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陶瓷軸承
陶瓷軸承

           在工程陶瓷產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用中

，陶瓷球軸承是工程陶瓷在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的典型范例，受到很多國(guó)家的高度重視．在高速精密軸承中
，應(yīng)用最多的是混合陶瓷球軸承
，即滾動(dòng)體使用熱壓Si3N4陶瓷球
，軸承圈仍為鋼圈
。這種軸承標(biāo)準(zhǔn)化程度高
，對(duì)機(jī)床結(jié)構(gòu)改動(dòng)小
，便于維護(hù)保養(yǎng)，特別適合于高速運(yùn)行場(chǎng)合．其組裝的高速電主軸
，具有高速
、高剛度、大功率
、長(zhǎng)壽命等優(yōu)點(diǎn)
。1.軸承配置：內(nèi)外圈軸承鋼/不銹鋼+陶瓷球+PA66/不銹鋼保持器 +2RS/ZZ2.高溫油脂

耐溫高

       陶瓷球熱膨脹系數(shù)小,在高溫環(huán)境下不會(huì)因?yàn)闇囟鹊脑驅(qū)е螺S承球膨脹,這樣大大提高了整個(gè)軸承的使用溫度,普通軸承的溫度在160度左右,陶瓷球的可以達(dá)到220度以上。

陶瓷球具有無(wú)油自潤(rùn)滑屬性,陶瓷球摩擦系數(shù)小,所以陶瓷球軸承具有很高的轉(zhuǎn)速.據(jù)統(tǒng)計(jì)采用陶瓷球的軸承是一般軸承的轉(zhuǎn)速1.5倍以上的轉(zhuǎn)速

。

壽命長(zhǎng)

陶瓷球可以不加任何油脂,也就是說(shuō)即使油脂干掉,軸承還是可以運(yùn)作的,這樣就避免了普通軸承中因?yàn)橛椭傻魧?dǎo)致的軸承過(guò)早損壞現(xiàn)象的發(fā)生.據(jù)我們測(cè)試以及一些客戶的反饋使用陶瓷球后的軸承的使用壽命是普通軸承的2-3倍

。

絕緣

最后一點(diǎn)也是最重要的一點(diǎn),絕緣,采用陶瓷球的軸承,可以使軸承的內(nèi)外圈之間絕緣,因?yàn)樘沾汕蚴墙^緣體,在軸承的內(nèi)外圈之間用陶瓷球,就可以達(dá)到絕緣的效果.這樣就使軸承能夠在導(dǎo)電的環(huán)境下使用了.滾動(dòng)軸承由套圈、滾動(dòng)體

、保持器、潤(rùn)滑脂
、密封件組成
，當(dāng)滾動(dòng)體采用陶瓷材料后
，此滾動(dòng)軸承就定義為陶瓷球軸承。

組成


 


因?yàn)樘沾汕虮旧砭哂凶詽?rùn)滑性能

，所以潤(rùn)滑可以按使用要求
，可以有潤(rùn)滑脂也可以不加潤(rùn)滑脂。密封件也是可以按使用要求
，決定陶瓷球軸承是否帶密封件
。保持器也是可以按使用要求是否采用。那么套圈
、滾動(dòng)體是軸承兩個(gè)不可缺少的要素
，當(dāng)這兩個(gè)要素不是同一種材料時(shí)，就有了混合軸承(Hybrid construction bearing)的說(shuō)法
。當(dāng)滾動(dòng)體采用陶瓷材料時(shí)就定義為混合陶瓷球軸承(Hybrid construction ceramic ball bearing)
。常用的陶瓷球材料有氧化鋯（ZRO2）和氮化硅（SI3N4）；常用的套圈材料有軸承鋼（GCR15）和不銹鐵（440
、440C）及不銹鋼（304
、316、316L）
。

