陶瓷球特性

用陶瓷材料替代軸承鋼等金屬材料做軸承,目的在於利用前者比後者更好的後者本來就不具備的耐磨、耐蝕、耐高溫、電絕緣(除SIC)、不導磁、高強度、高剛度、比重小等性能。使用陶瓷材料可使軸承在速度更高、環境更苛刻及低潤滑場合下正常運行,並能減少磨損、降低噪聲、減少振動、使維護更容易,從而達到更長的軸承使用壽命,並大幅提高其性能和可靠性。

 

適用於做軸承的陶瓷材料主要有氮化硅(Si3N4)、氧化鋯(ZrO2)、氧化鋁(AI2O3)和碳化硅(SIC),通過比較可知(表1),Si3N4綜合性能優越,已成為陶瓷軸承的首選材質。Si3N4的重要特點在於其失效形式與軸承鋼相同,以具有先兆的剝落方式出現,而ZrO2、AI2O3和SIC均以碎裂這種突發性的失效形式出現。

 

精密陶瓷軸承
精密陶瓷軸承
精密陶瓷軸承

表1 陶瓷材料與鋼材料的基本性能數據對比表

項目 單位

軸承鋼 不銹鋼 氮化硅
(Si3N4
氧化鋯
(ZrO2
碳化硅
(SIC)
氧化鋁
(AI2O3
密度

g/cm3

7.85

7.90

3.20~3.30

5.90~6.00

3.10

3.95

熱膨脹系數

10-6/k

10.0

11.0

3.2

10.5

4.5

8.5

彈性模量

GPa

208

200

300~320

210

>350

380

泊松比

 

0.30

0.30

0.26

0.30

0.20

0.22

硬度

 

700
60~66

50~60

1300~1600
75~80

1000~1200
70

>2100
85~90

1600~1800
80

彎曲強度

MPa

2400

 

600~1000

600~900

>450

300~500

斷裂韌性

MPa‧M1/2

25.0

 

5.0~7.0

6.0~8.0

3.0~5.0

3.0~4.0

熱導率

W/mk

30~40

15

35

2~3

150

30

比電阻率

Ω‧mm2 /m

0.1~1

0.75

108~1018

105~1015

10~103

108~1018

最高使用溫度

°C

120

300

800

 

1400

 

耐酸鹼
耐腐蝕性能

 

應力循環次數

次數

107

 

107~109

105

 

 

無潤滑油摩擦

 

 

磁性

 

旋轉離心力

 

較大

運轉溫升

 

 

 

尺寸穩定性   隨溫度變化
較大
隨溫度變化
較大

隨溫度變化
較大

隨溫度變化
較大

絕緣性

 

不絕緣

不絕緣

絕緣

絕緣

不絕緣

絕緣

滾動接觸
疲勞失效形式

 

剝落

剝落

剝落

碎裂

碎裂

碎裂

 

陶瓷軸承系列

氧化鋯全陶瓷軸承

01

全陶瓷軸承具抗磁電絕緣、耐磨耐腐蝕、無油自潤滑、耐高溫耐高寒等特點,可用於極度惡劣的工作環境。套圈及滾動體採用氧化鋯(ZrO2)陶瓷材料,保持器使用聚四氟乙烯(PTFE)作為標準配置,一般也可使用玻璃纖維增強的尼龍66(GRPA66-25),特種工程塑料 (PEEK,PI),不銹鋼(AISI SUS316、SUS304),黃銅(Cu)等。

氮化硅全陶瓷軸承

02

氮化硅全陶瓷軸承套圈及滾動體採用氮化硅(Si3N4)陶瓷材料,保持器使用聚四氟乙烯(PTFE)作為標準配置,一般也可使用GRPA6-25, PEEK,PI,以及酚醛布膠木管等。Si3N4全陶瓷軸承與ZrO2全陶瓷軸承比較,Si3N4材料可適用於更高轉速及負荷能力,以及適用於更高的環境溫度。同時可提供用於高速高精度高剛性主軸的精密陶瓷軸承,最高製造精度達P4級以上。

