陶瓷轴承氧化锆和氮化硅的区别

实践证明，作为轴承材料还必须具有在不同温度下的尺寸稳定性，以保证轴承在温度变化的工作环境下，保持精密的尺寸和精确的配合，在特殊环境下还必须具备抗腐蚀、抗分解能力．总之，用以制造滚动轴承零件的陶瓷材料应具备以下性能特点：

1)低密度。由于滚动体密度减小，高速工作时其离心载荷也减小，从而可在更高转速下工作。

2)中等弹性模量。弹性模量太大会因应力集中而降低轴衬的承载能力。

3)热膨胀系数小。减小对温度变化的敏感性，使轴承工作温度范围更宽。

4)高抗压强度。抗压强度高是滚动轴承承受高应力的需要。

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；而且能防止外界粒子和冲击的损伤。

6)良好的抗滚动接触疲劳性和具有剥落失效模式。

7)特殊场合应具有耐高温、耐腐蚀和稳定性。

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。

陶瓷球轴承的分类：

按材料分：陶瓷轴承可以分为氧化锆陶瓷轴承、氮化硅陶瓷轴承、复合陶瓷材料轴承。

按结构分：陶瓷轴承可以分为：氧化锆带保持器陶瓷轴承、氮化硅带保持器陶瓷轴承、复合带保持器陶瓷轴承。一般陶瓷轴承的保持器材料以聚四氟乙烯（PTFE）作为标准配置，还可以采用玻璃纤维增强的尼龙66（GRPA66-25），特种工程塑料（PEEK，PI），不锈钢（SUS316、SUS304），黄铜（Cu）等。陶瓷材料保持架因兜孔加工、成型技术等难题，现还较少采用；由于保持器的材料限制针对特种使用场合又开发了无保持器的氧化锆满球全陶瓷轴承和氮化硅满球全陶瓷轴承和复合满球陶瓷轴承。

按材料的完整性分：上面所说到的陶瓷轴承的主要部件内外圈和滚动体多是采用陶瓷材料，就定义为陶瓷轴承；如果轴承的内外圈和滚动体有一部分不是采用陶瓷材料时我们就定义为混合陶瓷轴承。混合陶瓷轴承中运用比较广泛的就是球采用陶瓷材料称为陶瓷球轴承，可分为氧化锆陶瓷球轴承、氮化硅陶瓷球轴承。

不同材料和不同结构的陶瓷轴承和陶瓷球轴承在使用时需要注意的问题也各不相同，具体细节请查询陶瓷轴承和陶瓷球轴承的专业生产厂家获取更多的帮助。

陶瓷轴承的特点：

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。

陶瓷轴承的应用领域日益广泛，但在工业领域中成功应用的还是陶瓷球轴承．应用较多的为氮化硅陶瓷球轴承。它的优点是：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，非常适合于在高速、高温以及腐蚀、辐射条件下保持高精度、长时间运转，主要用于数控机床和高速精密机械中，如高速电主轴轴承、机床主轴轴承、牙钻轴承、仪器仪表用轴承，计算机硬盘驱动器轴承等．此外，氮化硅陶瓷的硬度比轴承钢高1倍，弹性模量约高1/3，在相同载荷的条件下，氮化硅陶瓷的弹性变形小，所以，使用陶瓷球轴承的机床主轴具有良好的运转精度。

混合型陶瓷轴承已成功地应用于高速机床的主轴中，并已进入实用化阶段，如日本牧野等公司生产的HPM型超精密车床等，主轴转速为16000r/min，而美国MIKRO公司生产的HSM700高速加工中心，主轴转速已达到42000r/min，切削速度提高了5～10倍。此外，混合型陶瓷轴承还用应在电主轴、涡流分子泵等高转速的设备中。

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，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。

陶瓷轴承的特点：

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。

氮酸硅隔热吗？隔热。氮化硅是一种无机物，化学式为Si3N4。它是一种重要的结构陶瓷材料，硬度大，本身具有润滑性，并且耐磨损，为原子晶体；高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。正是由于氮化硅陶瓷具有如此优异的特性，人们常常利用它来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。如果用耐高温而且不易传热的氮化硅陶瓷来制造发动机部件的受热面，不仅可以提高柴油机质量，节省燃料，而且能够提高热效率。中国及美国、日本等国家都已研制出了这种柴油机。

