随着工业技术的高速发展，对轴承的要求也越来越高，轴承结构小型化，尺寸精密化，速度高速化，温度高温化，及对于高真空、防腐蚀等苛刻工况条件的满足也日益紧迫。采用钢质材料的轴承对于某些性能已无法满足，大量试验证明，高速环境下工作的精密轴承（转速在4×104r/min以上）中球是轴承中最薄弱的零件，大约60%～70%的高速轴承失效都是由于钢球产生不同程度的疲劳破坏所致［1］，目前，国内的高速轴承就普遍存在这个问题。为了改善高速轴承性能以提高其疲劳寿命，国内外应用结构陶瓷来制造球体或其他轴承零件，可显著提高高速轴承的使用性能和寿命，其中氮化硅或氮化硅基陶瓷复合材料是制造轴承及其零件最理想的材料，并取得了很好的使用效果［2］。
氮化硅陶瓷轴承的优越性能
高速运转性能
对一般轴承而言，当DN值在2.5×106以上，其滚动体的离心力便会随转速的升高而急剧增大，轴承的滚动接触表面的滑动摩擦加剧，轴承的寿命就随着缩短。实验结果已证实：采用低密度的氮化硅陶瓷轴承在高速旋转时陶瓷滚动体产生的离心力大大低于钢质滚动体，使其对外环滚道的压力和交变载荷相应减少，与钢制轴承相比速度可提高30%～60%，温升降低30%～50%，并且不容易出现“抱轴”现象，其使用寿命比钢制轴承提高3～6倍；同时，滚动体的离心力大大减少，由于滚动体的离心力引起的高速打滑现象也大大降低，从而使滚动体、保持架组件的惯性力显著减少。
高温性能
温度变化对轴承的滚动疲劳寿命产生较大影响，通常作为耐热材料使用的M50钢制轴承在250℃时的额定寿命约为常温下的十分之一。而对于陶瓷轴承，由于陶瓷材料具有优异的高温性能，在高温工况下具有很好的滚动疲劳强度，试验结果证明，在1000℃高温下Si3N4还保持相当高的抗弯强度，因此陶瓷轴承有较好的接触应力和较长的疲劳寿命。
化学稳定性
Si3N4对大多数酸，诸如盐酸（HCl）、硫酸（H2SO4）、硝酸（HNO3）和磷酸（H3PO4）以及碱，比如苛性纳溶液（NaOH）具有良好的耐化学稳定性。只有氢氟酸（HF）和盐酸、硝酸的混合液（HCl/ HNO3）能对Si3N4产生腐蚀。因此用Si3N4 做出的陶瓷轴承可长时间工作于腐蚀性的酸、碱、盐等溶液中，在化学工业或核动力工业，陶瓷轴承可替代化学稳定性差的钢质轴承，其平均寿命比不锈钢轴承高4～25倍。
与金属轴承材料相似的疲劳损坏方式
Si3N4陶瓷作为轴承材料除了以上优异性能外，更重要的是其疲劳损坏方式是非灾难式的，而是与轴承钢金属材料相同的发生蚀坑或出现剥落。
优异的自润滑性能
Si3N4陶瓷材料本身具有减摩、抗磨、润滑功能，在不良的润滑工况条件如边界润滑、无油干摩擦情况下，显示出优越的减摩自润滑性能，可以大大提高机器的工作可靠性和使用寿命，并能降低机器噪声，减少维护费用。
除此之外，陶瓷轴承是非磁性的，其绝缘性能也很好。表1列出了氮化硅陶瓷和其它陶瓷、钢质材料滚动体的特性及一些基本差别。
表1陶瓷材料与钢材料的基本性能对比
特 性 轴承钢GCr15 不锈钢 9Cr18 Si3N4 ZrO2 Al2O3
质量密度d /(g/cm3) 7.85 7.90 3.20 6.00 3.95
热膨胀系数α/(10-6/K ) 10.0 17.0 3.2 10.5 8.5
