【论文摘要】阐述了高速高精度主轴轴承用氮化硅陶瓷滚动体材料性能特点和钢制滚动体性能对比，及目前国内外陶瓷球轴承市场分析及展望。
一. 前言
滚动轴承由套圈，滚动体和保持器组成。由于套圈和滚动体接触点受到外加负荷和旋转的作用，因而反复产生接触压力和变形。由于钢制轴承自身材料性能特点，轴承失效的主要形式是疲劳剥落，疲劳寿命短，应用范围受到很大限制。而陶瓷材料（Si3N4）具有低密度，中等弹性模量，热膨胀系数小，硬度高，耐高温，耐腐蚀，无磁等优点，以氮化硅陶瓷球为滚动体的陶瓷球轴承可显著提高轴承接触疲劳寿命，极大拓展了滚动轴承的应用领域，已广泛应用于各种高精度、高转速机床，汽车、赛车、地铁、电机、航空发动机、石油化工机械、冶金机械等领域。目前，氮化硅陶瓷球和陶瓷球轴承已开始步入批量化生产阶段，特别在{TodayHot}机床用高速精密主轴轴承和耐高温耐腐蚀轴承等领域应用前景广阔。
二. 氮化硅陶瓷材料性能
1. 低密度
由于陶瓷滚动体材料密度低，离心载荷小，从而可在更高转速下工作，而且产生热量较少。
2. 中等弹性模量
陶瓷滚动体的弹性模量比钢制滚动体高，则轴承的动态刚度提高，但是弹性模量太大会因应力集中而降低轴承的承载能力。
3. 热膨胀系数小
热膨胀系数小有助于减小对温度变化的敏感性，从而防止卡死。对混合滚子轴承，可适用的运转速度范围更宽。
4. 抗压强度高
抗压强度高是滚动轴承承受高接触应力的需要（对于陶瓷材料，其强度通常是通过三点或四点弯曲试验测得的断裂模量决定）。
5. 高硬度和高韧性
这两个特性相结合可获得较好的表面粗糙度，而且能防止外{HotTag} 界硬质粒子和冲击的损伤。
6. 良好的抗滚动接触疲劳特性
此性能对轴承滚动体的要求至关重要。
7. 剥落失效形式
如果滚动体在工作中失效，则应是疲劳剥落，该实效形式在卡死前有预兆，是一种造成危害最小的实效形式。
在一些应用条件较高的应用领域陶瓷材料还具备一些特殊性能。
8. 耐高温和稳定性
在高达800℃高温环境中能稳定保持其机械性能。
9. 耐腐蚀
在氧化和腐蚀环境，尤其是在反复滚动而挤掉表面油膜的接触区应具有抗氧化和腐蚀稳定性。
虽然氮化硅材料在工业陶瓷中不是最硬的，韧性也不是最高的，但是在要求高性能的轴承应用中，氮化硅被认为具有最佳的机械物理综合特性。综合的滚动接触剥落试验和轴承试验均证明致密和均质的氮化硅材料具有良好的抗滚动接触疲劳特性。工业用氮化硅陶瓷材料和轴承钢的性能对比见表1 。
氮化硅 轴承钢
密度（Kg/m3） 3250 7800
杨氏模量（GPa） 310 210
抗压强度（MPa） >3500
断裂模量（MPa） 700－1000
维氏硬度（GPa） 14－18 8
韧性（MPa· m1/2） 5－8 16－20
热膨胀系数（×10-2/°K） 3 12
热传导率（W/mK） 20 30
比热（J/KgK） 800 450
使用上限温度（°K） 1050 400－600
抗热冲击 高 很高
滚动接触疲劳失效形式 剥落 剥落
表1. 工业陶瓷和轴承钢的性能对比
三. 国内外陶瓷球轴承市场分析及展望
1. 国内市场
1.1 机床用陶瓷球轴承
机床用陶瓷球轴承主要应用在各种机床主轴和滚珠丝杠上。
机床用轴承指通用机床主轴、进给系统、传动系统轴承，各种高速大功率电主轴轴承、磨床磨头轴承以及各种数控机床、加工中心和加工自动线等所需轴承。此类轴承精度要求高，其精度为P2、P4、P5级。该类轴承技术含量高，附加值高，性能稳定，使用寿命长，加工难度大。常规钢制轴承不能完全满足机床高转速和高精度的使用要求，而陶瓷球轴承则能很好的弥补这一缺陷。
1.1.1数控机床用陶瓷球轴承
数控机床包括数控车床、加工中心、数控磨床、电加工机床、数控锻压机床等，该类机床用角接触陶瓷球轴承一般用于dm·n≥80×104高精度、高速度主轴上。“十五”末期全国数控机床产量将达到3～3.5万台，其中数控车床10000台、加工中心3000台、数控磨床1500台、电加工机床10000台、数控锻压机床600台、数控重型机床100台，以每台数控机床主轴平均安装4套精密轴承及陶瓷球轴承计算，则精密轴承及陶瓷球轴承年需求量14万套。其中，陶瓷球轴承年需求量为4万套。
1.1.2 磨床电主轴用陶瓷球轴承
磨床电主轴主要用于高速内表面磨床，其精度和转速要求较高。“十五”末期，全国高频电主轴用精密轴承及陶瓷球轴承年需求量将达35万套，其中，陶瓷球轴承需求按50％计，则陶瓷球轴承年需求量为17.5万套。
1.1.3其他金属加工机床主轴用陶瓷球轴承
预计，2005年金属加工机床年产量为20～22万台，轴承总需求量为1650～1775万套，扣除数控机床及内表面磨床，其他金属加工机床约为18万台，以每台金属加工机床平均安装1套精密轴承及陶瓷球轴承计算，则精密轴承及陶瓷球轴承年需求量为18万套，其中，陶瓷球轴承年需求量为5万套。
