陶瓷軸承在中國市場的可行性分析一、引言陶瓷軸承作為一種重要的機(jī)械基礎(chǔ)件，由于具有金屬軸承所無法比擬的優(yōu)秀性能，近年來，在國計(jì)民生的各個(gè)領(lǐng)域中得到了日益廣泛的應(yīng)用。在航空航天、核工業(yè)、石油工業(yè)、化學(xué)工業(yè)、輕紡工業(yè)、食品工業(yè)、高速機(jī)床等高溫、高速、耐腐蝕、真空、電絕緣、無磁、干摩擦的特殊環(huán)境下，陶瓷軸承不可或缺的替代作用正在被人們逐漸地認(rèn)識(shí)。伴隨加工技術(shù)的不停進(jìn)步，工藝水平的日益提高，陶瓷軸承的成本不停下降，已經(jīng)從過去中在某些高精尖類領(lǐng)域小范圍內(nèi)應(yīng)用，逐漸推廣到可以接受的程度，陶瓷軸承大面積應(yīng)用的時(shí)代已經(jīng)到來。二、陶瓷軸承在國外的發(fā)展歷程六十年代初，研究者發(fā)現(xiàn)工程陶瓷具有作為軸承材料的優(yōu)良性能，如耐高溫、耐腐蝕、耐磨、硬度高、密度小、熱膨脹系數(shù)小、自潤滑性好等，但陶瓷材料的彈性模量大，會(huì)增長軸承滾動(dòng)體作用在內(nèi)外圈上的接觸應(yīng)力，減少了軸承的使用壽命。研究者對陶瓷材料的多種性能進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，認(rèn)為在所有的陶瓷材料中熱壓氮化硅最適于作為軸承材料。七十年代，材料專家們把探索新型軸承材料的注意力由所有陶瓷材料集中到氮化硅陶瓷材料上。Scott、Dalal等人認(rèn)為：氮化硅是一種可濕潤且能使?jié)櫥驮谳S承中形成合適厚度油膜的材料，在不潤滑時(shí)熱壓氮化硅陶瓷是最耐磨的材料,在高溫下使用固體潤滑劑可消除熱壓氮化硅材料的磨損，在重載潤滑條件下熱壓氮化硅作為軸承材料不比軸承鋼好。在相似應(yīng)力條件下，氮化硅混合軸承的使用壽命L10比其他陶瓷混合軸承壽命L10要大許多倍。氮化硅陶瓷球的疲勞破壞形式與軸承鋼疲勞破壞形式相似，都為疲勞剝落，而非斷裂破碎。在混合軸承性能方面，Parker等人認(rèn)為由于氮化硅彈性模量高、密度小，分別對內(nèi)、外圈影響，這樣混合軸承內(nèi)圈使用壽命的減小值不小于其外圈使用壽命的增長值，最終使混合陶瓷軸承總的使用壽命減少；混合軸承在輕載和高速下其使用壽命相對于鋼軸承會(huì)有所改善；對于氮化硅滾動(dòng)體來說，滾動(dòng)體表面加工質(zhì)量的好壞對其疲勞壽命、耐腐蝕性和耐磨性有很大影響，同步，混合陶瓷軸承的壽命也受到鋼制套圈滾道壽命的限制。進(jìn)入八十年代，對陶瓷軸承的研究日益加深、加寬。1982年美國潤滑工程協(xié)會(huì)的Morrison等人對混合軸承的使用壽命進(jìn)行研究，認(rèn)為混合陶瓷軸承的壽命仍然是載荷的指數(shù)函數(shù)，壽命指數(shù)的最大似然估計(jì)值為4.29，而鋼軸承壽命公式中壽命指數(shù)值為3，這闡明混合軸承的壽命比鋼軸承對外載荷的依賴性大。日本機(jī)械部的菊地滕男等人在1983年對混合陶瓷軸承和全陶瓷軸承作了疲勞試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：①常壓燒結(jié)碳化硅、氮化硅和熱壓碳化硅不適合作軸承材料；②熱壓氮化硅陶瓷壽命相稱于或好于軸承鋼的壽命，假如保證陶瓷材料具有良好的微觀構(gòu)造和表面質(zhì)量可提高其性能，軸承的破壞形式是疲勞剝落；③常壓和熱壓材料的損傷形狀無明顯區(qū)別，和壽命長短也沒有聯(lián)絡(luò)；④在運(yùn)行中，陶瓷套圈滾道表面變形極小，尤其是熱壓氮化硅陶瓷材料幾乎沒有變形。他們同步得出熱壓氮化硅陶瓷球疲勞壽命L與赫茲應(yīng)力P的關(guān)系:,其中n=16.0。