中國(guó)粉體網(wǎng)訊 軸承是機(jī)械設(shè)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(jī)械旋轉(zhuǎn)體，降低其運(yùn)動(dòng)時(shí)的摩擦系數(shù)，并保證其回轉(zhuǎn)精度。其作用與人體關(guān)節(jié)相似，素有“機(jī)械的關(guān)節(jié)”之稱，它是一切旋轉(zhuǎn)機(jī)械的靈魂，故又被稱為機(jī)械工業(yè)的“芯片”。
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氮化硅(Si3N4)材料屬于高強(qiáng)度人工晶體，具有密度小、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、電絕緣、不導(dǎo)磁、抗壓強(qiáng)度高、自潤(rùn)滑性能好等諸多點(diǎn)。以氮化硅球作為滾動(dòng)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(qiáng)度高、合金鋼抗彎強(qiáng)度高、韌性好等優(yōu)點(diǎn)，與普通鋼球軸承相比，具有重量輕、極限轉(zhuǎn)速高、摩擦力矩小、運(yùn)轉(zhuǎn)精度好、使用壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)，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(yīng)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(chǎng)需求大，高端產(chǎn)品90%依賴進(jìn)口
數(shù)據(jù)顯示，2016年全球氮化硅球軸承行業(yè)市場(chǎng)規(guī)模約為3.9億美元，至2019年市場(chǎng)規(guī)模增至4.70億美元，2020年市場(chǎng)規(guī)模進(jìn)一步增至4.95億美元。
國(guó)外碳化硅軸承球有多年的生產(chǎn)歷史，目前國(guó)際知名氮化硅陶瓷球生產(chǎn)商主要有美國(guó)CoorsTek（原法國(guó)Saint-Gobain）、日本東芝陶瓷、日本NSK公司。
我國(guó)對(duì)氮化硅陶瓷球軸承的研究始于上世紀(jì)90年代初，列入國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃，本世紀(jì)初，我國(guó)基本解決了氮化硅陶瓷毛坯球批量制備技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了氮化硅陶瓷毛坯球批量化生產(chǎn)，磨球精度達(dá)到了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織（ISO3290-2001）標(biāo)準(zhǔn)G10～G5級(jí)，達(dá)到了日本NSK公司20世紀(jì)80年代的水平。目前國(guó)內(nèi)主要廠商可達(dá)到G3級(jí)。
目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)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(chǎn)品質(zhì)量與國(guó)外還存在相當(dāng)差距，國(guó)內(nèi)高端氮化硅陶瓷軸承球90%仍依賴進(jìn)口，規(guī)�；a(chǎn)技術(shù)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(xué)合成法，國(guó)內(nèi)均采用硅粉氮化法，與化學(xué)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(jié)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(chǎn)氮化硅粉體的企業(yè)，但是目前該公司嚴(yán)格限制對(duì)華市場(chǎng)供貨量，使得國(guó)內(nèi)高品質(zhì)氮化硅陶瓷球生產(chǎn)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(qiáng)度依然是氮化硅陶瓷材料對(duì)損傷和缺陷敏感的致命弱點(diǎn)。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(jī)械性能的差異使陶瓷軸承剛度產(chǎn)生明顯的變化，這會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子系統(tǒng)的支撐剛度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和附加動(dòng)載荷也產(chǎn)生較明顯變化。
3、精密研磨技術(shù)的制約
要制造出超精密高端氮化硅球軸承，首要任務(wù)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(chǎn)的基本要點(diǎn)有：
(1)氮化硅球表面實(shí)現(xiàn)等概率磨削加工，亦即保證球面上每個(gè)質(zhì)點(diǎn)都有相同的研磨概率；
(2)磨削效率具有自動(dòng)尺寸選擇性，亦即大球或者長(zhǎng)軸方向自動(dòng)實(shí)現(xiàn)優(yōu)先磨削；
(3)研磨技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化低成本生產(chǎn)。
然而，目前國(guó)內(nèi)公開報(bào)道的各種研磨技術(shù)均無法同時(shí)達(dá)到上述三點(diǎn)要求。
4、氮化硅球軸承滾動(dòng)接觸疲勞
大量研究表明，Si3N4球的RCF（滾動(dòng)接觸疲勞）性能取決于其生產(chǎn)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(qiáng)度、殘余應(yīng)力、表面粗糙度等內(nèi)因，潤(rùn)滑條件、載荷、轉(zhuǎn)速等外因。制備氮化硅球軸承時(shí)，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(gè)階段。第一階段為氮化硅原料制備，即將氮化硅粉料與燒結(jié)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(jié)，燒結(jié)方法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、氣壓燒結(jié)與熱等靜壓燒結(jié)。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(zhì)氮化硅球軸承需要采用高品質(zhì)氮化硅原料粉體，國(guó)際上主要供應(yīng)商是日本宇部興產(chǎn)株式會(huì)社（UBE）、德國(guó)H.C.Stark、ALZ公司，所生產(chǎn)的氮化硅原料粉體與國(guó)內(nèi)產(chǎn)品相比質(zhì)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(xué)合成法。
2、成型與燒結(jié)
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(jié)方法有常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、氣壓燒結(jié)與熱等靜壓燒結(jié)。熱等靜壓法目前被認(rèn)為是制造氮化硅毛坯球最佳工藝，因?yàn)樵摴に囍苯舆m用于密封預(yù)成形或是燒結(jié)生產(chǎn)方法的一部分，能生產(chǎn)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(jī)理基本一致。粗磨加工是氮化硅球在同心砂輪溝槽內(nèi)進(jìn)行磨加工時(shí)，球在相對(duì)于砂輪軸線同心的砂輪槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)，通過較高的擠壓力與球表面和砂輪有相對(duì)運(yùn)動(dòng)來磨去球的部分留量。而精磨加工用的固定盤和轉(zhuǎn)動(dòng)盤均是鑄鐵盤，盤的硬度應(yīng)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(jìn)一步消除前工序機(jī)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(zhuǎn)動(dòng)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(zhuǎn)動(dòng)研球盤的帶動(dòng)下，使氮化硅球沿溝槽不斷地滾動(dòng)旋轉(zhuǎn)。磨料被氮化硅球擠壓，而嵌入研球盤溝槽表面上，形成三個(gè)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(jī)上采用單盤多溝封閉法加工。超精研加工，由于球在研盤內(nèi)的各自溝槽里作圓周研磨，溝槽的滾道與球相當(dāng)吻合，因而避免了諸如循環(huán)精研時(shí)的碰撞與摩擦，能夠加工出表面質(zhì)量更好、幾何精度和尺寸精度更高、振動(dòng)值很小的高精度球。
結(jié)束語(yǔ)
氮化硅球軸承是國(guó)內(nèi)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(zhì)量輕、極限轉(zhuǎn)速高、摩擦力矩小、運(yùn)轉(zhuǎn)精度好、使用壽命長(zhǎng)等一系列優(yōu)點(diǎn)。目前氮化硅球國(guó)內(nèi)研究的較多，但是仍然缺乏大批量高精度制造先進(jìn)理論與工藝，與國(guó)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(chǔ)理論是無心磨理論與技術(shù)，缺乏結(jié)合機(jī)床系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)的系統(tǒng)性研究。但是隨著國(guó)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(chǎn)制造，在不久的將來一定會(huì)實(shí)現(xiàn)。
參考來源：
[1]饒水林.航空發(fā)動(dòng)機(jī)用氮化硅陶瓷軸承技術(shù)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(yīng)用
[3]祁海.氮化硅軸承球滾動(dòng)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(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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