随着现阶段科技的不断进步与发展，对高速机床、精密检测仪器等许多设备的工作环境及使用要求越来越高，要求这些机械设备必须具备高速、高精度和高可靠性等多种性能。为了满足高精密机械、石油化工、航空航天、军事国防等诸多领域的发展所需，机械零部件必须具有较好的耐热、不易腐蚀和低磁等特性，同时也必须能承受较大的压力，而滚动轴承作为关键的零部件之一，对其性能要求更高。但传统金属轴承已无法适应现阶段极端严苛工作条件下长期稳定运行的工作要求。与传统轴承相比，陶瓷轴承具有使用寿命长、整体精度和刚度高、转速高、热稳定性好、绝缘以及无磁性等优异的综合性能，在高温、高速、高精度、强腐蚀、强磁场和无润滑等工作条件下具有非常广阔的应用前景。

传统金属轴承

陶瓷轴承由陶瓷滚动体和内外圈组成，陶瓷滚动体性能的好坏直接影响整个轴承的使用性能，陶瓷滚动体选用不同的制备材料对所得轴承的性能影响巨大。目前，适用于陶瓷球制备的陶瓷材料有氮化硅（Si₃N₄）、氧化铝（Al₂O₃）、碳化硅（SiC）和氧化锆（ZrO₂）等，而碳化硅和氧化铝的失效形式是以突然破碎的方式出现，不利于陶瓷轴承平稳运行，因此陶瓷球轴承一般采用氮化硅或氧化锆制成。

球轴承示意图

氮化硅（Si₃N₄）材料属于高强度人工晶体，俗称“陶瓷王”，具有密度小、硬度高、耐高温、耐腐蚀、电绝缘、不导磁、抗压强度高、自润滑性能好等诸多特点。氮化硅密度大约为轴承钢的42%，弹性模量高达310GPa，抗拉强度1600MPa，抗压强度高达3600MPa，900℃以下力学性能几乎不变，是轴承的理想材料之一。

氮化硅球轴承

氧化锆（ZrO₂）是锆的主要氧化物。通常条件下，高纯氧化锆为白色粉末，无臭无味，化学性质不活泼，难溶于水、盐酸和稀硝酸，对碱、碱熔体、玻璃熔体和熔融金属具有良好的稳定性。在金属氧化物材料中，氧化锆的高温稳定性、隔热性能最好。氧化锆在常温下为绝缘体，同时氧化锆陶瓷具有耐磨性好、硬度大、脆性大等特点。

氧化锆满装球轴承

下表为氧化锆陶瓷与氮化硅陶瓷的性能对比表：

氧化锆陶瓷与氮化硅陶瓷常见性能对比表

由表我们可以得知氮化硅的密度为氧化锆陶瓷的55.09%，其制得的轴承重量轻，从而可以在医疗器械、家用电器、航天设备发动机以及赛车曲轴等领域使用。同时又由于其密度小，这使得其用作滚动体时，轴承旋转时受转动体作用产生的离心力减轻，从而有利于高速转动，这使得其可以应用在燃气涡轮发动机、机床主轴、离心分离器等领域。

轴承在航空航天中的应用图（图片来源：山东省临清通联轴承集团）

氮化硅的弹性模量和抗压强度也比氧化锆高，这有利于轴承承受应力的提高；氮化硅的热膨胀系数相对于氧化锆的热膨胀系数较小，这有利于减小轴承对温度变化的敏感性，使轴承工作速率范围更宽；氮化硅的耐高温耐腐蚀及优良的化学稳定性，使得氮化硅陶瓷可以应用在更加高温以及像硫酸氢氧化钠等氧化锆无法应用的强酸碱场景。

氮化硅陶瓷轴承的应用场景图

尽管氮化硅陶瓷具有适应性强、性能优越的特点，但氮化硅陶瓷轴承的成本较高。氧化锆材料与其他陶瓷材料（氮化硅等）相比，制备工艺相对简单，坯体成本较低，易于市场化应用，因此氧化锆陶瓷轴承可以应用于对使用性能要求相对较低、成本要求较低的场景。同时氧化锆的韧性比氮化硅高，有利于轴承的稳定使用。

氧化锆陶瓷轴承的应用场景图

参考文献：

（1）氮化硅陶瓷球研磨机理分析与工艺参数优化，王定文。

（2）超精度高性能氮化硅轴承研究现状与应用，吴承伟，张伟，李东炬。

（3）典型氧化锆陶瓷零件的加工实验研究，王宇。

（4）高精度陶瓷球的性能评价方法及其应用研究，陈微。

（5）高性能氮化硅陶瓷的制备与应用新进展，吴庆文，胡丰，谢志鹏。

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