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随着(zhe)现阶段科技的(de)不(bu)断进步与(yu)发展(zhan)，对高(gao)(gao)速(su)机床(chuang)、精(jing)密检测仪器(qi)等许多设备(bei)的(de)工作环(huan)境及(ji)使(shi)用(yong)要求越(yue)来越(yue)高(gao)(gao)，要求这些机械设备(bei)必须(xu)具(ju)(ju)备(bei)高(gao)(gao)速(su)、高(gao)(gao)精(jing)度(du)和(he)高(gao)(gao)可靠性(xing)(xing)等多种(zhong)性(xing)(xing)能。为了满(man)足高(gao)(gao)精(jing)密机械、石(shi)油化工、航空(kong)航天、军事(shi)国防等诸多领域的(de)发展(zhan)所需(xu)，机械零(ling)部件必须(xu)具(ju)(ju)有(you)较好的(de)耐热、不(bu)易腐蚀和(he)低磁等特性(xing)(xing)，同时也必须(xu)能承(cheng)(cheng)受(shou)较大的(de)压力(li)，而滚动(dong)轴(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)作为关键的(de)零(ling)部件之一，对其性(xing)(xing)能要求更高(gao)(gao)。但传统(tong)金属轴(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)已无(wu)法适应(ying)现阶段极(ji)端严苛工作条(tiao)件下长期稳定运(yun)行的(de)工作要求。与(yu)传统(tong)轴(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)相比，陶瓷轴(zhou)(zhou)承(cheng)(cheng)具(ju)(ju)有(you)使(shi)用(yong)寿命长、整体(ti)精(jing)度(du)和(he)刚(gang)度(du)高(gao)(gao)、转速(su)高(gao)(gao)、热稳定性(xing)(xing)好、绝缘以及(ji)无(wu)磁性(xing)(xing)等优(you)异的(de)综(zong)合性(xing)(xing)能，在高(gao)(gao)温、高(gao)(gao)速(su)、高(gao)(gao)精(jing)度(du)、强(qiang)腐蚀、强(qiang)磁场和(he)无(wu)润滑(hua)等工作条(tiao)件下具(ju)(ju)有(you)非常广阔的(de)应(ying)用(yong)前(qian)景。

传统金属轴承

陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)轴承(cheng)由陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)滚(gun)动体和(he)内外(wai)圈组(zu)成，陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)滚(gun)动体性能(neng)的(de)好坏直(zhi)接影响整个轴承(cheng)的(de)使用性能(neng)，陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)滚(gun)动体选用不同(tong)的(de)制(zhi)备材(cai)(cai)料对所(suo)得轴承(cheng)的(de)性能(neng)影响巨大。目(mu)前(qian)，适用于(yu)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)球制(zhi)备的(de)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)材(cai)(cai)料有氮化硅（Si₃N₄）、氧化(hua)铝（Al₂O₃）、碳(tan)化硅（SiC）和氧化锆（ZrO₂）等(deng)，而(er)碳化(hua)硅和氧化(hua)铝的(de)失效形式是(shi)以突然破碎的(de)方式出现，不利于陶(tao)瓷(ci)轴承平稳运行，因此(ci)陶(tao)瓷(ci)球轴承一(yi)般(ban)采用氮(dan)化(hua)硅或氧化(hua)锆制成。

球轴承示意图

氮(dan)化(hua)硅（Si₃N₄）材料属(shu)于(yu)高强度人工晶体，俗称“陶瓷王(wang)”，具(ju)有密(mi)度(du)小、硬(ying)度(du)高(gao)(gao)、耐(nai)高(gao)(gao)温、耐(nai)腐蚀、电(dian)绝缘(yuan)、不导磁(ci)、抗压(ya)强度(du)高(gao)(gao)、自(zi)润滑性(xing)能好等诸多特点。氮化硅密(mi)度(du)大约为(wei)轴承(cheng)钢的42%，弹性(xing)模量高(gao)(gao)达310GPa，抗拉强度(du)1600MPa，抗压(ya)强度(du)高(gao)(gao)达3600MPa，900℃以(yi)下(xia)力(li)学性(xing)能几乎不变，是(shi)轴承(cheng)的理想材料之一。

