中文演讲之二十一.doc

陶 瓷 轴 承 技 术 发 展 与 应 用 洛 阳 轴 研 科 技 股 份 有 限 公 司 张 永 乾 1. 概 述 陶 瓷 轴 承 具 有 质 量 轻 耐 高 温 耐 腐 蚀 无 磁 绝 缘 刚 性 高 高 速 使 用 离 心 力 小 运 转 温 升 低 等 优 良 特 性, 能 用 于 高 速 高 温 腐 蚀 性 介 质 等 许 多 钢 制 轴 承 无 法 满 足 要 求 的 特 殊 场 合 陶 瓷 轴 承 主 要 为 两 类 : 混 合 式 陶 瓷 轴 承 及 全 陶 瓷 轴 承 混 合 式 陶 瓷 轴 承 一 般 滚 动 体 用 陶 瓷 材 料 制 造, 套 圈 用 轴 承 钢 制 造 ; 全 陶 瓷 轴 承 则 滚 动 体 及 套 圈 均 用 陶 瓷 材 料 制 造 ; 按 照 陶 瓷 轴 承 的 结 构 不 同, 分 为 陶 瓷 球 轴 承 和 陶 瓷 滚 子 轴 承 混 合 陶 瓷 球 轴 承 一 般 用 于 高 速 绝 缘 贫 油 润 滑 等 场 合, 全 陶 瓷 球 轴 承 一 般 用 于 高 温 腐 蚀 抗 磁 绝 缘 等 场 合 在 多 种 陶 瓷 材 料 中, 由 于 氮 化 硅 陶 瓷 (Si 3N 4) 具 有 优 良 的 综 合 机 械 性 能, 与 轴 承 钢 相 同 的 疲 劳 剥 落 和 疲 劳 寿 命, 成 为 制 造 陶 瓷 轴 承 的 最 佳 材 料 陶 瓷 轴 承 研 制 开 发 时 间 表 : 1960 年 开 始 陶 瓷 轴 承 研 究, 热 压 氮 化 硅 材 料 制 造 陶 瓷 轴 承 1970 年 后 HIP 烧 结 氮 化 硅 材 料 用 于 制 造 陶 瓷 陶 瓷 轴 承 1980 年 后 GPS 烧 结 氮 化 硅 材 料 用 于 制 造 陶 瓷 轴 承 国 内 开 始 氮 化 硅 粉 末 研 制 及 氮 化 硅 陶 瓷 滑 动 轴 承 的 研 究 1990 年 后 陶 瓷 轴 承 工 业 化 规 模 生 产 国 内 开 始 GPS 烧 结 氮 化 硅 陶 瓷 球 及 混 合 陶 瓷 轴 承 的 研 究 2000 年 后 国 内 GPS 烧 结 氮 化 硅 陶 瓷 球 批 量 化 生 产 2005 年 后 国 内 陶 瓷 轴 承 批 量 化 生 产 2. 氮 化 硅 陶 瓷 作 为 轴 承 材 料 的 特 性 氮 化 硅 陶 瓷 材 料 作 为 轴 承 材 料, 虽 然 在 工 业 陶 瓷 中 硬 度 和 韧 性 不 是 最 高 的, 但 是 在 要 求 高 性 能 的 轴 承 应 用 中, 氮 化 硅 具 有 最 佳 的 机 械 物 理 综 合 特 性, 均 质 细 密 的 氮 化 硅 陶 瓷 具 有 良 好 的 抗 滚 动 接 触 疲 劳 特 性, 有 如 下 明 显 的 特 征 : (1) 低 密 度, 氮 化 硅 陶 瓷 的 密 度 为 3.19~3.3g/cm 3, 仅 为 轴 承 钢 (7.85g/cm 3 ) 的 40%, 离 心 载 荷 小, 高 速 运 转 温 升 低

