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隨著現階段科技的不斷進步與發展，對高速機床、精密檢測儀器等許多設備的工作環境及使用要求越來越高，要求這些機械設備必須具備高速、高精度和高可靠性等多種性能。為了滿足高精密機械、石油化工、航空航天、軍事國防等諸多領域的發展所需，機械零部件必須具有較好的耐熱、不易腐蝕和低磁等特性，同時也必須能承受較大的壓力，而滾動軸承作為關鍵的零部件之一，對其性能要求更高。但傳統金屬軸承已無法適應現階段極端嚴苛工作條件下長期穩定運行的工作要求。與傳統軸承相比，陶瓷軸承具有使用壽命長、整體精度和剛度高、轉速高、熱穩定性好、絕緣以及無磁性等優異的綜合性能，在高溫、高速、高精度、強腐蝕、強磁場和無潤滑等工作條件下具有非常廣闊的應用前景。

傳統金屬軸承

陶瓷軸承由陶瓷滾動體和內外圈組成，陶瓷滾動體性能的好壞直接影響整個軸承的使用性能，陶瓷滾動體選用不同的制備材料對所得軸承的性能影響巨大。目前，適用于陶瓷球制備的陶瓷材料有氮化硅（Si₃N₄）、氧化鋁（Al₂O₃）、碳化硅（SiC）和氧化鋯（ZrO₂）等，而碳化硅和氧化鋁的失效形式是以突然破碎的方式出現，不利于陶瓷軸承平穩運行，因此陶瓷球軸承一般采用氮化硅或氧化鋯制成。

球軸承示意圖

氮化硅（Si₃N₄）材料屬于高強度人工晶體，俗稱“陶瓷王”，具有密度小、硬度高、耐高溫、耐腐蝕、電絕緣、不導磁、抗壓強度高、自潤滑性能好等諸多特點。氮化硅密度大約為軸承鋼的42%，彈性模量高達310GPa，抗拉強度1600MPa，抗壓強度高達3600MPa，900℃以下力學性能幾乎不變，是軸承的理想材料之一。

氮化硅球軸承

氧化鋯（ZrO₂）是鋯的主要氧化物。通常條件下，高純氧化鋯為白色粉末，無臭無味，化學性質不活潑，難溶于水、鹽酸和稀硝酸，對堿、堿熔體、玻璃熔體和熔融金屬具有良好的穩定性。在金屬氧化物材料中，氧化鋯的高溫穩定性、隔熱性能最好。氧化鋯在常溫下為絕緣體，同時氧化鋯陶瓷具有耐磨性好、硬度大、脆性大等特點。

氧化鋯滿裝球軸承

下表為氧化鋯陶瓷與氮化硅陶瓷的性能對比表：

氧化鋯陶瓷與氮化硅陶瓷常見性能對比表

由表我們可以得知氮化硅的密度為氧化鋯陶瓷的55.09%，其制得的軸承重量輕，從而可以在醫療器械、家用電器、航天設備發動機以及賽車曲軸等領域使用。同時又由于其密度小，這使得其用作滾動體時，軸承旋轉時受轉動體作用產生的離心力減輕，從而有利于高速轉動，這使得其可以應用在燃氣渦輪發動機、機床主軸、離心分離器等領域。

軸承在航空航天中的應用圖（圖片來源：山東省臨清通聯軸承集團）

氮化硅的彈性模量和抗壓強度也比氧化鋯高，這有利于軸承承受應力的提高；氮化硅的熱膨脹系數相對于氧化鋯的熱膨脹系數較小，這有利于減小軸承對溫度變化的敏感性，使軸承工作速率范圍更寬；氮化硅的耐高溫耐腐蝕及優良的化學穩定性，使得氮化硅陶瓷可以應用在更加高溫以及像硫酸氫氧化鈉等氧化鋯無法應用的強酸堿場景。

氮化硅陶瓷軸承的應用場景圖

盡管氮化硅陶瓷具有適應性強、性能優越的特點，但氮化硅陶瓷軸承的成本較高。氧化鋯材料與其他陶瓷材料（氮化硅等）相比，制備工藝相對簡單，坯體成本較低，易于市場化應用，因此氧化鋯陶瓷軸承可以應用于對使用性能要求相對較低、成本要求較低的場景。同時氧化鋯的韌性比氮化硅高，有利于軸承的穩定使用。

氧化鋯陶瓷軸承的應用場景圖

參考文獻：

（1）氮化硅陶瓷球研磨機理分析與工藝參數優化，王定文。

（2）超精度高性能氮化硅軸承研究現狀與應用，吳承偉，張偉，李東炬。

（3）典型氧化鋯陶瓷零件的加工實驗研究，王宇。

（4）高精度陶瓷球的性能評價方法及其應用研究，陳微。

（5）高性能氮化硅陶瓷的制備與應用新進展，吳慶文，胡豐，謝志鵬。