陶瓷球轴承--来晓江

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500 0.23 800 低
30
450 0.30 0.1-1 400-600 很高 剥落
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陶瓷轴承具有以下特点：
(1)由于陶瓷耐腐蚀，所以，陶瓷滚动轴承适宜用于在带腐蚀性介质 的恶劣环境，例如中等酸 、中等碱、海水等。 (2)由于陶瓷的密度(6.00g／cm)比钢低，重量轻，可减少因离心力产 生的动体载荷的增加和打滑，进而使用寿命大大延长。 (3)陶瓷硬度是钢轴承的1倍，耐磨性高，可减少因高速旋转产生的沟 道表面损伤。 (4)陶瓷的弹性模量高于钢轴承1.5倍，受力弹性小，可减少因载荷大 所产生的变形，因此有利于提高工作速度，并达到较高的精度。 (5)陶瓷的摩擦系数小于钢轴承30％，可减少因摩擦产生的热量，可 减少因高温引起的轴承提前剥落失效。 (6)热膨胀系数小于钢轴承20％。陶瓷受热胀冷缩的影响比钢小，因 而在轴承的间隙一定时，可允许轴承在温差变化较为剧烈的环境中工 作。
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陶瓷球的额定静负荷
在设计和选择轴承时，最重要的依据是其额定静载荷和额 定动载荷。前者是轴承所能承受的最大静载荷，后者则涉 及轴承的滚动疲劳寿命。 图为日本工业标准JISB1501中 所规定的测量球体压碎负荷的
试验方法。
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本试验试验球分别为3.1753、3.6988、4.7625、5、 5.9531、6.5和7.5mm氮化硅精密球,精密陶瓷球精度G5 级；所用钢球为同规格的军甲钢(ZGCr15) 球。 试验时采用两种方法, 一种为三粒 试球均为陶瓷球,另一种为上下两
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陶瓷球轴承静态 摩擦力矩平均值
比同型号的钢制
球轴承小。
陶瓷球轴承加速度振动 平均值和同型号钢制球 轴承相当，前者比后者 略大。
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轴承发热对比试验结果
轴承摩擦功耗对比试验结果
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结论 1)陶瓷球轴承的静态摩擦力矩、高速运转下的发热和摩擦 功耗均小于钢制球轴承。 2) 陶瓷球轴承的加速度振动值和钢制球轴承相当；而在整 体速度振动方面，全陶瓷球轴承的表现最好，混合陶瓷球 轴承振动最大。 3)混合陶瓷球轴承的疲劳寿命高于其他两种。 选用陶瓷轴承时，在振动合乎要求的情况下，考虑寿命和 经济性因素，可以优先选用混合陶瓷球轴承。
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参考文献
[1]李建华,李军林,郭向东,张锡昌.陶瓷球轴承性能分析与试验研究.轴 承.2001,12:32-35 [2]张文轩,任成祖.陶瓷球轴承性能分析.佛山陶瓷.2003,04(73):34-36


[3]张永乾,孙永安,李县辉.陶瓷球压碎载荷试验分析.轴承.2001,05:23-25
热传导率(W/mk)
比热(J/kgK) 泊松比 电阻率(Ωmm2/m) 使用上限温度(K) 抗热冲击 解除疲劳失效形式
20
800 0.26 1018 1050 高 剥落
2
400 0.31 1018 750 中等 剥落/断裂
30
880 0.22 1018 1250 低 断裂
100
700 0.25 1250 低 断裂
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高速旋转：金属加工机床主轴、燃气轮机、离心分离器、 高速电机主轴； 耐腐蚀：半导体制造设备、电镀装置、化工制药设备、海 洋机械； 高真空：航空航天、真空机器； 耐高温：各种热处理炉、加热辊、医疗灭菌装置、化学纤 维机械、发动机； 非磁性：半导体制造设备、超导装置、原子能发电设备； 重量轻：摩托车(赛车)曲轴、航空发动机、宇航相关机器 高刚性：金属加工机床主轴； 绝缘：电镀装置、铁路机车索引电机、各种电机。
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我国在陶瓷轴承研究方面起步较晚，国家于1985年开始 将陶瓷球轴承研究与开发列入科技攻关项目，1990年第 一套陶瓷球轴承在黑龙江晶体公司问世。之后，一些大专 院校和研究院所开始了陶瓷轴承的基础研究工作。 目前，我国氮化硅陶瓷球性能指标、加工精度都已经达到 国外先进水平，但批量化生产的能力不足；而且由于受氮 化硅陶瓷材料可靠性制备技术、陶瓷内外圈精加工技术、 陶瓷轴承设计与装配技术等限制，我国在氮化硅全陶瓷轴 承的研究及应用方面还处于刚刚起步阶段，有待进一步发 展。
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国内、外陶瓷轴承发展概况
自从1972年美国NASA公司研制成功世界上第一套陶瓷轴 承之后，世界上各工业强国就一直在竞相研制、生产更高 性能的陶瓷轴承。 目前，世界各国研究陶瓷轴承处于领先水平的主要公司有 瑞典的SKF、法国的圣戈班戒、日本的NSK和KOYO、美 国的Temken和Norton、俄罗斯的ROSV、德国的FAG等。
[4]Hiroyuki Ohta. Shinya Satake. Vibrations of the All-Ceramic Ball Bearing. Journal of Tribology. 2002,07(124):448-460 [5]金卫东,任成祖,王太勇.氮化硅混合陶瓷球轴承滚动接触疲劳性能.轴 承.2004,02:34-38 [6]吴玉厚.数控机床电主轴单元技术机械.工业出版社.2006,03 [7]Ceramic Bearings and Exsev Bearings. Koyo Seiko Co., Ltd. [8]周桂欣.国内外陶瓷轴承的发展现状.陶瓷研究与职业教育.2003,04:40-42 [9]王重海,张伟儒,刘子峰,高芳.全陶瓷轴承的研究现状及其应用前景.现代技 术陶瓷.30-32