1987年日本的藤原孝志在軸承材料的疲勞試驗(yàn)中研究了氮化硅陶瓷材料的額定靜負(fù)荷，成果表明氮化硅陶瓷材料的額定靜載荷比軸承鋼的額定靜載荷要大，同步藤原孝志討論了陶瓷材料和軸承鋼的接觸應(yīng)力，認(rèn)為在接觸區(qū)內(nèi)的應(yīng)力都是壓應(yīng)力，而在接觸區(qū)外,沿接觸區(qū)的徑向上產(chǎn)生的是拉應(yīng)力,最大拉應(yīng)力產(chǎn)生在接觸界線上。1989年Zaretsky又在總結(jié)前人試驗(yàn)成果的基礎(chǔ)上，對陶瓷軸承做了深入研究，得出如下結(jié)論：①氮化硅陶瓷軸承的壽命比鋼軸承的壽命長，但全氮化硅陶瓷軸承的額定動(dòng)負(fù)荷僅為同型號鋼軸承的5~20%；②對大部分陶瓷來說，混合軸承的壽命比同型號鋼軸承壽命低，原因是其彈性模量比軸承鋼的大；③軸承能量的損失和熱量的產(chǎn)生不僅依賴于軸承材料自身的性質(zhì)，更重要的是依賴于單個(gè)軸承的設(shè)計(jì)和運(yùn)行狀態(tài)；④陶瓷滾動(dòng)體的壽命與溫度指數(shù)函數(shù)的倒數(shù)成正比(L∞1/△Tm)。對氧化鋁來說，當(dāng)試驗(yàn)溫度在1366K時(shí)，m=1.8；⑤全陶瓷軸承在無潤滑劑和664K溫度下運(yùn)行半小時(shí)出現(xiàn)忽然破壞，故提議在高溫下使用的陶瓷軸承要進(jìn)行潤滑；⑥全陶瓷軸承的設(shè)計(jì)和安裝必須進(jìn)行改善，并要建立陶瓷軸承優(yōu)化設(shè)計(jì)理論。九十年代，研究的重點(diǎn)為混合陶瓷軸承的性能、全陶瓷軸承的性能及陶瓷軸承的設(shè)計(jì)理論。1990年日本的伊藤一人等人對陶瓷軸承在噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)上的應(yīng)用進(jìn)行研究，成果表明軸承在溫度、振動(dòng)、外觀尺寸等方面均無異常現(xiàn)象。對上述軸承進(jìn)行疲勞試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)某些軸承的使用壽命較短,壽命分散性大，這就規(guī)定對全陶瓷軸承性能作深入的研究，并完善陶瓷軸承的設(shè)計(jì)理論。1994年Rhoads等人經(jīng)試驗(yàn)證明當(dāng)混合軸承套圈處在疲勞剝落過程中，氮化硅陶瓷球仍能經(jīng)得起較高載荷的沖擊；氮化硅陶瓷球破壞的概率比同尺寸的鋼球破壞的概率小；在不潤滑或潤滑不良的條件下，混合軸承運(yùn)行狀態(tài)比鋼軸承的好。1995年，Chiu等人對混合陶瓷軸承進(jìn)行高速下的疲勞試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氮化硅陶瓷在赫茲應(yīng)力為2.6MPa時(shí)，運(yùn)行800~2170小時(shí)后仍處在良好狀態(tài)。高速混合軸承在潤滑不良的條件下,它的溫升仍低于鋼軸承的溫升。目前世界各國研究陶瓷軸承處在領(lǐng)先水平的重要企業(yè)有瑞典的SKF、德國的FAG、法國的圣戈班戒、日本的NSK、KOYO等。三、陶瓷軸承在國內(nèi)的發(fā)展歷程陶瓷軸承在國內(nèi)研究起步較晚，目前國內(nèi)研究開發(fā)陶瓷軸承的大專院校有：上海硅酸鹽所、上海材料所、北京中實(shí)三強(qiáng)工程陶瓷有限企業(yè)、廣東工業(yè)大學(xué)、洛軸所等。，目前，在組合陶瓷軸承方面，許多研究單位還處在試驗(yàn)研究階段，除了生產(chǎn)能力較強(qiáng)的北京中實(shí)三強(qiáng)工程陶瓷有限企業(yè)具有中批量生產(chǎn)全陶瓷軸承的能力，洛軸所與上海硅酸鹽所做了某些樣品外，還沒有見到產(chǎn)業(yè)化的企業(yè)。