裝滿球全陶瓷軸承

03

滿裝球型全陶瓷軸承一面填添球缺口,因採用無保持架結構設計,可以比標準結構的軸承裝入多的陶瓷球,從而提高其徑向負荷能力,另外還可避免因保持架材料的限制,可達到陶瓷保持架型全陶瓷軸承耐腐蝕及耐溫效果。該系列軸承不適宜較高轉速,安裝時應注意將缺口面裝於不承受軸向負荷的一端。因該軸承內外 圈具填球缺口,故不適合有較大軸向負荷場合應用。

混合球陶瓷軸承

04

陶瓷球特別是氮化硅球具有低密度、高硬度、低摩擦系數、抗磁電絕緣、耐磨、自潤滑及剛性好等特點,特別適合做高速、高精度及長壽命混合陶瓷球軸承的滾動體(內外圈為金屬)。一般內外圈採用軸承鋼(GCr15)或不銹鋼(AISI440C,316 304),陶瓷球可選用ZrO2,Si3N4,或SIC材料。

全陶瓷保持架

05

陶瓷製保持架具有耐磨損、高強度、耐腐蝕及自潤滑的優點,採用陶瓷保持架製造的全陶瓷軸承可使用於極強腐蝕,超高低溫及高真空等嚴苛環境。常用保持架陶瓷材料為ZrO2

 

全陶瓷軸承安裝使用說明

一、陶瓷軸承的安裝

06

安裝軸承時,務須在套圈的端面的圓周上施加均等的壓力,為將套圈裝入,嚴禁用榔頭等重物直接敲擊套圈端面以免損傷軸承。

 

此外,如果對套圈的某一方(例如外圓)壓入,這往往要在滾動面上造成壓痕或擦傷,萬不可採用,尤其是將非分離型軸承同時安裝于軸或軸承箱上時,如圖所示,用墊鐵將內外圈均衡的壓入。

二、陶瓷軸承的配合

( 一 ) 過盈量

將滾動軸承的內圈及外圈固定在軸或軸承箱上。當其承受負荷時,使套圈和軸承箱配合面不發生徑向軸向及方向的相對運動。這種相對的運動將配合面上發生磨損,摩擦腐蝕或摩擦裂紋等,以造成軸承,軸及軸箱的損傷,進而磨損粉混入軸承內部,導致運轉不良,異常發熱或振動等原因。 關於固定軸承的方式,以在套圈與軸或軸承箱的配合面上留出過盈量進行配合為最佳,該配合可使薄壁套圈的負荷均等的分佈在圓周上,不致影響軸承的負荷能力。 但是採用靜配合可,除安裝拆除軸承不方便之外,自由側軸承採用分離軸承時,無法轉向移動,所以並不能用於所有場合,安裝中有關問題請與我公司聯繫。

 

( 二 ) 配合的選擇

配合的選擇一般按下述原則進行。 根據作用軸承的負荷方向,性質以及內外圈的哪一方向旋轉,則各套圈所承受的負荷可分為旋轉負荷,靜止負荷和不定向負荷。承受旋轉負荷及不定向負荷的套圈應取靜配合(過盈配合)承受靜止負荷的套圈,可取過盈配合或動配合(游隙配合)。

 

軸承負荷大或承受振動,衝擊負荷時,其過盈須增大,採用空心軸,薄壁軸承箱或輕合金。塑膠制軸承箱時,也須增大過盈量。要求保持高度旋轉精度時,須採用高精度軸承,並提高軸及軸承箱的尺寸精度,避免過盈過大。

 

如果過盈過大,可能使軸或軸承箱的幾何形狀精度影響軸承套圈的幾何形狀,從而損害軸承的旋轉精度,若分離型軸承 (如深溝球軸承) 內外圈都採用靜配合,則軸承安裝、拆卸極為不方便,最好將內外圈的某一方採用動配合。

 

我公司目前生產的陶瓷軸承主要有五大類,即耐高溫軸承、耐腐蝕軸承、高速軸承、防磁和電絕緣軸承,共計四種精度等級,P4、P5、P6、P0其中:

 

(1) 耐高溫軸承使用溫度:200°C~1000°C

(2) 耐腐蝕軸承可在以下各種濃度:

