国内外陶瓷球轴承的应用及市场

国内外陶瓷球轴承的应用及市场分析

一. 前言

滚动轴承由套圈，滚动体和保持器组成。由于套圈和滚动体接触点受到外加负荷和旋转的作用，因而反复产生接触压力和变形。由于钢制轴承自身材料性能特点，轴承失效的主要形式是疲劳剥落，疲劳寿命短，应用范围受到很大限制。而陶瓷材料（Si3N4）具有低密度，中等弹性模量，热膨胀系数小，硬度高，耐高温，耐腐蚀，无磁等优点，以氮化硅陶瓷球为滚动体的陶瓷球轴承可显著提高轴承接触疲劳寿命，极大拓展了滚动轴承的应用领域，已广泛应用于各种高精度、高转速机床，汽车、赛车、地铁、电机、航空发动机、石油化工机械、冶金机械等领域。目前，氮化硅陶瓷球和陶瓷球轴承已开始步入批量化生产阶段，特别在机床用高速精密主轴轴承和耐高温耐腐蚀轴承等领域应用前景广阔。

二. 氮化硅陶瓷材料性能

1. 低密度

由于陶瓷滚动体材料密度低，离心载荷小，从而可在更高转速下工作，而且产生热量较少。

2. 中等弹性模量

陶瓷滚动体的弹性模量比钢制滚动体高，则轴承的动态刚度提高，但是弹性模量太大会因应力集中而降低轴承的承载能力。

3. 热膨胀系数小

热膨胀系数小有助于减小对温度变化的敏感性，从而防止卡死。对混合滚子轴承，可适用的运转速度范围更宽。

4. 抗压强度高

抗压强度高是滚动轴承承受高接触应力的需要（对于陶瓷材料，其强度通常是通过三点或四点弯曲实验测得的断裂模量决定）。

5. 高硬度和高韧性

这两个特性相结合可获得较好的表面粗糙度，而且能防止外界硬质粒子和冲击的损伤。

6. 良好的抗滚动接触疲劳特性

此性能对轴承滚动体的要求至关重要。

7. 剥落失效形式

如果滚动体在工作中失效，则应是疲劳剥落，该实效形式在卡死前有预兆，是一种造成危害最小的实效形式。在一些应用条件较高的应用领域陶瓷材料还具备一些特殊性能。

8. 耐高温和稳定性

在高达800℃高温环境中能稳定保持其机械性能。

9. 耐腐蚀

在氧化和腐蚀环境，尤其是在反复滚动而挤掉表面油膜的接触区应具有抗氧化和腐蚀稳定性。

虽然氮化硅材料在工业陶瓷中不是最硬的，韧性也不最高的，但是在要求高性能的轴承应用中，氮化硅被认为具有最佳的机械物理综合特性。综合的滚动接触剥落实验和轴承实验均证明致密和均质的氮化硅材料具有良好的抗滚动接触疲劳特性。工业用氮化硅陶瓷材料和轴承钢的性能对比见表1 。

表1. 工业陶瓷和轴承钢的性能对比

氮化硅轴承钢

密度（Kg/m3） 3250 7800

杨氏模量（GPa） 310 210

抗压强度（MPa） >3500

断裂模量（MPa） 700－1000

维氏硬度（GPa） 14－18 8

韧性（MPa• m1/2） 5－8 16－20

热膨胀系数（×10-2/°K） 3 12

热传导率（W/mK） 20 30

比热（J/KgK） 800 450

使用上限温度（°K） 1050 400－600

抗热冲击高很高

滚动接触疲劳失效形式剥落剥落

三. 国内外陶瓷球轴承市场分析及展望

1. 国内市场

1.1 机床用陶瓷球轴承

机床用陶瓷球轴承主要应用在各种机床主轴和滚珠丝杠上。

机床用轴承指通用机床主轴、进给系统、传动系统轴承，各种高速大功率电主轴轴承、磨床磨头轴承以及各种数控机床、加工中心和加工自动线等所需轴承。此类轴承精度要求高，其精度为P2、P4、P5级。该类轴承技术含量高，加值高，性能稳定，使用寿命长，加工难度大。常规钢制轴承不能完全满足机床高转速和高精度的使用要求，而陶瓷球轴承则能很好的弥补这一缺陷。

