高性能陶瓷轴承球的研制
高性能陶瓷材料的研究与应用
高性能陶瓷材料的研究与应用高性能陶瓷材料是一种具有优异性能的新型材料，在现代工业与科技领域广泛应用。
相较于传统金属材料，高性能陶瓷材料具有更高的硬度、耐磨性、耐腐蚀性、高温稳定性等特点，在诸如轨道交通、能源、电子工业等领域有着广泛的应用前景。
一、高性能陶瓷材料的研究现状目前，高性能陶瓷材料的研究已相当成熟，其中较为著名的是氧化铝陶瓷、氮化硅陶瓷、碳化硅陶瓷等。
这些陶瓷材料在化学稳定性、硬度、热稳定性等方面具有优异性能，因此被广泛地应用于一些特殊领域中。
氧化铝陶瓷具有高强度、高硬度、良好的磨损性能和低温度热膨胀性能，因此在制造精密陶瓷、刀具、球轴承等方面有着广泛的应用。
氮化硅陶瓷在高温、高压、高速、高功率等极端环境下表现出优异性能，广泛应用于耐磨、切割、研磨等领域。
碳化硅陶瓷的硬度和强度较高，对于耐高温、耐化学腐蚀、耐磨损等性能需求较高的领域有广泛应用。
二、高性能陶瓷材料的应用领域1. 轨道交通高铁列车的轮轴承重量是极其重要的，轴承采用的材料必须具有高强度、高硬度、抗磨损、耐高温等特点。
因此，高性能陶瓷材料在轨道交通领域的应用越来越广泛。
氮化硅陶瓷轴承广泛用于高速列车轮轴承，它具有高硬度、高耐腐蚀、高高温稳定等特点，能够在高速列车载重严重、高速运行情况下发挥优异性能。
2. 能源高性能陶瓷材料被广泛应用于风电机组、燃气轮机、火电机组等能源设施中。
其中，氮化硅陶瓷的高温稳定性能和电绝缘性能非常适合用于制造燃气轮机叶片，可有效提高燃气轮机的工作效率和使用寿命；碳化硅陶瓷的高强度、高硬度、高温稳定性能能够延长燃气轮机的使用寿命；氧化铝陶瓷则广泛应用于使用寿命相对短的火电机组内部部件中，如喷油嘴、喷气嘴等。
3. 电子工业高性能陶瓷材料在电子工业领域也有着广泛的应用。
硅基、氮化硅、氧化铝、碳化硅等陶瓷材料在集成电路、微电子器件等方面有着广泛的应用和重要作用。
此外，这些陶瓷材料也广泛用于声音、光电、电磁等部件的制造。
陶瓷球轴承
参考文献
[1]李建华,李军林,郭向东,张锡昌.陶瓷球轴承性能分析与试验研究.轴 承.2001,12:32-35
[2]张文轩,任成祖.陶瓷球轴承性能分析.佛山陶瓷.2003,04(73):34-36 [3]张永乾,孙永安,李县辉.陶瓷球压碎载荷试验分析.轴承.2001,05:23-25 [4]Hiroyuki Ohta. Shinya Satake. Vibrations of the All-Ceramic Ball
Al2O3
3900 390 20-27 18-20 3-5
8 30 880 0.22 1018 1250 低 断裂
SiC
3100 420 20-25 20-24 2-4
4 100 700 0.25
1250 低 断裂
TiC
4900 370 20-39 13-22 2-5
9 25 500 0.23
800 低
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高速旋转：金属加工机床主轴、燃气轮机、离心分离器、 高速电机主轴；
耐腐蚀：半导体制造设备、电镀装置、化工制药设备、海 洋机械；
高真空：航空航天、真空机器； 耐高温：各种热处理炉、加热辊、医疗灭菌装置、化学纤
