隨(sui)著(zhu)國內大(da)功率并網風力(li)發電(dian)機的相繼投入,以及航空(kong)航天事業的蓬勃(bo)發展,氮化硅陶(tao)瓷軸(zhou)承球在國內外(wai)市場需求強(qiang)勁。
氮(dan)化硅軸承(cheng)
而(er)它之(zhi)所以(yi)能(neng)應用于(yu)上述領域,是因為氮化硅陶(tao)瓷材料具有(you)高(gao)(gao)的(de)(de)硬度、耐(nai)磨性,低的(de)(de)密度和(he)熱(re)膨脹系數,優異(yi)的(de)(de)耐(nai)高(gao)(gao)溫、無磁性、耐(nai)腐蝕、高(gao)(gao)導熱(re)、自(zi)潤滑和(he)優異(yi)的(de)(de)抗(kang)熱(re)震(zhen)性、抗(kang)氧化性等諸多特點,因此是高(gao)(gao)溫、高(gao)(gao)速、高(gao)(gao)精度以(yi)及(ji)特殊(shu)環境下(xia)工作的(de)(de)軸承滾珠的(de)(de)首(shou)選材料。
注:Si3N4是一(yi)種無機物,本身硬度(du)大,具有潤滑性且耐磨(mo)損(sun),Si-N4四面體(ti)結(jie)構單(dan)元由1個(ge)Si原子和(he)4個(ge)N原子通過(guo)共(gong)價鍵(jian)鏈(lian)接而形成(cheng),四面體(ti)單(dan)元構成(cheng)三維空間網,特殊(shu)的(de)結(jie)構使氮化硅(gui)材料的(de)硬度非(fei)常高,莫氏硬度約(yue)為(wei)9,所以氮化硅(gui)材料在1400℃的(de)高溫下材料性能也能保持穩定。
一、氮化硅陶瓷(ci)的成球原理
為(wei)了將氮化(hua)硅陶(tao)瓷制備成高(gao)精(jing)度的(de)圓潤球(qiu)(qiu)體(ti)(ti),關(guan)鍵(jian)就在于研(yan)(yan)磨拋(pao)光過程(cheng)中工具與球(qiu)(qiu)坯(pi)接觸點的(de)軌跡線是否能均(jun)勻地(di)分布于球(qiu)(qiu)體(ti)(ti)表面。下圖是研(yan)(yan)磨拋(pao)光球(qiu)(qiu)體(ti)(ti)的(de)基本原理(li),研(yan)(yan)具以角(jiao)速度ω繞Z軸旋(xuan)轉,與此同時被加工球(qiu)(qiu)以角(jiao)速度ω1繞其瞬(shun)時自(zi)轉軸Z1回轉。球(qiu)坯的自(zi)(zi)轉軸與水平(ping)軸的空間方位夾(jia)角(jiao)為(wei)θ,簡(jian)稱為(wei)自(zi)(zi)轉角(jiao)。當自(zi)(zi)轉角(jiao)θ不斷變化,就可能使研磨軌跡線均布于(yu)球(qiu)面。
研磨拋光(guang)球體的基本原理(li)
目前陶瓷球的(de)機械研磨(mo)拋光(guang)方(fang)法(fa)大致有(you)兩(liang)類:一類是杯狀研具加工(gong)(gong)(gong)方(fang)法(fa),其特點(dian)是可(ke)實(shi)現(xian)球體自(zi)轉(zhuan)角(jiao)的(de)不斷(duan)變(bian)化,加工(gong)(gong)(gong)精(jing)度(du)高(gao),但每次只能(neng)加工(gong)(gong)(gong)一顆球,多(duo)用于生(sheng)產標準(zhun)球和定位系統中的(de)高(gao)精(jing)度(du)球體。另一類是磨(mo)盤加工(gong)(gong)(gong)方(fang)法(fa),這是目前生(sheng)產陶瓷球的(de)主要方(fang)法(fa),一次可(ke)以加工(gong)(gong)(gong)數以千計的(de)球,效(xiao)率高(gao),但精(jing)度(du)較(jiao)低。除(chu)了機械拋光(guang)外,近年來還出現(xian)了磁流(liu)體拋光(guang)、化學機械拋光(guang)和超(chao)聲(sheng)波(bo)輔(fu)助拋光(guang)等超(chao)精(jing)密加工(gong)(gong)(gong)陶瓷球的(de)新技(ji)術。采(cai)用這些(xie)新的(de)“柔性”加工(gong)(gong)(gong)技(ji)術可(ke)以實(shi)現(xian)對陶瓷球表面材料的(de)微(wei)細切削,使余量得(de)(de)以塑性斷(duan)裂的(de)方(fang)式(shi)去除(chu),從而(er)獲得(de)(de)超(chao)光(guang)滑無損(sun)傷表面。
