摘要:采用陶瓷材料制造軸承，是對傳統(tǒng)軸承的一次革命。本文詳細(xì)介紹了陶瓷滾動軸承的優(yōu)點、陶瓷軸承的類別、混合陶瓷軸承和全陶瓷軸承，并指出陶瓷軸承的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞:陶瓷材料;軸承制造;發(fā)展趨勢

1引 言

滾動軸承是現(xiàn)代機械中的重要部件，它主要用于支承軸及軸上的零件，對整臺機器的精度、效率和使用壽命有直接的影響(圖1)。滾動軸承較之滑動軸承具有摩擦系數(shù)小、消耗功率少、效率高的優(yōu)點。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計，世界上約有1/3的能源消耗在不同形式的摩擦上，其中軸承約占1/10左右。工作母機向高精度、長壽命和高速自動化方向發(fā)展，對機械工業(yè)基礎(chǔ)件的要求愈來愈苛刻，生產(chǎn)實踐證明，傳統(tǒng)軸承單靠改善軸承的結(jié)構(gòu)或潤滑條件，已經(jīng)滿足不了現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)發(fā)展的要求。

世界上第一套陶瓷軸承是由美國航空航天局(NASA)1972年研制成功的。經(jīng)過30多年的研究和發(fā)展，產(chǎn)品從極端保密到公開銷售，取得了引人矚目的成就。國外已成功開發(fā)出在高溫條件下采用固體潤滑劑的陶瓷滾動軸承，也有利用液體或油脂潤滑的特種鋼與陶瓷組合而成的滾動軸承或全陶瓷滾動軸承。

2氮化硅陶瓷的物理性能

近幾年來，隨著科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，軸承的使用環(huán)境和條件越來越多樣化，對軸承的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和性能的要求也越來越高，一些高科技領(lǐng)域和某些特殊環(huán)境下工作的機械，如在航空航天、核能、冶金、化工、石油等工業(yè)，需要在高溫、高速、高精度、真空、無磁性、無油潤滑、強酸、強堿等特殊環(huán)境下工作。這些新的要求僅僅依靠對傳統(tǒng)的金屬軸承改進結(jié)構(gòu)或改善潤滑條件已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足，必須開發(fā)新型材料，從根本上進行突破和創(chuàng)新。

采用陶瓷材料制造軸承，是對傳統(tǒng)軸承的一次革命。由于陶瓷材料具有優(yōu)異的性能，可以承受金屬材料和高分子材料難以勝任的嚴(yán)酷的工作環(huán)境，并且又具有軸承材料所要求的全部重要特性，因此將陶瓷材料應(yīng)用于軸承制造，已成為世界高新技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用的熱點，成為機械材料技術(shù)革命的標(biāo)志。

用于制造陶瓷滾動軸承的材料，主要采用Si3N4陶瓷。Si3N4的密度是軸承鋼的4O%，硬度是軸承鋼硬度的2～3倍，高硬度提高了其抗磨損、抗黏結(jié)、抗剝蝕損壞能力;Si3N4的熱膨脹系數(shù)大約為軸承鋼的1/4，低的熱膨脹系數(shù)可以使軸承在高溫工作條件下變形減小;Si3N4陶瓷的高溫性使其更適合于高溫工礦，在能使軸承鋼喪失原有硬度和強度的溫度下，Si3N4陶瓷的硬度和強度依然不會降低，高溫強度好。此外，Si3N4陶瓷在極高溫度下具有良好的尺寸穩(wěn)定性，而軸承鋼只有在進行特殊熱處理后才能保證其高溫下的尺寸穩(wěn)定性。Si3N4陶瓷的耐腐蝕性能強，適用于在水、酸和堿介質(zhì)的應(yīng)用領(lǐng)域，因而比塑料、玻璃或不銹鋼滾動體組成的軸承應(yīng)用范圍廣。因此，從以上性能分析可知，Si3N4陶瓷的綜合性能優(yōu)良，是制作軸承的理想材料。