大接触应力有关。这一接触应力，
一方面来自正常的工作载荷，另一方面来自滚动体的离心 力。由于陶瓷的密度大约为钢的40%，所以在高速条件下 使用陶瓷球轴承，可以大大降低球与套圈滚道间的接触应 力，从而延长轴承的使用寿命。
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三种类型轴承的比较试验
试验用轴承为结构与参数完全相同的深沟球轴承，类型分 别为混合陶瓷轴承、全陶瓷轴承与全钢轴承。
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陶瓷球的制备简介
陶瓷球的制备主要包括混料、成型、烧成、加工、装配等 5个工序，其中加工工序为陶瓷轴承制备过程中的技术难 点，是影响批量化生产的关键因素。
氮化硅微粉 烧结助剂
添加剂 陶瓷轴承 检 测 合格产品 成品库 装配 合格零部件 加工
混合料
造粒料
成型
素 坯
烧 检 结 测 合格毛坯
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陶瓷轴承介绍
陶瓷轴承是近三十年来兴起、发展并逐步走向工程应用的 一种高性能产品。 分为全陶瓷轴承(套圈、滚动体均为陶瓷)和复合陶瓷轴承 (仅滚动体为陶瓷，套圈为金属)两种。
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几种陶瓷材料和轴承钢材性能对比
Si3N4 密度(kg/m3) 杨式模量(GPa) 抗压强度(100MPa) 维氏硬度(GPa) 韧性(MPam-2) 热膨胀系数(10-2/K) 3250 310 >35 14-18 5-8 3 ZrO2 5900 205 20 10-13 8—12 10 Al2O3 3900 390 20-27 18-20 3-5 8 SiC 3100 420 20-25 20-24 2-4 4 TiC 4900 370 20-39 13-22 2-5 9 8 16-25 12 轴承钢 7800 210
粒试球为钢球,中间试球为陶瓷球，
以考察在同等接触面积下陶瓷球的 承载能力。钢球的压碎载荷采用标
准值。
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氮化硅精密陶瓷球压碎载荷试验结果(3 粒试球均为陶瓷球)
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氮化硅精密陶瓷球压碎载荷试验结果
注: (1) 实测接触圆直径是未破碎钢球的压痕直径。(2)“- ”表示陶瓷球未压碎。(3) 上下试球为钢球,中间试球为陶瓷球
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陶瓷球的额定动载荷
图为日本光洋精工和东芝公司 采用的推力负荷型球轴承疲劳
试验百度文库。
表中所列是其试验条件。在这 样的试验条件下，氮化硅试验
片与钢球之间所产生的最大接
触应力为605kg/mm² 。
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从实验结果可以看出：氮化硅陶 瓷比高碳铬轴承钢的滚动疲劳寿
命长。
对于深沟球或角接触球轴承，其 疲劳寿命与球和套圈滚道间的最
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转速对振动的影响
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轴向载荷对振动的影响
三种类型轴承的疲劳寿命试验结果
全陶瓷、混合陶瓷轴承与全钢轴承的滚动接触疲劳剥 落形式相同；尽管相同载荷条件下陶瓷轴承比全钢轴承产 生相对较高的最大接触应力，它们的滚动接触疲劳寿命仍 与全钢轴承相当或更长。 此外，单个陶瓷轴承的寿命有较大的分散性，这与陶 瓷球本身的缺陷有关，所以尽量避免陶瓷球的内部及表面 缺陷，是提高陶瓷轴承可靠性的关键之一。
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一般采用热等静压成型技术生产陶瓷球坯。 合理的陶瓷球加工工序为：粗研→半精研→精研→超精研 →抛光。 研磨磨料使用金刚石磨料，也可以使用SiC、B4C磨料。 陶瓷轴承零部件的材料及生产过程决定了它比钢制轴承零 部件更容易产生偶然性缺陷。因此需要根据零件的大小和 用途采取不同的检测手段和检测方法。 陶瓷球的检测方法：1)目测或光学显微镜检测；2)荧光染 着色检测；3)超声波检测技术。
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结论 1)单纯比较压碎负荷时，陶瓷球的最小压碎负荷约为钢球 的1/2-1/3。这是因为钢球塑性变形引起的接触面增大，导 致其压碎负荷较大。 2)在基本相同的接触状态下，陶瓷球比钢球有更高的压碎 载荷。 3)根据陶瓷球的压碎负荷值，可以计算出其破坏时的最大 接触应力约为ISO-TC4标准中所规定的6-7倍，这不仅证 明陶瓷球用于滚动轴承是安全的，而且也说明它完全可以 承受比钢轴承更大的静负荷。
陶瓷球轴承
Ceramic Ball Bearing
姓名：来晓江 导师：田应仲 学号：14721718
主要内容
陶瓷轴承介绍 性能比较 制作加工 国内外技术
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高速数控机床是装备制造业的技术基础和发展方 向之一。随着高速切削技术的发展，对轴承的要 求也越来越高。 传统钢制轴承由于自身材料的原因，密度大，在 运转过程中存在较大的离心力，抗疲劳寿命短， 所以不太适用于高速机床。 目前，国内外数控机床采用较多的支承形式有磁 悬浮轴承、动静压轴承和陶瓷轴承，其中应用最 广泛的是陶瓷轴承。