磁流體研磨加工方式
但無論是(shi)什么(me)研磨(mo)(mo)(mo)拋(pao)光方式,其基本原理就是(shi)通過磨(mo)(mo)(mo)粒及(ji)(ji)研磨(mo)(mo)(mo)液實現材料的(de)(de)高效去(qu)除,球(qiu)體(ti)(ti)在磨(mo)(mo)(mo)粒及(ji)(ji)研磨(mo)(mo)(mo)液的(de)(de)作用(yong)下,加工變質層(ceng)逐漸減少或(huo)去(qu)除,得(de)到光滑或(huo)超光滑的(de)(de)球(qiu)面(mian)。作為硬脆性材料的(de)(de)陶瓷球(qiu),由于其表面(mian)能(neng)較低,所以(yi)對(dui)研磨(mo)(mo)(mo)液中各組成(cheng)分(fen)有很高的(de)(de)要求(qiu)。
二、研磨液(ye)的(de)主要成(cheng)分及作用(yong)
氮化硅陶(tao)瓷球屬于硬脆性材料,其加工(gong)技術(shu)主要包括機械研磨(mo)(mo)加工(gong)技術(shu)、化學(xue)研磨(mo)(mo)加工(gong)技術(shu)及化學(xue)機械研磨(mo)(mo)加工(gong)技術(shu)。這(zhe)些研磨(mo)(mo)加工(gong)方式都需要研磨液來輔(fu)助加工(gong),研(yan)磨液既能(neng)去除材(cai)料還(huan)能(neng)對工(gong)件表面精整處理。
研(yan)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)液的(de)(de)選用(yong)對研(yan)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)加(jia)工(gong)的(de)(de)效(xiao)率和精(jing)度都有很大(da)的(de)(de)影響(xiang),其在(zai)粗磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)和精(jing)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)階(jie)段作(zuo)用(yong)不同,粗磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)階(jie)段著重提升研(yan)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)效(xiao)率,精(jing)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)階(jie)段提升研(yan)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)精(jing)度。研(yan)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)液主要是(shi)由磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)、研(yan)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)基液和添(tian)加(jia)劑等組成,球坯在(zai)研(yan)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)加(jia)工(gong)的(de)(de)過(guo)程中,磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)相當于刀具,可以去除表(biao)面余量,磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)的(de)(de)硬度與大(da)小(xiao)影響(xiang)加(jia)工(gong)效(xiao)率與精(jing)度;基液是(shi)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)的(de)(de)載體(ti),需滿足磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)的(de)(de)充(chong)分懸浮;添(tian)加(jia)劑主要是(shi)輔助磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)(li)研(yan)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo),改善(shan)研(yan)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)環境。