一、前景概要
大量实验证明，在高转速（转速在4×104r/min以上）环境下工作的精密轴承中“球”是轴承中最薄弱的零件，大约60%-70%的高速轴承失效都是由钢球产生不同程度的疲劳导致的。许多国内高速轴承就普遍存在轴承钢球产生不同程度疲劳破坏等问题。
为了改善高速轴承性能以延长其疲劳寿命，国内外应用结构陶瓷来制造球体或其他轴承零件可显著提高“高速轴承”的使用性能和寿命。
陶瓷种类繁多，而氮化硅在工业陶瓷中不是最硬的，韧性也不是最高的，但是在要求高性能的轴承应用中，氮化硅却被认为是具有最佳的机械物理综合特性。这是为啥？
图1 风力发电机用“氮化硅陶瓷滚珠”混合轴承
其重要原因是：其他陶瓷损坏的话是以灾难性破裂方式产生的，而氮化硅陶瓷则是以类似于轴承钢失效的方式即局部剥落的方式发生的。因此作为滚动轴承用的材料，从滚动疲劳寿命和可靠性的观点看，只有氮化硅才能胜任！
下文将对氮化硅轴承材料的特点做简单的剖析，并对其滚动体（氮化硅滚珠）的成型工艺做简单介绍。
二、氮化硅轴承材料的优越性在哪?
1、比密度小，离心力小-更利于高速运转
氮化硅陶瓷材料的密度约为3.2×103kg/m3，而轴承钢的密度约为7.8×103kg/m3。氮化硅陶瓷密度仅为轴承钢密度的40%左右。
因此当滚动体使用氮化硅陶瓷时，轴承在高速旋转时能有效抑制因离心力作用引起的滚动体载荷的增加。因此，采用低密的氮化硅球更加利于轴承的高转速发展。
图2 轴承转动示意图
2、耐热-可适应更高温工作条件
一般钢制的轴承使用温度超过120℃时，硬度就会降低，滚动寿命也会下降。例如：M50高温轴承钢的使用温度极限约为400℃，达到这一温度，钢硬度下降程度很大，而氮化硅在这一温度范围内完全保持原有硬度，只在约800℃时，其硬度和强度才开始下降。
因此，对于用在高温环境的轴承来说，氮化硅材料是非常适合的。例如：航空喷气发动机、燃气轮机、核反应堆系统、X光管钨盘，以及火箭、宇宙飞船中。
3、线膨胀系数小-可用于环境温度变化领域
氮化硅的线膨胀系数大约是轴承钢的1/4，所以氮化硅轴承材料随温度变化的尺寸变化量小。
因此，氮化硅陶瓷材料制备的轴承，可有效的防止轴承材料因温度变化导致尺寸变化而发生“抱死”等现象。从而保证设备的稳定运行，减少因设备故障发生的损失。
4、优异的自润滑性能
氮化硅陶瓷材料本身具有减摩、抗磨、润滑功能，在不良的润滑工况条件下，如贫油润滑、无油干摩擦情况下，显示出优越的减摩自润滑性能，具有良好的应急状态，可以有效避免设备突发故障造成的损失。
氮化硅自润滑的机理尚存在争议，目前有学者认为产生这种特性的主要原因是氮化硅在摩擦过程中会微量分解，在表面形成很薄的气膜，从而使摩擦阻力减小。并且随着摩擦的不断进行，摩擦面越来越光洁，阻力越来越小，起到了润滑减磨的效果。
图3热压成型的氮化硅球工作了十年后 “变得圆滑了”，同理轴承滚珠也会类似变化
5、化学性质稳定-耐腐蚀
氮化硅对大多数酸，诸如盐酸、硫酸、硝酸和磷酸以及碱具有良好的耐化学稳定性，只有氢氟酸或盐酸与硝酸的混合液能对氮化硅产生腐蚀。
因此，氮化硅制备的轴承材料可长时间于腐蚀性的酸、碱、盐等溶液中，相比于钢制轴承而言，其平均寿命将比不锈钢轴承高4-25倍。可应用于化工机械设备、食品、海洋、污水处理等部门使用的机器，降低腐蚀带来的困扰。
6、无磁性、绝缘性
在强磁环境下，使用钢制轴承，从轴承本身磨损下来的微粉被吸附于滚动体和滚动面上，这将成为轴承提早剥落损坏和噪声增大的主要原因。
铁路车辆牵引电机使用轴承钢材料制备轴承会产生电蚀，而引起牵引电机轴承的寿命降低。采用绝缘的全陶瓷氮化硅轴承材料可以有效改善电蚀对轴承的影响。
三、氮化硅滚珠的制造工艺
既然“球”是轴承中最薄弱的零件，那么氮化硅滚珠（轴承球）的制备工艺也就显得尤为重要。下文将为大家简单解析氮化硅滚珠是怎么做出来的。
图4 氮化硅陶瓷轴承滚动体
氮化硅球的制造一般分为毛坯成形、粗磨加工和研磨加工。其加工工艺流程边框图如下。
图5 氮化硅球的加工过程
1、氮化硅毛坯球成型