1.1.4机床滚珠丝杠用陶瓷球轴承
滚珠丝杠用来传递线性运动，具有高精度、高轴向刚性、低力矩和长寿命的显著特点，广泛应用于精密机械设备中，是数控机床精密测量工具不可缺少的附件。
滚珠丝杠用陶瓷球轴承的精度和安装刚性是保证滚珠丝杠高精度高轴向刚性的重要因素。国内外滚珠丝杠采用的轴承结构通常为高精度角接触球轴承，该类轴承要求非常严格，要求达到ISO国际标准P4级以上，为提高轴承的轴向承载能力，通常采用60°的大接触角轴承。为达到极大的轴向刚性，最常见的是采用成组安装方式。
随着数控机床生产规模的扩大和数控机床社会保有量的增多，滚珠丝杠的社会需求量也随之增多。根据机床工具行业发展预测，我国滚珠丝杠1995年需求量为12万副，2000年为16万副，预计到2005年为20万副，每副滚珠丝杠配套精密轴承平均按4套计算，2005年国内滚珠丝杠用精密轴承需求量为80万套，按20％的比例采用陶瓷球轴承，则陶瓷球轴承年需求量为16万套。
因此，数控机床主轴、磨床电主轴、其它金属加工机床主轴和滚珠丝杠共需精密轴承及陶瓷球轴承147万套，其中，陶瓷球轴承42.5万套。
机床行业是装备工业的基础，是衡量国家综合经济实力的标志。根据机床行业“十五”规划目标，金属加工机床年产量将由2000年的16万台增加到2005年的20－22万台，其中数控机床将由2000年的2万台增加到3－3.5万台（根据近两年生产销售实际情况，数控机床的生产和销售将突破行业规划），占总产量的15％，国产机床的市场占有率达到60～65％；工业总产值由2000年的200亿元增加到2005年的230～250亿元。经分析计算预测，2005年金属加工机床共需配套轴承750～825万套，其中数控机床配套轴承150万套左右；2005年金属加工机床维修用轴承需求量900～950万套，其中数控机床维修用轴承180万套左右。因此，2005年金属加工机床用精密轴承和陶瓷球轴承总需求量1650～1775万套，其中数控机床需求量330万套左右。因此，国内机床行业用陶瓷球轴承市场前景广阔。
1.2.化工机械用陶瓷球轴承
化工机械用陶瓷球轴承主要为各种工业泵配套轴承，包括油田调油泵、电潜泵、注水泵、增压泵、离心油泵、离心水泵、耐腐蚀泵、往复泵、旋涡泵、螺杆泵、原油炼制泵、深加工泵、化工流程泵、耐磨泵和液压泵等，需求量大，预计到2005年各种泵的产量将达到18万台，每台泵平均按2套精密轴承和陶瓷球轴承计算，到2005年轴承需求量为36万套，其中，陶瓷球轴承9万套。
综上所述，2005年国内机床和化工行业共需精密轴承和陶瓷轴承181万套，其中，陶瓷球轴承51.5万套。
目前，国内洛阳轴研科技股份有限公司陶瓷球及陶瓷球轴承技术居国内领先水平，陶瓷球精度达G3～G5级，陶瓷球轴承实现批量化生产。
2. 国外市场
国际市场上陶瓷球轴承应用领域逐渐扩展，需求量逐渐增大，有巨大的发展潜力。目前，美国、日本陶瓷球轴承技术居世界领先水平。
由于氮化硅陶瓷材料自身优点，氮化硅陶瓷球轴承可在高温、高速、高压、深冷、真空、强腐蚀、抗磁、无润滑、易磨损等特殊环境下工作，而钢制轴承无法满足要求。氮化硅陶瓷球现已广泛应用于航空发动机、各种高精度、高转速机床，汽车、赛车、地铁、电机、石油化工机械、冶金机械等领域。1984年，日本光洋精工（KOYO）在世界上首次成功将陶瓷球、陶瓷球轴承作为商品批量出售。如6205陶瓷球轴承在香港市场售价110美元；美国NORTON公司成功将陶瓷球轴承应用在航天飞机的液压泵上，因该轴承重量轻，转速可提高0.5～1倍，且少用或不用润滑油；日本的陶瓷球轴承在耐腐蚀行业、航天发动机、机床、地铁等领域得到普遍应用。瑞典SKF公司向美国宇航局供应的淡化规陶瓷轴承使用温度高达800℃，使用寿命比钢制轴承提高4～6倍；SKF公司在我国的上海北京设立办事处，经营该公司的氮化硅陶瓷轴承，陶瓷轴承价格约120美元/套；日本的NSK公司目前已有28种规格3个级别的角接触陶瓷球轴承，即一般陶瓷球轴承、高速陶瓷球轴承、高速高载荷陶瓷球轴承，如：ROBUST低发热高速轴承、抗腐蚀轴承、YS型真空用轴承、洁净环境用轴承、SJ型高温轴承、绝缘轴承和火车用交流牵引电机及陶瓷滚动体、机床主轴轴承等，并在润滑技术上不断创新，在产品技术、产品质量保证和产品销售方面，已形成一套完整的体系。据不完全统计，1996年以前世界陶瓷轴承销售额已超过4亿美元。
我国陶瓷轴承研究起步比工业发达国家晚了近30年，但我国陶瓷球轴承的研究、应用、试验步伐进步较快。大力发展民族机床工业，提高机床产品精度，满足其它特殊应用领域，陶瓷轴承将起到决定性的关键作用，而采用新型的纳米复合陶瓷材料是提高陶瓷轴承产品精度和性能的趋势。
