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轴承是(shi)机械(xie)设(she)备中一种(zhong)及(ji)其(qi)(qi)重要的零(ling)部件(jian)，其(qi)(qi)主要功能是(shi)支撑机械(xie)旋转体，降低其(qi)(qi)运(yun)动时(shi)的摩擦系数，并保证其(qi)(qi)回转精度，其(qi)(qi)作用与人体关节相似，故素有“机械(xie)的关(guan)节(jie)”之(zhi)称。

轴(zhou)承的(de)(de)(de)(de)使用(yong)十分普遍，外(wai)露的(de)(de)(de)(de)内(nei)藏的(de)(de)(de)(de)，在许(xu)多你不(bu)知道的(de)(de)(de)(de)地方(fang)或许(xu)都(dou)有轴(zhou)承在默(mo)默(mo)发(fa)挥作用(yong)。不(bu)过随着工业技术的(de)(de)(de)(de)高速发(fa)展，下游(you)对(dui)轴(zhou)承的(de)(de)(de)(de)性(xing)能要求也越来越高，采用(yong)钢质材料(liao)的(de)(de)(de)(de)轴(zhou)承已经无法满足(zu)某(mou)些场合的(de)(de)(de)(de)需求，比如说水环境，就(jiu)是钢质(zhi)轴(zhou)承的大敌(di)。

什么轴承更适合(he)在(zai)液体中(zhong)使用？

直到上世(shi)纪80年代，轴(zhou)承(cheng)在水下(xia)的使(shi)用问题依旧让人很头疼，“有没有可(ke)在水下(xia)使(shi)用的轴(zhou)承(cheng)？”是当时轴(zhou)承(cheng)厂商收到最(zui)多的问题之一。

在当时(shi)，陶(tao)瓷轴承(cheng)(cheng)尚(shang)未出现，但许多(duo)领域(yu)的工作都需(xu)要(yao)在液(ye)体中执行，包括(kuo)近海设备建造(zao)、医药研(yan)究(jiu)和食(shi)品生产等。为了完(wan)成(cheng)工作，当时(shi)制(zhi)造(zao)商(shang)只能(neng)选(xuan)择带有不(bu)锈钢(gang)(gang)轴承(cheng)(cheng)的设备。尽管不(bu)锈钢(gang)(gang)具有出色的耐(nai)腐蚀性(xing)，但它始(shi)终是(shi)一(yi)种软金属，依旧(jiu)需(xu)要(yao)经常维护和更换，使用(yong)(yong)成(cheng)本高(gao)。因此为了提高(gao)轴承(cheng)(cheng)的使用(yong)(yong)寿命，从那时(shi)起多(duo)个制(zhi)造(zao)商(shang)便都致力于耐(nai)腐蚀轴承(cheng)(cheng)的研(yan)究(jiu)。

常(chang)用的(de)材料(liao)中，传统(tong)的(de)钢(gang)制轴(zhou)承(cheng)因(yin)环境相(xiang)容(rong)性不佳(jia)而无法使用；塑料(liao)轴(zhou)承(cheng)则因(yin)疲劳强度、抗蠕变性能差也不予考虑；而陶瓷材(cai)料为惰性(xing)材料(liao)，力学(xue)性(xing)能优秀且几乎不怕腐蚀，在液态环境(jing)中适(shi)应良(liang)好，是最(zui)可靠的选择。

氮(dan)化硅陶瓷的优势

要知(zhi)道，液(ye)态环境往(wang)往(wang)并不止有(you)普(pu)通(tong)的水，比如说在航天领域(yu)某污(wu)水回收(shou)处理(li)系统中，还需添加一定(ding)量(liang)的H₂SO₄和强氧化剂，用于抑(yi)制溶液中微(wei)生(sheng)物的增长，因此(ci)对轴承的耐腐蚀(shi)性能提出了(le)更高要求。

Si₃N₄对(dui)大多数酸，诸如盐(yan)酸(HCl)、硫酸(H₂SO₄)、硝酸(HNO₃)和磷酸(H₃PO₄)以及碱，比如(ru)苛性(xing)纳溶液(NaOH)具有(you)良好的耐化学稳(wen)定性(xing)。只有(you)氢氟酸(suan)(HF)和盐(yan)酸(suan)、硝酸(suan)的混合液(HCl/HNO₃)能对(dui)Si₃N₄产生(sheng)腐(fu)蚀(shi)。因此(ci)用(yong)Si₃N₄做出的陶(tao)瓷(ci)轴(zhou)(zhou)承(cheng)可(ke)长时间工(gong)(gong)作(zuo)于腐蚀性(xing)的酸、碱、盐等溶液中，在化(hua)学(xue)工(gong)(gong)业或(huo)核动力(li)工(gong)(gong)业，陶(tao)瓷(ci)轴(zhou)(zhou)承(cheng)可(ke)替代化(hua)学(xue)稳定性(xing)差的钢(gang)质轴(zhou)(zhou)承(cheng)，其(qi)平均(jun)寿命比不(bu)锈(xiu)钢(gang)轴(zhou)(zhou)承(cheng)高4~2 5倍(bei)。

