被譽為“最強軸承滾珠”的氮化硅陶瓷球不僅性能過硬，被廣泛應用于風力發電機、高速精密主軸、高溫發動機等領域，就連它的顏值都很爆表，黑得深邃亮得晃眼，很有一股高端范兒。

但氮化硅球那靚麗的表面并不是為了好看而存在的，而是因為氮化硅本質上屬硬脆材料，對機械研磨和拋光過程中造成的缺陷非常敏感，表面不完整很容易引起疲勞失效，因此在投入使用前應盡量保證其表面質量和粗糙度達到最佳狀態。

可以說，精密磨削和拋光質量是影響氮化硅軸承球性能和使用壽命的重要因素。具體能讓它們達到“最佳狀態”的方式有哪幾種，下面便來簡單介紹一下。

磁懸浮拋光技術

磁懸浮拋光技術是一項新的先進陶瓷表面加工技術，能夠獲得良好的表面粗糙度和尺寸精度，是一種加工平面、圓形硬脆材料的高校費比的方法，是以磁流體的磁流體動力學為基礎的，其主要原理如下圖所示。

氮化硅毛胚球放置于充滿磁流體、磨料及水混合物的圓柱形容器內，其下是一排條狀永磁體。磁流體是由強磁性粒子（通常是膠質Fe₃O₄）分散在液體中所形成的一種膠體懸浮物，具有磁特性，將一定的磨料等非磁性添加到磁流體中形成混合液。在具有磁場梯度的特殊磁場的作用下，磁性粒子向強磁場方向運動，對磨料產生反向浮力，懸浮于磁流體中。當主軸轉動時，在摩擦力和膠粘力的作用下，陶瓷球繞容器公轉并自轉，同時與研磨盤產生相對滑動。氮化硅陶瓷球被懸浮在磁流體中和部分磨料嵌入研磨盤表面的磨料研磨。

由于給氮化硅陶瓷球施加的壓力很小，約為1N/球，而且是彈性可控的，因此大大減少了機械磨削造成的陶瓷球表面劃痕和微裂紋。為了近一步提高加工效率和加工質量，減少表面缺陷，通常在此過程中結合化學機械拋光技術使用。

化學機械拋光

化學機械拋光具有加工效率高、表面粗糙度低、加工變質層小等技術特點，目前已被廣泛用于各種功能陶瓷、工程陶瓷的金屬材料的表面精加工。在化學機械拋光過程中，懸浮于液態介質中納米級的微細軟質磨粒會與相應的拋光液一起，在磨粒與工件的接觸點上摩擦而產生高溫高壓，在極短的時間內產生固相反應，軟化材料表面。反應產物會以0.1nm級的微小單位由工件與拋光盤之間的機械摩擦作用去除，從而獲得極為光滑的表面。

在磨料的選擇上，要注意不能選取比工件材料硬的磨料，因為硬磨料在工作時，它的機械拋光會起主導作用，反而會增大工件表面的缺陷。目前行業內更多會采用氧化鈰（CeO₂）拋光液對氮化硅陶瓷球進行化學機械拋光，一是因為它能直接與Si₃N₄發生化學反應，形成SiO₂層；二是它的硬度接近于SiO₂的硬度，明顯低于Si₃N₄的硬度，因此幾乎不會對氮化硅球造成刮痕等損傷。

超聲振動輔助拋光

超聲加工是利用超聲振動的工具在有磨料的液體介質中或干磨料中產生磨料的沖擊、拋磨、液壓沖擊及氣蝕作用來去除材料的一種工藝。曾有人嘗試在粗磨階段增加了上磨盤的超聲扭轉振動，使加工速度比傳統方法提高了2~3倍。

超聲振動與非超聲振動加工表面形貌圖

上圖為研究員在實驗中，對施加超聲振動與未施加超聲振動磨削的氮化硅陶瓷表面形貌所做的SEM對比圖?？砂l現：無超聲振動加工表面破碎嚴重，有很多由沿裂紋擴展而形成的剝落坑，坑底分布很多細小的氮化硅顆粒，為磨粒擠壓導致材料破碎而形成。施加超聲振動后，磨粒周期性撞擊陶瓷表面，在工件表面附近大量產生側向裂紋，側向裂紋擴展閉合導致材料去除。在提高去除效率的同時，對加工表面質量影響很小，工件表面僅分布少量缺陷。

另外，還有研究人員將磁流變拋光技術與超聲波技術相結合對氮化硅陶瓷球進行拋光，結果表明：超聲波拋光后材料去除率高于無超聲波振動時的材料去除率，超聲波振動拋光后的氮化硅陶瓷球表面 Ra值由0.260 m降至0.025 m。

團簇式磁流變拋光

為了實現高精度陶瓷球的高效加工，有一個研究小組提出了一種新型的團簇磁流變拋光陶瓷球技術，即在非磁性材料制成的上下拋光盤背面，有規則地排列多個小磁性物體，然后將磁流變拋光液注入拋光盤，利用磁流變拋光液在磁場中流變性，使它在磁極上方形成團簇磁流變效應拋光墊。

注：磁流變拋光液的制備主要由離散的微米級磁性顆粒、載液和表長面活性劑。在無外加磁場時，磁性微粒無規則分布，磁流變液為可流動液體狀態；而在外加磁場作用下，磁性微粒呈鏈狀分布，其流變特性急劇轉變（毫秒級），表現為類似固體的性質；撤除磁場后，又會立刻恢復原液體性質。

在上下拋光盤表面形成的團簇磁流變效應拋光墊，可用于覆蓋和拋光陶瓷球，兩者間存在一定的間隙。利用拋光液形成的柔性“小磨頭”，可與工件之間發生快速的相對運動，使工件表面受到很大的剪切力，從而使工件表面材料被去除。加工過程中，由于磁流變拋光墊總是覆蓋著陶瓷球，使剛性接觸變為柔性接觸，可大大減少了磨削沖擊和加熱引起的二次變形。

資料來源：

氮化硅陶瓷球的超精密研磨技術，呂冰海，袁巨龍，林旭。

氮化硅球超精密加工技術介紹 by Cathie Montanez

氮化硅陶瓷超聲振動磨削機理及表面質量研究，周雪鋼。

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