作者：Chris Johnson
編譯：洛陽LYC軸承有限公司技術中心 侯俊
本文刊登于中國軸協(xié)會刊《軸承工業(yè)》2022年第10期“專業(yè)知識”欄目
早在2000年，科學家們在巖石中發(fā)現(xiàn)了鋯石，這表明生命可能比之前認為的早5億年開始。這種令人難以置信的化合物產生了巨大的影響，其氧化物氧化鋯（ZrO2）也產生了巨大的影響，氧化鋯用于制造全陶瓷軸承。只有充分了解陶瓷軸承的性能特性，才能在其應用領域發(fā)揮出它的優(yōu)點。選擇陶瓷軸承就必須了解以下三個問題。
1.增加的成本值得嗎？
全陶瓷軸承通常比鋼更圓、更光滑、更硬，具有優(yōu)異的耐腐蝕性和耐熱性、更高的尺寸穩(wěn)定性和更低的密度。然而，這是有代價的。陶瓷軸承比鋼軸承貴得多。
那么，什么時候投資陶瓷軸承才值得呢？高價值的應用程序，如實驗室設備，在每次使用應用程序時都需要滿足精確的要求。在此類設備中使用錯誤的組件可能會污染研究條件或導致研究完全停止。醫(yī)療設備也是如此，陶瓷軸承的非污染和非磁性證明至關重要。
以磁共振成像（MRI）為例，該成像技術主要與醫(yī)院MRI掃描儀相關。這項技術利用強磁場生成任何活體的二維或三維圖像。由于其磁性，標準鋼軸承不能用于這些掃描儀，因此陶瓷軸承是用于這些高價值應用的最佳選擇。
同樣，隨著集成電路制造商努力使芯片更快、更小、更便宜，半導體制造設備公司越來越依賴先進的陶瓷組件來實現(xiàn)所需的性能。使用由氮化硅而非標準氧化鋁（氧化鋁）制成的軸承可以提供電氣絕緣和良好的耐腐蝕性。
氮化硅的電阻率和介電常數(shù)與氧化鋁相似，但由于其微觀結構，該材料的強度要大得多。全陶瓷軸承可以適應半導體生產階段存在的許多挑戰(zhàn)性條件；從爐子溫度可以達到接近1400攝氏度，到潔凈室1級的空氣質量。突然之間，增加的成本顯然是合理的。
2.氧化鋯還是氮化硅？
有許多商用陶瓷軸承類型，所有這些類型都比傳統(tǒng)軸承元件具有許多優(yōu)勢。用作軸承材料的典型陶瓷是氮化硅（Si3N4）和氧化鋯（ZrO2）。
氮化硅是一種很硬但也很輕的材料。它具有優(yōu)異的耐水性、耐鹽水性和許多酸堿性，并且溫度范圍非常寬，適合在高真空應用中使用。氮化硅的極端硬度也意味著更大的脆性，因此應盡量減少沖擊或沖擊載荷，以避免開裂的風險。
氮化硅已被用作幾種航空航天應用的主要材料。值得注意的是，美國國家航空航天局的航天飛機最初是由渦輪泵內的鋼軸承制成的——當航天飛機，尤其是其發(fā)動機，承受巨大的載荷和溫度時，這不是一個好的組合。由于這些極端負載，NASA工程師將軸承升級為氮化硅軸承，因為其在真空環(huán)境中的優(yōu)越性。令人印象深刻的是，根據(jù)NASA的分析報告，與鋼軸承相比，Si3N4軸承在運行時顯示出40%的增長。
由二氧化鋯或二氧化鋯制成的陶瓷軸承是一種堅硬的陶瓷材料，其膨脹性能與鋼非常相似，盡管它們比鋼輕30%。在考慮高溫應用中的軸和軸承座配合時，這是一個優(yōu)勢，在高溫應用中，軸承膨脹可能意味著軸不再適合。
雖然它們通常被稱為氧化鋯軸承，但它們實際上是由氧化釔穩(wěn)定的氧化鋯制成的，這使材料在室溫下具有更大的強度和抗裂性。它們還非常防水，這意味著它們經(jīng)常用于海上應用，特別是在設備完全淹沒的情況下，或者傳統(tǒng)的鋼軸承無法應對負載或速度的情況下。衡量Si3N4或ZrO2軸承是否是正確的選擇是一個復雜的決定，但一般來說，ZrO2軸承由于其極端的耐腐蝕性和更堅硬的性能而更常見。
3.全陶瓷還是混合陶瓷？
當大多數(shù)人想到陶瓷軸承時，他們通常指的是混合型軸承。混合軸承位于陶瓷和鋼的中間，通常包括不銹鋼滾道或套圈以及陶瓷球。混合軸承的鋼制內圈和外圈可以加工到非常小的公差，這意味著它們最適合于電機、實驗室設備和機器工具等應用。
例如，在磨床上，通過添加陶瓷混合軸承和合成潤滑脂潤滑劑，由于摩擦減少，每分鐘轉速(RPM)可以提高25%。使用混合陶瓷的磨削主軸可以運行4000小時而不會出現(xiàn)問題，而使用鋼軸承的磨削主軸可以運行3000小時。混合軸承還可以將溫度降低近50%。在臥式加工中，已證實從傳統(tǒng)軸承切換到混合軸承后，在12,000轉/分時將軸承溫度從60℃降至36℃。使用混合軸承組合可以實現(xiàn)比全陶瓷軸承更高的速度，因為在高速或負載下，脆性較小的金屬圈不容易發(fā)生突然的嚴重性故障。也就是說，與全陶瓷軸承相比，混合動力軸承的耐腐蝕性相形見絀。為極端環(huán)境指定正確的方向一直是一個復雜的問題。但真正明白了其應用領域并權衡利弊，問這三個問題將有助于決策過程。
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