随着现阶段(duan)科技的(de)(de)(de)不(bu)断进步与(yu)发(fa)展(zhan),对高(gao)速(su)机床(chuang)、精(jing)密(mi)检测(ce)仪(yi)器(qi)等(deng)(deng)许多(duo)设备的(de)(de)(de)工(gong)作(zuo)环境及(ji)使(shi)用要求越(yue)来越(yue)高(gao),要求这些机械(xie)设备必(bi)(bi)须具备高(gao)速(su)、高(gao)精(jing)度和(he)高(gao)可靠性等(deng)(deng)多(duo)种性能。为了满足高(gao)精(jing)密(mi)机械(xie)、石油化工(gong)、航空(kong)航天、军事(shi)国防(fang)等(deng)(deng)诸多(duo)领域(yu)的(de)(de)(de)发(fa)展(zhan)所需,机械(xie)零(ling)部(bu)件(jian)(jian)必(bi)(bi)须具有较(jiao)好的(de)(de)(de)耐热、不(bu)易腐(fu)蚀(shi)和(he)低磁等(deng)(deng)特(te)性,同时也必(bi)(bi)须能承(cheng)受(shou)较(jiao)大的(de)(de)(de)压力,而滚动轴承(cheng)作(zuo)为关键的(de)(de)(de)零(ling)部(bu)件(jian)(jian)之一,对其性能要求更高(gao)。但传统金属轴承(cheng)已(yi)无法适应现阶段(duan)极端严苛工(gong)作(zuo)条件(jian)(jian)下长期稳定运行的(de)(de)(de)工(gong)作(zuo)要求。与(yu)传统轴承(cheng)相比(bi),陶(tao)瓷轴承(cheng)具有使(shi)用寿命长、整体精(jing)度和(he)刚度高(gao)、转速(su)高(gao)、热稳定性好、绝缘以及(ji)无磁性等(deng)(deng)优异的(de)(de)(de)综合性能,在高(gao)温(wen)、高(gao)速(su)、高(gao)精(jing)度、强腐(fu)蚀(shi)、强磁场(chang)和(he)无润(run)滑等(deng)(deng)工(gong)作(zuo)条件(jian)(jian)下具有非常(chang)广阔的(de)(de)(de)应用前景。
传统金(jin)属轴承
陶(tao)瓷(ci)轴(zhou)承(cheng)(cheng)由陶(tao)瓷(ci)滚动体(ti)和内外圈组(zu)成(cheng),陶(tao)瓷(ci)滚动体(ti)性能(neng)的(de)好坏直接影响整个轴(zhou)承(cheng)(cheng)的(de)使用(yong)性能(neng),陶(tao)瓷(ci)滚动体(ti)选(xuan)用(yong)不同的(de)制(zhi)备材料(liao)对所得轴(zhou)承(cheng)(cheng)的(de)性能(neng)影响巨大(da)。目前,适用(yong)于陶(tao)瓷(ci)球制(zhi)备的(de)陶(tao)瓷(ci)材料(liao)有氮化(hua)硅(Si3N4)、氧(yang)化铝(Al2O3)、碳化硅(SiC)和氧化锆(ZrO2)等,而碳化(hua)硅和氧(yang)化(hua)铝的失效形式(shi)是以突然(ran)破碎的方式(shi)出现,不利于(yu)陶瓷轴承(cheng)平稳运(yun)行,因此陶瓷球轴承(cheng)一般采用氮化(hua)硅或氧(yang)化(hua)锆制成。
球轴承示意图
氮化硅(Si3N4)材料属于高强度人工晶体,俗称“陶瓷(ci)王(wang)”,具有密度(du)(du)小、硬(ying)度(du)(du)高、耐高温(wen)、耐腐(fu)蚀、电绝缘(yuan)、不导磁、抗压强度(du)(du)高、自润滑性(xing)能好(hao)等诸多特点。氮化硅密度(du)(du)大(da)约为(wei)轴(zhou)承(cheng)钢的42%,弹(dan)性(xing)模量高达310GPa,抗拉强度(du)(du)1600MPa,抗压强度(du)(du)高达3600MPa,900℃以下力学性(xing)能几乎不变,是轴(zhou)承(cheng)的理想材(cai)料之一。
氮化(hua)硅球(qiu)轴承
氧化锆(ZrO2)是锆的主要(yao)氧(yang)化(hua)物(wu)。通常条(tiao)件下,高(gao)纯(chun)氧(yang)化(hua)锆为(wei)(wei)白色粉(fen)末(mo),无(wu)臭无(wu)味(wei),化(hua)学性(xing)质(zhi)不活泼,难溶于(yu)水、盐酸和稀硝酸,对碱、碱熔体(ti)、玻(bo)璃(li)熔体(ti)和熔融金属具有(you)良好的稳(wen)定性(xing)。在(zai)金属氧(yang)化(hua)物(wu)材料中,氧(yang)化(hua)锆的高(gao)温稳(wen)定性(xing)、隔(ge)热(re)性(xing)能最好。氧(yang)化(hua)锆在(zai)常温下为(wei)(wei)绝缘体(ti),同时氧(yang)化(hua)锆陶瓷具有(you)耐磨性(xing)好、硬度大、脆性(xing)大等特(te)点。
