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不同的材料如何影响轴承性能?

作者:乔峰来源:本站时间:2024-03-25 10:37:34

无论是在食品制造厂、汽车装配线上,还是在滑板和电动工具等消费品中,轴承在减少机械系统中运动部件之间的摩擦方面都发挥着至关重要的作用。
 
轴承有各种形状和尺寸,最常见的类型包括滑动轴承和滚动轴承,滑动轴承由在套筒的孔中旋转的轴组成,滚动轴承由旋转内圈和外圈之间的滚珠或圆柱滚子组成,除此之外,轴承还包含其他元件,如用于引导滚珠和保持架的滚道,以确保正确对齐和间距。
 
轴承座通常由钢制成,滚道和保持架通常由钢或塑料制成,滚珠可以由钢、陶瓷或塑料制成,为了让设计工程师能够轻松地选择合适的材料,乔峰为大家介绍了几种主要的材料类型。

 
一、钢材
 
钢是最广泛可用的材料,由于其高径向和静态负载能力,在高负载下表现良好,能够实现高速旋转,工业应用中的大多数轴承都是使用铬钢(SAE 52100)制成的,这种钢具有较高水平的碳含量和约1.5%的铬,制造时会经过受控的热处理,表面硬度达到洛氏硬度(HRc)的60–64左右,不仅使铬钢表面更光滑、更坚硬,还可以承受高达120°C的高温。
 
然而,铬钢的低铬含量意味着它对化学物质和腐蚀的抵抗力很低,尽管硬度很高,但暴露在润滑剂中的水和酸性化合物,甚至灰尘和碎屑中,都会导致钢球和滚道的磨损和疲劳增加,如果不加以控制,其长期影响将导致轴承最终产生故障。
 
这对于食品制造环境尤其重要,例如,环境中的热量和湿度水平会定期变化,一台机器可能是油炸和烘焙食品,而另一台机器则可能是冷藏和快速冷冻产品。在这种情况下,轴承用户可以考虑选择通常含有约18%的较高铬含量的不锈钢,具有更高的耐腐蚀性,AISI 440C不锈钢采用标准制造工艺制造,包括快速加热和淬火,使钢成为马氏体,具有坚硬的晶体结构。尽管440C不锈钢的硬度和承载能力略低于铬钢,但它可以承受通常高达250°C的温度,对于需要连续保持高速的轴承应用非常有用。
 
这两种类型的钢的缺点是碳含量高,因此具有磁性,不适合用于MRI成像机等医疗设备,在这些设备里,应考虑奥氏体不锈钢,如AISI 316(碳最大0.08%),低碳含量使这种钢无磁性,然而,碳含量过低,钢不能被有效硬化,因此具有低的承载能力,旋转速度也较低。

 
二、陶瓷
 
对于制药、食品和化学加工应用,轴承可能会暴露在高水平的化学、洗涤剂和酸性条件下,并放置在重载环境中,这种情况下,使用陶瓷球(保持架和套圈仍由钢制成)的轴承可能是更好的选择。
 
由氮化硅(Si3N4)等陶瓷材料制成的滚珠轴承具有更光滑的表面、更低的热膨胀、高硬度(超过70 HRc)、低腐蚀性和低电导率。
 
陶瓷滚珠轴承比钢制滚珠轴承轻60%左右,硬120%左右,同时仍能实现超过700°C的最高温度,陶瓷球也需要较少的润滑(通常能够无润滑运行),提供较低的摩擦水平,并在高速下保持低温,另外,至关重要的是,陶瓷轴承可以用于非磁性应用。
 
但陶瓷轴承也有缺点,其承载能力较低,对热冲击更敏感,可能导致开裂,在这些情况下,选择氧化锆和碳化硅等替代类型的陶瓷会有更好的效果。

 
三、塑料
 
塑料是非磁性、非导电和高腐蚀性应用的理想选择,轴承中使用的塑料范围很广,包括聚甲醛(POM-C)、通用聚酰胺(PA6/66)、聚醚醚酮(PEEK)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE、Teflon)和酚醛浸渍纤维等材料。
 
塑料具有自润滑性、耐腐蚀性,运行平稳、安静,能够达到150°C的温度,这是由塑料的低摩擦系数(COF)实现的,随着时间的推移,由于塑料几乎没有磨损,摩擦系数保持一致。
 
然而,在非常高的温度以及轴承承受高负载的应用中应小心使用塑料轴承,因为这种环境可能会导致滚珠和保持架发生永久变形。
 
随着工业和消费应用变得越来越复杂,工程师不仅要选择合适的轴承类型,而且要选择适合应用的轴承材料,这一点很重要,正确选择轴承材料是提高性能、节省成本和延长产品寿命的第一步。