2025年第51周机械行业一周解一惑系列：陶瓷球在精密传动件的应用优势、生产工艺及难点壁垒

氮化硅陶瓷球的技术起源与关键工艺流程

氮化硅陶瓷球是高端精密制造领域的核心部件，尺寸覆盖 0.4-8mm 范围， 其中 8mm 为常规轴承用球，0.4mm 微型球可适配牙科高速手机、微型陀螺仪 等精密场景。氮化硅陶瓷球广泛应用于航空航天、半导体制造、医疗设备及新能源 汽车等领域。其物理特性表现为密度低且硬度高；在作业性能上，具备耐高温、抗 疲劳、低摩擦以及优异的绝缘性（可防止电腐蚀）；在制造精度方面，行业主流的 G5 级产品真圆度误差控制在 0.13μm 以内，表面粗糙度不超过 0.014μm。

1.1 氮化硅陶瓷球技术起源与产业格局演变

量产氮化硅陶瓷球技术的成熟并非一蹴而就，而是一部跨越半个世纪的材料 科学进化史。其技术路线主要由欧美和日本的两大流派共同塑造，分别代表了“应 用驱动”与“材料驱动”两种模式。

1.1.1 欧美流派（SKF）：通过收购与实战验证，实现应用场景跨越

20 世纪 60 年代至 70 年代，随着合成工程陶瓷技术的萌芽，SKF 位于荷兰的 工程研究中心（ERC）便启动了对陶瓷材料的评估。然而，真正奠定 SKF 在航空航 天陶瓷轴承领域霸主地位的，是其在 1986 年对美国 Marlin Rockwell Corp. (MRC) 的战略收购。MRC 此前一直是美国军方和 NASA 的重要供应商，早在 60 年代末 就设计并测试了第一代陶瓷轴承。通过这次收购，SKF 直接继承了 MRC 在高温、 高速陶瓷轴承设计上的核心数据积累，包括滚道几何优化、保持架设计以及固体润 滑技术。这些技术最初服务于喷气式发动机主轴，不仅要求高的可靠性，还需承受 数百度的高温。 1984 年，SKF 成功演示了氮化硅轴承在 500°C 高温下使用固体润滑剂的长 期运行能力，这在当时被视为技术奇迹。进入 90 年代，SKF 将目光投向了更广阔 的工业与赛车领域：F1 赛车的实战验证：1990 年代中期，SKF 将混合陶瓷轴承引 入 F1 赛车。在高转速和强冲击载荷下，氮化硅球的轻量化特性显著降低了打滑风 险，成为顶级赛车的标准配置。绝缘与高性能应用的深化：随着电动化浪潮带来高 转速、电腐蚀及高温等新挑战，SKF 将工业变频电机领域的绝缘应用逻辑成功延伸 至新能源汽车时代。利用氮化硅陶瓷球优异的绝缘性与耐磨性，SKF 不仅有效解决 了电驱系统的电腐蚀痛点，更早在 2010 年便在新能源车领域实现了规模化应用， 并通过全产业链的本地化布局，有力支撑了电驱系统的高效与稳健运行。

1.1.2 日本流派（东芝材料）：依托基础专利与烧结工艺，构建材料 性能与产能规模的双重壁垒

东芝集团早在 1974 年就申请并获得了氮化硅化合物的基础专利，确立了其在 全球氮化硅材料研发中的先发优势。东芝的核心贡献在于优化了烧结助剂配方，并 开发了能精确控制的烧结工艺，从而制造出兼具高强度与高韧性的材料。 进入 21 世纪以来，随着汽车电动化趋势加速，东芝材料（Toshiba Materials） 先后在横滨总部及九州大分地区投资建设新的生产设施，用于提升氮化硅球 （Silicon Nitride Ball）的产能 2022 年 7 月 19 日，东芝材料公司宣布对一处氮 化硅球新生产基地进行重大投资，该基地位于日本横滨公司总部附近。该项目预算 超过 50 亿日元。2023 年 7 月 25 日，东芝材料宣布，将投资 70 亿日元）新设另 一处氮化硅球生产基地（大分市），并于 2026 年 1 月开始生产。2025 年，东芝 材料进一步纳入 Niterra 集团（原 NGK Spark Plug），并正式更名为“Niterra Materials”。公司在公告中强调，氮化硅陶瓷球凭借高强度、绝缘性及对电解腐 蚀的耐受能力，被认为适用于高压电驱系统和汽车电气化相关应用，因此扩大产能 属于集团未来 mobility 业务战略的重要组成部分。

