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行业技术|应用于轴承制造业的陶瓷材料特性

   更新日期:2017-03-26     来源:建材之家    作者:博一建材  浏览:226    评论:0    
核心提示:随着社会进步和科学技术的高速发展,轴承的使用环境和条件越来越多样化,对轴承的结构、材质和性能的要求也越来越高,一些高科技领域和某些特殊环境下工作的机械,如航空航天、核能、冶金、化工、石油、仪器、机械、电子、纺织、制药等工业,需要在高温、高速、高精度、真空、无磁性、无油润滑、强酸、强碱等特殊环境下工作。这些新的要求仅仅依靠对传统的金属轴承改进结构或改善润滑条件已经远远不能满足,必须开发新型材料,从根
博一建材讯:随着社会进步和科学技术的高速发展,轴承的使用环境和条件越来越多样化,对轴承的结构、材质和性能的要求也越来越高,一些高科技领域和某些特殊环境下工作的机械,如航空航天、核能、冶金、化工、石油、仪器、机械、电子、纺织、制药等工业,需要在高温、高速、高精度、真空、无磁性、无油润滑、强酸、强碱等特殊环境下工作。这些新的要求仅仅依靠对传统的金属轴承改进结构或改善润滑条件已经远远不能满足,必须开发新型材料,从根本上进行突破和创新。国内外研究发现某些陶瓷材料具有优异的性能,可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷的工作环境,并且又具有轴承材料所要求的全部重要特性,因此将陶瓷材料应用于轴承制造,已成为世界高新技术开发与应用的热点,成为机械工作材料技术革命的标志。

氮化硅陶瓷轴承主要用于4个方面:1、高速轴承;2、高温轴承;3、真空用轴承,4、腐蚀用轴承。氮化硅陶瓷轴承之所以能够在特殊环境和情况下工作,完全得益于氮化硅陶瓷的性能。氮化硅陶瓷使得陶瓷轴承具有以下优点:

1、高速

陶瓷材料的重量仅为同等钢材重量的40%,密度小这一特点,可实现轴承的轻量化和高速化,使得陶瓷轴承在高速旋转时能够抑制因离心力作用引起的滚动体载荷的增加和打滑,陶瓷轴承的转速是钢制轴承的1.3~1.5倍,其DN值可达300万,例如角接触球轴承,由于具有一定的接触角,其滚动体与滚道面之间会产生旋转滑动,当采用密度小的陶瓷滚动体时,不仅旋转滑动小,而且对轴承发热和表面损伤均起到有益的作用,对于航空航天飞行器也是非常有益的。

2、高钢性

氮化硅陶瓷的弹性模量比金属高得多,是金属的1.5倍,因而受力后的弹性变形小,相对载荷的刚性高,大约可提高刚度15%~20%,从而减轻了机床的振动。在高精密系统中获得了良好的应用价值,如超精密机床的主轴、高精度的航天轴承等。

3、长寿命

由于陶瓷材料位错少,迁移率低,且具有高的硬度,一般较金属的硬度要高1倍多,能够减少磨损,使得陶瓷轴承具有好的耐磨性。此外,氮化硅陶瓷的机械强度并不低,其抗拉强度和抗弯强度与金属相当;而抗压强度极高,大约是金属材料的5~7倍,尤其是在高温条件下,仍能保持高的强度和硬度,即使在1200℃时强度也基本保持不变,在有异物混入的情况下,陶瓷球很少产生剥落失效,因此,耐压痕性好的陶瓷轴承通常具有更长的寿命,一般较钢制轴承提高3~5倍。

4、低发热

由于氮化硅陶瓷材料的摩擦系数较小,大约是标准轴承钢的30%,所以与金属材料相比,氮化硅陶瓷的导热性能较差,因此陶瓷轴承工作时产生的热量较小,可延长润滑脂的寿命。

5、低热膨胀

氮化硅陶瓷的热膨胀系数大约是轴承钢的20%,因此陶瓷轴承随温度变化的尺寸变化量小,且产生的热预载较低,从而避免了过多的热量聚集成疲劳剥落失效,有益于在温度变化大的环境中使用。

6、耐蚀性

陶瓷性材料不活泼的化学特性,使陶瓷轴承具有一定的耐腐蚀性能,因此,陶瓷轴承可用于钢制轴承由于缺乏耐化学性而提前失效的所有应用场合,如化工机械设备、食品、海洋等部门使用的机械以及原子能设备中的应用。

7、无磁性

在强磁环境中,使用钢制轴承时,从轴承本身磨损下来的微粉被吸附在滚动体和滚道面之间,成为轴承提前剥落损坏、噪声增大的主要原因,由于陶瓷轴承是完全非磁性,且具有正常的承载能力,所以可用于需要完全非磁性轴承的场合。

8、绝缘性

陶瓷材料的常退电阻率比较高,可作为较好的绝缘材料,使轴承免遭电弧损伤。

总之,采用陶瓷材料制造轴承,可极大地扩展滚动轴承在各个领域的应用范围。目前世界各国研究、生产、销售陶瓷轴承的公司很多,但大多为混合轴承,即轴承滚动体为陶瓷材料,内外圈为钢制材料。我国在陶瓷轴承研究方面起步较晚,国家自八五开始将陶瓷球轴承研究与开发列入科技攻关项目,并注入了大量资金,一些科研院所和企业也做出了有益探索,取得了可喜的成果,但目前仍处于试验研究阶段。影响陶瓷材料在球轴承中广泛应用的主要原因是它的难加工性和过高的制造成本。山东临沂沂德钢球制造有限责任公司科研人员对陶瓷轴承球的研究方面取得了很大进展,加工速度较国内现有技术提高一倍以上,各项技术指标均达到或超过G5级标准要求。对我国陶瓷轴承实现产业化和商品化的进程可起到一定的推进作用。当然,陶瓷轴承的研究还处于初期,其研究远远没有结束,还需要在以下几方面进一步研究、探索:

一是研究适应范围更宽、润滑条件更恶劣条件下陶瓷轴承的滚动接触性能;

二是研究陶瓷轴承相关部件的结构配合设计,以及加工的可靠性和经济性;

三是陶瓷轴承相关部件无损检测方法和破坏预测的技术;

四是制定陶瓷轴承的检验标准等。

相信陶瓷轴承进入实用化阶段已为时不远,其应用前景十分广阔,甚至有人所预言的那样:陶瓷轴承今后会完全取代钢质轴承。

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