一、前景概要

大量實驗證明，在高轉速（轉速在4×10⁴r/min以上）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。許多國內高速軸承就普遍存在軸承鋼球產生不同程度疲勞破壞等問題。

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，而氮化硅在工業陶瓷中不是最硬的，韌性也不是最高的，但是在要求高性能的軸承應用中，氮化硅卻被認為是具有最佳的機械物理綜合特性。這是為啥？

圖1 風力發電機用“氮化硅陶瓷滾珠”混合軸承

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特點做簡單的剖析，并對其滾動體（氮化硅滾珠）的成型工藝做簡單介紹。

二、氮化硅軸承材料的優越性在哪?

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。

因此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。

圖2 軸承轉動示意圖

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。例如：M50高溫軸承鋼的使用溫度極限約為400℃，達到這一溫度，鋼硬度下降程度很大，而氮化硅在這一溫度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。

氮化硅自潤滑的機理尚存在爭議，目前有學者認為產生這種特性的主要原因是氮化硅在摩擦過程中會微量分解，在表面形成很薄的氣膜，從而使摩擦阻力減小。并且隨著摩擦的不斷進行，摩擦面越來越光潔，阻力越來越小，起到了潤滑減磨的效果。

圖3熱壓成型的氮化硅球工作了十年后 “變得圓滑了”，同理軸承滾珠也會類似變化

5、化學性質穩定-耐腐蝕

氮化硅對大多數酸，諸如鹽酸、硫酸、硝酸和磷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。

三、氮化硅滾珠的制造工藝

既然“球”是軸承中最薄弱的零件，那么氮化硅滾珠（軸承球）的制備工藝也就顯得尤為重要。下文將為大家簡單解析氮化硅滾珠是怎么做出來的。

圖4 氮化硅陶瓷軸承滾動體

氮化硅球的制造一般分為毛坯成形、粗磨加工和研磨加工。其加工工藝流程邊框圖如下。

圖5 氮化硅球的加工過程

1、氮化硅毛坯球成型

與大多數陶瓷制品一樣，氮化硅球也用粉末制造。目前常用的氮化硅毛坯球制造工藝有：反應燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結等。

在軸承零件生產中，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燒結生產方法的一部分，能生產出致密度接近100%的材料。

熱等靜壓法工藝流程簡述：熱等靜壓法是在250MPa的壓力和750℃的溫度下，在氬氣保護氣氛中，將氮化硅材料熱壓2h，制成試樣球。再用玻璃粉末噴射球坯，形成一個多孔的殼體，然后將其置于一個真空的專用爐中加熱，從材料中除去被束縛住的空氣，并使玻璃熔化，控制冷卻后，玻璃層變成了密封層。熱壓階段完成后，減小壓力，促使玻璃從球中清除出來。

?氮化硅毛坯球的制造技術對氮化硅陶瓷球的后續加工過程影響很大，毛坯球的尺寸公差及表面質量將決定著陶瓷球最終質量及后期加工成本。

2、磨料選擇

陶瓷球加工包括粗磨、精磨、精研、及超精研等工序，其中粗磨加工去除陶瓷球留量的95%。在各個工序完成之后，都要對陶瓷球進行清洗，以保證陶瓷球良好的清潔度。因為前工序的陶瓷球表面必然帶有大量的磨料顆粒，必須清洗干凈，尤其是精研和超精研工序。

氮化硅球的磨加工要根據不同的加工過程選用不同種類和不同硬度的磨料，磨料粒度由粗到細，如果磨料使用的過多或過少，則可降低研磨效率和球表面精度，只有采用與相應加工工序相協調的磨料配比，才能得到理想的效果。

圖6 不同研磨工段磨料選擇

?粗磨和精磨工序采用不同粒度的金剛砂，也可采用碳化硅進行磨削；

?精研工序采用的是氮化硼或三氧化二鉻進行研磨；

?超精研工序采用金剛石軟膏或用三氧化二鉻、機械油和硬脂酸配制的超精研油膏進行研磨。

3、粗磨工序

粗磨工序可以消除毛坯球表面的各種缺陷，包括燒結氧化層、氣孔和表面微小裂紋等，在磨削前，先將磨盤的溝槽用相同尺寸的鋼球進行滾壓和磨合，使陶瓷球與溝槽滾道得到良好的吻合，以提高表面精度和幾何精度。

粗磨加工：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。

4、精磨工序

精磨加工工序與粗磨基本相同，可進一步消除前工序機械加工的缺陷，提高球的尺寸精度和表面質量。

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。

3、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，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。

4、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。

圖7 立式研球機

5、成品球檢驗

陶瓷球加工過程包括成形加工和機械加工2個階段，在陶瓷球生產的每一道工序都可能產生偶然性表面缺陷。由于陶瓷材料的脆性和缺陷敏感性，表面缺陷降低了陶瓷球的可靠性，影響了陶瓷軸承的廣泛應用。

為保證成品球品質，國內外采用射線檢測、超聲波檢測、滲透檢測、激光散射等多種方法進行陶瓷球表面缺陷檢測研究。由于陶瓷球表面缺陷具有多樣性且球表面不可展開，至今還沒有完善的無損檢測方法。

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。

粉體圈 作者：小白