1.1.1数控机床用陶瓷球轴承

数控机床包括数控车床、加工中心、数控磨床、电加工机床、数控锻压机床等，该类机床用角接触陶瓷球轴承一般用于dm•n≥80×104高精度、高速度主轴上。“十五”末期全国数控机床产量将达到3～3.5万台，其中数控车床10000台、加工中心3000台、数控磨床1500台、电加工机床10000台、数控锻压机床600台、数控重型机床100台，以每台数控机床主轴平均安装4套精密轴承及陶瓷球轴承计算，则精密轴承及陶瓷球轴承年需求量14万套。其中，陶瓷球轴承年需求量为4万套。

1.1.2 磨床电主轴用陶瓷球轴承

磨床电主轴主要用于高速内表面磨床，其精度和转速要求较高。“十五”末期，全国高频电主轴用精密轴承及陶瓷球轴承年需求量将达35万套，其中，陶瓷球轴承需求按50％计，则陶瓷球轴承年需求量为17.5万套。

1.1.3其他金属加工机床主轴用陶瓷球轴承

预计，2005年金属加工机床年产量为20～22万台，轴承总需求量为1650～1775万套，扣除数控机床及内表面磨床，其他金属加工机床约为18万台，以每台金属加工机床平均安装1套精密轴承及陶瓷球轴承计算，则精密轴承及陶瓷球轴承年需求量为18万套，其中，陶瓷球轴承年需求量为5万套。

1.1.4机床滚珠丝杠用陶瓷球轴承

滚珠丝杠用来传递线性运动，具有高精度、高轴向刚性、低力矩和长寿命的显著特点，广泛应用于精密机械设备中，是数控机床精密测量工具不可缺少的附件。

滚珠丝杠用陶瓷球轴承的精度和安装刚性是保证滚珠丝杠高精度高轴向刚性的重要因素。国内外滚珠丝杠采用的轴承结构通常为高精度角接触球轴承，该类轴承要求非常严格，要求达到ISO国际规范P4级以上，为提高轴承的轴向承载能力，通常采用60°的大接触角轴承。为达到极大的轴向刚性，最常见的是采用成组安装方式。

随着数控机床生产规模的扩大和数控机床社会保有量的增多，滚珠丝杠的社会需求量也随之增多。根据机床工具行业发展预测，我国滚珠丝杠1995年需求量为12万副，2000年为16万副，预计到2005年为20万副，每副滚珠丝杠配套精密轴承平均按4套计算，2005年国内滚珠丝杠用精密轴承需求量为80万套，按20％的比例采用陶瓷球轴承，则陶瓷球轴承年需求量为16万套。

因此，数控机床主轴、磨床电主轴、其它金属加工机床主轴和滚珠丝杠共需精密轴承及陶瓷球轴承147万套，其中，陶瓷球轴承42.5万套。

机床行业是装备工业的基础，是衡量国家综合经济实力的标志。根据机床行业“十五”规划目标，金属加工机床年产量将由2000年的16万台增加到2005年的20－22万台，其中数控机床将由2000年的2万台增加到3－3.5万台（根据近两年生产销售实际情况，数控机床的生产和销售将突破行业规划），占总产量的15％，国产机床的市场占有率达到60～65％；工业总产值由2000年的200亿元增加到2005年的230～250亿元。经分析计算预测，2005年金属加工机床共需配套轴承750～825万套，其中数控机床配套轴承150万套左右；2005年金属加工机床维修用轴承需求量900～950万套，其中数控机床维修用轴承180万套左右。因此，2005年金属加工机床用精密轴承和陶瓷球轴承总需求量1650～