中國(guó)粉體網(wǎng)訊 軸承是一切旋轉(zhuǎn)機(jī)械的靈魂，被稱為機(jī)械工業(yè)的“芯片”。其主要功能是支撐機(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低其運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)，并保證其回轉(zhuǎn)精度。
氮化硅材料俗稱“陶瓷王”，其密度大約為軸承鋼的42%，彈性模量高達(dá)320GPa，抗拉強(qiáng)度1600MPa，抗壓強(qiáng)度高達(dá)3600MPa，900℃以下力學(xué)性質(zhì)幾乎不變，是滾動(dòng)軸承滾動(dòng)體的理想材料之一。
氮化硅全陶瓷球軸承（圖片來(lái)源：讓云科技）
氮化硅陶瓷球軸承是目前世界上研究最熱門、性能最優(yōu)異、應(yīng)用最廣泛的高端陶瓷軸承，其幾乎就是陶瓷軸承的代名詞。
氮化硅陶瓷球軸承優(yōu)勢(shì)
氮化硅陶瓷球軸承相較于傳統(tǒng)的鋼制軸承，其具體優(yōu)點(diǎn)有：
高速運(yùn)轉(zhuǎn)性能。軸承在使用過(guò)程中，隨著轉(zhuǎn)速的升高，軸承運(yùn)轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力大幅度升高，致使軸承套圈與內(nèi)部滾子間的滑動(dòng)摩擦力增大，導(dǎo)致軸承發(fā)生打滑現(xiàn)象，最終導(dǎo)致軸承的使用壽命縮短。由于陶瓷球軸承的密度低，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中內(nèi)部陶瓷球受到的離心力大幅度降低，進(jìn)而由于離心力引起的打滑現(xiàn)象也大為減少，從而起到了提高軸承壽命的作用。
較好的摩擦性能。在溫度較高的工作環(huán)境中，哪怕潤(rùn)滑失效，陶瓷軸承的摩擦系數(shù)小，潤(rùn)滑失效后的溫度升高緩慢，體積膨脹更小，不易使軸承卡死，延長(zhǎng)軸承的使用壽命。
高溫性能。在溫度較高時(shí)，陶瓷球軸承相比鋼制軸承而言，高溫下強(qiáng)度不會(huì)有大幅度的降低，具有良好的高溫性能。
化學(xué)穩(wěn)定性能。相較于傳統(tǒng)的軸承鋼，氮化硅陶瓷材料，在常見(jiàn)的強(qiáng)酸強(qiáng)堿環(huán)境中的化學(xué)穩(wěn)定性能優(yōu)異，很難被硫酸、鹽酸等強(qiáng)酸及氫氧化鈉等強(qiáng)堿腐蝕。此外，與鋼制軸承相比，陶瓷軸承不具有導(dǎo)電性與磁性，所以在強(qiáng)磁環(huán)境下，使用陶瓷軸承也更加安全。
氮化硅陶瓷與軸承鋼的性能對(duì)比
（圖片來(lái)源：陳波等，《氮化硅陶瓷在四大領(lǐng)域的研究及應(yīng)用進(jìn)展》）
氮化硅陶瓷球軸承套圈加工
氮化硅陶瓷球軸承類型的劃分，可以根據(jù)軸承套圈與內(nèi)部的滾子所用的材料是否相同分為全陶瓷軸承與混合型陶瓷軸承。全陶瓷軸承的所有部件均使用氮化硅陶瓷材料制造；混合型陶瓷軸承，一般情況下，軸承套圈使用軸承鋼，使用氮化硅陶瓷球作為內(nèi)部滾子。
混合型氮化硅陶瓷球軸承
（圖片來(lái)源：上海宇部化工科技有限公司）
軸承在工作過(guò)程中由于交變應(yīng)力產(chǎn)生的接觸疲勞失效以及工作表面不斷磨損產(chǎn)生的磨損失效是軸承失效的主要形式，而這些失效大多發(fā)生在軸承套圈溝道工作表面上。
對(duì)于陶瓷軸承套圈溝道來(lái)說(shuō)，在一般的工藝條件下，對(duì)套圈毛坯件端面進(jìn)行粗磨和精磨加工，然后對(duì)套圈的內(nèi)外圓進(jìn)行加工，最后加工溝道。溝道進(jìn)行粗磨和精磨加工之后，在溝道表面有很多因磨削加工時(shí)產(chǎn)生脆性斷裂去除而留下的溝壑、突起、劃痕和表層裂紋等缺陷，因此還需要進(jìn)行超精加工，以達(dá)到改善溝道表面質(zhì)量的目的。
陶瓷軸承套圈加工制造流程
（圖片來(lái)源：陳文征，《基于油石損耗特性的氮化硅陶瓷軸承超精工藝優(yōu)化》）
超精加工是一種使用金剛石油石或CBN油石對(duì)溝道表面進(jìn)行磨削的加工方式，目前主要是切入式超精加工。
陶瓷軸承套圈溝道超精加工原理示意圖
（圖片來(lái)源：張珂等，《氮化硅全陶瓷球軸承溝道超精加工仿真與試驗(yàn)研究》）
氮化硅陶瓷球的制備
氮化硅陶瓷球是氮化硅陶瓷球軸承的關(guān)鍵部分，氮化硅陶瓷球的制造過(guò)程可以分為四個(gè)階段：
氮化硅陶瓷球的制備流程
