洛陽LYC軸承有限公司技術中心  張藝

（本文刊登于中國軸協會刊《軸承工業》2019年第7期“技術前沿”欄目）

摘 要：

陶瓷材料因其特有的屬性而備受軸承行業工程技術人員的青睞。國外各軸承公司非常重視陶瓷材料的應用，紛紛投入人力、物力進行研究，取得了不菲的成績。本文以NSK和SKF陶瓷軸承新產品的研發為例，闡述近年來陶瓷材料在國外軸承行業中的應用與發展。

1 引言

陶瓷軸承是新工藝、新材料、新結構的一種完美的結合，廣泛應用于特殊或者嚴苛的環境。按材料分：陶瓷軸承可以分為氧化鋯陶瓷軸承、氮化硅陶瓷軸承、復合陶瓷材料軸承。按結構分：陶瓷軸承可以分為氧化鋯帶保持器陶瓷軸承、氮化硅帶保持器陶瓷軸承、復合帶保持器陶瓷軸承。一般陶瓷軸承的保持器材料以聚四氟乙烯（PTFE）作為標準配置，還可以采用玻璃纖維增強的尼龍66（GRPA66-25）、特種工程塑料（PEEK，PI）、不銹鋼（SUS316、SUS304）、黃銅（Cu）等。陶瓷材料保持架因兜孔加工、成型技術等難題，現在還較少采用；針對特種使用場合又開發了無保持器的氧化鋯滿球全陶瓷軸承、氮化硅滿球全陶瓷軸承和復合滿球陶瓷軸承。

陶瓷軸承具有卓越的性能，例如:自潤滑、低摩擦、高轉速、耐高溫、耐腐蝕、防磁、電絕緣等。陶瓷軸承運用的場合范圍較廣，高質量的高速陶瓷球軸承主要應用于機床行業的高速、高精度主軸、電主軸的軸承中。中等質量的陶瓷軸承在石油勘探、原油冶煉、尤其是精細化工、化纖、新能源、印染、電鍍業、污水處理、海洋開發、深水泵、酸堿泵、高溫、真空、核磁共振、電絕緣、醫藥衛生、x射線管及食品工業等諸多領域中應用廣泛。

國外陶瓷材料在軸承行業的應用比較成熟，且技術發展比較領先的國家有美國、日本、德國、法國、俄羅斯、韓國、英國等十幾個國家。比較成熟的產品有數控機床用陶瓷球軸承、磨床電主軸用陶瓷球軸承、機床滾珠絲杠用陶瓷球軸承等。陶瓷球體是陶瓷球軸承的核心部件，國外對陶瓷球體的研發和競爭也比較激烈。美國的norton公司采用hip法生產的陶瓷球在國際上堪稱一流水平。目前世界各國研究陶瓷球軸承處于領先水平的主要公司有瑞典的SKF、德國的FAG、法國的圣戈班、日本的NSK、KOYO、NMB（美培亞）等。

本文以NSK和SKF陶瓷軸承新產品的研發與應用為例，介紹陶瓷材料在國外軸承行業的研發情況，為國內相關行業提供參考。

2 NSK陶瓷軸承的應用與發展

2.1 新產品研發情況

NSK軸承采用PEEK保持架的RXH系列混合陶瓷軸承是相對比較新的產品；是適用于下一代高速機動化主軸兩端的高速圓柱滾珠軸承。通常，主軸兩端的軸承都有折衷裝置，可以避開熱誘導軸和徑向軸，NSK軸承不足以產生諧波振動或滾道磨損。RXH混合陶瓷圓柱滾子周厚層支持必要的主軸速度，能夠穩固地安裝以消除徑向移動并允許主軸進行軸向移動。

采用SHX材料的RUBAST系列也是NSK研發的相對較新的陶瓷軸承。該產品持續操作的高速性能指數可達到3.3 x 106 dmn，這相當于70毫米軸承每分鐘轉47100次（1dmn是用軸承節圓直徑毫米乘以主軸每分鐘的轉速）。SHX是一種低介在物鋼，套圈熱處理洛氏硬度比標準52100高碳鉻合金軸承鋼套圈的硬度還高，允許他們進一步發揮陶瓷滾動元素的特性。NSK指出該產品允許高精密機床以更高的速度運行，還能保持運行的溫度降低，幫助在減速時消除壓痕和劃痕。在混合陶瓷設備中，SHX提供比52100高出四倍的疲勞強度。

NSK成功開發了可應用于各種液化氣泵的高性能陶瓷球軸承。該產品采用了和內外圈材料的熱膨脹系數基本相同的陶瓷球，因溫度不同導致的游隙變化量非常小，適應于各種不同的液化氣泵，同時具有優良的高耐磨性以及耐電蝕性能，可以延長軸承的維護周期。

NSK開發的機床用RUBAST系列陶瓷軸承，充分利用了陶瓷球的優異特性，投放市場以來，獲得了市場的廣泛認可。而用于電主軸的ROBUST系列陶瓷軸承，則實現了世界最高轉速dmN值400萬?！ㄍ暾麅热菡堥喿x中國軸協會刊《軸承工業》2019年第7期“技術前沿”欄目P14-17）