  • a.硫酸、硝酸、鹽酸等強酸;
  • b.氫氧化鈉、氫氧化鉀等強碱;
  • c.無機、有機鹽和海水等介質中使用;

(3) 高速軸承可使用於:DmN值≦3 X 106的高速磨頭、高速主軸軸承以及其它非標準設備上;

(4) 防磁軸承可應用於各種隔磁、防磁機械和設備上,如:CT檢測儀、電解磨床等;

(5) 電絕緣軸承可應用於各種要求電絕緣的機械設備中。

 

軸承的使用壽命往往和選型、工作條件密切相關。選型的錯誤給整體機械設備帶來的不穩定的突發因存在,它常常使轉動機構損壞、維修工作量加大,停機、停產給企業造成巨大損失。而且往往又由于軸承選型的錯誤,把設備故障都歸結到軸承的性能、精度、選材及壽命達不到使用要求等原因上來。為了選擇最合適的軸承,需要從各種角度研究。首先考慮軸承的排列、安裝、拆卸的難易度、所允許的空間、尺寸等,初步決定軸承的結構。通過分析主機的設計壽命和對軸承的性能要求,以此決定軸承的尺寸。其次,選擇軸承時,除了考慮疲勞壽命外,潤滑脂壽命、摩擦磨損、振動噪音等也在考慮範圍中。根據用途應選擇不同精度的等級、游隙、潤滑脂的軸承、或對保持架、密封圈等進行特殊設計的軸承。但是,選擇軸承沒有一定的順序、規則。主要考慮與其使用條件、性能要求等,關係最為密切的事項。

 

因此,陶瓷軸承應用選型時請盡可能注意軸承使用的工作條件,如: a.軸承的轉速 b.工作溫度 c.工作方式d.工作介質e.潤滑方式f.工作載荷g.要求壽命等。

 

 

軸承常用材料性能對照表

性能

單位

GCr15

(軸承鋼)

9Cr18

(不銹鋼)

Si3N4

(氮化硅)

ZrO2

(氧化鋯)

密度 g/cm3 7.8 7.9  3.2 6
熱膨脹 10-6 /°C 11 17  3.2 10.5
彈性模量 Gpa 208 200  320 210
泊松比   0.3 0.3  0.26 0.3
硬度   800 700  1700 1300
抗彎強度 Mpa 2400 2600  900 1000
抗壓強度 Mpa      3500 2000
韌性 Nm/cm2 20 25  7 11
熱導率 W/mk 30-40 15  3.5 2.5
比電阻 mm2/m 1 0.75  1018 1015
比熱 J/KgK 450 450  800 400
使用溫度 120 150  1000 800
耐腐蝕    強
應力循環次數   10*106 10*106  50*106 50*106
流動接觸疲勞失效形式   剝落 剝落 剝落 剝落/斷裂
磁性  
尺寸穩定性  
絕緣性   不絕緣 不絕緣

 

陶瓷材料耐腐蝕性能表

介質 分子式 含量(%) 溫度 耐蝕性
AL 100 700゚C 優秀
鹽酸 HCL 10 25゚C 良好
鹽酸 HCL 35 25゚C 良好
硝酸 HNO3 10 25゚C 良好
硝酸 HNO3 63 25゚C 良好
氫氧化鈉+硫酸 NaOH+H2SO4 30 優秀
氫氧化鈉 NaOH 50 25゚C 優秀
硫酸 H2SO4 20 25゚C 優秀
硫酸 H2SO4 98 50゚C 良好

 

稀土陶瓷材料性能表

性能 單位符號 碳化硼 氧化鋁 增韌氧化鋯 氧化鋯 氮化硅 碳化硅
密度 g/cm3 2.4~2.51 3.7~3.99 5.5 6 3.2 3.2
硬度 Kg/mm 2700~3200 2300~2700 1470~1500 1300~1500 1700~2700 2350~2450
抗彎強度 Mpa 350~400 300~400 700 1000~1500 900 450~800
抗壓強度 Mpa 1800~2500 2800~3500 2000 2000 3500 2250~3000
斷裂韌性 Mpa.m-3 / 2 6 2~4 5~6 11 7 4~5
偉伯模數 GPa   > 7 >10 >15 >15 >6
彈性模數 GPa   407 260 210 320 410
泊松比     0.2 0.23 0.3 0.26 0.16
熱漲系數 x10-6/°C 4.5 6.5~8.6 9.4 10.5 3.2 4.3
熱沖貫性 T°C   200 470 250 500 350
電阻 Ω/cm2 0.3~0.8 >1014~1016 >1010 >1010 >1014 100~2
 

