陶瓷軸承三問

作者：Chris  Johnson

編譯：洛陽LYC軸承有限公司技術(shù)中心  侯俊

本文刊登于中國軸協(xié)會(huì)刊《軸承工業(yè)》2022年第10期“專業(yè)知識(shí)”欄目

早在2000年，科學(xué)家們?cè)趲r石中發(fā)現(xiàn)了鋯石，這表明生命可能比之前認(rèn)為的早5億年開始。這種令人難以置信的化合物產(chǎn)生了巨大的影響，其氧化物氧化鋯（ZrO2）也產(chǎn)生了巨大的影響，氧化鋯用于制造全陶瓷軸承。只有充分了解陶瓷軸承的性能特性，才能在其應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮出它的優(yōu)點(diǎn)。選擇陶瓷軸承就必須了解以下三個(gè)問題。

1.增加的成本值得嗎？

全陶瓷軸承通常比鋼更圓、更光滑、更硬，具有優(yōu)異的耐腐蝕性和耐熱性、更高的尺寸穩(wěn)定性和更低的密度。然而，這是有代價(jià)的。陶瓷軸承比鋼軸承貴得多。

那么，什么時(shí)候投資陶瓷軸承才值得呢？高價(jià)值的應(yīng)用程序，如實(shí)驗(yàn)室設(shè)備，在每次使用應(yīng)用程序時(shí)都需要滿足精確的要求。在此類設(shè)備中使用錯(cuò)誤的組件可能會(huì)污染研究條件或?qū)е卵芯客耆Ｖ?。醫(yī)療設(shè)備也是如此，陶瓷軸承的非污染和非磁性證明至關(guān)重要。

以磁共振成像（MRI）為例，該成像技術(shù)主要與醫(yī)院MRI掃描儀相關(guān)。這項(xiàng)技術(shù)利用強(qiáng)磁場(chǎng)生成任何活體的二維或三維圖像。由于其磁性，標(biāo)準(zhǔn)鋼軸承不能用于這些掃描儀，因此陶瓷軸承是用于這些高價(jià)值應(yīng)用的最佳選擇。

同樣，隨著集成電路制造商努力使芯片更快、更小、更便宜，半導(dǎo)體制造設(shè)備公司越來越依賴先進(jìn)的陶瓷組件來實(shí)現(xiàn)所需的性能。使用由氮化硅而非標(biāo)準(zhǔn)氧化鋁（氧化鋁）制成的軸承可以提供電氣絕緣和良好的耐腐蝕性。

氮化硅的電阻率和介電常數(shù)與氧化鋁相似，但由于其微觀結(jié)構(gòu)，該材料的強(qiáng)度要大得多。全陶瓷軸承可以適應(yīng)半導(dǎo)體生產(chǎn)階段存在的許多挑戰(zhàn)性條件；從爐子溫度可以達(dá)到接近1400攝氏度，到潔凈室1級(jí)的空氣質(zhì)量。突然之間，增加的成本顯然是合理的。

2.氧化鋯還是氮化硅？

有許多商用陶瓷軸承類型，所有這些類型都比傳統(tǒng)軸承元件具有許多優(yōu)勢(shì)。用作軸承材料的典型陶瓷是氮化硅（Si3N4）和氧化鋯（ZrO2）。

氮化硅是一種很硬但也很輕的材料。它具有優(yōu)異的耐水性、耐鹽水性和許多酸堿性，并且溫度范圍非常寬，適合在高真空應(yīng)用中使用。氮化硅的極端硬度也意味著更大的脆性，因此應(yīng)盡量減少?zèng)_擊或沖擊載荷，以避免開裂的風(fēng)險(xiǎn)。

氮化硅已被用作幾種航空航天應(yīng)用的主要材料。值得注意的是，美國國家航空航天局的航天飛機(jī)最初是由渦輪泵內(nèi)的鋼軸承制成的——當(dāng)航天飛機(jī)，尤其是其發(fā)動(dòng)機(jī)，承受巨大的載荷和溫度時(shí)，這不是一個(gè)好的組合。由于這些極端負(fù)載，NASA工程師將軸承升級(jí)為氮化硅軸承，因?yàn)槠湓谡婵窄h(huán)境中的優(yōu)越性。令人印象深刻的是，根據(jù)NASA的分析報(bào)告，與鋼軸承相比，Si3N4軸承在運(yùn)行時(shí)顯示出40%的增長(zhǎng)。

由二氧化鋯或二氧化鋯制成的陶瓷軸承是一種堅(jiān)硬的陶瓷材料，其膨脹性能與鋼非常相似，盡管它們比鋼輕30%。在考慮高溫應(yīng)用中的軸和軸承座配合時(shí)，這是一個(gè)優(yōu)勢(shì)，在高溫應(yīng)用中，軸承膨脹可能意味著軸不再適合。

雖然它們通常被稱為氧化鋯軸承，但它們實(shí)際上是由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯制成的，這使材料在室溫下具有更大的強(qiáng)度和抗裂性。它們還非常防水，這意味著它們經(jīng)常用于海上應(yīng)用，特別是在設(shè)備完全淹沒的情況下，或者傳統(tǒng)的鋼軸承無法應(yīng)對(duì)負(fù)載或速度的情況下。衡量Si3N4或ZrO2軸承是否是正確的選擇是一個(gè)復(fù)雜的決定，但一般來說，ZrO2軸承由于其極端的耐腐蝕性和更堅(jiān)硬的性能而更常見。

3.全陶瓷還是混合陶瓷？

當(dāng)大多數(shù)人想到陶瓷軸承時(shí)，他們通常指的是混合型軸承?；旌陷S承位于陶瓷和鋼的中間，通常包括不銹鋼滾道或套圈以及陶瓷球?；旌陷S承的鋼制內(nèi)圈和外圈可以加工到非常小的公差，這意味著它們最適合于電機(jī)、實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和機(jī)器工具等應(yīng)用。

例如，在磨床上，通過添加陶瓷混合軸承和合成潤(rùn)滑脂潤(rùn)滑劑，由于摩擦減少，每分鐘轉(zhuǎn)速(RPM)可以提高25%。使用混合陶瓷的磨削主軸可以運(yùn)行4000小時(shí)而不會(huì)出現(xiàn)問題，而使用鋼軸承的磨削主軸可以運(yùn)行3000小時(shí)。混合軸承還可以將溫度降低近50%。在臥式加工中，已證實(shí)從傳統(tǒng)軸承切換到混合軸承后，在12,000轉(zhuǎn)/分時(shí)將軸承溫度從60℃降至36℃。使用混合軸承組合可以實(shí)現(xiàn)比全陶瓷軸承更高的速度，因?yàn)樵诟咚倩蜇?fù)載下，脆性較小的金屬圈不容易發(fā)生突然的嚴(yán)重性故障。也就是說，與全陶瓷軸承相比，混合動(dòng)力軸承的耐腐蝕性相形見絀。為極端環(huán)境指定正確的方向一直是一個(gè)復(fù)雜的問題。但真正明白了其應(yīng)用領(lǐng)域并權(quán)衡利弊，問這三個(gè)問題將有助于決策過程。

（資料來源：SMB官網(wǎng)）

（版權(quán)歸原作者或機(jī)構(gòu)所有）