中文名

氮化硅

外文名

Silicon nitride

化学式

Si3N4

分子量

140.28

水溶性

不溶于水

快速

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晶体结构和特性合成方法特点应用更多信息材料性能技术发展

历史

亨利·爱丁·圣克莱尔·德维尔和弗里德里希·维勒在1857年首次报道了氮化硅的合成方法。在他们报道的合成方法中，为减少氧气的渗入而把另一个盛有硅的坩埚埋于一个装满碳的坩埚中加热。他们报道了一种他们称之为硅的氮化物的产物，但他们未能弄清它的化学成分。1879年Paul Schuetzenberger通过将硅与衬料（一种可作为坩埚衬里的糊状物，由木炭、煤块或焦炭与粘土混合得到）混合后在高炉中加热得到的产物，并把它报道为成分是Si3N4的化合物。1910年路德维希·魏斯和特奥多尔·恩格尔哈特在纯的氮气下加热硅单质得到了Si3N4。1925年Friederich和Sittig利用碳热还原法在氮气气氛下将二氧化硅和碳加热至1250-1300℃合成氮化硅。

在后来的数十年中直到应用氮化硅的商业用途出现前，氮化硅未受到重视和研究。从1948年至1952年期间，艾奇逊开办在纽约州尼亚加拉大瀑布附近的金刚砂公司为氮化硅的制造和使用注册了几项专利。1958年联合碳化物公司生产的氮化硅被用于制造热电偶管、火箭喷嘴和熔化金属所使用的坩埚。英国对氮化硅的研究工作始于1953年，目的是为了制造燃气涡轮机的高温零件。由此使得键合氮化硅和热压氮化硅得到发展。1971年美国国防部下属的国防高等研究计划署与福特和西屋公司签订一千七百万美元的合同研制两种陶瓷燃气轮机。

虽然氮化硅的特性已经早已广为人知，但在地球自然界中存在的氮化硅（大小约为2×5µm）还是在二十世纪90年代才在陨石中被发现。为纪念质谱研究的先驱阿尔弗雷德·奥托·卡尔·尼尔将自然界中发现的此类氮化硅矿石冠名为“nierite”。不过有证据显示可能在更早之前就在前苏联境内的阿塞拜疆发现过这种存在于陨石中的氮化硅矿石。含有氮化硅矿物的陨石也曾在中国贵州省境内发现过。除存在于地球上的陨石中以外，氮化硅也分布于外层空间的宇宙尘埃中。

实践证明，作为轴承材料还必须具有在不同温度下的尺寸稳定性，以保证轴承在温度变化的工作环境下，保持精密的尺寸和精确的配合，在特殊环境下还必须具备抗腐蚀、抗分解能力．总之，用以制造滚动轴承零件的陶瓷材料应具备以下性能特点： 1)低密度．由于滚动体密度减小，高速工作时其离心载荷也减小，从而可在更高转速下工作． 2)中等弹性模量．弹性模量太大会因应力集中而降低轴衬的承载能力． 3)热膨胀系数小．减小对温度变化的敏感性，使轴承工作温度范围更宽． 4)高抗压强度．抗压强度高是滚动轴承承受高应力的需要． 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；而且能防止外界粒子和冲击的损伤． 6)良好的抗滚动接触疲劳性和具有剥落失效模式． 7)特殊场合应具有耐高温、耐腐蚀和稳定性．

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。

因为陶瓷球本身具有自润滑性能，所以润滑可以按使用要求，可以有润滑脂也可以不加润滑脂。密封件也是可以按使用要求，决定陶瓷球轴承是否带密封件。保持器也是可以按使用要求是否采用。那么套圈、滚动体是轴承两个不可缺少的要素，当这两个要素不是同一种材料时，就有了混合轴承(Hybrid construction bearing)的说法。当滚动体采用陶瓷材料时就定义为混合陶瓷球轴承(Hybrid construction ceramic ball bearing)。常用的陶瓷球材料有氧化锆（ZRO2）和氮化硅（SI3N4）；常用的套圈材料有轴承钢（GCR15）和不锈铁（440、440C）及不锈钢（304、316、316L）。