研(yan)磨(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)(mo)液中各成分的(de)(de)作(zuo)用(yong)主要有以下幾點。
(一)磨料發揮(hui)的作(zuo)用
1、研磨(mo)作用
徑向(xiang)裂紋受到向(xiang)工件內(nei)部方向(xiang)的(de)(de)作(zuo)用(yong)力(li),這(zhe)種裂紋會(hui)向(xiang)工件內(nei)部方向(xiang)發(fa)展,會(hui)對(dui)(dui)工件有(you)損(sun)害(hai),降低了氮(dan)化(hua)硅材料(liao)原有(you)的(de)(de)硬(ying)度,但是這(zhe)種現象并不會(hui)迅(xun)速(su)發(fa)展。氮(dan)化(hua)硅陶(tao)(tao)(tao)瓷球作(zuo)為脆性材料(liao),其實也可(ke)以(yi)在一(yi)定(ding)的(de)(de)加工條(tiao)件下(xia),通過塑性去(qu)除(chu)的(de)(de)形式(shi)去(qu)除(chu)材料(liao),可(ke)以(yi)通過壓痕(hen)斷裂力(li)學(xue)模型(xing)計算發(fa)生(sheng)脆性去(qu)除(chu)的(de)(de)臨界(jie)條(tiao)件,當這(zhe)個條(tiao)件低于脆性去(qu)除(chu)的(de)(de)臨界(jie)條(tiao)件時,氮(dan)化(hua)硅陶(tao)(tao)(tao)瓷球的(de)(de)材料(liao)去(qu)除(chu)主要(yao)以(yi)塑性去(qu)除(chu)為主,臨界(jie)條(tiao)件與加壓載荷和磨(mo)粒的(de)(de)硬(ying)度有(you)關,因此,在加壓載荷確定(ding)的(de)(de)情況(kuang)下(xia),研磨(mo)液(ye)中的(de)(de)磨(mo)粒會(hui)對(dui)(dui)氮(dan)化(hua)硅陶(tao)(tao)(tao)瓷球的(de)(de)研磨(mo)加工效果產生(sheng)一(yi)定(ding)的(de)(de)影(ying)響(xiang),所以(yi)研磨(mo)液(ye)的(de)(de)磨(mo)粒選擇(ze)很(hen)重要(yao)。
磨(mo)粒與陶(tao)瓷球表面的加工區域(yu)示意(yi)圖
除此之外,研(yan)磨過(guo)程中(zhong)還會出現化(hua)學反應,可以(yi)改變氮化(hua)硅(gui)陶(tao)瓷球(qiu)表面(mian)(mian)(mian)材(cai)料(liao)的性質,將(jiang)較硬的氮化(hua)硅(gui)材(cai)料(liao)轉化(hua)為二材(cai)料(liao),從而降(jiang)低球(qiu)體(ti)表面(mian)(mian)(mian)的硬度,材(cai)料(liao)去除效果更好,提(ti)高(gao)了(le)被(bei)加工件的表面(mian)(mian)(mian)質量。
磨料的選(xuan)(xuan)擇(ze)上(shang),若想對工(gong)(gong)件產生最好的作用,在選(xuan)(xuan)擇(ze)磨粒的時(shi)候一定(ding)要選(xuan)(xuan)擇(ze)同時(shi)有硬度大、高強(qiang)度、韌性(xing)(xing)(xing)好、穩定(ding)性(xing)(xing)(xing)高、化學穩定(ding)性(xing)(xing)(xing)同時(shi)具(ju)備自銳性(xing)(xing)(xing)等(deng)性(xing)(xing)(xing)能(neng)的磨粒。一般來說(shuo)磨粒的硬度必須不(bu)能(neng)低于被加工(gong)(gong)工(gong)(gong)件的硬度,不(bu)然就不(bu)可能(neng)對工(gong)(gong)件進行有效(xiao)研磨,但時(shi)也不(bu)能(neng)過高,硬度過高往往會造成磨具(ju)磨損使其(qi)壽(shou)命縮短。
