中国粉体网讯 轴承是机械设备中一种极其重要的零部件，使用十分普遍。其主要功能是支撑机械旋转体，降低其运动时的摩擦系数，并保证其回转精度。其作用与人体关节相似，素有“机械的关节”之称，它是一切旋转机械的灵魂，故又被称为机械工业的“芯片”。
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氮化硅(Si3N4)材料属于高强度人工晶体，具有密度小、硬度高、耐高温、耐腐蚀、电绝缘、不导磁、抗压强度高、自润滑性能好等诸多点。以氮化硅球作为滚动体、以合金钢为套圈制成的混合陶瓷轴承，最充分利用了氮化硅材料抗压强度高、合金钢抗弯强度高、韧性好等优点，与普通钢球轴承相比，具有重量轻、极限转速高、摩擦力矩小、运转精度好、使用寿命长等一系列优点，各方面性能均衡、优异、全面，堪称轴承界的“六边形战士”。氮化硅陶瓷球轴承是目前世界上研究最热门、性能最优异、应用最广泛的高端陶瓷轴承。氮化硅陶瓷球轴承几乎就是陶瓷轴承的代名词。
市场需求大，高端产品90%依赖进口
数据显示，2016年全球氮化硅球轴承行业市场规模约为3.9亿美元，至2019年市场规模增至4.70亿美元，2020年市场规模进一步增至4.95亿美元。
国外碳化硅轴承球有多年的生产历史，目前国际知名氮化硅陶瓷球生产商主要有美国CoorsTek（原法国Saint-Gobain）、日本东芝陶瓷、日本NSK公司。
我国对氮化硅陶瓷球轴承的研究始于上世纪90年代初，列入国家科技攻关计划，本世纪初，我国基本解决了氮化硅陶瓷毛坯球批量制备技术，实现了氮化硅陶瓷毛坯球批量化生产，磨球精度达到了国际标准化组织（ISO3290-2001）标准G10～G5级，达到了日本NSK公司20世纪80年代的水平。目前国内主要厂商可达到G3级。
目前国内生产企业主要有中材高新、上海泛联、上海材料所等单位，但产品质量与国外还存在相当差距，国内高端氮化硅陶瓷轴承球90%仍依赖进口，规模化生产技术还存在多方面的问题。
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氮化硅陶瓷轴承难在哪里？
1、高端氮化硅粉体的制备
氮化硅粉体的合成方法主要有硅粉氮化法和化学合成法，国内均采用硅粉氮化法，与化学合成法制备的粉体相比，后者制备的粉体纯度高、球形度好、烧结活性高、受硅原料稳定性影响低，是制备高精度氮化硅球轴承的首选原料，日本UBE是唯一能够采用该方法生产氮化硅粉体的企业，但是目前该公司严格限制对华市场供货量，使得国内高品质氮化硅陶瓷球生产商受制于原料供给。
2、性能缺陷
与轴承钢相比，其低韧性、高硬度和中等弯曲强度依然是氮化硅陶瓷材料对损伤和缺陷敏感的致命弱点。高可靠性的氮化硅陶瓷轴承需要完全无损探伤来保证。材料机械性能的差异使陶瓷轴承刚度产生明显的变化，这会导致转子系统的支撑刚度、动态响应和附加动载荷也产生较明显变化。
3、精密研磨技术的制约
要制造出超精密高端氮化硅球轴承，首要任务是制造出超精密氮化硅陶瓷球。保证氮化硅球超精密大规模生产的基本要点有：
(1)氮化硅球表面实现等概率磨削加工，亦即保证球面上每个质点都有相同的研磨概率；
(2)磨削效率具有自动尺寸选择性，亦即大球或者长轴方向自动实现优先磨削；
(3)研磨技术容易实现大规模工业化低成本生产。
然而，目前国内公开报道的各种研磨技术均无法同时达到上述三点要求。
4、氮化硅球轴承滚动接触疲劳
