声明：原文转载自沈阳工程学院学报（自然科学版）第1卷第4期，作者郭桦的《陶瓷球轴承的发展与应用》，下文有进行部分内容的增减。所有文字版权归原作者所有，转载请注明原文出处。
在工程陶瓷产品的开发应用中，陶瓷球轴承是工程陶瓷在工业领域广泛应用的典型范例，受到很多国家的高度重视。在高速精密轴承中，应用最多的是混合陶瓷球轴承，即滚动体使用热压Si3N4陶瓷球，轴承圈仍为钢圈。这种轴承标准化程度高，对机床结构改动小，便于维护保养，特别适合于高速运行场合，其组装的高速电主轴，具有高速、高刚度、大功率、长寿命等优点。因此，高精度热压氮化硅陶瓷球轴承一直是人们竞相研究的热点和难点。
图1.陶瓷球轴承示例图via网络
轴承是机械行业生产量较大、应用面广的产品，其中球轴承所占的比例最大，国内外都把陶瓷轴承的研发重点放在陶瓷球轴承方面。
陶瓷球轴承可分为混合式陶瓷球轴承和全陶瓷球轴承2种。其中，混合式陶瓷球轴承指轴承中仅有滚动体零件是陶瓷材料制成，而全陶瓷轴承是指轴承内外圈和滚动体全部都由陶瓷材料制成的。
用工程陶瓷作为轴承材料，具有良好的机械和热性能，即具有足够的强度、刚度、硬度、断裂韧性、抗压冲击力、耐高温、抗氧化能力、比重小等一系列比金属材料更好的性能，适用于做轴承的陶瓷材料主要有氮化硅（Si3N4）、氧化锆（ZrO2）、氧化铝（Al2O3），这3种陶瓷材料中，氮化硅综合性能优越，已成为陶瓷轴承的首选材质。它的特点在于失效形式与轴承钢一样，是以由先兆的剥落方式出现，而氧化锆、氧化铝均以碎裂的失效形式出现（陶瓷与轴承钢的特性对比见表1）。
表1.陶瓷与轴承钢的特性对比
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。
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。目前，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。
混合型陶瓷轴承目前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，混合型陶瓷轴承还应用在电主轴、涡流分子泵等高转速的设备中。
20世纪60年代以来，随着陶瓷材料的开发与应用，陶瓷轴承也得以发展。美国诺顿公司已将氮化硅陶瓷轴承应用在航天飞机的液压泵上，轴承的运转速度提高了50%~100%，美国一家公司向美国宇航工业供应的陶瓷轴承已在800℃的高温下使用；日本主要飞机发动机制造商川岛播还将钢-陶瓷混合轴承及全陶瓷轴承在发动机上进行了试验。
由于陶瓷具有很强的耐磨蚀能力，所以陶瓷轴承可用于一些钢制轴承无法使用的化学场合。例如，在磁力泵中，轴承是由酸性介质润滑的，此时氮化硅的耐腐蚀性就发挥了不可替代的作用。一些化工机械设备以及食品、海洋等部门使用的机器，采用陶瓷轴承后也可以解决腐蚀问题。由于对润滑条件要求不高，混合型陶瓷轴承还可用于不能使用油脂润滑的领域，如激光扫描仪棒轴承，食品工业、高辐射的化工泵或仪器中，陶瓷轴承的应用特性和用途如表2所示。
表2.陶瓷球轴承的使用特性和用途
由于陶瓷球轴承是一种重要的机械基础零部件，它具有金属轴承无法比拟的优异性能，因此，在各个领域中都得到了日益广泛的应用。从应用的效果上看，最突出的效果是较大地提高了轴承的使用寿命和极限转速，为发展高速、高精度机床提供了基础零部件。另外，在高温、腐蚀、绝缘、真空等行业的应用也已取得了良好效果，基于它应用范围广，因此，为其发展带来了更大的生机和活力。
另外，开发者应注意那些金属轴承无法胜任的、而陶瓷轴承完全有能力去替代的最普通的工作，如污水处理、海洋开发、石油勘探、医药卫生、食品工业等诸多领域中实际使用的一般精度等级，中、低转速，要求轴承能够有承受一定浓度的酸、碱、盐腐蚀，耐几百度高温，不导磁、电，无毒性，可在无油或利用工作介质自身润滑的工作领域。这些领域应用的轴承占特种轴承应用的比例非常大，市场广阔，值得我们开发。研发机构应抓住机遇，开拓市场，降低制造成本，促进高性能陶瓷材料的规模化生产，使具有广阔市场前景的陶瓷材料的应用早日实现产业化。
