李 婷

(湖北武漢風(fēng)神化工材料供應(yīng)公司,武漢 430055)

陶瓷軸承應(yīng)用開啟藍(lán)海 產(chǎn)業(yè)競爭發(fā)展風(fēng)頭正勁

李 婷

(湖北武漢風(fēng)神化工材料供應(yīng)公司,武漢 430055)

摘要:陶瓷材料具有密度小、彈性模量高、線脹系數(shù)小、耐磨、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能，成為制造高速精密軸承的理想材料，并且受到了越來越廣泛的應(yīng)用。根據(jù)陶瓷軸承的功能及其應(yīng)用領(lǐng)域，介紹了陶瓷軸承的主要類型及性能特點(diǎn)，論述了國內(nèi)外陶瓷軸承的產(chǎn)業(yè)及市場前景，指出了陶瓷軸承技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞:陶瓷軸承;應(yīng)用特點(diǎn);產(chǎn)業(yè)發(fā)展

伴隨著數(shù)控機(jī)床主軸向高速化發(fā)展，軸承應(yīng)用范圍越來越廣，對(duì)軸承的適應(yīng)性要求也越來越高，尤其是在一些特殊工作環(huán)境下，金屬軸承無法適應(yīng)需求，甚至完全無法工作，而陶瓷材料(主要指Si3N4工程陶瓷)因具有密度小、彈性模量高、線脹系數(shù)小、耐磨、耐高溫、耐腐蝕等優(yōu)良性能，成為制造高速精密軸承的理想材料，并且受到了越來越廣泛的應(yīng)用。

1陶瓷軸承的功能及其應(yīng)用領(lǐng)域

隨著社會(huì)進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的高速發(fā)展，軸承的使用環(huán)境和條件越來越多樣化，對(duì)軸承的結(jié)構(gòu)、材質(zhì)和性能的要求也越來越高，一些高科技領(lǐng)域和某些特殊環(huán)境下工作的機(jī)械，如航空航天、核能、冶金、化工、石油、儀器、機(jī)械、電子、紡織、制藥等工業(yè)，需要在高溫、高速、高精度、真空、無磁性、無油潤滑、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿等特殊環(huán)境下工作。這些新的要求僅僅依靠對(duì)傳統(tǒng)的金屬軸承改進(jìn)結(jié)構(gòu)或改善潤滑條件已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足，必須開發(fā)新型材料，從根本上進(jìn)行突破和創(chuàng)新，陶瓷軸承不可或缺的替代作用正在被人們逐漸地認(rèn)識(shí)。陶瓷軸承具有耐高溫、耐寒、耐磨、耐腐蝕、抗磁電絕緣、無油自潤滑、高轉(zhuǎn)速等特性，應(yīng)用領(lǐng)域有醫(yī)療器械、低溫工程、光學(xué)儀器、高速機(jī)床、高速電機(jī)、印刷機(jī)械、食品加工機(jī)械等?？捎糜跇O度惡劣的環(huán)境及特殊工況，可廣泛應(yīng)用于航空、航天、航海、石油、化工、汽車、電子設(shè)備，冶金、電力、紡織、泵類、醫(yī)療器械、科研和國防軍事等領(lǐng)域，是新材料應(yīng)用的高科技產(chǎn)品。近十多年來，在國計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域中得到了日益廣泛的應(yīng)用。國內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)某些陶瓷材料具有優(yōu)異的性能，可以承受金屬材料和高分子材料難以勝任的嚴(yán)酷的工作環(huán)境，并且又具有軸承材料所要求的全部重要特性，因此將陶瓷材料應(yīng)用于軸承制造，已成為世界高新技術(shù)開發(fā)與應(yīng)用的熱點(diǎn)，成為機(jī)械工作材料技術(shù)革命的標(biāo)志。陶瓷軸承作為一種重要的機(jī)械基礎(chǔ)件，由于其具有金屬軸承所無法比擬的優(yōu)良性能，在新材料世界獨(dú)領(lǐng)風(fēng)騷。

陶瓷軸承具有質(zhì)量輕、耐高溫、耐腐蝕、無磁、絕緣、剛性高、高速使用離心力小、運(yùn)轉(zhuǎn)溫升低等優(yōu)良特性，能用于高速、高溫、腐蝕性介質(zhì)等許多鋼制軸承無法滿足要求的特殊場合。隨著陶瓷制造技術(shù)的發(fā)展，陶瓷軸承有如下的典型應(yīng)用領(lǐng)域。

高速領(lǐng)域：一般認(rèn)為，在軸承dm·n值低于2×106mm.r.min-1外圈接觸應(yīng)力低于2000MPa時(shí)，使用鋼制軸承能夠滿足要求；在軸承dm·n值要求更高特別是軸承外圈接觸應(yīng)力高2000MPa，由于鋼軸承的強(qiáng)度極限低于一定的接觸應(yīng)力，只有陶瓷球軸承才能滿足極高速度的要求；隨著陶瓷球制造成本的降低，陶瓷球軸承設(shè)計(jì)優(yōu)化，軸承潤滑方面的因素，使陶瓷軸承的應(yīng)用速度范圍向較低的轉(zhuǎn)速特性值dm·n方向推進(jìn)。

