在能源短缺和環境日益惡化的今天，風能作為一種新型的可再生清潔能源，被譽為21世紀最有發展前景的綠色能源，越來越受到世界各國的重視。全球風電行業的快速發展，對所用軸承提出了更高的要求，尤其是應用在兆瓦級別的風力發電機上的軸承，只有極少廠家才具有技術能力試制。圖1為風力發電機結構圖，表1為風力發電設備應用軸承的主要區域及要求匯總。
       氮化硅（Si3N4），作為一種新型現代陶瓷材料，因其具有熱穩定性能好、抗氧化能力強、耐磨性能好、能自潤滑等優異性能，制成的氮化硅軸承被廣泛應用在風力發電設備中。
       據國家能源局處消息稱，2012年以來，我國新增風電裝機容量連續4年居世界第一，領跑全球。截至去年底，我國風電累計新增裝機容量8758萬千瓦，成為煤電、水電之后的第三大電源。國內在大功率并網風力發電機的相繼投入，風力發電氮化硅單單就軸承球國內外的市場就將有望突破200萬粒，市場容量每年超過10億元。
       氮化硅陶瓷材料應用在風電行業軸承中的情況主要分為兩類：氮化硅陶瓷軸承（圖2）、氮化硅陶瓷滾動體與鋼制軸承底座制成的混合陶瓷軸承（圖3）。氮化硅陶瓷軸承是指內外圈、滾動體采用氮化硅陶瓷材料，保持器采用不銹鋼、尼龍、氧化鋯、氮化硅或特定鋁合金制成的軸承，其性能比混合陶瓷軸承佳。
       一、氮化硅陶瓷軸承的優越性能
       1、輕質耐高速：氮化硅的密度僅為3.19g/cm3，相對于軸承鋼7.85g/cm3具有的輕質優勢所產生的離心力更小，使用與高速旋轉設備，且不易出現“抱軸”；
       2、低熱膨脹系數：在100-800℃間低熱膨脹系數有助于防止其卡死，能更好的應用在風力較大區域的風電設備上；
       3、高強度：氮化硅的高抗壓強度是大型風力發電設備中高接觸應力滾動軸承所需要的。
       4、高硬度：2倍于軸承鋼硬度，滿足風力設備在外界環境中粒子沖擊及滑動摩擦損傷；
       5、耐高溫：軸承的疲勞壽命受到溫升變化的極大影響，在1000℃下氮化硅軸承還具有良好的接觸應力和使用壽命；
       6、耐腐蝕：氮化硅具有極強的耐腐蝕能力，對大多數酸、堿具有優異的穩定性，應用在風電行業，可抵抗雨水等侵蝕；
       7、自潤滑性能好：氮化硅材料在潤滑條件差的情況下具有減摩、潤滑功能，提高軸承的可靠性和壽命，同時減低噪聲。        二、氮化硅軸承的制造工藝流程
       氮化硅陶瓷軸承的制造過程涉及較多過程，包括原料粉末的配置混合、坯體成型、坯體燒結、磨削精細加工、精密檢測等主要流程，具體見下圖4。
       1、氮化硅陶瓷軸承原料粉末調配
       氮化硅陶瓷軸承的化學成分包括氮化硅和燒結助劑，原始粉末中Si3N4常以金屬硅氮化法、氧化硅還原法、亞胺熱分解法、氣相法等方法制備，以α型Si3N4為佳。制備的Si3N4粉末中含有的Fe、Al、Ca等雜質降低了氮化硅軸承的高溫強度，且削弱了耐氧性能。燒結助劑有MgO、Y2O3粉末及C、SiC、ZrO2等纖維，下面為制作氮化硅軸承燒結體較常用的成分：
       （1）Si3N4+MgO+AlN+ Y2O3，其中Y2O3為主要燒結助劑成分，得到的軸承機械強度與硬度高；
       （2）Si3N4+SiO2+SrO+CeO2+MgO或Si3N4+SiO2+SrO+CeO2+ZrO2，燒結助劑總量控制在2%-10%；
       （3）Si3N4+SiO2+第ⅢA主族氧化物，得到抗彎強度和韌性均好的燒結體。
       2、成型和燒結
       氮化硅陶瓷軸承的成型和燒結主要分為熱壓及熱等靜壓方法、先冷壓成型后在N2或惰性氣氛環境中常壓燒結的方法。
       （1）熱壓燒結：這是目前制造氮化硅陶瓷軸承應用最多的方法，溫度一般在1600-1800℃，保溫15min-1h，在石墨模中的壓力一般為20-40MPa，且常用BN作為脫模劑。優點是燒結溫度低，添加燒結助劑用量少，致密度高，耐磨和抗疲勞性能優良。
       （2）熱等靜壓：壓力方向不受限制、可施加壓力大（50-200MPa）、燒結溫度低（1750-1800℃）。但設備費及運轉費用昂貴，制造的氮化硅陶瓷軸承多用于實驗室研究階段。
       （3）常壓燒結：先將干燥造粒的混合粉末再150-500MPa壓力下成型，制成接近最終形狀的預制件再進行燒結，燒結溫度較高，且需要N2或惰性氣體防止Si3N4高溫氧化。優點是無需模具、生產效率高，但缺點是軸承質量較差。
       3、精加工和無損檢測
