來源：SKF Evolution
混合陶瓷軸承為應對現有和未來的技術挑戰提供了解決方案。混合陶瓷軸承采用鋼制內外圈和陶瓷滾動體，可減輕重量、減小摩擦，并消除電腐蝕現象，同時提高可靠性和轉速性能。
如今世界變化日新月異，全球大趨勢正在改變我們的出行、經營和生活方式。隨著城市化的推進，更多的人口正移居到城市，數字化和自動化正在加快我們的生活和工作節奏，而全社會必須應對多種環境問題的挑戰。與此同時，我們還看到電氣化（尤其是電動汽車）的突飛猛進，以及全球化進程的持續發展。
這些全球大趨勢進而推動著軸承領域的變革。許多新興技術要求軸承具有特殊性能，如適用于變頻驅動、維護需求減少、有助于提高功率密度、減少摩擦等。
圖1：多種趨勢正在影響軸承設計要求。
混合陶瓷軸承為應對所有這些現有和未來的技術挑戰提供了頗具潛力的解決方案。鋼制內外圈與陶瓷滾動體的組合，賦予了混合陶瓷軸承獨特的性能，使其適用于多種現代應用場合。SKF混合陶瓷軸承使用氮化硅滾動體，有深溝球軸承、圓柱滾子軸承兩種類型可供選擇，并可根據客戶需求定制。
圖2：混合陶瓷軸承由鋼制內外圈和陶瓷滾動體制成。
在軸承中使用陶瓷材料并非新鮮事。從上世紀60年代到80年代，陶瓷材料因其重量輕和耐熱性好的特點受到航空航天業的青睞，該行業率先采用陶瓷軸承。然而，直到上世紀80年代，陶瓷材料（氮化硅）才實現商業化生產。自上世紀90年代以來，現代混合陶瓷軸承應用于眾多應用場合，包括機床、風電機組、鐵路和電動車牽引電機、航空航天業，以及諸如壓縮機、泵和真空泵等流體機械中。
SKF混合陶瓷軸承中使用的氮化硅滾動體具有優于標準鋼制滾動體的特性。氮化硅的抗壓強度遠高于軸承鋼，其彈性模量高出軸承鋼三分之一左右，有助于減少滾動接觸中的摩擦。
重要的是，氮化硅的硬度是軸承鋼的兩倍多，使其成為潤滑不良等惡劣工況下的理想選擇。與軸承鋼相比，氮化硅不導電，且密度要低很多。此外，氮化硅的熱膨脹系數非常低，可以精確調整軸承游隙，但需要考慮超低溫應用等某些特殊工況的影響。
氮化硅可提升滾動軸承的性能，賦予軸承出色的電絕緣性能、減輕重量的特點、優良的摩擦性能和耐磨性。此外，它還能顯著提高軸承的轉速性能。
這些特性如何解決具體應用帶來的挑戰呢？為什么混合陶瓷軸承有望在未來幾年成為眾多行業的標準技術？
防止變頻驅動裝置中的電腐蝕現象
混合陶瓷軸承的全部優點在變頻驅動裝置上得到了充分體現，這種裝置用于對泵、牽引電機等旋轉設備進行優化控制。由于采用脈沖寬度調制技術，會產生有害的高頻電流，當電流通過軸承時，可能會對軸承內外圈、滾動體造成損傷，并影響潤滑劑的性能。軸承振動加劇只是危害Z小的后果，更有甚者，電腐蝕可能會大大縮短軸承和潤滑劑的使用壽命。
使用混合陶瓷軸承，令這一問題迎刃而解。氮化硅是一種電絕緣體，可以阻止電流在軸承內外圈之間通過，甚至可以絕緣極高頻率的電流，從而完全避免了由此產生的軸承失效。
通過延長潤滑脂壽命來延長維護間隔時間
