陶瓷球軸承的應(yīng)用及市場分析

       闡述了高速高精度主軸軸承用氮化硅陶瓷滾動體材料性能特點和鋼制滾動體性能對比，及目前國內(nèi)外陶瓷球軸承市場分析及展望。

 一. 前言

       滾動軸承由套圈，滾動體和保持器組成。由于套圈和滾動體接觸點受到外加負荷和旋轉(zhuǎn)的作用，因而反復產(chǎn)生接觸壓力和變形。由于鋼制軸承自身材料性能特點，軸承失效的主要形式是疲勞剝落，疲勞壽命短，應(yīng)用范圍受到很大限制。而陶瓷材料（Si3N4）具有低密度，中等彈性模量，熱膨脹系數(shù)小，硬度高，耐高溫，耐腐蝕，無磁等優(yōu)點，以氮化硅陶瓷球為滾動體的陶瓷球軸承可顯著提高軸承接觸疲勞壽命，極大拓展了滾動軸承的應(yīng)用領(lǐng)域，已廣泛應(yīng)用于各種高精度、高轉(zhuǎn)速機床，汽車、賽車、地鐵、電機、航空發(fā)動機、石油化工機械、冶金機械等領(lǐng)域。目前，氮化硅陶瓷球和陶瓷球軸承已開始步入批量化生產(chǎn)階段，特別在機床用高速精密主軸軸承和耐高溫耐腐蝕軸承等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。
二. 氮化硅陶瓷材料性能

1. 低密度

       由于陶瓷滾動體材料密度低，離心載荷小，從而可在更高轉(zhuǎn)速下工作，而且產(chǎn)生熱量較少。
2. 中等彈性模量

       陶瓷滾動體的彈性模量比鋼制滾動體高，則軸承的動態(tài)剛度提高，但是彈性模量太大會因應(yīng)力集中而降低軸承的承載能力。

3. 熱膨脹系數(shù)小

       熱膨脹系數(shù)小有助于減小對溫度變化的敏感性，從而防止卡死。對混合滾子軸承，可適用的運轉(zhuǎn)速度范圍更寬。

4. 抗壓強度高

      壓強度高是滾動軸承承受高接觸應(yīng)力的需要（對于陶瓷材料，其強度通常是通過三點或四點彎曲試驗測得的斷裂模量決定）。

5. 高硬度和高韌性

       這兩個特性相結(jié)合可獲得較好的表面粗糙度，而且能防止外界硬質(zhì)粒子和沖擊的損傷。

6. 良好的抗?jié)L動接觸疲勞特性

       此性能對軸承滾動體的要求至關(guān)重要。

7. 剝落失效形式

       如果滾動體在工作中失效，則應(yīng)是疲勞剝落，該實效形式在卡死前有預(yù)兆，是一種造成危害最小的實效形式。

       在一些應(yīng)用條件較高的應(yīng)用領(lǐng)域陶瓷材料還具備一些特殊性能。

8. 耐高溫和穩(wěn)定性

       在高達800℃高溫環(huán)境中能穩(wěn)定保持其機械性能。

9. 耐腐蝕

       在氧化和腐蝕環(huán)境，尤其是在反復滾動而擠掉表面油膜的接觸區(qū)應(yīng)具有抗氧化和腐蝕穩(wěn)定性。 

       雖然氮化硅材料在工業(yè)陶瓷中不是最硬的，韌性也不是最高的，但是在要求高性能的軸承應(yīng)用中，氮化硅被認為具有最佳的機械物理綜合特性。綜合的滾動接觸剝落試驗和軸承試驗均證明致密和均質(zhì)的氮化硅材料具有良好的抗?jié)L動接觸疲勞特性。工業(yè)用氮化硅陶瓷材料和軸承鋼的性能對比見表1 。

氮化硅 軸承鋼
密度（Kg/m3） 3250 7800
楊氏模量（GPa） 310 210
抗壓強度（MPa） >3500 
斷裂模量（MPa） 700－1000 
維氏硬度（GPa） 14－18 8
韌性（MPa· m1/2） 5－8 16－20
熱膨脹系數(shù)（×10-2/°K） 3 12
熱傳導率（W/mK） 20 30
比熱（J/KgK） 800 450
使用上限溫度（°K） 1050 400－600
抗熱沖擊 高 很高
滾動接觸疲勞失效形式 剝落 剝落

