轴承产业化与高速轴承

目前，国内高速轴承普遍存在轴承钢球产生不同程度疲劳破坏问题，为了改善高速轴承性能以提高其疲劳寿命，国内外应用结构陶瓷来制造球体或其他轴承零件，可显著提高高速轴承的使用性能和寿命，其中氮化硅或氮化硅基陶瓷复合材料是制造轴承及其零件最理想的材料，并取得了很好的使用效果。

随着工业技术的高速发展，对轴承的要求也越来越高，轴承结构小型化，尺寸精密化，速度高速化，温度高温化，及对于高真空、防腐蚀等苛刻工况条件的满足也日益紧迫。采用钢质材料的轴承对于某些性能已无法满足，大量试验证明，高速环境下工作的精密轴承（转速在4×104r/min以上）中球是轴承中最薄弱的零件，大约60%～70%的高速轴承失效都是由于钢球产生不同程度的疲劳破坏所致［1］，目前，国内的高速轴承就普遍存在这个问题。为了改善高速轴承性能以提高其疲劳寿命，国内外应用结构陶瓷来制造球体或其他轴承零件，可显著提高高速轴承的使用性能和寿命，其中氮化硅或氮化硅基陶瓷复合材料是制造轴承及其零件最理想的材料，并取得了很好的使用效果［2］。

氮化硅陶瓷轴承的优越性能

高速运转性能

对一般轴承而言，当DN值在2.5×106以上，其滚动体的离心力便会随转速的升高

而急剧增大，轴承的滚动接触表面的滑动摩擦加剧，轴承的寿命就随着缩短。实验结果已证实：采用低密度的氮化硅陶瓷轴承在高速旋转时陶瓷滚动体产生的离心力大大低于钢质滚动体，使其对外环滚道的压力和交变载荷相应减少，与钢制轴承相比速度可提高30%～60%，温升降低30%～50%，并且不容易出现“抱轴”现象，其使用寿命比钢制轴承提高3～6倍；同时，滚动体的离心力大大减少，由于滚动体的离心力引起的高速打滑现象也大大降低，从而使滚动体、保持架组件的惯性力显著减少。

高温性能

温度变化对轴承的滚动疲劳寿命产生较大影响，通常作为耐热材料使用的M50钢制轴承在250℃时的额定寿命约为常温下的十分之一。而对于陶瓷轴承，由于陶瓷材料具有优异的高温性能，在高温工况下具有很好的滚动疲劳强度，试验结果证明，在1000℃高温下Si3N

4还保持相当高的抗弯强度，因此陶瓷轴承有较好的接触应力和较长的疲劳寿命。

化学稳定性

Si3N4对大多数酸，诸如盐酸（HCl）、硫酸（H2SO4）、硝酸（HNO3）和磷酸（H3P O4）以及碱，比如苛性纳溶液（NaOH）具有良好的耐化学稳定性。只有氢氟酸（HF）和盐酸、硝酸的混合液（HCl/ HNO3）能对Si3N4产生腐蚀。因此用Si3N4 做出的陶瓷轴承可长时间工作于腐蚀性的酸、碱、盐等溶液中，在化学工业或核动力工业，陶瓷轴承可替代化学稳定性差的钢质轴承，其平均寿命比不锈钢轴承高4～25倍。

与金属轴承材料相似的疲劳损坏方式

Si3N4陶瓷作为轴承材料除了以上优异性能外，更重要的是其疲劳损坏方式是非灾难

式的，而是与轴承钢金属材料相同的发生蚀坑或出现剥落。

优异的自润滑性能

Si3N4陶瓷材料本身具有减摩、抗磨、润滑功能，在不良的润滑工况条件如边界润滑、无

油干摩擦情况下，显示出优越的减摩自润滑性能，可以大大提高机器的工作可靠性和使用寿命，并能降低机器噪声，减少维护费用。

除此之外，陶瓷轴承是非磁性的，其绝缘性能也很好。表1列出了氮化硅陶瓷和其它陶瓷、钢质材料滚动体的特性及一些基本差别。

表1陶瓷材料与钢材料的基本性能对比

特性轴承钢GCr15 不锈钢9Cr18 Si3N4 ZrO2 Al2O3

质量密度d /(g/cm3) 7.85 7.90 3.20 6.00 3.95

热膨胀系数α/(10-6/K ) 10.0 17.0 3.2 10.5 8.5

弹性模量E/(GPa) 208 200 310 210 380

泊松比/μ 0.30 0.30 0.26 0.30 0.22

硬度/Hv10 800 700 1500～1800 1200 1800

抗弯强度σRT/(MPa) 2400 2600 800～1000 950～1200 300～500

断裂韧性KIC /(MPa.m-1/2) 20 25 7.0～8.0 10.0 3～4

热导率λ/(W/m.k) 30～40 15 35 2～3 30

比电阻/(Ωmm2/m) 0.1～1 0.75 1018 1015 1018

使用温度/（℃） 120 300 ≥800 550 --

耐酸碱腐蚀弱弱强强强

无润滑摩擦大大小小小

磁性有有无无无

运转离心力大大小较大中

运转温升高高低 -- --

绝缘性不绝缘不绝缘绝缘绝缘绝缘

应用领域

20世纪60年代以来，陶瓷轴承的应用迅速，美国诺顿公司在航天飞机的液压泵上运用了氮化硅陶瓷轴承，使其速度较前提高了50%~100%；SKF公司向美国宇航工业供应的陶瓷轴承已在800℃高温下使用。日本NSK、KOYO、NTK三大公司都竞相开发陶瓷轴承，目前NSK公司已把陶瓷轴承做成标准化系列产品，主要用于主轴上，日本的石川岛播重工将陶瓷轴承用于飞机发动机上。德国KGM工厂制造的氮化硅轴承以应用于高温、水、酸、碱等特殊介质及化工和印染设备上。进入九十年代，陶瓷轴承在超高速加工技术方面得已到了成功的应用，国际上机床主轴转速普遍达到了10000r/min以上，有的甚至达到了100000r/min。这些主轴系统大多采用电主轴形式，而其支撑普遍采用氮化硅陶瓷轴承。该种轴承已成为温升低、高速度、高硬度、长寿命的新一代高速轴承，国外超高速磨床均采用陶瓷轴承作主轴支撑。

产业化发展现状

陶瓷轴承可分为全陶瓷轴承和混合陶瓷轴承。全陶瓷轴承是指轴承全部由陶瓷材料组成。混合陶瓷轴承是指轴承中的一部分是由陶瓷材料构成，其余由轴承钢或不锈钢组成。混合陶瓷轴承又可分为三种: (1)滚动体是陶瓷材料而其余由轴承钢或不锈钢构成的轴承。(2)滚动体和外圈是陶瓷而其余是轴承钢或不锈钢的轴承。（3）滚动体和内圈是陶瓷材料而其他为轴承钢或不锈钢的轴承。通常所说的混合陶瓷轴承是指滚动体是陶瓷而套圈为轴承钢或不锈钢的轴承。

国外

陶瓷轴承的发展大体可分为三个阶段：20世纪60年代主要是探索哪种陶瓷适合作为轴承材料，研究者对各种陶瓷材料的性能进行了大量的试验研究。70年代进行的研究主要集中到氮化硅材料上，并取得了卓有成效的结果。进入80年代，对混合陶瓷轴承研究开发