20世紀(jì)60年代末，因傳統(tǒng)鋼軸承無法滿足航空燃?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。氮化硅（Si3N4）憑借其優(yōu)異的綜合性能成為先進(jìn)軸承最有潛力的材料。
氮化硅陶瓷是機(jī)械物理綜合性能較優(yōu)的陶瓷材料，具有低密度、高彈模、高硬度、高強(qiáng)度、低熱膨脹系數(shù)、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕以及絕緣性等特性，被稱為理想的軸承材料。使用氮化硅陶瓷材料制備的陶瓷球組裝的軸承的優(yōu)點(diǎn)頗多，可提高軸承的性能，如極限轉(zhuǎn)速高、使用壽命長、精度保持好、干運(yùn)轉(zhuǎn)性好，且可以在高溫、腐蝕、輻射、磁性等特殊環(huán)境中工作，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于各種高精度高轉(zhuǎn)速機(jī)床、地鐵、航天發(fā)動機(jī)和石油化工機(jī)械等領(lǐng)域。為促進(jìn)行業(yè)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(shè)備相關(guān)的企業(yè)。歡迎加入本群，共同探討和推動行業(yè)發(fā)展。
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氮化硅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)和磨加工四個階段。
圖 氮化硅陶瓷球的制備工藝流程，來源：養(yǎng)貞軸承
原粉作為成型和燒結(jié)的基礎(chǔ)，其性能直接關(guān)系到后續(xù)成型、燒結(jié)的開展，也影響最終材料的性能。當(dāng)前，商用級氮化硅原粉主要有硅亞胺熱解法、硅粉氮化法和自蔓延燃燒合成法等。
粉末成型的技術(shù)分為干法成型和濕法成型，干法成型具有成型效率高、成型周期短和膠含量低等優(yōu)點(diǎn)，是氮化硅陶瓷球產(chǎn)業(yè)化的首選成型方式。干法成型包括干壓成型和等靜壓成型，這兩種成型方式都已在氮化硅陶瓷球的素坯成型領(lǐng)域被普遍應(yīng)用。
干壓成型又稱為模壓成型，該方法成型的素坯的尺寸精度和形狀精度均較高，但坯體密度偏低，直接進(jìn)行燒結(jié)往往無法燒結(jié)致密，因此，干壓成型的素坯常需經(jīng)過等靜壓二次補(bǔ)壓以提高素坯密度。
等靜壓成型分為濕袋法和干袋法。濕袋法的優(yōu)點(diǎn)是靈活性較大，且成型素坯的坯體密度高且均勻；缺點(diǎn)是自動化程度低，需要在壓制前準(zhǔn)備包套。相較于濕袋法，干袋法制得的成型素坯也具有坯體密度高且均勻的特點(diǎn)，并且可以實(shí)現(xiàn)自動化連續(xù)作業(yè)。
氮化硅陶瓷球最初采用干壓法結(jié)合濕袋法二次壓制的方式進(jìn)行成型。但隨著干袋法等靜壓技術(shù)的不斷完善，越來越多的陶瓷球制備商會選擇干袋法等靜壓作為陶瓷球素坯的成型技術(shù)。
基于上述成型工藝制備的素坯球體都不是理想的球體，且都會留有各自成型方式的成型特征。這些特征會增加后續(xù)磨加工的困難和時長，甚至?xí)绊懩ゼ庸ず筇沾汕虻谋碛^質(zhì)量。因此，在氮化硅陶瓷球素坯燒結(jié)前須進(jìn)行修坯處理。
氮化硅陶瓷的燒結(jié)方式頗多且均已研究得相當(dāng)成熟，其中適用于氮化硅陶瓷球批量生產(chǎn)的燒結(jié)方式有氣壓燒結(jié)（GPS）和熱等靜壓燒結(jié)（HIP）。
GPS是指在一定氣體氣氛下（氬氣/氮?dú)猓┻M(jìn)行燒結(jié)的燒結(jié)方法。采用GPS制備氮化硅軸承球是最普遍的燒結(jié)方法，其優(yōu)點(diǎn)是可使用較低成本制備出性能好、形狀復(fù)雜的產(chǎn)品，且成品率高，易實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。
HIP也是一種氣體輔助燒結(jié)的技術(shù)，不同于GPS的是燒結(jié)過程中所施加的氣體壓力較大，一般為100MPa~300MPa。該方法通入氣體的主要作用是促進(jìn)晶粒遷移和重排，從而促進(jìn)其致密化。因此，HIP所用的最高燒結(jié)溫度低于GPS所用的最高燒結(jié)溫度。HIP 燒結(jié)后氮化硅陶瓷球完全致密化，缺陷大幅度減少，各項力學(xué)性能得到大幅度提高。
與進(jìn)口氮化硅陶瓷球相比，國產(chǎn)氮化硅陶瓷球在疲勞壽命、振動值、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。國外氮化硅陶瓷球采用HIP技術(shù)制備，而國內(nèi)氮化硅陶瓷球一般采用GPS技術(shù)制備。掌握HIP技術(shù)的企業(yè)極少，主要該技術(shù)對設(shè)備要求高，研究難度大。
氮化硅陶瓷球是對尺寸精度、形狀精度以及表觀質(zhì)量等指標(biāo)均有要求的精密元件，因此，氮化硅陶瓷球燒結(jié)體毛坯需經(jīng)磨加工才能達(dá)到使用要求。
目前，陶瓷球的加工承襲了鋼球的加工方法，俗稱同軸兩盤研磨法。針對氮化硅陶瓷的固有脆性以及硬度大等特性，須使用金剛石或碳化硼作為研料，且須進(jìn)行分段加工。因此，相較于鋼球的磨加工，氮化硅陶瓷球的磨加工成本更高、周期更長。
資料來源：
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，等.
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原文始發(fā)于微信公眾號（陶瓷科技視野）：氮化硅陶瓷球的制備技術(shù)介紹