表1. 工業(yè)陶瓷和軸承鋼的性能對比

三. 國內(nèi)外陶瓷球軸承市場分析及展望

1. 國內(nèi)市場

1.1 機床用陶瓷球軸承

       機床用陶瓷球軸承主要應(yīng)用在各種機床主軸和滾珠絲杠上。

       機床用軸承指通用機床主軸、進給系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)軸承，各種高速大功率電主軸軸承、磨床磨頭軸承以及各種數(shù)控機床、加工中心和加工自動線等所需軸承。此類軸承精度要求高，其精度為P2、P4、P5級。該類軸承技術(shù)含量高，加值高，性能穩(wěn)定，使用壽命長，加工難度大。常規(guī)鋼制軸承不能完全滿足機床高轉(zhuǎn)速和高精度的使用要求，而陶瓷球軸承則能很好的彌補這一缺陷。

1.1.1數(shù)控機床用陶瓷球軸承

       數(shù)控機床包括數(shù)控車床、加工中心、數(shù)控磨床、電加工機床、數(shù)控鍛壓機床等，該類機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。“十五”末期全國數(shù)控機床產(chǎn)量將達到3～3.5萬臺，其中數(shù)控車床10000臺、加工中心3000臺、數(shù)控磨床1500臺、電加工機床10000臺、數(shù)控鍛壓機床600臺、數(shù)控重型機床100臺，以每臺數(shù)控機床主軸平均安裝4套精密軸承及陶瓷球軸承計算，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。

1.1.2 磨床電主軸用陶瓷球軸承

       磨床電主軸主要用于高速內(nèi)表面磨床，其精度和轉(zhuǎn)速要求較高。“十五”末期，全國高頻電主軸用精密軸承及陶瓷球軸承年需求量將達35萬套，其中，陶瓷球軸承需求按50％計，則陶瓷球軸承年需求量為17.5萬套。

1.1.3其他金屬加工機床主軸用陶瓷球軸承

       預(yù)計，2005年金屬加工機床年產(chǎn)量為20～22萬臺，軸承總需求量為1650～1775萬套，扣除數(shù)控機床及內(nèi)表面磨床，其他金屬加工機床約為18萬臺，以每臺金屬加工機床平均安裝1套精密軸承及陶瓷球軸承計算，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。

1.1.4機床滾珠絲杠用陶瓷球軸承

       滾珠絲杠用來傳遞線性運動，具有高精度、高軸向剛性、低力矩和長壽命的顯著特點，廣泛應(yīng)用于精密機械設(shè)備中，是數(shù)控機床精密測量工具不可缺少的附件。
       滾珠絲杠用陶瓷球軸承的精度和安裝剛性是保證滾珠絲杠高精度高軸向剛性的重要因素。國內(nèi)外滾珠絲杠采用的軸承結(jié)構(gòu)通常為高精度角接觸球軸承，該類軸承要求非常嚴格，要求達到ISO國際標準P4級以上，為提高軸承的軸向承載能力，通常采用60°的大接觸角軸承。為達到極大的軸向剛性，最常見的是采用成組安裝方式。

       隨著數(shù)控機床生產(chǎn)規(guī)模的擴大和數(shù)控機床社會保有量的增多，滾珠絲杠的社會需求量也隨之增多。根據(jù)機床工具行業(yè)發(fā)展預(yù)測，我國滾珠絲杠1995年需求量為12萬副，2000年為16萬副，預(yù)計到2005年為20萬副，每副滾珠絲杠配套精密軸承平均按4套計算，2005年國內(nèi)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)控機床主軸、磨床電主軸、其它金屬加工機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。

       機床行業(yè)是裝備工業(yè)的基礎(chǔ)，是衡量國家綜合經(jīng)濟實力的標志。根據(jù)機床行業(yè)“十五”規(guī)劃目標，金屬加工機床年產(chǎn)量將由2000年的16萬臺增加到2005年的20－22萬臺，其中數(shù)控機床將由2000年的2萬臺增加到3－3.5萬臺（根據(jù)近兩年生產(chǎn)銷售實際情況，數(shù)控機床的生產(chǎn)和銷售將突破行業(yè)規(guī)劃），占總產(chǎn)量的15％，國產(chǎn)機床的市場占有率達到60～65％；工業(yè)總產(chǎn)值由2000年的200億元增加到2005年的230～250億元。經(jīng)分析計算預(yù)測，2005年金屬加工機床共需配套軸承750～825萬套，其中數(shù)控機床配套軸承150萬套左右；2005年金屬加工機床維修用軸承需求量900～950萬套，其中數(shù)控機床維修用軸承180萬套左右。因此，2005年金屬加工機床用精密軸承和陶瓷球軸承總需求量1650～1775萬套，其中數(shù)控機床需求量330萬套左右。因此，國內(nèi)機床行業(yè)用陶瓷球軸承市場前景廣闊。

