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试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，韧性也不是最高的，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试验和轴承试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 。
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试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，韧性也不是最高的，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试验和轴承试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 。
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