隨著國(guó)內(nèi)大功率并網(wǎng)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的相繼投入，以及航空航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，氮化硅陶瓷軸承球在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)需求強(qiáng)勁。

氮化硅軸承

而它之所以能應(yīng)用于上述領(lǐng)域，是因?yàn)榈杼沾刹牧暇哂懈叩挠捕取⒛湍バ裕偷拿芏群蜔崤蛎浵禂?shù)，優(yōu)異的耐高溫、無(wú)磁性、耐腐蝕、高導(dǎo)熱、自潤(rùn)滑和優(yōu)異的抗熱震性、抗氧化性等諸多特點(diǎn)，因此是高溫、高速、高精度以及特殊環(huán)境下工作的軸承滾珠的首選材料。

注：Si₃N₄是一種無(wú)機(jī)物，本身硬度大，具有潤(rùn)滑性且耐磨損，Si-N₄四面體結(jié)構(gòu)單元由1個(gè)Si原子和4個(gè)N原子通過(guò)共價(jià)鍵鏈接而形成，四面體單元構(gòu)成三維空間網(wǎng)，特殊的結(jié)構(gòu)使氮化硅材料的硬度非常高，莫氏硬度約為9，所以氮化硅材料在1400℃的高溫下材料性能也能保持穩(wěn)定。

一、氮化硅陶瓷的成球原理

為了將氮化硅陶瓷制備成高精度的圓潤(rùn)球體，關(guān)鍵就在于研磨拋光過(guò)程中工具與球坯接觸點(diǎn)的軌跡線(xiàn)是否能均勻地分布于球體表面。下圖是研磨拋光球體的基本原理，研具以角速度ω繞Z軸旋轉(zhuǎn)，與此同時(shí)被加工球以角速度ω₁繞其瞬時(shí)自轉(zhuǎn)軸Z₁回轉(zhuǎn)。球坯的自轉(zhuǎn)軸與水平軸的空間方位夾角為θ，簡(jiǎn)稱(chēng)為自轉(zhuǎn)角。當(dāng)自轉(zhuǎn)角θ不斷變化，就可能使研磨軌跡線(xiàn)均布于球面。

研磨拋光球體的基本原理

目前陶瓷球的機(jī)械研磨拋光方法大致有兩類(lèi)：一類(lèi)是杯狀研具加工方法，其特點(diǎn)是可實(shí)現(xiàn)球體自轉(zhuǎn)角的不斷變化，加工精度高，但每次只能加工一顆球，多用于生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)球和定位系統(tǒng)中的高精度球體。另一類(lèi)是磨盤(pán)加工方法，這是目前生產(chǎn)陶瓷球的主要方法，一次可以加工數(shù)以千計(jì)的球，效率高，但精度較低。除了機(jī)械拋光外，近年來(lái)還出現(xiàn)了磁流體拋光、化學(xué)機(jī)械拋光和超聲波輔助拋光等超精密加工陶瓷球的新技術(shù)。采用這些新的“柔性”加工技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)陶瓷球表面材料的微細(xì)切削，使余量得以塑性斷裂的方式去除，從而獲得超光滑無(wú)損傷表面。

磁流體研磨加工方式

但無(wú)論是什么研磨拋光方式，其基本原理就是通過(guò)磨粒及研磨液實(shí)現(xiàn)材料的高效去除，球體在磨粒及研磨液的作用下，加工變質(zhì)層逐漸減少或去除，得到光滑或超光滑的球面。作為硬脆性材料的陶瓷球，由于其表面能較低，所以對(duì)研磨液中各組成分有很高的要求。

二、研磨液的主要成分及作用

氮化硅陶瓷球?qū)儆谟泊嘈圆牧?，其加工技術(shù)主要包括機(jī)械研磨加工技術(shù)、化學(xué)研磨加工技術(shù)及化學(xué)機(jī)械研磨加工技術(shù)。這些研磨加工方式都需要研磨液來(lái)輔助加工，研磨液既能去除材料還能對(duì)工件表面精整處理。

研磨液的選用對(duì)研磨加工的效率和精度都有很大的影響，其在粗磨和精磨階段作用不同，粗磨階段著重提升研磨效率，精磨階段提升研磨精度。研磨液主要是由磨粒、研磨基液和添加劑等組成，球坯在研磨加工的過(guò)程中，磨粒相當(dāng)于刀具，可以去除表面余量，磨粒的硬度與大小影響加工效率與精度；基液是磨粒的載體，需滿(mǎn)足磨粒的充分懸??；添加劑主要是輔助磨粒研磨，改善研磨環(huán)境。研磨液中各成分的作用主要有以下幾點(diǎn)。

