軸承是機(jī)械設(shè)備中一種及其重要的零部件，其主要功能是支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低其運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)，并保證其回轉(zhuǎn)精度，其作用與人體關(guān)節(jié)相似，故素有“機(jī)械的關(guān)節(jié)”之稱。

軸承的使用十分普遍，外露的內(nèi)藏的，在許多你不知道的地方或許都有軸承在默默發(fā)揮作用。不過(guò)隨著工業(yè)技術(shù)的高速發(fā)展，下游對(duì)軸承的性能要求也越來(lái)越高，采用鋼質(zhì)材料的軸承已經(jīng)無(wú)法滿足某些場(chǎng)合的需求，比如說(shuō)水環(huán)境，就是鋼質(zhì)軸承的大敵。

什么軸承更適合在液體中使用？

直到上世紀(jì)80年代，軸承在水下的使用問(wèn)題依舊讓人很頭疼，“有沒有可在水下使用的軸承？”是當(dāng)時(shí)軸承廠商收到最多的問(wèn)題之一。

在當(dāng)時(shí)，陶瓷軸承尚未出現(xiàn)，但許多領(lǐng)域的工作都需要在液體中執(zhí)行，包括近海設(shè)備建造、醫(yī)藥研究和食品生產(chǎn)等。為了完成工作，當(dāng)時(shí)制造商只能選擇帶有不銹鋼軸承的設(shè)備。盡管不銹鋼具有出色的耐腐蝕性，但它始終是一種軟金屬，依舊需要經(jīng)常維護(hù)和更換，使用成本高。因此為了提高軸承的使用壽命，從那時(shí)起多個(gè)制造商便都致力于耐腐蝕軸承的研究。

常用的材料中，傳統(tǒng)的鋼制軸承因環(huán)境相容性不佳而無(wú)法使用；塑料軸承則因疲勞強(qiáng)度、抗蠕變性能差也不予考慮；而陶瓷材料為惰性材料，力學(xué)性能優(yōu)秀且?guī)缀醪慌赂g，在液態(tài)環(huán)境中適應(yīng)良好，是最可靠的選擇。

氮化硅陶瓷的優(yōu)勢(shì)

要知道，液態(tài)環(huán)境往往并不止有普通的水，比如說(shuō)在航天領(lǐng)域某污水回收處理系統(tǒng)中，還需添加一定量的H₂SO₄和強(qiáng)氧化劑，用于抑制溶液中微生物的增長(zhǎng)，因此對(duì)軸承的耐腐蝕性能提出了更高要求。

Si₃N₄對(duì)大多數(shù)酸，諸如鹽酸(HCl)、硫酸(H₂SO₄)、硝酸(HNO₃)和磷酸(H₃PO₄)以及堿，比如苛性納溶液(NaOH)具有良好的耐化學(xué)穩(wěn)定性。只有氫氟酸(HF)和鹽酸、硝酸的混合液(HCl/HNO₃)能對(duì)Si₃N₄產(chǎn)生腐蝕。因此用Si₃N₄做出的陶瓷軸承可長(zhǎng)時(shí)間工作于腐蝕性的酸、堿、鹽等溶液中，在化學(xué)工業(yè)或核動(dòng)力工業(yè)，陶瓷軸承可替代化學(xué)穩(wěn)定性差的鋼質(zhì)軸承，其平均壽命比不銹鋼軸承高4~2 5倍。

氮化硅陶瓷軸承

不過(guò)單純耐腐蝕是不夠的，軸承的服役壽命和性能同樣很重要，在這些方面有著“陶瓷王”稱號(hào)的Si₃N₄材料同樣優(yōu)勢(shì)突出，或者說(shuō)根本不算什么問(wèn)題——它不僅耐腐蝕，而且還具有密度小、硬度高、耐高溫、電絕緣、不導(dǎo)磁、抗壓強(qiáng)度高、自潤(rùn)滑性能好等諸多特點(diǎn)，因此作為軸承材料時(shí)具有下方等諸多優(yōu)勢(shì)：

