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

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‧M^1/2	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		弱	弱	強	強	強	強
應力循環次數	次數	10⁷		10⁷~10⁹	10⁵
無潤滑油摩擦		大	大	小	小	小
磁性		有	有	無	無	無	無
旋轉離心力		大	大	小	較大	小	中
運轉溫升		高	高	低		低
尺寸穩定性		隨溫度變化較大	隨溫度變化較大	好	隨溫度變化較大	好	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

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

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

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

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

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

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		無	弱	強	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		有	有	無	無
尺寸穩定性		差	差	好	好
絕緣性		不絕緣	不絕緣	好	好

陶瓷材料耐腐蝕性能表

介質	分子式	含量(%)	溫度	耐蝕性
鋁	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	沸	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
銅	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
鋁	Al	100	700°C	優秀
鋅	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	球	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	**