盘点不同材料陶瓷球及其工艺：氮化硅、氧化锆、碳化硅、氧化铝！
系列回顾：
氮化硅陶瓷球
图1 氮化硅生产工艺流程图
（1）粉体制备
氮化硅粉体的合成方法主要有硅粉氮化法和化学合成法，国内均采用硅粉氮化法，与化学合成法制备的粉体相比，后者制备的粉体纯度高、球形度好、烧结活性高、受硅原料稳定性影响低，是制备高精度氮化硅轴承球的首选原料，日本 UBE 是唯一能够采用该方法生产氮化硅粉体的企业，但是目前该公司严格限制对华市场供货量，使得国内高品质氮化硅陶瓷球生产商受制于原料供给。
（2）粗磨加工
由于氮化硅硬度较高，用钢球毛坯的加工方式很难去除氮化硅球坯的多余材料，因此氮化硅球的粗磨工序只能采用下板金刚石材质平板、上板铸铁板材质导球板进行磨削加工，在球和砂轮间存在特殊的运动机理，球在导球板的作用下相对于砂轮轴线同心的砂轮平板内运动。通过较高的挤压力和球表面与砂轮的相对运动来磨去球坯的部分留量。加工结果取决于诸多特性参数和影响因素，如机床、砂轮、球坯和加工参数等。
机床的影响因素以其设计和加工状态、静动态和热特性、工艺控制、驱动系统、加压方式等为特征。砂轮的影响因素以其砂轮技术条件硬度、粒度、磨料种类、结合剂、进出球口部位的几何形状、硬度、粗糙度、动态和静态性能以及磨损程度为特征。加工球的影响因素以其材料、组织、可磨削性、匀质性、强度、硬度、几何形状、批直径变动量为特征。加工参数是磨削压力、砂轮转速、冷却剂、装球量和加工时间。
氧化锆陶瓷球
（1）粉体制备
氧化锆粉体的制备方法主要包括共沉淀法、水解沉淀法（锆盐水解沉淀和锆醇盐水解沉淀）和水热法等。共沉淀法工艺设备简单、生产成本低，但制备的粉体具有分散性差和烧结活性低等缺点，目前国内大部分氧化锆生产企业采用的都是这种方法。水热法制备的氧化锆粉体具有粒度分布窄和团聚程度小等优点，已经在国外实现工业化生产。日本东曹（TOSOH）公司还拥有最新的水解沉淀工艺，通过控制水解条件，将锆盐溶液水解合成氧化锆粉体，该粉体显示出优异的烧结性，烧结后产品晶粒细小、结构均匀，强度高、韧性好以及耐磨性和抗老化性优异，广泛应用于高端精密氧化锆零部件。
（2）球坯制造
材料中加入三氧化二钇（Y2O₃），抑制晶粒的长大并稳定氧化锆的晶型转变，而采用纳米氧化锆原料经改进后的工艺研制而成的球坯，毛坯密度均匀性能稳定，尺寸精度高且加工余量小，圆度高，气孔率低，表面质量好。
（3）微波烧结
微波加热不同于常规加热模式，它是利用微波电磁场中陶瓷材料的介质损耗而使材料至烧结温度从而实现陶瓷的烧结及致密化。微波烧结时材料吸收微波转为材料内部分子的动能和势能，使材料整体加热均匀，内部温度梯度小，热应力小，加热和烧结速度快。可实现低温快速烧结，显著提高陶瓷材料的力学性能。
碳化硅陶瓷球
（1）粉体制备
目前，碳化硅粉体的制备方法一般可分为三种：固相法、液相法和气相法。
固相法就是以固态物质为原料来制备粉末的方法。它包括碳热还原法和自蔓延高温合成法。在工业生产中，碳热还原法是将石英砂中的二氧化硅用碳还原（在电弧炉中）制得碳化硅；自蔓延高温合成法是采用外加热源点燃反应物坯体，利用材料在合成过程中放出的化学反应热来维持合成过程。
液相法主要包括溶胶—凝胶法和聚合物热分解法等。溶胶-凝胶法以液体化学试剂配制成Si的醇盐前驱体，将它在低温下溶于溶剂形成均匀的溶液，加入适当的凝固剂使得醇盐发生水解、聚合反应后生成均匀而稳定的溶胶体系，再经过长时间放置或干燥处理，浓缩成Si和C在分子水平上的混合物或聚合物，继续加热形成组分均匀且粒径细小的SiO₂和C的两相混合物，在1460-1600℃发生碳还原反应最终制得SiC细粉；聚合物热分解法采用三乙烯乙二醇、二羟基乙基醚和糠醇树脂混合物，在有机酸的催化作用下发生聚合和糠醇相分离，然后热解，形成微孔碳，最后液态硅烧结并去除游离硅，制得碳化硅粉体；
气相法主要包括蒸发-凝聚法和气相化学反应法。蒸发-凝聚法是将原料加热至高温（用电弧或等离子流等加热）使之汽化，接着在电弧焰或等离子焰与冷却环境造成的较大温度梯度条件下骤冷，凝聚成微粒状物料的方法；气相化学反应法是挥发性金属化合物的蒸气通过化学反应合成所需物质的方法。
（2）烧结工艺
无压烧结一般分为固相烧结工艺和液相烧结工艺。固相烧结一般采用B-C系烧结助剂，B系烧结助剂可以在SiC界面析出，降低界面能促进烧结反应，C系烧结助剂则利于除去SiC表面的SiO₂，提高粉体表面能，从而提高粉体活性；液相烧结一般采用铝及氧化物助剂，这些助剂使SiC及其复合材料呈液相烧结，能显著提高SiC及其复合粉料的烧结活性。
热压烧结是将干燥粉料置于模具中，在加热的同时施加20-50MPa的轴向压力，使成型和烧结同时完成的一种烧结方法。热等静压烧结是一般热压法的改进，可使物料受到各向同性的压力，从而使陶瓷的结构更均匀。
图2 热压烧结工艺流程图
反应烧结是是在碳化硅粉料中预混入适量含碳物质，利用高温使碳与碳化硅粉料中残余硅反应合成新的碳化硅，从而形成致密结构的碳化硅陶瓷。
图3 反应烧结工艺流程图
氧化铝陶瓷球
（1）粉体制备
目前生产高纯氧化铝的方法主要包括多重结晶法（包括硫酸铝铵热解法和碳酸铝铵热解法）、醇盐水解法、直接水解法（胆碱法）和改良拜耳法等。国内只有少数企业拥有改良拜耳法、醇铝盐水解法和水热合成法的生产工艺。日本企业掌握着高纯氧化铝最先进的生产工艺，代表性企业日本住友化学和日本大明化学分别采用醇铝盐水解法和碳酸铝铵热解法，都能生产出99.995%以上纯度的高纯氧化铝和高纯超细氧化铝。
（2）烧结工艺
高纯氧化铝陶瓷通常需要在高于1600℃下才能烧结致密，通过添加适当的添加剂等措施通常可降低高纯氧化铝陶瓷的烧结温度，目前日本企业99.99%氧化铝粉烧结温度只需1300℃，而国内需要到1600℃以上。轴承用氧化铝陶瓷球的制备大部分采用热等压烧结技术。
（3）精加工
氧化铝陶瓷材料硬度较高，因此通常采用SiC、C或金刚石等更硬的材料对其进行研磨抛光。一般可采用小于1μm的Al2O₃微粉或金刚石进行研磨抛光，以及激光加工和超声波加工等研磨及抛光方法。