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陶瓷球轴承

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  在工程陶瓷产品的开发应用中,陶瓷球轴承是工程陶瓷在工业领域广泛应用的典型范例,受到很多国家的高度重视.在高速精密轴承中,应用最多的是混合陶瓷球轴承,即滚动体使用热压Si3N4陶瓷球,轴承圈仍为钢圈。这种轴承标准化程度高,对机床结构改动小,便于维护保养,特别适合于高速运行场合.其组装的高速电主轴,具有高速、高刚度、大功率、长寿命等优点。1.轴承配置:内外圈轴承钢/不锈钢+陶瓷球+PA66/不锈钢保持器 +2RS/ZZ2.高温油脂,3.采用陶瓷球轴承和普通轴承相比的优势:

  陶瓷球热膨胀系数小,在高温环境下不会因为温度的原因导致轴承球膨胀,这样大大提高了整个轴承的使用温度,普通轴承的温度在160度左右,陶瓷球的可以达到220度以上.

  陶瓷球具有无油自润滑属性,陶瓷球摩擦系数小,所以陶瓷球轴承具有很高的转速.据统计采用陶瓷球的轴承是一般轴承的转速1.5倍以上的转速.

  陶瓷球可以不加任何油脂,也就是说即使油脂干掉,轴承还是可以运作的,这样就避免了普通轴承中因为油脂干掉导致的轴承过早损坏现象的发生.据我们测试以及一些客户的反馈使用陶瓷球后的轴承的使用寿命是普通轴承的2-3倍.

  最后一点也是最重要的一点,绝缘,采用陶瓷球的轴承,可以使轴承的内外圈之间绝缘,因为陶瓷球是绝缘体,在轴承的内外圈之间用陶瓷球,就可以达到绝缘的效果.这样就使轴承能够在导电的环境下使用了.滚动轴承由套圈、滚动体、保持器、润滑脂密封件组成,当滚动体采用陶瓷材料后,此滚动轴承就定义为陶瓷球轴承。

  滑脂也可以不加润滑脂密封件也是可以按使用要求,决定陶瓷球轴承是否带密封件。保持器也是可以按使用要求是否采用。那么套圈、滚动体是轴承两个不可缺少的要素,当这两个要素不是同一种材料时,就有了混合轴承(Hybrid construction bearing)的说法。当滚动体采用陶瓷材料时就定义为混合陶瓷球轴承(Hybrid construction ceramic ball bearing)。常用的陶瓷球材料有氧化锆(ZRO2)和氮化硅(SI3N4);常用的套圈材料有轴承钢GCR15)和不锈铁(440、440C)及不锈钢(304、316、316L)。

  按照使用环境、转速、负荷、温度,及使用时的要求,陶瓷球轴承的套圈和滚动体可以由以上材料互相组合,并起到不同的使用效果。

  HY +套圈材料+轴承型号+密封型式——球的材料 ——保持器材料 ——润滑脂

  套圈材料:S表示不锈铁SS表示不锈钢 具体用什么材料可以用挂号标注说明

  实践证明,作为轴承材料还必须具有在不同温度下的尺寸稳定性,以保证轴承在温度变化的工作环境下,保持精密的尺寸和精确的配合,在特殊环境下还必须具备抗腐蚀、抗分解能力.总之,用以制造滚动轴

  承零件的陶瓷材料应具备以下性能特点: 1)低密度.由于滚动体密度减小,高速工作时其离心载荷也减小,从而可在更高转速下工作. 2)中等弹性模量.弹性模量太大会因应力集中而降低轴衬的承载能力. 3)热膨胀系数小.减小对温度变化的敏感性,使轴承工作温度范围更宽. 4)高抗压强度.抗压强度高是滚动轴承承受高应力的需要. 5)高硬度和高韧性.这两个特性相结合可获得较好的表面粗糙度;而且能防止外界粒子和冲击的损伤. 6)良好的抗滚动接触疲劳性和具有剥落失效模式. 7)特殊场合应具有耐高温、耐腐蚀和稳定性.

