陶瓷轴承中国市场可行性分析

陶瓷轴承在中国市场的可行性分析一、引言陶瓷轴承作为一种重要的机械基础件，由于含有金属轴承所无法比拟的优秀性能，近年来，在国计民生的各个领域中得到了日益广泛的应用。在航空航天、核工业、石油工业、化学工业、轻纺工业、食品工业、高速机床等高温、高速、耐腐蚀、真空、电绝缘、无磁、干摩擦的特殊环境下，陶瓷轴承不可或缺的替代作用正在被人们逐步地认识。随着加工技术的不停进步，工艺水平的日益提高，陶瓷轴承的成本不停下降，已经从过去中在某些高精尖类领域小范畴内应用，逐步推广到能够接受的程度，陶瓷轴承大面积应用的时代已经到来。二、陶瓷轴承在国外的发展历程六十年代初，研究者发现工程陶瓷含有作为轴承材料的优良性能，如耐高温、耐腐蚀、耐磨、硬度高、密度小、热膨胀系数小、自润滑性好等，但陶瓷材料的弹性模量大，会增加轴承滚动体作用在内外圈上的接触应力，减少了轴承的使用寿命。研究者对陶瓷材料的多个性能进行了大量的实验研究，认为在全部的陶瓷材料中热压氮化硅最适于作为轴承材料。七十年代，材料专家们把探索新型轴承材料的注意力由全部陶瓷材料集中到氮化硅陶瓷材料上。Scott、Dalal等人认为：氮化硅是一种可湿润且能使润滑油在轴承中形成适宜厚度油膜的材料，在不润滑时热压氮化硅陶瓷是最耐磨的材料,在高温下使用固体润滑剂可消除热压氮化硅材料的磨损，在重载润滑条件下热压氮化硅作为轴承材料不比轴承钢好。在相似应力条件下，氮化硅混合轴承的使用寿命L10比其它陶瓷混合轴承寿命L10要大许多倍。氮化硅陶瓷球的疲劳破坏形式与轴承钢疲劳破坏形式相似，都为疲劳剥落，而非断裂破碎。在混合轴承性能方面，Parker等人认为由于氮化硅弹性模量高、密度小，分别对内、外圈影响，这样混合轴承内圈使用寿命的减小值不不大于其外圈使用寿命的增加值，最后使混合陶瓷轴承总的使用寿命减少；混合轴承在轻载和高速下其使用寿命相对于钢轴承会有所改善；对于氮化硅滚动体来说，滚动体表面加工质量的好坏对其疲劳寿命、耐腐蚀性和耐磨性有很大影响，同时，混合陶瓷轴承的寿命也受到钢制套圈滚道寿命的限制。进入八十年代，对陶瓷轴承的研究日益加深、加宽。1982年美国润滑工程协会的Morrison等人对混合轴承的使用寿命进行研究，认为混合陶瓷轴承的寿命仍然是载荷的指数函数，寿命指数的最大似然预计值为4.29，而钢轴承寿命公式中寿命指数值为3，这阐明混合轴承的寿命比钢轴承对外载荷的依赖性大。日本机械部的菊地滕男等人在1983年对混合陶瓷轴承和全陶瓷轴承作了疲劳实验，得出以下结论：①常压烧结碳化硅、氮化硅和热压碳化硅不适合作轴承材料；②热压氮化硅陶瓷寿命相称于或好于轴承钢的寿命，如果确保陶瓷材料含有良好的微观构造和表面质量可提高其性能，轴承的破坏形式是疲劳剥落；③常压和热压材料的损伤形状无明显区别，和寿命长短也没有联系；④在运行中，陶瓷套圈滚道表面变形极小，特别是热压氮化硅陶瓷材料几乎没有变形。他们同时得出热压氮化硅陶瓷球疲劳寿命L与赫兹应力P的关系:,其中n=16.0。1987年日本的藤原孝志在轴承材料的疲劳实验中研究了氮化硅陶瓷材料的额定静负荷，成果表明氮化硅陶瓷材料的额定静载荷比轴承钢的额定静载荷要大，同时藤原孝志讨论了陶瓷材料和轴承钢的接触应力，认为在接触区内的应力都是压应力，而在接触区外,沿接触区的径向上产生的是拉应力,最大拉应力产生在接触界限上。1989年Zaretsky又在总结前人实验成果的基础上，对陶瓷轴承做了进一步研究，得出以下结论：①氮化硅陶瓷轴承的寿命比钢轴承的寿命长，但全氮化硅陶瓷轴承的额定动负荷仅为同型号钢轴承的5~20%；②对大部分陶瓷来说，混合轴承的寿命比同型号钢轴承寿命低，因素是其弹性模量比轴承钢的大；③轴承能量的损失和热量的产生不仅依赖于轴承材料本身的性质，更重要的是依赖于单个轴承的设计和运行状态；④陶瓷滚动体的寿命与温度指数函数的倒数成正比(L∞1/△Tm)。