弹性模量E/(GPa) 208 200 310 210 380
泊松比/μ 0.30 0.30 0.26 0.30 0.22
硬度/Hv10 800 700 1500～1800 1200 1800
抗弯强度σRT/(MPa) 2400 2600 800～1000 950～1200 300～500
断裂韧性KIC /(MPa.m-1/2) 20 25 7.0～8.0 10.0 3～4
热导率λ/(W/m.k) 30～40 15 35 2～3 30
比电阻 /(Ωmm2/m) 0.1～1 0.75 1018 1015 1018
使用温度/（℃） 120 300 ≥800 550 --
耐酸碱腐蚀 弱 弱 强 强 强
无润滑摩擦 大 大 小 小 小
磁性 有 有 无 无 无
运转离心力 大 大 小 较大 中
运转温升 高 高 低 -- --
绝缘性 不绝缘 不绝缘 绝缘 绝缘 绝缘
应用领域
20世纪60年代以来，陶瓷轴承的应用迅速，美国诺顿公司在航天飞机的液压泵上运用了氮化硅陶瓷轴承，使其速度较前提高了50%~100%；SKF公司向美国宇航工业供应的陶瓷轴承已在800℃高温下使用。日本NSK轴承、KOYO轴承、NTN轴承三大公司都竞相开发陶瓷轴承，目前NSK公司已把陶瓷轴承做成标准化系列产品，主要用于主轴上，日本的石川岛播重工将陶瓷轴承用于飞机发动机上。德国KGM工厂制造的氮化硅轴承以应用于高温、水、酸、碱等特殊介质及化工和印染设备上。进入九十年代，陶瓷轴承在超高速加工技术方面得已到了成功的应用，国际上机床主轴转速普遍达到了10000r/min以上，有的甚至达到了100000r/min。这些主轴系统大多采用电主轴形式，而其支撑普遍采用氮化硅陶瓷轴承。该种轴承已成为温升低、高速度、高硬度、长寿命的新一代高速轴承，国外超高速磨床均采用陶瓷轴承作主轴支撑。
产业化发展现状
陶瓷轴承可分为全陶瓷轴承和混合陶瓷轴承。全陶瓷轴承是指轴承全部由陶瓷材料组成。混合陶瓷轴承是指轴承中的一部分是由陶瓷材料构成，其余由轴承钢或不锈钢组成。混合陶瓷轴承又可分为三种: (1)滚动体是陶瓷材料而其余由轴承钢或不锈钢构成的轴承。(2)滚动体和外圈是陶瓷而其余是轴承钢或不锈钢的轴承。（3）滚动体和内圈是陶瓷材料而其他为轴承钢或不锈钢的轴承。通常所说的混合陶瓷轴承是指滚动体是陶瓷而套圈为轴承钢或不锈钢的轴承。
国外
陶瓷轴承的发展大体可分为三个阶段：20世纪60年代主要是探索哪种陶瓷适合作为轴承材料，研究者对各种陶瓷材料的性能进行了大量的试验研究。70年代进行的研究主要集中到氮化硅材料上，并取得了卓有成效的结果。进入80年代，对混合陶瓷轴承研究开发的不断深入。到了20世纪90年代，研究的重点为混合轴承的性能、全陶瓷轴承的性能及陶瓷轴承的设计理论。1994年Rhoads等人经试验证明当混合轴承套圈处于疲劳剥落过程中，氮化硅陶瓷球经得起较高载荷的冲击；氮化硅陶瓷球的破坏的概率比同尺寸的钢球破坏的概率小；在不润滑或润滑不良的条件下，混合轴承运行状态比钢轴承的好[3]。1995年，Chiu等人对混合陶瓷轴承进行重载疲劳试验和高速下的疲劳试验，发现氮化硅陶瓷在赫兹应力为2.6MPa时，运行800~2170h后仍处于良好状态，高速混合轴承润滑不良的条件下，它的温升仍低于钢轴承的温升[4]。