按照使用環(huán)境

、轉(zhuǎn)速、負(fù)荷
、溫度
，及使用時(shí)的要求，陶瓷球軸承的套圈和滾動(dòng)體可以由以上材料互相組合
，并起到不同的使用效果
。

陶瓷球軸承的代號(hào)：

HY +套圈材料+軸承型號(hào)+密封型式——球的材料 ——保持器材料 ——潤(rùn)滑脂

套圈材料：S表示不銹鐵 SS表示不銹鋼 具體用什么材料可以用掛號(hào)標(biāo)注說(shuō)明

 尺寸穩(wěn)定性，以保證軸承在溫度變化的工作環(huán)境下

，保持精密的尺寸和精確的配合
，在特殊環(huán)境下還必須具備抗腐蝕、抗分解能力．總之
，用以制造滾動(dòng)軸承零件的陶瓷材料應(yīng)具備以下性能特點(diǎn)： 1)低密度．由于滾動(dòng)體密度減小
，高速工作時(shí)其離心載荷也減小，從而可在更高轉(zhuǎn)速下工作． 2)中等彈性模量．彈性模量太大會(huì)因應(yīng)力集中而降低軸襯的承載能力． 3)熱膨脹系數(shù)?div id="jfovm50" class="index-wrap">。疁p小對(duì)溫度變化的敏感性
，使軸承工作溫度范圍更寬． 4)高抗壓強(qiáng)度．抗壓強(qiáng)度高是滾動(dòng)軸承承受高應(yīng)力的需要． 5)高硬度和高韌性．這兩個(gè)特性相結(jié)合可獲得較好的表面粗糙度；而且能防止外界粒子和沖擊的損傷． 6)良好的抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞性和具有剝落失效模式． 7)特殊場(chǎng)合應(yīng)具有耐高溫
、耐腐蝕和穩(wěn)定性．

套圈和滾動(dòng)體接觸點(diǎn)受到外加負(fù)荷和旋轉(zhuǎn)的作用

，因而反復(fù)產(chǎn)生接觸壓力和變形。由于鋼制軸承自身材料性能特點(diǎn)，軸承失效的主要形式是疲勞剝落
，疲勞壽命短
，應(yīng)用范圍受到很大限制。而陶瓷材料具有低密度
，中等彈性模量
，熱膨脹系數(shù)小，硬度高
，耐高溫
，耐腐蝕，無(wú)磁等優(yōu)點(diǎn)
，以氮化硅陶瓷球?yàn)闈L動(dòng)體的陶瓷球軸承可顯著提高軸承接觸疲勞壽命
，極大拓展了滾動(dòng)軸承的應(yīng)用領(lǐng)域，已廣泛應(yīng)用于各種高精度
、高轉(zhuǎn)速機(jī)床
，汽車、賽車
、地鐵
、電機(jī)、航空發(fā)動(dòng)機(jī)
、石油化工機(jī)械
、冶金機(jī)械等領(lǐng)域。

氮化硅陶
陶瓷軸承的應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛
，但在工業(yè)領(lǐng)域中成功應(yīng)用的還是陶瓷球軸承．應(yīng)用較多的為氮化硅陶瓷球軸承．它的優(yōu)點(diǎn)是：極限轉(zhuǎn)速高
、精度保持性好、啟動(dòng)力矩小
、剛度高
、干運(yùn)轉(zhuǎn)性好、壽命長(zhǎng)
，非常適合于在高速
、高溫以及腐蝕、輻射條件下保持高精度
、長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)
，主要用于數(shù)控機(jī)床和高速精密機(jī)械中，如高速電主軸軸承
、機(jī)床主軸軸承
、牙鉆軸承、儀器儀表用軸承
，計(jì)算機(jī)硬盤驅(qū)動(dòng)器軸承等．此外
，氮化硅陶瓷的硬度比軸承鋼高1倍
，彈性模量約高1/3，在相同載荷的條件下
，氮化硅陶瓷的彈性變形小
，所以，使用陶瓷球軸承的機(jī)床主軸具有良好的運(yùn)轉(zhuǎn)精度．

混合型陶瓷軸承已成功地應(yīng)用于高速機(jī)床的主軸中

，并已進(jìn)入實(shí)用化階段，如日本牧野等公司生產(chǎn)的HPM型超精密車床等
，主軸轉(zhuǎn)速為16 000 r/min
，而美國(guó)MIKRO公司生產(chǎn)的HSM700高速加工中心，主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)到42 000 r/min
，切削速度提高了5～10 倍．此外
，混合型陶瓷軸承還用應(yīng)在電主軸、渦流分子泵等高轉(zhuǎn)速的設(shè)備中．

陶瓷軸承作為一種重要的機(jī)械基礎(chǔ)件

，由于其具有金屬軸承所無(wú)法比擬的優(yōu)良性能
，抗高溫、超強(qiáng)度等在新材料世界獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷
。近十多年來(lái)
，在國(guó)計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域中得到了日益廣泛的應(yīng)用。航空航天
、航海
、核工業(yè)、石油
、化工
、輕紡工業(yè)、機(jī)械
、冶金
、電力
、食品、機(jī)車、地鐵
、高速機(jī)床及科研國(guó)防軍事技術(shù)等領(lǐng)域需要在高溫、高速
、深冷
、易燃、易爆
、強(qiáng)腐蝕
、真空、電絕緣
、無(wú)磁
、干摩擦等特殊工況下工作，產(chǎn)品市場(chǎng)價(jià)格也逐漸接近實(shí)用化，達(dá)到用戶可接受的程度
，陶瓷軸承大面積應(yīng)用的浪潮已經(jīng)涌來(lái)
。

