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鄒小姐：13326633089 -
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隨著現(xiàn)階段科技的不斷進(jìn)步與發(fā)展，對(duì)高速機(jī)床、精密檢測(cè)儀器等許多設(shè)備的工作環(huán)境及使用要求越來越高，要求這些機(jī)械設(shè)備必須具備高速、高精度和高可靠性等多種性能。為了滿足高精密機(jī)械、石油化工、航空航天、軍事國防等諸多領(lǐng)域的發(fā)展所需，機(jī)械零部件必須具有較好的耐熱、不易腐蝕和低磁等特性，同時(shí)也必須能承受較大的壓力，而滾動(dòng)軸承作為關(guān)鍵的零部件之一，對(duì)其性能要求更高。但傳統(tǒng)金屬軸承已無法適應(yīng)現(xiàn)階段極端嚴(yán)苛工作條件下長期穩(wěn)定運(yùn)行的工作要求。與傳統(tǒng)軸承相比，陶瓷軸承具有使用壽命長、整體精度和剛度高、轉(zhuǎn)速高、熱穩(wěn)定性好、絕緣以及無磁性等優(yōu)異的綜合性能，在高溫、高速、高精度、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)磁場(chǎng)和無潤滑等工作條件下具有非常廣闊的應(yīng)用前景。
傳統(tǒng)金屬軸承
陶瓷軸承由陶瓷滾動(dòng)體和內(nèi)外圈組成，陶瓷滾動(dòng)體性能的好壞直接影響整個(gè)軸承的使用性能，陶瓷滾動(dòng)體選用不同的制備材料對(duì)所得軸承的性能影響巨大。目前，適用于陶瓷球制備的陶瓷材料有氮化硅（Si3N4）、氧化鋁（Al2O3）、碳化硅（SiC）和氧化鋯（ZrO2）等，而碳化硅和氧化鋁的失效形式是以突然破碎的方式出現(xiàn)，不利于陶瓷軸承平穩(wěn)運(yùn)行，因此陶瓷球軸承一般采用氮化硅或氧化鋯制成。
球軸承示意圖
氮化硅（Si3N4）材料屬于高強(qiáng)度人工晶體，俗稱“陶瓷王”，具有密度小、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、電絕緣、不導(dǎo)磁、抗壓強(qiáng)度高、自潤滑性能好等諸多特點(diǎn)。氮化硅密度大約為軸承鋼的42%，彈性模量高達(dá)310GPa，抗拉強(qiáng)度1600MPa，抗壓強(qiáng)度高達(dá)3600MPa，900℃以下力學(xué)性能幾乎不變，是軸承的理想材料之一。
氮化硅球軸承
氧化鋯（ZrO2）是鋯的主要氧化物。通常條件下，高純氧化鋯為白色粉末，無臭無味，化學(xué)性質(zhì)不活潑，難溶于水、鹽酸和稀硝酸，對(duì)堿、堿熔體、玻璃熔體和熔融金屬具有良好的穩(wěn)定性。在金屬氧化物材料中，氧化鋯的高溫穩(wěn)定性、隔熱性能最好。氧化鋯在常溫下為絕緣體，同時(shí)氧化鋯陶瓷具有耐磨性好、硬度大、脆性大等特點(diǎn)。
氧化鋯滿裝球軸承
下表為氧化鋯陶瓷與氮化硅陶瓷的性能對(duì)比表：
氧化鋯陶瓷與氮化硅陶瓷常見性能對(duì)比表
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材料特性 |
氧化鋯 |
氮化硅 |
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密度(kg·m-3) |
5900 |
3250 |
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彈性模量(GPa) |
205 |
310 |
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抗壓強(qiáng)度(MPa) |
2000 |
＞3500 |
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斷裂模量(MPa) |
600-900 |
700-1000 |
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維氏硬度(GPa) |
10-13 |
14-18 |
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韌性(MPa·m1/2) |
8-12 |
5-8 |
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熱膨脹系數(shù)(K-3·10-6) |
12 |
3.4 |
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比熱(J·kg-1·K-1) |
400 |
800 |
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使用上限溫度(℃) |
750 |
1050 |
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抗沖擊能力 |
中等 |
高 |
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滾動(dòng)接觸疲勞失效形式 |
剝落 |
剝落 |
由表我們可以得知氮化硅的密度為氧化鋯陶瓷的55.09%，其制得的軸承重量輕，從而可以在醫(yī)療器械、家用電器、航天設(shè)備發(fā)動(dòng)機(jī)以及賽車曲軸等領(lǐng)域使用。同時(shí)又由于其密度小，這使得其用作滾動(dòng)體時(shí)，軸承旋轉(zhuǎn)時(shí)受轉(zhuǎn)動(dòng)體作用產(chǎn)生的離心力減輕，從而有利于高速轉(zhuǎn)動(dòng)，這使得其可以應(yīng)用在燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)床主軸、離心分離器等領(lǐng)域。
軸承在航空航天中的應(yīng)用圖（圖片來源：山東省臨清通聯(lián)軸承集團(tuán)）
氮化硅的彈性模量和抗壓強(qiáng)度也比氧化鋯高，這有利于軸承承受應(yīng)力的提高；氮化硅的熱膨脹系數(shù)相對(duì)于氧化鋯的熱膨脹系數(shù)較小，這有利于減小軸承對(duì)溫度變化的敏感性，使軸承工作速率范圍更寬；氮化硅的耐高溫耐腐蝕及優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性，使得氮化硅陶瓷可以應(yīng)用在更加高溫以及像硫酸氫氧化鈉等氧化鋯無法應(yīng)用的強(qiáng)酸堿場(chǎng)景。
氮化硅陶瓷軸承的應(yīng)用場(chǎng)景圖
盡管氮化硅陶瓷具有適應(yīng)性強(qiáng)、性能優(yōu)越的特點(diǎn)，但氮化硅陶瓷軸承的成本較高。氧化鋯材料與其他陶瓷材料（氮化硅等）相比，制備工藝相對(duì)簡單，坯體成本較低，易于市場(chǎng)化應(yīng)用，因此氧化鋯陶瓷軸承可以應(yīng)用于對(duì)使用性能要求相對(duì)較低、成本要求較低的場(chǎng)景。同時(shí)氧化鋯的韌性比氮化硅高，有利于軸承的穩(wěn)定使用。
氧化鋯陶瓷軸承的應(yīng)用場(chǎng)景圖
參考文獻(xiàn)：
（1）氮化硅陶瓷球研磨機(jī)理分析與工藝參數(shù)優(yōu)化，王定文。
（2）超精度高性能氮化硅軸承研究現(xiàn)狀與應(yīng)用，吳承偉，張偉，李東炬。
（3）典型氧化鋯陶瓷零件的加工實(shí)驗(yàn)研究，王宇。
（4）高精度陶瓷球的性能評(píng)價(jià)方法及其應(yīng)用研究，陳微。
（5）高性能氮化硅陶瓷的制備與應(yīng)用新進(jìn)展，吳慶文，胡豐，謝志鵬。
