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陶瓷球

在工程用陶瓷產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用過程中，陶瓷球軸承是工程陶瓷在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的典型范例。陶瓷球軸承具有使用壽命長（鋼質(zhì)軸承的2-5倍）、轉(zhuǎn)速高、整體精度和剛度好、熱穩(wěn)定性能好以及無磁性等優(yōu)異的綜合性能，在高溫、高速、高精度、酸堿腐蝕、電腐蝕、強磁場、無潤滑或介質(zhì)潤滑等工作條件下具有非常廣闊的應(yīng)用前景。在高速精密陶瓷球軸承中，應(yīng)用最多的是混合陶瓷球軸承，即滾珠采用的是陶瓷球，軸承圈仍為鋼圈。這種軸承的標(biāo)準(zhǔn)化程度比較高，對機床結(jié)構(gòu)不會有太大的改動，便于維護保養(yǎng)，特別適合于高速運行場合．其組裝的高速電主軸，具有高速、高剛度、大功率、長壽命等優(yōu)點。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斯凱孚（SKF）、德國的FAG、法國的圣戈班、日本的NTN、光洋精工株式會社（KOYO）、美培亞株式會社（NMB）、兆湟精工株式會社（MSRHK）等。其中NTN作為世界綜合性精密機械制造廠家之一，是世界第五大軸承生產(chǎn)商。其各種軸承產(chǎn)品，是以0.01 μm為單位的高精度加工和檢測技術(shù)生產(chǎn)出來的，現(xiàn)在已經(jīng)開始使用于軌道衛(wèi)星、航空、鐵道與汽車、機械設(shè)備等領(lǐng)域。

針對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。精密陶瓷球與傳統(tǒng)的軸承鋼相比，具有密度小、硬度高、彈性模量高（剛度高）、耐磨損、熱膨脹系數(shù)低、熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定好、絕緣、無磁等極為優(yōu)良的綜合性能。其中氮化硅被認(rèn)為是制造軸承滾動體的最佳材料，并在陶瓷球軸承應(yīng)用上獲得很大成功。陶瓷球軸承可以在不加任何油脂的情況下運作，避免了普通軸承中因為油脂干掉導(dǎo)致的軸承過早損壞現(xiàn)象的發(fā)生。目前陶瓷球已廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、石油、化工以及高速精密機械等諸多領(lǐng)域。

表1 鋼與氮化硅陶瓷性能對比

一、陶瓷球簡介

（一）常見材料及特性

市場上應(yīng)用的陶瓷球主要有氮化硅陶瓷球（Si3N4）、氧化鋯陶瓷球（ZrO2）、碳化硅陶瓷球(SiC)、高純氧化鋁陶瓷球（Al2O?）四種。Si3N4因綜合性能優(yōu)越，成為目前應(yīng)用最為廣泛的品種。精密陶瓷球可代替鋼球的原因是具有低密度、中等彈性模量、低熱膨脹系數(shù)和優(yōu)良的內(nèi)在化學(xué)特性等特點，而其最重要特點在于失效形式與軸承鋼一樣，是以具有先兆的剝落方式出現(xiàn)，而ZrO?、Al?O?均以碎裂這種破壞性的失效形式出現(xiàn)，因此ZrO?、Al?O?應(yīng)用相對較少。下表進行對四種材料主要性能進行簡要對比。

表2 四種材料性能對比

1．氮化硅

氮化硅陶瓷材料重量輕、表面細(xì)微、高滋潤型、耐磨耗、韌性高、耐高溫1400℃、不易變形。Si3N4全陶瓷軸承相比較ZrO2材料可適用于更高轉(zhuǎn)速及負(fù)荷能力，以及適用于更高的環(huán)境溫度。氮化硅陶瓷的熱膨脹系數(shù)僅為軸承鋼的1/4，減少軸承對溫度變化的敏感，有助于防止卡死。同時可用于高速高精度高剛性主軸的精密陶瓷軸承，最高制造精度達(dá)P4至UP級。

2．氧化鋯

氧化鋯陶瓷工業(yè)環(huán)境中不氧化、不易被腐蝕、無磁性、耐高溫1000℃、不易變形、熱膨脹系數(shù)與金屬相近、但耐強酸強堿腐蝕性弱。每立方厘米的密度高達(dá)5.95-6.05g/cm3，在四種常用于制作陶瓷球體的材料(Si3N4,SiC, Al2O3, ZrO2)中，氧化鋯陶瓷的韌性度較高，可達(dá)到10MPa·m1/2以上，熱膨脹系數(shù)接近于金屬的熱膨脹系數(shù)，能滿足與金屬良好的貼合需求。氧化鋯陶瓷具有自潤滑性，可以解決潤滑介質(zhì)造成的污染和添加不便等問題；耐腐蝕好，在中等酸、中等堿、海水等介質(zhì)中亦可使用；耐高溫，氧化鋯陶瓷在600℃時，強度、硬度幾乎不變；不導(dǎo)磁、絕緣性，磁場中亦可使用。但是尺寸穩(wěn)定性隨溫度變化較大，滾動疲勞接觸失效形式為破壞性碎裂，在一些關(guān)鍵場合不如氮化硅材料穩(wěn)定。

3．碳化硅

碳化硅陶瓷在四種具有使用上限溫度最高、高溫下強度高、熱傳導(dǎo)率最高、抗熱沖擊性最好、彈性模量最高、密度最低等特點、耐腐蝕性最好，可以耐濃氫氟酸和加熱的混合強酸，可用于極強的耐腐蝕環(huán)境中。

4. 氧化鋁

氧化鋁陶瓷球的主要成分是高質(zhì)量氧化鋁，其抗彎強度可達(dá)250MPa，熱壓產(chǎn)品抗彎強度可達(dá)500MPa，并且具有優(yōu)良的抗磨損性能，被廣泛運用于制造磨輪、陶瓷釘、軸承等。

（二）陶瓷球精度等級

市場上對陶瓷球精度進行了等級劃分，表3與表4分別列出了專業(yè)評判標(biāo)準(zhǔn)術(shù)語的解釋以及國際通用等級標(biāo)準(zhǔn)。通?？蓱?yīng)用于軸承的陶瓷球精度在G100以上，用于高精密軸承的在G3-G20間。

表3 精密度等級重要指標(biāo)

表4國際通用標(biāo)準(zhǔn)（ISO3290-1:2014）（單位為μm）

三、國際產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

以應(yīng)用最為普遍的氮化硅陶瓷球為例，目前國內(nèi)加工的陶瓷氮化硅軸承球精度僅能夠滿足 G5 級水平，而日本椿中島、AKS、瑞典 SKF 等供應(yīng)商的氮化硅軸承球的精度可以達(dá)到 G3 級、G2 級，其配套的精密軸承噪音小、轉(zhuǎn)速高、壽命長，綜合性能優(yōu)于國內(nèi)產(chǎn)品。我國陶瓷球還存在陶瓷軸承球批量生產(chǎn)成形效率低的問題，尤其對于生產(chǎn)規(guī)格為2 mm以下的小球時，坯體球形度差、產(chǎn)量低的問題尤為突出。對于高精度氮化硅軸承球，其后期精加工難度相對較大。因此，國內(nèi)高端氮化硅陶瓷軸承球 90% 依賴進口。

下表列出了國內(nèi)外陶瓷球相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)。除下表外所列企業(yè)外，日本日化陶股份有限公司、日本NGK等公司也在陶瓷球方面持續(xù)更新專利布局。

表5-國內(nèi)外陶瓷球相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)