当前位置:首页 > 粉体资讯 > 粉体应用技术 > 正文
先进陶瓷 | 陶瓷轴承材料的应用特点
2021年11月18日 发布 分类:粉体应用技术 点击量:112
觉得文章不错?分享到:

先进陶瓷的应用真不少。这类特殊的材料由离子键和共建件组合,不仅具有优异的耐高温、耐化学腐蚀、抗侵蚀、良好的生物相容性,还具有优异特殊的电学、光学、磁学、压电和热电等功能特性,广泛应用于机械化工、生物医疗、电子电器、新能源、核电、航空航天、国防军工等领域。今天我们一起来看看它的一个细分门类:陶瓷轴承材料。

素材来源:CAC2021先进陶瓷展展品

陶瓷轴承是一个总称呼,可细分为全陶瓷轴承和混合陶瓷轴承(半陶瓷轴承)两种。轴承中常见陶瓷材料有:氮化硅、氧化铝、氧化锆和碳化硅这几种。

一、混合轴承

混合陶瓷轴承一般由轴承钢制成的套圈和轴承级的氮化硅滚动体组装而成,具有电绝缘特性。与带钢滚动体的轴承相比,混合陶瓷轴承(下文主要以氮化硅滚动体为例说明)的优点包括:

陶瓷混合轴承

①、防止电流腐蚀

电机运行时,转轴两端之间或轴与轴之间产生的电位差叫做轴电压。若轴两端通过电机机座等构成回路,则在轴电压的作用下产生轴电流。轴电流是轴电压通过电机、轴承、定子机座或辅助装置构成闭合回路产生,因正常情况下轴电压较低,轴承内的润滑油膜能起到绝缘作用而扼制轴电流产生;但当轴电压较高,或电机起动瞬间油膜未稳定形成时,轴电压将使润滑油膜放电击穿形成通路产生轴电流。

轴电流局部放电能量释放产生的高温,可以融化轴承内圈、外圈或滚珠上许多微小区域,并形成凹槽,从而产生噪声、振动,若不能及时发现处理将导致轴承失效,对生产带来极大影响。变频调速系统中高频轴电流对轴承的电蚀最显著的特征是在电机轴承内外圈、滚珠上产生搓板式密密的凹槽条纹。从根本上消除电机的轴电流有哪些办法呢?一是增加泄流装置,即加装旁路电刷,轴电流绕过轴承泄掉;二是采用绝缘轴承,阻断轴电流通过轴承的路径,为了阻断轴电流通路,电机至少有一端要用电绝缘轴承。


因轴电流腐蚀产生的搓板式的密密凹槽条纹

电流常会发生在轮对轴承和牵引电机(轨道车辆)、直流和交流电机(动力传输系统)及发电机(风电)上。电流会可能导致滚道和滚动体的损坏及润滑剂的老化,从而引起电机或发电机过早发生故障,造成维修费用的增加并带来停机停产等造成的损失。解决这些问题的最佳方案就是使用电绝缘轴承。无论是内圈还是外圈带陶瓷涂层的轴承都称为绝缘轴承。陶瓷涂层能够防止电流通过,具有绝缘的能力。混合式轴承的滚动体由陶瓷制成,由滚动体来防止电流通过,因此也具有绝缘能力,而且具备比陶瓷涂层更加持久的绝缘能力


在风电机组的发电机应用中,经常指定要使用混合陶瓷轴承

②、有效提高转速

氮化硅滚动体的密度比相同尺寸的轴承钢滚动体的密度低60%。较轻的重量和惯性形成更高的速度性能,这使轴承的快速启动和停止能力出众。此外,陶瓷球具有无油自润滑属性,陶瓷球摩擦系数小,所以陶瓷球轴承具有很高的转速.计统计采用陶瓷球的轴承是一般轴承的转速1.5倍以上的转速

混合型陶瓷轴承已成功地应用于高速机床的主轴中,并已进入实用化阶段,如日本牧野等公司生产的HPM型超精密车床等,主轴转速为16000r/min,而美国MIKRO公司生产的HSM700高速加工中心,主轴转速已达到42000r/min,切削速度提高了5~10倍此外,混合型陶瓷轴承还用应在电主轴、涡流分子泵等高转速的设备中

