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陶瓷球

在工程用陶瓷產品的開發應用過程中，陶瓷球軸承是工程陶瓷在工業領域廣泛應用的典型范例。陶瓷球軸承具有使用壽命長（鋼質軸承的2-5倍）、轉速高、整體精度和剛度好、熱穩定性能好以及無磁性等優異的綜合性能，在高溫、高速、高精度、酸堿腐蝕、電腐蝕、強磁場、無潤滑或介質潤滑等工作條件下具有非常廣闊的應用前景。在高速精密陶瓷球軸承中，應用最多的是混合陶瓷球軸承，即滾珠采用的是陶瓷球，軸承圈仍為鋼圈。這種軸承的標準化程度比較高，對機床結構不會有太大的改動，便于維護保養，特別適合于高速運行場合．其組裝的高速電主軸，具有高速、高剛度、大功率、長壽命等優點。目前世界各國研究陶瓷球軸承處于領先水平的主要公司有瑞典的斯凱孚（SKF）、德國的FAG、法國的圣戈班、日本的NTN、光洋精工株式會社（KOYO）、美培亞株式會社（NMB）、兆湟精工株式會社（MSRHK）等。其中NTN作為世界綜合性精密機械制造廠家之一，是世界第五大軸承生產商。其各種軸承產品，是以0.01 μm為單位的高精度加工和檢測技術生產出來的，現在已經開始使用于軌道衛星、航空、鐵道與汽車、機械設備等領域。

針對陶瓷球軸承的核心部件——陶瓷球體，國外的研發和競爭也比較激烈。精密陶瓷球與傳統的軸承鋼相比，具有密度小、硬度高、彈性模量高（剛度高）、耐磨損、熱膨脹系數低、熱穩定性和化學穩定好、絕緣、無磁等極為優良的綜合性能。其中氮化硅被認為是制造軸承滾動體的最佳材料，并在陶瓷球軸承應用上獲得很大成功。陶瓷球軸承可以在不加任何油脂的情況下運作，避免了普通軸承中因為油脂干掉導致的軸承過早損壞現象的發生。目前陶瓷球已廣泛應用于航空航天、軍事、石油、化工以及高速精密機械等諸多領域。

表1 鋼與氮化硅陶瓷性能對比

一、陶瓷球簡介

（一）常見材料及特性

市場上應用的陶瓷球主要有氮化硅陶瓷球（Si3N4）、氧化鋯陶瓷球（ZrO2）、碳化硅陶瓷球(SiC)、高純氧化鋁陶瓷球（Al2O?）四種。Si3N4因綜合性能優越，成為目前應用最為廣泛的品種。精密陶瓷球可代替鋼球的原因是具有低密度、中等彈性模量、低熱膨脹系數和優良的內在化學特性等特點，而其最重要特點在于失效形式與軸承鋼一樣，是以具有先兆的剝落方式出現，而ZrO?、Al?O?均以碎裂這種破壞性的失效形式出現，因此ZrO?、Al?O?應用相對較少。下表進行對四種材料主要性能進行簡要對比。

表2 四種材料性能對比

1．氮化硅

氮化硅陶瓷材料重量輕、表面細微、高滋潤型、耐磨耗、韌性高、耐高溫1400℃、不易變形。Si3N4全陶瓷軸承相比較ZrO2材料可適用于更高轉速及負荷能力，以及適用于更高的環境溫度。氮化硅陶瓷的熱膨脹系數僅為軸承鋼的1/4，減少軸承對溫度變化的敏感，有助于防止卡死。同時可用于高速高精度高剛性主軸的精密陶瓷軸承，最高制造精度達P4至UP級。

2．氧化鋯

氧化鋯陶瓷工業環境中不氧化、不易被腐蝕、無磁性、耐高溫1000℃、不易變形、熱膨脹系數與金屬相近、但耐強酸強堿腐蝕性弱。每立方厘米的密度高達5.95-6.05g/cm3，在四種常用于制作陶瓷球體的材料(Si3N4,SiC, Al2O3, ZrO2)中，氧化鋯陶瓷的韌性度較高，可達到10MPa·m1/2以上，熱膨脹系數接近于金屬的熱膨脹系數，能滿足與金屬良好的貼合需求。氧化鋯陶瓷具有自潤滑性，可以解決潤滑介質造成的污染和添加不便等問題；耐腐蝕好，在中等酸、中等堿、海水等介質中亦可使用；耐高溫，氧化鋯陶瓷在600℃時，強度、硬度幾乎不變；不導磁、絕緣性，磁場中亦可使用。但是尺寸穩定性隨溫度變化較大，滾動疲勞接觸失效形式為破壞性碎裂，在一些關鍵場合不如氮化硅材料穩定。

3．碳化硅

碳化硅陶瓷在四種具有使用上限溫度最高、高溫下強度高、熱傳導率最高、抗熱沖擊性最好、彈性模量最高、密度最低等特點、耐腐蝕性最好，可以耐濃氫氟酸和加熱的混合強酸，可用于極強的耐腐蝕環境中。

4. 氧化鋁

氧化鋁陶瓷球的主要成分是高質量氧化鋁，其抗彎強度可達250MPa，熱壓產品抗彎強度可達500MPa，并且具有優良的抗磨損性能，被廣泛運用于制造磨輪、陶瓷釘、軸承等。

（二）陶瓷球精度等級

市場上對陶瓷球精度進行了等級劃分，表3與表4分別列出了專業評判標準術語的解釋以及國際通用等級標準。通?？蓱糜谳S承的陶瓷球精度在G100以上，用于高精密軸承的在G3-G20間。

表3 精密度等級重要指標

表4國際通用標準（ISO3290-1:2014）（單位為μm）

三、國際產業現狀

以應用最為普遍的氮化硅陶瓷球為例，目前國內加工的陶瓷氮化硅軸承球精度僅能夠滿足 G5 級水平，而日本椿中島、AKS、瑞典 SKF 等供應商的氮化硅軸承球的精度可以達到 G3 級、G2 級，其配套的精密軸承噪音小、轉速高、壽命長，綜合性能優于國內產品。我國陶瓷球還存在陶瓷軸承球批量生產成形效率低的問題，尤其對于生產規格為2 mm以下的小球時，坯體球形度差、產量低的問題尤為突出。對于高精度氮化硅軸承球，其后期精加工難度相對較大。因此，國內高端氮化硅陶瓷軸承球 90% 依賴進口。

下表列出了國內外陶瓷球相關生產企業。除下表外所列企業外，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續更新專利布局。

表5-國內外陶瓷球相關生產企業