機(jī)床主軸軸承：加工機(jī)床特別是加工中心，以提高加工效率和加工精度為目的而要求高速化，陶瓷軸承的應(yīng)用使機(jī)床主軸軸承的轉(zhuǎn)速特性值dm·n值油氣潤滑條件下達(dá)到2×106mm.r.min-1以上、脂潤滑條件下達(dá)到1×106mm.r.min-1而且摩擦特性、溫升特性、剛度等得到極大改善，在機(jī)床主軸中廣泛應(yīng)用。

極限溫度環(huán)境：一是高溫軸承。全陶瓷軸承采用固體潤滑，可在500～1000℃下可靠工作，如烘箱和熱處理設(shè)備軸承等，熔融鹽及熔融金屬設(shè)備軸承等。混合陶瓷軸承可使軸承在200～400℃下長期工作，如熱風(fēng)裝置軸承，外球面軸承座及外球面軸承等；二是低溫軸承：利用陶瓷良好的摩擦特性，用于低溫環(huán)境，在-180℃以下穩(wěn)定工作，如液氧泵軸承。

腐蝕環(huán)境：利用陶瓷良好的耐腐蝕特性，使得陶瓷軸承可以用于多種腐蝕環(huán)境，在腐蝕環(huán)境下長時(shí)間工作。如化工設(shè)備、食品加工設(shè)備、自行車等室外運(yùn)動(dòng)裝備等。

絕緣、磁性環(huán)境：利用陶瓷的絕緣和非磁性特性，陶瓷軸承用于電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)等存在電蝕的場合，以及用于存在磁性需要軸承良好轉(zhuǎn)動(dòng)的場合。如電力機(jī)車、風(fēng)電設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備等，日本KOYO公司開發(fā)了內(nèi)徑12～75mm的防止電蝕(絕緣)電機(jī)專用混合陶瓷軸承。

航空航天領(lǐng)域：隨著各國對(duì)航空航天器向尖端方向發(fā)展，航空航天器的工作條件越來越苛刻，有些場合金屬材料已經(jīng)不能滿足要求，甚至不能使用，各國已經(jīng)在航空航天領(lǐng)域較多的采用陶瓷軸承，如飛機(jī)燃?xì)廨啓C(jī)主軸軸承，宇航裝備軸承等。

綜上所述，陶瓷軸承的應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，有廣闊的發(fā)展空間和前景。

高性能陶瓷軸承是針對(duì)國防工業(yè)中惡劣環(huán)境用的調(diào)整、低溫、重載、無潤滑工況開發(fā)的，技術(shù)含量很高，高性能陶瓷軸承是新材料、新工藝、新結(jié)構(gòu)的完美結(jié)合。后來轉(zhuǎn)化為民用技術(shù),經(jīng)過適當(dāng)開發(fā)，使用領(lǐng)域可以完全覆蓋現(xiàn)在的精密、中速以上全鋼軸承的所有應(yīng)用領(lǐng)域，性能價(jià)格比遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于全鋼軸承，壽命可比現(xiàn)在使用的軸承壽命提高3倍以上，節(jié)省大量的停機(jī)檢修時(shí)間，廢品降低、庫存軸承備件減少等；由于技術(shù)含量高，不可能仿冒，投資風(fēng)險(xiǎn)小。

時(shí)下,各類電機(jī)廣泛采用陶瓷軸承技術(shù),精密陶瓷軸承堪稱從制造材質(zhì)方面對(duì)軸承進(jìn)行改進(jìn)的杰作。采用陶瓷材料粉末精密加工而成的軸芯,得益于精密陶瓷材料高強(qiáng)度、高硬度、耐高溫的特點(diǎn),大幅延長了軸承使用壽命。精密陶瓷軸承在各種小型電機(jī)中得到廣泛應(yīng)用,典型代表有直流風(fēng)扇、小型水泵、光存儲(chǔ)設(shè)備主軸電機(jī)等。采用這一軸承的風(fēng)扇使用壽命甚至超過雙滾珠軸承風(fēng)扇,可達(dá)80000～100000h。隨著加工技術(shù)的不斷進(jìn)步,工藝水平的日益提高，陶瓷軸承的成本不斷下降,已經(jīng)從過去只在一些高、精、尖領(lǐng)域小范圍內(nèi)應(yīng)用，逐步推廣到國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品市場價(jià)格也逐漸接近實(shí)用化,達(dá)到用戶可接受的程度,陶瓷軸承大面積應(yīng)用的浪潮已經(jīng)涌來。

2陶瓷軸承的主要類型及性能特點(diǎn)