混合陶瓷軸承的第二大優勢在于延長維護間隔時間和使用壽命。而其中的陶瓷滾動體可大大延長潤滑劑的使用壽命，這意味著軸承可以持續運行更長時間而無需維護。陶瓷滾動體可以改善潤滑劑對滾動接觸面的潤滑狀態，由于減小了摩擦和電腐蝕現象，避免了潤滑劑受熱降解，從而使其潤滑性能保持更長時間。
在SKF的測試中，混合陶瓷深溝球軸承中的潤滑劑壽命是相同規格全鋼制軸承的兩倍以上，Z高接近七倍。在對圓柱滾子軸承進行的類似測試中，混合陶瓷圓柱滾子軸承中的潤滑劑壽命是相同規格全鋼制軸承的兩倍到四倍。
高轉速性能有助于提升功率密度
混合陶瓷軸承的第三個優勢在于能實現更高的轉速，從而提高功率密度，這是電機制造行業的總體趨勢，特別是用于火車、汽車和工程車等交通工具的電機。簡單來說，功率是扭矩和轉速的函數。如果軸承的轉速提高，那么電機功率也會增加。
為什么要提高功率密度？
相同尺寸下，電機可輸出更高功率
輸出功率相同的情況下，電機尺寸可以減小
P = M•n
Z大轉速也受軸承大小的限制
由于混合陶瓷軸承的重量比鋼制軸承輕，因此其轉速性能Z大可以提高25%。此外，混合陶瓷軸承的摩擦較小，這就意味著工作溫度更低以及在高速下使用壽命更長。更重要的是，軸承剛度提高有助于提高設備精度，并降低發生轉子動力學問題的風險。
減少摩擦
混合陶瓷軸承還有一個優勢是摩擦減少。減少軸承摩擦有助于降低能耗，這是現代工業的一個重要考慮因素。混合陶瓷軸承中的陶瓷滾動體對滾動和滑動扭矩產生的摩擦有直接影響。對于混合陶瓷軸承而言，由于楊氏模量較高使得接觸橢圓面較小，從而降低了滾動扭矩造成的能量損失。此外，由于陶瓷滾動體的表面質量更好，滑動摩擦扭矩也得以降低。
圖3. 混合陶瓷軸承中的滑動和滾動摩擦降低。
SKF進行的試驗表明，混合陶瓷軸承在高速下的摩擦扭矩比全鋼制軸承低5%到8%。同時，試驗還表明，混合陶瓷軸承還可以很好地應對潤滑不足及其粘度降低的工況，這種特性有助于減少摩擦。這些潤滑因素的調整改善了應用工況，在不影響軸承使用壽命的前提下，Z大可將摩擦減少50%。
混合陶瓷軸承——從解決問題到引領行業標準
工業和汽車制造業正想方設法提高產量，以應對全球可持續發展挑戰，并緊跟社會和技術趨勢的步伐。采用陶瓷滾動體和鋼制內外圈的混合陶瓷軸承有望解決設計和維護方面的多種問題，從而提高可靠性。除了能夠解決技術問題，混合陶瓷軸承還能實現更經濟的運行和更高的功率輸出。因此，混合陶瓷軸承極有可能在未來幾年成為眾多應用場合和行業的標準軸承解決方案。
創新的保持架設計助力實現更高轉速
與全鋼制軸承相比，混合陶瓷軸承的主要優點是能夠實現更高轉速。對于想要進一步提高轉速的制造商來說，先進的軸承保持架技術會大有用處。SKF推出了一種適用于混合陶瓷軸承的創新保持架設計。這種新型雙片式保持架由輕質聚合物材料聚醚醚酮 (PEEK) 制成，可適應高速運行，同時減少高速下的發熱和潤滑劑性能劣化的現象。它能承受的轉速比黃銅保持架高60%，比傳統尼龍保持架高100%。
圖4：用于混合陶瓷深溝球軸承的SKF新型保持架采用了創新設計和高性能聚合物材料。
