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。
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 |
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 |
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。
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 | ** |