滾動(dòng)軸承由套圈、滾動(dòng)體、保持器、潤滑脂、密封件組成，當(dāng)滾動(dòng)體采用陶瓷材料后，此滾動(dòng)軸承就定義為陶瓷球軸承。陶瓷軸承主要為兩類：混合式陶瓷軸承及全陶瓷軸承?；旌鲜教沾奢S承一般滾動(dòng)體用陶瓷材料制造，套圈用軸承鋼制造；全陶瓷軸承則滾動(dòng)體及套圈均用陶瓷材料制造；按照陶瓷軸承的結(jié)構(gòu)不同，分為陶瓷球軸承和陶瓷滾子軸承。混合陶瓷球軸承一般用于高速、絕緣、貧油潤滑等場合。全陶瓷球軸承一般用于高溫、腐蝕、抗磁、絕緣等場合。人們常見的陶瓷軸承的套圈及滾動(dòng)體采用全陶瓷材料，有氧化鋯(ZrO2),氮化硅(Si3N4),碳化硅(SiC)三種。保持器采用聚四氟乙烯、尼龍66，聚醚酰亞氨，氧化鋯、氮化硅，不銹鋼或特種航空鋁制造，從而擴(kuò)大陶瓷軸承的應(yīng)用面。

陶瓷球線脹系數(shù)小,在高溫環(huán)境下不會(huì)因?yàn)闇囟鹊脑驅(qū)е螺S承球膨脹,這樣大大提高了整個(gè)軸承的使用溫度,普通軸承的溫度在160℃左右,陶瓷球的可以達(dá)到220℃以上。陶瓷球具有無油自潤滑屬性,陶瓷球摩擦系數(shù)小,所以陶瓷球軸承具有很高的轉(zhuǎn)速。據(jù)統(tǒng)計(jì)采用陶瓷球的軸承是一般軸承的轉(zhuǎn)速1.5倍以上的轉(zhuǎn)速。陶瓷球可以不加任何油脂，也就是說即使油脂干掉，軸承還是可以運(yùn)作的，這樣就避免了普通軸承中因?yàn)橛椭傻魧?dǎo)致的軸承過早損壞現(xiàn)象的發(fā)生。據(jù)測試以及客戶的反饋,使用陶瓷球后的軸承的使用壽命是普通軸承的2～3倍。陶瓷球用于滾動(dòng)軸承,使得軸承的性能明顯改善,這主要是因?yàn)橛腥缦旅黠@特性：

一是較小的離心力,重量輕的陶瓷球在高速運(yùn)動(dòng)的滾動(dòng)軸承中產(chǎn)生的離心較小,除考慮外力外，在很高的轉(zhuǎn)速下鋼制軸承由鋼球引起的內(nèi)部應(yīng)力占主導(dǎo)地位，但因陶瓷具有高的彈性模量，在相同的載荷下陶瓷球的應(yīng)力大于鋼球，故離心力的減小的優(yōu)點(diǎn)不能完全發(fā)揮出來。

二是旋滾比小,與鋼制軸承相比,陶瓷球軸承的旋滾比低約30%,表示陶瓷球軸承接觸狀態(tài)更好,自旋摩擦更小。剛度高,陶瓷材料彈性模量是軸承鋼的1.5倍，可用于剛度要求高的軸承，同時(shí)應(yīng)該注意到由于剛度和軸承應(yīng)力不僅在滾動(dòng)體材料，很大程度上取決于軸承滾動(dòng)體的尺寸和數(shù)量，采用小而多鋼球也可取得提高剛度的效果，所以應(yīng)根據(jù)不同情況設(shè)計(jì)軸承。

三是球空轉(zhuǎn)較小，如軸承在傾斜狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)，由于陶瓷球具有較好的滾動(dòng)特性,陶瓷球的空轉(zhuǎn)的不利影響小于鋼球，引起的內(nèi)部應(yīng)力也較低。

四是低摩擦和低溫升，陶瓷球高的彈性模量，在軸承載荷下，形成的壓力橢圓小，內(nèi)圈和外圈之間的壓力角差小，陶瓷球軸承在高速時(shí)具有較低的摩擦力矩，摩擦和溫升較低。

五是防摩擦性能好,高速運(yùn)轉(zhuǎn)條件下,陶瓷球軸承接觸部位應(yīng)力較低,摩擦及溫升也較低,在潤滑不足或潤滑失效的狀態(tài)下,混合陶瓷球軸承的最低運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間至少為鋼制軸承的一倍。

由于陶瓷材料線脹系數(shù)為軸承鋼的25%，可推遲軸承徑向游隙的縮小，使軸承夾緊緩慢增加；由于鋼/陶瓷匹配的親和性低于鋼/鋼的親和性，當(dāng)潤滑膜未能很好的形成或缺少潤滑時(shí)，較低的親和性可有效地發(fā)揮作用，有效降低粘著摩擦的風(fēng)險(xiǎn)；由于陶瓷球硬度高,在嚴(yán)重摩擦情況下,陶瓷球有很好的尺寸和形狀精度保持性以及對(duì)溝道的修復(fù)性，保持軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)。采用陶瓷球的軸承，可以使軸承的內(nèi)外圈之間絕緣，因?yàn)樘沾汕蚴墙^緣體，在軸承的內(nèi)外圈之間用陶瓷球，就可以達(dá)到絕緣的效果。這樣就使軸承能夠在導(dǎo)電的環(huán)境下使用了。