对氧化铝来说，当实验温度在1366K时，m=1.8；⑤全陶瓷轴承在无润滑剂和664K温度下运行半小时出现忽然破坏，故建议在高温下使用的陶瓷轴承要进行润滑；⑥全陶瓷轴承的设计和安装必须进行改善，并要建立陶瓷轴承优化设计理论。九十年代，研究的重点为混合陶瓷轴承的性能、全陶瓷轴承的性能及陶瓷轴承的设计理论。1990年日本的伊藤一人等人对陶瓷轴承在喷气式发动机上的应用进行研究，成果表明轴承在温度、振动、外观尺寸等方面均无异常现象。对上述轴承进行疲劳实验时，发现某些轴承的使用寿命较短,寿命分散性大，这就规定对全陶瓷轴承性能作进一步的研究，并完善陶瓷轴承的设计理论。1994年Rhoads等人经实验证明当混合轴承套圈处在疲劳剥落过程中，氮化硅陶瓷球仍能经得起较高载荷的冲击；氮化硅陶瓷球破坏的概率比同尺寸的钢球破坏的概率小；在不润滑或润滑不良的条件下，混合轴承运行状态比钢轴承的好。1995年，Chiu等人对混合陶瓷轴承进行高速下的疲劳实验，发现氮化硅陶瓷在赫兹应力为2.6MPa时，运行800~2170小时后仍处在良好状态。高速混合轴承在润滑不良的条件下,它的温升仍低于钢轴承的温升。现在世界各国研究陶瓷轴承处在领先水平的重要公司有瑞典的SKF、德国的FAG、法国的圣戈班戒、日本的NSK、KOYO等。三、陶瓷轴承在国内的发展历程陶瓷轴承在国内研究起步较晚，现在国内研究开发陶瓷轴承的大专院校有：上海硅酸盐所、上海材料所、北京中实三强工程陶瓷有限公司、广东工业大学、洛轴所等。，现在，在组合陶瓷轴承方面，许多研究单位还处在实验研究阶段，除了生产能力较强的北京中实三强工程陶瓷有限公司含有中批量生产全陶瓷轴承的能力，洛轴所与上海硅酸盐所做了某些样品外，还没有见到产业化的公司。现在国内对陶瓷轴承和陶瓷球轴承的研究开发工作还存在着某些问题,严重制约了陶瓷轴承的发展。四、轴承材料的性能对比从材料性能对比表能够看出：工业构造陶瓷材料硬度高，强度高耐腐蚀性强，热传导低，绝缘性好，使用温度高，其中的陶瓷材料中热压氮化硅最适于作为轴承材料。五、陶瓷轴承性能优点1、高速性陶瓷材料的重量仅为同等钢材重量的40%，低密度这一特点，可实现轴承的轻量化和高速化，使得陶瓷轴承在高速旋转时能够克制因离心力作用引发的滚动体载荷的增加和打滑，陶瓷轴承的转速是钢制轴承的1.3~1.5倍，其DN值（滑动线速度极限DN值【轴承内径（mm）与轴转速（r/min）的乘积】）可达300万，例如角接触球轴承由于含有一定的接触角，其滚动体与滚道面之间会产生旋转滑动，当采用密度小的陶瓷滚动体时，不仅旋转滑动小，并且对轴承发热和表面损伤均起到有益的作用，对于航空航天飞行器也是非常有益的。2、高刚性氮化硅陶瓷的弹性模量比金属高得多，是金属的1.5倍，因而受力后的弹性变形小，相对载荷的刚性高，大概可提高刚度15~20%，从而减轻了机床的振动。高精密系统中获得了良好的应用价值，如超精密机床的主轴，高精度的航天轴承等。3、长寿命由于陶瓷材料错位少，迁移率低，且含有高的硬度，普通较金属的硬度要高1倍多，能够减少磨损，使得陶瓷轴承含有好的耐磨性。另外，氮化硅陶瓷的机械强度并不低，其抗拉强度和抗弯强度与金属相称；而抗压强度极高，大概是金属材料的5~7倍，特别是在高温条件下，仍能保持高的强度和硬度，即使在1℃时强度也基本保持不变，在有异物混入的状况下，陶瓷球极少产生剥落失效，因此，陶瓷轴承普通含有更长的寿命，普通较钢制轴承提高3~5倍。