1.2.化工機械用陶瓷球軸承

化工機械用陶瓷球軸承主要為各種工業(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，預(yù)計到2005年各種泵的產(chǎn)量將達到18萬臺，每臺泵平均按2套精密軸承和陶瓷球軸承計算，到2005年軸承需求量為36萬套，其中，陶瓷球軸承9萬套。  綜上所述，2005年國內(nèi)機床和化工行業(yè)共需精密軸承和陶瓷軸承181萬套，其中，陶瓷球軸承51.5萬套。
       目前，國內(nèi)洛陽軸研科技股份有限公司陶瓷球及陶瓷球軸承技術(shù)居國內(nèi)領(lǐng)先水平，陶瓷球精度達G3～G5級，陶瓷球軸承實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。
2. 國外市場
       國際市場上陶瓷球軸承應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴展，需求量逐漸增大，有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＤ壳埃绹⑷毡咎沾汕蜉S承技術(shù)居世界領(lǐng)先水平。
       由于氮化硅陶瓷材料自身優(yōu)點，氮化硅陶瓷球軸承可在高溫、高速、高壓、深冷、真空、強腐蝕、抗磁、無潤滑、易磨損等特殊環(huán)境下工作，而鋼制軸承無法滿足要求。氮化硅陶瓷球現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機、各種高精度、高轉(zhuǎn)速機床，汽車、賽車、地鐵、電機、石油化工機械、冶金機械等領(lǐng)域。1984年，日本光洋精工（KOYO）在世界上首次成功將陶瓷球、陶瓷球軸承作為商品批量出售。如6205陶瓷球軸承在香港市場售價110美元；美國NORTON公司成功將陶瓷球軸承應(yīng)用在航天飛機的液壓泵上，因該軸承重量輕，轉(zhuǎn)速可提高0.5～1倍，且少用或不用潤滑油；日本的陶瓷球軸承在耐腐蝕行業(yè)、航天發(fā)動機、機床、地鐵等領(lǐng)域得到普遍應(yīng)用。瑞典SKF公司向美國宇航局供應(yīng)的淡化規(guī)陶瓷軸承使用溫度高達800℃，使用壽命比鋼制軸承提高4～6倍；SKF公司在我國的上海北京設(shè)立辦事處，經(jīng)營該公司的氮化硅陶瓷軸承，陶瓷軸承價格約120美元/套；日本的NSK公司目前已有28種規(guī)格3個級別的角接觸陶瓷球軸承，即一般陶瓷球軸承、高速陶瓷球軸承、高速高載荷陶瓷球軸承，如：ROBUST低發(fā)熱高速軸承、抗腐蝕軸承、YS型真空用軸承、潔凈環(huán)境用軸承、SJ型高溫軸承、絕緣軸承和火車用交流牽引電機及陶瓷滾動體、機床主軸軸承等，并在潤滑技術(shù)上不斷創(chuàng)新，在產(chǎn)品技術(shù)、產(chǎn)品質(zhì)量保證和產(chǎn)品銷售方面，已形成一套完整的體系。據(jù)不完全統(tǒng)計，1996年以前世界陶瓷軸承銷售額已超過4億美元。
       我國陶瓷軸承研究起步比工業(yè)發(fā)達國家晚了近30年，但我國陶瓷球軸承的研究、應(yīng)用、試驗步伐進步較快。大力發(fā)展民族機床工業(yè)，提高機床產(chǎn)品精度，滿足其它特殊應(yīng)用領(lǐng)域，陶瓷軸承將起到?jīng)Q定性的關(guān)鍵作用，而采用新型的納米復合陶瓷材料是提高陶瓷軸承產(chǎn)品精度和性能的趨勢。