陶瓷軸承的性能價(jià)格比遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于全鋼軸承 ，壽命可比現(xiàn)在使用的軸承壽命提高3倍以上，可節(jié)省大量的停機(jī)檢修時(shí)間、降低廢品率、減少庫存軸承備件等。與軸承鋼性能比較，自重是軸承鋼的30%～40%，可減少因離心力產(chǎn)生的動(dòng)體載荷的增加和打滑。因高耐磨、轉(zhuǎn)速是軸承鋼的1.3～1.5倍，可減少因高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的溝道表面損傷。陶瓷材料硬度高，耐磨損，軸承精度保持好，在良好潤滑狀態(tài)下,陶瓷球軸承的磨損量僅為鋼制軸承的50%,如前所述，陶瓷球軸承摩擦小、溫升低、防摩擦，這些都有利于軸承保持良好的精度。在高溫、腐蝕環(huán)境下表現(xiàn)更加突出。彈性模量高于軸承鋼1.5倍。受力彈性小，可減少因載荷量高所產(chǎn)生的變形。硬度是軸承鋼的1倍，可減少磨損?？箟菏禽S承鋼5～7倍。線脹系數(shù)小于軸承鋼20%。摩擦系數(shù)小于軸承鋼30%，可減少因摩擦產(chǎn)生的熱量，可減少因高溫引起的軸承提前剝落失效；抗拉、抗彎與金屬同等。

在多種陶瓷材料中，由于氮化硅陶瓷具有優(yōu)良的綜合機(jī)械性能，與軸承鋼相同的疲勞剝落和疲勞壽命，成為制造陶瓷軸承的最佳材料。氮化硅陶瓷材料作為軸承材料，雖然在工業(yè)陶瓷中硬度和韌性不是最高的，但是在要求高性能的軸承應(yīng)用中，氮化硅具有最佳的機(jī)械物理綜合特性，均質(zhì)細(xì)密的氮化硅陶瓷具有良好的抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞特性，有如下明顯的特征：

低密度，氮化硅陶瓷的密度為3.19～3.3g/cm3，僅為軸承鋼(7.85g/cm3)的40%，由于陶瓷滾動(dòng)體材料密度低，離心載荷小，高速運(yùn)轉(zhuǎn)溫升低，從而可在更高轉(zhuǎn)速下工作，而且產(chǎn)生熱量較少。陶瓷滾動(dòng)體的彈性模量比鋼制滾動(dòng)體高，則軸承的動(dòng)態(tài)剛度提高，但是彈性模量太大會(huì)因應(yīng)力集中而降低軸承的承載能力。氮化硅陶瓷的彈性模量是軸承鋼的1.5倍，可使軸承的剛度提高，但會(huì)因應(yīng)力集中降低軸承的承載能力。

線脹系數(shù)小，有助于減小對(duì)溫度變化的敏感性，對(duì)混合滾子軸承，可適用的運(yùn)轉(zhuǎn)速度范圍更寬。氮化硅陶瓷的熱膨脹系數(shù)僅為軸承鋼的1/4，減少軸承對(duì)溫度變化的敏感，有助于防止卡死，但對(duì)于角接觸球軸承會(huì)使接觸角改變；抗壓強(qiáng)度高是滾動(dòng)軸承承受高接觸應(yīng)力的需要的(對(duì)于陶瓷材料，其強(qiáng)度通常是通過三點(diǎn)或四點(diǎn)彎曲試驗(yàn)測得的斷裂模量決定)；高硬度和高韌性這兩個(gè)特性相結(jié)合可獲得較好的表面粗糙度，而且能防止外界硬質(zhì)粒子和沖擊的損傷，氮化硅陶瓷硬度是軸承鋼的2倍，可加工到較好的表面粗糙度，且能防止外界粒子和沖擊損傷，以及滑擦損傷；良好的抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞性能，氮化硅陶瓷具有與軸承鋼相同或略高的接觸疲勞壽命；剝落失效形式，氮化硅陶瓷具有與軸承相同的剝落失效形式，使得軸承在卡死前有預(yù)兆，是一種造成危害最小的失效模式。

耐高溫，氮化硅陶瓷具有良好的溫度特性，并適用于高溫用材料，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過M50耐高溫軸承鋼使用極限溫度400℃，氮化硅在800℃硬度和強(qiáng)度才開始下降,氮化硅陶瓷可在高達(dá)800℃的高溫中穩(wěn)定保持其機(jī)械特性，同時(shí)陶瓷在高溫下，不變形不收縮，具有良好的尺寸穩(wěn)定性；在氧化和腐蝕環(huán)境，尤其是在反復(fù)滾動(dòng)而擠掉表面油膜的接觸區(qū)應(yīng)具有抗氧化和腐蝕穩(wěn)定性。雖然氮化硅材料在工業(yè)陶瓷中不是最硬的，韌性也不是最高的，但是在要求高性能的軸承應(yīng)用中，氮化硅被認(rèn)為具有最佳的機(jī)械物理綜合特性。綜合的滾動(dòng)接觸剝落試驗(yàn)和軸承試驗(yàn)均證明致密和均質(zhì)的氮化硅材料具有良好的抗?jié)L動(dòng)接觸疲勞特性。

