中国粉体网讯 轴承作为航空发动机、精密机床、高速列车等重大设备的关键基础部件，其性能的优劣直接影响和决定高端装备的精度、寿命、极限转速、承载能力、耐温能力、稳定性、可靠性和动态性能等关键指标。随着高端装备服役工况向极端复杂化发展，基于极端工况下轴承的设计、制造和服役等关键技术已经成为进一步拓展高性能轴承应用领域的“卡脖子”难题。
如在航空发动机设计中，轴承技术代表着发动机极限速、耐温能力和可靠性水平，而轴承材料和技术占了90%~95%以上。由此可见，极端工况下服役的高性能轴承的重要性，因此，在材料性能、轴承设计、制造及服役等核心技术领域同时开展研究已成为解决当前高性能轴承“卡脖子”关键技术的突破口。
高性能陶瓷球轴承关键技术
随着高端设备技术的发展，轴承使用环境越来越多样化，当前主流轴承钢种已不能满足发展现状。陶瓷球轴承具有高硬度、高强度、高温耐性、低热膨胀系数、低摩擦系数等优良性能，在高端设备领域中得以应用。近年来，随着材料研究深入、市场需求升级，陶瓷球轴承应用场景不断扩展，目前已涉及到航天航空、卫星、机床、汽车、半导体装置、真空机械等多个领域。
氮化硅陶瓷轴承
高性能陶瓷球轴承作为解决轴承在极端工况下服役的核心关键部件，其材料制备、设计理论精密制造工艺等关键技术的发展水平对陶瓷轴承在极端工况下的服役行为起决定性作用。
01.陶瓷球轴承结构特性
轴承服役工况及装备需求决定了轴承结构特点及类型。随着陶瓷球轴承所覆盖的应用领域越来越广泛，针对不同技术领域的极端工况已开发出不同类型的陶瓷球轴承。
陶瓷轴承分类
陶瓷球轴承是指轴承圈和陶瓷球的组合，可分为混合陶瓷球轴承、全陶瓷球轴承两大类，其中全陶瓷球轴承是指轴承内外圈和滚动体均由陶瓷材料制成，混合陶瓷球轴承是指仅滚动体零件由陶瓷材料制成。混合陶瓷球轴承标准化程度高，具有寿命长、精度高、刚度高、转速高等特点，可用于绝缘、无润滑、高速、腐蚀、真空等特殊条件下使用。
02.陶瓷球轴承材料特性
轴承级陶瓷材料主要包括氮化硅（Si3N4）、氧化锆（ZrO2）、氧化铝（Al2O3）等，其中Si3N4是目前陶瓷球轴承使用的标准材料。氮化硅陶瓷材料与高温轴承钢及其它陶瓷材料相比更具有优异的特性，主要用于数控机床、高速精密机械中。作为一种特殊的陶瓷材料，Si3N4陶瓷制备工艺复杂，制备过程包括粉体制备、成型、烧结、精密加工等。
Si3N4陶瓷球制备与生产流程图
粉体方面，氮化硅粉体的合成方法主要有硅粉氮化法和化学合成法，国内均采用硅粉氮化法，与化学合成法制备的粉体相比，后者制备的粉体纯度高、球形度好、烧结活性高、受硅原料稳定性影响低，是制备高精度氮化硅陶瓷粉体的首选方法。
成型方面，随着陶瓷粉体制备技术的提高，对坯体成型方法要求也越来越严苛，主要包括干压成型法、塑性成型法、浆料成型法和固体无模成型法等几大类。长期以来，长疲劳寿命陶瓷球毛坯主要是COORSTEK和Toshiba主导。
烧结方面，影响Si3N4坯体致密化烧结因素主要是烧结助剂的选择和用量、烧结温度、保温时间及烧结方法等。不同的烧结方式对粉体扩散机制和相变过程的影响效果不同。目前，热等静压法被认为是制造氮化硅毛坯球最佳工艺，因为该工艺直接适用于密封预成形或是烧结生产方法的一部分，能生产出100%的致密材料。
精密加工，Si3N4材料是硬度太高，这给Si3N4陶瓷球超精密研磨加工、研磨剂研制、研磨设备研发等带来一系列技术挑战，尤其是超精密Si3N4陶瓷球加工属于世界轴承制造业公认的技术难题。此外，世界各国的轴承精度标准是依据ISO标准制定的，我国习惯上用P来表示精度级。共有P0、P6、P5、P4、P2五个级别。P0、P6属于低档产品，P5、P4属于精密级，P2属于超精密级（顶端产品）。
03.陶瓷球轴承基本设计理论
陶瓷球轴承常用于超高速、润滑不充分等场合，对轴承的基本要求是：具有较长的精度使用寿命、摩擦发热小，刚度高，针对这些要求，在陶瓷球轴承进行优化设计时，应考虑以下几点：
