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轴承(cheng)是(shi)(shi)机械设(she)备(bei)中(zhong)一种(zhong)及其(qi)(qi)重要(yao)的(de)零部件(jian)，其(qi)(qi)主(zhu)要(yao)功能是(shi)(shi)支撑机械旋转(zhuan)体(ti)(ti)，降低其(qi)(qi)运动(dong)时的(de)摩擦(ca)系(xi)数，并保(bao)证其(qi)(qi)回(hui)转(zhuan)精度(du)，其(qi)(qi)作用与人体(ti)(ti)关(guan)节(jie)相(xiang)似(si)，故(gu)素有“机械的关节”之称。

轴(zhou)承的(de)使用十(shi)分普遍，外(wai)露的(de)内藏的(de)，在许多你不知道的(de)地方或(huo)许都有轴(zhou)承在默默发(fa)挥作用。不过随(sui)着(zhe)工(gong)业(ye)技(ji)术(shu)的(de)高(gao)速发(fa)展，下(xia)游对(dui)轴(zhou)承的(de)性能要(yao)求(qiu)也越来越高(gao)，采用钢质(zhi)材料(liao)的(de)轴(zhou)承已经(jing)无法满足某些场合(he)的(de)需(xu)求(qiu)，比如(ru)说水环境，就(jiu)是钢(gang)质轴承的(de)大敌。

什(shen)么轴承更适合在液体中使用？

直到上世纪(ji)80年代，轴承(cheng)在水下(xia)(xia)的使用问题依旧让人很头疼(teng)，“有(you)没有(you)可在水下(xia)(xia)使用的轴承(cheng)？”是当时轴承(cheng)厂商收到最(zui)多的问题之一。

在当(dang)时，陶瓷轴承尚未(wei)出(chu)现，但许多领域的(de)工作(zuo)都需(xu)要在液体(ti)中执(zhi)行，包括近海设备(bei)(bei)建造(zao)、医(yi)药(yao)研究和食品生产等(deng)。为了完成工作(zuo)，当(dang)时制(zhi)造(zao)商(shang)只能选择带(dai)有(you)(you)不锈钢轴承的(de)设备(bei)(bei)。尽管不锈钢具有(you)(you)出(chu)色的(de)耐腐(fu)蚀(shi)性，但它始终是一种软(ruan)金属，依(yi)旧需(xu)要经常(chang)维护和更换，使(shi)用(yong)成本高。因此为了提高轴承的(de)使(shi)用(yong)寿命，从那时起多个制(zhi)造(zao)商(shang)便都致力(li)于耐腐(fu)蚀(shi)轴承的(de)研究。

常用(yong)的(de)材(cai)料(liao)中，传(chuan)统的(de)钢(gang)制轴(zhou)承(cheng)因(yin)环境(jing)相(xiang)容性不佳而无法使用(yong)；塑料(liao)轴(zhou)承(cheng)则因(yin)疲劳(lao)强度、抗蠕变性能差也(ye)不予考虑；而陶瓷(ci)材料为(wei)惰性材(cai)料，力学性能(neng)优秀且几乎(hu)不(bu)怕腐(fu)蚀(shi)，在液(ye)态环境中适(shi)应良好，是最(zui)可靠的(de)选择(ze)。

氮化(hua)硅(gui)陶瓷的优(you)势

要知道(dao)，液态环境往(wang)往(wang)并不止有普通的(de)水，比如说在航天领域某污(wu)水回收处理系(xi)统中(zhong)，还需添加(jia)一(yi)定(ding)量(liang)的(de)H₂SO₄和强氧化剂(ji)，用于(yu)抑制溶液中微生物的(de)增(zeng)长，因此对轴承的(de)耐腐蚀性能提出了更高要求。

Si₃N₄对大多数酸，诸(zhu)如盐(yan)酸(HCl)、硫(liu)酸(H₂SO₄)、硝酸(suan)(HNO₃)和磷酸(H₃PO₄)以(yi)及碱，比如苛性纳溶液(NaOH)具有(you)良好的(de)耐化(hua)学稳定性。只有(you)氢氟酸(HF)和盐酸、硝酸的(de)混合液(HCl/HNO₃)能对Si₃N₄产生腐蚀(shi)。因此用Si₃N₄做出的(de)陶瓷轴(zhou)承(cheng)可(ke)长时(shi)间工(gong)作于(yu)腐蚀性(xing)的(de)酸、碱(jian)、盐等溶液中(zhong)，在化(hua)学(xue)工(gong)业或(huo)核动力工(gong)业，陶瓷轴(zhou)承(cheng)可(ke)替代化(hua)学(xue)稳定性(xing)差的(de)钢质(zhi)轴(zhou)承(cheng)，其平(ping)均寿命比不锈钢轴(zhou)承(cheng)高4~2 5倍。