氮化硅(gui)陶瓷轴(zhou)承

不(bu)过单(dan)纯(chun)耐(nai)腐蚀是不(bu)够的(de)，轴(zhou)承的(de)服役寿命和性能同样很(hen)重(zhong)要，在(zai)这些(xie)方面(mian)有(you)着“陶瓷王”称号(hao)的Si₃N₄材料同样优势突(tu)出，或者说根本不算什么(me)问(wen)题——它不仅耐(nai)腐蚀，而且还具(ju)有(you)密度(du)小(xiao)、硬度(du)高(gao)、耐(nai)高(gao)温、电(dian)绝(jue)缘、不导磁、抗压强(qiang)度(du)高(gao)、自(zi)润滑性(xing)能好(hao)等(deng)诸多特(te)点，因(yin)此作(zuo)为(wei)轴承材(cai)料(liao)时(shi)具(ju)有(you)下方等(deng)诸多优势(shi)：

1.高(gao)速(su)运转性(xing)能

对一般轴承而言，当速度因数(shu)DN值在(zai)2.5×10⁶以(yi)上，其(qi)滚(gun)动(dong)体(ti)(ti)的离心(xin)力(li)便(bian)会随(sui)转(zhuan)速(su)(su)的升高而急剧(ju)增大(da)，轴(zhou)承(cheng)的滚(gun)动(dong)接(jie)触表(biao)面(mian)的滑动(dong)摩擦加剧(ju)，轴(zhou)承(cheng)的寿命就(jiu)随(sui)着(zhe)缩短。但由(you)于氮化硅陶(tao)瓷轴(zhou)承(cheng)的密度较低，它在(zai)高速(su)(su)旋转(zhuan)时陶(tao)瓷滚(gun)动(dong)体(ti)(ti)产生的离心(xin)力(li)大(da)大(da)低于钢质滚(gun)动(dong)体(ti)(ti)，使其(qi)对外环滚(gun)道的压(ya)力(li)和交变(bian)载荷(he)相(xiang)应(ying)减(jian)少，与钢制轴(zhou)承(cheng)相(xiang)比速(su)(su)度可提(ti)高30%~60%，温(wen)升降低30%~50%，并且不容易(yi)出现(xian)(xian)“抱轴”现(xian)(xian)象，其使(shi)(shi)用寿命比钢制轴承提(ti)高3~6倍；同时(shi)，滚(gun)(gun)动(dong)(dong)(dong)体(ti)(ti)(ti)的(de)(de)离心(xin)力大大减少，由于滚(gun)(gun)动(dong)(dong)(dong)体(ti)(ti)(ti)的(de)(de)离心(xin)力引起的(de)(de)高速(su)打滑现(xian)(xian)象也(ye)大大降低，从而使(shi)(shi)滚(gun)(gun)动(dong)(dong)(dong)体(ti)(ti)(ti)、保持架组(zu)件的(de)(de)惯性力显著减少。

2.高(gao)温性能(neng)

温度变化对轴承的滚动疲(pi)劳寿命会产生较大影响，通(tong)常作为耐热材(cai)料(liao)使用的M50钢制轴(zhou)承在250℃时的(de)额定寿命约为(wei)常温下(xia)的(de)1/10。而对(dui)于陶(tao)瓷轴(zhou)承，由于陶(tao)瓷材料具(ju)有优异(yi)的(de)高温性能，在高温工况下(xia)具(ju)有很好的(de)滚(gun)动(dong)疲劳强(qiang)度，试验(yan)结(jie)果表明(ming)，在1000℃高温下(xia)Si₃N₄还保持(chi)相当(dang)高的抗弯强度，因此陶瓷(ci)轴承(cheng)有较(jiao)好的接触(chu)应(ying)力(li)和较(jiao)长的疲劳寿命。