3氮化硅陶瓷軸承的優(yōu)點

氮化硅陶瓷軸承(見圖2)主要用于四個方面:高速軸承、高溫軸承、真空用軸承、腐蝕用軸承。氮化硅陶瓷軸承具有以下優(yōu)點。

(1) 高速。陶瓷材料的重量僅為同等鋼材重量的40%，密度小這一特點，可實現(xiàn)軸承的輕量化和高速化，使得陶瓷軸承在高速旋轉(zhuǎn)時，能夠抑制因離心力作用引起的滾動體載荷的增加和打滑，陶瓷軸承的轉(zhuǎn)速是鋼制軸承的1.3～1.5倍，其DN值可達(dá)300萬。例如角接觸球軸承，由于具有一定的接觸角，其滾動體與滾道面之間會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)滑動，當(dāng)采用密度小的陶瓷滾動體時，不僅旋轉(zhuǎn)滑動小，而且對軸承發(fā)熱和表面損傷均起到有益的作用，對于航空航天飛行器也是非常有益的。

(2) 高剛性。氮化硅陶瓷的彈性模量比金屬高得多，是金屬的1.5倍，因而受力后的彈性變形小，相對載荷的剛性高，大約可提高剛度1.5%～20%，從而減輕了機床的振動。在高精密系統(tǒng)中獲得了良好的應(yīng)用，如超精密機床的主軸、高精度的航天軸承等。

(3) 耐磨性。由于陶瓷材料位錯少、遷移率低，且具有高硬度，一般較金屬的硬度要高1倍多，能夠減少磨損，使得陶瓷軸承具有良好的耐磨性。

(4) 機械強度高。氮化硅陶瓷的抗拉強度和抗彎強度與金屬相當(dāng);而抗壓強度極高，大約是金屬材料的5～7倍，尤其是在高溫條件下，仍能保持高的強度和硬度，即使在1200℃時強度也基本保持不變，在有異物混入的情況下，陶瓷球很少產(chǎn)生剝落失效。

(5) 低發(fā)熱。由于氮化硅陶瓷材料的摩擦系數(shù)較小，大約是標(biāo)準(zhǔn)軸承鋼的30%，所以與金屬材料相比，氮化硅陶瓷的導(dǎo)熱性能較差，因此陶瓷軸承工作時產(chǎn)生的熱量較小，可延長潤滑脂的壽命。

(6) 低熱膨脹。氮化硅陶瓷的熱膨脹系數(shù)大約是軸承鋼的20%，因此陶瓷軸承隨溫度變化的尺寸變化量小，且產(chǎn)生的熱預(yù)載較低，從而避免了過多的熱量聚集而引起疲勞剝落失效，有益于在溫度變化較大的環(huán)境中使用。

(7) 耐蝕性。陶瓷材料不活潑的化學(xué)特性，使陶瓷軸承具有一定的耐腐蝕性能，因此，陶瓷軸承可用于鋼制軸承由于缺乏耐化學(xué)性而提前失效的所有應(yīng)用場合，如在化工機械設(shè)備、食品、海洋等部門使用的機械以及原子能設(shè)備中的應(yīng)用。

(8) 無磁性。在強磁環(huán)境中，使用鋼制軸承時，從軸承本身磨損下來的微粉被吸附在滾動體和滾道面之間，成為軸承提前剝落損壞、噪聲增大的主要原因，由于陶瓷軸承是完全非磁性，且具有正常的承載能力，可用于需要完全非磁性軸承的場合。

(9) 絕緣性。陶瓷材料的電阻率比較高，可作為較好的絕緣材料，使軸承免遭電弧損傷。

4陶瓷軸承的類別

按滾動體的形狀分為陶瓷球軸承和陶瓷滾珠軸承兩個系列。按陶瓷材料在軸承零件上的應(yīng)用情況，陶瓷滾動軸承可分為三類:第一類為滾動體用陶瓷材料制成，而內(nèi)外圈仍用軸承鋼制造;第二類為滾動體和內(nèi)圈用陶瓷材料，而外圈用軸承鋼;第三類為滾動體和內(nèi)外圈都用陶瓷材料制成。第一類和第二類叫做混合陶瓷軸承，第三類叫做全陶瓷軸承。