氮化硅陶瓷(ci)轴承

不过单纯耐(nai)腐(fu)蚀(shi)是(shi)不够的，轴(zhou)承的服役(yi)寿命和性能同样很重要，在这(zhei)些方面(mian)有着“陶瓷王(wang)”称号的(de)Si₃N₄材(cai)料同样优势突出(chu)，或者说根本不算(suan)什么问题(ti)——它(ta)不(bu)仅耐腐蚀，而且还具有密度(du)小、硬度(du)高(gao)、耐高(gao)温(wen)、电(dian)绝缘、不(bu)导磁、抗压强(qiang)度(du)高(gao)、自润(run)滑性能好(hao)等诸多特(te)点，因此作为(wei)轴承材(cai)料时具有下方等诸多优(you)势：

1.高速运(yun)转性(xing)能

对一般轴承而(er)言，当(dang)速(su)度因数DN值在2.5×10⁶以上(shang)，其(qi)滚(gun)动(dong)(dong)体的(de)(de)(de)(de)(de)离心力便会随转速的(de)(de)(de)(de)(de)升高而急(ji)剧增大(da)，轴(zhou)承(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)滚(gun)动(dong)(dong)接触表面的(de)(de)(de)(de)(de)滑动(dong)(dong)摩擦加剧，轴(zhou)承(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)寿(shou)命就(jiu)随着缩短(duan)。但由于(yu)氮化硅陶(tao)瓷轴(zhou)承(cheng)的(de)(de)(de)(de)(de)密度(du)较低，它在高速旋转时陶(tao)瓷滚(gun)动(dong)(dong)体产生的(de)(de)(de)(de)(de)离心力大(da)大(da)低于(yu)钢质滚(gun)动(dong)(dong)体，使其(qi)对外环(huan)滚(gun)道的(de)(de)(de)(de)(de)压力和交变载荷相(xiang)(xiang)应减少，与钢制(zhi)轴(zhou)承(cheng)相(xiang)(xiang)比速度(du)可提高30%~60%，温(wen)升(sheng)降低30%~50%，并且不容易出现(xian)“抱轴(zhou)”现(xian)象，其使用寿命比钢制(zhi)轴(zhou)承提高(gao)3~6倍；同时，滚(gun)动(dong)体的(de)离心(xin)力(li)大(da)(da)大(da)(da)减少，由于滚(gun)动(dong)体的(de)离心(xin)力(li)引起的(de)高(gao)速打(da)滑(hua)现(xian)象也大(da)(da)大(da)(da)降低，从(cong)而使滚(gun)动(dong)体、保持架组件的(de)惯性力(li)显著(zhu)减少。

2.高温性能

温度变(bian)化对轴(zhou)承的(de)滚动疲劳(lao)寿(shou)命会(hui)产生较(jiao)大影(ying)响，通常作为(wei)耐热材料(liao)使(shi)用的(de)M50钢制轴承在250℃时(shi)的(de)额定寿命(ming)约为常温(wen)下的(de)1/10。而(er)对(dui)于(yu)陶(tao)(tao)瓷轴承，由于(yu)陶(tao)(tao)瓷材料具有优异的(de)高(gao)温(wen)性能，在高(gao)温(wen)工况下具有很好的(de)滚(gun)动(dong)疲劳(lao)强度(du)，试验(yan)结(jie)果表明，在1000℃高(gao)温(wen)下Si₃N₄还保(bao)持相当高的(de)抗弯强(qiang)度(du)，因此陶瓷(ci)轴承有较好(hao)的(de)接触应力和较长的(de)疲劳寿命。

