷和軸承鋼的典型特性對照表見表1。

圖片1.png

目前作為軸承使用的陶瓷材料主要是氮化硅（Si3N4），這是因為氮化硅陶瓷材料與高溫軸承鋼及其它陶瓷材料相比更具有優異的特性。

氮化硅陶瓷的特點

氮化硅（Si3N4）等精細工程陶瓷具有密度低、硬度高、抗壓強度高、穩定性好、耐高溫、抗磨損、抗腐蝕、抗冷焊、電絕緣和不導磁等優點，該類材料軸承可廣泛用于真空、高溫、高速、低溫、腐蝕、要求不導磁、不導電和防冷焊等工況，還可適用于瞬時無潤滑等特殊工況，且對潤滑劑污染敏感性小，適應性廣泛。特別是陶瓷與鋼的動靜摩擦系數小，且穩定，不易燒傷滾道和發生冷焊，在惡劣工況下能夠顯著延長軸承的使用壽命。德國早期研制的航空混合式陶瓷軸承如圖1所示。

從表1可看出，氮化硅球與同樣型號的鋼球相比主要有以下優點：

1）氮化硅球的密度是鋼球的40%，高速運轉時離心力小，軸承抗疲勞破壞能力強，壽命長；

2）滾動體的彈性模量比鋼高，彈性變形小，軸承的動剛度高；

3）熱膨脹系數為鋼材的1/3～1/4，隨溫度變化的尺寸變化量小，適用于溫度變化大的場合；

4）在潤滑條件惡劣的環境中適應性強；

5）具有耐腐蝕、無磁性、絕緣性好等特點；

6）設計靈活性更大，因為陶瓷材料能使軸承設計者不必考慮許多參數的影響。

三、陶瓷軸承的發展

陶瓷軸承最突出的效果是較大幅度地提高了軸承的使用壽命和極限轉速，為發展高速和超高速、高精密機床提供了基礎零部件。除此以外，在高溫、腐蝕、絕緣、真空、化工等行業的應用也已取得了良好效果。

當今世界著名的軸承公司無一不在研發、生產陶瓷軸承和陶瓷球軸承，而產品的質量高低，已成為衡量其企業實力的一個重要標志。

國外概況

據不完全統計，到目前為止，國外能夠生產陶瓷軸承的有：美國、日本、德國、法國、俄羅斯、韓國、英國等十幾個國家。

其中陶瓷球軸承的生產在國外起步較早，運用的場合范圍較廣，比如數控機床用陶瓷球軸承、磨床電主軸用陶瓷球軸承、機床滾珠絲杠用陶瓷球軸承等。陶瓷球軸承的高耐磨性、自潤滑性、超高轉速等性能得到了淋漓盡致的發揮，也為高精度機床、高速機床、特種環境設備作出了貢獻。作為陶瓷球軸承的核心部件—陶瓷球體，國外的研發和競爭也比較激烈。美國的Norton公司采用HIP法生產的陶瓷球在國際上堪稱一流水平。

目前世界各國研究陶瓷球軸承處于領先水平的主要公司有瑞典的SKF、德國的FAG、法國的圣戈班、日本的NSK、KOYO、NMB（美培亞）等。

國內概況

陶瓷軸承在國內研究起步較晚，目前國內研究開發陶瓷軸承的單位有：上海硅酸鹽所、上海材料所、北京中實三強工程陶瓷有限公司、廣東工業大學、洛軸所等。

目前，在組合陶瓷軸承方面，許多研究單位還處于試驗研究階段，除了生產能力較強的北京中實三強工程陶瓷有限公司具有中批量生產全陶瓷軸承的能力，洛軸所與上海硅酸鹽所做了一些樣品外，還沒有見到產業化的企業。當前國內對陶瓷軸承和陶瓷球軸承的研究開發工作還存在著一些問題，嚴重制約了陶瓷軸承的發展。

四、陶瓷軸承的分類

按材料分，陶瓷軸承可以分為氧化鋯陶瓷軸承、氮化硅陶瓷軸承、復合陶瓷材料軸承。按結構分，陶瓷軸承可以分為：氧化鋯帶保持器陶瓷軸承、氮化硅帶保持器陶瓷軸承、復合帶保持器陶瓷軸承。

陶瓷材料保持架因兜孔加工、成型技術等難題，現在還較少采用；由于保持器的材料限制針對特種使用場合又開發了無保持器的氧化鋯滿球全陶瓷軸承和氮化硅滿球全陶瓷軸承和復合滿球陶瓷軸承。