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资料来源:《高可靠性陶瓷轴承技术研究进展》(王黎钦等,2013),较传统钢制轴承,陶瓷轴承优势凸显。陶瓷轴承具备转速和加速能力高、寿命长、耐磨损、摩擦温升小、所需润滑极少、摩擦损失小、耐腐蚀性好、刚性大、承载能力高、耐热性好、耐久性高、扭矩低、无磁性不导电、绝缘性好、导磁率低、自润滑性等优点。陶瓷轴承可以应用的范围广泛,包括航空、航海、石化、汽车、电子设备、冶金、电力、纺织、仪器,以及超高真空环境、科研和国防军事等领域。图表3:陶瓷轴承较全钢轴承的应用优势应用优势 具体情况由于陶瓷滚动小球的密度比钢低,重量更要轻得多,因此转动时对外圈的离心作用可降低40%,进而使用寿命大大延长。全陶瓷轴承的疲劳寿命可望比全钢轴承长10-50倍,混合陶瓷轴承,寿命也比全钢轴承的寿命高3-5倍左右寿命长、耐磨损转速和加速能力高 可在DN值超过300万的条件下运转,且打滑、磨损和发热均可降低;,陶瓷材料的质量比钢小,运转时滚动体所受离心力和陀螺力矩小,自旋滑动小,因此摩擦损失明显低于轴承钢轴承摩擦温升小、所需润滑极少陶瓷材料的摩擦系数低,陶瓷球轴承在18000r/min的转速下运转时的温升约为相同条件下轴承钢轴承温升60%。采用油润滑的陶瓷轴承,在润滑油变稀或贫油的情况下,其润滑能力仍不低于钢轴承常用的传统润滑剂绝缘性好,导磁率低无磁性不导电扭矩低耐热性好、耐久性高刚性大,承载能力高耐腐蚀性好摩擦损失小陶瓷材料的硬度最高可达轴承钢的2倍,陶瓷材料的弹性模量高,其刚性比普通钢轴承大15%-20%,因此陶瓷轴承的承载能力也大大高于轴承钢制轴承陶瓷材料能抵抗盐酸、硫酸、***、烧碱等各类无机酸、有机酸、盐、碱以及熔融金属的腐蚀,由于陶瓷材料为惰性材料,陶瓷几乎不怕腐蚀,所以,陶瓷滚动轴承适宜于在布满腐蚀性介质的恶劣条件下作业,故更耐腐蚀和磨损根据结构,陶瓷轴承的扭矩约减小30%。由于陶瓷的弹性模量比钢高,受力时不易变形,因此有利于提高工作速度,并达到较高的精度陶瓷材料在高温下强度降低很小,即使在800℃仍保持有很高的强度和力学性能,同时陶瓷材料膨胀率仅为轴承钢的22%,因此高温尺寸稳定性好。陶瓷受热胀冷缩的影响比钢小,因而在轴承的间隙一定时,可允许轴承在温差变化较为剧烈的环境中工作,全陶瓷轴承能在500℃左右温度工作;陶瓷材料硬度高、耐磨性极好,陶瓷球轴承的工作寿命一般是普通轴承钢轴承的2倍以上几乎为绝缘体,,适合做任何非磁性零件陶瓷轴承可不受磁、电的损害自润滑性 陶瓷轴承可实现自润滑资料来源:《陶瓷轴承凸显优势绿动未来》(李进卫,2014),陶瓷球轴承属于混合陶瓷轴承、滚动轴承。陶瓷轴承按照材料构成,可以分为全陶瓷轴承、混合陶瓷轴承。全陶瓷轴承中,滚动体与套圈均为陶瓷材料;混合陶瓷轴承中,主要是仅滚动体为陶瓷材料,套圈仍为钢制。混合陶瓷轴承的性能优于传统轴承,且成本低于全陶瓷轴承,率先实现产业化应用,在新能源汽车中使用的也是混合陶瓷轴承。按照结构类型,可以分为滚动轴承(含滚动体,靠滚动体转动来支撑转动轴)、滑动轴承(不含滚动体,靠平滑的面来支撑转动轴)。其中,滚动轴承具有摩擦系数小、传动效率高、机械性能好的优点,是目前轴承行业中的主流种类;陶瓷球轴承也属于滚动轴承。图表4:陶瓷轴承分类资料来源:《面向极端工况的Si3N4全陶瓷轴承关键技术与研究进展》(李颂华等,2023),滚动体是决定滚动轴承性能的重要部件。滚动轴承一般由内圈、外圈、滚动体、保持架、密封件、油脂等组成。内圈和外圈统称为轴承套圈,是具有一个或几个滚道的环形零件。内圈通常固定在轴颈上,与轴一起旋转;外圈通常固定在轴承座或机器的壳体上,起支撑滚动体的作用。滚动体安装在内圈和外圈之间,用于承受负荷,其形状、大小和数量决定了轴承承受载荷的能力和高速运转的性能。保持架将滚动体均匀地相互隔开,使每个滚动体在内圈和外圈之间正常滚动。陶瓷轴承用的保持架主要由高温塑料尤其是PEEK制成,具有高稳定性及耐腐蚀性、耐高温性。油脂主要置于各组件间的空隙,起到减少机械摩擦、润滑和密封的作用。图表5:滚动轴承结构拆解示意 图表6:陶瓷球轴承结构示意 资料来源:万达轴承招股说明书, 资料来源:《高温高速混合陶瓷球轴承性能分析与试验研究》《郑艳伟等,2024》,加工难度&成本双高,陶瓷球规模化应用受限陶瓷球的应用表现得益于氮化硅陶瓷性能。