先进陶瓷(ci)的应用真不少。这(zhei)类特殊的材料(liao)由离(li)子(zi)键和共建件组合,不仅具有优(you)异的耐高温、耐化(hua)学(xue)腐蚀、抗侵蚀、良(liang)好的生物相(xiang)容性(xing),还具有优(you)异特殊的电学(xue)、光学(xue)、磁学(xue)、压电和热(re)电等功能(neng)特性(xing),广泛应用于机械化(hua)工(gong)、生物医疗、电子(zi)电器、新能(neng)源、核电、航(hang)(hang)空(kong)航(hang)(hang)天、国防军工(gong)等领域。今天我们(men)一(yi)起来看看它的一(yi)个细分(fen)门类:陶瓷轴承材料(liao)。
素材来源:CAC2021先进陶瓷展展品
陶瓷轴承是一个总称呼,可(ke)细分为(wei)全(quan)陶瓷轴承和混合陶瓷轴承(半(ban)陶瓷轴承)两种。轴承中常(chang)见(jian)陶瓷材料有:氮(dan)化(hua)硅(gui)(gui)、氧化(hua)铝、氧化(hua)锆和碳化(hua)硅(gui)(gui)这(zhei)几种。
一、混合轴承
混合陶(tao)瓷轴承一般(ban)由轴承(cheng)(cheng)钢制(zhi)成(cheng)的(de)套圈(quan)和轴承(cheng)(cheng)级(ji)的(de)氮化硅滚动体(ti)组装而(er)成(cheng),具有(you)电绝缘特性。与带钢滚动体(ti)的(de)轴承(cheng)(cheng)相比,混合陶瓷轴承(cheng)(cheng)(下文主要以氮(dan)化(hua)硅滚(gun)动体为例说明)的优点包括:
陶瓷混合轴(zhou)承(cheng)
①、防(fang)止电流腐(fu)蚀
电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)机(ji)(ji)运行时(shi),转轴(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)两(liang)(liang)端之(zhi)间或(huo)(huo)轴(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)与轴(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)之(zhi)间产(chan)生(sheng)的电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)位差叫做(zuo)轴(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)。若轴(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)两(liang)(liang)端通过电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)机(ji)(ji)机(ji)(ji)座等构成回路,则在轴(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)的作用下(xia)产(chan)生(sheng)轴(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)。轴(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)是轴(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)通过电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)机(ji)(ji)、轴(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承、定(ding)子机(ji)(ji)座或(huo)(huo)辅助装置(zhi)构成闭合回路产(chan)生(sheng),因正常情况下(xia)轴(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)较低,轴(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)承内的润(run)滑油膜(mo)能起到绝(jue)缘作用而扼制轴(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)产(chan)生(sheng);但当轴(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)较高,或(huo)(huo)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)机(ji)(ji)起动瞬间油膜(mo)未稳定(ding)形成时(shi),轴(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)压(ya)(ya)将(jiang)使润(run)滑油膜(mo)放电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)击穿形成通路产(chan)生(sheng)轴(zhou)(zhou)(zhou)(zhou)电(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)。
