作者：Chris  Johnson

编译：洛阳LYC轴承有限公司技术中心  侯俊

本文刊登于中国轴协会刊《轴承工业》2022年第10期“专业知识”栏目

早在2000年，科学家们在岩石中发现了锆石，这表明生命可能比之前认为的早5亿年开始。这种令人难以置信的化合物产生了巨大的影响，其氧化物氧化锆（ZrO2）也产生了巨大的影响，氧化锆用于制造全陶瓷轴承。只有充分了解陶瓷轴承的性能特性，才能在其应用领域发挥出它的优点。选择陶瓷轴承就必须了解以下三个问题。

1.增加的成本值得吗？

全陶瓷轴承通常比钢更圆、更光滑、更硬，具有优异的耐腐蚀性和耐热性、更高的尺寸稳定性和更低的密度。然而，这是有代价的。陶瓷轴承比钢轴承贵得多。

那么，什么时候投资陶瓷轴承才值得呢？高价值的应用程序，如实验室设备，在每次使用应用程序时都需要满足精确的要求。在此类设备中使用错误的组件可能会污染研究条件或导致研究完全停止。医疗设备也是如此，陶瓷轴承的非污染和非磁性证明至关重要。

以磁共振成像（MRI）为例，该成像技术主要与医院MRI扫描仪相关。这项技术利用强磁场生成任何活体的二维或三维图像。由于其磁性，标准钢轴承不能用于这些扫描仪，因此陶瓷轴承是用于这些高价值应用的最佳选择。

同样，随着集成电路制造商努力使芯片更快、更小、更便宜，半导体制造设备公司越来越依赖先进的陶瓷组件来实现所需的性能。使用由氮化硅而非标准氧化铝（氧化铝）制成的轴承可以提供电气绝缘和良好的耐腐蚀性。

氮化硅的电阻率和介电常数与氧化铝相似，但由于其微观结构，该材料的强度要大得多。全陶瓷轴承可以适应半导体生产阶段存在的许多挑战性条件；从炉子温度可以达到接近1400摄氏度，到洁净室1级的空气质量。突然之间，增加的成本显然是合理的。

2.氧化锆还是氮化硅？

有许多商用陶瓷轴承类型，所有这些类型都比传统轴承元件具有许多优势。用作轴承材料的典型陶瓷是氮化硅（Si3N4）和氧化锆（ZrO2）。

氮化硅是一种很硬但也很轻的材料。它具有优异的耐水性、耐盐水性和许多酸碱性，并且温度范围非常宽，适合在高真空应用中使用。氮化硅的极端硬度也意味着更大的脆性，因此应尽量减少冲击或冲击载荷，以避免开裂的风险。

氮化硅已被用作几种航空航天应用的主要材料。值得注意的是，美国国家航空航天局的航天飞机最初是由涡轮泵内的钢轴承制成的——当航天飞机，尤其是其发动机，承受巨大的载荷和温度时，这不是一个好的组合。由于这些极端负载，NASA工程师将轴承升级为氮化硅轴承，因为其在真空环境中的优越性。令人印象深刻的是，根据NASA的分析报告，与钢轴承相比，Si3N4轴承在运行时显示出40%的增长。

由二氧化锆或二氧化锆制成的陶瓷轴承是一种坚硬的陶瓷材料，其膨胀性能与钢非常相似，尽管它们比钢轻30%。在考虑高温应用中的轴和轴承座配合时，这是一个优势，在高温应用中，轴承膨胀可能意味着轴不再适合。

虽然它们通常被称为氧化锆轴承，但它们实际上是由氧化钇稳定的氧化锆制成的，这使材料在室温下具有更大的强度和抗裂性。它们还非常防水，这意味着它们经常用于海上应用，特别是在设备完全淹没的情况下，或者传统的钢轴承无法应对负载或速度的情况下。衡量Si3N4或ZrO2轴承是否是正确的选择是一个复杂的决定，但一般来说，ZrO2轴承由于其极端的耐腐蚀性和更坚硬的性能而更常见。

3.全陶瓷还是混合陶瓷？

当大多数人想到陶瓷轴承时，他们通常指的是混合型轴承。混合轴承位于陶瓷和钢的中间，通常包括不锈钢滚道或套圈以及陶瓷球。混合轴承的钢制内圈和外圈可以加工到非常小的公差，这意味着它们最适合于电机、实验室设备和机器工具等应用。

例如，在磨床上，通过添加陶瓷混合轴承和合成润滑脂润滑剂，由于摩擦减少，每分钟转速(RPM)可以提高25%。使用混合陶瓷的磨削主轴可以运行4000小时而不会出现问题，而使用钢轴承的磨削主轴可以运行3000小时。混合轴承还可以将温度降低近50%。在卧式加工中，已证实从传统轴承切换到混合轴承后，在12,000转/分时将轴承温度从60℃降至36℃。使用混合轴承组合可以实现比全陶瓷轴承更高的速度，因为在高速或负载下，脆性较小的金属圈不容易发生突然的严重性故障。也就是说，与全陶瓷轴承相比，混合动力轴承的耐腐蚀性相形见绌。为极端环境指定正确的方向一直是一个复杂的问题。但真正明白了其应用领域并权衡利弊，问这三个问题将有助于决策过程。

（资料来源：SMB官网）

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