  套圈和滚动体接触点受到外加负荷和旋转的作用,因而反复产生接触压力和变形。由于钢制轴承自身材料性能特点,轴承失效的主要形式是疲劳剥落,疲劳寿命短,应用范围受到很大限制。而陶瓷材料具有低密度,中等弹性模量,热膨胀系数小,硬度高,耐高温,耐腐蚀,无磁等优点,以氮化硅陶瓷球为滚动体的陶瓷球轴承可显著提高轴承接触疲劳寿命,极大拓展了滚动轴承的应用领域,已广泛应用于各种高精度、高转速机床,汽车、赛车、地铁、电机、航空发动机、石油化工机械、冶金机械等领域。

  陶瓷轴承的应用领域日益广泛,但在工业领域中成功应用的还是陶瓷球轴承.应用较多的为.它的优点是:极限转速高、精度保持性好、启动力矩小、

  刚度高、干运转性好、寿命长,非常适合于在高速、高温以及腐蚀、辐射条件下保持高精度、长时间运转,主要用于数控机床和高速精密机械中,如高速电主轴轴承、机床主轴轴承、牙钻轴承、仪器仪表用轴承,计算机硬盘驱动器轴承等.此外,氮化硅陶瓷的硬度比轴承钢高1倍,弹性模量约高1/3,在相同载荷的条件下,氮化硅陶瓷的弹性变形小,所以,使用陶瓷球轴承的机床主轴具有良好的运转精度.

  混合型陶瓷轴承已成功地应用于高速机床的主轴中,并已进入实用化阶段,如日本牧野等公司生产的HPM型超精密车床等,主轴转速为16 000 r/min,而美国MIKRO公司生产的HSM700高速加工中心,主轴转速已达到42 000 r/min,切削速度提高了5~10 倍.此外,混合型陶瓷轴承还用应在电主轴等高转速的设备中.

  陶瓷轴承作为一种重要的机械基础件,由于其具有金属轴承所无法比拟的优良性能,抗高温、超强度等在新材料世界独领风骚。近十多年来,在国计民生的各个领域中得到了日益广泛的应用。航空航天、航海、核工业、石油、化工、轻纺工业、机械、冶金、电力、食品、机车、地铁、高速机床及科研国防军事技术等领域需要在高温、高速、深冷、易燃、易爆、强腐蚀、真空、电绝缘、无磁、干摩擦等特殊工况下工作,产品市场价格也逐渐接近实用化,达到用户可接受的程度,陶瓷轴承大面积应用的浪潮已经涌来。

  20世纪60年代以来,随着陶瓷材料的开发与应用,陶瓷轴承也得以发展.美国诺顿公司已将氮化硅陶瓷轴承应用在航天飞机的液压泵上,轴承的运转速度提高了50%~100%,美国一家公司向美国宇航工业供应的陶瓷轴承已在800*(2的高温下使用;日本主要飞机发动机制造商石川岛播还将钢一陶瓷混合轴承及全陶瓷轴承在发动机上进行了试验.

  1. 低密度:由于陶瓷低,离心载荷小,从而可在更高转速下工作,而且产生热量较少。

  2. 中等弹性模量:陶瓷滚动体的弹性模量比钢制滚动体高,则轴承的动态刚度提高,但是弹性模量太大会因应力集中而降低轴承的承载能力。

  3.热膨胀系数小: 热膨胀系数小有助于减小对温度变化的敏感性,从而防止卡死。对混合滚子轴承,可适用的运转速度范围更宽。

  4.抗压强度高: 抗压强度高是滚动轴承承受高接触应力的需要(对于陶瓷材料,其强度通常是通过三点或四点弯曲试验测得的断裂模量决定)。

  5. 高硬度和高韧性: 这两个特性相结合可获得较好的表面粗糙度,而且能防止外界硬质粒子和冲击的损伤。

  7. 剥落失效形式: 如果滚动体在工作中失效,则应是疲劳剥落,该实效形式在卡死前有预兆,是一种造成危害最小的实效形式。 在一些应用条件较高的应用领域陶瓷材料还具备一些特殊性能。