陶瓷球的陶瓷材料包括氮化硅(Si3N4)、氧化锆(ZrO2)等,目前作为轴承材料使用最多的是氮化硅。,Si、N元素的电负性相近,以共价键结合。三维网络结构的强共价键带来了高机械强度,同时也能抑制硅原子、氮原子的自扩散,使得生产过程中烧结致密化所需的体积扩散速度和晶界扩散速度,以及烧结驱动力都很小。相比其他陶瓷材料,氮化硅虽然硬度、韧性并非最高,但是在发生失效时,氮化硅会类似于轴承钢失效一样局部剥落,而不是像其他陶瓷材料一样直接碎裂,所以更加适合应用于高性能轴承中。相比传统钢制球,陶瓷球具有低密度、高强度、热膨胀系数小、耐高温腐蚀、自润滑、抗滚动接触疲劳能力强等特性。图表7:轴承材料性能对比性能代号单位氮化硅氧化锆氧化铝轴承钢不锈钢密度ρ[g/cm3][10-6/°K][kN/mm2]3202********************/强度δB[N/mm2]6009503002400/断裂韧性Kie[MN/m3/2][W/m·K]-4015电阻率Ω[mm2/m]10**********.1-:《陶瓷轴承球的应用和生产加工》(徐学敏,2016),陶瓷材料硬度高、耐磨、耐腐蚀等的特性也导致陶瓷球的加工难度较高。陶瓷球的生产主要包括粉体制备、成型、烧结、精密加工4个环节,流程为先制备致密高强的陶瓷球烧结体毛坯,然后对毛坯进行精密加工,得到成品。粉体制备:氮化硅粉体的纯度、粒度、金属杂质含量等会影响陶瓷质量与烧结性能。成型:氮化硅粉体硬度高、活性差,与传统钢制球通过液态冷却成固态再进行冷镦加工制成相比,成型难度较大。包括干压成型法、塑性成型法、浆料成型法和固体无模成型法。3)烧结:将成形的材料送入烧结炉内烧结成陶瓷球毛坯。烧结助剂的选择与用量、烧结温度、保温时间及烧结方法等会影响烧结的效果。4)研磨等精密加工:陶瓷球毛坯需经精密加工,其尺寸、圆度和粗糙度才能达到使用要求。相较于钢制球,陶瓷球由于其固有脆性、硬度大等特性,加工时容易使材料表面产生裂纹,其精密加工成本更高、周期更长。图表8:陶瓷球生产流程资料来源:《面向极端工况的Si3N4全陶瓷轴承关键技术与研究进展》(李颂华等,2023),在陶瓷球的加工过程中,机床的选择、加工工艺及参数(温度、研磨速度与压力等)等多因素均会影响其生产质量。为了保障陶瓷球的一致性和可靠性,通常需要采用低缺陷毛坯、低损伤加工工艺、无损检测。图表9:陶瓷球精密加工关键技术资料来源:《面向极端工况的Si3N4全陶瓷轴承关键技术与研究进展》(李颂华等,2023),陶瓷球质量评价指标包括:加工精度、断裂韧性、表面质量、疲劳寿命等。1)加工精度:我国国家标准《GB/T31703-2015陶瓷球轴承氮化硅球》按照外观、球直径变动量、批直径变动量等指标将陶瓷球划分为G3、G5、G10、G16、G20、G24、G28、G40、G60、G100级别,精度依次由高到低,其中G5以下属于高端陶瓷球。图表10:陶瓷球等级划分参数定义参数 定义等级 如G3、G5、G10等,数字越小表示越精密球直径变动量 球的最大与最小单一直径(与球实际表面相切的两平行平面间的距离)之差球形误差 与最小二乘方球同心的最小外接球体与最大内切球体之间的径向距离表面粗糙度 具有相对较小间距的表面不平度,一般受到所采用的加工方法和(或)其他因素的影响球批直径变动量 球批(假定制造条件相同并可视为一个整体的一定数量的球)中,最大球与最小球的平均直径之差资料来源:中华人民共和国国家标准《GB/-2010滚动轴承球第2部分:陶瓷球》,图表11:陶瓷球等级划分球等级球直径变动量(μm)球形误差(μm)表面粗糙度(μm)球批直径变动量(μm):中华人民共和国国家标准《GB/T31703-2015陶瓷球轴承氮化硅球》,断裂韧性:断裂韧性是指材料在受到外力作用时抵抗裂纹扩展和断裂的能力,断裂韧性高的材料在受到冲击或应力集中时更不容易断裂。由于陶瓷材料是典型的脆性材料,在受到拉伸或弯曲载荷时容易发生断裂,提高陶瓷球的断裂韧性对于确保其在苛刻工作条件下的性能和寿命至关重要。提高陶瓷球的断裂韧性的方法包括细化晶粒(增加晶界面积,阻止裂纹扩展)、纤维补强等。表面质量:陶瓷球表面可能会产生夹杂物、气孔、麻点、擦痕、划痕、磨伤、裂纹等缺陷,会导致陶瓷球的局部应力集中,引起额外的摩擦和磨损,造成旋转过程中的不平衡,从而降低强度、断裂韧性、疲劳寿命,增加噪音与振动,影响可靠性与安全性。