③、使用寿命长

混合陶瓷轴承中摩擦产生的热量较低,特别是在高速下,这有助于延长轴承使用寿命和延长再润滑间隔,可以大大降低轴承检修带来的停工损失及维护成本增加。

④、高硬度和高韧性

氮化硅滚动体具有更高的硬度及极佳的韧性,这两个特性相结合可获得较好的表面粗糙度,而且能防止外界硬质粒子和冲击的损伤,耐磨损能力强

⑤、轴承刚度更高

轴承的刚度是指在负荷作用下,轴承出现弹性变形的程度。刚度影响到轴承振动、噪声、寿命和旋转精度等各方面是轴承分析中的一个重要性能参数。这种变形一般很小,可以忽略不计但在某些应用,例如机床主轴的轴承或小齿轮轴承,刚度就非常重要。

氮化硅陶瓷的硬度比轴承钢高1倍,弹性模量约高1/3,在相同载荷的条件下,氮化硅陶瓷的弹性变形小,所以,使用陶瓷球混合轴承的机床主轴具有良好的运转精度。

⑥、对温度变化的敏感度较低

氮化硅滚动体具有较低的热膨胀系数,热膨胀系数小有助于减小对温度变化的敏感性,从而防止卡死。对混合滚子轴承,可适用的运转速度范围更宽。

目前陶瓷混合轴承广泛用于电动机、航空航天应用、高性能赛车、实验室设备、水下应用等。陶瓷混合轴承可轻松满足达到更高速度、更低摩擦和更长寿命的要求。

二、全陶瓷轴承

全陶瓷轴承的座圈和滚珠均由陶瓷材料制成,相比于混合轴承材料,全陶瓷轴承加工难度更大。尽管混合轴承在许多应用领域已经表现的很不错,但是在非常极端的少数领域。全陶瓷轴承分为带保持器及不带保持器的,不带保持器的全陶瓷轴承可以在极高的温度下继续运行,全陶瓷轴承具有高度的耐腐蚀性,可耐受大多数常见的酸,它们在暴露于水或盐水中时不会腐蚀。


氮化硅全陶瓷轴承

全陶瓷轴承的一些典型应用领域有核磁共振设备,高度真空环境,半导体制造,放疗及其它需要抗腐蚀性、不导电或无磁性的应用环境。

如下是几款典型的全陶瓷轴承的应用特点

ZrO2全陶瓷轴承

ZrO2全瓷轴承具有优良的耐高低温、耐高压、耐腐蚀、抗磁绝缘、自润滑等性能。因此,它能够在特殊环境下工作。

 

不带保持器的氧化锆陶瓷轴承可以在高达400℃的环境中使用。

 

Si3N4全陶瓷轴承

Si3N4全瓷轴承除了具有ZrO2全瓷轴承的所有性能外,还具有重量轻、耐磨性好、硬度高等特点。与采用ZrO2材料的全瓷轴承相比,采用Si3N4材料的全瓷轴承更适合于高转速、高承载能力的轴承,并且能够抵抗比ZrO2材料更高的温度。此外,它具有良好的高温强度、机械抗氧化能力、高温承载能力,并能够抵抗腐蚀性气体。

 

不带保持器的氧化锆陶瓷轴承可以在高达1100℃的环境中使用。

耐氢氟酸耐磨SiC陶瓷轴承

与其他类型的陶瓷材料相比,全陶瓷轴承碳化硅材料具有更高的耐化学腐蚀性、更好的强度、更高的硬度、更高的耐磨性、低的摩擦性能,更适合于最高温度。

 

不带保持器的氧化锆陶瓷轴承可以在高达1400℃的环境中使用。

Al2O3 陶瓷轴承

氧化铝陶瓷轴承采用氧化铝含量为99%的氧化铝陶瓷。其滚动体也采用氧化铝陶瓷。

 

不带保持器的氧化铝陶瓷轴承可以在高达1400℃的环境中使用。

 

编辑:粉体圈Alpha

版权声明:  

本文为粉体圈原创作品,未经许可,不得转载,也不得歪曲、篡改或复制本文内容,否则本公司将依法追究法律责任。

相关内容:
 

粉体求购:

设备求购:

寻求帮助:

合作投稿:

粉体技术:

关注粉体圈

了解粉体资讯