目前國內(nèi)對陶瓷軸承和陶瓷球軸承的研究開發(fā)工作還存在著某些問題,嚴(yán)重制約了陶瓷軸承的發(fā)展。四、軸承材料的性能對比從材料性能對比表可以看出：工業(yè)構(gòu)造陶瓷材料硬度高，強(qiáng)度高耐腐蝕性強(qiáng)，熱傳導(dǎo)低，絕緣性好，使用溫度高，其中的陶瓷材料中熱壓氮化硅最適于作為軸承材料。五、陶瓷軸承性能長處1、高速性陶瓷材料的重量僅為同等鋼材重量的40%，低密度這一特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)軸承的輕量化和高速化，使得陶瓷軸承在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)可以克制因離心力作用引起的滾動(dòng)體載荷的增長和打滑，陶瓷軸承的轉(zhuǎn)速是鋼制軸承的1.3~1.5倍，其DN值（滑動(dòng)線速度極限D(zhuǎn)N值【軸承內(nèi)徑（mm）與軸轉(zhuǎn)速（r/min）的乘積】）可達(dá)300萬，例如角接觸球軸承由于具有一定的接觸角，其滾動(dòng)體與滾道面之間會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)，當(dāng)采用密度小的陶瓷滾動(dòng)體時(shí)，不僅旋轉(zhuǎn)滑動(dòng)小，并且對軸承發(fā)熱和表面損傷均起到有益的作用，對于航空航天飛行器也是非常有益的。2、高剛性氮化硅陶瓷的彈性模量比金屬高得多，是金屬的1.5倍，因而受力后的彈性變形小，相對載荷的剛性高，大概可提高剛度15~20%，從而減輕了機(jī)床的振動(dòng)。高精密系統(tǒng)中獲得了良好的應(yīng)用價(jià)值，如超精密機(jī)床的主軸，高精度的航天軸承等。3、長壽命由于陶瓷材料錯(cuò)位少，遷移率低，且具有高的硬度，一般較金屬的硬度要高1倍多，可以減少磨損，使得陶瓷軸承具有好的耐磨性。此外，氮化硅陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度并不低，其抗拉強(qiáng)度和抗彎強(qiáng)度與金屬相稱；而抗壓強(qiáng)度極高，大概是金屬材料的5~7倍，尤其是在高溫條件下，仍能保持高的強(qiáng)度和硬度，雖然在1℃時(shí)強(qiáng)度也基本保持不變，在有異物混入的狀況下，陶瓷球很少產(chǎn)生剝落失效，因此，陶瓷軸承一般具有更長的壽命，一般較鋼制軸承提高3~5倍。4、低發(fā)熱由于氮化硅陶瓷材料的摩擦系數(shù)較小，大概是原則軸承鋼的30%，因此與金屬材料相比，氮化硅陶瓷的導(dǎo)熱性能較差，因此陶瓷軸承工作時(shí)產(chǎn)生的熱量較小，可延長潤滑脂的壽命。5、低熱膨脹氮化硅陶瓷的熱膨脹系數(shù)大概是軸承鋼的20%，因此陶瓷軸承隨溫度變化的尺寸變化量小，從而防止了過多的熱量匯集成疲勞剝落失效，有益于在溫度變化大的環(huán)境中使用。6、耐腐蝕性陶瓷性材料不活潑的化學(xué)特性，使陶瓷軸承具有一定的耐腐蝕性能，因此，陶瓷軸承可用于鋼制軸承由于缺乏耐化學(xué)性而提前失效的所有應(yīng)用場所，如化工機(jī)械設(shè)備、食品海洋等部門使用的機(jī)械以及原子能設(shè)備中的應(yīng)用。7、無磁性在強(qiáng)磁環(huán)境中，使用鋼制軸承時(shí)，從軸承自身磨損下來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、噪聲增大的重要原因，由于陶瓷軸承時(shí)完全非磁性，且具有正常的承載能力，因此可用于需要完全非磁性軸承的場所。8、絕緣性陶瓷材料的常退電阻率比較高，可作為很好的絕緣材料，使軸承免遭電弧損傷。9、自潤滑性氮化硅自身就是自潤滑材料，可在無潤滑或潤滑條件不佳的狀況下工作。