20世紀(jì)60年代以來(lái)，隨著陶瓷材料的開發(fā)與應(yīng)用

，陶瓷軸承也得以發(fā)展．美國(guó)諾頓公司已將氮化硅陶瓷軸承應(yīng)用在航天飛機(jī)的液壓泵上
，軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)速度提高了50%～100%，美國(guó)一家公司向美國(guó)宇航工業(yè)供應(yīng)的陶瓷軸承已在800*(2的高溫下使用
；日本主要飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)制造商石川島播還將鋼一陶瓷混合軸承及全陶瓷軸承在發(fā)動(dòng)機(jī)上進(jìn)行了試驗(yàn)．

1. 低密度:由于陶瓷滾動(dòng)體材料密度低

，離心載荷小，從而可在更高轉(zhuǎn)速下工作
，而且產(chǎn)生熱量較少
。

2. 中等彈性模量:陶瓷滾動(dòng)體的彈性模量比鋼制滾動(dòng)體高，則軸承的動(dòng)態(tài)剛度提高

，但是彈性模量太大會(huì)因應(yīng)力集中而降低軸承的承載能力
。

3. 熱膨脹系數(shù)小: 熱膨脹系數(shù)小有助于減小對(duì)溫度變化的敏感性，從而防止卡死

。對(duì)混合滾子軸承
，可適用的運(yùn)轉(zhuǎn)速度范圍更寬。

4. 抗壓強(qiáng)度高: 抗壓強(qiáng)度高是滾動(dòng)軸承承受高接觸應(yīng)力的需要（對(duì)于陶瓷材料

，其強(qiáng)度通常是通過(guò)三點(diǎn)或四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測(cè)得的斷裂模量決定）
。

5. 高硬度和高韌性: 這兩個(gè)特性相結(jié)合可獲得較好的表面粗糙度，而且能防止外界硬質(zhì)粒子和沖擊的損傷

。

6. 良好的抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞特性: 此性能對(duì)軸承滾動(dòng)體的要求至關(guān)重要

。

7. 剝落失效形式: 如果滾動(dòng)體在工作中失效，則應(yīng)是疲勞剝落

，該實(shí)效形式在卡死前有預(yù)兆
，是一種造成危害最小的實(shí)效形式。 在一些應(yīng)用條件較高的應(yīng)用領(lǐng)域陶瓷材料還具備一些特殊性能
。

8. 耐高溫和穩(wěn)定性: 在高達(dá)800℃高溫環(huán)境中能穩(wěn)定保持其機(jī)械性能

。

9. 耐腐蝕: 在氧化和腐蝕環(huán)境，尤其是在反復(fù)滾動(dòng)而擠掉表面油膜的接觸區(qū)應(yīng)具有抗氧化和腐蝕穩(wěn)定性

。

工業(yè)用氮化硅陶瓷材料和軸承鋼的性能力

密度（Kg/m3） 3250 7800 楊氏模量（GPa） 310 210 抗壓強(qiáng)度（MPa） >3500

斷裂模量（MPa） 700－1000 維氏硬度（GPa） 14－18 8 韌性（MPa· m1/2） 5－8 16－20

熱膨脹系數(shù)（×10-2/°K） 3 12 熱傳導(dǎo)率（W/mK） 20 30 比熱（J/KgK） 800 450

使用上限溫度（°K） 1050 400－600 抗熱沖擊 高 很高 滾動(dòng)接觸疲勞失效形式 剝落 剝落


陶瓷球軸承的分類

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(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
。一般陶瓷軸承的保持器材料以聚四氟乙烯（PTFE）作為標(biāo)準(zhǔn)配置
，還可以采用玻璃纖維增強(qiáng)的尼龍66（GRPA66-25）
，特種工程塑料（PEEK，PI）
，不銹鋼（SUS316
、SUS304），黃銅（Cu）等
。陶瓷材料保持架因兜孔加工
、成型技術(shù)等難題，現(xiàn)還較少采用
；由于保持器的材料限制針對(duì)特種使用場(chǎng)合又開發(fā)了無(wú)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(fù)合滿球陶瓷軸承
。

按材料的完整性分：上面所說(shuō)到的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)我們就定義為混合陶瓷軸承?div id="4qifd00" class="flower right">
；旌咸沾奢S承中運(yùn)用比較廣泛的就是球采用陶瓷材料稱為陶瓷球軸承
，可分為氧化鋯陶瓷球軸承、氮化硅陶瓷球軸承
。