物理化學(xué)穩(wěn)定好，對(duì)于全陶瓷軸承，氮化硅耐酸的化學(xué)穩(wěn)定性很好，鹽酸、硫酸、硝酸、磷酸等到難以對(duì)氮化硅產(chǎn)生腐蝕，只有氫氟酸及鹽酸與硝酸的混合液能對(duì)氮化硅產(chǎn)生腐蝕。一般認(rèn)為氮化硅具有良好的耐堿腐蝕性能，但根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，氮化硅在高溫高壓堿性離子水中，耐腐蝕性極差，耐鹽蝕性也需要評(píng)估。陶瓷材料無磁、絕緣的，可以用來制造無磁及完全電絕緣的場合使用的軸承。

3國內(nèi)外陶瓷軸承的產(chǎn)業(yè)及市場前景

與傳統(tǒng)的金屬軸承相比，陶瓷軸承的優(yōu)越性在于可耐上千攝氏度高溫、不導(dǎo)電、不導(dǎo)磁等多種優(yōu)點(diǎn)，這樣的特性也為材料升級(jí)帶來更多空間。目前，金屬軸承一般只能耐200℃高溫，其開發(fā)的陶瓷軸承使用壽命則是金屬軸承的35倍。在高速、高溫、大溫差、低溫、真空、要求絕緣、不導(dǎo)磁等惡劣工作環(huán)境下，高性能陶瓷軸承是替代目前使用的全鋼軸承的理想軸承，具有適應(yīng)轉(zhuǎn)速范圍寬、高速運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)熱小、性能穩(wěn)定、壽命長、耐腐蝕、不怕污染、抗磨損、耐瞬時(shí)缺油潤滑能力強(qiáng)和可靠性高等優(yōu)異性能指標(biāo)，發(fā)展前景廣闊。

第一套陶瓷軸承誕生在美國(NASA)宇航局，自1972年第一套陶瓷軸承研制成功后，世界各國就一直在競相開發(fā)、研制新一代更高性能的陶瓷軸承，經(jīng)過40年的努力陶瓷軸承最突出的效果是較大幅度地提高了軸承的使用壽命和極限轉(zhuǎn)速，為發(fā)展高速和超高速、高精密機(jī)床提供了基礎(chǔ)零部件。除此以外，在高溫、腐蝕、絕緣、真空、化工等行業(yè)的應(yīng)用也已取得了良好效果。當(dāng)今世界著名的軸承公司無一不在研發(fā)、生產(chǎn)陶瓷軸承和陶瓷球軸承，而產(chǎn)品的質(zhì)量高低，已成為衡量其企業(yè)實(shí)力的一個(gè)重要標(biāo)志。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，到目前為止，國外能夠生產(chǎn)陶瓷軸承的有：美國、日本、德國、法國、俄羅斯、韓國、英國等十幾個(gè)國家。其中陶瓷球軸承的生產(chǎn)在國外起步較早，運(yùn)用的場合范圍較廣，比如數(shù)控機(jī)床用陶瓷球軸承、磨床電主軸用陶瓷球軸承、機(jī)床滾珠絲杠用陶瓷球軸承等。

陶瓷球軸承的高耐磨性、自潤滑性、超高轉(zhuǎn)速等性能得到了淋漓盡致的發(fā)揮，也為高精度機(jī)床、高速機(jī)床、特種環(huán)境設(shè)備作出了貢獻(xiàn)。作為陶瓷球軸承的核心部件——陶瓷球體，國外的研發(fā)和競爭也比較激烈。美國的Norton公司采用HIP法生產(chǎn)的陶瓷球在國際上堪稱一流水平。目前世界各國研究陶瓷球軸承處于領(lǐng)先水平的主要公司有瑞典的SKF、德國的FAG、法國的圣戈班、日本的Nsk,Koyo,Nmb(美培亞)等。

近年國外陶瓷軸承技術(shù)發(fā)展較快,應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,國外各大軸承公司Skf,Nsk，Inna,Ntn,Koyo，Snfa等均規(guī)模生產(chǎn)制造陶瓷軸承,軸承公差等級(jí)達(dá)到P4級(jí)以上,主要軸承種類為：高速主軸陶瓷球軸承、耐高溫耐腐蝕無磁全陶瓷軸承、運(yùn)動(dòng)器材陶瓷球軸承等。陶瓷球制造球較著名的公司為：法國Sai nt-Gobain公司,日本的Ntk公司、Ttc公司、Tsb公司等;燒結(jié)方法主要為:熱等靜壓燒結(jié)(HIP)、氣氛壓力燒結(jié)(GPS)。陶瓷球公差等級(jí)達(dá)到G3。

我國陶瓷軸承的研究時(shí)間并不長，加上陶瓷材料的難加工性，國內(nèi)能生產(chǎn)這種高精密度陶瓷軸承的廠家并不多。洛陽精密軸承企業(yè)看準(zhǔn)了陶瓷球軸承的發(fā)展前景，一直大力研究相關(guān)的技術(shù)。目前，其生產(chǎn)的陶瓷軸承質(zhì)量相當(dāng)高，考慮到陶瓷材料加工難度高造成的成本價(jià)格偏高等因素，精密陶瓷軸承多為滾動(dòng)體是陶瓷、內(nèi)外套圈仍由鉻鋼制造的混合陶瓷球軸承。這種軸承不僅適應(yīng)性能和精度大大高于普通金屬軸承，而且生產(chǎn)成本與全陶瓷軸承相比大大降低，使其得到了更為廣泛的應(yīng)用。在一些特殊領(lǐng)域中應(yīng)用的軸承占特種軸承的比例非常大，而且陶瓷軸承和陶瓷球軸承完全有能力去替代、并能達(dá)到金屬軸承勉強(qiáng)勝任和無法勝任的工作，工程陶瓷具有它不可替換的地位。具有這樣一個(gè)龐大的市場為前提，我國在產(chǎn)品的開發(fā)和制造上完全可以創(chuàng)出一條新路，去拓寬陶瓷軸承的更大應(yīng)用領(lǐng)域，使新材料、新工藝、新技術(shù)更好的服務(wù)于生產(chǎn)。

