陶瓷轴承知识

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陶瓷轴承

陶瓷轴承使用的陶瓷技术和陶瓷碗的技术是不同的，高技术陶瓷的化学成分非常准确，性能是提前设计好的。例如氮化硅陶瓷是硅粉和高纯度氮气经过反应烧结后被粉碎成纳米级、亚微米级超精微细粉，再经高温高压烧结而成，有了纳米效应，强度大幅度提高，可以说已经脱胎换骨了。陶瓷轴承具有耐高低温，耐磨，耐腐蚀，无慈，电绝缘，自润滑，高转速等特性。可用于极度恶劣的环境及特殊工况，可广泛应用于航空，航天，航海，石油，化工，汽车，电子设备，冶金，电力，纺织，泵类，医疗器械，科研和国防军事等领域，是新材料应用的高科技产品；陶瓷轴承的套圈及滚动体采用氮化硅（SI3N4）或氧化锆全陶瓷材料，保持器采用聚四氟乙烯，尼龙66，聚 酰亚氨，不锈钢或特种航空铝制造，从而扩大了陶瓷轴承的应用面。如：高速轴承，耐高温轴承，耐腐蚀轴承，防磁轴承，电绝缘轴承等。是国际上公认的未来轴承的主流产品，将占领轴承市场的40~60%份额。近期市场在10亿左右，主要用在高速机床、高速电机、低温设备上，目前开发生产可逐步取代精密、中速以上全轴承的所有应用领域。

寿命长：由于SI3N4陶瓷球密度小，高速运转离心力小，耐摩擦，从而大大增加了其使用寿命，为普通钢质轴承的4-6倍。

自润滑：由于SI3N4陶瓷球具有一定的自润滑功能，因此SI3N4陶瓷轴承能在于摩等更加苛刻的条件下工作，降低维护难度。

高转速低噪音：由于SI3N4陶瓷球具有耐高温，低膨胀等特点，因此SI3N4陶瓷轴承可以达到更高的转速，其极限转速是普通钢质轴承的2-3倍，广泛应用在高速机床，精密数控机床，电主轴等方面，同时由于陶瓷球密度小，生产的噪音非常低，因此可在计算机的高速硬盘上使用。