维机械、发动机； 非磁性：半导体制造设备、超导装置、原子能发电设备； 重量轻：摩托车(赛车)曲轴、航空发动机、宇航相关机器 高刚性：金属加工机床主轴； 绝缘：电镀装置、铁路机车索引电机、各种电机。
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陶瓷球的额定动载荷
图为日本光洋精工和东芝公司 采用的推力负荷型球轴承疲劳 试验机。
表中所列是其试验条件。在这 样的试验条件下，氮化硅试验 片与钢球之间所产生的最大接 触应力为605kg/mm²。
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陶瓷轴承是如何制造的原理
陶瓷轴承是如何制造的原理陶瓷轴承是一种利用陶瓷材料制成的轴承结构。
相对于金属轴承，陶瓷轴承具有更好的耐磨性、耐腐蚀性和高温稳定性。
陶瓷材料的硬度比金属材料高，因此能够轻松抵抗任何不利的磨损和摩擦。
此外，陶瓷材料的密度小，也使得陶瓷轴承具有很好的抗震性和抗冲击性。
那么，陶瓷轴承是如何制造出来的呢？下面我们来介绍一下：一、材料准备在制造陶瓷轴承时，需要用到高性能陶瓷材料。
这些材料通常包括氧化铝、氮化硅、氧化锆等。
这些材料的特点是具有高硬度、高密度、高强度、高耐磨、高耐高温等优点，适用于各种高强度、高温的应用场合。
在工厂中，通过高效压制设备进行成型，并进行必要的烧结处理，以获得所需的材料性能。
二、制造过程1、加工打磨在陶瓷轴承制造的初期阶段，需要进行加工和打磨等工作，使得外形和尺寸能够符合规定的标准。
加工和打磨时，需要使用高精度、高速度的机器和设备，来确保精度的达到要求。
陶瓷材料的硬度较高，所以这一阶段的加工需要采用钻石、氧化铝等硬度高的工具来进行加工。
2、装配在加工完成后，需要将陶瓷轴承中的各个部分进行组装。
通常采用的是把金属壳和陶瓷球配对进行组装。
通常采用的方法是将金属壳进行加工，以便于陶瓷轴承的容纳，接着，将一个陶瓷球放入金属壳中，并使用专用的装配设备进行轴承的组装。
组裝后的立體性能测试尤為重要，有助於發現最小的負面因素以優化產品性能。
3、检验测试轴承加工完成后，需要进行测试以确保尺寸精度和轴承运行质量问题。
这个过程主要依靠先进的检测设备和检测技术，对陶瓷轴承的各种性能指标进行检测和测试。
这些检测仪器能够测量轴承的旋转阻力、变形、噪声、摩擦力等各种性能指标。
若檢測的結果達不到預期標準，則需要進行再次加工和打磨，以維護製品的品質。
综上所述，制造陶瓷轴承工艺复杂，需要先进的加工和烧结设备、高效的加工和打磨和装配工序以及精密的测量和检测设备。
焊烤之後的陶瓷材料的硬度高，抗磨損、耐高溫，具有非常出色的磨损性能，是一种非常高效的轴承材料。
高可靠性陶瓷轴承技术研究进展_王黎钦
摘要：陶瓷轴承具有长寿命、耐高温、耐腐蚀和超高速等优异的综合性能，已经在航
空航天及装备制造领域中得到应用。介绍了陶瓷轴承的发展背景，归纳了陶瓷材料技术研
究进展，概括了陶瓷滚动体毛坯和成品的无损探伤技术和方法，阐述了陶瓷滚动体表面低
损伤加工的必要性，探讨了陶瓷轴承的润滑行为和热行为，提出了陶瓷轴承的失效模式和
本文重点介绍了高可靠性陶瓷轴承技术在航空 发动机上的应用，并对陶瓷轴承技术的发展进行评述 和展望。
１ 陶瓷轴承材料