陶瓷軸承所具有的諸多優(yōu)良性能，尚待在更寬的領(lǐng)域內(nèi)開發(fā)利用，潛在的應(yīng)用領(lǐng)域十分巨大。高質(zhì)量的高速陶瓷球軸承能很好的服務(wù)于國內(nèi)機(jī)床行業(yè)，高速、高精度主軸、電主軸的軸承用量相當(dāng)大，估計(jì)每年的需求量在幾拾萬套以上。但是高精度機(jī)床主軸軸承要求軸承的加工精度相對(duì)較高，質(zhì)量較苛刻，象P4級(jí)軸承要求G5級(jí)以上的高精度陶瓷球，目前國內(nèi)能夠生產(chǎn)的廠家寥寥無幾，產(chǎn)品的穩(wěn)定性也較差；中等質(zhì)量的陶瓷軸承在石油勘探、原油冶煉、尤其是精細(xì)化工、化纖、新能源、印染、電鍍業(yè)、污水處理、海洋開發(fā)、深水泵、酸堿泵、高溫、真空、核磁共振、電絕緣、醫(yī)藥衛(wèi)生、X射線管及食品工業(yè)等諸多領(lǐng)域中能得到廣泛和良好的使用。很多只要求一般精度等級(jí)；中、低轉(zhuǎn)速和負(fù)荷；要求軸承能夠耐一定濃度的酸、堿、鹽腐蝕；耐300～400℃高溫；不導(dǎo)磁、電、無毒性；可在無油或利用工作介質(zhì)自身潤滑等；在海水中也可以使用。在這些領(lǐng)域應(yīng)用的軸承占特種軸承的比例非常大，而且陶瓷軸承和陶瓷球軸承完全有能力去替代、并能達(dá)到金屬軸承勉強(qiáng)勝任和無法勝任的工作，工程陶瓷具有它不可替換的地位。具有這樣一個(gè)龐大的市場為前提，企業(yè)在產(chǎn)品的開發(fā)和制造上完全可以創(chuàng)出一條新路，去拓寬陶瓷軸承的更大應(yīng)用領(lǐng)域。使新材料、新工藝、新技術(shù)更好的服務(wù)于生產(chǎn)。

超精密陶瓷球可廣泛用于高性能軸承、高性能球閥；陶瓷軸承可用于高速機(jī)械、輕工、儀器儀表、汽車、及航空航天等領(lǐng)域。該類軸承是典型的兩高產(chǎn)品，即高技術(shù)含量和高附加值，是國際上公認(rèn)的未來軸承的主流產(chǎn)品，將占領(lǐng)軸承市場的40%～60%份額，主要用在高速機(jī)床、高速電機(jī)、低溫設(shè)備上，目前開發(fā)生產(chǎn)可逐步取代精密、中速以上全軸承的所有應(yīng)用領(lǐng)域，精密陶瓷軸承的價(jià)格是同類型鋼軸承的1.5～1.8倍，而壽命可延長至少3倍。此外，汽車行業(yè)是陶瓷軸承的潛在應(yīng)用領(lǐng)域之一，用量極大；軍工和航空等高可靠性領(lǐng)域用陶瓷軸承技術(shù)目前正在開發(fā)中，價(jià)格高，但技術(shù)難度大，用量中等。綜上所述，高性能陶瓷軸承技術(shù)具有巨大的經(jīng)濟(jì)效益和廣泛的社會(huì)效益。

4陶瓷軸承技術(shù)的發(fā)展趨勢

陶瓷軸承和陶瓷球軸承是軸承大類中一支奇葩，作為承運(yùn)機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)的基礎(chǔ)件，由于其具有金屬軸承所無法比擬的優(yōu)良性能，在各種特殊環(huán)境、惡劣環(huán)境下得到廣泛的應(yīng)用。目前見諸報(bào)道的都是高速、高精度的陶瓷球軸承的研發(fā)，且通常多以圍繞氮化硅球?yàn)橹?，主要解決的問題，一個(gè)是陶瓷球的制坯研究，另一個(gè)是高精度陶瓷球的加工工藝方法研究，在使用上多屬高速機(jī)床、數(shù)控機(jī)床、電主軸等高速場合，長壽命或低噪聲等要求的陶瓷球軸承，自始至終沒能脫離Si3N4球坯的制造和加工，對(duì)新型材料如：SiC,ZrO2,ZTA,Sialon等材料的研究尚屬少量，生產(chǎn)實(shí)踐證明，應(yīng)用ZrO2的廠家占絕大多數(shù)。由于顧慮成本原因造成好的材料和工藝無法大規(guī)模運(yùn)用。

