中國粉體網訊 軸承是機械設備中一種極其重要的零部件，使用十分普遍。其主要功能是支撐機械旋轉體，降低其運動時的摩擦系數(shù)，并保證其回轉精度。其作用與人體關節(jié)相似，素有“機械的關節(jié)”之稱，它是一切旋轉機械的靈魂，故又被稱為機械工業(yè)的“芯片”。
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氮化硅(Si3N4)材料屬于高強度人工晶體，具有密度小、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、電絕緣、不導磁、抗壓強度高、自潤滑性能好等諸多點。以氮化硅球作為滾動體、以合金鋼為套圈制成的混合陶瓷軸承，最充分利用了氮化硅材料抗壓強度高、合金鋼抗彎強度高、韌性好等優(yōu)點，與普通鋼球軸承相比，具有重量輕、極限轉速高、摩擦力矩小、運轉精度好、使用壽命長等一系列優(yōu)點，各方面性能均衡、優(yōu)異、全面，堪稱軸承界的“六邊形戰(zhàn)士”。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、應用最廣泛的高端陶瓷軸承。氮化硅陶瓷球軸承幾乎就是陶瓷軸承的代名詞。
市場需求大，高端產品90%依賴進口
數(shù)據(jù)顯示，2016年全球氮化硅球軸承行業(yè)市場規(guī)模約為3.9億美元，至2019年市場規(guī)模增至4.70億美元，2020年市場規(guī)模進一步增至4.95億美元。
國外碳化硅軸承球有多年的生產歷史，目前國際知名氮化硅陶瓷球生產商主要有美國CoorsTek（原法國Saint-Gobain）、日本東芝陶瓷、日本NSK公司。
我國對氮化硅陶瓷球軸承的研究始于上世紀90年代初，列入國家科技攻關計劃，本世紀初，我國基本解決了氮化硅陶瓷毛坯球批量制備技術，實現(xiàn)了氮化硅陶瓷毛坯球批量化生產，磨球精度達到了國際標準化組織（ISO3290-2001）標準G10～G5級，達到了日本NSK公司20世紀80年代的水平。目前國內主要廠商可達到G3級。
目前國內生產企業(yè)主要有中材高新、上海泛聯(lián)、上海材料所等單位，但產品質量與國外還存在相當差距，國內高端氮化硅陶瓷軸承球90%仍依賴進口，規(guī)�；a技術還存在多方面的問題。
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氮化硅陶瓷軸承難在哪里？
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(wěn)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(yè)，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(tǒng)的支撐剛度、動態(tài)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(guī)模生產的基本要點有：
(1)氮化硅球表面實現(xiàn)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；
(2)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(xiàn)優(yōu)先磨削；
(3)研磨技術容易實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)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(huán)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。
氮化硅軸承的制備工藝
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。
1、原料制備
制備高精度高品質氮化硅球軸承需要采用高品質氮化硅原料粉體，國際上主要供應商是日本宇部興產株式會社（UBE）、德國H.C.Stark、ALZ公司，所生產的氮化硅原料粉體與國內產品相比質量穩(wěn)定性優(yōu)異。氮化硅粉體的合成方法主要有硅粉氮化法和化學合成法。
2、成型與燒結
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。氮化硅陶瓷球致密化燒結方法有常壓燒結、熱壓燒結、氣壓燒結與熱等靜壓燒結。熱等靜壓法目前被認為是制造氮化硅毛坯球最佳工藝，因為該工藝直接適用于密封預成形或是燒結生產方法的一部分，能生產出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與鋼球的加工機理基本一致。粗磨加工是氮化硅球在同心砂輪溝槽內進行磨加工時，球在相對于砂輪軸線同心的砂輪槽內運動，通過較高的擠壓力與球表面和砂輪有相對運動來磨去球的部分留量。而精磨加工用的固定盤和轉動盤均是鑄鐵盤，盤的硬度應大于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，精磨工序是進一步消除前工序機械加工的缺陷，并改善球的幾何精度。
4、精研加工
氮化硅球的精研加工是在轉動的鑄鐵研球盤的V形溝槽里和固定研球盤平面的壓持下，形成三圓弧面接觸狀態(tài)，在研磨壓力的作用下及轉動研球盤的帶動下，使氮化硅球沿溝槽不斷地滾動旋轉。磨料被氮化硅球擠壓，而嵌入研球盤溝槽表面上，形成三個圓弧形磨具。
5、超精研加工
氮化硅球超精研加工是在立式研球機上采用單盤多溝封閉法加工。超精研加工，由于球在研盤內的各自溝槽里作圓周研磨，溝槽的滾道與球相當吻合，因而避免了諸如循環(huán)精研時的碰撞與摩擦，能夠加工出表面質量更好、幾何精度和尺寸精度更高、振動值很小的高精度球。
結束語
氮化硅球軸承是國內外研究最熱門、性能最為優(yōu)異的高端陶瓷軸承之一，具有質量輕、極限轉速高、摩擦力矩小、運轉精度好、使用壽命長等一系列優(yōu)點。目前氮化硅球國內研究的較多，但是仍然缺乏大批量高精度制造先進理論與工藝，與國外超精密氮化硅球仍然有差距。超精密軸承套圈制造的基礎理論是無心磨理論與技術，缺乏結合機床系統(tǒng)動力學的系統(tǒng)性研究。但是隨著國家制造業(yè)整體水平的不斷提高，超精密氮化硅球軸承的大批量生產制造，在不久的將來一定會實現(xiàn)。
參考來源：
[1]饒水林.航空發(fā)動機用氮化硅陶瓷軸承技術研究現(xiàn)狀
[2]吳承偉等.超精密高性能氮化硅軸承研究現(xiàn)狀與應用
[3]祁海.氮化硅軸承球滾動接觸疲勞性能的研究現(xiàn)狀
[4]孫立鈞等.軸承用氮化硅球的制造方法
（中國粉體網編輯整理/山川）
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