3.与金属轴承材料相似的疲(pi)劳(lao)损坏方式

Si₃N₄陶瓷作为轴承材(cai)料除了以上(shang)优异性能外，更重要的是其疲(pi)劳损坏(huai)方式是非灾(zai)难式的，与轴承钢金属(shu)材(cai)料类似是发生蚀坑或出(chu)现剥(bo)落，而(er)氧化(hua)铝(lv)、氧化(hua)锆与碳化(hua)硅(gui)(gui)陶瓷球(qiu)的失效形式为碎(sui)料。另外，氮(dan)化(hua)硅(gui)(gui)陶瓷球(qiu)的表面气孔数量、气孔尺寸、气孔分布均(jun)匀性、氮(dan)化(hua)硅(gui)(gui)陶瓷球(qiu)表面粗糙度、氮(dan)化(hua)硅(gui)(gui)陶瓷球(qiu)残余应力及润滑条(tiao)件均(jun)对氮(dan)化(hua)硅(gui)(gui)陶瓷球(qiu)滚(gun)动接触疲(pi)劳强度有较(jiao)大影响。

4.优异的自润滑性能

Si₃N₄陶瓷材料(liao)本(ben)身(shen)具有减(jian)(jian)摩、抗磨、润滑(hua)功能(neng)(neng)，在不良(liang)的润滑(hua)工况条件如(ru)边界润滑(hua)、无油干摩擦(ca)情况下，显示出优越的减(jian)(jian)摩自润滑(hua)性能(neng)(neng)，可以大大提高机器的工作可靠性和使(shi)用寿命(ming)，并能(neng)(neng)降(jiang)低(di)机器噪声，减(jian)(jian)少维(wei)护费(fei)用。

5.非磁性且绝缘(yuan)

在(zai)强磁环境中，使(shi)用钢(gang)制轴(zhou)承(cheng)时，从轴(zhou)承(cheng)本身(shen)磨(mo)损下来的微粉被吸附在(zai)滚(gun)动体和(he)滚(gun)道面之间，成为轴(zhou)承(cheng)提前剥落损坏、噪(zao)声增(zeng)大的主要原因(yin)。不过氮化硅(gui)轴(zhou)承(cheng)是完全(quan)非磁性，其(qi)绝缘性能(neng)也(ye)很(hen)好，而且具有很(hen)好的承(cheng)载能(neng)力，因(yin)此可用于需(xu)要完全(quan)非磁性轴(zhou)承(cheng)的场合。

结语

虽说(shuo)文章的(de)主(zhu)(zhu)题(ti)是探讨氮(dan)(dan)化硅陶瓷轴(zhou)(zhou)承(cheng)为何(he)在水(shui)中会有(you)如(ru)此(ci)(ci)大的(de)优势，但显然它们(men)的(de)优势并不止于(yu)此(ci)(ci)，在许(xu)多(duo)其他领域也(ye)同样收获了高(gao)度的(de)评(ping)价(jia)。比(bi)如(ru)说(shuo)强(qiang)度高(gao)、高(gao)转速的(de)特点(dian)，使(shi)得(de)氮(dan)(dan)化硅陶瓷轴(zhou)(zhou)承(cheng)已被(bei)广泛应(ying)用于(yu)机床主(zhu)(zhu)轴(zhou)(zhou)，而由于(yu)其无油和不会产生废料(liao)的(de)特点(dian)，也(ye)使(shi)其被(bei)众(zhong)多(duo)半导体制(zhi)造(zao)商所采用，称得(de)上一(yi)句(ju)前途无限。如(ru)果您对此(ci)(ci)感兴趣的(de)话，欢迎关注粉(fen)体圈即将在9月(yue)14-15日于广州举办(ban)的“2021年(nian)全国氮(dan)化物(wu)粉(fen)体与(yu)陶瓷(ci)创新发(fa)展(zhan)论坛”，更多相关话题等您(nin)讨(tao)论！

资料来源：

陶瓷轴承(cheng)凸显优(you)势绿动(dong)未(wei)来，李进(jin)卫。

氮化硅陶瓷轴承(cheng)研(yan)发现(xian)状及产(chan)业(ye)化对策，张伟儒，陈波。

氮化硅全陶(tao)瓷滚动轴承在(zai)酸性水溶液中(zhong)的动态腐蚀(shi)磨损行为，苏柏万，辛士(shi)红，马越，丁平(ping)，曾宇(yu)平(ping)。

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