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      • 高端精密轴承优选材料——氮化硅陶瓷
        • 2024-05-17 14:49:53
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      • 轴承是工业之母，高转速、高精度的轴承是精密加工的硬件保障，其中氮化硅以其高硬度、高强度、高韧性、低热膨胀率和自润滑性能，被公认为高端精密轴承（含轴承球、套圈）的最优选材料。

        1.  氮化硅陶瓷综合性能最佳

        氮化硅(SiN,)是一种由硅和氮组成的共价键化合物,1857年被发现,到1955年,其作为陶瓷材料实现了大规模生产。氮化硅陶瓷是一种人工合成的高纯度氮化硅粉体经过高温高压制备的新型先进陶瓷材料，重量为钢的三分之一，硬度仅次于金刚石，与其他材料相比，具有低密度、高强度、耐高温、耐腐蚀、长寿命、自润滑、高硬高韧、无磁绝缘等众多优异性能，是目前综合性能最好的结构陶瓷，被誉为“全能陶瓷”“黑色陶瓷钢”“先进陶瓷材料皇冠上的明珠”。

        图 氮化硅晶体结构
        氮化硅陶瓷这种材料既可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷的工作环境，又具有轴承材料所要求的全部重要特性，因此，氮化硅陶瓷虽然在陶瓷中不是最硬的，韧性也不是最高的，但它具有的机械物理综合特性被认为是最佳的。如今，将这类先进陶瓷材料应用于轴承制造，已成为世界高新技术开发与应用的热点和机械工业材料技术革命的标志。

        图 氮化硅陶瓷球，

        2.  氮化硅陶瓷球优势突出

        轴承球是氮化硅陶瓷主要应用之一，与传统钢制球相比具有诸多优势。在氮化硅陶瓷的各项应用中，轴承球应用最为广泛，其年产量占全球高性能氮化硅制品的十分之三。陶瓷球作为高速旋转体产生离心应力，氮化硅的密度不到钢的一半，氮化硅的低密度降低了高速旋转体外圈上的离心应力，从而实现更快的运行速度。致密氮化硅陶瓷还表现出高耐断裂韧性、高模量特性和自润滑性，可以出色地抵抗多种磨损，承受可能导致其他陶瓷材料产生裂纹、变形或坍塌的恶劣环境。氮化硅球具有绝缘性能，对于防止电解腐蚀非常有效。这使得氮化硅球成为防止电动机轴承过早失效的最佳解决方案。氮化硅的非磁性特性非常适合在磁场应用中使用。
        表 氮化硅陶瓷与轴承钢的性能对比

        氮化硅陶瓷轴承球与钢质球相比具有突出的优点：密度低、耐高温、自润滑、耐腐蚀，氮化硅轴承球在使用中转速每分钟高达60万转，应用于高速机床电主轴高速轴承、航空航天发动机、风力发电机轴承、汽车发动机轴承等设备用轴承中，可胜任高腐蚀性、高温等各种复杂恶劣的工况。
        表 GPS与 HIP烧结得到氮化硅陶瓷性能对比

        目前最广泛的氮化硅陶瓷球烧结工艺为热等静压烧结（HIP）和气压烧结（GPS），两种工艺下生产的陶瓷球针对不同的使用环境都有很广泛的应 用。其中，HIP 烧结可以将氮化硅陶瓷球完全致密化，缺陷大幅度减少，各项力学性能得到大幅度提高；GPS 烧结能以较低的成本制备性能较好、形状复杂的产品，并在工业中实现批量生产。

        3.  氮化硅陶瓷球市场稳步增长

        氮化硅球的应用范围广泛，不断扩大，包括航天航空、电动汽车、风力发电机、半导体制造设备等。
        • 航天航空

        在航空航天行业，氮化硅陶瓷球用于轴承制造，由于氮化硅陶瓷球自润滑性和密度小，不仅能有效防止轴承卡死，还能有效降低飞机发动机重量，减低油耗。

        • 新能源汽车
        当电流通过电动汽车电机上的旋转轴承内部时，会产生电弧并损坏接触表面。为了解决这个问题，由于氮化硅球具有优异的绝缘性能，因此被采用。
        • 风能发电
        随着风力发电机组规模和发电量的增加，塔架高度、叶片长度和发电机尺寸都增加了尺寸和负载要求。氮化硅球轴承所具有的耐用性和承载能力，氮化硅球的使用寿命进一步有助于降低维护成本。
        • 半导体制造设备

        由于高速和低润滑条件，氮化硅球轴承被用于半导体制造设备。与使用钢球相比，在轴承中使用氮化硅球可将轴承寿命延长 50% 或更多。通过减少更换频率和维护成本，可以降低制造过程的总生命周期成本。

        随着高端装备制造业、新型清洁能源的发展，氮化硅陶瓷轴承球需求强劲。目前，高端氮化硅陶瓷产品的生产仍以日本、欧美企业为主导。国际市场占有率、发展方向的引领力仍然被国外知名企业所控制。以日本京瓷、东芝、赛瑞丹、CoorsTek 和英国 Sailon 公司最具代表性。国内企业有中材高新氮化物陶瓷、国瓷金盛等。