10、無污染、環(huán)境保護(hù)六、陶瓷軸承的市場分析與發(fā)展趨勢數(shù)控機(jī)床包括數(shù)控車床、加工中心、數(shù)控磨床、電加工機(jī)床、數(shù)控鍛壓機(jī)床等，該類機(jī)床用角接觸陶瓷球軸承一般用于ｄｍ·ｎ≥80×104高精度、高速度主軸上。全國數(shù)控機(jī)床產(chǎn)量３～3.5萬臺(tái)，其中數(shù)控車床10000臺(tái)、加工中心3000臺(tái)、數(shù)控磨床1500臺(tái)、電加工機(jī)床10000臺(tái)、數(shù)控鍛壓機(jī)床６00臺(tái)、數(shù)控重型機(jī)床100臺(tái)，以每臺(tái)數(shù)控機(jī)床主軸平均安裝４套精密軸承及陶瓷球軸承計(jì)算，則精密軸承及陶瓷球軸承年需求量14萬套。其中陶瓷球軸承年需求量為4萬套。磨床電主軸重要用于高速內(nèi)表面磨床，其精度和轉(zhuǎn)速規(guī)定較高。全國高頻電主軸用精密軸承及陶瓷球軸承年需求量約35萬套，其中，陶瓷球軸承需求按50％計(jì)，則陶瓷球軸承年需求量為17.5萬套。其他金屬加工機(jī)床主軸用陶瓷球軸承，估計(jì)金屬加工機(jī)床年產(chǎn)量為20～22萬臺(tái)，軸承總需求量為1650～1775萬套，扣除數(shù)控機(jī)床及內(nèi)表面磨床，其他金屬加工機(jī)床約為18萬臺(tái)，以每臺(tái)金屬加工機(jī)床平均安裝１套精密軸承及陶瓷球軸承計(jì)算，則精密軸承及陶瓷球軸承年需求量為18萬套，其中陶瓷球軸承年需求量為５萬套。化工機(jī)械用陶瓷球軸承重要為多種工業(yè)泵配套軸承，包括油田調(diào)油泵、電潛泵、注水泵、增壓泵、離心油泵、離心水泵、耐腐蝕泵、往復(fù)泵、旋渦泵、螺桿泵、原油煉制泵、深加工泵、化工流程泵、耐磨泵和液壓泵等，需求量大，估計(jì)多種泵的年產(chǎn)量將到達(dá)１８萬臺(tái)，每臺(tái)泵平均按２套精密軸承和陶瓷球軸承計(jì)算，其中陶瓷球軸承９萬套。目前，國內(nèi)陶瓷球及陶瓷球軸承技術(shù)精度達(dá)Ｇ３～Ｇ５級，陶瓷球軸承實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。伴隨數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大和數(shù)控機(jī)床社會(huì)保有量的增多，滾珠絲杠的社會(huì)需求量也隨之增多。根據(jù)機(jī)床工具行業(yè)發(fā)展預(yù)測，我國滾珠絲年需求量約為20萬副，每副滾珠絲杠配套精密軸承平均按4套計(jì)算，滾珠絲杠用精密軸承需求量為80萬套，按20％的比例采用陶瓷球軸承，則陶瓷球軸承年需求量為16萬套。因此，數(shù)控機(jī)床主軸、磨床電主軸、其他金屬加工機(jī)床主軸和滾珠絲杠共需精密軸承及陶瓷球軸承147萬套，其中陶瓷球軸承42.5萬套。因此，金屬加工機(jī)床用精密軸承和陶瓷球軸承總需求量約萬套，因此，國內(nèi)機(jī)床行業(yè)用陶瓷球軸承市場前景廣闊。目前我國陶瓷軸承的研究還處在初期，其研究遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有結(jié)束，存在的問題有：一是陶瓷球的制坯研究；高精度陶瓷的加工工藝措施研究；高技術(shù)陶瓷與軸承制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化結(jié)合，兩者的專業(yè)化程度均很高。目前國內(nèi)成熟生產(chǎn)陶瓷滾動(dòng)體的企業(yè)：北京中實(shí)三強(qiáng)工程陶瓷有限企業(yè)、光大黑龍江晶體企業(yè)、湖北神風(fēng)裝備材料企業(yè)。還需要在如下幾方面深入研究、探索：一是研究適應(yīng)