(2) 较 高 的 弹 性 模 量, 氮 化 硅 陶 瓷 的 弹 性 模 量 是 轴 承 钢 的 1.5 倍, 可 使 轴 承 的 刚 度 提 高, 但 会 因 应 力 集 中 降 低 轴 承 的 承 载 能 力 (3) 热 膨 胀 系 数 小, 氮 化 硅 陶 瓷 的 热 膨 胀 系 数 仅 为 轴 承 钢 的 1/4, 减 少 轴 承 对 温 度 变 化 的 敏 感, 有 助 于 防 止 卡 死, 但 对 于 角 接 触 球 轴 承 会 使 接 触 角 改 变 (4) 抗 压 强 度 高, 是 滚 动 轴 承 高 的 接 触 应 力 需 要 的 (5) 硬 度 高, 氮 化 硅 陶 瓷 硬 度 是 轴 承 钢 的 2 倍, 可 加 工 到 较 好 的 表 面 粗 糙 度, 且 能 防 止 外 界 粒 子 和 冲 击 损 伤, 以 及 滑 擦 损 伤 (6) 良 好 的 抗 滚 动 接 触 疲 劳 性 能, 氮 化 硅 陶 瓷 具 有 与 轴 承 钢 相 同 或 略 高 的 接 触 疲 劳 寿 命 (7) 剥 落 失 效 形 式, 氮 化 硅 陶 瓷 具 有 与 轴 承 相 同 的 剥 落 失 效 形 式, 使 得 轴 承 在 卡 死 前 有 预 兆, 是 一 种 造 成 危 害 最 小 的 失 效 模 式 (8) 耐 高 温, 氮 化 硅 陶 瓷 可 在 高 达 800 的 高 温 中 稳 定 保 持 其 机 械 特 性 (9) 耐 腐 蚀, 氮 化 硅 陶 瓷 具 有 优 异 的 耐 腐 蚀 性 能, 使 轴 承 可 在 氧 化 和 腐 蚀 环 境, 尤 其 是 在 反 复 滚 动 而 挤 压 掉 表 面 油 膜 的 接 触 区 具 有 抗 氧 化 和 腐 蚀 稳 定 性 结 构 陶 瓷 与 轴 承 钢 的 特 性 比 较 见 表 1 表 1 结 构 陶 瓷 和 轴 承 钢 的 典 型 特 性 材 料 特 性 Si3N4 GCr15 SiC ZrO2 Al2O3 密 度 / g/cm 3 3.19-3.3 7.85 3.1 5.9 3.9 弹 性 模 量 / GPa 310 210 420 205 390 抗 压 强 度 / MPa 3500-2000-2500 2000 2000-2700 抗 弯 强 度 / MPa 700-1000 2500 500 600-900 300-500 维 氏 硬 度 / HV10 1400-1800 800 2000-2400 1000-1300 1800-2000 断 裂 韧 性 Kic/ MPa.m 1/2 5~8 16-20 2-4 8-12 3-5 线 膨 胀 系 数 / 10-6 /K 3.2 12 4 10 8 导 热 系 数 / W/m.K 20 30 100 2 30 比 热 / J/kg.K 800 450 700 400 880 使 用 上 限 温 度 / 800 150/300 1000 500 1000 耐 腐 蚀 性 好 差 好 好 好 磁 性 非 磁 性 磁 性 非 磁 性 非 磁 性 非 磁 性

绝 缘 性 好 不 绝 缘 好 好 好 抗 热 冲 击 高 很 高 高 中 等 低 滚 动 接 触 疲 劳 失 效 形 式 剥 落 剥 落 断 裂 剥 落 / 断 裂 断 裂 3. 陶 瓷 球 轴 承 特 性 陶 瓷 球 用 于 滚 动 轴 承, 使 得 轴 承 的 性 能 明 显 改 善, 主 要 为 : (1) 较 小 的 离 心 力, 重 量 轻 的 陶 瓷 球 在 高 速 运 动 的 滚 动 轴 承 中 产 生 的 离 心 较 小, 除 考 虑 外 力 外, 在 很 高 的 转 速 下, 钢 制 轴 承 由 钢 球 引 起 的 内 部 应 力 占 主 导 地 位, 但 由 于 陶 瓷 具 有 高 的 弹 性 模 量, 在 相 同 的 载 荷 下, 陶 瓷 球 的 应 力 大 于 钢 球, 所 以 离 心 力 的 减 小 的 优 点 不 能 完 全 发 挥 出 