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鄒小姐：13326633089 -
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隨著國內大功率并網風力發電機的相繼投入，以及航空航天事業的蓬勃發展，氮化硅陶瓷軸承球在國內外市場需求強勁。
氮化硅軸承
而它之所以能應用于上述領域，是因為氮化硅陶瓷材料具有高的硬度、耐磨性，低的密度和熱膨脹系數，優異的耐高溫、無磁性、耐腐蝕、高導熱、自潤滑和優異的抗熱震性、抗氧化性等諸多特點，因此是高溫、高速、高精度以及特殊環境下工作的軸承滾珠的首選材料。
注：Si3N4是一種無機物，本身硬度大，具有潤滑性且耐磨損，Si-N4四面體結構單元由1個Si原子和4個N原子通過共價鍵鏈接而形成，四面體單元構成三維空間網，特殊的結構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球體，關鍵就在于研磨拋光過程中工具與球坯接觸點的軌跡線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，與此同時被加工球以角速度ω1繞其瞬時自轉軸Z1回轉。球坯的自轉軸與水平軸的空間方位夾角為θ，簡稱為自轉角。當自轉角θ不斷變化，就可能使研磨軌跡線均布于球面。
研磨拋光球體的基本原理
目前陶瓷球的機械研磨拋光方法大致有兩類：一類是杯狀研具加工方法，其特點是可實現球體自轉角的不斷變化，加工精度高，但每次只能加工一顆球，多用于生產標準球和定位系統中的高精度球體。另一類是磨盤加工方法，這是目前生產陶瓷球的主要方法，一次可以加工數以千計的球，效率高，但精度較低。除了機械拋光外，近年來還出現了磁流體拋光、化學機械拋光和超聲波輔助拋光等超精密加工陶瓷球的新技術。采用這些新的“柔性”加工技術可以實現對陶瓷球表面材料的微細切削，使余量得以塑性斷裂的方式去除，從而獲得超光滑無損傷表面。
磁流體研磨加工方式
但無論是什么研磨拋光方式，其基本原理就是通過磨粒及研磨液實現材料的高效去除，球體在磨粒及研磨液的作用下，加工變質層逐漸減少或去除，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
氮化硅陶瓷球屬于硬脆性材料，其加工技術主要包括機械研磨加工技術、化學研磨加工技術及化學機械研磨加工技術。這些研磨加工方式都需要研磨液來輔助加工，研磨液既能去除材料還能對工件表面精整處理。
研磨液的選用對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程中，磨粒相當于刀具，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，需滿足磨粒的充分懸浮；添加劑主要是輔助磨粒研磨，改善研磨環境。研磨液中各成分的作用主要有以下幾點。
（一）磨料發揮的作用
1、研磨作用
徑向裂紋受到向工件內部方向的作用力，這種裂紋會向工件內部方向發展，會對工件有損害，降低了氮化硅材料原有的硬度，但是這種現象并不會迅速發展。氮化硅陶瓷球作為脆性材料，其實也可以在一定的加工條件下，通過塑性去除的形式去除材料，可以通過壓痕斷裂力學模型計算發生脆性去除的臨界條件，當這個條件低于脆性去除的臨界條件時，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，因此，在加壓載荷確定的情況下，研磨液中的磨粒會對氮化硅陶瓷球的研磨加工效果產生一定的影響，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域示意圖
除此之外，研磨過程中還會出現化學反應，可以改變氮化硅陶瓷球表面材料的性質，將較硬的氮化硅材料轉化為二材料，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量。
磨料的選擇上，若想對工件產生最好的作用，在選擇磨粒的時候一定要選擇同時有硬度大、高強度、韌性好、穩定性高、化學穩定性同時具備自銳性等性能的磨粒。一般來說磨粒的硬度必須不能低于被加工工件的硬度，不然就不可能對工件進行有效研磨，但時也不能過高，硬度過高往往會造成磨具磨損使其壽命縮短。