运转温升低：当同样达到45000转/分转速时，陶瓷轴承温度在20℃以下，而钢质轴承温度已经达到60℃。

耐腐蚀：由于陶瓷具有天然的耐腐蚀功能，SI3N4陶瓷轴承能在强酸、强碱、盐等腐蚀环境下工作。

耐高温：可在800℃环境工作。

无磁、电绝缘：无磁、电绝缘。SI3N4陶瓷轴承具有无磁、电绝缘功能，可在要求无磁、绝缘环境下工作，是普通钢质轴承无法达到的。

传统陶瓷是用陶土直接烧制而成，而高技术陶瓷的化学成分非常准确，性能是提前设计好的。例如氮化硅陶瓷是硅粉和高纯度氮气经过反应烧结后被粉碎成纳米级、亚微米级超精微细粉，再经高温高压烧结而成，有了纳米效应，强度大幅度提高。对精密轴承的滚珠来说，强度高、耐磨损是最关键的指标，氮化硅陶瓷球具有高强度、耐磨、重量轻、无磁性、耐腐蚀特性及优异的耐高温性和自润滑性，已经被国际公认为轴承滚珠领域最有发展前景的新产品。
陶瓷轴承的主要材料有：氧化锆陶瓷（ZrO2）、氮化硅陶瓷(Si3N4)、碳化硅（Sic）、氧化铝(Al2O3)。各种工程塑料轴承的主要材料有：[PEEK（聚醚醚酮）、POM（聚甲醛）、PTFE（聚四氟乙烯）、PE、 HDPE（聚乙烯）、UHMW-PE（超高分子量聚乙烯）、PVDF（聚偏氟乙烯）、PI（聚酰亚胺）、PP（聚丙烯）、PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）等]。 .
陶瓷轴承与钢轴承相比，优势在于：
1、
极限转速更高：重量轻、比一般材质的轴承轻1/4，其密度为3.20g/cm3。陶瓷比钢轻，会减少运转离心力，从而在相同精度下提高极限转速；转速和加速能力高--可在dn值超过300万的条件下运转，且打滑、磨损和发热均可降低。
2、
高精密场合：陶瓷的硬度和杨氏模量都比钢更高，相同载荷下，机械变形更小，从而可以应用于更加精密的场合；因陶瓷材料的弹性模量高，其刚性比普通钢轴承大15-20%。
3、
使用寿命更长，最高可比钢轴承延长3倍：陶瓷比钢轻，同样载荷下，轴承运转离心力降低，滚道负载降低，而且由于陶瓷摩擦系数比钢小，因此能够降低运转温升，减少摩损，延长滚道的寿命。
4、
可用于更高温度：陶瓷材料在高温下能稳定保持其机械性能，因此可以用于高温领域；全陶瓷轴承能在500。C以上温度工作。
5、
更适合温度变化的场合：氮化硅陶瓷球的线膨胀系数为3.2×10-6/K,几乎是轴承钢的1/4。由于陶瓷的热膨胀系数比钢小，因此，陶瓷轴承的游隙受温度变化的影响比钢轴承更小，从而能在更宽的温度波动范围内使用。
6、
更佳的抗咬合、防卡死性能：这是由于陶瓷的热膨胀系数比钢小，有助于减小热变形，从而提高抗咬合能力；陶瓷轴承的扭矩约减小1/3。
7、
可以无油工作：陶瓷具有自润滑特性，也可以利用介质进行润滑，因此可以应用于高真空场合，以防止润滑油脂的污染；陶瓷材料的磨擦系数低，采用油润滑的陶瓷轴承，在润滑油变稀或贫油的情况下，其润滑能力仍不低于钢轴承常用的传统润滑剂；真空：因陶瓷材料獨具的無油自潤滑特性，在超高真空環境中，滿球全陶瓷軸承可克服普通軸承無法實現潤滑之難題。

8、
由于陶瓷材料为惰性材料，耐酸、碱、盐腐蚀，因此可应用于化学腐蚀场合。而这也是陶瓷球轴承今后市场应用最大，需要大力加强开发的领域；可應用在強酸、強鹼、無機、有機鹽、海水等領域，如：電鍍設備，電子設備，化工機械、船舶製造、醫療器械等。

9、

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可用于磁性环境：陶瓷无磁性，磁性异物或磨粒不容易黏附在沟道内，可减少磨粒磨损。

10、
因電阻力高，可免電弧損傷軸承，可用在各種要求絕緣的電力設備或精密儀器電子設備中。

在高速、高温、低温、大温差、真空、要求绝缘、不导磁等恶劣工作环境下，高性能陶瓷轴承是替代目前使用的全钢轴承的理想轴承。近年来，国、内外对陶瓷轴承的研究、开发已取得丰硕的成果和实质性进展在机床、化工、电机、真空、低温工程、航天、航空等领域已得到应用并发挥出神奇的功效，发展前景广阔。

氮化硅全陶瓷轴承
　　氮化硅（Si3N4）全陶瓷轴承的套圈及滚动体采用氮化硅（Si3N4）陶瓷材料，保持器采用聚四氟乙烯、尼龙66，聚醚酰亚氨，氧化锆、 氮化硅，不锈钢或特种航空铝制造。

氧化锆全陶瓷轴承
　　氧化锆（ZrO2）全陶瓷轴承的套圈及滚动体采用氧化锆（ZrO2）陶瓷材料，保持器采用聚四氟乙烯、尼龙66，聚醚酰亚氨，氧化锆、 氮化硅，不锈钢或特种航空铝制造。

满球全陶瓷轴承-无保持架全陶瓷轴承 (Si3N4)或(ZrO2)
　　满装球型全陶瓷轴承一面带添球缺口，因采用无保持架结构设计，可以比标准结构的轴承装入多的陶瓷球，从而提高其负荷能力，另外还可避免因保持架材料的限制，可达到陶瓷保持架型全陶瓷轴承耐腐蚀及耐温效果。缺点是因为没有保持器,该系列轴承不适宜较高转速。

混合陶瓷球轴承
混合陶瓷球轴承内外圈材料为轴承钢（Gcr15）或不锈钢（9cr18）,陶瓷球主要有氮化硅（Si3N4）、氧化锆（ZrO2）、氧化铝（Al2O3）等。

