氮化硅（Si3N4）陶瓷被稱為理想的“軸承材料”，由該材料制備的氮化硅陶瓷軸承球可提高軸承的性能，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種高精度高轉(zhuǎn)速機(jī)床、新能源汽車、地鐵、航天發(fā)動(dòng)機(jī)和石油化工機(jī)械等領(lǐng)域。Si3N4最早于1857年由Devil和 Whohler 首次人工合成。反應(yīng)燒結(jié)Si3N4(Reaction-Bonded Silicon Nitride,簡(jiǎn)稱RBSN)于1955年由柯林斯和格比開發(fā)，因該材料氣孔率高且機(jī)械強(qiáng)度低限制了其在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用。熱壓Si3N4(Hot Pressed Sintered Silicon Nitride,簡(jiǎn)稱 HPSN)于1961年由Deeley等人開發(fā)，該材料在壓力下燒結(jié)而成，其密度和強(qiáng)度等力學(xué)性能均獲得了顯著提高，HPSN是最先被開發(fā)出的高性能Si3N4陶瓷。
圖 氮化硅陶瓷球，來(lái)源：中材高新氮化物陶瓷20世紀(jì)60年代末，因傳統(tǒng)鋼軸承無(wú)法滿足航空燃?xì)鉁u輪軸承的使用要求，軸承工程師們迫切需要尋求新的軸承材料。Si3N4憑借其輕質(zhì)、耐高溫、耐腐蝕等特性成為先進(jìn)軸承最有潛力的材料。在美國(guó)“先進(jìn)燃?xì)廨啓C(jī)計(jì)劃”的推動(dòng)下，軸承工程師們就Si3N4的特性與應(yīng)用展開了大量的研究，包括其疲勞壽命、摩擦磨損機(jī)理、潤(rùn)滑條件、可靠性評(píng)估、制備與加工技術(shù)等。1973年，美國(guó)諾頓公司的Baumgartner等人測(cè)試HPSN的勞壽命以評(píng)估其作為軸承材料的可行性，試驗(yàn)結(jié)果表明，Si3N4具有優(yōu)異的疲勞壽命，其疲勞失效方式為剝落。1978年，Bersch在汽車工程大會(huì)及展覽會(huì)報(bào)告了Si3N4的優(yōu)良特性，并表示將Si3N4用于滾動(dòng)元件可以緩解當(dāng)前的軸承問題。期間，Si3N4固溶物“Sialon”的發(fā)現(xiàn)和稀土元素作為燒結(jié)助劑的應(yīng)用進(jìn)一步促進(jìn)了Si3N4的改性與開發(fā)。科研人員就燒結(jié)助劑對(duì)Si3N4陶瓷的致密化、顯微結(jié)構(gòu)以及性能的影響展開了大量的探索與研究，開發(fā)出熱等靜壓Si3N4(Hot Isostatic Pressing Sintered Silicon Nitride,簡(jiǎn)稱HIPSN)、氣壓燒結(jié)Si3N4(Gas Pressure Sintered Silicon Nitride,簡(jiǎn)稱GPSN)、燒結(jié)Si3N4(Pressureless Sintered Silicon Nitride,簡(jiǎn)稱SSN)等一系列高性能的氮化硅。1984年，光洋精工和東芝正式將Si3N4陶瓷應(yīng)用于軸承領(lǐng)域。自此，Si3N4陶瓷球逐步從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)階段走向工程應(yīng)用階段，在科研工作者和軸承制造商們的努力下，Si3N4陶瓷球批量化生產(chǎn)技術(shù)不斷成熟，從而實(shí)現(xiàn)了Si3N4陶瓷球的商品化。國(guó)內(nèi)山東工陶院于1978年成立氮化硅項(xiàng)目組開始從事氮化硅陶瓷的研究，1996年建成氮化硅陶瓷軸承球中試生產(chǎn)線。