陶瓷軸承和陶瓷球軸承的生產(chǎn)是高技術(shù)陶瓷與軸承制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化結(jié)合，二者的專業(yè)化程度均很高，如不解決陶瓷與軸承的產(chǎn)業(yè)結(jié)合問題，實(shí)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)大批量、低成本生產(chǎn)，滿足市場需求就是一句空話。而今，國內(nèi)能夠生產(chǎn)軸承的企業(yè)制造不了陶瓷材料，能夠生產(chǎn)陶瓷材料的企業(yè)制造不了軸承，專業(yè)和學(xué)科之間在實(shí)際應(yīng)用上嚴(yán)重脫節(jié)。國內(nèi)的陶瓷軸承和陶瓷球軸承只能在耐腐蝕、絕電、絕磁、低轉(zhuǎn)速、輕負(fù)荷的環(huán)境下使用，還有就是國內(nèi)陶瓷材料的制造存在較大的問題，在工藝和技術(shù)還沒有過關(guān)的前提下，盲目追求低價(jià)造成材料的性能根本無法達(dá)預(yù)期的效果，使得陶瓷軸承和陶瓷球軸承的發(fā)展走入新的歧途，也造成較多的使用單位對(duì)陶瓷軸承和陶瓷球軸承失去信心。作為高技術(shù)產(chǎn)品的研發(fā)，要經(jīng)過技術(shù)密集型投入和資金密集型投入兩個(gè)階段，產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)陶瓷軸承，既要攻克許多技術(shù)難點(diǎn)，和使用難題又需要較大的資金投入，還要把握市場定位，需要業(yè)內(nèi)以發(fā)展國內(nèi)陶瓷軸承的高水準(zhǔn)為己任。低價(jià)的競爭勢必帶來粗制濫造和市場的進(jìn)一步惡化。原始資本的積累和持續(xù)的再投入必須服務(wù)于陶瓷軸承和陶瓷球軸承往更高質(zhì)量的領(lǐng)域發(fā)展。

我國對(duì)陶瓷軸承球的研究方面取得了很大進(jìn)展，加工速度較現(xiàn)有技術(shù)提高一倍以上，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到或超過G5級(jí)標(biāo)準(zhǔn)要求。對(duì)我國陶瓷軸承實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化和商品化的進(jìn)程可起到一定的推進(jìn)作用。當(dāng)然，陶瓷軸承的研究還處于初期，其研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束，隨著技術(shù)發(fā)展和進(jìn)步，雖然陶瓷軸承的已在多種場合和環(huán)境應(yīng)用，仍需在以下方面進(jìn)行不斷探索和研發(fā)：一是研究適應(yīng)范圍更寬、潤滑條件更惡劣條件下陶瓷軸承的滾動(dòng)接觸性能;二是研究陶瓷軸承相關(guān)部件的結(jié)構(gòu)配合設(shè)計(jì)及加工的可靠性和經(jīng)濟(jì)性；三是陶瓷軸承相關(guān)部件無損檢測方法和破壞預(yù)測的技術(shù);四是制定陶瓷軸承的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)等。除了上述之外,陶瓷材料體系開發(fā)應(yīng)以適應(yīng)不同的場合如更耐腐蝕，更耐高溫;陶瓷軸承零件無損檢測技術(shù)需要開發(fā)可靠高效的檢測方法和儀器；陶瓷軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)；陶瓷軸承基礎(chǔ)理論研究；陶瓷軸承制造成本的降低，使陶瓷軸承更加經(jīng)濟(jì)；陶瓷軸承摩擦學(xué)特征研究；陶瓷軸承高效加工技術(shù)開發(fā)等等。

采用陶瓷材料制造軸承，可極大地?cái)U(kuò)展?jié)L動(dòng)軸承在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用范圍。目前世界各國研究、生產(chǎn)、銷售陶瓷軸承的公司很多，但大多為混合軸承，即軸承滾動(dòng)體為陶瓷材料，內(nèi)外圈為鋼制材料。我國在陶瓷軸承研究方面起步較晚，國家自八五開始將陶瓷球軸承研究與開發(fā)列入科技攻關(guān)項(xiàng)目，并注入了大量資金，一些科研院所和企業(yè)也做出了有益探索，取得了可喜的成果，但目前仍處于試驗(yàn)研究階段。影響陶瓷材料在球軸承中廣泛應(yīng)用的主要原因是它的難加工性和過高的制造成本。

企業(yè)要搞好陶瓷軸承的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)，關(guān)鍵是要開發(fā)出高性能、低成本、適用性強(qiáng)的陶瓷軸承，尤其是、外套圈、保持架、滾動(dòng)體均為陶瓷的全陶瓷軸承產(chǎn)品，擴(kuò)大產(chǎn)品規(guī)格、品種和應(yīng)用領(lǐng)域；解決和攻克產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)中所遇到的一系列技術(shù)難題；大力開發(fā)陶瓷套圈、陶瓷保持架、陶瓷滾子、陶瓷滾錐、陶瓷滾針的實(shí)用化生產(chǎn)技術(shù)，加大生產(chǎn)工藝、工裝、設(shè)備、檢測儀器的投資開發(fā)力度，加大關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化投入。

