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各種陶瓷軸承性能特點(diǎn)及應(yīng)用領(lǐng)域全解析

2017-08-04 09:24:04 作者：本網(wǎng)發(fā)布來(lái)源：網(wǎng)絡(luò) 分享至：

一、前言

軸承是工業(yè)機(jī)械領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)件，素有“裝備的關(guān)節(jié)”之稱(chēng)。例如在航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中，軸承材料和技術(shù)始終占到90%～95%以上。

傳統(tǒng)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(qiáng)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(shù)及高端裝備的發(fā)展，對(duì)高溫、高速、高可靠性軸承及材料的的需求也越來(lái)越高，由此也促進(jìn)了軸承材料技術(shù)的發(fā)展。陶瓷軸承因具有長(zhǎng)壽命、耐高溫、耐腐蝕和超高速等優(yōu)異的綜合性能，已經(jīng)在航空航天及裝備制造領(lǐng)域中得到應(yīng)用。

▲圖1 滾動(dòng)軸承結(jié)構(gòu)圖

二、陶瓷軸承的性能

目前己開(kāi)發(fā)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(qiáng)玻璃與玻璃陶瓷基復(fù)合材料等。工業(yè)陶瓷和軸承鋼的典型特性對(duì)照表見(jiàn)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?yàn)榈杼沾刹牧吓c高溫軸承鋼及其它陶瓷材料相比更具有優(yōu)異的特性。

氮化硅陶瓷的特點(diǎn)

氮化硅（Si3N4）等精細(xì)工程陶瓷具有密度低、硬度高、抗壓強(qiáng)度高、穩(wěn)定性好、耐高溫、抗磨損、抗腐蝕、抗冷焊、電絕緣和不導(dǎo)磁等優(yōu)點(diǎn)，該類(lèi)材料軸承可廣泛用于真空、高溫、高速、低溫、腐蝕、要求不導(dǎo)磁、不導(dǎo)電和防冷焊等工況，還可適用于瞬時(shí)無(wú)潤(rùn)滑等特殊工況，且對(duì)潤(rùn)滑劑污染敏感性小，適應(yīng)性廣泛。特別是陶瓷與鋼的動(dòng)靜摩擦系數(shù)小，且穩(wěn)定，不易燒傷滾道和發(fā)生冷焊，在惡劣工況下能夠顯著延長(zhǎng)軸承的使用壽命。德國(guó)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(hào)的鋼球相比主要有以下優(yōu)點(diǎn)：

1）氮化硅球的密度是鋼球的40%，高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)離心力小，軸承抗疲勞破壞能力強(qiáng)，壽命長(zhǎng)；

2）滾動(dòng)體的彈性模量比鋼高，彈性變形小，軸承的動(dòng)剛度高；

3）熱膨脹系數(shù)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(chǎng)合；

4）在潤(rùn)滑條件惡劣的環(huán)境中適應(yīng)性強(qiáng)；

5）具有耐腐蝕、無(wú)磁性、絕緣性好等特點(diǎn)；

6）設(shè)計(jì)靈活性更大，因?yàn)樘沾刹牧夏苁馆S承設(shè)計(jì)者不必考慮許多參數(shù)的影響。

三、陶瓷軸承的發(fā)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(zhuǎn)速，為發(fā)展高速和超高速、高精密機(jī)床提供了基礎(chǔ)零部件。除此以外，在高溫、腐蝕、絕緣、真空、化工等行業(yè)的應(yīng)用也已取得了良好效果。

當(dāng)今世界著名的軸承公司無(wú)一不在研發(fā)、生產(chǎn)陶瓷軸承和陶瓷球軸承，而產(chǎn)品的質(zhì)量高低，已成為衡量其企業(yè)實(shí)力的一個(gè)重要標(biāo)志。

國(guó)外概況

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到目前為止，國(guó)外能夠生產(chǎn)陶瓷軸承的有：美國(guó)、日本、德國(guó)、法國(guó)、俄羅斯、韓國(guó)、英國(guó)等十幾個(gè)國(guó)家。

其中陶瓷球軸承的生產(chǎn)在國(guó)外起步較早，運(yùn)用的場(chǎng)合范圍較廣，比如數(shù)控機(jī)床用陶瓷球軸承、磨床電主軸用陶瓷球軸承、機(jī)床滾珠絲杠用陶瓷球軸承等。陶瓷球軸承的高耐磨性、自潤(rùn)滑性、超高轉(zhuǎn)速等性能得到了淋漓盡致的發(fā)揮，也為高精度機(jī)床、高速機(jī)床、特種環(huán)境設(shè)備作出了貢獻(xiàn)。作為陶瓷球軸承的核心部件—陶瓷球體，國(guó)外的研發(fā)和競(jìng)爭(zhēng)也比較激烈。美國(guó)的Norton公司采用HIP法生產(chǎn)的陶瓷球在國(guó)際上堪稱(chēng)一流水平。

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

國(guó)內(nèi)概況

陶瓷軸承在國(guó)內(nèi)研究起步較晚，目前國(guó)內(nèi)研究開(kāi)發(fā)陶瓷軸承的單位有：上海硅酸鹽所、上海材料所、北京中實(shí)三強(qiáng)工程陶瓷有限公司、廣東工業(yè)大學(xué)、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(yàn)研究階段，除了生產(chǎn)能力較強(qiáng)的北京中實(shí)三強(qiáng)工程陶瓷有限公司具有中批量生產(chǎn)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(méi)有見(jiàn)到產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)對(duì)陶瓷軸承和陶瓷球軸承的研究開(kāi)發(fā)工作還存在著一些問(wèn)題，嚴(yán)重制約了陶瓷軸承的發(fā)展。