對(dui)于氮化硅(gui)高硬度陶(tao)瓷進行研(yan)磨加工(gong)一般選用碳(tan)化物磨(mo)粒和金剛石類磨(mo)粒。碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)硅(gui)具有(you)高(gao)硬度、高(gao)強(qiang)度、化(hua)(hua)(hua)(hua)學穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)(xing)好、熱穩(wen)定(ding)性(xing)(xing)(xing)好的(de)(de)特點(dian),成為(wei)陶瓷使(shi)用最多的(de)(de)材料(liao),碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)硅(gui)在高(gao)溫、高(gao)壓(ya)、強(qiang)酸、強(qiang)堿(jian)條件下仍(reng)能保持化(hua)(hua)(hua)(hua)學性(xing)(xing)(xing)能不變,而(er)且碳(tan)(tan)化(hua)(hua)(hua)(hua)硅(gui)具有(you)相(xiang)對小(xiao)的(de)(de)摩(mo)擦(ca)系數(shu),所以它的(de)(de)耐磨性(xing)(xing)(xing)能相(xiang)對比較好。硬度大(da)、熔點(dian)高(gao)、摩(mo)擦(ca)系數(shu)小(xiao)等是金(jin)(jin)剛(gang)石同時(shi)具備的(de)(de)特點(dian)也適合氮化(hua)(hua)(hua)(hua)硅(gui)陶瓷研磨加(jia)工,但(dan)是金(jin)(jin)剛(gang)石價格昂(ang)貴,考慮經濟問題金(jin)(jin)剛(gang)石磨粒可用于(yu)超精研加(jia)工。
金剛石磨料
(二(er))液相介質發揮的(de)作用(yong)
1、潤滑作用
氮化硅陶(tao)瓷球(qiu)(qiu)的(de)表(biao)面材料(liao)(liao)被去除后,碎屑分(fen)散在(zai)(zai)溶液(ye)(ye)(ye)中,對(dui)球(qiu)(qiu)體表(biao)面質量影響較(jiao)大,但是研磨(mo)(mo)液(ye)(ye)(ye)的(de)潤(run)滑(hua)作(zuo)用可(ke)以在(zai)(zai)球(qiu)(qiu)體和碎屑之間形成潤(run)滑(hua)膜(mo),提(ti)高(gao)球(qiu)(qiu)體的(de)轉動(dong)或滾動(dong)效(xiao)率(lv)(lv),球(qiu)(qiu)體表(biao)面受到保(bao)護(hu),有助于提(ti)高(gao)研磨(mo)(mo)加工的(de)效(xiao)率(lv)(lv),可(ke)以在(zai)(zai)避免(mian)出現(xian)損傷的(de)同時(shi)提(ti)高(gao)材料(liao)(liao)去除率(lv)(lv)。研磨(mo)(mo)液(ye)(ye)(ye)中基(ji)液(ye)(ye)(ye)是主要的(de)潤(run)滑(hua)介質,通過水(shui)的(de)作(zuo)用實現(xian)邊界潤(run)滑(hua),在(zai)(zai)與(yu)工件表(biao)面接(jie)觸(chu)的(de)時(shi)候會形成吸附(fu)膜(mo)與(yu)反應膜(mo),這些邊界潤(run)滑(hua)膜(mo)可(ke)以很好(hao)地(di)保(bao)護(hu)工件提(ti)高(gao)其自轉能力。
吸附膜主要(yao)(yao)有兩(liang)種,分(fen)別是物理(li)吸附膜和化(hua)學(xue)吸附膜。物理(li)吸附膜主要(yao)(yao)是靠研磨(mo)液中粒子(zi)之間的(de)(de)范德華力相互吸引而(er)形成的(de)(de),存在于負荷(he)低(di)(di)、轉速低(di)(di)的(de)(de)研磨(mo)環境下;化(hua)學(xue)吸附膜主要(yao)(yao)是靠研磨(mo)液中極性分(fen)子(zi)之間的(de)(de)化(hua)學(xue)反應而(er)形成的(de)(de),存在于高溫、高負荷(he)、高轉速的(de)(de)研磨(mo)環境下,可以(yi)很(hen)好地保護工件的(de)(de)表面。