（一）磨料發(fā)揮的作用

1、研磨作用

徑向裂紋受到向工件內(nèi)部方向的作用力，這種裂紋會(huì)向工件內(nèi)部方向發(fā)展，會(huì)對(duì)工件有損害，降低了氮化硅材料原有的硬度，但是這種現(xiàn)象并不會(huì)迅速發(fā)展。氮化硅陶瓷球作為脆性材料，其實(shí)也可以在一定的加工條件下，通過(guò)塑性去除的形式去除材料，可以通過(guò)壓痕斷裂力學(xué)模型計(jì)算發(fā)生脆性去除的臨界條件，當(dāng)這個(gè)條件低于脆性去除的臨界條件時(shí)，氮化硅陶瓷球的材料去除主要以塑性去除為主，臨界條件與加壓載荷和磨粒的硬度有關(guān)，因此，在加壓載荷確定的情況下，研磨液中的磨粒會(huì)對(duì)氮化硅陶瓷球的研磨加工效果產(chǎn)生一定的影響，所以研磨液的磨粒選擇很重要。

磨粒與陶瓷球表面的加工區(qū)域示意圖

除此之外，研磨過(guò)程中還會(huì)出現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)，可以改變氮化硅陶瓷球表面材料的性質(zhì)，將較硬的氮化硅材料轉(zhuǎn)化為二氧化硅材料，從而降低球體表面的硬度，材料去除效果更好，提高了被加工件的表面質(zhì)量。

磨料的選擇上，若想對(duì)工件產(chǎn)生最好的作用，在選擇磨粒的時(shí)候一定要選擇同時(shí)有硬度大、高強(qiáng)度、韌性好、穩(wěn)定性高、化學(xué)穩(wěn)定性同時(shí)具備自銳性等性能的磨粒。一般來(lái)說(shuō)磨粒的硬度必須不能低于被加工工件的硬度，不然就不可能對(duì)工件進(jìn)行有效研磨，但時(shí)也不能過(guò)高，硬度過(guò)高往往會(huì)造成磨具磨損使其壽命縮短。

對(duì)于氮化硅高硬度陶瓷進(jìn)行研磨加工一般選用碳化物磨粒和金剛石類(lèi)磨粒。碳化硅具有高硬度、高強(qiáng)度、化學(xué)穩(wěn)定性好、熱穩(wěn)定性好的特點(diǎn)，成為陶瓷使用最多的材料，碳化硅在高溫、高壓、強(qiáng)酸、強(qiáng)堿條件下仍能保持化學(xué)性能不變，而且碳化硅具有相對(duì)小的摩擦系數(shù)，所以它的耐磨性能相對(duì)比較好。硬度大、熔點(diǎn)高、摩擦系數(shù)小等是金剛石同時(shí)具備的特點(diǎn)也適合氮化硅陶瓷研磨加工，但是金剛石價(jià)格昂貴，考慮經(jīng)濟(jì)問(wèn)題金剛石磨?？捎糜诔屑庸ぁ?/span>

金剛石磨料

（二）液相介質(zhì)發(fā)揮的作用

1、潤(rùn)滑作用

氮化硅陶瓷球的表面材料被去除后，碎屑分散在溶液中，對(duì)球體表面質(zhì)量影響較大，但是研磨液的潤(rùn)滑作用可以在球體和碎屑之間形成潤(rùn)滑膜，提高球體的轉(zhuǎn)動(dòng)或滾動(dòng)效率，球體表面受到保護(hù)，有助于提高研磨加工的效率，可以在避免出現(xiàn)損傷的同時(shí)提高材料去除率。研磨液中基液是主要的潤(rùn)滑介質(zhì)，通過(guò)水的作用實(shí)現(xiàn)邊界潤(rùn)滑，在與工件表面接觸的時(shí)候會(huì)形成吸附膜與反應(yīng)膜，這些邊界潤(rùn)滑膜可以很好地保護(hù)工件提高其自轉(zhuǎn)能力。