1.2 关键工艺流程

氮化硅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 料制备、素坯成型、高温烧结和磨加工四个阶段。

1.2.1 原料粉体的制备

硅亚胺热解法是高效率制备高质量 Si3N4 原粉的最佳方法。该方法制备的 Si3N4 粉具有纯度高、α相含量高、结晶度高、氧含量低、粉体细小 0.2μｍ～1.0μ ｍ）且粒度分布均匀等特点。日本宇部兴产株式会社使用该方法每年可生产数百吨 高质量 Si3N4 粉体供应全球。 硅粉氮化法是制备商品级 Si3N4 原粉最成熟的方法，国内 Si3N4 粉体制造商多 采用该法生产 Si3N4 原粉。由于氮化硅很难自己烧结到致密，一般需加入“烧结助 剂”（如 Y2O3，Al2O3，MgO 等）促进产物形成。混合浆料经喷雾干燥获得造粒 粉，是目前轴承级陶瓷球生产中常见的工艺路线之一。该方法的优点是成本相对低， 适合规模性生产；缺点是该方法制得的粉体，其品质次于硅亚胺热解法制得的粉体 的品质，具体表现为杂质含量更高和α相含量更低。

1.2.2 生胚成型

粉末成型的技术分为干法成型和湿法成型，干法成型具有成型效率高、成型周 期短和胶含量低等优点，是 Si3N4 陶瓷球产业化的首选成型方式。干法成型包括干 压成型和等静压成型，这两种成型方式都已在 Si3N4 陶瓷球的素坯成型领域被普遍 应用。 干压成型又称为模压成型，该方法成型的素坯的尺寸精度和形状精度均较高， 但坯体密度偏低，直接进行烧结往往无法烧结致密，因此，干压成型的素坯常需经 过等静压二次补压以提高素坯密度。 等静压成型分为湿袋法和干袋法。湿袋法的优点是灵活性较大，且成型素坯的 坯体密度高且均匀；缺点是自动化程度低，需要在压制前准备包套。相较于湿袋法， 干袋法制得的成型素坯也具有坯体密度高且均匀的特点，并且可以实现自动化连 续作业。Si3N4 陶瓷球最初采用干压法结合湿袋法二次压制的方式进行成型。但随 着干袋法等静压技术的不断完善，越来越多的陶瓷球制备商会选择干袋法等静压 作为陶瓷球素坯的成型技术。基于上述成型工艺制备的素坯球体都不是理想的球 体，且都会留有各自成型方式的成型特征。这些特征会增加后续磨加工的困难和时 长，甚至会影响磨加工后陶瓷球的表观质量。因此，在 Si3N4 陶瓷球素坯烧结前须 进行修坯处理。

1.2.3 高温烧结

Si3N4 陶瓷球的烧结方式颇多且均已研究得相当成熟，其中适用于 Si3N4 陶瓷 球批量生产的烧结方式有 GPS 和 HIP。 GPS 是针对陶瓷烧结而开发的烧结技术，该技术是指在一定气体气氛下进行烧结的烧结方法。一般通入的气体为氩气或氮气，且通入气体后烧结炉内达到的气 压压力为 1MPa～10MPa。该方法通入气体的主要作用是抑制氮化硅的热分解。 采用 GPS 制备氮化硅轴承球是最普遍的烧结方法，其优点是可使用较低成本制备 出性能好、形状复杂的产品，且成品率高，易实现批量化生产。 HIP 也是一种气体辅助烧结的技术，不同于 GPS 的是烧结过程中所施加的气 体压力较大，一般为 100MPa～300Mpa。该方法通入气体的主要作用是促进晶粒 迁移和重排，从而促进其致密化。因此，HIP 所用的最高烧结温度低于 GPS 所用 的最高烧结温度。HIP 可分为后处理和包套烧结。HIP 后处理的主要作用是在高压 和低于晶粒快速长大的温度条件下，消除经预烧结的烧结体毛坯内的闭气孔，并愈 合其内部缺陷；包套 HIP 是指将陶瓷粉末或预成型的陶瓷素坯置于不透气的包套 材料内，然后在高温高压条件下实现致密化烧结。用于 Si3N4 陶瓷球制备的包套 HIP 技术称之为玻璃包套热等静压，最早由瑞士一家名为 ASEA 的公司开发，后 转让给美国诺顿。但至今掌握该技术的企业极少，主要该技术对设备要求高，研究 难度大。

1.2.4 精密研磨与超精检验

Si3N4 陶瓷球是对尺寸精度、形状精度以及表观质量等指标均有要求的精密元 件，因此，Si3N4 陶瓷球烧结体毛坯需经磨加工才能达到使用要求。由于陶瓷材料 固有的高硬度、高脆性的特点，加上球体形状的限制，导致在抛光过程中容易造成 凹坑、裂纹、雪花、擦伤、划伤等一系列的加工缺陷。传统的 V 型槽精加工方法 主要采用金刚石磨料作为抛光介质，载荷大约为 10 N/球，抛光时间长，一批陶瓷 球的加工周期需要 12~15 个星期，通常可以配合使用激光干涉仪或泰勒圆度仪进 行检验。昂贵的金刚石磨料和漫长的加工周期使制造成本高居不下。

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