4.1 混合陶瓷軸承

混合陶瓷軸承最常見的形式是裝有氮化硅球的角接觸球軸承，這種軸承可以在既有徑向也有軸向負(fù)荷時有效地高速運轉(zhuǎn)。但是軸向負(fù)荷只能從一個方向施加，因此這些軸承通常成對安裝并施加預(yù)負(fù)荷以保證正確的接觸角。角接觸球軸承和深溝球軸承相比，一端開口較大，所以通常用加強型酚醛樹脂保持架。有的混合軸承產(chǎn)品在材料方面雖然只是把鋼球變成了氮化硅球，但是另一方面，溝道的幾何尺寸也作了改進以優(yōu)化軸承性能。

現(xiàn)代工業(yè)上應(yīng)用的混合陶瓷軸承多為滾動體，即陶瓷球內(nèi)外圈為軸承鋼的結(jié)構(gòu)(如圖3所示)。混合陶瓷軸承的破壞與鋼軸承相似，表現(xiàn)為鋼套圈的破壞和陶瓷滾動體的疲勞剝落。陶瓷滾動體的破壞原因為材料本身的缺陷，如密度不均勻、氣孔、雜質(zhì)以及加工表面形成的微裂紋等。當(dāng)滾動體和套圈溝道之間的接觸應(yīng)力相同時，混合陶瓷軸承可以達(dá)到甚至超過相同規(guī)格鋼軸承的壽命。在高速條件下，陶瓷球軸承則比鋼軸承的壽命長3～6倍?；旌咸沾奢S承的轉(zhuǎn)速比高速鋼軸承轉(zhuǎn)速提高60%，軸承溫升降低35%～60%，剛度提高11%。另外，由于陶瓷與鋼分子親和力很小，摩擦系數(shù)小，而且有一定的自潤滑性能，運轉(zhuǎn)性能好，因此混合陶瓷軸承可有效防止因油膜破壞引起的燒黏。

由于球在高速旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生很大的離心力，離心力造成球與外圈滾道之間產(chǎn)生壓力，這種壓力有時甚至超過外載荷的作用，加重軸承的負(fù)荷。這種離心力與滾動體材料的密度成正比，而用于制造軸承滾動體的Si3N4陶瓷的密度只有鋼的40%，因而有利于實現(xiàn)高速。

4.2 全陶瓷軸承

所謂全陶瓷軸承，就是滾動體與內(nèi)外套圈均為陶瓷材料制造(如圖4所示)，同鋼軸承相比，全陶瓷軸承更耐腐蝕、耐高溫、耐磨以及具有高剛度等性能。在航空航天工業(yè)中，陶瓷滾動軸承有極其優(yōu)良的高速性能。在高溫環(huán)境下，全陶瓷軸承能在800～1000℃條件下可靠工作;在腐蝕性介質(zhì)中，全陶瓷軸承更能顯示出其獨特的優(yōu)越性，化學(xué)工業(yè)用的各種耐酸泵、真空泵、離心泵和渦輪分子泵都應(yīng)用了全陶瓷軸承。此外，電機工業(yè)和電力機車用全陶瓷軸承作絕緣軸承，航空航天飛行器采用全陶瓷軸承可減輕重量和提高飛行速度。

氮化硅全陶瓷軸承套圈及滾動體采用氮化硅陶瓷材料，保持器使用聚四氟乙烯作為標(biāo)準(zhǔn)配置，一般也可使用RPA66-25、PEEK、PI以及酚醛夾布膠木管等。陶瓷質(zhì)保持架具有耐磨損、高強度、耐腐蝕及自潤滑的優(yōu)點，采用陶瓷保持架的全陶瓷軸承可使用于高腐蝕、超高低溫及高真空等苛刻環(huán)境，其常用陶瓷材料為ZrO2和Si3N4，Si3N4制全陶瓷軸承相比ZrO2材料可適用于更高轉(zhuǎn)速及負(fù)荷能力，以及適用于更高的環(huán)境溫度，同時可提供用于高速高精度高剛性主軸的精密陶瓷軸承。