轴电(dian)流(liu)局部放电(dian)能量释放产生(sheng)的高温,可以融(rong)化轴承内圈(quan)、外圈(quan)或滚珠上许多微小区域,并形成凹(ao)槽,从而产生(sheng)噪声、振动,若不(bu)能及时发(fa)现处理将导致轴承失(shi)效,对生(sheng)产带(dai)来极大影响。变频调速系统(tong)中高频轴(zhou)(zhou)电(dian)流对轴(zhou)(zhou)承的电(dian)蚀最显著的特征是在电(dian)机轴(zhou)(zhou)承内外圈、滚珠(zhu)上产生“搓板”式密(mi)密(mi)的凹(ao)槽条纹。从(cong)根本(ben)上消除电(dian)(dian)机的轴电(dian)(dian)流有哪些办法呢?一是增加泄(xie)流装置,即加装旁路电(dian)(dian)刷,轴电(dian)(dian)流绕过轴承泄(xie)掉;二是采用绝缘轴承,阻断轴电(dian)(dian)流通过轴承的路径(jing),为(wei)了(le)阻断轴电(dian)(dian)流通路,电(dian)(dian)机至少有一端要用电(dian)(dian)绝缘轴承。
因轴(zhou)电流腐(fu)蚀产生的“搓板(ban)”式的密(mi)密(mi)凹槽(cao)条(tiao)纹
轴电(dian)流常会发生在轮对轴承和牵引电(dian)机(轨道车辆)、直流和交流电(dian)机(动力传(chuan)输(shu)系统)及(ji)发电(dian)机(风电(dian))上。轴电(dian)(dian)流会可能(neng)导(dao)致(zhi)滚道和滚动(dong)体的损坏及(ji)润滑剂的老化,从而引(yin)起(qi)电(dian)(dian)机或发电(dian)(dian)机过(guo)早发生故障,造(zao)成维修费(fei)用的增加并带来停(ting)机停(ting)产(chan)等造(zao)成的损失。解决这些问题的最佳方案就是(shi)使用电(dian)绝(jue)缘(yuan)(yuan)(yuan)轴(zhou)承(cheng)(cheng)。无论是(shi)内圈还是(shi)外圈带陶(tao)瓷(ci)涂层的轴(zhou)承(cheng)(cheng)都称为绝(jue)缘(yuan)(yuan)(yuan)轴(zhou)承(cheng)(cheng)。陶(tao)瓷(ci)涂层能(neng)够防止电(dian)流通过,具(ju)有(you)绝(jue)缘(yuan)(yuan)(yuan)的能(neng)力。混合式轴(zhou)承(cheng)(cheng)的滚(gun)动(dong)体由(you)陶(tao)瓷(ci)制(zhi)成,由(you)滚(gun)动(dong)体来防止电(dian)流通过,因此也具(ju)有(you)绝(jue)缘(yuan)(yuan)(yuan)能(neng)力,而且具(ju)备比陶(tao)瓷涂层(ceng)更加持久的绝缘(yuan)能力。
在风电(dian)机(ji)组(zu)的(de)发电(dian)机(ji)应用中,经常指定要使用混(hun)合陶瓷轴承
②、有效提高转速
氮化(hua)硅滚动体(ti)的密度比相同尺寸的轴承(cheng)钢滚动体(ti)的密度低60%。较轻的重量和惯性形成更高的速度性能,这使轴承的快速启动和停止能力出众。此外,陶瓷球(qiu)具(ju)有无(wu)油(you)自润(run)滑属性,陶瓷球摩(mo)擦系数小(xiao),所以陶瓷球轴承具有很高的转速.计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。
混合型陶瓷轴承已成功地应用于高速机床(chuang)的(de)主(zhu)轴中,并已进入(ru)实用化(hua)阶段,如日本牧野等(deng)公司生产的(de)HPM型超精密车床等,主轴转速为16000r/min,而美国MIKRO公司生产的HSM700高速加工中心,主轴转速已达到42000r/min,切削速度提高了5~10倍,此外(wai),混合型陶瓷轴(zhou)(zhou)承(cheng)还用应在电主(zhu)轴(zhou)(zhou)、涡流分(fen)子泵等高转速的设备中。
③、使用寿命长
混(hun)合陶(tao)瓷轴承中摩擦产(chan)生的热量较低,特别是在高(gao)速下,这有助于延长(zhang)轴承使用寿命和延长(zhang)再润滑间(jian)隔,可以大(da)大(da)降低轴承检修带来的停工(gong)损失及维护(hu)成本增加。
④、高硬度和高韧(ren)性
氮化硅滚动体具有(you)更高的(de)硬(ying)度及极佳的(de)韧性(xing),这两个特性(xing)相(xiang)结合可获得(de)较好(hao)的(de)表面(mian)粗糙度,而且能防止外界硬(ying)质粒(li)子和冲击的(de)损伤(shang),耐磨损能力(li)强。
⑤、轴承刚度更高(gao)
轴承(cheng)的刚(gang)(gang)度(du)是(shi)指在负荷作用下,轴承(cheng)出现弹性变形的程度(du)。刚(gang)(gang)度(du)影(ying)响到(dao)轴承(cheng)振动、噪声、寿命和旋转(zhuan)精度(du)等(deng)各方面(mian),是轴承分析(xi)中的一(yi)个重要性能参数(shu)。这(zhei)种变形一(yi)般很小,可(ke)以忽略不计,但在(zai)某些应(ying)用,例(li)如机(ji)床(chuang)主(zhu)轴的轴承或小齿轮轴承,刚度(du)就非常重(zhong)要。
氮化硅陶瓷的硬(ying)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,使用陶瓷球混合轴承的(de)机床(chuang)主轴具有良好的(de)运(yun)转精度。
⑥、对温度(du)变化的敏(min)感(gan)度(du)较低(di)
氮(dan)化硅滚(gun)动(dong)体(ti)具有较(jiao)低的(de)热膨胀(zhang)(zhang)系数,热膨胀(zhang)(zhang)系数小有助于减小对温度(du)变化的(de)敏(min)感(gan)性,从而(er)防止卡死。对混合滚(gun)子轴(zhou)承,可(ke)适用(yong)的(de)运转速度(du)范(fan)围更(geng)宽。
