1.5 陶瓷轴承

1.5.1 制造陶瓷轴承的材料

1.套圈和滚动体

套圈和滚动体采用陶瓷，如氧化锆（ZrO₂）、氮化硅（Si₃N₄）、碳化硅（SiC）和氧化铝（Al₂O₃）。

2.保持架

保持架采用以下几种材料：

①工程塑料，如聚四氟乙烯（PTFE）、尼龙66和聚酰亚胺；②陶瓷，如氧化锆（ZrO₂）、氮化硅（Si₃N₄）；③不锈钢；④特种航空铝。

1.5.2 陶瓷轴承的分类

陶瓷轴承可分为3类：①滚动体用陶瓷材料制造，而内外圈仍用轴承钢制造；②滚动体和内圈用陶瓷材料制造，而外圈用轴承钢制造；③滚动体和内外圈都用陶瓷材料制造。其中①和②称混合陶瓷轴承，③称为全陶瓷轴承。

1.5.3 陶瓷轴承的特性和应用领域

陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、自润滑、绝缘性好、磁导率低、低密度、高硬度、高弹性模数、高刚度、低摩擦系数和低热膨胀系数的特性。陶瓷轴承用于制造应用于特殊工况和高端装备的高速轴承、高精度轴承、高温轴承、真空环境用轴承及腐蚀环境用轴承。

陶瓷材料可耐800℃高温，在高温下仍保持很高的硬度和强度，并具有良好的尺寸稳定性和润滑性能。陶瓷轴承可应用于航空发动机、炉窑、制塑和制钢等高温工况。

陶瓷材料具有耐腐蚀的特性。陶瓷轴承可应用在强酸、强碱、无机盐、有机盐和海水等苛刻环境，如电镀设备、电子设备、化工机械、船舶制造及医疗器械等。化学工业的各种耐酸泵、真空泵、离心泵和涡轮分子泵都使用全陶瓷轴承。

陶瓷材料绝缘性好，磁导率低。陶瓷轴承可用作电机工业和电力机车的绝缘轴承、防磁轴承。

陶瓷材料具有自润滑性能。在超高真空环境中，陶瓷轴承可以解决普通轴承无法实现的润滑问题。

由于陶瓷材料的低密度、高硬度、高刚性、高弹性模数、低摩擦系数和低热膨胀系数，使陶瓷轴承转动惯量小，耐磨性好，摩擦力矩小，摩擦温升低，在高速运转时，陶瓷滚动体离心力小，陀螺力矩小，自旋滑动小。因而，陶瓷轴承能满足航空发动机、数控机床主轴的高速、精密、长寿命的使用要求。装有陶瓷球的混合陶瓷轴承和全陶瓷轴承已越来越广泛地应用于机床主轴。

一般人对陶瓷的印象是硬度高、易碎，抗拉强度和抗弯强度低。实际上，氮化硅陶瓷的抗拉强度、抗弯强度与轴承钢相当，抗压强度是轴承钢的5～7倍，硬度是轴承钢的2倍，尤其是在高温条件下，仍能保持高的强度和硬度。因此，陶瓷轴承比轴承钢轴承具备更高的使用寿命。

1.5.4 陶瓷轴承的关键技术

当前，我国陶瓷轴承制造企业众多，在陶瓷轴承和陶瓷球的制造方面，陶瓷粉料制备、毛坯烧结和机械加工已形成产业链，其通行的工艺技术就不再赘言。这里着重谈谈为消除陶瓷轴承早期破坏的因素：密度低、密度不均匀、气孔、杂质以及表面形成微裂纹而研究的至关重要的3项关键技术，这些技术也是国内陶瓷轴承业界的短板。

1.高纯度粉料制备技术

国外用于制造陶瓷轴承的陶瓷粉料的杂质（铁、铝等）含量均小于50×10-6，而国内用于制造陶瓷轴承的粉料的杂质（铁、铝等）含量超过500×10-6，这是落后的制备工艺和装备造成的。由于铁和铝的热膨胀系数远大于陶瓷，在温度变化时，铁和铝等杂质的体积变化远大于陶瓷，严重破坏陶瓷内部组织结构和性能。高纯度陶瓷粉料的制备，应成为陶瓷轴承业界关注的重点。

2.热等静压处理技术

为消除陶瓷轴承套圈和滚动体因材料疏松、密度不均匀、气孔等缺陷造成的抗弯强度低、压碎载荷低等问题，应对烧结的陶瓷轴承的套圈、滚动体坯料进行热等静压处理，以实现抗弯强度≥900MPa、韦布尔模数≥12、气孔率≤0.02%。

3.表面无损伤的表面精加工技术

目前国内外陶瓷球的最后加工工序通常采用的是金刚石研磨膏抛光工艺，加工后的陶瓷球表面仍存在损伤层和划痕。为解决陶瓷材料加工表面损伤问题，部分国内外学者采用化学机械抛光原理，利用软质磨料（如CeO₂、SiO₂、Cr₂O₃等）抛光液抛光，但抛光效率较低。日本学者提出了基于软质磨粒与被加工材料固相化学反应原理，融合磨粒的机械作用进行表面材料无损伤去除的化学机械磨削（CMG，Chemo-Mechanical-Grinding）技术，实现了干燥条件下单晶硅片的无损伤表面加工（Ra达0.15nm）。CMG技术已成功地用于单晶硅、石英玻璃等硬脆材料的超光滑无损伤表面的加工，具有更高的加工效率。借鉴这一方法有望提高陶瓷球的抛光效率。

虽然上述加工新方法可以解决陶瓷材料的表面损伤问题，但是在加工过程中，不可避免地会混入硬质大颗粒（加工液、空气、磨料以及加工中产生的材料碎屑等）。当这种硬质大颗粒混入加工区域内，会对加工表面造成划痕形式的损伤，进而严重影响表面质量，造成返工或废品。因此，陶瓷材料滚动体的表面无损伤的精加工仍然是亟待解决的难题。