4、低发热由于氮化硅陶瓷材料的摩擦系数较小，大概是原则轴承钢的30%，因此与金属材料相比，氮化硅陶瓷的导热性能较差，因此陶瓷轴承工作时产生的热量较小，可延长润滑脂的寿命。5、低热膨胀氮化硅陶瓷的热膨胀系数大概是轴承钢的20%，因此陶瓷轴承随温度变化的尺寸变化量小，从而避免了过多的热量聚集成疲劳剥落失效，有益于在温度变化大的环境中使用。6、耐腐蚀性陶瓷性材料不活泼的化学特性，使陶瓷轴承含有一定的耐腐蚀性能，因此，陶瓷轴承可用于钢制轴承由于缺少耐化学性而提前失效的全部应用场合，如化工机械设备、食品海洋等部门使用的机械以及原子能设备中的应用。7、无磁性在强磁环境中，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、噪声增大的重要因素，由于陶瓷轴承时完全非磁性，且含有正常的承载能力，因此可用于需要完全非磁性轴承的场合。8、绝缘性陶瓷材料的常退电阻率比较高，可作为较好的绝缘材料，使轴承免遭电弧损伤。9、自润滑性氮化硅本身就是自润滑材料，可在无润滑或润滑条件不佳的状况下工作。10、无污染、环保六、陶瓷轴承的市场分析与发展趋势数控机床涉及数控车床、加工中心、数控磨床、电加工机床、数控锻压机床等，该类机床用角接触陶瓷球轴承普通用于ｄｍ·ｎ≥80×104高精度、高速度主轴上。全国数控机床产量３～3.5万台，其中数控车床10000台、加工中心3000台、数控磨床1500台、电加工机床10000台、数控锻压机床６00台、数控重型机床100台，以每台数控机床主轴平均安装４套精密轴承及陶瓷球轴承计算，则精密轴承及陶瓷球轴承年需求量14万套。其中陶瓷球轴承年需求量为4万套。磨床电主轴重要用于高速内表面磨床，其精度和转速规定较高。全国高频电主轴用精密轴承及陶瓷球轴承年需求量约35万套，其中，陶瓷球轴承需求按50％计，则陶瓷球轴承年需求量为17.5万套。其它金属加工机床主轴用陶瓷球轴承，预计金属加工机床年产量为20～22万台，轴承总需求量为1650～1775万套，扣除数控机床及内表面磨床，其它金属加工机床约为18万台，以每台金属加工机床平均安装１套精密轴承及陶瓷球轴承计算，则精密轴承及陶瓷球轴承年需求量为18万套，其中陶瓷球轴承年需求量为５万套。化工机械用陶瓷球轴承重要为多个工业泵配套轴承，涉及油田调油泵、电潜泵、注水泵、增压泵、离心油泵、离心水泵、耐腐蚀泵、往复泵、旋涡泵、螺杆泵、原油炼制泵、深加工泵、化工流程泵、耐磨泵和液压泵等，需求量大，预计多个泵的年产量将达成１８万台，每台泵平均按２套精密轴承和陶瓷球轴承计算，其中陶瓷球轴承９万套。现在，国内陶瓷球及陶瓷球轴承技术精度达Ｇ３～Ｇ５级，陶瓷球轴承实现批量化生产。随着数控机床生产规模的扩大和数控机床社会保有量的增多，滚珠丝杠的社会需求量也随之增多。根据机床工具行业发展预测，我国滚珠丝年需求量约为20万副，每副滚珠丝杠配套精密轴承平均按4套计算，滚珠丝杠用精密轴承需求量为80万套，按20％的比例采用陶瓷球轴承，则陶瓷球轴承年需求量为16万套。因此，数控机床主轴、磨床电主轴、其它金属加工机床主轴和滚珠丝杠共需精密轴承及陶瓷球轴承147万套，其中陶瓷球轴承42.5万套。因此，金属加工机床用精密轴承和陶瓷球轴承总需求量约万套，因此，国内机床行业用陶瓷球轴承市场前景广阔。现在我国陶瓷轴承的研究还处在早期，其研究远远没有结束，存在的问题有：一是陶瓷球的制坯研究；高精度陶瓷的加工工艺办法研究；高技术陶瓷与轴承制造技术的产业化结合，两者的专业化程度均很高。现在国内成熟生产陶瓷滚动体的公司：北京中实三强工程陶瓷有限公司、光大黑龙江晶体公司、湖北神风装备材料公司。还需要在下列几方面进一步研究、探索：一是研究适应范