氮化硅（Si3N4）陶瓷被称为理想的“轴承材料”，由该材料制备的氮化硅陶瓷轴承球可提高轴承的性能，现已广泛应用于各种高精度高转速机床、新能源汽车、地铁、航天发动机和石油化工机械等领域。
Si3N4最早于1857年由Devil和 Whohler 首次人工合成。反应烧结Si3N4(Reaction-Bonded Silicon Nitride,简称RBSN)于1955年由柯林斯和格比开发，因该材料气孔率高且机械强度低限制了其在工程机械领域的应用。热压Si3N4(Hot Pressed Sintered Silicon Nitride,简称 HPSN)于1961年由Deeley等人开发，该材料在压力下烧结而成，其密度和强度等力学性能均获得了显著提高，HPSN是最先被开发出的高性能Si3N4陶瓷。
20世纪60年代末，因传统钢轴承无法满足航空燃气涡轮轴承的使用要求，轴承工程师们迫切需要寻求新的轴承材料。Si3N4凭借其轻质、耐高温、耐腐蚀等特性成为先进轴承最有潜力的材料。在美国“先进燃气轮机计划”的推动下，轴承工程师们就Si3N4的特性与应用展开了大量的研究，包括其疲劳寿命、摩擦磨损机理、润滑条件、可靠性评估、制备与加工技术等。1973年，美国诺顿公司的Baumgartner等人测试HPSN的劳寿命以评估其作为轴承材料的可行性，试验结果表明，Si3N4具有优异的疲劳寿命，其疲劳失效方式为剥落。1978年，Bersch在汽车工程大会及展览会报告了Si3N4的优良特性，并表示将Si3N4用于滚动元件可以缓解当前的轴承问题。
期间，Si3N4固溶物“Sialon”的发现和稀土元素作为烧结助剂的应用进一步促进了Si3N4的改性与开发。科研人员就烧结助剂对Si3N4陶瓷的致密化、显微结构以及性能的影响展开了大量的探索与研究，开发出热等静压Si3N4(Hot Isostatic Pressing Sintered Silicon Nitride,简称HIPSN)、气压烧结Si3N4(Gas Pressure Sintered Silicon Nitride,简称GPSN)、烧结Si3N4(Pressureless Sintered Silicon Nitride,简称SSN)等一系列高性能的氮化硅。
1984年，光洋精工和东芝正式将Si3N4陶瓷应用于轴承领域。自此，Si3N4陶瓷球逐步从实验室研发阶段走向工程应用阶段，在科研工作者和轴承制造商们的努力下，Si3N4陶瓷球批量化生产技术不断成熟，从而实现了Si3N4陶瓷球的商品化。
国内山东工陶院于1978年成立氮化硅项目组开始从事氮化硅陶瓷的研究，1996年建成氮化硅陶瓷轴承球中试生产线。2015年中材高新氮化物陶瓷突破了热等静压氮化硅陶瓷球批量化制造技术，成为继美国CoorsTek、日本东芝之后第三家，也是国内首家形成批量化生产热等静压氮化硅陶瓷材料的企业。
氮化硅陶瓷球是在非氧化气氛中高温烧结的精密陶瓷，具有高强度，高耐磨性，耐高温，耐腐蚀，耐酸、碱、可在海水中长期使用，并具有绝电绝磁的良好性能。在800℃时，强度、硬度几乎不变，其密度为3.20g/cm³，几乎是轴承钢的1/3重量，旋转时离心力小，可以实现高速运转。还具有自润滑性，它可以使用到无润滑介质高污染的环境中。成为陶瓷轴承、混合陶瓷球轴承的首选球珠。
氮化硅陶瓷轴承球与钢质球相比具有突出的优点：密度低、耐高温、自润滑、耐腐蚀。疲劳寿命破坏方式与钢质球相同。陶瓷球作为高速旋转体产生离心应力，氮化硅的低密度降低了高速旋转体外圈上的离心应力。致密Si3N4陶瓷还表现出高断裂韧性、高模量特性和自润滑性，可以出色地抵抗多种磨损，承受可能导致其他陶瓷材料产生裂纹、变形或坍塌的恶劣环境，包括极端温度、大温差、超高真空。氮化硅轴承球在使用中转速每分钟高达60万转，应用于高速机床电主轴高速轴承、航空航天发动机、风力发电机轴承、汽车发动机轴承等设备用轴承中，可胜任高腐蚀性、高温等各种复杂恶劣的工况。
表 氮化硅陶瓷与轴承钢的性能对比
Si3N4陶瓷球的制备过程是先获得致密高强的陶瓷球烧结体毛坯，然后再对毛坯进行精密加工，从而达到要求的尺寸、圆度和粗糙度。制备过程一般包括原料准备、素坯成型、高温烧结和磨加工四个阶段。
目前最广泛的氮化硅陶瓷球烧结工艺为热等静压烧结（HIP）和气压烧结（GPS），两种工艺下生产的陶瓷球针对不同的使用环境都有很广泛的应用。其中，HIP烧结可以将氮化硅陶瓷球完全致密化，缺陷大幅度减少，各项力学性能得到大幅度提高；GPS烧结能以较低的成本制备性能较好、形状复杂的产品，并在工业中实现批量生产。
表 GPS与 HIP烧结得到氮化硅陶瓷性能对比
与进口Si3N4陶瓷球相比，国产Si3N4陶瓷球在疲劳寿命、振动值、噪声值等方面有待于改善，导致这些差距的主要原因是技术路线不同。国外Si3N4陶瓷球采用HIP制备，而国内Si3N4陶瓷球采用GPS制备。
资料：
2.氮化硅陶瓷在四大领域的研究及应用进展，陈波.
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原文始发于微信公众号（陶瓷科技视野）：一文了解氮化硅陶瓷球的发展史