随着国内外数控机床特别是高速数控机床的发展，机床主轴、电主轴的核心零件——高速轴承也得到了快速发展，目前国际上发展最快的高速轴承是精密陶瓷轴承。中科院上海硅酸盐研究所目前承担国家“十五”863项目“耐高温、高强、耐磨损、耐腐蚀陶瓷部件的关键制备技术”任务中“陶瓷轴承”子项目，合同编号：863-3-333030，其中“精密陶瓷轴承”的研发及小批量生产是与大友高技术陶瓷公司共同完成的。精密陶瓷轴承滚动体采用氮化硅高性能结构陶瓷球，其性能特点是密度小、硬度高、耐磨损、耐高温等，精密陶瓷轴承性能较钢制球轴承有了明显的提高，特别适用于高转速工况。精密陶瓷轴承主要应用于高速机床主轴和电主轴领域。

　精密陶瓷轴承所达到的技术指标和参数：1.氮化硅毛坯球：三点抗弯强度：700MPa；断裂韧性：6MPa×m1/2；显微硬度：1500MPa；压碎强度：≤30%同尺寸钢球。2.氮化硅精球：4.763和6.350陶瓷球的公差等级为G3级，即球直径变动量＜0.08μm、球形误差＜0.08μm、表面粗糙度Ra＜0.012μm。3.精密陶瓷轴承：7005CTN1/HQ1P4，精度参照GB/T307.1—1994为P4级，在同等工况下与日本NSK同规格同精度钢制轴承做对比试验，寿命高于后者。

　加工制造高精度氮化硅陶瓷球是精密陶瓷轴承的关键制造技术。上硅所经过多年研究解决了陶瓷球毛坯烧结致密性和成品率问题，并且拥有烧结方面的全部知识产权。

随着国内外数控机床特别是高速数控机床的发展，机床主轴、电主轴的核心零件——高速轴承也得到了快速发展，目前国际上发展最快的高速轴承是精密陶瓷轴承。中科院上海硅酸盐研究所目前承担国家“十五”863项目“耐高温、高强、耐磨损、耐腐蚀陶瓷部件的关键制备技术”任务中“陶瓷轴承”子项目，合同编号：863-3-333030，其中“精密陶瓷轴承”的研发及小批量生产是与大友高技术陶瓷公司共同完成的。精密陶瓷轴承滚动体采用氮化硅高性能结构陶瓷球，其性能特点是密度小、硬度高、耐磨损、耐高温等，精密陶瓷轴承性能较钢制球轴承有了明显的提高，特别适用于高转速工况。精密陶瓷轴承主要应用于高速机床主轴和电主轴领域。大友公司精密陶瓷轴承的研发工作已完成了实验室阶段的试制，正在进行工业化试验。
“一颗直径为半厘米的氮化硅陶瓷球”大连大友高技术陶瓷有限公司总经理李东炬告诉记者，“你就是用锤子砸，锤子能硌出印儿来，球绝对不会破碎。”精密陶瓷轴承所达到的技术指标和参数：1.氮化硅毛坯球：三点抗弯强度：700MPa；断裂韧性：6MPa×m1/2；显微硬度：1500MPa；压碎强度：≤30%同尺寸钢球。2.氮化硅精球：4.763和6.350陶瓷球的公差等级为G3级，即球直径变动量＜0.08μm、球形误差＜0.08μm、表面粗糙度Ra＜0.012μm。3.精密陶瓷轴承：7005CTN1/HQ1P4，精度参照GB/T307.1—1994为P4级，在同等工况下与日本NSK同规格同精度钢制轴承做对比试验，使用寿命和极限转速经实际使用测试均超过日本精工NSK同规格钢制精密轴承的水平。

氧化铝陶瓷材料基本性能表

项   目 Items	单位 Unit	99%  AL2O3 Alumina
密度 d        Density	g/cm3	>3.90
硬度 Hv       hardness  Hv	Kg/mm2	2300-2700
弹性模量E    Young’s  Modulus	GPa	407
抗弯强度σ RT  Bending  sttength	MPa	300-400
抗压强度     Compressive  sttength	MPa	2800-3400
断裂韧性KIC  Fracture  toughness	MPam1/2	3-4
泊松比       Psisson’ s  ration		0.2
热膨胀系a  Coefficient of linear expansion	10-6/k	6.5-8.6

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