  8. 耐高温和稳定性: 在高达800℃高温环境中能稳定保持其机械性能。

  9. 耐腐蚀: 在氧化和腐蚀环境,尤其是在反复滚动而挤掉表面油膜的接触区应具有抗氧化和腐蚀稳定性。

  密度(Kg/m3) 3250 7800杨氏模量(GPa) 310 210抗压强度(MPa) 3500

  断裂模量(MPa) 700-1000维氏硬度GPa) 14-18 8 韧性(MPa· m1/2) 5-8 16-20

  热膨胀系数(×10-2/°K) 3 12热传导率(W/mK) 20 30 比热(J/KgK) 800 450

  使用上限温度(°K) 1050 400-600 抗热冲击 高 很高 滚动接触疲劳失效形式 剥落 剥落

  比拟的优异性能,因此,在各个领域中都得到了日益广泛的应用.从应用的效果上看,最突出的效果是较大地提高了轴承的使用寿命和极限转速,为发展高速、高精度机床提供了基础零部件.另外,在高温、腐蚀、绝缘、真空等行业的应用也已取得了良好效果.基于它应用范围广,因此,为其发展带来了更大的生机和活力.

  另外,开发者应注意那些金属轴承无法胜任的、而陶瓷轴承完全有能力去替代的最普通的工作.如污水处理、海洋开发、石油勘探、医药卫生、食品工业等诸多领域中实际使用的一般精度等级,中、低转速,要求轴承能够有耐一定浓度的酸、碱、盐腐蚀,耐几百度高温,不导磁、电,无毒性,可在无油或利用工作介质自身润滑的工作领域.这些领域应用的轴承占特种轴承应用的比例非常大,市场广阔,值得我们开发.研发机构应抓住机遇,开拓市场,降低制造成本,促进高性能陶瓷材料的规模化生产,使具有广阔市场前景的陶瓷材料的应用早日实现产业化.

  陶瓷轴承和陶瓷球轴承是轴承大类中一支奇葩,是新工艺、新材料、新结构的一种完美的结合。作为承运机械转动的基础件,由于其具有金属轴承所无法比拟的优良性能,在各种特殊环境、恶劣环境下得到广泛的应用。因为具有抗高温、耐低寒、耐腐蚀、绝电、阻磁、低密度、高强度等性能在新材料世界独领风骚。

  在航空航天、航海、核工业、石油、化工、轻纺工业、机械、冶金、电力、新能源、食品、机车、地铁、高速机床及科研国防军事技术等领域需要在高温、高速、深冷、易燃、易爆、强腐蚀、真空、电绝缘、无磁、干摩擦、易生锈等特殊工况下工作,陶瓷轴承不可或缺的替代作用正在被人们逐渐地认识。随着加工技术的不断进步,工艺水平的日益提高,陶瓷轴承的成本不断下降,已经从过去只在一些高、精、尖领域小范围内应用,逐步推广到国民经济各个工业领域。批量化的生产使市场价格也逐渐接近实用化,达到用户可接受的程度。通过不同行业批量化、长时间的使用考验。许多成功的案例体味到了陶瓷轴承和陶瓷球轴承所带来的免维护、长寿命、高稳定、低成本的优越性。陶瓷轴承和陶瓷球已从研究、试制阶段走向批量化生产的阶段,大面积应用的浪潮已经涌来。

  按材料分:陶瓷轴承可以分为氧化锆陶瓷轴承、氮化硅陶瓷轴承、复合陶瓷材料轴承。

  按结构分:陶瓷轴承可以分为:氧化锆带保持器陶瓷轴承、氮化硅带保持器陶瓷轴承、复合带保持器陶瓷轴承。一般陶瓷轴承的保持器材料以聚四氟乙烯(PTFE)作为标准配置,还可以采用玻璃纤维增强的尼龙66(GRPA66-25),特种工程塑料PEEK,PI),不锈钢(SUS316SUS304),黄铜(Cu)等。陶瓷材料保持架因兜孔加工、成型技术等难题,现还较少采用;由于保持器的材料限制针对特种使用场合又开发了无保持器的氧化锆满球全陶瓷轴承和氮化硅满球全陶瓷轴承和复合满球陶瓷轴承。

  按材料的完整性分:上面所说到的陶瓷轴承的主要部件内外圈和滚动体多是采用陶瓷材料,就定义为陶瓷轴承;如果轴承的内外圈和滚动体有一部分不是采用陶瓷材料时我们就定义为混合陶瓷轴承。混合陶瓷轴承中运用比较广泛的就是球采用陶瓷材料称为陶瓷球轴承,可分为氮化硅陶瓷球轴承。

