大量實驗證明，在高轉速環境下工作的精密軸承中“球”是軸承中最薄弱的零件，大約60%-70%的高速軸承失效都是由鋼球產生不同程度的疲勞導致的。為了改善高速軸承性能以延長其疲勞壽命，國內外應用結構陶瓷來制造球體或其他軸承零件可顯著提高“高速軸承”的使用性能和壽命。

陶瓷種類繁多，但在要求高性能的軸承應用中，氮化硅被認為是具有最佳的機械物理綜合特性。其重要原因是：其他陶瓷損壞的話是以災難性破裂方式產生的，而氮化硅陶瓷則是以類似于軸承鋼失效的方式即局部剝落的方式發生的。因此作為滾動軸承用的材料，從滾動疲勞壽命和可靠性的觀點看，只有氮化硅才能勝任！下文將對氮化硅軸承材料的優勢及其制造做簡單的剖析。

氮化硅軸承材料有哪些優越性？

① 比密度小，離心力小-更利于高速運轉

氮化硅陶瓷材料的密度約為3.2×103kg/m3，而軸承鋼的密度約為7.8×103kg/m3。氮化硅陶瓷密度僅為軸承鋼密度的40%左右。當滾動體使用氮化硅陶瓷時，軸承在高速旋轉時能有效抑制因離心力作用引起的滾動體載荷的增加。因此，采用低密的氮化硅球更加利于軸承的高轉速發展。

② 耐熱-可適應更高溫工作條件

一般鋼制的軸承使用溫度超過120℃時，硬度就會降低，滾動壽命也會下降。而氮化硅在400℃范圍內完全保持原有硬度，只在約800℃時，其硬度和強度才開始下降。因此，對于用在高溫環境的軸承來說，氮化硅材料是非常適合的。例如：航空噴氣發動機、燃氣輪機、核反應堆系統、X光管鎢盤，以及火箭、宇宙飛船中。

③ 線膨脹系數小-可用于環境溫度變化領域

氮化硅的線膨脹系數大約是軸承鋼的1/4，所以氮化硅軸承材料隨溫度變化的尺寸變化量小。因此，氮化硅陶瓷材料制備的軸承，可有效的防止軸承材料因溫度變化導致尺寸變化而發生“抱死”等現象。從而保證設備的穩定運行，減少因設備故障發生的損失。

④ 優異的自潤滑性能

氮化硅陶瓷材料本身具有減摩、抗磨、潤滑功能，在不良的潤滑工況條件下，如貧油潤滑、無油干摩擦情況下，顯示出優越的減摩自潤滑性能，具有良好的應急狀態，可以有效避免設備突發故障造成的損失。

⑤ 化學性質穩定-耐腐蝕

氮化硅對大多數酸以及堿具有良好的耐化學穩定性，只有氫氟酸或鹽酸與硝酸的混合液能對氮化硅產生腐蝕。因此，氮化硅制備的軸承材料可長時間于腐蝕性的酸、堿、鹽等溶液中，相比于鋼制軸承而言，其平均壽命將比不銹鋼軸承高4-25倍。可應用于化工機械設備、食品、海洋、污水處理等部門使用的機器，降低腐蝕帶來的困擾。

⑥ 無磁性、絕緣性

在強磁環境下，使用鋼制軸承，從軸承本身磨損下來的微粉被吸附于滾動體和滾動面上，這將成為軸承提早剝落損壞和噪聲增大的主要原因。

鐵路車輛牽引電機使用軸承鋼材料制備軸承會產生電蝕，而引起牽引電機軸承的壽命降低。采用絕緣的全陶瓷氮化硅軸承材料可以有效改善電蝕對軸承的影響。

氮化硅材料的制備

氮化硅陶瓷球是氮化硅陶瓷軸承中重要的組成部分，氮化硅陶瓷球的制造過程可以分為四個階段。第一階段為氮化硅原料制備，即將氮化硅粉料與燒結助劑以一定的比例均勻混合。第二階段為氮化硅陶瓷球的成型，常用的有擠出成型、注射成型、干法壓制成型及注漿成型等成型方法。第三階段為氮化硅陶瓷球致密化燒結，燒結方法有常壓燒結、熱壓燒結、氣壓燒結與熱等靜壓燒結。第四階段為后處理研磨加工，即粗磨、精磨、粗研、精研和拋光。

其制備難在哪里？

① 高端氮化硅粉體的制備

氮化硅粉體的合成方法主要有硅粉氮化法和化學合成法，國內均采用硅粉氮化法，與化學合成法制備的粉體相比，后者制備的粉體純度高、球形度好、燒結活性高、受硅原料穩定性影響低，是制備高精度氮化硅球軸承的首選原料，日本UBE是唯一能夠采用該方法生產氮化硅粉體的企業，但是目前該公司嚴格限制對華市場供貨量，使得國內高品質氮化硅陶瓷球生產商受制于原料供給。

② 性能缺陷

與軸承鋼相比，其低韌性、高硬度和中等彎曲強度依然是氮化硅陶瓷材料對損傷和缺陷敏感的致命弱點。高可靠性的氮化硅陶瓷軸承需要完全無損探傷來保證。材料機械性能的差異使陶瓷軸承剛度產生明顯的變化，這會導致轉子系統的支撐剛度、動態響應和附加動載荷也產生較明顯變化。

③ 精密研磨技術的制約

要制造出超精密高端氮化硅球軸承，首要任務是制造出超精密氮化硅陶瓷球。保證氮化硅球超精密大規模生產的基本要點有：

● 氮化硅球表面實現等概率磨削加工，亦即保證球面上每個質點都有相同的研磨概率；

● 磨削效率具有自動尺寸選擇性，亦即大球或者長軸方向自動實現優先磨削；

● 研磨技術容易實現大規模工業化低成本生產。

然而，目前國內公開報道的各種研磨技術均無法同時達到上述三點要求。

④ 氮化硅球軸承滾動接觸疲勞

大量研究表明，Si3N4球的RCF（滾動接觸疲勞）性能取決于其生產工藝水平，影響其性能的主要因素較多，大致上可以歸納為氣孔、表面微裂紋(環形/直線形)、表面強度、殘余應力、表面粗糙度等內因，潤滑條件、載荷、轉速等外因。制備氮化硅球軸承時，要充分考慮以上因素的影響。

參考資料：

[1]氮化硅陶瓷軸承研發現狀及產業化對策，中材高新材料，張偉儒，陳波著；

[2]陶瓷軸承球的應用和生產加工，中材高新氮化物陶瓷，徐學敏著；

[3]軸承用氮化硅球的制造方法，哈爾濱軸承集團，孫立鈞；中航工業哈爾濱軸承，張桂燕著；

[4]Si3N4陶瓷球加工工藝的研究，哈爾濱軸承配件，王泉；中航工業哈爾濱軸承，劉秀蓮，葛華偉著；

[5]航空發動機用氮化硅陶瓷軸承技術研究現狀，饒水林著。

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