轴承材料主要是指高铬抗疲劳轴承钢、耐高温工具 钢、高强度齿轮轴承一体化钢等轴承材料，包括 ＧＣｒ１５、 ９Ｃｒ１８、Ｍ５０、Ｍ５０ＮｉＬ、Ｃｒｏｎｉｄｕｒ３０、ＢＧ４２、ＸＤ１５Ｎ、ＣＳＳ－ ４２Ｌ 等，航空技术的发展对高温、高速、高可靠性轴承 及材料的的需求也越来越高，由此也促进了轴承材料 技术的发展。
１
ＭＰａ，断裂韧性可达到 ８～９ ＭＰａ·ｍ ２ 以上，大大优于
１
滚动轴承的最低门槛值 ６ ＭＰａ·ｍ ２ 。陶瓷与轴承钢材 料的主要参数对比见表 １。
近年来，随着陶瓷轴承在高端装备领域的推广应 用 ， 材 料 对 轴 承 质 量 的 影 响 得 到 了 广 泛 重 视 ，ＩＳＯ ２６６０２：２００９ 《Ｆｉｎｅ ｃｅｒａｍｉｃｓ （ａｄｖａｎｃｅｄ ｃｅｒａｍｉｃｓ， ａｄｖａｎｃｅｄ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｃｅｒａｍｉｃｓ） — Ｓｉｌｉｃｏｎ ｎｉｔｒｉｄｅ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｒｏｌｌｉｎｇ ｂｅａｒｉｎｇ ｂａｌｌｓ》 对滚动轴承氮化硅 陶瓷材料的弹性模量、泊松比、热膨胀系数、弯曲强 度、硬度、断裂韧性、显微结构、材料分级等性能指标 给 出 了 明 确 的 测 量 方 法 和 范 围 ，ＡＳＴＭ Ｆ ２０９４／Ｆ ２０９４Ｍ－０８ 《Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｎｉｔｒｉｄｅ Ｂｅａｒｉｎｇ Ｂａｌｌｓ》除了对材料质量标准明确要求外，还明 确规定了氮化硅陶瓷球的化学成分、表面质量、检测 方法、几何参数以及等级用途等。
宁泰陶瓷：精密陶瓷轴承所要达到的技术指标和参数介绍
宁泰陶瓷：精密陶瓷轴承所要达到的技术指标和参数介绍
我们公司专业从事陶瓷轴承的研发和生产，熔融石英精细陶瓷辊、熔融石英耐材、陶瓷轴承、氧化锆陶瓷轴承、氮化硅陶瓷轴承、硅微粉、氧化铝等系列产品均是我们公司的主要产品。
今天我们要介绍的是精密陶瓷轴承，目前国际上发展最快的高速轴承是精密陶瓷轴承。
精密陶瓷轴承滚动体采用氮化硅高性能结构陶瓷球，其性能特点是密度小、硬度高、耐磨损、耐高温等，精密陶瓷轴承性能较钢制球轴承有了明显的提高，特别适用于高转速工况。
精密陶瓷轴承主要应用于高速机床主轴和电主轴领域。
精密陶瓷轴承的主要技术指标和相关参数。
1、氮化硅毛坯球：三点抗弯强度：700MPa；断裂韧性：6MPa×m1/2；显微硬度：1500MPa；压碎强度：≤30%同尺寸钢球。
2、氮化硅精球：4.763和6.350陶瓷球的公差等级为G3级，即球直径变动量＜0.08μm、球形误差＜0.08μm、表面粗糙度Ra＜0.012μm。
3、精密陶瓷轴承：7005CTN1/HQ1P
4、精度参照GB/T307.1—1994为P4级，在同等工况下与日本NSK同规格同精度钢制轴承做对比试验，寿命高于后者。
以上是我们对精密陶瓷轴承的技术指标及参数的介绍，希望对大家有所帮助。
陶瓷件加工。
制造陶瓷球的精密研磨方法
制造陶瓷球的精密研磨方法许洪朋潘家祯华东理工大学机械与动力工程学院上海200237摘要：陶瓷球以其密度低、硬度高、弹性模量高、耐磨损、热膨胀系数低、绝缘、无磁性等优良的综台性能，被认为是目前制造高速、高精密度轴承滚动体的最佳材料。