氮化硅球(qiu)轴承

氧(yang)化(hua)锆（ZrO₂）是锆(gao)(gao)的主要氧(yang)化(hua)(hua)(hua)物(wu)。通常条(tiao)件(jian)下(xia)，高(gao)纯氧(yang)化(hua)(hua)(hua)锆(gao)(gao)为(wei)白(bai)色粉末，无臭无味(wei)，化(hua)(hua)(hua)学性质不活(huo)泼，难溶于水、盐(yan)酸(suan)和稀硝酸(suan)，对碱、碱熔体(ti)(ti)、玻璃熔体(ti)(ti)和熔融金属具(ju)(ju)有(you)良好的稳(wen)定性。在金属氧(yang)化(hua)(hua)(hua)物(wu)材(cai)料中，氧(yang)化(hua)(hua)(hua)锆(gao)(gao)的高(gao)温(wen)稳(wen)定性、隔热性能最好。氧(yang)化(hua)(hua)(hua)锆(gao)(gao)在常温(wen)下(xia)为(wei)绝缘体(ti)(ti)，同时氧(yang)化(hua)(hua)(hua)锆(gao)(gao)陶(tao)瓷具(ju)(ju)有(you)耐磨性好、硬度(du)大、脆(cui)性大等特点。

氧化锆满装球(qiu)轴承

下表(biao)为氧(yang)化锆陶(tao)(tao)瓷(ci)与氮化硅陶(tao)(tao)瓷(ci)的性能对比表(biao)：

氧(yang)化锆陶(tao)瓷与氮化硅陶(tao)瓷常见性能对比(bi)表

由(you)表我们可以得知氮(dan)化(hua)(hua)硅的密(mi)度为(wei)氧化(hua)(hua)锆(gao)陶(tao)瓷的55.09%，其制得的轴(zhou)承重量轻(qing)，从而可以在医疗(liao)器(qi)械、家用电器、航天设备发动机(ji)以及(ji)赛车(che)曲轴等领域使用。同时(shi)又由(you)于其密度(du)小，这使得其用作(zuo)滚(gun)动(dong)体(ti)时，轴承旋(xuan)转时受转动(dong)体(ti)作(zuo)用产(chan)生的离心(xin)力减轻，从而有利于高速转动，这(zhei)使得其可(ke)以应用在(zai)燃气涡轮发动机、机(ji)床主轴、离心(xin)分离器等领域。

轴(zhou)承在航空航天中的应用图(tu)（图(tu)片来源(yuan)：山东省临(lin)清通联轴(zhou)承集团）

氮化硅的弹性(xing)模量和抗压强度(du)也比(bi)氧化锆(gao)高(gao)，这有(you)利于轴承(cheng)承(cheng)受(shou)应力的提高(gao)；氮(dan)化硅的(de)热膨胀(zhang)系数(shu)相对(dui)于氧化锆的热膨胀系数较小，这有(you)利于减小(xiao)轴承(cheng)对温度变化(hua)的敏感(gan)性(xing)，使轴承工作速率范围更(geng)宽；氮化(hua)硅(gui)的耐高(gao)温耐腐蚀及(ji)优良的化(hua)学(xue)稳定性(xing)，使得氮化(hua)硅陶瓷可以应(ying)用(yong)在更加高(gao)温以及(ji)像硫酸氢氧化(hua)钠等(deng)氧化(hua)锆无法应(ying)用(yong)的强酸(suan)碱场景。

氮(dan)化硅陶瓷轴承(cheng)的应用场景(jing)图

尽管氮化(hua)(hua)硅陶瓷(ci)具有(you)适应性强(qiang)、性能优越的特(te)点，但氮化(hua)(hua)硅陶瓷(ci)轴承的成本较高(gao)。氧化(hua)(hua)锆材料与其他陶瓷(ci)材料（氮化(hua)(hua)硅等）相比，制备工艺相对简单，坯体成本较低，易于市场化应用(yong)，因此氧化锆陶瓷(ci)轴(zhou)承可以应用于(yu)对(dui)(dui)使用性能要(yao)求相对(dui)(dui)较低(di)、成(cheng)本要(yao)求较低(di)的(de)场景。同时(shi)氧化锆的(de)韧性比氮化硅高，有利(li)于(yu)轴(zhou)承的(de)稳定使用。

氧化锆陶(tao)瓷(ci)轴承的应用(yong)场景图(tu)

参考(kao)文献：

（1）氮化硅(gui)陶瓷球研磨机理分析(xi)与工艺参数(shu)优化，王定(ding)文(wen)。

（2）超精(jing)度高性能(neng)氮(dan)化硅轴承(cheng)研究现(xian)状与应用(yong)，吴承(cheng)伟(wei)，张伟(wei)，李东炬。

（3）典型(xing)氧化锆陶瓷零件的加工实验研究(jiu)，王宇。

（4）高(gao)精度陶瓷球的性能评(ping)价(jia)方法及(ji)其应用研(yan)究，陈微(wei)。

（5）高性能氮化(hua)硅陶(tao)瓷的制备与应用新进展(zhan)，吴庆(qing)文，胡丰，谢志鹏。