氧化鋯全陶瓷軸承的耐腐蝕性

介質 分子式 含量(%) 溫度 耐蝕性
醋酸 CH3COOH 80 沸騰 優秀
醋酸/醋酸酐 CH3COOH+CH3CO 50/80 沸騰 優秀
水+氯化鈉 H2O+NaCl   沸騰 優秀
碳酸 H2CO3   沸騰 優秀
Cu   1400°C 優秀
食物酸     沸騰 優秀
果汁     沸騰 優秀
鹽酸 HCI 35 25°C 良好
鹽酸+氧化鐵 HCI+FaCl2   沸騰 良好
氫氟酸 HF   25°C 不推薦
硝酸 HNO3 83 25°C 良好
硝酸+鹽酸 HNO3+HCI 80+20 沸騰 良好
磷酸 H3PO4 85 25°C 優秀
氫氧化鉀 KOH   25°C 優秀
碳酸鈉+硫酸 Na2CO3+H2SO3 18/20 925°C 優秀
氫氧化鈉 NaOH 50 沸騰 優秀
硫酸 H2SO4 20 25°C 優秀
硫酸 H2SO4 98 50°C 良好
Al 100 700°C 優秀
Zn 100 500°C 良好
 

常用軸承負荷.極限轉速.耐腐蝕性.最高溫度及使用成本對照表

內外圈 保持器 負荷能 極限轉速 耐腐蝕性 最高使用溫度 使用成本
ZrO2 ZrO2 PA ***** ***** ** 90゚C ******
ZrO2 ZrO2 PTFE ***** ***** ******* 180゚C ******
ZrO2 ZrO2 PEEK ***** ***** *****  260゚C ******
ZrO2 ZrO2 PI ***** ***** ***** 300゚C ******
ZrO2 Zr02 滿球無保持架 ***** ****  ******* 400゚C ******
Si3N4 Si3N4 PTFE ****** ****** ******* 180゚C *******
Si3N4 Si3N4 PEEK ****** ****** ***** 260゚C *******
Si3N4 Si3N4 PA ****** ****** ** 90゚C *******
Si3N4 Si3N4 滿球無保持架 ****** ***** ******* 1100゚C *******
Si3N4 Si3N4 PI ****** ****** ***** 300゚C *******
POM 玻璃 PA *** *** ** 90゚C *
POM PA 316 *** *** ** 90゚C *
HDPE 玻璃 HDPE ** ** **** 80゚C *
HDPE HDPE 316 ** ** *** 80゚C *
PP 玻璃 PP ** ** **** 85゚C *
PEEK ZrO2 PEEK *** ***** ***** 260゚C *****
PEEK ZrO2 PTFE *** ***** ***** 180゚C *****
UPE ZrO2 UPE ** ** **** 80゚C ****
PTFE ZrO2 PTFE * * ******* 180゚C ****
PVDF ZrO2 PVDF *** *** ******  150゚C ****
440C 440C 304 ******* ******* * 180゚C *
316 316 316 **** **** *** 180゚C **
304 304 304 **** **** ** 180゚C **
316L 316L 316L **** **** *** 180゚C **
440C ZrO2 304 ****** ****** * 180゚C ***
440C Si3N4 304 ******* ******* * 180゚C ****
316 ZrO2 PTFE **** **** *** 180゚C ****
316 Si3N4 316 **** **** *** 180゚C *****
GCr15 GCr15 08F ******* ******* * 120゚C *
GCr15 ZrO2 08F ****** ****** * 120゚C *
GCr15 Si3N4 08F ******* ******* * 120゚C **