       氮化硅陶瓷軸承的優異物化性能決定了其多應用在精度要求高的環境下，故需對燒結后的氮化硅陶瓷軸承的套圈、滾動體等毛坯進行精密加工。先在樹脂結合劑金剛石砂輪的磨床上磨削以提高其燒結制品的尺寸精度，后在以金剛石磨粒的研磨機上精研磨和采用細粉磨粒拋光，最后在進行陶瓷軸承的無損檢測。
       在ASTMF 2094/F 2094M-08 標準中，將氮化硅陶瓷球的缺陷分為夾雜、疏松、各類劃痕和小坑、裂紋和色差等5大類加以控制，采用光學檢查、熒光穿透性檢查和超聲檢查等檢測方法控制表面質量，其中光學檢查依然是目前高可靠性陶瓷球的主要檢查手段。圖5為陶瓷球檢測示意圖，圖6為陶瓷缺陷顯微照片。研究表明，Si3N4陶瓷的抗疲勞能力需要杜絕在主承載區域內5μm以上的顯著缺陷。高級檢測手段包括高精度X射線無損探傷技術、表面波聲成像技術和掃描電子聲發射技術。
       三、氮化硅陶瓷軸承國內外研究現狀
       自上個世紀70年代，國外研究學者已經在氮化硅陶瓷軸承，研究的重點放在了全氮化硅陶瓷軸承、氮化硅滾動體與其它材料的混合軸承性能及陶瓷軸承的設計理論上。目前世界上生產、研究、銷售氮化硅陶瓷軸承的公司有很多，如瑞典的斯凱孚（SKF）、德國的舍弗勒（FAG）、美國CoorsTek、日本的精工（NSK）公司等，NSK公司已經有28個規格3種級別的角接觸球軸承供用戶選擇。國內在“八五”期間將“陶瓷軸承”列為國家科技攻關計劃，上海硅酸鹽研究所等開始了氮化硅陶瓷軸承的研究，目前已經實現產業化的企業主要有中材高新、上海泛聯、中興實強等單位，但產品質量與國外相比還有較大差距，尤其是高端氮化硅陶瓷球90%依賴盡快，規?；a技術還存在較多問題，如下：
       1、高品質氮化硅粉體受限：我國主要采用硅粉氮化法制備氮化硅粉體，但純度低、球形度差、燒結溫度高等缺點；相比日本的宇部興產株式會社是唯一利用化學合成法制備的粉體產品質量高，是制備高精度氮化硅軸承的首選材料，但其對華嚴格限制供貨量，阻礙了國內氮化硅陶瓷軸承的發展；
       2、氮化硅陶瓷球成型效率低：坯體球形度差、產量低，尤其是2mm以下的小球，軸承球精度僅僅為G5水平，而SKF等公司的氮化硅軸承球的精度可達G2級，配套的精密軸承噪音小、轉速高、壽命長，綜合性能明顯優于國內；
       3、檢測手段落后：氮化硅具有的無磁、絕緣等性質使其在快速生產過程中快速無損檢測的要求更高，國內依然采用人工顯微鏡檢驗，而國外已經實現了自動化的快速連續無損檢測，差距較大。
       近些年國外公司申請了很多關于氮化硅陶瓷軸承相關方面的專利，為我國的生產商提供有價值的技術情報，部分專利詳見下表：        四、氮化硅陶瓷軸承發展趨勢
       氮化硅陶瓷軸承因其具有的熱穩定性能好、抗氧化能力強、耐磨性能好、能自潤滑等優異性能在風電、航空航天、核電等領域得到了廣泛的應用，具有巨大的潛力，未來的氮化硅陶瓷軸承的發展趨勢主要包括：
       （1）高韌高強材料技術：在現有氮化硅粉體中減少Fe、Al等雜質元素、提高α相含量、高球型度和粒徑分布相對集中，經熱等靜壓燒結，可得到性能更佳的氮化硅毛坯材料。
       （2）低成本批量穩定生產技術：包括全壽命期研發費用、產品費用和維修費用等在內的氮化硅陶瓷軸承的高成本依然是制約其大面積應用的主要因素，實現低成本批量的穩定生產可促進氮化硅陶瓷軸承在各行各業大顯神通。
       （3）健康管理技術：在風電行業、航空航天等領域，對氮化硅陶瓷軸承的應用環境和條件提出了越來越苛刻的要求，氮化硅軸承性能的波動和軸承失效都會導致嚴重的系統問題或者失效，建立軸承的健康管理系統軸承和齒輪的健康狀態監測是重要的解決方案。
       （4）無損檢測：在嚴苛條件下使用的氮化硅陶瓷軸承需要先進且有效的無損檢測手段，配合現有的自動化設備，形成完整的智能化無損檢測體系。
       作者：弋木
       參考文獻
       1、 利用國外專利技術解決國內氮化硅陶瓷軸承球產業化問題，李貴佳等。
       2、 氮化硅陶瓷的制備與應用，孫亞光等。
       3、 淺談氮化硅陶瓷軸承制造技術，欒景燕等。
       4、 陶瓷軸承球的應用和生產加工，徐學敏等。
       5、 軸承用理想材料-氮化硅陶瓷，季德振等。
       6、 混合型氮化硅陶瓷軸承的新進展，張寶林等。
       7、 高可靠性陶瓷軸承技術研究進展，王黎欽等。
       8、 國外氮化硅陶瓷軸承的發展概況，肖旭東等。
       9、 特殊要求用混合陶瓷軸承與全陶瓷軸承，劉家文。