陶瓷轴承的性能及发展动态

陶瓷材料种类繁多，但是作为滚动轴承用的陶瓷材料从滚动疲劳寿命和可靠性等方面看，只有氮化硅(Si；N4)才能胜任。氮化硅具有质量轻、绝缘、隔热、无磁、耐高温、耐腐蚀、耐磨损、高速旋转离心力小和运转温升低等优良性能，利用这些性能的陶瓷轴承已应用于航天航空、军事、石油以及高速电主轴、耐腐蚀等机床设备，并逐渐开发新的应用领域，充分发挥陶瓷材料的性能。

一、陶瓷轴承的性能

1、氮化硅材料的物理机械性能

氮化硅具有较高的弹性模量，因此在相同载荷下其接触应力比钢制轴承的要高。

2、额定静载荷

全陶瓷轴承的额定静载荷，要针对氮化硅产生裂纹时的许用载荷进行研究，额定静载荷与钢制轴承的计算方法相同。而关于混合陶瓷轴承，则要针对套圈的永久变形量进行研究，其额定静载荷约为钢制轴承的85%。当轴承钢球或氮化硅球加载到氮化硅平板上时，致裂载荷是钢制轴承传统计算方法所得额定静载荷的10倍。

3、滚动疲劳寿命

根据陶瓷的额定动载荷、运转载荷和转速等，通过寿命计算公式可以算出轴承的寿命。大数据显示，大部陶瓷轴承与钢制轴承使用寿命相比的试验结果来说，陶瓷轴承的工作寿命比 预期寿命和同类型钢制轴承的寿命要长。钢制轴 承的额定动载荷可以用于同尺寸的陶瓷轴承。

4、压碎载荷

氮化硅球的压碎载荷为同规格钢球压碎载荷 的 30. 5 %～47 % ,是由于钢球塑性变形引起的接 触面增大所致。陶瓷球与钢球压碎时接触应力水平相当。在氮化硅球与钢球基本相同的接触状态下 , 陶瓷球比钢球有更高的压碎载荷。氮化硅球的压 碎接触应力约为滚动轴承额定计算接触应力的 6 倍 ,氮化硅球可安全地用于滚动轴承。

5、配合

由于陶瓷轴承使用的氮化硅与金属材料的线 膨胀系数不同 ,因此在全陶瓷轴承与金属轴的配 合上就存在一定的问题。全陶瓷轴承经常用于高 温环境 ,为解决配合问题 ,试验中常用空心轴和花键轴等。

6、高速旋转性能

陶瓷轴承能够发挥优良的高速旋转性能 ,原因是氮化硅密度小 ,减少了因离心力和旋转力矩所引起的滑动 ,使陶瓷轴承比钢制轴承的转速提 高 20 %～40 %。在高速旋转中 ,轴承的大部分功 耗是由润滑油的搅拌阻力带来的 ,而陶瓷轴承与 钢制轴承相比 ,不易产生烧熔 ,因而能够减少润滑 油量 ,降低轴承功耗。陶瓷的摩擦系数大约是钢 的 30 % ,因此陶瓷轴承产生的热量较少 ,温升低 , 并可以延长润滑油的寿命。

二、 特殊环境中全陶瓷轴承的性能

1、耐热性能

高温环境中的性能氮化硅具有良好的耐热性 ,可望成为高温环境的轴承材料。高温环境下工作的轴承无法使 用润滑油或润滑脂 ,而氮化硅材料本身具有自润滑性能 ,与固体润滑剂石墨、二硫化钼等配合使用 ,选用高温轴承自润滑保持架 ,在高温环境中能 够正常工作。

2、腐蚀环境中的性能

陶瓷材料不活泼的化学特性使陶瓷轴承具有良好的耐腐蚀性 ,可选用具有自润滑性且耐腐蚀的保持架材料与之配合使用 ,从而应用于水或有腐蚀的药液环境中。在药液中使用时 ,由于陶瓷材料的特殊性 ,药液本身就可以做润滑剂 ,但要注意掌握陶瓷轴承在药液中的承载能力和使用寿命。根据以往的陶瓷轴承和不锈钢轴承在水中的寿命试验结果对比来说，可以看出在水中使用全陶瓷轴承 ,其耐磨损寿命是不锈钢轴承的 10 倍以上

3、 磁场环境中的性能

在磁场中 ,钢制轴承的转矩增大和变化很明 显 ,而陶瓷轴承的转矩几乎没有变化 ,而且不会扰 乱磁场 ,可用于半导体制造装置和各种检测仪器。

4、 真空环境中的性能

陶瓷轴承在真空环境中也能发挥其优良的性 能 ,这是因为氮化硅材料很难与其他物质发生反应 ,即使在恶劣的润滑条件下 ,也不容易产生粘着 或烧熔。采用固体润滑剂的陶瓷轴承在真空环境 中的摩擦力矩小且使用时间长。

三、陶瓷轴承的应用

过去混合陶瓷轴承因其优良的性能而主要应 用于精密机床主轴 ,从而提高机床的速度与刚性。 若能完全发挥陶瓷轴承的性能 ,不仅能达到高速 要求 ,还能延长寿命 ,简化预紧装置和润滑装置。 近年来 ,由于成本降低 ,陶瓷轴承已经在很多领域得到应用。

四、陶瓷轴承的发展动态

陶瓷轴承的优异性能是显而易见的 ,但是陶瓷材料用于轴承的时间较短 ,尚处于研究开发阶段。有关陶瓷轴承的一些技术难点 ,如韧性差 ,加 工成本过高和质量保证措施还不太可靠等问题 , 仍没有得到很好的解决。但是在未来，工业技术越来越先进，这些会逐步解决。