1.高速運(yùn)轉(zhuǎn)性能

對(duì)一般軸承而言，當(dāng)速度因數(shù)DN值在2.5×10⁶以上，其滾動(dòng)體的離心力便會(huì)隨轉(zhuǎn)速的升高而急劇增大，軸承的滾動(dòng)接觸表面的滑動(dòng)摩擦加劇，軸承的壽命就隨著縮短。但由于氮化硅陶瓷軸承的密度較低，它在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)陶瓷滾動(dòng)體產(chǎn)生的離心力大大低于鋼質(zhì)滾動(dòng)體，使其對(duì)外環(huán)滾道的壓力和交變載荷相應(yīng)減少，與鋼制軸承相比速度可提高30%~60%，溫升降低30%~50%，并且不容易出現(xiàn)“抱軸”現(xiàn)象，其使用壽命比鋼制軸承提高3~6倍；同時(shí)，滾動(dòng)體的離心力大大減少，由于滾動(dòng)體的離心力引起的高速打滑現(xiàn)象也大大降低，從而使?jié)L動(dòng)體、保持架組件的慣性力顯著減少。

2.高溫性能

溫度變化對(duì)軸承的滾動(dòng)疲勞壽命會(huì)產(chǎn)生較大影響，通常作為耐熱材料使用的M50鋼制軸承在250℃時(shí)的額定壽命約為常溫下的1/10。而對(duì)于陶瓷軸承，由于陶瓷材料具有優(yōu)異的高溫性能，在高溫工況下具有很好的滾動(dòng)疲勞強(qiáng)度，試驗(yàn)結(jié)果表明，在1000℃高溫下Si₃N₄還保持相當(dāng)高的抗彎強(qiáng)度，因此陶瓷軸承有較好的接觸應(yīng)力和較長(zhǎng)的疲勞壽命。

3.與金屬軸承材料相似的疲勞損壞方式

Si₃N₄陶瓷作為軸承材料除了以上優(yōu)異性能外，更重要的是其疲勞損壞方式是非災(zāi)難式的，與軸承鋼金屬材料類似是發(fā)生蝕坑或出現(xiàn)剝落，而氧化鋁、氧化鋯與碳化硅陶瓷球的失效形式為碎料。另外，氮化硅陶瓷球的表面氣孔數(shù)量、氣孔尺寸、氣孔分布均勻性、氮化硅陶瓷球表面粗糙度、氮化硅陶瓷球殘余應(yīng)力及潤(rùn)滑條件均對(duì)氮化硅陶瓷球滾動(dòng)接觸疲勞強(qiáng)度有較大影響。

4.優(yōu)異的自潤(rùn)滑性能

Si₃N₄陶瓷材料本身具有減摩、抗磨、潤(rùn)滑功能，在不良的潤(rùn)滑工況條件如邊界潤(rùn)滑、無(wú)油干摩擦情況下，顯示出優(yōu)越的減摩自潤(rùn)滑性能，可以大大提高機(jī)器的工作可靠性和使用壽命，并能降低機(jī)器噪聲，減少維護(hù)費(fèi)用。

5.非磁性且絕緣

在強(qiáng)磁環(huán)境中，使用鋼制軸承時(shí)，從軸承本身磨損下來(lái)的微粉被吸附在滾動(dòng)體和滾道面之間，成為軸承提前剝落損壞、噪聲增大的主要原因。不過(guò)氮化硅軸承是完全非磁性，其絕緣性能也很好，而且具有很好的承載能力，因此可用于需要完全非磁性軸承的場(chǎng)合。

結(jié)語(yǔ)

雖說(shuō)文章的主題是探討氮化硅陶瓷軸承為何在水中會(huì)有如此大的優(yōu)勢(shì)，但顯然它們的優(yōu)勢(shì)并不止于此，在許多其他領(lǐng)域也同樣收獲了高度的評(píng)價(jià)。比如說(shuō)強(qiáng)度高、高轉(zhuǎn)速的特點(diǎn)，使得氮化硅陶瓷軸承已被廣泛應(yīng)用于機(jī)床主軸，而由于其無(wú)油和不會(huì)產(chǎn)生廢料的特點(diǎn)，也使其被眾多半導(dǎo)體制造商所采用，稱得上一句前途無(wú)限。如果您對(duì)此感興趣的話，歡迎關(guān)注粉體圈即將在9月14-15日于廣州舉辦的“2021年全國(guó)氮化物粉體與陶瓷創(chuàng)新發(fā)展論壇”，更多相關(guān)話題等您討論！

資料來(lái)源：

陶瓷軸承凸顯優(yōu)勢(shì)綠動(dòng)未來(lái)，李進(jìn)衛(wèi)。

氮化硅陶瓷軸承研發(fā)現(xiàn)狀及產(chǎn)業(yè)化對(duì)策，張偉儒，陳波。

氮化硅全陶瓷滾動(dòng)軸承在酸性水溶液中的動(dòng)態(tài)腐蝕磨損行為，蘇柏萬(wàn)，辛士紅，馬越，丁平，曾宇平。

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