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让氮化硅陶瓷球“圆又亮”的精密研磨技术
2020年04月09日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:459
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被誉为“最强轴承滚珠”的氮化硅陶瓷球不仅性能过硬,被广泛应用于风力发电机、高速精密主轴、高温发动机等领域,就连它的颜值都很爆表,黑得深邃亮得晃眼,很有一股高端范儿。

 

但氮化硅球那靓丽的表面并不是为了好看而存在的,而是因为氮化硅本质上属硬脆材料,对机械研磨和抛光过程中造成的缺陷非常敏感,表面不完整很容易引起疲劳失效,因此在投入使用前应尽量保证其表面质量和粗糙度达到最佳状态。

可以说,精密磨削和抛光质量是影响氮化硅轴承性能和使用寿命的重要因素。具体能让它们达到“最佳状态”的方式有哪几种,下面便来简单介绍一下。

磁悬浮抛光技术

磁悬浮抛光技术是一项新的先进陶瓷表面加工技术,能够获得良好的表面粗糙度和尺寸精度,是一种加工平面、圆形硬脆材料的高校费比的方法,是以磁流体的磁流体动力学为基础的,其主要原理如下图所示。

 

氮化硅毛胚球放置于充满磁流体、磨料及水混合物的圆柱形容器内,其下是一排条状永磁体。磁流体是由强磁性粒子(通常是胶质Fe3O4)分散在液体中所形成的一种胶体悬浮物,具有磁特性,将一定的磨料等非磁性添加到磁流体中形成混合液。在具有磁场梯度的特殊磁场的作用下,磁性粒子向强磁场方向运动,对磨料产生反向浮力,悬浮于磁流体中。当主轴转动时,在摩擦力和胶粘力的作用下,陶瓷球绕容器公转并自转,同时与研磨盘产生相对滑动。氮化硅陶瓷球被悬浮在磁流体中和部分磨料嵌入研磨盘表面的磨料研磨。

由于给氮化硅陶瓷球施加的压力很小,约为1N/球,而且是弹性可控的,因此大大减少了机械磨削造成的陶瓷球表面划痕和微裂纹。为了近一步提高加工效率和加工质量,减少表面缺陷,通常在此过程中结合化学机械抛光技术使用。

化学机械抛光

化学机械抛光具有加工效率高、表面粗糙度低、加工变质层小等技术特点,目前已被广泛用于各种功能陶瓷、工程陶瓷的金属材料的表面精加工。在化学机械抛光过程中,悬浮于液态介质中纳米级的微细软质磨粒会与相应的抛光液一起,在磨粒与工件的接触点上摩擦而产生高温高压,在极短的时间内产生固相反应,软化材料表面。反应产物会以0.1nm级的微小单位由工件与抛光盘之间的机械摩擦作用去除,从而获得极为光滑的表面。

 

在磨料的选择上,要注意不能选取比工件材料硬的磨料,因为硬磨料在工作时,它的机械抛光会起主导作用,反而会增大工件表面的缺陷。目前行业内更多会采用氧化铈(CeO2)抛光液对氮化硅陶瓷球进行化学机械抛光,一是因为它能直接与Si3N4发生化学反应,形成SiO2层;二是它的硬度接近于SiO2的硬度,明显低于Si3N4的硬度,因此几乎不会对氮化硅球造成刮痕等损伤。

超声振动辅助抛光

超声加工是利用超声振动的工具在有磨料的液体介质中或干磨料中产生磨料的冲击、抛磨、液压冲击及气蚀作用来去除材料的一种工艺。曾有人尝试在粗磨阶段增加了上磨盘的超声扭转振动,使加工速度比传统方法提高了2~3倍。

 

超声振动与非超声振动加工表面形貌图

上图为研究员在实验中,对施加超声振动与未施加超声振动磨削的氮化硅陶瓷表面形貌所做的SEM对比图。可发现:无超声振动加工表面破碎严重,有很多由沿裂纹扩展而形成的剥落坑,坑底分布很多细小的氮化硅颗粒,为磨粒挤压导致材料破碎而形成。施加超声振动后,磨粒周期性撞击陶瓷表面,在工件表面附近大量产生侧向裂纹,侧向裂纹扩展闭合导致材料去除。在提高去除效率的同时,对加工表面质量影响很小,工件表面仅分布少量缺陷。

另外,还有研究人员将磁流变抛光技术与超声波技术相结合对氮化硅陶瓷球进行抛光,结果表明:超声波抛光后材料去除率高于无超声波振动时的材料去除率,超声波振动抛光后的氮化硅陶瓷球表面 Ra值由0.260 m降至0.025 m。

团簇式磁流变抛光

为了实现高精度陶瓷球的高效加工,有一个研究小组提出了一种新型的团簇磁流变抛光陶瓷球技术,即在非磁性材料制成的上下抛光盘背面,有规则地排列多个小磁性物体,然后将磁流变抛光液注入抛光盘,利用磁流变抛光液在磁场中流变性,使它在磁极上方形成团簇磁流变效应抛光垫。

注:磁流变抛光液的制备主要由离散的微米级磁性颗粒、载液和表长面活性剂。在无外加磁场时,磁性微粒无规则分布,磁流变液为可流动液体状态;而在外加磁场作用下,磁性微粒呈链状分布,其流变特性急剧转变(毫秒级),表现为类似固体的性质;撤除磁场后,又会立刻恢复原液体性质。

在上下抛光盘表面形成的团簇磁流变效应抛光垫,可用于覆盖和抛光陶瓷球,两者间存在一定的间隙。利用抛光液形成的柔性“小磨头”,可与工件之间发生快速的相对运动,使工件表面受到很大的剪切力,从而使工件表面材料被去除。加工过程中,由于磁流变抛光垫总是覆盖着陶瓷球,使刚性接触变为柔性接触,可大大减少了磨削冲击和加热引起的二次变形。

资料来源:

氮化硅陶瓷球的超精密研磨技术,吕冰海,袁巨龙,林旭。

氮化硅球超精密加工技术介绍 by Cathie Montanez

氮化硅陶瓷超声振动磨削机理及表面质量研究,周雪钢。

粉体圈 小榆整理

 


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