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，現已廣泛應用于各種高精度高轉速機床、新能源汽車、地鐵、航天發動機和石油化工機械等領域。
Si3N4最早于1857年由Devil和 Whohler 首次人工合成。反應燒結Si3N4(Reaction-Bonded Silicon Nitride,簡稱RBSN)于1955年由柯林斯和格比開發，因該材料氣孔率高且機械強度低限制了其在工程機械領域的應用。熱壓Si3N4(Hot Pressed Sintered Silicon Nitride,簡稱 HPSN)于1961年由Deeley等人開發，該材料在壓力下燒結而成，其密度和強度等力學性能均獲得了顯著提高，HPSN是最先被開發出的高性能Si3N4陶瓷。
20世紀60年代末，因傳統鋼軸承無法滿足航空燃氣渦輪軸承的使用要求，軸承工程師們迫切需要尋求新的軸承材料。Si3N4憑借其輕質、耐高溫、耐腐蝕等特性成為先進軸承最有潛力的材料。在美國“先進燃氣輪機計劃”的推動下，軸承工程師們就Si3N4的特性與應用展開了大量的研究，包括其疲勞壽命、摩擦磨損機理、潤滑條件、可靠性評估、制備與加工技術等。1973年，美國諾頓公司的Baumgartner等人測試HPSN的勞壽命以評估其作為軸承材料的可行性，試驗結果表明，Si3N4具有優異的疲勞壽命，其疲勞失效方式為剝落。1978年，Bersch在汽車工程大會及展覽會報告了Si3N4的優良特性，并表示將Si3N4用于滾動元件可以緩解當前的軸承問題。
期間，Si3N4固溶物“Sialon”的發現和稀土元素作為燒結助劑的應用進一步促進了Si3N4的改性與開發。科研人員就燒結助劑對Si3N4陶瓷的致密化、顯微結構以及性能的影響展開了大量的探索與研究，開發出熱等靜壓Si3N4(Hot Isostatic Pressing Sintered Silicon Nitride,簡稱HIPSN)、氣壓燒結Si3N4(Gas Pressure Sintered Silicon Nitride,簡稱GPSN)、燒結Si3N4(Pressureless Sintered Silicon Nitride,簡稱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陶瓷應用于軸承領域。自此，Si3N4陶瓷球逐步從實驗室研發階段走向工程應用階段，在科研工作者和軸承制造商們的努力下，Si3N4陶瓷球批量化生產技術不斷成熟，從而實現了Si3N4陶瓷球的商品化。
國內山東工陶院于1978年成立氮化硅項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，成為繼美國CoorsTek、日本東芝之后第三家，也是國內首家形成批量化生產熱等靜壓氮化硅陶瓷材料的企業。
氮化硅陶瓷球是在非氧化氣氛中高溫燒結的精密陶瓷，具有高強度，高耐磨性，耐高溫，耐腐蝕，耐酸、堿、可在海水中長期使用，并具有絕電絕磁的良好性能。在800℃時，強度、硬度幾乎不變，其密度為3.20g/cm3，幾乎是軸承鋼的1/3重量，旋轉時離心力小，可以實現高速運轉。還具有自潤滑性，它可以使用到無潤滑介質高污染的環境中。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球相比具有突出的優點：密度低、耐高溫、自潤滑、耐腐蝕。疲勞壽命破壞方式與鋼質球相同。陶瓷球作為高速旋轉體產生離心應力，氮化硅的低密度降低了高速旋轉體外圈上的離心應力。致密Si3N4陶瓷還表現出高斷裂韌性、高模量特性和自潤滑性，可以出色地抵抗多種磨損，承受可能導致其他陶瓷材料產生裂紋、變形或坍塌的惡劣環境，包括極端溫度、大溫差、超高真空。氮化硅軸承球在使用中轉速每分鐘高達60萬轉，應用于高速機床電主軸高速軸承、航空航天發動機、風力發電機軸承、汽車發動機軸承等設備用軸承中，可勝任高腐蝕性、高溫等各種復雜惡劣的工況。
表 氮化硅陶瓷與軸承鋼的性能對比
Si3N4陶瓷球的制備過程是先獲得致密高強的陶瓷球燒結體毛坯，然后再對毛坯進行精密加工，從而達到要求的尺寸、圓度和粗糙度。制備過程一般包括原料準備、素坯成型、高溫燒結和磨加工四個階段。
目前最廣泛的氮化硅陶瓷球燒結工藝為熱等靜壓燒結（HIP）和氣壓燒結（GPS），兩種工藝下生產的陶瓷球針對不同的使用環境都有很廣泛的應用。其中，HIP燒結可以將氮化硅陶瓷球完全致密化，缺陷大幅度減少，各項力學性能得到大幅度提高；GPS燒結能以較低的成本制備性能較好、形狀復雜的產品，并在工業中實現批量生產。
表?GPS與 HIP燒結得到氮化硅陶瓷性能對比
與進口Si3N4陶瓷球相比，國產Si3N4陶瓷球在疲勞壽命、振動值、噪聲值等方面有待于改善，導致這些差距的主要原因是技術路線不同。國外Si3N4陶瓷球采用HIP制備，而國內Si3N4陶瓷球采用GPS制備。
資料：
2.氮化硅陶瓷在四大領域的研究及應用進展，陳波.
為促進行業交流和合作，艾邦新建了一個微信群，旨在聚集陶瓷材料、軸承部件材料及設備相關的企業。歡迎加入本群，共同探討和推動行業發展。
長按識別二維碼關注公眾號，點擊下方菜單欄“微信群”，申請加入陶瓷軸承交流群
第七屆精密陶瓷暨功率半導體產業鏈展覽會
2025年8月26日-28日
深圳國際會展中心7號館
展出2萬平米、1,000個攤位、500多家展商、50,000名專業觀眾；匯聚IGBT/SiC功率半導體產業鏈；熱管理材料產業鏈，精密陶瓷、電子陶瓷、陶瓷基板、薄膜/厚膜陶瓷電路板、陶瓷封裝管殼、LTCC/HTCC/MLCC加工產業鏈等產業鏈上下游企業！
原文始發于微信公眾號（陶瓷科技視野）：一文了解氮化硅陶瓷球的發展史