2、冷卻作(zuo)用
研磨(mo)液(ye)(ye)(ye)的冷(leng)卻(que)(que)作(zuo)用是指研磨(mo)液(ye)(ye)(ye)可以吸收在(zai)加(jia)工過(guo)(guo)(guo)程(cheng)中球(qiu)體(ti)與磨(mo)粒(li)之間相互擠壓產生(sheng)的熱量(liang),使球(qiu)體(ti)表(biao)面的溫度降低,避免因溫度過(guo)(guo)(guo)高(gao)而(er)出現球(qiu)體(ti)表(biao)面損(sun)傷等問題(ti)。研磨(mo)液(ye)(ye)(ye)流過(guo)(guo)(guo)加(jia)工區(qu)域(yu),通(tong)過(guo)(guo)(guo)流體(ti)的流動性和液(ye)(ye)(ye)體(ti)汽化的方式(shi)帶(dai)走加(jia)工熱量(liang),降低加(jia)工區(qu)域(yu)的溫度,保護被加(jia)工件。在(zai)加(jia)工區(qu)域(yu)的磨(mo)粒(li)溫度也會(hui)升(sheng)高(gao),為(wei)了保證(zheng)磨(mo)粒(li)的自(zi)銳性能,增強磨(mo)削效率,需要研磨(mo)液(ye)(ye)(ye)有很好的冷(leng)卻(que)(que)性能。
研磨(mo)液(ye)的(de)(de)冷(leng)卻性(xing)(xing)能優劣受到(dao)熱(re)參數(shu)值和(he)流(liu)動(dong)性(xing)(xing)的(de)(de)影響,研磨(mo)液(ye)中(zhong)的(de)(de)熱(re)參數(shu)值大小(xiao)由(you)比熱(re)容及導熱(re)速(su)率決(jue)定;液(ye)體(ti)的(de)(de)流(liu)動(dong)性(xing)(xing)主要是由(you)滲(shen)透性(xing)(xing)決(jue)定的(de)(de),液(ye)體(ti)的(de)(de)滲(shen)透性(xing)(xing)取決(jue)于表(biao)(biao)(biao)面張力和(he)黏稠(chou)度(du)的(de)(de)大小(xiao)。當(dang)表(biao)(biao)(biao)面張力較大時,球(qiu)體(ti)表(biao)(biao)(biao)面的(de)(de)研磨(mo)液(ye)會(hui)變(bian)成滴液(ye)狀,此時溶(rong)液(ye)與(yu)陶(tao)瓷(ci)球(qiu)表(biao)(biao)(biao)面的(de)(de)接觸(chu)角(jiao)較大,研磨(mo)液(ye)的(de)(de)滲(shen)透性(xing)(xing)能減弱(ruo),使(shi)其冷(leng)卻性(xing)(xing)變(bian)低;當(dang)表(biao)(biao)(biao)面張力較小(xiao)時,球(qiu)體(ti)表(biao)(biao)(biao)面的(de)(de)研磨(mo)液(ye)會(hui)分散均勻,此時溶(rong)液(ye)與(yu)陶(tao)瓷(ci)球(qiu)表(biao)(biao)(biao)面的(de)(de)接觸(chu)角(jiao)較小(xiao),研磨(mo)液(ye)的(de)(de)滲(shen)透性(xing)(xing)能增強(qiang),使(shi)其冷(leng)卻性(xing)(xing)變(bian)強(qiang)。
3、懸(xuan)浮(fu)作用
磨(mo)粒(li)與磨(mo)粒(li)之間有(you)一定(ding)的相互作(zuo)用(yong),會影響(xiang)磨(mo)粒(li)在研磨(mo)液(ye)中的存在形(xing)式(shi),主要(yao)有(you)兩種不同的形(xing)式(shi):一種是團聚形(xing)式(shi),另一種為分(fen)散形(xing)式(shi)。磨(mo)粒(li)之間的相互作(zuo)用(yong)主要(yao)有(you)3種,分(fen)別(bie)是靜電作(zuo)用(yong)、范德(de)華(hua)作(zuo)用(yong)和空(kong)間位(wei)阻(zu)作(zuo)用(yong)。