来 (2) 旋 滚 比 小, 与 钢 制 轴 承 相 比, 陶 瓷 球 轴 承 的 旋 滚 比 低 约 30%, 表 示 陶 瓷 球 轴 承 接 触 状 态 更 好, 自 旋 摩 擦 更 小 图 1 陶 瓷 球 轴 承 与 钢 制 轴 承 旋 滚 比 的 比 较 (3) 刚 度 高, 陶 瓷 材 料 弹 性 模 量 是 轴 承 钢 的 1.5 倍, 可 以 用 于 刚 度 要 求 高 的 轴 承, 同 时 应 该 注 意 到, 由 于 刚 度 和 轴 承 应 力 不 仅 在 滚 动 体 材 料, 很 大 程 度 上 取 决 于 轴 承 滚 动 体 的 尺 寸 和 数 量, 采 用 小 而 多 钢 球 也 可 取 得 提 高 刚 度 的 效 果, 所 以 应 根 据 不 同 情 况 设 计 轴 承 图 2 陶 瓷 球 轴 承 刚 性 与 钢 制 轴 承 刚 性 (4) 球 空 转 较 小, 如 轴 承 在 倾 斜 状 态 下 运 转, 由 于 陶 瓷 球 具 有 较 好 的 滚 动

特 性, 陶 瓷 球 的 空 转 的 不 利 影 响 小 于 钢 球, 引 起 的 内 部 应 力 也 较 低 Ⅰ 钢 制 轴 承 Ⅱ 陶 瓷 球 轴 承 图 3 陶 瓷 球 空 转 较 小 (5) 低 摩 擦 和 低 温 升, 陶 瓷 球 高 的 弹 性 模 量, 在 轴 承 载 荷 下, 形 成 的 压 力 椭 圆 小, 内 圈 和 外 圈 之 间 的 压 力 角 差 小, 陶 瓷 球 轴 承 在 高 速 时 具 有 较 低 的 摩 擦 力 矩, 摩 擦 和 温 升 较 低 Ⅰ 钢 制 轴 承 Ⅱ 陶 瓷 球 轴 承 图 4 陶 瓷 球 轴 承 与 钢 制 轴 承 摩 擦 力 矩 和 温 升 (6) 防 摩 擦 性 能 好, 高 速 运 转 条 件 下, 陶 瓷 球 轴 承 接 触 部 位 应 力 较 低, 摩 擦 及 温 升 也 较 低, 在 润 滑 不 足 或 润 滑 失 效 的 状 态 下, 混 合 陶 瓷 球 轴 承 的 最 低 运 转 时 间 至 少 为 钢 制 轴 承 的 一 倍 陶 瓷 球 轴 承 表 现 出 三 方 面 的 明 显 特 性,1 润 滑 不 足 或 失 效 后, 轴 承 温 度 急 剧 升 高, 由 于 陶 瓷 材 料 热 膨 胀 系 数 为 轴 承 钢 的 25%, 可 推 迟 轴 承 径 向 游 隙 的 缩 小, 使 轴 承 夹 紧 缓 慢 增 加 ;2 由 于 钢 / 陶 瓷 匹 配 的 亲 和 性 低 于 钢 / 钢 的 亲 和 性, 当 润 滑 膜 未 能 很 好 的 形 成 或 缺 少 润 滑 时, 较 低 的 亲 和 性 可 有 效 地 发 挥 作 用, 有 效 降 低 粘 着 摩 擦 的 风 险 ;3 由 于 陶 瓷 球 硬 度 高, 在 严 重 摩 擦 情 况 下, 陶 瓷 球 有 很 好 的 尺 寸 和 形 状 精 度 保 持 性 以 及 对 沟 道 的 修 复 性, 保 持 轴 承 的 运 转 (7) 轴 承 精 度 保 持 好, 陶 瓷 材 料 硬 度 高, 耐 磨 损, 在 良 好 润 滑 状 态 下, 轴 陶 瓷 球 轴 承 的 磨 损 量 仅 为 钢 制 轴 承 的 50%, 如 前 所 述, 陶 瓷 球 轴 承 摩 擦 小 温 升