大量研究表明，Si3N4球的RCF（滚动接触疲劳）性能取决于其生产工艺水平，影响其性能的主要因素较多，大致上可以归纳为气孔、表面微裂纹(环形/直线形)、表面强度、残余应力、表面粗糙度等内因，润滑条件、载荷、转速等外因。制备氮化硅球轴承时，要充分考虑以上因素的影响。
氮化硅轴承的制备工艺
氮化硅陶瓷球的制造过程可以分为四个阶段。第一阶段为氮化硅原料制备，即将氮化硅粉料与烧结助剂以一定的比例均匀混合。第二阶段为氮化硅陶瓷球的成型，常用的有挤出成型、注射成型、干法压制成型及注浆成型等成型方法。第三阶段为氮化硅陶瓷球致密化烧结，烧结方法有常压烧结、热压烧结、气压烧结与热等静压烧结。第四阶段为后处理研磨加工，即粗磨、精磨、粗研、精研和抛光。
1、原料制备
制备高精度高品质氮化硅球轴承需要采用高品质氮化硅原料粉体，国际上主要供应商是日本宇部兴产株式会社（UBE）、德国H.C.Stark、ALZ公司，所生产的氮化硅原料粉体与国内产品相比质量稳定性优异。氮化硅粉体的合成方法主要有硅粉氮化法和化学合成法。
2、成型与烧结
氮化硅陶瓷球的成型，常用的有挤出成型、注射成型、干法压制成型及注浆成型等成型方法。氮化硅陶瓷球致密化烧结方法有常压烧结、热压烧结、气压烧结与热等静压烧结。热等静压法目前被认为是制造氮化硅毛坯球最佳工艺，因为该工艺直接适用于密封预成形或是烧结生产方法的一部分，能生产出100%的致密材料。
3、粗磨、精磨加工
氮化硅球的粗磨和精磨加工与钢球的加工机理基本一致。粗磨加工是氮化硅球在同心砂轮沟槽内进行磨加工时，球在相对于砂轮轴线同心的砂轮槽内运动，通过较高的挤压力与球表面和砂轮有相对运动来磨去球的部分留量。而精磨加工用的固定盘和转动盘均是铸铁盘，盘的硬度应大于220HB。粗磨工序可以消除毛坯球表面的缺陷，提高表面粗糙度和尺寸精度，精磨工序是进一步消除前工序机械加工的缺陷，并改善球的几何精度。
4、精研加工
氮化硅球的精研加工是在转动的铸铁研球盘的V形沟槽里和固定研球盘平面的压持下，形成三圆弧面接触状态，在研磨压力的作用下及转动研球盘的带动下，使氮化硅球沿沟槽不断地滚动旋转。磨料被氮化硅球挤压，而嵌入研球盘沟槽表面上，形成三个圆弧形磨具。
5、超精研加工
氮化硅球超精研加工是在立式研球机上采用单盘多沟封闭法加工。超精研加工，由于球在研盘内的各自沟槽里作圆周研磨，沟槽的滚道与球相当吻合，因而避免了诸如循环精研时的碰撞与摩擦，能够加工出表面质量更好、几何精度和尺寸精度更高、振动值很小的高精度球。
结束语
氮化硅球轴承是国内外研究最热门、性能最为优异的高端陶瓷轴承之一，具有质量轻、极限转速高、摩擦力矩小、运转精度好、使用寿命长等一系列优点。目前氮化硅球国内研究的较多，但是仍然缺乏大批量高精度制造先进理论与工艺，与国外超精密氮化硅球仍然有差距。超精密轴承套圈制造的基础理论是无心磨理论与技术，缺乏结合机床系统动力学的系统性研究。但是随着国家制造业整体水平的不断提高，超精密氮化硅球轴承的大批量生产制造，在不久的将来一定会实现。
参考来源：
[1]饶水林.航空发动机用氮化硅陶瓷轴承技术研究现状
[2]吴承伟等.超精密高性能氮化硅轴承研究现状与应用
[3]祁海.氮化硅轴承球滚动接触疲劳性能的研究现状
[4]孙立钧等.轴承用氮化硅球的制造方法
（中国粉体网编辑整理/山川）
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