四、陶瓷軸承的分類(lèi)

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(fù)合陶瓷材料軸承。按結(jié)構(gòu)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(fù)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(shù)等難題，現(xiàn)在還較少采用；由于保持器的材料限制針對(duì)特種使用場(chǎng)合又開(kāi)發(fā)了無(wú)保持器的氧化鋯滿(mǎn)球全陶瓷軸承和氮化硅滿(mǎn)球全陶瓷軸承和復(fù)合滿(mǎn)球陶瓷軸承。

▲圖2 軸承保持架

按材料的完整性分，陶瓷軸承的主要部件內(nèi)外圈和滾動(dòng)體多是采用陶瓷材料，就定義為陶瓷軸承；如果軸承的內(nèi)外圈和滾動(dòng)體有一部分不是采用陶瓷材料時(shí)，定義為混合陶瓷軸承。混合陶瓷軸承中運(yùn)用比較廣泛的就是球采用陶瓷材料稱(chēng)為陶瓷球軸承，可分為氧化鋯陶瓷球軸承、氮化硅陶瓷球軸承。

氮化硅全陶瓷軸承

氮化硅全陶瓷軸承的套圈及滾動(dòng)體采用氮化硅（Si3N4）陶瓷材料，保持器采用聚四氟乙烯、尼龍66、聚醚酰亞氨、氧化鋯、氮化硅、不銹鋼或特種航空鋁制造。

▲圖3 氮化硅全陶瓷軸承

圖片來(lái)源于日本陶瓷工業(yè)展圈友供圖

氧化鋯全陶瓷軸承

軸承的套圈及滾動(dòng)體采用氧化鋯（ZrO2）陶瓷材料，保持器（見(jiàn)上圖2）采用聚四氟，乙烯、尼龍66、聚醚酰亞氨、氧化鋯、氮化硅，不銹鋼或特種航空鋁制造。

▲圖4 氧化鋯全陶瓷軸承

滿(mǎn)裝球全陶瓷軸承—無(wú)保持架全陶瓷軸承

因采用無(wú)保持架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以比標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的軸承裝入多的陶瓷球，從而提高其負(fù)荷能力，另外還可避免因保持架材料的限制，可達(dá)到陶瓷保持架型全陶瓷軸承耐腐蝕及耐溫效果。缺點(diǎn)是因?yàn)闆](méi)有保持器，該系列軸承不適宜較高轉(zhuǎn)速。

▲圖5 滿(mǎn)裝球全陶瓷軸承—無(wú)保持架全陶瓷軸承

混合陶瓷球軸承

球軸承內(nèi)外圈材料為軸承鋼（GCr15）或不銹鋼（9Cr18），陶瓷球主要有氮化硅（Si3N4）、氧化鋯（ZrO2）、氧化鋁（Al2O3）等。

▲圖6 氮化硅混合陶瓷軸承

圖片來(lái)源于日本陶瓷工業(yè)展圈友供圖

Si3N4陶瓷的密度為3.20g/cm3，比軸承鋼7.85g/cm3的密度要低得多。所以陶瓷滾動(dòng)體能有效抑制高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的離心力，降低滾動(dòng)體載荷。同時(shí)可以減少滾動(dòng)體與滾道面之間的旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)，對(duì)防止表面損傷起到有益的作用。因此，混合陶瓷球軸承是用于高速運(yùn)轉(zhuǎn)領(lǐng)域的最佳選擇。

五、陶瓷軸承的應(yīng)用

過(guò)去混合陶瓷軸承因其優(yōu)良的性能而主要應(yīng)用于精密機(jī)床主軸，從而提高機(jī)床的速度與剛性，近年來(lái)，由于成本降低，陶瓷軸承已經(jīng)在很多領(lǐng)域得到應(yīng)用。

1、汽車(chē)。

在汽車(chē)所用的軸承中，對(duì)速度要求最高的是渦輪充電機(jī)軸承，要求這種軸承具有較好的加速反應(yīng)性，以及高速旋轉(zhuǎn)下的低扭矩、低振動(dòng)和低溫升。由于陶瓷軸承在工作中溫升低，能夠減少潤(rùn)滑油量，因而油的攪拌阻力減小，軸承扭矩降低，轉(zhuǎn)速上升。此外，軌道車(chē)輛也使用陶瓷軸承，其在苛刻條件下的耐久性和可靠性已得到證實(shí)。

2、電動(dòng)機(jī)。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)用于減速和節(jié)能裝置時(shí)，電動(dòng)機(jī)內(nèi)的漏電能引起電弧放電現(xiàn)象，陶瓷軸承能實(shí)現(xiàn)永久絕緣。

3、航空發(fā)動(dòng)機(jī)。

在航天器發(fā)動(dòng)機(jī)燃料泵中，陶瓷軸承可長(zhǎng)時(shí)間在液氧、液氫介質(zhì)中工作，陶瓷軸承已被證明，經(jīng)歷50次發(fā)射過(guò)程而不損壞。