由于陶瓷球属于硬脆性难加工材料，陶瓷球还具有加工余量小，绝对尺寸精度要求高的特点，增加了研磨的难度，因此陶瓷球加工效率低、成本高是目前限制陶瓷球轴承应用的主要原因；而这些成本又主要花费在精密研磨上，所以研究精密研磨胸瓷球的方法势在必行。
现夸陶瓷球的研磨方法仍然以钢球的制造方法为基础，即两板研磨法，这也是现在工业上主要用来研磨陶瓷球的方法。
当然也有许多其他的方法，但这些制造方法在总体上存在研磨精度不高和研磨效率低这两种缺陷。
因此研究设计一台先进的陶瓷球精密研磨装置也成了陶瓷应用领域的一大热点。
本文主要从两板研磨基础上探索一种偏心研磨圆盘装置，并从理论上分析其可行性及实用性，以促进现在陶瓷球研磨技术上的发展。
关键词：廊瓷球精密加工陶瓷轴承研磨装置偏心研磨盘1概述1．1陶瓷球的应用及背景由于工程陶瓷极限转速高、精度保持性好、启动力矩小、刚度高、干运转性好、寿命长等优良特性，使得陶瓷球在陶瓷轴承和混合轴承上得到了广泛的应用。
存在的问题是陶瓷轴承的价格高。
陶瓷轴承的价格是传统轴承的几倍。
但用这些费用却可提高装置的生产效率又可提高产品的寿命。
虽然陶瓷轴承仅在很少的一些领域被应用，但其不可替代作用和发展前途正在被人们逐渐地认识，研究和制造高精度、高质量的陶瓷球也成为现代工业的一种趋势。
1．2前人工作目前，工业或实验用的精密研磨陶瓷球方法已有很多，但根据其原理大体可以分为以下几种。
(1)四轴球面研磨四轴球体磨球机采用的是四轴球体研磨方式，在研磨机主体机构的结构对称性和四研具对球体相对运动的等同性的基础上，利用反转法对球体研磨成型原理进行球体研磨。
这种研磨方式能够获得较高的加工精度(对直径为≠l Omm的球，球度可达0．05pm)。
陶瓷轴承
新型陶瓷轴承的研究陈勇（山东轻工业学院材料科学与工程学院山东济南250300）摘要：近几年来，随着社会进步和科学技术的高速发展，轴承的使用环境和条件越来越多样化，对轴承的结构、材质和性能的要求也越来越高，一些高科技领域和某些特殊环境下工作的机械，如航空航天、核能、冶金、化工、石油、仪器、机械、电子、纺织、制药等工业，需要在高温、高速、高精度、真空、无磁性、无油润滑、强酸、强碱等特殊环境下工作。
这些新的要求仅仅依靠对传统的金属轴承改进结构或改善润滑条件已经远远不能满足，必须开发新型材料，从根本上进行突破和创新。
国内外研究发现某些陶瓷材料具有优异的性能，可以承受金属材料和高分子材料难以胜任的严酷的工作环境，并且又具有轴承材料所要求的全部重要特性，因此将陶瓷材料应用于轴承制造，已成为世界高新技术开发与应用的热点，成为机械工作材料技术革命的标志。
关键词：陶瓷；轴承；氧化锆；耐磨；引言：研究陶瓷轴承，使越来越多的人认识和了解陶瓷轴承的优越性，并使用它。
随着加工技术的不断进步，工艺水平的日益提高，陶瓷轴承的成本不断下降，已经从过去只在一些高、精、尖领域小范围内应用，逐步推广到国民经济各个工业领域，产品市场价格也逐渐接近实用化，达到用户可接受的程度，陶瓷轴承大面积应用的浪潮已经涌来！1、简介陶瓷轴承作为一种重要的机械基础件，由于其具有金属轴承所无法比拟的优良性能，抗高温、超强度等在新材料世界独领风骚。
近十多年来，在国计民生的各个领域中得到了日益广泛的应用。