對于氮化硅高硬度陶瓷進行研磨加工一般選用碳化物磨粒和金剛石類磨粒。碳化硅具有高硬度、高強度、化學穩定性好、熱穩定性好的特點，成為陶瓷使用最多的材料，碳化硅在高溫、高壓、強酸、強堿條件下仍能保持化學性能不變，而且碳化硅具有相對小的摩擦系數，所以它的耐磨性能相對比較好。硬度大、熔點高、摩擦系數小等是金剛石同時具備的特點也適合氮化硅陶瓷研磨加工，但是金剛石價格昂貴，考慮經濟問題金剛石磨粒可用于超精研加工。
金剛石磨料
（二）液相介質發揮的作用
1、潤滑作用
氮化硅陶瓷球的表面材料被去除后，碎屑分散在溶液中，對球體表面質量影響較大，但是研磨液的潤滑作用可以在球體和碎屑之間形成潤滑膜，提高球體的轉動或滾動效率，球體表面受到保護，有助于提高研磨加工的效率，可以在避免出現損傷的同時提高材料去除率。研磨液中基液是主要的潤滑介質，通過水的作用實現邊界潤滑，在與工件表面接觸的時候會形成吸附膜與反應膜，這些邊界潤滑膜可以很好地保護工件提高其自轉能力。
吸附膜主要有兩種，分別是物理吸附膜和化學吸附膜。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，存在于負荷低、轉速低的研磨環境下；化學吸附膜主要是靠研磨液中極性分子之間的化學反應而形成的，存在于高溫、高負荷、高轉速的研磨環境下，可以很好地保護工件的表面。
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程中球體與磨粒之間相互擠壓產生的熱量，使球體表面的溫度降低，避免因溫度過高而出現球體表面損傷等問題。研磨液流過加工區域，通過流體的流動性和液體汽化的方式帶走加工熱量，降低加工區域的溫度，保護被加工件。在加工區域的磨粒溫度也會升高，為了保證磨粒的自銳性能，增強磨削效率，需要研磨液有很好的冷卻性能。
研磨液的冷卻性能優劣受到熱參數值和流動性的影響，研磨液中的熱參數值大小由比熱容及導熱速率決定；液體的流動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。當表面張力較大時，球體表面的研磨液會變成滴液狀，此時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；當表面張力較小時，球體表面的研磨液會分散均勻，此時溶液與陶瓷球表面的接觸角較小，研磨液的滲透性能增強，使其冷卻性變強。
3、懸浮作用
磨粒與磨粒之間有一定的相互作用，會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，當基液介質呈現親水性時，疏水性物質會對水有一定的排斥作用，從而發生團聚現象和沉淀，要對其進行親水化處理。分散研磨液中磨粒時，要對磨粒的物理性質做出判斷，磨粒大小、疏水性等都會對研磨液的分散效果產生一定的影響。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均勻，研磨液的穩定性更高。
4、清洗作用
氮化硅陶瓷球在加工過程中產生的切屑未被及時清理，碎屑長時間地停留在工件與磨粒之間，或者附著在工件表面，不僅會對球體表面產生劃傷，還會影響加工效率。通過在研磨液中添加一些表面活性劑來增強研磨液的清洗能力，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性和供壓大小有關，當研磨液的流動性較強時，清潔能力也會增強，比如水介質研磨陶瓷球，其清潔效果大于油介質研磨。
三、總結
陶瓷球的尺寸精度與表面質量對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量就需要重視研磨液的選擇。通過分析研磨液主要成分以及作用，就能更具針對性地設計拋光液配方，對研發高效低成本的陶瓷球研磨拋光液將具有重要意義。
資料來源：
張松林,薛會民. 氮化硅陶瓷球研磨液的機理研究[J]. 機械工程師,2023(10):17-19,23.
張松林. 氮化硅陶瓷球水基研磨液的研究[D]. 河北:河北工程大學,2022.
張益昆. 氮化硅陶瓷球專用研磨液的研究及裝置設計[D]. 河北:河北工程大學,2020.
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