与大多数陶瓷制品一样，氮化硅球也用粉末制造。目前常用的氮化硅毛坯球制造工艺有：反应烧结、热压烧结、热等静压烧结等。
在轴承零件生产中，热等静压法目前被认为是制造氮化硅毛坯球最佳工艺，因为该工艺直接适用于密封预成形或烧结生产方法的一部分，能生产出致密度接近100%的材料。
热等静压法工艺流程简述：热等静压法是在250MPa的压力和750℃的温度下，在氩气保护气氛中，将氮化硅材料热压2h，制成试样球。再用玻璃粉末喷射球坯，形成一个多孔的壳体，然后将其置于一个真空的专用炉中加热，从材料中除去被束缚住的空气，并使玻璃熔化，控制冷却后，玻璃层变成了密封层。热压阶段完成后，减小压力，促使玻璃从球中清除出来。
☞氮化硅毛坯球的制造技术对氮化硅陶瓷球的后续加工过程影响很大，毛坯球的尺寸公差及表面质量将决定着陶瓷球最终质量及后期加工成本。
2、磨料选择
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%。在各个工序完成之后，都要对陶瓷球进行清洗，以保证陶瓷球良好的清洁度。因为前工序的陶瓷球表面必然带有大量的磨料颗粒，必须清洗干净，尤其是精研和超精研工序。
氮化硅球的磨加工要根据不同的加工过程选用不同种类和不同硬度的磨料，磨料粒度由粗到细，如果磨料使用的过多或过少，则可降低研磨效率和球表面精度，只有采用与相应加工工序相协调的磨料配比，才能得到理想的效果。
图6 不同研磨工段磨料选择
☞粗磨和精磨工序采用不同粒度的金刚砂，也可采用碳化硅进行磨削；
☞精研工序采用的是氮化硼或三氧化二铬进行研磨；
☞超精研工序采用金刚石软膏或用三氧化二铬、机械油和硬脂酸配制的超精研油膏进行研磨。
3、粗磨工序
粗磨工序可以消除毛坯球表面的各种缺陷，包括烧结氧化层、气孔和表面微小裂纹等，在磨削前，先将磨盘的沟槽用相同尺寸的钢球进行滚压和磨合，使陶瓷球与沟槽滚道得到良好的吻合，以提高表面精度和几何精度。
粗磨加工：氮化硅球在同心砂轮沟槽内进行磨加工时，球在相对于砂轮轴线同心的砂轮槽内运动，通过较高的挤压力与球表面和砂轮有相对运动来磨去球的部分留量。
4、精磨工序
精磨加工工序与粗磨基本相同，可进一步消除前工序机械加工的缺陷，提高球的尺寸精度和表面质量。
精磨加工：用的固定盘和转动盘均是铸铁盘，盘的硬度应大于220HB。
3、精研加工
氮化硅球的精研加工是在转动的铸铁研球盘的V形沟槽里和固定研球盘平面的压持下，形成三圆弧面接触状态，在研磨压力的作用下及转动 研球盘的带动下，使氮化硅球沿沟槽不断地滚动旋转。
☞磨料被氮化硅球挤压而嵌入研球盘沟槽表面上，形成三个圆弧形磨具。
4、超精研加工
氮化硅球超精研加工是在立式研球机上采用单盘多沟封闭法加工。超精研加工，由于球在研盘内的各自沟槽里作圆周研磨，沟槽的滚道与球相当吻合，因而避免了诸如循环精研时的碰撞与摩擦，能够加工出表面质量更好、几何精度和尺寸精度更高、振动值很小的高精度球。
图7 立式研球机
5、成品球检验
陶瓷球加工过程包括成形加工和机械加工2个阶段，在陶瓷球生产的每一道工序都可能产生偶然性表面缺陷。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，影响了陶瓷轴承的广泛应用。
为保证成品球品质，国内外采用射线检测、超声波检测、渗透检测、激光散射等多种方法进行陶瓷球表面缺陷检测研究。由于陶瓷球表面缺陷具有多样性且球表面不可展开，至今还没有完善的无损检测方法。
参考资料：
1、氮化硅陶瓷轴承研发现状及产业化对策，中材高新材料，张伟儒，陈波著。
2、陶瓷轴承球的应用和生产加工，中材高新氮化物陶瓷，徐学敏著。
3、轴承用氮化硅球的制造方法，哈尔滨轴承集团，孙立钧；中航工业哈尔滨轴承，张桂燕著。
4、Si3N4陶瓷球加工工艺的研究，哈尔滨轴承配件，王泉；中航工业哈尔滨轴承，刘秀莲，葛华伟著。
粉体圈 作者：小白
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