按照使用环境、转速、负荷、温度，及使用时的要求，陶瓷球轴承的套圈和滚动体可以由以上材料互相组合，并起到不同的使用效果。

陶瓷球轴承的代号：

HY +套圈材料+轴承型号+密封型式——球的材料 ——保持器材料 ——润滑脂

套圈材料：S表示不锈铁 SS表示不锈钢 具体用什么材料可以用挂号标注说明

1、按用途分：

(1)、高速轴承：

陶瓷轴承具有耐寒性、受力弹性小、抗压力大、导热性能差、自重轻、摩擦系数小等优点，可应用在12000转/分-75000转/分的高速主轴及其它高精度设备中；

（2）、耐高温轴承：材料本身具有耐高温度1200℃，且自润滑好，使用温度在100℃-800℃间不产生因温差造成的膨胀。可应用在炉窑，制塑、制钢等高温设备中；

（3）、耐腐蚀轴承：材料本身具有耐腐蚀的特性，可应用在强酸、强碱、无机、有机盐、海水等领域，如：电镀设备，电子设备，化工机械、船舶制造、医疗器械等。

（4）、防磁轴承：因无磁不吸粉尘，可减少轴承提前剥落、噪声大等。可用在退磁设备。精密仪器等领域。

（5）、电绝缘轴承：因电阻力高，可免电弧损伤轴承，可用在各种要求绝缘的电力设备中。

（6）、真空轴承：因陶瓷材料独具的无油自润滑特性，在超高真空环境中，可克服普通轴承无法实现润滑之难题。 注：以上五种类别轴承，同一套轴承可应用到高温、高速、酸碱、磁场、非绝缘中，但因材料性能有所不同（请参阅稀土陶瓷材料性能表）故请客户选择产品时，根据自己所应用的场合，来挑选材料最适合的陶瓷轴承。

2、按材料分：氧化锆全陶瓷轴承

全陶瓷轴承具抗磁电绝缘、耐磨耐腐蚀、无油自润滑、耐高温耐高寒等特点， 可用于极度恶劣环境及特殊工况。套圈及滚动体采用氧化锆（ZrO2）陶瓷材料，保持器使用聚四氟乙烯（PTFE）作为标准配置，一般也可使用玻璃纤维增强的尼龙66（RPA66-25），特种工程塑料（PEEK，PI），不锈钢（AISISUS316），黄铜（Cu）等。

氮化硅全陶瓷轴承

氮化硅全陶瓷轴承套圈及滚动体采用氮化硅（Si3N4）陶瓷材料，保持器使用聚四氟乙烯（PTFE）作为标准配置，一般也可使用RPA66-25，PEEK，PI，以及酚醛夹布胶木管等。SiN4制全陶瓷轴承相比较ZrO2材料可适用于更高转速及负荷能力，以及适用于更高的环境温度。同时可提供用于高速高精度高刚性主轴的精密陶瓷轴承，最高制造精度达P4至UP级。

满装球全陶瓷轴承

满装球型全陶瓷轴承一面带添球缺口，因采用无保持架结构设计，可以比标准结构的轴承装入多的陶瓷球，从而提高其负荷能力，另外还可避免因保持架材料的限制，可达到陶瓷保持架型全陶瓷轴承耐腐蚀及耐温效果。该系列轴承不适宜较高转速，安装时应注意将缺口面装于不承受轴向负荷的一端。

陶瓷保持架全陶瓷轴承

陶瓷制保持架具有耐磨损,高强度,耐腐蚀及自润滑的优点,采用陶瓷保持架制造的全陶瓷轴承可使用于极强腐蚀,超高低温及高真空等苛刻环境.常用陶瓷材料为ZrO2,Si3N4或SiC。

混合陶瓷球轴承

陶瓷球特别是氮化硅球具有低密度、高硬度、低摩擦系数，耐磨、自润滑及刚性好等特点，特别适合做高速、高精度及长寿命混合陶瓷球轴承的滚动体（内外圈为金属）。一般内外圈采用轴承钢（GCr15）或不锈钢（AISI440C），陶瓷球可选用ZrO2，Si3N4，或SiC材料。

3、按技术等级分：

（1）、深沟球轴 陶瓷轴承

陶瓷轴承图册

承（技术等级为：P4、P5、P6、P0） 深沟球轴承，最具代表性的滚动轴承，用途广泛，可承受径向负荷与双向轴向负荷。适用于高速旋转及要求低噪声、低振动的场合或钢质轴承所不能应用的高温、高寒、腐蚀、磁场、非绝缘等领域。

（2）、调心球轴承 调心球轴承的外圈滚道呈球面，自动调心，可补充不同心度和轴挠度造成的误差。用于产生轴与外壳的不同心或轴挠曲部位及高温、低寒、腐蚀、磁场非绝缘等要求的调心部位。注：倾斜度不能超过3度。