低 防 摩 擦, 这 些 都 有 利 于 轴 承 保 持 良 好 的 精 度 在 高 温 腐 蚀 环 境 下 表 现 更 加 突 出 (8) 高 温 特 性, 氮 化 硅 陶 瓷 具 有 良 好 的 温 度 特 性, 并 适 用 于 高 温 用 材 料, 远 远 超 过 M50 耐 高 温 轴 承 钢 使 用 极 限 温 度 400, 氮 化 硅 在 800 硬 度 和 强 度 才 开 始 下 降, 同 时 陶 瓷 在 高 温 下, 不 变 形 不 收 缩, 具 有 良 好 的 尺 寸 稳 定 性 图 5 氮 化 硅 材 料 与 轴 承 钢 高 温 硬 度 (9) 物 理 化 学 稳 定 好, 对 于 全 陶 瓷 轴 承, 氮 化 硅 耐 酸 的 化 学 稳 定 性 很 好, 盐 酸 硫 酸 硝 酸 磷 酸 等 到 难 以 对 氮 化 硅 产 生 腐 蚀, 只 有 氢 氟 酸 及 盐 酸 与 硝 酸 的 混 合 液 能 对 氮 化 硅 产 生 腐 蚀 一 般 认 为 氮 化 硅 具 有 良 好 的 耐 碱 腐 蚀 性 能, 但 根 据 实 验 结 果, 氮 化 硅 在 高 温 高 压 碱 性 离 子 水 中, 耐 腐 蚀 性 极 差, 耐 盐 蚀 性 也 需 要 评 估 陶 瓷 材 料 无 磁 绝 缘 的, 可 以 用 来 制 造 无 磁 及 完 全 电 绝 缘 的 场 合 使 用 的 轴 承 4. 陶 瓷 轴 承 国 内 外 技 术 发 展 状 况 国 外 陶 瓷 轴 承 技 术 近 年 发 展 较 快, 应 用 领 域 不 断 扩 大, 国 外 各 大 轴 承 公 司 SKF,NSK,INNA,NTN,KOYO SNFA 等 均 规 模 生 产 制 造 陶 瓷 轴 承, 轴 承 公 差 等 级 达 到 P4 级 以 上, 主 要 轴 承 种 类 为 : 高 速 主 轴 陶 瓷 球 轴 承 耐 高 温 耐 腐 蚀 无 磁 全 陶 瓷 轴 承 运 动 器 材 陶 瓷 球 轴 承 等 陶 瓷 球 制 造 球 较 著 名 的 公 司 为 : 法 国 SAINT-GOBAIN 公 司, 日 本 的 NTK 公 司 TTC 公 司 TSB 公 司 等 ; 烧 结 方 法 主 要 为 : 热 等 静 压 烧 结 (HIP) 气 氛 压 力 烧 结 (GPS) 陶 瓷 球 公 差 等 级 达 到 G3, 国 外 陶 瓷 球 及 陶 瓷 球 轴 承 的 实 物 质 量 水 平 见 表 2 表 2 陶 瓷 球 质 量 水 平 项 目 产 地 圣 戈 班 圣 戈 班 圣 戈 班 日 本 日 本

规 格 4 4.763 7.144 7.938 12.7 公 差 等 级 G5 G5 G5 G3 G3 球 形 误 差 /μm 0.08 0.05 0.05 0.04 0.03 表 面 粗 糙 度 Ra/μm 0.008 0.007 0.007 0.007 0.006 单 球 振 动 /db 28 28 29 28 28 密 度 /g.cm -3 3.20 3.22 3.21 3.26 3.26 硬 度 HV10 1650 1680 1670 1640 1670 孔 隙 度 /% 0.02 0.02 0.02 0.02 0.02 断 裂 韧 性 /MPa.m 1/2 7.2 7.8 7.6 6.2 6.4 压 碎 载 荷 比 /% 53 38.6 44.5 52 53 5. 