提高陶瓷球的表面质量的方法包括采用合适的加工工艺以及无损检测技术来控制和检测表面缺陷。疲劳寿命:疲劳寿命是指在反复的应力或载荷作用下,陶瓷球能够承受多少次加载而不发生断裂或破坏的时间或循环次数。轴承工作时,长期的旋转和滚动会导致陶瓷球承受周期性的接触应力;当应力超过材料的疲劳极限时,陶瓷球内部或表面可能会产生微裂纹;随着载荷的持续作用,这些微裂纹会逐渐扩展,最终可能导致陶瓷球的断裂。提高陶瓷球的疲劳寿命的方法包括优化材料制备工艺、改进设计和采用表面处理技术等。加工难度等影响下,陶瓷球成本高于传统钢制球。原材料成本方面,陶瓷球采用高纯度的无机非金属材料,成本通常高于钢材。此外,国内陶瓷球生产企业主要从海外进口粉体,成本较高。加工成本方面,陶瓷球的加工难度高于钢制球,需要特殊工艺,生产效率可能相对更低,带来更长的加工时间以及更高的加工成本。从精度、尺寸规格来看,一般精度等级越高、尺寸越大或者越小的陶瓷球,其生产难度与成本也越高。800V突破传统性能上限,加速陶瓷球渗透率提升在新能源汽车中,通常驱动电机的两端各有一个轴承。一端为固定端,用于轴向定位、承受轴向力;一端为浮动端,允许有轴向移动,用于承受轴的热胀冷缩带来的尺寸变化。这种设计有助于支撑电机的旋转部分,减少摩擦,提高效率,并且有助于电机的平衡与稳定运行。图表12:电机轴承结构示意图 图表13:电机轴承受力示意 注:1-电动机中心轴;2-电动机前端盖;3-电动机后端盖;4-电动机后端轴承;5-电动机前端轴承资料来源:《新能源汽车驱动电机轴承噪声分析及改进措施》(孙玉玲等,2022),注:1-电动机中心轴;2-电动机输出端;3-电动机前端盖;4-电动机后端盖资料来源:《新能源汽车驱动电机轴承噪声分析及改进措施》(孙玉玲等,2022),新能源汽车驱动电机轴承相较于传统汽车轴承,在性能和设计上要求更高。新能源汽车的驱动电机取代了传统燃油汽车的发动机,作为核心部件,相对于常规电机,一般要求调速性强、高效区广、功率密度高、瞬时功率大、过载能力强、可靠性强。高性能的驱动电机需要配套高性能的轴承,要求轴承具备高速性、急变速性、低摩擦、低噪音、耐高低温、高疲劳寿命、高可靠性等特性。图表14:新能源汽车驱动电机特点及对应轴承要求资料来源:《新能源汽车轴承设计研究》(韩晋军,2018),800V平台下,陶瓷球为解决轴承电腐蚀的重要路径800V正在成为新能源汽车行业的竞争新赛道,多家车企陆续推出新车型。随着续航里程的问题被逐步解决,快速补能日益成为消费者关注的焦点。从2023年下半年开始,“800V快充”成为小鹏、吉利极氪、广汽埃安、上汽智己等多家车企多款新车型的关键词。据我们不完全统计,截至2024年4月23日,至少已有45款快充车型发布上市。根据下游消费者需求以及电池厂快充电池的研发生产情况,我们推测,2024年800V车型陆续开启规模化交付,且会有更多新款车型搭载800V。图表15:800V快充车型梳理(截至2024年4月23日)企业车型上市时间快充性能售价保时捷TaycanTurbo2019/9/******@10%-80%-广汽埃安昊铂GT2023/7//11/15充电10min补能450km22万起广汽埃安昊铂GT高阶智驾3L版2024/2/-******@10%-80%--/******@10%-80%-.******@10%-80%+2022/10/******@10%-80%/11/-/4/-/8/24充电10min补能200km28-37万阿维塔122023/11/10充电******@30%-80%--39万阿维塔11千里智驾款2024/3/11充电10min补能200km25万起阿维塔122024版2024/3/--/******@10%-80%-******@10%-80%--30万上汽智己L62024/5/13800V23-33万理想MEGA2024/3/******@20%-80%-/12/--ⅡPLUS+2023/9/12充电******@30%-80%******@10%-80%-******@30%-80%******@10%-80%168万比亚迪海豹荣耀版2024/3/25充电******@30%-80%-----******@10%-80%-118万资料来源:高工锂电,车质网公众号,各公司官网,各公司公众号,