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陶瓷已经过测试并用于滚珠、滚子和滑动轴承（衬套）。它们抵抗疲劳、高温和润滑损失的潜力优于金属，这使得陶瓷对滚珠和滚子轴承具有吸引力。有许多商用陶瓷轴承类型，分为两类之一：全陶瓷或混合陶瓷。

混合轴承由钢制滚道中的陶瓷滚动体组成，而全陶瓷轴承的滚道和滚动体均由陶瓷制成。通常，全陶瓷轴承用于特殊的高温、高速应用，在这些应用中，设计要求非常严格，因此可能成本很高。

混合轴承在越来越多的高速机器中得到应用。其中包括由于离心力较低而采用陶瓷的机床主轴。可能导致打滑的离心效应与球的质量成正比，因此用氮化硅（密度 3.1 g/cm 3 ）代替钢球（密度 8 g/cm 3 ）大大降低了外部应力种族。混合材料的另一个应用是将氧化铝单晶用作钟表、陀螺仪和类似精密设备的“宝石”轴承材料。由于其耐磨性、硬度和机械强度，氧化铝还用于中央供暖系统、洗衣机和汽车冷却系统中的循环泵轴承。

与传统轴承元件相比，陶瓷滚动元件具有许多优势。这些包括改进的耐腐蚀性、更低的密度、更高的硬度、更高的抗压强度和更长的疲劳寿命。下表显示了已用于轴承材料的典型陶瓷及其一些机械性能。

早在 2000 年，科学家就在岩石中发现了锆石，这表明生命可能比之前认为的早了 5 亿年。这种令人难以置信的化合物产生了巨大的影响，其氧化物氧化锆 (ZrO 2 ) 用于制造全陶瓷轴承。但是增加的成本值得吗？

全陶瓷轴承通常比钢更圆、更光滑、更硬，具有出色的耐腐蚀性和耐热性、更高的尺寸稳定性和更低的密度。然而，这是有代价的。陶瓷轴承比钢制轴承贵得多。

一、那么，什么时候投资陶瓷轴承才值得呢？

实验室设备等高价值应用程序具有每次使用时都需要满足的确切要求。在此类设备中使用错误的组件可能会污染研究条件，或导致研究完全停止。这与医疗设备相同，陶瓷轴承的无污染和非磁性特性证明是至关重要的。

以磁共振成像 (MRI) 为例，这种成像技术主要与医院 MRI 扫描仪相关。该技术使用强磁场生成任何活体的二维或三维图像。由于其磁性，标准钢轴承不能用于这些扫描仪，因此陶瓷轴承是用于这些高价值应用的最佳选择。

同样，随着集成电路制造商努力使他们的芯片更快、更小和更便宜，半导体制造设备公司越来越依赖先进的陶瓷元件来实现所需的性能。

使用由氮化硅而非标准氧化铝（氧化铝）制成的轴承可提供电绝缘性和良好的耐腐蚀性。

氮化硅的电阻率和介电常数与氧化铝相似，但由于其微观结构，这种材料要坚固得多。全陶瓷轴承可以适应半导体生产阶段存在的许多具有挑战性的条件；从接近 1400 °C 的炉温到洁净室 1 的空气质量。突然之间，增加的成本显然是合理的。

二、氧化锆还是氮化硅？

市面上有许多陶瓷轴承类型，与传统轴承元件相比，它们都具有许多优势。用作轴承材料的典型陶瓷是氮化硅 (Si 3 N 4 ) 和氧化锆 (ZrO 2 )。

氮化硅是一种非常坚硬但也非常轻的材料。它具有出色的耐水、耐盐水和多种酸碱性能，还具有非常宽的温度范围，适用于高真空应用。

氮化硅的极高硬度也意味着更大的脆性，因此应尽量减少冲击或冲击载荷，以避免开裂的风险。

氮化硅已被部署为多种航空航天应用中的主要材料。值得注意的是，美国宇航局的航天飞机最初是在涡轮泵内使用钢轴承制造的——当航天飞机，尤其是它的发动机承受巨大的载荷和温度时，这不是一个好的组合。

由于这些极端负载，由于氮化硅在真空环境中的优越性，NASA 工程师将轴承升级为等效的氮化硅。令人印象深刻的是，根据 NASA 分析报告， 与钢制轴承相比， Si 3 N 4轴承的运行时间增加了 40%。

由 ZrO 2或二氧化锆制成的陶瓷轴承是一种坚韧的陶瓷材料，具有与钢非常相似的膨胀特性，尽管它们的重量要轻 30%。当考虑轴和轴承座在高温应用中的配合时，这是一个优势，在这种情况下，轴承膨胀可能意味着轴不再适合。

尽管它们通常被称为 ZrO 2 轴承，但它们实际上是由用氧化钇稳定的 ZrO 2制成的 ，这使材料在室温下具有更高的强度和抗断裂性。

它们还具有极强的防水性，这意味着它们经常用于海洋应用，特别是在设备完全浸没的情况下，或者传统钢轴承无法承受负载或速度的情况下。

权衡 Si 3 N 4轴承 还是 ZrO 2 轴承是正确的选择是一个复杂的决定，但一般来说，ZrO 2 轴承由于其极强的耐腐蚀性和更坚韧的特性而更常被指定。

三、全陶瓷还是混合陶瓷？

当大多数人想到陶瓷轴承时，他们通常指的是混合版本。混合轴承位于陶瓷和钢的中间，通常包括不锈钢座圈或环和陶瓷球。

混合轴承的钢制内圈和外圈可以加工成非常小的公差，这意味着它们最适合电动机、实验室设备和机床等应用。

例如，在研磨机上，由于摩擦减少，通过添加陶瓷混合轴承和合成油脂润滑剂，可以将每分钟转数 (RPM) 提高 25%。采用混合陶瓷的磨削主轴可以毫无问题地运行 4000 小时，而采用钢轴承的则为 3000 小时。

混合轴承还可以将温度降低近 50%。在卧式加工中心，从传统轴承切换到混合替代方案已证明在 12,000 RPM 时轴承温度从 60 °C 降至 36 °C。

使用混合轴承组合允许比全陶瓷选项更高的速度，因为脆性较低的金属环在高速或负载下不容易突然发生灾难性故障。也就是说，与全陶瓷轴承相比，混合轴承的耐腐蚀性相形见绌。

为极端环境指定合适的轴承一直是一个复杂的问题。但就像氧化锆阐明了生命的起源一样，提出这三个问题将有助于决策过程。

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