陶 瓷 轴 承 的 应 用 领 域 随 着 陶 瓷 制 造 技 术 的 发 展, 陶 瓷 轴 承 的 应 用 领 域 已 经 非 常 广 泛, 在 此 介 绍 陶 瓷 轴 承 的 典 型 应 用 领 域 5.1 高 速 领 域 一 般 认 为, 在 轴 承 d m n 值 低 于 2 10 6 mm.r.min -1 外 圈 接 触 应 力 低 于 2000MPa 时, 使 用 钢 制 轴 承 能 够 满 足 要 求 ; 在 轴 承 d m n 值 要 求 更 高 特 别 是 轴 承 外 圈 接 触 应 力 高 于 2000MPa, 由 于 钢 轴 承 的 强 度 极 限 低 于 一 定 的 接 触 应 力, 只 有 陶 瓷 球 轴 承 才 能 满 足 极 高 速 度 的 要 求 ; 随 着 陶 瓷 球 制 造 成 本 的 降 低, 陶 瓷 球 轴 承 设 计 优 化, 轴 承 润 滑 方 面 的 因 素, 使 陶 瓷 轴 承 的 应 用 速 度 范 围 向 较 低 的 转 速 特 性 值 d m n 方 向 推 进 机 床 主 轴 轴 承 : 加 工 机 床 特 别 是 加 工 中 心, 以 提 高 加 工 效 率 和 加 工 精 度 为 目 的 而 要 求 高 速 化, 陶 瓷 轴 承 的 应 用 使 机 床 主 轴 轴 承 的 转 速 特 性 值 d m n 值 油 气 润 滑 条 件 下 达 到 2 10 6 mm.r.min -1 以 上 脂 润 滑 条 件 下 达 到 1 10 6 mm.r.min -1 而 且 摩 擦 特 性 温 升 特 性 刚 度 等 得 到 极 大 改 善, 在 机 床 主 轴 中 广 泛 应 用 各 国 主 轴 轴 承 型 号 如 下 : 日 本 NSK 公 司 陶 瓷 球 轴 承 主 要 型 号 包 括 :8BNT10FSN24~ 30BNT10FSN24 系 列, 轴 承 内 径 :8~30mm, 接 触 角 :12 ;40BNC10SN24~ 100BNC10SN24 系 列 ( 相 当 于 我 国 的 B7000C/HQ1 系 列 ), 轴 承 内 径 :40~100mm, 接 触 角 :15 ;35BNC19SN24~100BNC19SN24 系 列 ( 相 当 于 我 国 的 B71900C/HQ1 系 列 ), 轴 承 内 径 :35~100mm, 接 触 角 :15 ; 法 国 SNFA 公 司 是 世 界 生 产 高 速 精

密 主 轴 轴 承 最 著 名 的 轴 承 公 司 之 一, 该 公 司 陶 瓷 球 轴 承 主 要 型 号 和 极 限 转 速 见 表 4 表 中 所 列 VEX 系 列 9CE1 接 触 角 15, 相 当 于 我 国 的 B7000C/HQ1 系 列,9CE3 接 触 角 25,VEB 系 列 相 当 于 我 国 B71900C/HQ1 系 列 牙 钻 轴 承 : 牙 科 工 具 的 超 高 速 化 和 组 件 化, 转 速 达 到 40 10 4 以 上, 充 分 发 挥 了 陶 瓷 球 轴 承 的 高 速 特 性 电 主 轴 轴 承 : 陶 瓷 球 轴 承 使 电 主 轴 转 速 提 高 30%, 寿 命 是 钢 制 轴 承 的 2 倍 以 上 涡 轮 增 压 器 轴 承 气 动 工 具 轴 承, 也 已 开 始 批 量 应 用 5.2 极 限 温 度 环 境 高 温 轴 承 : 全 陶 瓷 轴 承, 采 用 固 体 润 滑, 可 在 500 --1000 下 可 靠 工 作, 如 烘 箱 和 热 处 理 设 备 轴 承 等, 熔 融 盐 及 熔 融 金 属 设 备 轴 承 等 混 合 陶 瓷 轴 承 可 使 轴 承 在 200 --400 下 长 期 工 作, 如 热 风 装 置 轴 承, 外 球 面 轴 承 座 及 外 球 面 轴 承 等 