吸附膜主要有兩種，分別是物理吸附膜和化學(xué)吸附膜。物理吸附膜主要是靠研磨液中粒子之間的范德華力相互吸引而形成的，存在于負(fù)荷低、轉(zhuǎn)速低的研磨環(huán)境下；化學(xué)吸附膜主要是靠研磨液中極性分子之間的化學(xué)反應(yīng)而形成的，存在于高溫、高負(fù)荷、高轉(zhuǎn)速的研磨環(huán)境下，可以很好地保護(hù)工件的表面。

2、冷卻作用

研磨液的冷卻作用是指研磨液可以吸收在加工過(guò)程中球體與磨粒之間相互擠壓產(chǎn)生的熱量，使球體表面的溫度降低，避免因溫度過(guò)高而出現(xiàn)球體表面損傷等問(wèn)題。研磨液流過(guò)加工區(qū)域，通過(guò)流體的流動(dòng)性和液體汽化的方式帶走加工熱量，降低加工區(qū)域的溫度，保護(hù)被加工件。在加工區(qū)域的磨粒溫度也會(huì)升高，為了保證磨粒的自銳性能，增強(qiáng)磨削效率，需要研磨液有很好的冷卻性能。

研磨液的冷卻性能優(yōu)劣受到熱參數(shù)值和流動(dòng)性的影響，研磨液中的熱參數(shù)值大小由比熱容及導(dǎo)熱速率決定；液體的流動(dòng)性主要是由滲透性決定的，液體的滲透性取決于表面張力和黏稠度的大小。當(dāng)表面張力較大時(shí)，球體表面的研磨液會(huì)變成滴液狀，此時(shí)溶液與陶瓷球表面的接觸角較大，研磨液的滲透性能減弱，使其冷卻性變低；當(dāng)表面張力較小時(shí)，球體表面的研磨液會(huì)分散均勻，此時(shí)溶液與陶瓷球表面的接觸角較小，研磨液的滲透性能增強(qiáng)，使其冷卻性變強(qiáng)。

3、懸浮作用

磨粒與磨粒之間有一定的相互作用，會(huì)影響磨粒在研磨液中的存在形式，主要有兩種不同的形式：一種是團(tuán)聚形式，另一種為分散形式。磨粒之間的相互作用主要有3種，分別是靜電作用、范德華作用和空間位阻作用。

研磨液中磨粒的分散效果好壞主要由基液決定，當(dāng)基液介質(zhì)呈現(xiàn)親水性時(shí)，疏水性物質(zhì)會(huì)對(duì)水有一定的排斥作用，從而發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象和沉淀，要對(duì)其進(jìn)行親水化處理。分散研磨液中磨粒時(shí)，要對(duì)磨粒的物理性質(zhì)做出判斷，磨粒大小、疏水性等都會(huì)對(duì)研磨液的分散效果產(chǎn)生一定的影響。研磨液中磨粒的分散工藝有很多，常用的有機(jī)械攪拌、球磨分散及超聲分散等，其中超聲分散的效果更好，磨粒在研磨液中的分布相對(duì)均勻，研磨液的穩(wěn)定性更高。

4、清洗作用

氮化硅陶瓷球在加工過(guò)程中產(chǎn)生的切屑未被及時(shí)清理，碎屑長(zhǎng)時(shí)間地停留在工件與磨粒之間，或者附著在工件表面，不僅會(huì)對(duì)球體表面產(chǎn)生劃傷，還會(huì)影響加工效率。通過(guò)在研磨液中添加一些表面活性劑來(lái)增強(qiáng)研磨液的清洗能力，這些添加劑可以降低碎屑的附著能力，使其被流動(dòng)的研磨液帶走，避免了工件表面的損傷。研磨液的清潔能力與液體的流動(dòng)性和供壓大小有關(guān)，當(dāng)研磨液的流動(dòng)性較強(qiáng)時(shí)，清潔能力也會(huì)增強(qiáng)，比如水介質(zhì)研磨陶瓷球，其清潔效果大于油介質(zhì)研磨。

三、總結(jié)

陶瓷球的尺寸精度與表面質(zhì)量對(duì)軸承的壽命有著非常顯著的影響，而要追求尺寸精度和表面質(zhì)量就需要重視研磨液的選擇。通過(guò)分析研磨液主要成分以及作用，就能更具針對(duì)性地設(shè)計(jì)拋光液配方，對(duì)研發(fā)高效低成本的陶瓷球研磨拋光液將具有重要意義。

資料來(lái)源：

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