2.2 NSK陶瓷軸承技術的特點與應用

NSK陶瓷軸承的主要特點：陶瓷滾動球體的密度比鋼低，重量更是輕得多，因此轉動時對外圈的離心作用可降低40％，進而大大延長使用壽命；由于陶瓷極耐腐蝕，所以NSK陶瓷滾動軸承適用于布滿腐蝕性介質的惡劣環境；由于陶瓷的彈性模量比鋼高，受力時不易變形，因此有利于提高工作速度，并達到較高的精度。

NSK陶瓷軸承主要應用于多水工況、弱酸或堿性工況、強酸或活性氣體工況、真空工況等特殊工況（對應NSK SPACEA產品系列）。具體應用如機床主軸、電鍍設備、醫療器械等領域。

3 SKF陶瓷軸承的應用與發展

3.1 新產品研發情況

SKF為高性能智能電動SUV蔚來ES 8配備陶瓷球軸承，使該款智能SUV0-100公里/小時加速時間僅需4.4秒，帶來超強動力感受。實現這一點的關鍵是設計的優化。軸承是對電動傳動系統性能產生巨大影響的重要因素之一。針對電動汽車應用，SKF陶瓷球軸承可提供卓越的性能，保障電動汽車穩定高速行駛，可使電機最高轉速達到18,000rpm。得益于陶瓷球的良好絕緣性能，SKF陶瓷球軸承在電機應用中可以杜絕軸電流對軸承的損傷，保障車輛平穩行駛。目前，SKF進口軸承陶瓷球系列已被國內外知名整車制造商應用于電動汽車的牽引電機之中。作為一家擁有百年歷史的知識工程企業，SKF致力于走在行業前沿，不斷以客戶的需求為導向。憑借其豐富的行業經驗和強大的技術力量，SKF可為電動汽車應用帶來豐富的產品組合和解決方案，已廣泛應用于國內新能源汽車。

SKF陶瓷球軸承7009CE/HCP4ADGAVG275具有高速、承載能力強、高剛度等特點，主要適用在高速加工中心、銑床、內部磨床以及木工機床等應用場合，可靠性很高、精準度卓越。SKF為大型機器而設計和研發超大型混合陶瓷軸承---混合深溝球軸承，幫助波能裝置開發商實現設備的電流絕緣，可靠性高且性能卓越。

SKF 指定工藝所生產的陶瓷材料很堅實，無任何孔隙，并具有良好的韌性。SKF混合軸承使用氮化硅材料的球或滾子，這種具有獨特性能的陶瓷材料適用于高速度、高剛度、電氣絕緣的應用設備。SKF混合軸承表面光潔度高、傳導性低，節約了潤滑劑成本，并為滾動軸承提供了多種可能。氮化硅球的密度僅為類似鋼球的40%，促使軸承速度更快、重量更輕、慣性更小以及啟動和停止更迅速。滾子的低摩擦系數增強了其抗磨損性，使軸承保持較低的溫度；彈性系數比軸承剛度增強的鋼還高50%。陶瓷球的低傳導性作為內外套圈之間電流的一道屏障，提供了簡單的絕緣。陶瓷球的熱膨脹僅為類似鋼球的29%…………（完整內容請閱讀中國軸協會刊《軸承工業》2019年第7期“技術前沿”欄目P14-17）

在潤滑不充分的條件下，氮化硅和鋼之間不會發生沾污。這使陶瓷混合軸承壽命延長很多。陶瓷混合軸承中有能形成極薄油膜的介質（如冷凍劑潤滑）時，可有較好的性能，從而能夠采用無油設計，但需要謹慎設計和選擇材料。

3.2 SKF陶瓷軸承技術的特點與應用

SKF陶瓷球軸承和混合陶瓷軸承技術比較成熟，產品系列也比較全。可以說，SKF將陶瓷球軸承和混合陶瓷軸承的優勢發揮到了極致。SKF選出一系列油脂潤滑的單列深溝球軸承，為其配備了陶瓷球，使這種軸承特別適用于空氣渦輪電動機、電動機、氣動電動機等場合。SKF陶瓷軸承廣泛應用于極度惡劣的環境及特殊工況。

當應用場合要求的速度高于 SKF《綜合軸承型錄》中對油脂潤滑標準深溝球軸承所規定的轉速值時，就應考慮使用SKF混合陶瓷軸承。原因是氮化硅比鋼的密度要低。在相同速度下，軸承中陶瓷球產生的離心力只有鋼球的40％…………（完整內容請閱讀中國軸協會刊《軸承工業》2019年第7期“技術前沿”欄目P14-17）

4 小結

對于SKF陶瓷軸承產品，計算混合陶瓷軸承的額定壽命時，可以利用與全鋼軸承相同的壽命值?；旌咸沾奢S承中陶瓷滾動體比全鋼軸承中鋼制滾動體的硬度和剛度都要高很多。盡管硬度和剛度的增加會在陶瓷滾動體和鋼制滾道間產生高的接觸應力，但現場經驗和實驗室試驗表明兩種軸承可以使用同一額定壽命。大量的經驗和試驗表明，在常用的機床中，混合陶瓷軸承的工作壽命明顯長于全鋼軸承的工作壽命。NSK陶瓷軸承產品主要是機床/數控機床用陶瓷球軸承、磨床電主軸用陶瓷球軸承、以及機床滾珠絲杠用陶瓷球軸承。這些產品都以氮化硅陶瓷材料（Si3N4）為主。

雖然陶瓷軸承有著鋼制軸承無可比擬的優越性能，但是成本昂貴，目前還僅限于特殊場合應用。