低 温 轴 承 : 利 用 陶 瓷 良 好 的 摩 擦 特 性, 用 于 低 温 环 境, 在 - 180 以 下 稳 定 工 作, 如 液 氧 泵 轴 承 5.3 腐 蚀 环 境 利 用 陶 瓷 良 好 的 耐 腐 蚀 特 性, 使 得 陶 瓷 轴 承 可 以 用 于 多 种 腐 蚀 环 境, 在 腐 蚀 环 境 下 长 时 间 工 作 如 化 工 设 备 食 品 加 工 设 备 自 行 车 等 室 外 运 动 装 备 等 5.4 绝 缘 磁 性 环 境 利 用 陶 瓷 的 绝 缘 和 非 磁 性 特 性, 陶 瓷 轴 承 用 于 电 动 机 和 发 电 机 等 存 在 电 蚀 的 场 合, 以 及 用 于 存 在 磁 性 需 要 轴 承 良 好 转 动 的 场 合 如 电 力 机 车 风 电 设 备 核 磁 共 振 医 疗 设 备 等, 日 本 KOYO 公 司 开 发 了 内 径 12mm 75mm 的 防 止 电 蚀 ( 绝 缘 ) 电 机 专 用 混 合 陶 瓷 轴 承, 型 号 为 3NC6201ZZC3 3NC6315ZZC3 5.5 航 空 航 天 领 域 随 着 各 国 对 航 空 航 天 器 向 尖 端 方 向 发 展, 航 空 航 天 器 的 工 作 条 件 越 来 越 苛 刻, 有 些 场 合 金 属 材 料 已 经 不 能 满 足 要 求, 甚 至 不 能 使 用, 各 国 已 经 在 航 空 航 天 领 域 较 多 的 采 用 陶 瓷 轴 承, 如 飞 机 燃 气 轮 机 主 轴 轴 承, 宇 航 装 备 轴 承 等 综 上 所 述, 陶 瓷 轴 承 的 应 用 领 域 非 常 广 泛, 有 广 阔 的 发 展 空 间 和 前 景 表 3 陶 瓷 球 常 规 用 途 示 例

球 公 差 等 级 材 料 等 级 G3 G5 G10,G16 G20 Ⅰ 级 高 速 动 力 设 备 太 空 机 械 装 置 航 空 仪 表 液 氧 泵 主 轴 轴 承 关 键 航 空 部 件 真 空 设 备 Ⅱ 级 涡 轮 分 子 泵 牙 钻 高 效 机 械 工 具 角 接 触 球 轴 承 高 速 设 备 中 低 速 马 达 精 密 星 形 轴 承 检 测 球 分 离 球 球 形 螺 旋 桨 ( 非 太 空 用 ) Ⅲ 级 运 动 娱 乐 食 品 加 工 机 械 装 置 6. 陶 瓷 轴 承 技 术 发 展 趋 势 随 着 技 术 发 展 和 进 步, 虽 然 陶 瓷 轴 承 的 已 在 多 种 场 合 和 环 境 应 用, 仍 需 在 以 下 方 面 进 行 不 断 研 究 和 开 发 : 陶 瓷 材 料 体 系 开 发, 以 适 应 不 同 的 场 合 如 更 耐 腐 蚀, 更 耐 高 温 陶 瓷 轴 承 零 件 无 损 检 测 技 术, 需 要 开 发 可 靠 高 效 的 检 测 方 法 和 仪 器 陶 瓷 轴 承 优 化 设 计 技 术 陶 瓷 轴 承 基 础 理 论 研 究 陶 瓷 轴 承 制 造 成 本 的 降 低, 使 陶 瓷 轴 承 更 加 经 济 陶 瓷 轴 承 摩 擦 学 特 征 研 究 陶 瓷 轴 承 高 效 加 工 技 术 开 发 ( 张 永 乾 : 教 授 级 高 工, 洛 阳 轴 研 科 技 股 份 有 限 公 司 特 种 材 料 开 发 部 部 长, 中 轴 协 技 委 会 滚 动 体 专 委 会 秘 书 长 ) BEARING 2010 2010 上 海 国 际 轴 承 峰 会 演 讲 之 二 十 一 (2010/9)