  不同材料和不同结构的陶瓷轴承和陶瓷球轴承在使用时需要注意的问题也各不相同,具体细节请查询陶瓷轴承和陶瓷球轴承的专业生产厂家获取更多的帮助。

  轴承研制成功后,世界各国就一直在竞相开发、研制新一代更高性能的陶瓷轴承,经过近四拾年的努力陶瓷轴承最突出的效果是较大幅度地提高了轴承的使用寿命和极限转速,为发展高速和超高速、高精密机床提供了基础零部件。除此以外,在高温、腐蚀、绝缘、真空、化工等行业的应用也已取得了良好效果。当今世界著名的轴承公司无一不在研发、生产陶瓷轴承和陶瓷球轴承,而产品的质量高低,已成为衡量其企业实力的一个重要标志。据不完全统计,国外能够生产陶瓷轴承的有:美国、日本、德国、法国、俄罗斯、韩国、英国等十几个国家。其中陶瓷球轴承的生产在国外起步较早,运用的场合范围较广,比如数控机床用陶瓷球轴承、用陶瓷球轴承、机床滚珠丝杠用陶瓷球轴承等。陶瓷球轴承的高耐磨性、自润滑性、超高转速等性能得到了淋漓尽致的发挥,也为高精度机床、高速机床、特种环境设备作出了贡献。作为陶瓷球轴承的核心部件---陶瓷球体,国外的研发和竞争也比较激烈。美国的Norton公司采用HIP法生产的陶瓷球在国际上堪称一流水平。世界各国研究陶瓷球轴承处于领先水平的主要公司有瑞典的SKF、德国的FAG、法国的圣戈班、日本的NSKKOYO、NMB(美培亚)、日本的MSRHK等。

  轴承是机械行业生产量较大、应用面广的产品,其中球轴承所占的比例最大.国内外都把陶瓷轴承的研发重点放在陶瓷球轴承方面.陶瓷球轴承可分为混合式陶瓷球轴承和全陶瓷球轴承2种.其中,混合式陶瓷球轴承指轴承中仅有滚动体零件是由陶瓷材料制成,而全陶瓷轴承是指轴承内外圈和滚动体全部都由陶瓷材料制成的.混合式陶瓷球轴承又可分为3种:第一种,球用陶瓷材料,而其余仍用金属材料;第二种,球、内圈为陶瓷,而外圈为金属材料;第三种,球与外圈为陶瓷,内圈为金属材料.用工程陶瓷作为轴承材料,具有良好的机械和热性能,即具有足够的强度、刚度、硬度、断裂韧性、抗压冲击力、耐高温、抗氧化能力、比重小等一系列比金属材料更好的性能.适用于做轴承的陶瓷材料主要有氮化硅(si3N4)、氧化锆(ZrOe)、氧化铝,这3种陶瓷材料中,氮化硅综合性能优越,已成为陶瓷轴承的首选材质.它的特点在于失效形式与轴承钢一样,是以有先兆的剥落方式出现,而氧化锆、氧化铝均以碎裂的失效形式出现.

  一、陶瓷轴承在国内研究起步较晚,国内研究开发陶瓷轴承和陶瓷球轴承的大学、院所有:上海硅酸盐研究所、上海材料所、山东工陶院、广东工业大学天津大学、洛轴所等。国内的陶瓷轴承生产企业主要分布在北京、上海、和浙江。洛轴所与上海硅酸盐所做了一些样品之外,还没有见到产业化的企业。与国外相比,我国陶瓷轴承的发展形势不容乐观。国内能够形成产业化规模生产陶瓷轴承的企业几乎没有。究其根源,当然是多方面的因素影响,如技术水平、人才、资金等,尤其是市场摸不清,信心不足。当前国内对陶瓷轴承和陶瓷球轴承的研究开发工作,总的说来还有几个方面存在着问题,严重制约了我国陶瓷轴承和陶瓷球轴承的发展。