氧化锆满(man)装球(qiu)轴(zhou)承(cheng)
下(xia)表为氧化锆陶(tao)(tao)瓷与氮化硅陶(tao)(tao)瓷的性能对比(bi)表:
氧化(hua)锆陶(tao)瓷与氮化(hua)硅陶(tao)瓷常见(jian)性能对比表
材料特(te)性 |
氧(yang)化锆 |
氮化硅(gui) |
密度(kg·m-3) |
5900 |
3250 |
弹性模量(liang)(GPa) |
205 |
310 |
抗(kang)压强度(du)(MPa) |
2000 |
>3500 |
断裂(lie)模量(MPa) |
600-900 |
700-1000 |
维氏硬度(GPa) |
10-13 |
14-18 |
韧性(MPa·m1/2) |
8-12 |
5-8 |
热(re)膨胀(zhang)系数(K-3·10-6) |
12 |
3.4 |
比热(J·kg-1·K-1) |
400 |
800 |
使(shi)用上限温度(℃) |
750 |
1050 |
抗(kang)冲击能(neng)力 |
中等(deng) |
高 |
滚动接触疲劳失(shi)效形(xing)式 |
剥落 |
剥(bo)落 |
由表我们可以得知氮化(hua)硅(gui)的密(mi)度(du)为氧化(hua)锆陶(tao)瓷的55.09%,其(qi)制(zhi)得(de)的(de)轴承重量轻,从而可(ke)以在医疗(liao)器械、家(jia)用(yong)电(dian)器、航(hang)天设备发动机以(yi)及赛车曲轴等领域(yu)使用。同时又(you)由(you)于(yu)其密度(du)小(xiao),这使(shi)得其用作滚动体(ti)时(shi),轴承旋转(zhuan)时(shi)受转(zhuan)动体(ti)作用产生的离心力减(jian)轻,从而有利于高速转动,这使得其可以应用(yong)在燃气涡轮发(fa)动机、机床主轴、离心分离器等领域。
轴承(cheng)在航空航天(tian)中的应用图(tu)(图(tu)片来源(yuan):山(shan)东(dong)省临清通(tong)联轴承(cheng)集团)
氮化硅(gui)的(de)弹(dan)性模量(liang)和抗(kang)压强度(du)也比(bi)氧化锆高,这(zhei)有利于轴承(cheng)承(cheng)受应(ying)力(li)的提(ti)高(gao);氮化硅的热膨胀系数(shu)相对(dui)于氧化锆的热(re)膨(peng)胀系数(shu)较小,这(zhei)有利于减小轴承(cheng)对温度(du)变化的(de)敏感性,使轴承工作速(su)率范(fan)围更宽(kuan);氮化硅的耐高温耐腐蚀及优良的化(hua)学稳(wen)定性,使(shi)得氮化(hua)硅陶瓷可以应用在更加高温以及像硫酸氢氧化(hua)钠等氧化(hua)锆无法应用的强酸碱场(chang)景。
氮化硅陶瓷(ci)轴(zhou)承(cheng)的应用(yong)场景图
尽管(guan)氮化(hua)硅(gui)陶瓷具有适(shi)应(ying)性强、性能优越的(de)特(te)点,但氮化(hua)硅(gui)陶瓷轴承的(de)成本较高。氧化(hua)锆材料与其他陶瓷材料(氮化(hua)硅(gui)等)相(xiang)比,制备工艺(yi)相对(dui)简单,坯体成本较(jiao)低,易于市(shi)场化应用,因此氧化锆(gao)陶瓷轴承可以应用(yong)(yong)于(yu)(yu)对使用(yong)(yong)性能要(yao)求(qiu)相对较(jiao)(jiao)低、成本要(yao)求(qiu)较(jiao)(jiao)低的场景。同时氧化锆(gao)的韧(ren)性比氮化硅高,有利于(yu)(yu)轴承的稳(wen)定使用(yong)(yong)。
氧化锆陶瓷轴承的应用场景(jing)图(tu)
参考文献:
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(2)超精度(du)高性能氮化硅轴承研究现状与应用(yong),吴承伟,张伟,李(li)东炬。
(3)典型氧(yang)化(hua)锆陶瓷零(ling)件的(de)加工实(shi)验研究,王(wang)宇。
(4)高精度(du)陶(tao)瓷(ci)球的性能评价方法及其应用研究,陈微。
(5)高性能氮化硅陶瓷的制备与应用新进展,吴庆(qing)文,胡丰(feng),谢志鹏。