企業(yè)應(yīng)注意那些金屬軸承無法勝任的、而陶瓷軸承完全有能力去替代的最普通的工作，如污水處理、海洋開發(fā)、石油勘探、醫(yī)藥衛(wèi)生、食品工業(yè)等諸多領(lǐng)域中實(shí)際使用的一般精度等級(jí)，中、低轉(zhuǎn)速，要求軸承能夠有耐一定濃度的酸、堿、鹽腐蝕，耐幾百度高溫，不導(dǎo)磁、電，無毒性，可在無油或利用工作介質(zhì)自身潤滑的工作領(lǐng)域。這些領(lǐng)域應(yīng)用的軸承占特種軸承應(yīng)用的比例非常大，市場廣闊，值得開發(fā)。研發(fā)機(jī)構(gòu)應(yīng)抓住機(jī)遇，開拓市場，降低制造成本，促進(jìn)高性能陶瓷材料的規(guī)?；a(chǎn)，使具有廣闊市場前景的陶瓷材料的應(yīng)用早日實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。推進(jìn)專業(yè)人才培養(yǎng)，解決專業(yè)與學(xué)科、研究與實(shí)用技術(shù)的結(jié)合轉(zhuǎn)化；技術(shù)專家型銷售隊(duì)伍的建立和能夠掌握高、精、尖設(shè)備、儀器的技術(shù)工人隊(duì)伍的培養(yǎng)；行業(yè)上和企業(yè)主管要對(duì)陶瓷軸承提高認(rèn)識(shí)，建立、完善國家和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、評(píng)價(jià)方法等，為用戶提供優(yōu)質(zhì)的售后技術(shù)服務(wù)，包括陶瓷軸承的選型和現(xiàn)場安裝指導(dǎo)等等，才能使陶瓷軸承真正適用于更多的領(lǐng)域，滿足國內(nèi)、外各行業(yè)對(duì)陶瓷軸承的需求，促進(jìn)陶瓷軸承整體水平的快速發(fā)展。

陶瓷軸承的發(fā)展方興未艾，納米材料、復(fù)合材料的實(shí)用化，為陶瓷軸承的發(fā)展帶來了更大的生機(jī)和活力。依照我國國內(nèi)目前的生產(chǎn)現(xiàn)狀，產(chǎn)品市場缺口很大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了市場需求，因而市場前景十分看好。雖然價(jià)格相對(duì)較高，但在同等工況條件下，綜合經(jīng)濟(jì)效益十分顯著，在相同質(zhì)量的產(chǎn)品中具有很強(qiáng)的國際市場競爭力。

5結(jié)束語

近些年，國外大型軸承企業(yè)的不斷涌入，新材料、新工藝產(chǎn)品在質(zhì)量上和價(jià)格上的競爭將對(duì)我國軸承行業(yè)帶來更大的沖擊，因此，用新材料、新技術(shù)改造傳統(tǒng)軸承產(chǎn)業(yè)，提高國內(nèi)軸承產(chǎn)品的技術(shù)含量和附加值，加速提高陶瓷軸承的產(chǎn)品質(zhì)量和產(chǎn)量，尤其是提高陶瓷軸承的市場競爭力和生存能力，已成為一個(gè)重要課題擺在我們面前。大力發(fā)展民族機(jī)械工業(yè)，提高機(jī)械產(chǎn)品精度，滿足其它特殊應(yīng)用領(lǐng)域，陶瓷軸承將起到?jīng)Q定性的關(guān)鍵作用，而采用新型的納米復(fù)合陶瓷材料是提高陶瓷軸承產(chǎn)品精度和性能的趨勢。隨著加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，工藝水平的日益提高，陶瓷軸承的成本不斷下降，已經(jīng)從過去只在一些高、精、尖領(lǐng)域小范圍內(nèi)應(yīng)用，逐步推廣到國民經(jīng)濟(jì)各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，產(chǎn)品市場價(jià)格也逐漸接近實(shí)用化，達(dá)到用戶可接受的程度。相信陶瓷軸承進(jìn)入實(shí)用化階段已為時(shí)不遠(yuǎn)，其應(yīng)用前景十分廣闊，甚至有人所預(yù)言的那樣：陶瓷軸承今后會(huì)完全取代鋼質(zhì)軸承。

Blue Model of Ceramic Bearing ApplicationStrong of Industry Competition

Li Ting

(Hubei wuhan fengshen chemical material supply company, Wuhan 430055)

Abstract:Ceramic material with low density, high elastic modulus, thermal expansion coefficient, wear resistance, high temperature resistant, corrosion resistance and other excellent properties, become the ideal material of manufacturing high speed precision bearings, and has been widely used. According to the function of the ceramic bearing and its application field, this paper introduces the main types and performance characteristics of ceramic bearing, this paper discusses the ceramic bearing industry and the market prospect at home and abroad, points out the developing trend of the technology of ceramic bearing.

Keywords:ceramic bearing; characteristics of application; the development of industry

doi:10.16253/j.cnki.37-1226/tq.2015.02.008