研(yan)磨(mo)(mo)液(ye)(ye)(ye)中磨(mo)(mo)粒(li)的(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)散(san)效(xiao)果好(hao)壞(huai)主要由基(ji)液(ye)(ye)(ye)決(jue)定(ding),當基(ji)液(ye)(ye)(ye)介質呈現親水(shui)性時(shi)(shi),疏水(shui)性物(wu)質會對(dui)水(shui)有(you)一定(ding)的(de)排斥作用,從而發生(sheng)團聚現象和(he)沉淀,要對(dui)其進行親水(shui)化(hua)處理(li)。分(fen)(fen)(fen)(fen)散(san)研(yan)磨(mo)(mo)液(ye)(ye)(ye)中磨(mo)(mo)粒(li)時(shi)(shi),要對(dui)磨(mo)(mo)粒(li)的(de)物(wu)理(li)性質做出(chu)判斷,磨(mo)(mo)粒(li)大小、疏水(shui)性等(deng)(deng)都會對(dui)研(yan)磨(mo)(mo)液(ye)(ye)(ye)的(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)散(san)效(xiao)果產生(sheng)一定(ding)的(de)影響。研(yan)磨(mo)(mo)液(ye)(ye)(ye)中磨(mo)(mo)粒(li)的(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)散(san)工藝有(you)很(hen)多(duo),常用的(de)有(you)機械攪拌、球磨(mo)(mo)分(fen)(fen)(fen)(fen)散(san)及超聲分(fen)(fen)(fen)(fen)散(san)等(deng)(deng),其中超聲分(fen)(fen)(fen)(fen)散(san)的(de)效(xiao)果更好(hao),磨(mo)(mo)粒(li)在(zai)研(yan)磨(mo)(mo)液(ye)(ye)(ye)中的(de)分(fen)(fen)(fen)(fen)布相對(dui)均(jun)勻,研(yan)磨(mo)(mo)液(ye)(ye)(ye)的(de)穩定(ding)性更高(gao)。
4、清(qing)洗(xi)作用
氮化硅陶瓷球(qiu)在加(jia)(jia)工(gong)過程中(zhong)產生的(de)切屑(xie)未(wei)被(bei)及時清(qing)理,碎屑(xie)長時間地停留在工(gong)件與磨(mo)(mo)粒(li)之間,或者附(fu)著(zhu)在工(gong)件表(biao)(biao)面,不僅會對球(qiu)體表(biao)(biao)面產生劃(hua)傷(shang)(shang),還會影響(xiang)加(jia)(jia)工(gong)效率。通過在研(yan)磨(mo)(mo)液中(zhong)添加(jia)(jia)一些表(biao)(biao)面活性劑(ji)來增強研(yan)磨(mo)(mo)液的(de)清(qing)洗能力,這些添加(jia)(jia)劑(ji)可(ke)以降低碎屑(xie)的(de)附(fu)著(zhu)能力,使其(qi)被(bei)流(liu)動的(de)研(yan)磨(mo)(mo)液帶(dai)走(zou),避免了工(gong)件表(biao)(biao)面的(de)損傷(shang)(shang)。研(yan)磨(mo)(mo)液的(de)清(qing)潔能力與液體的(de)流(liu)動性和供壓大(da)小有關,當(dang)研(yan)磨(mo)(mo)液的(de)流(liu)動性較強時,清(qing)潔能力也會增強,比如水介質(zhi)研(yan)磨(mo)(mo)陶瓷球(qiu),其(qi)清(qing)潔效果大(da)于(yu)油介質(zhi)研(yan)磨(mo)(mo)。
三、總結
陶(tao)(tao)瓷(ci)球的尺寸(cun)精度(du)與表(biao)(biao)面質量(liang)對(dui)(dui)軸承的壽命有著非常(chang)顯著的影響,而要(yao)追(zhui)求尺寸(cun)精度(du)和表(biao)(biao)面質量(liang)就需要(yao)重視研磨液的選擇。通過分析研磨液主要(yao)成分以及作用,就能更(geng)具針對(dui)(dui)性地設計拋光液配方,對(dui)(dui)研發高效低成本的陶(tao)(tao)瓷(ci)球研磨拋光液將具有重要(yao)意(yi)義。
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