3.与金属轴承(cheng)材(cai)料相似的疲劳损坏方式

Si₃N₄陶(tao)瓷(ci)作为(wei)轴(zhou)承材料(liao)除了以上优异性(xing)能外(wai)，更重要的(de)是其疲劳(lao)损坏方式是非(fei)灾难式的(de)，与(yu)轴(zhou)承钢金属材料(liao)类似是发生(sheng)蚀(shi)坑或(huo)出现(xian)剥落，而氧化(hua)(hua)铝(lv)、氧化(hua)(hua)锆与(yu)碳化(hua)(hua)硅(gui)陶(tao)瓷(ci)球(qiu)的(de)失效形式为(wei)碎料(liao)。另外(wai)，氮化(hua)(hua)硅(gui)陶(tao)瓷(ci)球(qiu)的(de)表面(mian)气孔(kong)数量(liang)、气孔(kong)尺寸、气孔(kong)分布均匀性(xing)、氮化(hua)(hua)硅(gui)陶(tao)瓷(ci)球(qiu)表面(mian)粗糙(cao)度(du)、氮化(hua)(hua)硅(gui)陶(tao)瓷(ci)球(qiu)残余应力及润滑条件均对(dui)氮化(hua)(hua)硅(gui)陶(tao)瓷(ci)球(qiu)滚动接(jie)触疲劳(lao)强度(du)有(you)较大影响。

4.优(you)异的(de)自(zi)润滑性(xing)能

Si₃N₄陶瓷材料本身具(ju)有减摩(mo)、抗磨(mo)、润(run)滑功(gong)能(neng)，在不良的(de)润(run)滑工况条件如边界润(run)滑、无油干摩(mo)擦情况下，显示出优越的(de)减摩(mo)自润(run)滑性能(neng)，可以大大提高机器的(de)工作(zuo)可靠性和使(shi)用(yong)寿命(ming)，并能(neng)降低机器噪声(sheng)，减少维护费用(yong)。

5.非(fei)磁(ci)性且绝(jue)缘(yuan)

在强(qiang)磁(ci)(ci)环境(jing)中，使用钢制轴(zhou)承时，从轴(zhou)承本身磨损下来的微粉被吸附在滚动体和滚道面(mian)之(zhi)间，成(cheng)为轴(zhou)承提前剥落(luo)损坏、噪声增大的主(zhu)要原因。不过氮化硅轴(zhou)承是(shi)完全(quan)非磁(ci)(ci)性(xing)，其绝缘(yuan)性(xing)能也很(hen)好(hao)，而且具有很(hen)好(hao)的承载能力(li)，因此(ci)可用于(yu)需要完全(quan)非磁(ci)(ci)性(xing)轴(zhou)承的场合。

结语

虽(sui)说文章(zhang)的(de)(de)主(zhu)题是探讨(tao)氮(dan)化(hua)硅(gui)陶瓷(ci)轴(zhou)(zhou)承(cheng)为何在(zai)水中会有如此(ci)大的(de)(de)优势，但显然(ran)它们的(de)(de)优势并(bing)不止于此(ci)，在(zai)许多其(qi)他领域也同样收获了高(gao)度的(de)(de)评价。比如说强(qiang)度高(gao)、高(gao)转(zhuan)速(su)的(de)(de)特(te)点，使得(de)氮(dan)化(hua)硅(gui)陶瓷(ci)轴(zhou)(zhou)承(cheng)已被(bei)广(guang)泛应用于机床主(zhu)轴(zhou)(zhou)，而由于其(qi)无油(you)和不会产(chan)生废料的(de)(de)特(te)点，也使其(qi)被(bei)众(zhong)多半导体(ti)(ti)制造商所采用，称得(de)上一句前途无限。如果您对(dui)此(ci)感兴(xing)趣的(de)(de)话，欢(huan)迎(ying)关注(zhu)粉体(ti)(ti)圈即将在(zai)9月14-15日于广州举办的“2021年全(quan)国氮化物粉体与陶瓷创新(xin)发展论(lun)坛(tan)”，更(geng)多相关话(hua)题等(deng)您讨论(lun)！

资料来源：

陶瓷(ci)轴承凸显优势绿动未来，李进卫。

氮化硅陶瓷轴承研(yan)发现状(zhuang)及产(chan)业化对策，张伟儒(ru)，陈波。

氮化(hua)硅(gui)全陶瓷滚动(dong)轴(zhou)承(cheng)在酸(suan)性水溶液中的动(dong)态腐蚀磨损行为，苏柏万，辛士红，马越，丁平，曾(ceng)宇平。

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