滿裝球型全陶瓷軸承一面帶添球缺口，因采用無保持架結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以比標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的軸承裝入更多的陶瓷球，從而提高其負(fù)荷能力，另外還可避免保持架材料的限制，可達(dá)到陶瓷保持架型全陶瓷軸承耐腐蝕及耐溫效果。該系列軸承不適宜較高轉(zhuǎn)速，安裝時應(yīng)注意將缺口面裝于不承受軸向負(fù)荷的一端。

5陶瓷軸承的發(fā)展趨勢

陶瓷軸承的發(fā)展方興未艾，納米材料、復(fù)合材料的實用化為陶瓷軸承的發(fā)展帶來了更大的生機。據(jù)統(tǒng)計，按特種軸承占軸承市場需求總量的10%計算，國內(nèi)軸承的年需求總量約21億套，陶瓷軸承如能占到特種軸承市場份額的10%，每年尚需生產(chǎn)2100萬套;如果按投資1.5～2億元人民幣，建成年產(chǎn)量達(dá)到40萬套生產(chǎn)能力的陶瓷軸承廠來計算，尚需建成52個同等規(guī)模的陶瓷軸承廠，才能滿足國內(nèi)市場的需求量，由此可見，產(chǎn)品市場缺口很大，依照我國國內(nèi)目前的生產(chǎn)現(xiàn)狀遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了市場需求，因而市場前景十分看好。

在實際應(yīng)用中，陶瓷軸承的使用壽命是耐熱鋼軸承的5～10倍;而且同等規(guī)格的產(chǎn)品，價格明顯低于國外。據(jù)悉，以外徑32mm為例，美國的陶瓷球軸承售價為80美元，而國內(nèi)的陶瓷球軸承售價僅為110元人民幣(約12美元)，在相同質(zhì)量的產(chǎn)品中具有很強的國際市場競爭力。

采用陶瓷材料制造軸承，可極大地擴展?jié)L動軸承在各個領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。目前世界各國研究、生產(chǎn)、銷售陶瓷軸承的公司很多，但大多為混合軸承，即軸承滾動體為陶瓷材料，內(nèi)外圈為鋼制材料。國外大型軸承企業(yè)的不斷涌入，將給我國軸承市場帶來更大的沖擊，因此，用新材料、新技術(shù)改造傳統(tǒng)軸承產(chǎn)業(yè)，提高國內(nèi)軸承產(chǎn)品的技術(shù)含量和附加值，尤其是拉動陶瓷軸承的市場競爭和生存能力，已成為一個重要課題。

我國在陶瓷軸承研究方面起步較晚，國家于1985年開始將陶瓷球軸承研究與開發(fā)列入科技攻關(guān)項目，并投入了大量資金，一些科研院所和企業(yè)也做出了有益的探索，取得了可喜的成果，但目前仍處于試驗研究階段。影響陶瓷材料在球軸承中廣泛應(yīng)用的主要原因，是其難加工性和過高的制造成本。陶瓷軸承的研究還需要在以下幾方面進一步探索:一是研究適應(yīng)范圍更寬、潤滑條件更惡劣條件下陶瓷軸承的滾動接觸性能;二是研究陶瓷軸承相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)配合設(shè)計，以及加工的可靠性和經(jīng)濟性;三是陶瓷軸承相關(guān)部件無損檢測方法和破壞預(yù)測的技術(shù);四是制定陶瓷軸承的檢驗標(biāo)準(zhǔn)等。相信陶瓷軸承進入實用化階段已為時不遠(yuǎn)，其應(yīng)用前景十分廣闊。

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