从20世纪70年代到90年代，是西方发达国家对陶瓷轴承研究和发展最快的阶段，基本完成了实验室的高投入试验，进入工业化生产阶段。目前世界上各国生产、研究、销售陶瓷轴承的公司很多，如：SKF、FAG、美国福特汽车公司、NSK、TTC、NTK、KOYO等公司，NSK公司已有28个规格3种级别的角接触球轴承供用户选择。美国和西欧各国重点在高科技和军工装备上使用轴承球，据统计国际上陶瓷轴承的应用量已达2000万套。
国内
我国对陶瓷轴承的研究始于20世纪80年代末，“八五”期间（1991－1995年），原国家科委首次将“陶瓷轴承”列入国家科技攻关计划，中材高新旗下的山东工业陶瓷研究设计院联合洛阳轴承研究所联合在国内首次承担了“氮化硅陶瓷轴承球的研制与开发”项目攻关任务。通过对氮化硅材质、制备工艺、质量控制及检测方法、精加工技术及陶瓷轴承的组装及性能评价技术等关键问题的解决，在我国研制出陶瓷轴承用高性能氮化硅毛坯球，并在国内首次建成了年产80万粒氮化硅轴承球生产线，所制备的氮化硅轴承球经洛阳轴承研究所加工成G10～G5级精球，达到日本NSK公司20世纪90年代初水平，精球压碎负荷达同尺寸钢球的32%（一般达30%即可使用）。装配的C136105Y陶瓷轴承在2DL48电主轴使用，转速48000r/min，dmN值为196×104mmr/min，使用寿命达2494h，为同型号钢质轴承的3.6倍。达到日本NSK公司九十年代水平。用氮化硅轴承球组装的C136105Y陶瓷轴承在转速57000r／min，dmN值217×104mmr/min条件下进行的台架试验中对电主轴精度测量，并对温升、噪声、润滑和速度进行了研究，结果表明氮化硅陶瓷轴承完全可满足电主轴使用要求。对氮化硅陶瓷轴承的疲劳试验表明，氮化硅陶瓷轴承使用寿命可达计算寿命的10.7倍。
“九五”期间，中材高新旗下的山东工业陶瓷研究设计院与洛阳轴承研究所、中国建筑材料科学研究院、中科院上海硅酸盐研究所等单位联合承担国家科技部国家科技攻关课题“氮化硅陶瓷轴承批量制备技术”。通过对本专题的实施，解决了轴承用氮化硅陶瓷轴承毛坯球、精密陶瓷球及陶瓷球轴承的批量制备技术，在我国基本实现了氮化硅陶瓷轴承的批量化生产，目前中材高新已建立起一条年产900万粒氮化硅陶瓷轴承球的生产线，并且作为主要起草单位制定出氮化硅陶瓷轴承球的军工标准，建立起了完备的氮化硅陶瓷轴承球质量控制体系。生产的氮化硅陶瓷球除供应国内客户需要外，经过几年的国外市场的开拓，已有部分销售到国外客户，尤其已有多个规格的轴承球已通过了国际著名企业SKF的考核，为我国该高技术产品进入国际市场奠定了坚实的基础。
图1、图2、图3、图4分别为中材高新生产的氮化硅陶瓷轴承球生产工艺流程图、氮化硅陶瓷轴承毛坯球、精球、混合轴承、全陶瓷轴承照片。图2-氮化硅陶瓷轴承球制备工艺流程图 图3氮化硅陶瓷轴承毛坯球 图4 氮化硅陶瓷轴承精球 图5氮化硅混合陶瓷轴承 图6氮化硅全陶瓷轴承表2、表3、表4分别为中材高新针对陶瓷轴承不同的应用环境研制的三种牌号氮化硅轴承材料、毛坯球、精球的性能指标：
表2 中材高新开发的三个牌号Si3N4轴承材料主要性能及与国外同类产品性能对比
