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。

陶瓷轴承的性能及发展动态

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。
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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。