不同材料和不同結(jié)構(gòu)的陶瓷軸承和陶瓷球軸承在使用時(shí)需要注意的問題也各不相同

，具體細(xì)節(jié)請(qǐng)查詢陶瓷軸承和陶瓷球軸承的專業(yè)生產(chǎn)廠家獲取更多的幫助。

陶瓷球軸承研究開發(fā)存在的問題


首先

，我們見諸報(bào)道的都是高速
、高精度的陶瓷球軸承的研發(fā)，且通常多以圍繞氮化硅球?yàn)橹鳌?/span>

展望陶瓷球軸承的使用前景


陶瓷軸承和陶瓷球軸承所具有的諸多優(yōu)良性能如：自潤(rùn)滑

、耐高溫
、耐腐蝕、防磁
、電絕緣等
，尚待在更寬的領(lǐng)域內(nèi)開發(fā)利用，潛在的應(yīng)用領(lǐng)域十分巨大
。第一高質(zhì)量的高速陶瓷球軸承：能很好的服務(wù)于國(guó)內(nèi)機(jī)床行業(yè)
，高速、高精度主軸
、電主軸的軸承用量相當(dāng)大
，估計(jì)每年的需求量在幾拾萬(wàn)套以上。但是高精度機(jī)床主軸軸承要求軸承的加工精度相對(duì)較高
，質(zhì)量較苛刻
，象P4級(jí)軸承要求G5級(jí)以上的高精度陶瓷球，國(guó)內(nèi)能夠生產(chǎn)的廠家寥寥無(wú)幾
，產(chǎn)品的穩(wěn)定性也較差
。第二：中等質(zhì)量的陶瓷軸承在石油勘探
、原油冶煉、尤其是精細(xì)化工
、化纖
、新能源、印染
、電鍍業(yè)
、污水處理、海洋開發(fā)
、深水泵
、酸堿泵、高溫
、真空
、核磁共振、電絕緣
、醫(yī)藥衛(wèi)生
、X射線管及食品工業(yè)等諸多領(lǐng)域中能得到廣泛和良好的使用。很多只要求一般精度等級(jí)
；中
、低轉(zhuǎn)速和負(fù)荷；要求軸承能夠耐一定濃度的酸
、堿
、鹽腐蝕；耐300￣400℃高溫
；不導(dǎo)磁
、電、無(wú)毒性
；可在無(wú)油或利用工作介質(zhì)自身潤(rùn)滑等
；在海水中也可以使用。在這些領(lǐng)域應(yīng)用的軸承占特種軸承的比例非常大
，而且陶瓷軸承和陶瓷球軸承完全有能力去替代
、并能達(dá)到金屬軸承勉強(qiáng)勝任和無(wú)法勝任的工作，工程陶瓷具有它不可替換的地位
。具有這樣一個(gè)龐大的市場(chǎng)為前提
，我們?cè)诋a(chǎn)品的開發(fā)和制造上完全可以創(chuàng)出一條新路，去拓寬陶瓷軸承的更大應(yīng)用領(lǐng)域
。使新材料
、新工藝、新技術(shù)更好的服務(wù).

首先

，我們見諸報(bào)道的都是高速
、高精度的陶瓷球軸承的研發(fā)
，且通常多以圍繞氮化硅球?yàn)橹鳎饕鉀Q的問題
，一個(gè)是陶瓷球的制坯研究
，另一個(gè)是高精度陶瓷球的加再者，作為高技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)
，要經(jīng)過(guò)技術(shù)密集型投入和資金密集型投入兩個(gè)階段
，產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)陶瓷軸承，既要攻克許多技術(shù)難點(diǎn)
，和使用難題又需要較大的資金投入
，還要把握市場(chǎng)定位，需要業(yè)內(nèi)有識(shí)之士以發(fā)展國(guó)內(nèi)陶瓷軸承和陶瓷球軸承的高水準(zhǔn)為己任
。低價(jià)的競(jìng)爭(zhēng)勢(shì)必帶來(lái)粗制濫造和市場(chǎng)的進(jìn)一步惡化
。原始資本的積累和持續(xù)的再投入必須服務(wù)于陶瓷軸承和陶瓷球軸承往更高質(zhì)量的領(lǐng)域發(fā)展。我國(guó)陶瓷軸承現(xiàn)階段的發(fā)展表現(xiàn)為散亂
、各自為政
、小規(guī)模局部化生產(chǎn)缺乏整體意識(shí)和宏觀戰(zhàn)略思想。