1.5 陶瓷軸承

1.5.1 制造陶瓷軸承的材料

1.套圈和滾動體

套圈和滾動體采用陶瓷，如氧化鋯（ZrO₂）、氮化硅（Si₃N₄）、碳化硅（SiC）和氧化鋁（Al₂O₃）。

2.保持架

保持架采用以下幾種材料：

①工程塑料，如聚四氟乙烯（PTFE）、尼龍66和聚酰亞胺；②陶瓷，如氧化鋯（ZrO₂）、氮化硅（Si₃N₄）；③不銹鋼；④特種航空鋁。

1.5.2 陶瓷軸承的分類

陶瓷軸承可分為3類：①滾動體用陶瓷材料制造，而內外圈仍用軸承鋼制造；②滾動體和內圈用陶瓷材料制造，而外圈用軸承鋼制造；③滾動體和內外圈都用陶瓷材料制造。其中①和②稱混合陶瓷軸承，③稱為全陶瓷軸承。

1.5.3 陶瓷軸承的特性和應用領域

陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、自潤滑、絕緣性好、磁導率低、低密度、高硬度、高彈性模數、高剛度、低摩擦系數和低熱膨脹系數的特性。陶瓷軸承用于制造應用于特殊工況和高端裝備的高速軸承、高精度軸承、高溫軸承、真空環境用軸承及腐蝕環境用軸承。

陶瓷材料可耐800℃高溫，在高溫下仍保持很高的硬度和強度，并具有良好的尺寸穩定性和潤滑性能。陶瓷軸承可應用于航空發動機、爐窯、制塑和制鋼等高溫工況。

陶瓷材料具有耐腐蝕的特性。陶瓷軸承可應用在強酸、強堿、無機鹽、有機鹽和海水等苛刻環境，如電鍍設備、電子設備、化工機械、船舶制造及醫療器械等。化學工業的各種耐酸泵、真空泵、離心泵和渦輪分子泵都使用全陶瓷軸承。

陶瓷材料絕緣性好，磁導率低。陶瓷軸承可用作電機工業和電力機車的絕緣軸承、防磁軸承。

陶瓷材料具有自潤滑性能。在超高真空環境中，陶瓷軸承可以解決普通軸承無法實現的潤滑問題。

由于陶瓷材料的低密度、高硬度、高剛性、高彈性模數、低摩擦系數和低熱膨脹系數，使陶瓷軸承轉動慣量小，耐磨性好，摩擦力矩小，摩擦溫升低，在高速運轉時，陶瓷滾動體離心力小，陀螺力矩小，自旋滑動小。因而，陶瓷軸承能滿足航空發動機、數控機床主軸的高速、精密、長壽命的使用要求。裝有陶瓷球的混合陶瓷軸承和全陶瓷軸承已越來越廣泛地應用于機床主軸。

一般人對陶瓷的印象是硬度高、易碎，抗拉強度和抗彎強度低。實際上，氮化硅陶瓷的抗拉強度、抗彎強度與軸承鋼相當，抗壓強度是軸承鋼的5～7倍，硬度是軸承鋼的2倍，尤其是在高溫條件下，仍能保持高的強度和硬度。因此，陶瓷軸承比軸承鋼軸承具備更高的使用壽命。

1.5.4 陶瓷軸承的關鍵技術

當前，我國陶瓷軸承制造企業眾多，在陶瓷軸承和陶瓷球的制造方面，陶瓷粉料制備、毛坯燒結和機械加工已形成產業鏈，其通行的工藝技術就不再贅言。這里著重談談為消除陶瓷軸承早期破壞的因素：密度低、密度不均勻、氣孔、雜質以及表面形成微裂紋而研究的至關重要的3項關鍵技術，這些技術也是國內陶瓷軸承業界的短板。

1.高純度粉料制備技術

國外用于制造陶瓷軸承的陶瓷粉料的雜質（鐵、鋁等）含量均小于50×10-6，而國內用于制造陶瓷軸承的粉料的雜質（鐵、鋁等）含量超過500×10-6，這是落后的制備工藝和裝備造成的。由于鐵和鋁的熱膨脹系數遠大于陶瓷，在溫度變化時，鐵和鋁等雜質的體積變化遠大于陶瓷，嚴重破壞陶瓷內部組織結構和性能。高純度陶瓷粉料的制備，應成為陶瓷軸承業界關注的重點。

2.熱等靜壓處理技術

為消除陶瓷軸承套圈和滾動體因材料疏松、密度不均勻、氣孔等缺陷造成的抗彎強度低、壓碎載荷低等問題，應對燒結的陶瓷軸承的套圈、滾動體坯料進行熱等靜壓處理，以實現抗彎強度≥900MPa、韋布爾模數≥12、氣孔率≤0.02%。

3.表面無損傷的表面精加工技術

目前國內外陶瓷球的最后加工工序通常采用的是金剛石研磨膏拋光工藝，加工后的陶瓷球表面仍存在損傷層和劃痕。為解決陶瓷材料加工表面損傷問題，部分國內外學者采用化學機械拋光原理，利用軟質磨料（如CeO₂、SiO₂、Cr₂O₃等）拋光液拋光，但拋光效率較低。日本學者提出了基于軟質磨粒與被加工材料固相化學反應原理，融合磨粒的機械作用進行表面材料無損傷去除的化學機械磨削（CMG，Chemo-Mechanical-Grinding）技術，實現了干燥條件下單晶硅片的無損傷表面加工（Ra達0.15nm）。CMG技術已成功地用于單晶硅、石英玻璃等硬脆材料的超光滑無損傷表面的加工，具有更高的加工效率。借鑒這一方法有望提高陶瓷球的拋光效率。

雖然上述加工新方法可以解決陶瓷材料的表面損傷問題，但是在加工過程中，不可避免地會混入硬質大顆粒（加工液、空氣、磨料以及加工中產生的材料碎屑等）。當這種硬質大顆粒混入加工區域內，會對加工表面造成劃痕形式的損傷，進而嚴重影響表面質量，造成返工或廢品。因此，陶瓷材料滾動體的表面無損傷的精加工仍然是亟待解決的難題。