（3）、单列角接触球轴承（技术等级为：P4、P5、P6、P0） 角接触轴承适用于高速及高精度旋转，在高温、磁场、水中等不影响其精度，并可承受合成负荷。标准的接触角为15°、30°和40°，接触角越大轴向负荷能力越大，接触角越小轴承可承受径向负荷与单向轴向负荷。一般采取成对安装。请在选购时加以注意。

（4）、单向推力球轴承 单向推力球轴承，是由带有球滚动滚道的垫圈形套圈和组装着球的保持架组成。可以承受轴向负荷，但不能承受径向负荷。

氮化硅陶瓷，是一种烧结时不收缩的无机材料陶瓷。氮化硅的强度很高，尤其是热压氮化硅，是世界上最坚硬的物质之一。具有高强度、低密度、耐高温等性质。Si3N4 陶瓷是一种共价键化合物，基本结构单元为[ SiN4 ]四面体，硅原子位于四面体的中心，在其周围有四个氮原子，分别位于四面体的四个顶点，然后以每三个四面体共用一个原子的形式，在三维空间形成连续而又坚固的网络结构。

利用Si3N4 重量轻和刚度大的特点，可用来制造滚珠轴承、它比金属轴承具有更高的精度，产生热量少，而且能在较高的温度和腐蚀性介质中操作。用Si3N4 陶瓷制造的蒸汽喷嘴具有耐磨、耐热等特性，用于650℃锅炉几个月后无明显损坏，而其它耐热耐蚀合金钢喷嘴在同样条件下只能使用1 - 2个月。

随着Si3N4 粉末生产、成型、烧结及加工技术的改进，其性能和可靠性将不断提高，氮化硅陶瓷将获得更加广泛的应用。由于Si3N4 原料纯度的提高，Si3N4 粉末的成型技术和烧结技术的迅速发展，以及应用领域的不断扩大，Si3N4 正在作为工程结构陶瓷，在工业中占据越来越重要的地位。

一般用线切割或者数控机床。

氮化硅陶瓷，是一种烧结时不收缩的无机材料陶瓷。氮化硅的强度很高，尤其是热压氮化硅，是世界上最坚硬的物质之一。具有高强度、低密度、耐高温等性质。

氮化硅陶瓷的市场应用

汽车产业：烧结氮化硅的主要应用在汽车行业作为一个发动机零件材料。 在火花点火发动机中，氮化硅用于较低磨损的摇臂垫，用于较低惯性的涡轮增压器和较少的发动机滞后，以及用于增加加速度的废气控制阀。

轴承： 与其他陶瓷相比，氮化硅陶瓷具有良好的抗冲击性。 因此，在性能轴承中使用由氮化硅陶瓷制成的滚珠轴承。 一个代表性的例子是在美国宇航局航天飞机的主发动机中使用氮化硅轴承。由于氮化硅球轴承比金属硬，所以这减少了与轴承轨道的接触。氮化硅球轴承可以在高端汽车轴承，工业轴承，风力涡轮机，赛车运动，自行车，溜冰鞋和滑板中找到。

氮化硅轴承

高温材料：氮化硅长期以来一直用于高温应用。 特别地，它被确定为能够存活在氢/氧气火箭发动机中产生的严重热冲击和热梯度的少数单片陶瓷材料之一。

氮化硅推进器。左：安装在试验架上。右：用H2O2推进剂进行测试

医疗：氮化硅具有许多矫形应用。该材料也是用于脊柱融合装置的PEEK（聚醚醚酮）和钛的替代物。 与PEEK和钛相比，氮化硅的亲水，微观结构表面有助于材料的强度，耐久性和可靠性。

脊柱融合

金属切削刀具：由于其硬度，热稳定性和耐磨性，散装的整体式氮化硅被用作切割工具的材料。 特别推荐用于铸铁的高速加工。 热硬度，断裂韧性和耐热冲击性意味着烧结氮化硅可以切割铸铁，硬钢和镍基合金。

陶瓷刀具

电子产品：通常用作制造集成电路中的绝缘体和化学屏障，以电隔离不同结构或作为体微机械加工中的蚀刻掩模。 作为微芯片的钝化层，它优于二氧化硅，因为它是对水分子和钠离子的显着更好的扩散阻挡，微电子学的两个主要腐蚀源和不稳定性。