2015年中材高新氮化物陶瓷突破了熱等靜壓氮化硅陶瓷球批量化制造技術(shù)，成為繼美國(guó)CoorsTek、日本東芝之后第三家，也是國(guó)內(nèi)首家形成批量化生產(chǎn)熱等靜壓氮化硅陶瓷材料的企業(yè)。2.氮化硅陶瓷球的特點(diǎn)及制備技術(shù)氮化硅陶瓷球是在非氧化氣氛中高溫?zé)Y(jié)的精密陶瓷，具有高強(qiáng)度，高耐磨性，耐高溫，耐腐蝕，耐酸、堿、可在海水中長(zhǎng)期使用，并具有絕電絕磁的良好性能。在800℃時(shí)，強(qiáng)度、硬度幾乎不變，其密度為3.20g/cm3，幾乎是軸承鋼的1/3重量，旋轉(zhuǎn)時(shí)離心力小，可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)轉(zhuǎn)。還具有自潤(rùn)滑性，它可以使用到無(wú)潤(rùn)滑介質(zhì)高污染的環(huán)境中。成為陶瓷軸承、混合陶瓷球軸承的首選球珠。氮化硅陶瓷軸承球與鋼質(zhì)球相比具有突出的優(yōu)點(diǎn)：密度低、耐高溫、自潤(rùn)滑、耐腐蝕。疲勞壽命破壞方式與鋼質(zhì)球相同。陶瓷球作為高速旋轉(zhuǎn)體產(chǎn)生離心應(yīng)力，氮化硅的低密度降低了高速旋轉(zhuǎn)體外圈上的離心應(yīng)力。致密Si3N4陶瓷還表現(xiàn)出高斷裂韌性、高模量特性和自潤(rùn)滑性，可以出色地抵抗多種磨損，承受可能導(dǎo)致其他陶瓷材料產(chǎn)生裂紋、變形或坍塌的惡劣環(huán)境，包括極端溫度、大溫差、超高真空。氮化硅軸承球在使用中轉(zhuǎn)速每分鐘高達(dá)60萬(wàn)轉(zhuǎn)，應(yīng)用于高速機(jī)床電主軸高速軸承、航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、風(fēng)力發(fā)電機(jī)軸承、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)軸承等設(shè)備用軸承中，可勝任高腐蝕性、高溫等各種復(fù)雜惡劣的工況。表 氮化硅陶瓷與軸承鋼的性能對(duì)比
Si3N4陶瓷球的制備過程是先獲得致密高強(qiáng)的陶瓷球燒結(jié)體毛坯，然后再對(duì)毛坯進(jìn)行精密加工，從而達(dá)到要求的尺寸、圓度和粗糙度。制備過程一般包括原料準(zhǔn)備、素坯成型、高溫?zé)Y(jié)和磨加工四個(gè)階段。目前最廣泛的氮化硅陶瓷球燒結(jié)工藝為熱等靜壓燒結(jié)（HIP）和氣壓燒結(jié)（GPS），兩種工藝下生產(chǎn)的陶瓷球針對(duì)不同的使用環(huán)境都有很廣泛的應(yīng)用。其中，HIP燒結(jié)可以將氮化硅陶瓷球完全致密化，缺陷大幅度減少，各項(xiàng)力學(xué)性能得到大幅度提高；GPS燒結(jié)能以較低的成本制備性能較好、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，并在工業(yè)中實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)。表?GPS與 HIP燒結(jié)得到氮化硅陶瓷性能對(duì)比
與進(jìn)口Si3N4陶瓷球相比，國(guó)產(chǎn)Si3N4陶瓷球在疲勞壽命、振動(dòng)值、噪聲值等方面有待于改善，導(dǎo)致這些差距的主要原因是技術(shù)路線不同。國(guó)外Si3N4陶瓷球采用HIP制備，而國(guó)內(nèi)Si3N4陶瓷球采用GPS制備。資料：
1.氮化硅陶瓷球制備技術(shù)的研究進(jìn)展，徐歡.2.氮化硅陶瓷在四大領(lǐng)域的研究及應(yīng)用進(jìn)展，陳波.
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