目前陶瓷混合轴(zhou)承广(guang)泛用(yong)于(yu)电(dian)动机、航(hang)空(kong)航(hang)天应(ying)用(yong)、高性能赛车、实验(yan)室(shi)设备(bei)、水下应(ying)用(yong)等。陶瓷混合轴(zhou)承可轻(qing)松(song)满(man)足达到更(geng)(geng)高(gao)速度、更(geng)(geng)低摩擦和更(geng)(geng)长(zhang)寿命的(de)要求(qiu)。
二、全(quan)陶瓷轴承
全陶(tao)瓷(ci)轴(zhou)承(cheng)(cheng)的座圈和(he)滚珠均(jun)由陶(tao)瓷(ci)材(cai)料制成,相比于(yu)混合轴(zhou)承(cheng)(cheng)材(cai)料,全陶(tao)瓷(ci)轴(zhou)承(cheng)(cheng)加工难度更(geng)大(da)。尽管混合轴(zhou)承(cheng)(cheng)在(zai)许(xu)多(duo)应用领域已经表现的很不错(cuo),但(dan)是在(zai)非常极端的少数领域。全陶瓷轴承分为(wei)带保(bao)持器(qi)(qi)及(ji)不带保(bao)持器(qi)(qi)的,不带保持(chi)器的(de)全陶瓷轴承(cheng)可以在极高(gao)的(de)温度下继续运行,全陶瓷轴承(cheng)具有(you)高(gao)度的(de)耐腐蚀性,可耐受(shou)大多数常见的(de)酸,它们在暴露于水或盐水中时不会腐蚀。
氮(dan)化硅全陶瓷轴承
全(quan)陶瓷轴承的(de)一些典型应用(yong)领域有核磁共振设备,高度真空(kong)环境(jing),半导(dao)体制造,放疗及其它(ta)需要抗腐(fu)蚀性、不导(dao)电或无磁性的应(ying)用环境(jing)。
如下是几款典型的全陶瓷(ci)轴(zhou)承的应用特(te)点
ZrO2全(quan)陶瓷轴(zhou)承 |
ZrO2全瓷轴承(cheng)具有(you)优良的耐(nai)(nai)高低(di)温、耐(nai)(nai)高压、耐(nai)(nai)腐(fu)蚀、抗磁绝缘、自润滑等性(xing)能(neng)。因此,它能(neng)够在特殊环(huan)境下工作。
不带(dai)保(bao)持器(qi)的氧(yang)化(hua)锆(gao)陶瓷轴承可(ke)以在高达400℃的环境中使用。
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Si3N4全陶瓷轴(zhou)承 |
Si3N4全(quan)瓷(ci)轴(zhou)承(cheng)(cheng)除了具(ju)有(you)ZrO2全(quan)瓷(ci)轴(zhou)承(cheng)(cheng)的(de)(de)所有(you)性能(neng)(neng)(neng)外,还具(ju)有(you)重量轻、耐磨性好(hao)、硬度高(gao)(gao)等(deng)特(te)点。与采用ZrO2材料(liao)的(de)(de)全(quan)瓷(ci)轴(zhou)承(cheng)(cheng)相(xiang)比,采用Si3N4材料(liao)的(de)(de)全(quan)瓷(ci)轴(zhou)承(cheng)(cheng)更(geng)适(shi)合(he)于高(gao)(gao)转(zhuan)速、高(gao)(gao)承(cheng)(cheng)载能(neng)(neng)(neng)力的(de)(de)轴(zhou)承(cheng)(cheng),并(bing)且能(neng)(neng)(neng)够(gou)抵抗(kang)比ZrO2材料(liao)更(geng)高(gao)(gao)的(de)(de)温度。此外,它具(ju)有(you)良好(hao)的(de)(de)高(gao)(gao)温强度、机械抗(kang)氧化能(neng)(neng)(neng)力、高(gao)(gao)温承(cheng)(cheng)载能(neng)(neng)(neng)力,并(bing)能(neng)(neng)(neng)够(gou)抵抗(kang)腐蚀性气体(ti)。
不带(dai)保持器的氧化锆陶瓷轴(zhou)承可以在(zai)高达(da)1100℃的环境中使用。 |
耐氢氟酸耐磨(mo)SiC陶瓷轴承 |
与其他(ta)类型的(de)(de)陶瓷(ci)材料(liao)相比,全陶瓷(ci)轴承碳化硅(gui)材料(liao)具有更(geng)(geng)高的(de)(de)耐(nai)化学腐蚀(shi)性、更(geng)(geng)好(hao)的(de)(de)强(qiang)度(du)(du)(du)、更(geng)(geng)高的(de)(de)硬(ying)度(du)(du)(du)、更(geng)(geng)高的(de)(de)耐(nai)磨性、低的(de)(de)摩(mo)擦性能,更(geng)(geng)适合(he)于最高温(wen)度(du)(du)(du)。
不带保持器(qi)的氧化(hua)锆陶瓷(ci)轴承(cheng)可以在高(gao)达(da)1400℃的环境中使用。 |
Al2O3 陶瓷轴承 |
氧化(hua)铝陶瓷轴(zhou)承(cheng)采(cai)用(yong)氧化(hua)铝含量为99%的氧化铝陶瓷。其滚动体也采用氧化铝陶瓷。
不带保持器的氧(yang)化铝陶瓷轴承可以(yi)在高(gao)达1400℃的环境中使用。 |
编(bian)辑:粉体(ti)圈Alpha
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