陶瓷球

在工程用陶瓷产品的开发应用过程中，陶瓷球轴承是工程陶瓷在工业领域广泛应用的典型范例。陶瓷球轴承具有使用寿命长（钢质轴承的2-5倍）、转速高、整体精度和刚度好、热稳定性能好以及无磁性等优异的综合性能，在高温、高速、高精度、酸碱腐蚀、电腐蚀、强磁场、无润滑或介质润滑等工作条件下具有非常广阔的应用前景。在高速精密陶瓷球轴承中，应用最多的是混合陶瓷球轴承，即滚珠采用的是陶瓷球，轴承圈仍为钢圈。这种轴承的标准化程度比较高，对机床结构不会有太大的改动，便于维护保养，特别适合于高速运行场合．其组装的高速电主轴，具有高速、高刚度、大功率、长寿命等优点。目前世界各国研究陶瓷球轴承处于领先水平的主要公司有瑞典的斯凯孚（SKF）、德国的FAG、法国的圣戈班、日本的NTN、光洋精工株式会社（KOYO）、美培亚株式会社（NMB）、兆湟精工株式会社（MSRHK）等。其中NTN作为世界综合性精密机械制造厂家之一，是世界第五大轴承生产商。其各种轴承产品，是以0.01 μm为单位的高精度加工和检测技术生产出来的，现在已经开始使用于轨道卫星、航空、铁道与汽车、机械设备等领域。

针对陶瓷球轴承的核心部件——陶瓷球体，国外的研发和竞争也比较激烈。精密陶瓷球与传统的轴承钢相比，具有密度小、硬度高、弹性模量高（刚度高）、耐磨损、热膨胀系数低、热稳定性和化学稳定好、绝缘、无磁等极为优良的综合性能。其中氮化硅被认为是制造轴承滚动体的最佳材料，并在陶瓷球轴承应用上获得很大成功。陶瓷球轴承可以在不加任何油脂的情况下运作，避免了普通轴承中因为油脂干掉导致的轴承过早损坏现象的发生。目前陶瓷球已广泛应用于航空航天、军事、石油、化工以及高速精密机械等诸多领域。

表1 钢与氮化硅陶瓷性能对比

一、陶瓷球简介

（一）常见材料及特性

市场上应用的陶瓷球主要有氮化硅陶瓷球（Si3N4）、氧化锆陶瓷球（ZrO2）、碳化硅陶瓷球(SiC)、高纯氧化铝陶瓷球（Al2O₃）四种。Si3N4因综合性能优越，成为目前应用最为广泛的品种。精密陶瓷球可代替钢球的原因是具有低密度、中等弹性模量、低热膨胀系数和优良的内在化学特性等特点，而其最重要特点在于失效形式与轴承钢一样，是以具有先兆的剥落方式出现，而ZrO₂、Al₂O₃均以碎裂这种破坏性的失效形式出现，因此ZrO₂、Al₂O₃应用相对较少。下表进行对四种材料主要性能进行简要对比。

表2 四种材料性能对比

1．氮化硅

氮化硅陶瓷材料重量轻、表面细微、高滋润型、耐磨耗、韧性高、耐高温1400℃、不易变形。Si3N4全陶瓷轴承相比较ZrO2材料可适用于更高转速及负荷能力，以及适用于更高的环境温度。氮化硅陶瓷的热膨胀系数仅为轴承钢的1/4，减少轴承对温度变化的敏感，有助于防止卡死。同时可用于高速高精度高刚性主轴的精密陶瓷轴承，最高制造精度达P4至UP级。

2．氧化锆

氧化锆陶瓷工业环境中不氧化、不易被腐蚀、无磁性、耐高温1000℃、不易变形、热膨胀系数与金属相近、但耐强酸强碱腐蚀性弱。每立方厘米的密度高达5.95-6.05g/cm3，在四种常用于制作陶瓷球体的材料(Si3N4,SiC, Al2O3, ZrO2)中，氧化锆陶瓷的韧性度较高，可达到10MPa·m1/2以上，热膨胀系数接近于金属的热膨胀系数，能满足与金属良好的贴合需求。氧化锆陶瓷具有自润滑性，可以解决润滑介质造成的污染和添加不便等问题；耐腐蚀好，在中等酸、中等碱、海水等介质中亦可使用；耐高温，氧化锆陶瓷在600℃时，强度、硬度几乎不变；不导磁、绝缘性，磁场中亦可使用。但是尺寸稳定性随温度变化较大，滚动疲劳接触失效形式为破坏性碎裂，在一些关键场合不如氮化硅材料稳定。

3．碳化硅

碳化硅陶瓷在四种具有使用上限温度最高、高温下强度高、热传导率最高、抗热冲击性最好、弹性模量最高、密度最低等特点、耐腐蚀性最好，可以耐浓氢氟酸和加热的混合强酸，可用于极强的耐腐蚀环境中。

4. 氧化铝

氧化铝陶瓷球的主要成分是高质量氧化铝，其抗弯强度可达250MPa，热压产品抗弯强度可达500MPa，并且具有优良的抗磨损性能，被广泛运用于制造磨轮、陶瓷钉、轴承等。

（二）陶瓷球精度等级

市场上对陶瓷球精度进行了等级划分，表3与表4分别列出了专业评判标准术语的解释以及国际通用等级标准。通常可应用于轴承的陶瓷球精度在G100以上，用于高精密轴承的在G3-G20间。

表3 精密度等级重要指标

表4国际通用标准（ISO3290-1:2014）（单位为μm）

三、国际产业现状

以应用最为普遍的氮化硅陶瓷球为例，目前国内加工的陶瓷氮化硅轴承球精度仅能够满足 G5 级水平，而日本椿中岛、AKS、瑞典 SKF 等供应商的氮化硅轴承球的精度可以达到 G3 级、G2 级，其配套的精密轴承噪音小、转速高、寿命长，综合性能优于国内产品。我国陶瓷球还存在陶瓷轴承球批量生产成形效率低的问题，尤其对于生产规格为2 mm以下的小球时，坯体球形度差、产量低的问题尤为突出。对于高精度氮化硅轴承球，其后期精加工难度相对较大。因此，国内高端氮化硅陶瓷轴承球 90% 依赖进口。

下表列出了国内外陶瓷球相关生产企业。除下表外所列企业外，日本日化陶股份有限公司、日本NGK等公司也在陶瓷球方面持续更新专利布局。

表5-国内外陶瓷球相关生产企业