高性能陶瓷轴承球的研制
李典基
1 概述
陶瓷轴承作为“面向21世纪”的最具发展前景的新材料轴承，主要包括全陶瓷轴承和部分零件为陶瓷的混合轴承。

目前，在工业界中应用最多的为混合轴承，其滚动体采用陶瓷，套圈采用高碳铬等材质的钢制造。

西方发达国家60～70年代
就开始了陶瓷轴承的研究，现阶段开始工业化应用的主要是以氮化硅（Si
3N
4
）、碳
化硅（SiC）、氧化铝（Al
2O
3
）、氧化锆（Z
r
O
2
）等陶瓷球代替钢球为主要形式的混
合球轴承，其中以氮化硅球为主。

该产品与同样型号的钢球相比主要有以下优点：（1）氮化硅球的密度是钢球的40％，高速运转时离心力小，轴承抗疲劳破坏能力强，寿命长。

（2）滚动体的弹性模量比钢高，弹性变形小，轴承的动刚度高。

（3）热膨胀系数为钢材的1/3～1/4，随温度变化的尺寸变化量小，适用于温度变化大的场合。

（4）在润滑条件恶劣的环境中适应性强。

（5）具有耐腐蚀、无磁性、绝缘性好等特点。

（6）设计灵活性更大，因为陶瓷材料能使轴承设计者不必考虑许多参数的影响。

目前，世界各国研究陶瓷球处于领先水平的公司主要有瑞典SKF，法国圣戈班戒，日本NSK、KOYO、NTN等公司。

在国内，陶瓷混合轴承的研究较西方发达国家晚近20年。

为使这一尖端基础部件更好地为经济建设服务，促进我国机械制造业的发展，我公司已开始了高性能氮化硅陶瓷轴承球的研究，现将有关研究成果做一下简述。

2 氮化硅陶瓷球的制造
2.1 原材料的制备
原材料的状态对生产过程及产品的性质有明显的影响，精确控制原料的化学和物理性能是非常必要的。

要求原材料具有以下特性：（1）纯度高；（2）高均匀而细的颗粒；（3）有用相含量高。

针对上述要求，我们采用气相法制备氮化硅原
料。

其反应式为：3SiO
2+6C+2N
2
=Si
3
N
4
+6CO。

用该技术生产的氮化硅原料，工艺操作
较易，Si
3N
4
含量高，晶粒均匀、细小，有利于陶瓷球的制造。

2.2 配料
将配制好的微细氮化硅粉末和氧化镁（MgO）、氧化钇（Y
2O
3
)等烧结助剂粉末
混合均匀。

混合在专用配料机中进行。

配料机采用氮化硅内衬或氧化锆内衬。

工作时将加工原料和一定数量的陶瓷球放入配料机，注入无水乙醇，开动机床，混合1～2天。

2.3 干燥造粒
将混好的原料放入离心喷雾机中，加入粘合剂，反絮凝剂等配成料浆。

使料浆流到高速旋转的圆盘上进行雾化。

雾化后的小液滴在热风中迅速干燥，成为流动性
好的小球。

2.4 常压烧结
用自动成型液压机将干燥造粒好的陶瓷原料，压制成所需规格的陶瓷球。

成型压力、加压速度与保压时间根据球规格进行调整。

再对成型后的陶瓷球坯进行软磨
处理，以提高球坯质量。

常压烧结时，将球坯置于Si
3N
4
粉床上，通入N
2
气，开始
时在2000℃和0～2MPa的N
2压力下加热10～15min，然后提高N
2
气压力至7MPa。

通过该技术烧结成的氮化硅球坯致密度高。

并具有很好的抗压强度及硬度。

2.5 粗磨加工
陶瓷球的粗磨加工与钢球的硬磨加工方法相似。

但在加工时，由于材料硬度特别高且脆性大，加工时球表面易产生裂纹。

这些裂纹在运转中可引起零件失效破坏。

为防止裂纹的产生，只能进行微量磨削。

所以球的加工时间长，成本高。

影响陶瓷球加工质量的因素很多，主要包括机床、工装、球坯质量及工艺参数等。

机床的影响因素主要有结构、精度、加压方式和料盘工作质量等。

工装的影响因素主要有砂轮硬度、粒度，刚玉种类，结合剂、组织，砂轮沟截面形状以及导轮进出口部位的几何形状、硬度、粗糙度、动态和静态性能、耐磨程度等。

球坯的影响因素主要有材质组织、可磨削性、匀质性、强度、几何形状、批直径变动量等。

加工参数有压力、砂轮转速、冷却剂、装球量和加工时间等。

2.6 精磨加工
陶瓷球精磨加工与钢球加工原理相似，但加工陶瓷球时所需的研磨盘硬度更高。

影响精磨加工的主要因素有：磨料粒度、种类、磨粒形状、数量、强度、破碎特性及磨损特性等；研磨液的粘度、组成及物理化学特性；装球量、磨料的添加与补充、研磨时的温度、研磨压力、研磨盘的材料、盘的转速、加工球的内部组织和材料等。

2.7 陶瓷球的检测
由于陶瓷球的应用场合比较特殊，对陶瓷球的质量检查从制坯开始，各道工序都应严格控制。

对陶瓷球的检测主要有以下几种方法：
（1）目测检测方法与钢球检测相似，主要是在日光灯下检查陶瓷球空洞、浅坑及其它材料缺陷等；
（2）荧光染色检查在批量生产氮化硅球时，对目测不到的微小裂纹，最经济有效的检测方法，是采用荧光染色检验。

高灵敏度的渗透剂在紫外光照射下，缺陷处绿色和黄色的荧光显示与球表面的黑色背景形成强烈反差，在低倍放大镜下，可以很容易地将有缺陷的球挑出。

（3）超声波探伤当需要严格检查产品或用户有特殊要求时，对产品采用超声波检测。

此时所检测的缺陷主要有气孔、金属夹杂物、添加剂偏析、裂纹等。

通过以上开发，陶瓷球产品达到美国ANSI/AFBMA Std.10-1989 G10级标准要求。

球直径变动量≤0.25μm，球形误差≤0.25μm，批直径变动量≤0.5μm，表面粗糙度≤Ra0.025μm，达到国外同类产品先进水平，具有国内领先水平。

3 陶瓷球的应用
混合陶瓷球轴承已被越来越多地应用于工业生产，现在应用最为广泛的有机床主轴用混合陶瓷球轴承。

我国近几年从国外进口的高速车床及加工中心，就常常有
这样的轴承。

在国际机床行业不景气的情况下，提高机床主轴转速，已成为各国机床行业竞争的方向。

有关资料表明，当采用油气润滑，钢球轴承转速到
20000r/min时，温度急剧上升，轴承遭到破坏，只能用陶瓷轴承代替。

目前氮化硅轴承的转速已达到100000r/min以上。

此外陶瓷轴承已开始在喷气发动机、化工机械、食品机械、水下作业机械、航天器、强磁环境以及有绝缘要求的工业领域中应用。