  耐腐蚀、防磁、电绝缘等,尚待在更宽的领域内开发利用,潜在的应用领域十分巨大。第一高质量的高速陶瓷球轴承:能很好的服务于国内机床行业,高速、高精度主轴、电主轴的轴承用量相当大,估计每年的需求量在几拾万套以上。但是高精度机床主轴轴承要求轴承的加工精度相对较高,质量较苛刻,象P4级轴承要求G5级以上的高精度陶瓷球,国内能够生产的厂家寥寥无几,产品的稳定性也较差。第二:中等质量的陶瓷轴承在石油勘探、原油冶炼、尤其是精细化工、化纤、新能源、印染、电镀业、污水处理、海洋开发、深水泵、酸碱泵、高温、真空、核磁共振、电绝缘、医药卫生、X射线管及食品工业等诸多领域中能得到广泛和良好的使用。很多只要求一般精度等级;中、低转速和负荷;要求轴承能够耐一定浓度的酸、碱、盐腐蚀;耐300 ̄400℃高温;不导磁、电、无毒性;可在无油或利用工作介质自身润滑等;在海水中也可以使用。在这些领域应用的轴承占特种轴承的比例非常大,而且陶瓷轴承和陶瓷球轴承完全有能力去替代、并能达到金属轴承勉强胜任和无法胜任的工作,工程陶瓷具有它不可替换的地位。具有这样一个庞大的市场为前提,我们在产品的开发和制造上完全可以创出一条新路,去拓宽陶瓷轴承的更大应用领域。使新材料、新工艺、新技术更好的服务于生产。

  首先,我们见诸报道的都是高速、高精度的陶瓷球轴承的研发,且通常多以围绕氮化硅球为主,主要解决的问题,一个是陶瓷球的制坯研究,另一个是高精度陶瓷球的加工工艺方法研究,在使用上多属高速机床、数控机床、电主轴等高速场合,长寿命或低噪声等要求的陶瓷球轴承,自始至终没能脱离SI3N4球坯的制造和加工,对新型材料如:SiC、ZrO2、ZTA、Sialon等材料的研究尚属少量,生产实践证明,应用ZrO2的厂家占绝大多数。由于顾虑成本原因造成好的材料和工艺无法大规模运用。我国企业生产的低噪声、干摩擦、防静电陶瓷球轴承和日本企业生产的相同规格的陶瓷球轴承进行过详细的对比,在分贝上就相差2个db,好的产品可以做到20db。和国外产品相同。但价格才定位在NMB公司的15%左右。可以和国内家用电器的电机直接配套。但这样的价格和普通轴承相比还是高出了一大截,只有在高档的和出口的家用电器电机里才能得到使用。

  其次,陶瓷轴承和陶瓷球轴承的生产是高技术陶瓷与轴承制造技术的产业化结合,二者的专业化程度均

  很高,如不解决陶瓷与轴承的产业结合问题,实现优质大批量、低成本生产,满足市场需求就是一句空话。而今,国内能够生产轴承的企业制造不了陶瓷材料,能够生产陶瓷材料的企业制造不了轴承,专业和学科之间在实际应用上严重脱节,一些轴承生产企业对陶瓷轴承和陶瓷球轴承在专业知识尤其是陶瓷材料科学与工程上研究比较少,人们熟知的是陶瓷轴承和陶瓷球轴承的表面内容。造成了一种是陶瓷材料做成的轴承就是陶瓷轴承,加入陶瓷球就是陶瓷球轴承的局面。国内的陶瓷轴承和陶瓷球轴承只能在耐腐蚀、绝电、绝磁、低转速、轻负荷的环境下使用。还有就是国内陶瓷材料的制造存在较大的问题,在工艺和技术还没有过关的前提下,盲目追求低价造成材料的性能根本无法达预期的效果。使得陶瓷轴承和陶瓷球轴承的发展走入新的歧途,也造成较多的使用单位对陶瓷轴承和陶瓷球轴承失去信心。

  再者,作为高技术产品的研发,要经过技术密集型投入和资金密集型投入两个阶段,产业化生产陶瓷轴承,既要攻克许多技术难点,和使用难题又需要较大的资金投入,还要把握市场定位,需要业内有识之士以发展国内陶瓷轴承和陶瓷球轴承的高水准为己任。低价的竞争势必带来粗制滥造和市场的进一步恶化。原始资本的积累和持续的再投入必须服务于陶瓷轴承和陶瓷球轴承往更高质量的领域发展。我国陶瓷轴承现阶段的发展表现为散乱、各自为政、小规模局部化生产缺乏整体意识和宏观战略思想。


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