AISI 304 和陶瓷轴承对于人类的下一次巨大飞跃至关重要

“太空是一项有风险的事业，”美国宇航局代理副局长亚伦·科恩（Aaron Cohen）曾说。“我一直认为每次发射都是一次几乎无法控制的爆炸。”预计在不久的将来会有几个新的太空项目，必须不惜一切代价避免这些风险。这给工程师带来了更大的责任，他们需要创造能够承受剧烈航天飞机发射和恶劣空间真空的高性能组件。在这里，专业轴承供应商 SMB Bearings 的董事总经理 Chris Johnson 解释了先进轴承在人类超越星空的旅程中的重要作用。

联合国 （UN） 已将天基服务和技术确定为其 17 年 2030 个可持续发展目标的关键。其网站称，空间技术将是“了解气候变化和整个灾害管理周期的关键;在空间可以做出贡献的无数应用中，只有两个例子。《福布斯》杂志预测了未来几年的几项太空技术发展。它们包括以绿色为导向的项目，例如卫星上的红外摄像机，用于监测家庭和企业产生的热排放，以及卫星图像地图，用于衡量与碳使用相关的森林砍伐。

《福布斯》补充说，还计划进行更小的月球有效载荷旅行，并发射更多的卫星。这些项目将给设备制造商带来更大的压力，要求他们采购和使用能够在太空真空中生存的关键任务机器部件。由于太阳未经过滤的辐射，传感器、太阳能电池、透镜和半导体等重要部件将受到极端温度波动的影响，在某些情况下会导致故障和价值数百万美元的损失。

这些挑战也适用于轴承。一个主要问题是，超洁净真空环境，尤其是那些以高温或低温或高腐蚀性元素为特征的环境，会对轴承寿命产生惊人的90%的影响。一方面，机器制造商一直在提高用于食品加工和钢铁制造等地球应用的轴承的性能要求，特别是为了提高它们在高腐蚀性环境中的性能以及暴露于湿气和化学品的能力。但是，轴承如何能够承受太空的真空，以及在太空应用中日益增长的使用需求呢？

寿命更长

太空的恶劣条件包括绝对真空、温度波动等苛刻因素，以及火箭部件在升空过程中受到的极端和剧烈的重力。为了承受这些条件，轴承应该经过空间认证，但这究竟意味着什么？

首先，用于太空的轴承理想地应符合 AS9102 航空航天首件检验标准，该标准涵盖了用于航空、航天和国防的零件制造过程，从小型电气元件到大型结构组件。这是AS9100系列法规的一部分，该系列法规相当于航空航天的ISO 9001质量管理体系。这些标准对轴承本身提出了工程要求。

以滚珠保持架为例，也称为固定器，它将轴承的滚珠与中央滚动部件分开。保持架可由AISI 304奥氏体不锈钢制成，因为它具有优异的耐腐蚀性和良好的高温性能。用聚四氟乙烯（PTFE）涂层不锈钢轴承也是有益的，PTFE是世界上用途广泛的已知塑料材料之一。PTFE在航天器外的使用越来越多，在真空环境中表现出的拉伸、伸长率、弯曲和冲击性能比Tefzel（ETFE）等更常用的氟基塑料好十倍。

轴承的寿命也应该被考虑在内，特别是如果它们要用于航天器上的滚动体，这些航天器必须在远离地球的地方运行数年、数十年或无限期。润滑在这里至关重要，低释气和低蒸气压力油是专门为太空应用开发的。合成碳氢化合物或全氟聚醚 （PFPE） 液体润滑剂在航空航天工业中的应用已有 30 多年的历史。

侵蚀性环境

让我们看看其他材料：陶瓷，通常用于太空中的热保护系统或隔热罩。陶瓷被证明可以有效地承受极端的温度变化，例如当航天器高速进入任何类型的大气层时，无论是地球还是火星。陶瓷具有优异的低温和高温稳定性，这意味着它们可用于深空和低温以及熔炉应用。

这就把我们带到了陶瓷轴承上，由于它们的优缺点，陶瓷轴承经常被钢轴承所掩盖。首先是缺点：陶瓷轴承圈的圆度不如高精度钢轴承。虽然陶瓷轴承比钢硬，但材料也更脆。因此，全陶瓷轴承不用于机床或涡轮机等超高速应用。超精密混合陶瓷轴承是这些应用的选择。陶瓷轴承也更昂贵。

然而，陶瓷轴承用于其他材料不适用的腐蚀性环境中。它们常用于需要出色的耐腐蚀性以及暴露在极低或极高温度下的应用中。换句话说，陶瓷生物非常适合在太空中使用。

SMB Bearings 陶瓷轴承中常用的材料是氧化锆 （ZrO2） 和氮化硅 （Si3N4）。两者都具有出色的耐腐蚀性，这些材料具有低摩擦系数，这为我们带来了全陶瓷轴承的一个关键优势：它们可以在不润滑的情况下持续高速运行，这就是为什么Si3N4经常用于真空环境的原因。

ZrO2轴承可在400摄氏度以下使用，Si3N4轴承可在800摄氏度以下使用。此外，对于这些温度，SMB Bearings 建议轴承应该是满补充的。这意味着轴承没有滚珠固定器，相反，自由空间允许安装额外的滚珠。滚珠互补的增加使径向承载能力显着增加，尽管更大速度大大降低。低至零下200摄氏度，只要使用合适的保持架，陶瓷也具有出色的低温性能。

氮化硅轴承具有轻质和真空兼容特性，在太空探索应用中将受到极大的依赖。它们将特别有利于卫星和航天器，它们需要比较好的承重能力才能执行增强的飞行动力学和加速度。这些专业轴承及其不锈钢轴承对于确保人类的下一个巨大飞跃是一项远非风险的业务至关重要。