新型陶瓷轴承的研究
陈勇
（山东轻工业学院材料科学与工程学院山东济南250300）
摘要：近几年来，随着社会进步和科学技术的高速发展，轴承的使用环境和条件越来越多样化，对轴承的结构、材质和性能的要求也越来越高，一些高科技领域和某些特殊环境下工作的机械，如航空航天、核能、冶金、化工、石油、仪器、机械、电子、纺织、制药等工业，需要在高温、高速、高精度、真空、无磁性、无油润滑、强酸、强碱等特殊环境下工作。这些新的要求仅仅依靠对传统的金属轴承改进结构或改善润滑条件已经远远不能满足，必须开发新型材料，从根本上进行突破和创新。国内外研究发现某些陶瓷材料具有优异的性能，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷的工作环境，并且又具有轴承材料所要求的全部重要特性，因此将陶瓷材料应用于轴承制造，已成为世界高新技术开发与应用的热点，成为机械工作材料技术革命的标志。
关键词：陶瓷；轴承；氧化锆；耐磨；
引言：研究陶瓷轴承，使越来越多的人认识和了解陶瓷轴承的优越性，并使用它。随着加工技术的不断进步，工艺水平的日益提高，陶瓷轴承的成本不断下降，已经从过去只在一些高、精、尖领域小范围内应用，逐步推广到国民经济各个工业领域，产品市场价格也逐渐接近实用化，达到用户可接受的程度，陶瓷轴承大面积应用的浪潮已经涌来！
1、简介
陶瓷轴承作为一种重要的机械基础件，由于其具有金属轴承所无法比拟的优良性能，抗高温、超强度等在新材料世界独领风骚。近十多年来，在国计民生的各个领域中得到了日益广泛的应用。航空航天、航海、核工业、石油、化工、轻纺工业、机械、冶金、电力、食品、机车、地铁、高速机床及科研国防军事技术等领域需要在高温、高速、深冷、易燃、易爆、强腐蚀、真空、电绝缘、无磁、干摩擦等特殊工况下工作，陶瓷轴承不可或缺的替代作用正在被人们逐渐地认识。
2、主要特性
2.1、高速
陶瓷材料的重量仅为同等钢材重量的４０％，密度小这一特点，可实现轴承的轻量化和高速化，使得陶瓷轴承在高速旋转时能够抑制因离心力作用引起的滚动体载荷的增加和打滑，陶瓷轴承的转速是钢制轴承的１．３～１．５倍，其Ｄ
Ｎ值可达３００万，例如角接触球轴承，由于具有一定的接触角，其滚动体与滚道面之间会产生旋转滑动，当采用密度小的陶瓷滚动体时，不仅旋转滑动小，而且对轴承发热和表面损伤均起到有益的作用，对于航空航天飞行器也是非常有益的。
2.2、高刚性
氮化硅陶瓷的弹性模量比金属高得多，是金属的１．５倍，因而受力后的弹性变形小，相对载荷的刚性高，大约可提高刚度１５％～２０％，从而减轻了机床的振动。在高精密系统中获得了良好的应用价值，如超精密机床的主轴、高精度的航天轴承等。
2.3、长寿命
由于陶瓷材料位错少，迁移率低，且具有高的硬度，一般较金属的硬度要高１倍多，能够减少磨损，使得陶瓷轴承具有好的耐磨性。此外，氮化硅陶瓷的机械强度并不低，其抗拉强度和抗弯强度与金属相当；而抗压强度极高，大约是金属材料的５～７倍，尤其是在高温条件下，仍能保持高的强度和硬度，即使在１２００℃时强度也基本保持不变，在有异物混入的情况下，陶瓷球很少产生剥落失效，因此，耐压痕性好的陶瓷轴承通常具有更长的寿命，一般较钢制轴承提高３～５倍。