材料编号 性能 SN－Ⅰ SN－Ⅱ SN－Ⅲ 美国Norton
NBD-200 日本
东芝公司TX-910
密度（g/cm3） 3.22
≥98T.D ＞3.21
≥98T.D 3.24
≥98T.D 3.35 3.16
抗弯强度MPa RT 800 780 760 800 800
1200℃ 600 / /
断裂韧性（MPam1/2） 8.0 6.5 6.8 4.1 6.7
硬度 Hv 1678 1650 1660
HRA 92
热膨胀系数
（10－6/℃） 3.15 3.18 3.18 4.3 3.6
弹性模量
（GPa） 310 310 310 320 300
表3 氮化硅陶瓷毛坯球性能指标
烧结方法 可制备规格
/mm 质量密度
/（g/cm3） 毛坯球
不圆度 加工余量
（单边）/mm
气氛压力烧结 1～60 98%～99%T.D ＜球径5% 0.1～0.2
表4 氮化硅轴承精球性能指标（单位/mm）
等 级 球直径变动量Vdws 球形误差△SPH 批直径变动量Vdwl 表面粗糙度Ra
G3 0.05～0.08 ≤0.08 ≤0.13 ≤0.01
G5 0.08～0.12 ≤0.13 ≤0.25 ≤0.014
G10 0.15～0.25 ≤0.25 ≤0.5 ≤0.02
G16 0.2～0.4 ≤0.4 ≤0.8 ≤0.025
G20 0.3～0.5 ≤0.5 ≤1 ≤0.032
总之，尽管我国陶瓷轴承研究起步较工业发达国家将近晚30年，但我国陶瓷轴承的研究、应用步伐非常快，这主要得益于国家对该类拥有巨大潜在价值的高科技产品的重视。 “八五”、“九五”期间国家专门立项，组织国内重点陶瓷材料研究部门、轴承球加工及应用评价等单位联合攻关，经过十年的基础研究、中试规模的扩大研究以及市场开发研究，我国已在此方面拥有了多项自主知识产权，氮化硅陶瓷轴承已基本具备了产业化的成熟制备技术条件和相当的市场认可度。
对陶瓷轴承产业化的几点建议
陶瓷轴承在我国通过国家两个五年计划专门立项进行研究开发后，已基本具备了产业化的条件。近几年产业化发展速度很快，但由于陶瓷轴承属于高技术产品，其制备工艺复杂，影响产品质量的工艺参数较多，存在着产品的稳定性、一致性控制困难以及成本较高等因素，在一定程度上影响了大批量化生产及推广应用，为了实现陶瓷轴承的产业化建议今后应重点解决好如下几方面问题：
（1）陶瓷轴承的产业化应有国家有关主管部门宏观统一协调，重点做好主要研究单位与企业的联合，避免重复建设，尽快使这已高技术产品实现产业化；
（2）稳定提高陶瓷轴承球的制造工艺水平，重点解决陶瓷毛坯球质量稳定性及一致性的问题，保证制备出高质量的陶瓷球毛坯；
（3）不断探索降低陶瓷轴承制备成本的技术途径，重点解决陶瓷轴承球加工成本偏高的问题，研究先进的陶瓷球机加工技术，提高质量和效率，实现陶瓷轴承的低成本制备；
（4）根据发挥陶瓷材料的性能特点，进一步优化陶瓷轴承的结构设计，建立陶瓷轴承使用寿命预测理论；
（5）加强陶瓷轴承的应用研究，逐步规范陶瓷轴承的应用条件，使其最大限度的发挥陶瓷材料的优异性能；
（6）陶瓷轴承性能评价标准规范的建立。目前陶瓷轴承还没有制定合理科学的评价标准，陶瓷轴承的可靠性不能正确评价，其推广应用受到限制。
文编辑：天津美亚达进口轴承销售公司