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何种轴承材料打造的“机械关节”更适合在液体中使用?
   发布时间:2022-08-03 01:43:06 来源:ror在线体育平台

  轴承是机械设备必不可少的零部件,主要是用来支撑机械旋转体,降低其运动时的摩擦系数,并保证其回转精度,轴承在机械设备的作用与人体关节的作用相近,所以其也有“机械关节”的称号。

  无论是平时见到的汽车、还是生产制造等器械,轴承遍布在我们看得到、看不到的各个地方,发挥着其重要的作用,但是随着各种机械设备性能要求的提高,轴承的性能也有了更高的要求,钢制的轴承已经无法在液体环境中使用,这种情况下该选用何种轴承材料?

  长久以来,轴承在液体环境中的使用问题是个难题,在当时,陶瓷轴承尚未出现,但许多领域的工作都需要在液体中执行,包括近海设备建造、医药研究和食品生产等。为了完成工作,当时制造商只能选择带有不锈钢轴承的设备。尽管不锈钢具有出色的耐腐蚀性,但它始终是一种软金属,依旧需要经常维护和更换,使用成本高。因此为了提高轴承的使用寿命,从那时起多个制造商便都致力于耐腐蚀轴承的研究。

  常用的材料中,传统的钢制轴承因环境相容性不佳而无法使用;塑料轴承则因疲劳强度、抗蠕变性能差也不予考虑;而陶瓷材料为惰性材料,力学性能优秀且几乎不怕腐蚀,在液态环境中适应良好,是最可靠的选择。

  要知道,液态环境往往并不止有普通的水,比如说在航天领域某污水回收处理系统中,还需添加一定量的H2SO4和强氧化剂,用于抑制溶液中微生物的增长,因此对轴承的耐腐蚀性能提出了更高要求。

  Si3N4对大多数酸,诸如盐酸(HCl)、硫酸(H2SO4)、硝酸(HNO3)和磷酸(H3PO4)以及碱,比如苛性纳溶液(NaOH)具有良好的耐化学稳定性。只有氢氟酸(HF)和盐酸、硝酸的混合液(HCl/HNO3)能对Si3N4产生腐蚀。因此用Si3N4做出的陶瓷轴承可长时间工作于腐蚀性的酸、碱、盐等溶液中,在化学工业或核动力工业,陶瓷轴承可替代化学稳定性差的钢质轴承,其平均寿命比不锈钢轴承高4~25倍。

  不过单纯耐腐蚀是不够的,轴承的服役寿命和性能同样很重要,在这些方面有着“陶瓷王”称号的Si3N4材料同样优势突出,或者说根本不算什么问题——它不仅耐腐蚀,而且还具有密度小、硬度高、耐高温、电绝缘、不导磁、抗压强度高、自润滑性能好等诸多特点,因此作为轴承材料时具有下方等诸多优势:

  对一般轴承而言,当速度因数DN值在2.5×106以上,其滚动体的离心力便会随转速的升高而急剧增大,轴承的滚动接触表面的滑动摩擦加剧,轴承的寿命就随着缩短。但由于氮化硅陶瓷轴承的密度较低,它在高速旋转时陶瓷滚动体产生的离心力大大低于钢质滚动体,使其对外环滚道的压力和交变载荷相应减少,与钢制轴承相比速度可提高30%~60%,温升降低30%~50%,并且不容易出现“抱轴”现象,其使用寿命比钢制轴承提高3~6倍;同时,滚动体的离心力大大减少,由于滚动体的离心力引起的高速打滑现象也大大降低,从而使滚动体、保持架组件的惯性力显著减少。

  温度变化对轴承的滚动疲劳寿命会产生较大影响,通常作为耐热材料使用的M50钢制轴承在250℃时的额定寿命约为常温下的1/10。而对于陶瓷轴承,由于陶瓷材料具有优异的高温性能,在高温工况下具有很好的滚动疲劳强度,试验结果表明,在1000℃高温下Si3N4还保持相当高的抗弯强度,因此陶瓷轴承有较好的接触应力和较长的疲劳寿命。

  Si3N4陶瓷作为轴承材料除了以上优异性能外,更重要的是其疲劳损坏方式是非灾难式的,与轴承钢金属材料类似是发生蚀坑或出现剥落,而氧化铝、氧化锆与碳化硅陶瓷球的失效形式为碎料。另外,氮化硅陶瓷球的表面气孔数量、气孔尺寸、气孔分布均匀性、氮化硅陶瓷球表面粗糙度、氮化硅陶瓷球残余应力及润滑条件均对氮化硅陶瓷球滚动接触疲劳强度有较大影响。

  Si3N4陶瓷材料本身具有减摩、抗磨、润滑功能,在不良的润滑工况条件如边界润滑、无油干摩擦情况下,显示出优越的减摩自润滑性能,可以大大提高机器的工作可靠性和使用寿命,并能降低机器噪声,减少维护费用。

  在强磁环境中,使用钢制轴承时,从轴承本身磨损下来的微粉被吸附在滚动体和滚道面之间,成为轴承提前剥落损坏、噪声增大的主要原因。不过氮化硅轴承是完全非磁性,其绝缘性能也很好,而且具有很好的承载能力,因此可用于需要完全非磁性轴承的场合。

  氮化硅陶瓷轴承能够完全在液体中使用,显然它们的应用领域远不止于此,强度高、高转速的特点,使得氮化硅陶瓷轴承已被广泛应用于机床主轴,而由于其无油和不会产生废料的特点,也使其被众多半导体制造商所采用。

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