2.4、低发热
由于氮化硅陶瓷材料的摩擦系数较小，大约是标准轴承钢的３０％，所以与金属材料相比，氮化硅陶瓷的导热性能较差，因此陶瓷轴承工作时产生的热量较小，可延长润滑脂的寿命。
2.5、低热膨胀
氮化硅陶瓷的热膨胀系数大约是轴承钢的２０％，因此陶瓷轴承随温度变化的尺寸变化量小，且产生的热预载较低，从而避免了过多的热量聚集成疲劳剥落失效，有益于在温度变化大的环境中使用。
2.6、耐蚀性
陶瓷性材料不活泼的化学特性，使陶瓷轴承具有一定的耐腐蚀性能，因此，陶瓷轴承可用于钢制轴承由于缺乏耐化学性而提前失效的所有应用场合，如化工机械设备、食品、海洋等部门使用的机械以及原子能设备中的应用。
2.7、无磁性
在强磁环境中，使用钢制轴承时，从轴承本身磨损下来的微粉被吸附在滚动体和滚道面之间，成为轴承提前剥落损坏、噪声增大的主要原因，由于陶瓷轴承是完全非磁性，且具有正常的承载能力，所以可用于需要完全非磁性轴承的场合。
2.8、绝缘性
陶瓷材料的常退电阻率比较高，可作为较好的绝缘材料，使轴承免遭电弧损伤。
2.9、自润滑性
陶瓷轴承可实现自润滑。
3、主要用途
陶瓷轴承具有耐高温、耐寒、耐磨、耐腐蚀、抗磁电绝缘、无油自润滑、高转速等特性。可用于极度恶劣的环境及特殊工况，可广泛应用于航空、航天、航海、石油、化工、汽车、电子设备，冶金、电力、纺织、泵类、医疗器械、科研和国防军事等领域，是新材料应用的高科技产品。陶瓷轴承的套圈及滚动体采用全陶瓷材料，有氧化锆（ZrO2）、氮化硅（Si3N4）、碳化硅（Sic）三种。保持器采用聚四氟乙烯、尼龙66，聚醚酰亚氨，氧化锆、氮化硅，不锈钢或特种航空铝制造，从而扩了陶瓷轴承的应用面。
4、分类
4.1按用途分类
4.1.1、高速轴承
具有耐寒性、受力弹性小、抗压力大、导热性能差、自重轻、摩擦系数小等优点，可应用在12000转/分-75000转/分的高速主轴及其它高精度设备中；
4.1.2、耐高温轴承
材料本身具有耐高温度1200℃，且自润滑好，使用温度在100℃-800℃间不产生因温差造成的膨胀。可应用在炉窑，制塑、制钢等高温设备中；4.1.3、耐腐蚀轴承
材料本身具有耐腐蚀的特性，可应用在强酸、强碱、无机、有机盐、海水等领域，如：电镀设备，电子设备，化工机械、船舶制造、医疗器械等。
4.1.4、防磁轴承
因无磁不吸粉尘，可减少轴承提前剥落、噪声大等。可用在退磁设备。精密仪器等领域。
4.1.5、电绝缘轴承
因电阻力高，可免电弧损伤轴承，可用在各种要求绝缘的电力设备中。
4.1.6、真空轴承
因陶瓷材料独具的无油自润滑特性，在超高真空环境中，可克服普通轴承无法实现润滑之难题。
4.2按材料分类
4.2.1氧化锆陶瓷轴承
氧化锆陶瓷轴承具抗磁电绝缘、耐磨耐腐蚀、无油自润滑、耐高温耐高寒等特点。可用于极度恶劣环境及特殊工况。套圈及滚动体采用氧化锆（ZrO2）陶瓷材料，保持器使用聚四氟乙烯（PTFE）作为标准配置，一般也可使用玻璃纤维增强的尼龙66（RPA66-25），特种工程塑料（PEEK，PI），不锈钢（AISISUS316），黄铜（Cu）等。
4.2.2氧化硅陶瓷轴承
