大连理工大学与大连大友高技术陶瓷有限公司在国家NSFC-辽宁联合基金（U1908233）的资助下，开展了超精密氮化硅球轴承制造的先进理论、关键技术等系统性研究。针对我国在先进装备方面对高端氮化硅陶瓷轴承的紧迫需求，开展了氮化硅陶瓷球研磨多体接触运动学研究，建立了多维复合研磨运动分析模型并提出了研磨运动学数值分析方法，提出了高效球面网格自动产生方法以及球面研磨概率均匀化评价方法。基于磨床与氮化硅陶瓷球的研磨动力学分析，揭示了机床系统振动模态与动力学特性对于氮化硅陶瓷球磨削精度的影响机理。基于套圈无心磨支撑系统的振动模态分析，结合自主设计的超精密轴承运转精度与波纹度检测仪，揭示了磨床转速、模态频率与模态分布对产生轴承套圈波纹度的影响规律，改进了套圈万能磨床，实现了轴承套圈制造精度的全方位控制。研发的氮化硅陶瓷球轴承精度达到ISO 标准P2级（ISO标准最高级），2022年获得辽宁省“专精特新”产品证书。已经具备了批量生产能力（图1为轴承样品示意图）。目前超精密氮化硅球轴承已经在精密机床等多个领域获得应用。此外在本项目资助下研发出两种特殊轴承：(1)基于弹性力学和结构优化理论，研发出抗大冲击特种滚动与滑动复合轴承，滚动轴承的抗大冲击能力可以根据需要特殊设计，比普通滚动轴承的抗冲击载荷能力提高数倍至一个量级，可以作为磁悬浮飞轮保护轴承等抗大冲击载荷场合。(2)基于流体力学的理论，研发出氮化硅陶瓷球深沟球轴承特种保持架，保持架内表面加工了微纳螺旋结构，该深沟球轴承可以在超高速下运转，在油雾润滑条件下最高工作转速可达15万转/分。

图1 超精密氮化硅陶瓷轴承与结构示意图

陶瓷轴承按结构材料可分为混合陶瓷轴承（Hybrid ceramic bearing）和全陶瓷轴承，前者只有滚动体为陶瓷材料，套圈为金属材料，保持架可以是金属材料，也可以是非金属材料；全陶瓷轴承滚动体和套圈均为陶瓷材料，保持架多为非金属材料。全陶瓷轴承的内外圈抗弯强度差、与金属轴承座的温度收缩协调性差，一般仅仅用于防腐蚀的环境中，应用场合非常有限。混合陶瓷轴承综合性能优异，成为世界各国竞相研发的高精尖陶瓷轴承。目前工业上所说的陶瓷轴承一般均指混合陶瓷轴承，不与全陶瓷轴承严格区分。

氮化硅（Si₃N₄）材料属于高强度人工晶体，俗称“陶瓷王”，具有密度小、硬度高、耐高温、耐腐蚀、电绝缘、不导磁、抗压强度高、自润滑性能好等诸多特点（见表1）。氮化硅密度只有轴承钢的约42%，高速运转时滚珠对于轴承外圈的压力大幅度减小；弹性模量高达320 GPa，约为钢的1.5倍；硬度高达1600 MPa，约为钢的2倍；抗压强度高达3600 MPa，约为钢的1.5倍；氮化硅900℃以下力学性质几乎不变，是轴承滚动体的理想材料之一。以氮化硅球作为滚动体、以合金钢为套圈制成的混合陶瓷轴承，最充分利用了氮化硅材料抗压强度高、合金钢抗弯强度高、韧性好等优点，与普通钢球轴承相比，具有重量轻、极限转速高、摩擦力矩小、运转精度好、使用寿命长等一系列优点。氮化硅陶瓷球轴承是目前世界上研究最热门、性能最优异、应用最广泛的高端陶瓷轴承。氮化硅陶瓷球轴承几乎就是陶瓷轴承的代名词。

表1  氮化硅材料Si₃N₄与常用轴承钢GCr15材料的主要性能参数对比

*注：830℃淬火、150℃回火。强度和表面硬度与热处理工艺有关。

    大连大友高技术陶瓷有限公司是中国最早从事氮化硅陶瓷轴承的研发生产企业之一，与大连理工大学已经有20余年合作历史。目前掌握了陶瓷球超精密研磨技术与专用设备研发、精密轴承套圈加工与设备制造、保持架加工技术等轴承制造技术与工艺，拥有自己独立的知识产权。目前大连大友高技术陶瓷有限公司超精密氮化硅陶瓷轴承分为P2、P4A、P4三个精度等级产品，已经可以批量生产40余种型号的精密轴承产品，其中主要以7000系列的角接触超精密轴承为主，轴承的旋转精度与使用寿命与世界顶级轴承品牌相当，产品可广泛用于精密数控主轴、航空航天、核电、汽车、工业机器人、化工泵等重要领域。

图2 精密氮化硅轴承可应用的领域

图3 超精密陶瓷球轴承（技术）获得辽宁省“专精特新”产品（技术）