航空航天、航海、核工业、石油、化工、轻纺工业、机械、冶金、电力、食品、机车、地铁、高速机床及科研国防军事技术等领域需要在高温、高速、深冷、易燃、易爆、强腐蚀、真空、电绝缘、无磁、干摩擦等特殊工况下工作，陶瓷轴承不可或缺的替代作用正在被人们逐渐地认识。
2、主要特性2.1、高速陶瓷材料的重量仅为同等钢材重量的４０％，密度小这一特点，可实现轴承的轻量化和高速化，使得陶瓷轴承在高速旋转时能够抑制因离心力作用引起的滚动体载荷的增加和打滑，陶瓷轴承的转速是钢制轴承的１．３～１．５倍，其ＤＮ值可达３００万，例如角接触球轴承，由于具有一定的接触角，其滚动体与滚道面之间会产生旋转滑动，当采用密度小的陶瓷滚动体时，不仅旋转滑动小，而且对轴承发热和表面损伤均起到有益的作用，对于航空航天飞行器也是非常有益的。
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高性能陶瓷轴承球的研制
李典基
1 概述
陶瓷轴承作为“面向21世纪”的最具发展前景的新材料轴承，主要包括全陶瓷轴承和部分零件为陶瓷的混合轴承。
目前，在工业界中应用最多的为混合轴承，其滚动体采用陶瓷，套圈采用高碳铬等材质的钢制造。
西方发达国家60～70年代
就开始了陶瓷轴承的研究，现阶段开始工业化应用的主要是以氮化硅（Si
3N
4
）、碳
化硅（SiC）、氧化铝（Al
2O
3
）、氧化锆（Z
r
O
2
）等陶瓷球代替钢球为主要形式的混
合球轴承，其中以氮化硅球为主。
该产品与同样型号的钢球相比主要有以下优点：（1）氮化硅球的密度是钢球的40％，高速运转时离心力小，轴承抗疲劳破坏能力强，寿命长。
（2）滚动体的弹性模量比钢高，弹性变形小，轴承的动刚度高。
（3）热膨胀系数为钢材的1/3～1/4，随温度变化的尺寸变化量小，适用于温度变化大的场合。
（4）在润滑条件恶劣的环境中适应性强。
（5）具有耐腐蚀、无磁性、绝缘性好等特点。
（6）设计灵活性更大，因为陶瓷材料能使轴承设计者不必考虑许多参数的影响。
目前，世界各国研究陶瓷球处于领先水平的公司主要有瑞典SKF，法国圣戈班戒，日本NSK、KOYO、NTN等公司。
在国内，陶瓷混合轴承的研究较西方发达国家晚近20年。
为使这一尖端基础部件更好地为经济建设服务，促进我国机械制造业的发展，我公司已开始了高性能氮化硅陶瓷轴承球的研究，现将有关研究成果做一下简述。
2 氮化硅陶瓷球的制造
2.1 原材料的制备
原材料的状态对生产过程及产品的性质有明显的影响，精确控制原料的化学和物理性能是非常必要的。
要求原材料具有以下特性：（1）纯度高；（2）高均匀而细的颗粒；（3）有用相含量高。
针对上述要求，我们采用气相法制备氮化硅原
料。
其反应式为：3SiO
2+6C+2N
2
=Si
3
N
4
+6CO。
用该技术生产的氮化硅原料，工艺操作
较易，Si
3N
4
含量高，晶粒均匀、细小，有利于陶瓷球的制造。
2.2 配料
将配制好的微细氮化硅粉末和氧化镁（MgO）、氧化钇（Y
2O
3
)等烧结助剂粉末
混合均匀。
混合在专用配料机中进行。
配料机采用氮化硅内衬或氧化锆内衬。
工作时将加工原料和一定数量的陶瓷球放入配料机，注入无水乙醇，开动机床，混合1～2天。
2.3 干燥造粒
将混好的原料放入离心喷雾机中，加入粘合剂，反絮凝剂等配成料浆。
使料浆流到高速旋转的圆盘上进行雾化。
雾化后的小液滴在热风中迅速干燥，成为流动性