（圖片來(lái)源：沙勇，《HF對(duì)Si3N4陶瓷球研磨去除機(jī)制影響研究》）
第一階段為混料。在氮化硅粉末制備之后，需要進(jìn)行混料以提高成型效率。氮化硅具有微弱的水解特性，水解會(huì)一定程度上影響制備出來(lái)的氮化硅材料，所以一般會(huì)選用無(wú)水乙醇作為分散介質(zhì)，此外還需要加入成型劑、分散劑、燒結(jié)助劑等。目前常用的燒結(jié)助劑有Al2O3、MgO、ZrO2、SiO2、RE2O3（RE=La、Nd、Gd、Y、Yb、Sc）等。
不同燒結(jié)助劑下的氮化硅陶瓷球
（圖片來(lái)源：魏萬(wàn)鑫等，《氮化硅陶瓷球與軸承鋼的微動(dòng)摩擦磨損特性與損傷行為研究》）
第二階段為氮化硅陶瓷球的成型。陶瓷常用的成型方法有注漿成型、冷等靜壓成型、干壓成型及注塑成型等。由于成型模具的原因，導(dǎo)致所得的毛坯球并不是規(guī)整的圓球，因此在成型之后和未燒結(jié)之前需要進(jìn)行修形，常用的修形方式有：手修、砂輪修形、砂帶修形等。
修形與未修形陶瓷毛坯球?qū)Ρ葓D
（圖片來(lái)源：沙勇，《HF對(duì)Si3N4陶瓷球研磨去除機(jī)制影響研究》）
第三階段為氮化硅陶瓷球燒結(jié)。由于氮化硅在1700℃以后開(kāi)始發(fā)生分解，國(guó)內(nèi)一般采用氣壓燒結(jié)（GPS），將修形后的氮化硅陶瓷毛坯球體，在高溫（1700-2000℃）的同時(shí)通入高壓氮?dú)猓?-10MPa）來(lái)抑制氮化硅的分解。國(guó)外高性能氮化硅陶瓷球一般采用熱等靜壓（HIP）工藝制備，熱等靜壓燒結(jié)方式能減小陶瓷內(nèi)部的微量孔隙，使得燒制成型的陶瓷內(nèi)部致密性高，是現(xiàn)階段比較理想的燒結(jié)方式，但由于設(shè)備技術(shù)受國(guó)外限制且設(shè)備成本高昂，導(dǎo)致其加工成本較高。
GPS與HIP燒結(jié)得到氮化硅陶瓷性能對(duì)比
（圖片來(lái)源：陳波等，《氮化硅陶瓷在四大領(lǐng)域的研究及應(yīng)用進(jìn)展》）
第四階段為后處理研磨加工。燒結(jié)過(guò)后的陶瓷球球形、表面粗糙度等技術(shù)指標(biāo)，不能達(dá)到軸承滾動(dòng)體的標(biāo)準(zhǔn)，而且因?yàn)樘沾汕驗(yàn)榍蝮w，所以普通的磨削加工方式并不適合于陶瓷球。研磨加工分為粗磨、精磨、粗研、精研和拋光。
結(jié)語(yǔ)及展望
氮化硅球軸承是國(guó)內(nèi)外研究最熱門、性能最為優(yōu)異的高端陶瓷軸承之一，具有質(zhì)量輕、極限轉(zhuǎn)速高、摩擦力矩小、運(yùn)轉(zhuǎn)精度好、使用壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。
目前氮化硅陶瓷球國(guó)內(nèi)研究的較多，雖然進(jìn)步可喜，但是國(guó)產(chǎn)氮化硅陶瓷球在性能與精度上與進(jìn)口氮化硅陶瓷球相比還存在一定的差距，這嚴(yán)重制約了我國(guó)氮化硅球軸承的發(fā)展。
2015年，中材高新氮化物陶瓷有限公司突破了熱等靜壓氮化硅陶瓷球批量化制造技術(shù)，成為繼美國(guó)CoorsTek、日本東芝之后第三家，也是國(guó)內(nèi)首家形成批量化生產(chǎn)熱等靜壓氮化硅陶瓷材料的企業(yè)，產(chǎn)品已出口海外。相信隨著國(guó)家制造業(yè)整體水平的不斷提高，高性能、超精密氮化硅球軸承的大批量生產(chǎn)制造，在不久的將來(lái)一定會(huì)實(shí)現(xiàn)。
參考資料：
1、吳承偉等，《超精密高性能氮化硅軸承研究現(xiàn)狀與應(yīng)用》
2、魏萬(wàn)鑫等，《氮化硅陶瓷球與軸承鋼的微動(dòng)摩擦磨損特性與損傷行為研究》
3、扈忠波，《氮化硅陶瓷球壓潰與熱震失效行為研究》
4、陳波等，《氮化硅陶瓷在四大領(lǐng)域的研究及應(yīng)用進(jìn)展》
5、饒水林，《航空發(fā)動(dòng)機(jī)用氮化硅陶瓷軸承技術(shù)研究現(xiàn)狀》
6、沙勇，《HF對(duì)Si3N4陶瓷球研磨去除機(jī)制影響研究》
7、張珂等，《氮化硅全陶瓷球軸承溝道超精加工仿真與試驗(yàn)研究》
8、陳文征，《基于油石損耗特性的氮化硅陶瓷軸承超精工藝優(yōu)化》
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/長(zhǎng)安）
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