1）陶瓷球轴承旋滚比尽可能小；
2）陶瓷球轴承刚度尽可能大；
3）陶瓷球与套圈滚道间的接触应力尽可能小；
4）陶瓷球轴承额定载荷尽可能大。
04.陶瓷球轴承零件精密加工技术
1、高精密陶瓷球制造关键技术
要制成超精密高端陶瓷球轴承，首要任务就是制造出超精密陶瓷球。其中，陶瓷球的研磨加工是制造精密陶瓷球的必不可少的环节之一。
陶瓷球精密加工关键技术
保证Si3N4陶瓷球超精密大规模生产的基本要点有：
Si3N4陶瓷球表面实现等概率磨削加工，即保证球面上每个质点都有相同的研磨概率；
磨削效率具有自动尺寸选择性，即大球或者长轴方向自动实现优先磨削；
研磨技术容易实现大规模工业化低成生产；
目前公开报道的各种研磨技术均无法同时达到上述三点要求，据报道国内陶瓷球最高研磨精度达到G5级，大部分Si3N4陶瓷球轴承精度都在P5级以下精度。
2、陶瓷球轴承套圈控形控性制造技术
轴承套圈是轴承工作中起旋转和支承滚动体运转的零件，其加工工艺水平及精度直接影响轴承服役行为。相对于钢制轴承套圈，陶瓷球轴承套圈的加工工艺因陶瓷材料本身硬脆特性而变得复杂。陶瓷球轴承套圈加工工艺以精密磨削、精密研磨为主，加工难度大、效率低，因此在陶瓷轴承技术发展与应用的过程中以钢制轴承套圈与陶瓷球配合使用的混合陶瓷轴承率先得到应用。
陶瓷轴承套圈的关键技术主要是围绕轴承套圈加工过程中如何实现陶瓷套圈高质量的控形控性制造为主要目标。陶瓷轴承套圈沟道磨削产生沟形误差的主要原因是砂轮外缘轮廓精度、磨削工艺、夹具和光磨时间。目前较为理想的陶瓷轴承套圈装夹方式包括压辊式和气动式；磨削工艺目前主要是切入式超精加工。
陶瓷轴承套圈沟道超精加工原理示意图
来源：张珂等，《氮化硅全陶瓷球轴承沟道超精加工仿真与试验研究》
高性能陶瓷球轴承发展趋势
现阶段，Si3N4陶瓷球轴承已经成为航空器APU、飞机附件机匣、火箭发动机等领域部分装备的标配轴承，随着高端制造装备领域发展过程中服役环境与工况的极端复杂化，Si3N4陶瓷球轴承发挥出更显著的综合性优势。其发展趋势与目标也更加明确：
高性能Si3N4材料。选用高纯、粒度分布集中的粉体，采用脱氧和脱碳等工艺处理，并用热等静压烧结工艺，通过显微结构工程控制材料晶粒生长趋势，改善陶瓷表面裂纹扩展机理。
Si3N4陶瓷球轴承设计理论。设计陶瓷球轴承时，除了需要设计基本的结构参数外，还需要面向工况开展表面摩擦学性能的匹配性设计、材料匹配性设计、结构动态性能设计、热特性设计、润滑性能相容性设计和工作性能设计等，但设计理念和结果还需要进一步验证。
Si3N4陶瓷球轴承零件超精密加工技术。针对陶瓷球轴承在极端工况下应用情况，优化对滚动体、套圈、保持架等零部件的精密加工设备及工艺，通过对零部件表面进行相貌精密加工，提高零部件间接触与润滑性能。
Si3N4陶瓷球轴承绿色润滑技术。在极端工况下开发的Si3N4陶瓷球轴承的自润滑性能，有效改善其润滑性能，同时本身及其摩擦损耗产物不对生态环境造成危害，将成为Si3N4陶瓷球轴承润滑技术的重要发展方向。
Si3N4陶瓷球轴承极端工况下服役状态与远期性能预测。搭建智能健康监测系统是未来航空装备技术监测的总体发展趋势，轴承健康状态监测是其中最重要的一项，其中包括轴承的运行健康状态监控技术、轴承无损检测技术和轴承可靠性评估技术。
参考来源：
李颂华等：面向极端工况的Si3N4全陶瓷轴承关键技术与研究进展.轴承杂志社
张珂：氮化硅陶瓷球研磨机理分析与工艺参数优化
张珂等：氮化硅全陶瓷球轴承沟道超精加工仿真与试验研究
韩光田：全陶瓷球轴承套圈沟道精密磨削与砂轮修整研究
吴承伟等：超精密高性能氮化硅轴承研究现状与应用
中国轴承协会、中国粉体网
（中国粉体网编辑整理/空青）
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