好的小球。
2.4 常压烧结
用自动成型液压机将干燥造粒好的陶瓷原料，压制成所需规格的陶瓷球。
成型压力、加压速度与保压时间根据球规格进行调整。
再对成型后的陶瓷球坯进行软磨
处理，以提高球坯质量。
常压烧结时，将球坯置于Si
3N
4
粉床上，通入N
2
气，开始
时在2000℃和0～2MPa的N
2压力下加热10～15min，然后提高N
2
气压力至7MPa。
通过该技术烧结成的氮化硅球坯致密度高。
并具有很好的抗压强度及硬度。
2.5 粗磨加工
陶瓷球的粗磨加工与钢球的硬磨加工方法相似。
但在加工时，由于材料硬度特别高且脆性大，加工时球表面易产生裂纹。
这些裂纹在运转中可引起零件失效破坏。
为防止裂纹的产生，只能进行微量磨削。
所以球的加工时间长，成本高。
影响陶瓷球加工质量的因素很多，主要包括机床、工装、球坯质量及工艺参数等。
机床的影响因素主要有结构、精度、加压方式和料盘工作质量等。
工装的影响因素主要有砂轮硬度、粒度，刚玉种类，结合剂、组织，砂轮沟截面形状以及导轮进出口部位的几何形状、硬度、粗糙度、动态和静态性能、耐磨程度等。
球坯的影响因素主要有材质组织、可磨削性、匀质性、强度、几何形状、批直径变动量等。
加工参数有压力、砂轮转速、冷却剂、装球量和加工时间等。
2.6 精磨加工
陶瓷球精磨加工与钢球加工原理相似，但加工陶瓷球时所需的研磨盘硬度更高。
影响精磨加工的主要因素有：磨料粒度、种类、磨粒形状、数量、强度、破碎特性及磨损特性等；研磨液的粘度、组成及物理化学特性；装球量、磨料的添加与补充、研磨时的温度、研磨压力、研磨盘的材料、盘的转速、加工球的内部组织和材料等。
2.7 陶瓷球的检测
由于陶瓷球的应用场合比较特殊，对陶瓷球的质量检查从制坯开始，各道工序都应严格控制。
对陶瓷球的检测主要有以下几种方法：
（1）目测检测方法与钢球检测相似，主要是在日光灯下检查陶瓷球空洞、浅坑及其它材料缺陷等；
（2）荧光染色检查在批量生产氮化硅球时，对目测不到的微小裂纹，最经济有效的检测方法，是采用荧光染色检验。
高灵敏度的渗透剂在紫外光照射下，缺陷处绿色和黄色的荧光显示与球表面的黑色背景形成强烈反差，在低倍放大镜下，可以很容易地将有缺陷的球挑出。
（3）超声波探伤当需要严格检查产品或用户有特殊要求时，对产品采用超声波检测。
此时所检测的缺陷主要有气孔、金属夹杂物、添加剂偏析、裂纹等。
通过以上开发，陶瓷球产品达到美国ANSI/AFBMA Std.10-1989 G10级标准要求。
球直径变动量≤0.25μm，球形误差≤0.25μm，批直径变动量≤0.5μm，表面粗糙度≤Ra0.025μm，达到国外同类产品先进水平，具有国内领先水平。
3 陶瓷球的应用
混合陶瓷球轴承已被越来越多地应用于工业生产，现在应用最为广泛的有机床主轴用混合陶瓷球轴承。
我国近几年从国外进口的高速车床及加工中心，就常常有
这样的轴承。
在国际机床行业不景气的情况下，提高机床主轴转速，已成为各国机床行业竞争的方向。
有关资料表明，当采用油气润滑，钢球轴承转速到
20000r/min时，温度急剧上升，轴承遭到破坏，只能用陶瓷轴承代替。
目前氮化硅轴承的转速已达到100000r/min以上。
此外陶瓷轴承已开始在喷气发动机、化工机械、食品机械、水下作业机械、航天器、强磁环境以及有绝缘要求的工业领域中应用。