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。