氮化硅陶瓷球研磨液的機理研究

張松林，薛會民

（河北工程大學 機械與裝備工程學院，河北 邯鄲 056038）

0 引言

氮化硅陶瓷材料由于其低密度、高硬度、耐腐蝕、耐高溫和自潤滑性能等諸多特點，常被用作陶瓷球軸承的滾動體材料。氮化硅陶瓷球的研磨加工主要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[1]。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。

1 氮化硅的特性

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（如圖1），四面體單元構成三維空間網[2]，特殊的結構使氮化硅材料的硬度非常高，莫氏硬度約為9（金剛石的莫氏硬度為10），所以氮化硅材料在1400 ℃的高溫下材料性能也能保持穩定[3]。氮化硅材料的摩擦因數很小，經過加工后的氮化硅陶瓷球的摩擦因數在0.5以下，即使在高溫情況下也基本不變，主要是因為在加工過程中氮化硅球體的表面會發生微量分解，從而形成一層很薄的氣膜，降低了摩擦阻力，提高了自潤滑性。

圖1 Si3N4四面體結構

氮化硅陶瓷材料具有一定的抗氧化性，但是在一定的條件下可以與氧氣發生反應：

氮化硅在一定條件下也會發生水解反應：

氮化硅材料具有一定的抗腐蝕性，不易溶于酸性及堿性溶液，只溶于氫氟酸溶液。氮化硅材料具有較小的熱膨系數，導熱性能優異，熱應力極低，抗熱震性較好。由于特殊的結構，氮化硅的網狀結構需要很大的作用力才能破壞，才能實現表面材料的去除。氮化硅材料的質量較輕，僅僅是軸承鋼的1/3，較小的離心力，使其旋轉的速度更快。

氮化硅陶瓷材料的主要力學性能參數如表1所示，從表1中可以看出，氮化硅陶瓷材料具有優異的力學性能，常被用作陶瓷球軸承的滾動體材料，可以在高溫、高強度、強腐蝕性等惡劣環境下工作。

表1 氮化硅陶瓷球的主要力學性能參數

2 氮化硅陶瓷球成球原理

氮化硅陶瓷球的研磨成球原理主要是沿用軸承鋼球的成球原理，都是利用磨料磨粒去除表面材料，使球體的直徑減小、表面粗糙度降低、精度提高。球體在研磨盤中受到摩擦力，并在它的作用下，繞圓盤的軸線做公轉運動，球面與研磨盤上溝槽接觸弧線所形成的線速度差形成自轉，在這種復合運動下，球體、研磨盤及研磨液之間存在相互作用[4-5]：1）球坯在磨粒的磨削作用下表面材料得到去除；2）球坯表面存在磨粒的滾動作用；3）球坯受到磨粒切削刃擠壓作用。

球體研磨成球的基本原理如圖2所示。球體以ω的角速度繞Z軸做公轉運動的同時以ω1的角速度繞Z1軸做自轉運動，Z1與水平軸的空間方位角為自轉角θ，當自轉角不斷發生變化時，被加工軌跡能實現對球體表面的全包裹，從而進行均勻研磨，這是研磨成球的幾何條件[6]。被加工球體的大小和球形偏差都會影響加工過程中材料的去除，這是研磨成球的物理條件。

圖2 陶瓷球研磨成球基本原理

文獻[7]提出了球體加工成圓的兩個基本條件：1）切削等概率性。即每粒球體表面上每個質點都有相同的切削加工概率。2）磨削尺寸選擇性。即加工過程中，磨大球不磨或少磨小球，磨長軸方向，不磨或少磨短軸方向。

目前的加工成球原理主要包括概率成球原理和球面全包絡成球原理[8]。概率成球主要是通過隨機改變球體加工時的自轉角，球體經多次循環加工最終成球。球面全包絡成球則是通過有規律地改變球體的自轉角，使球體表面的研磨加工軌跡均勻包絡整個球面并最終成球。

3 氮化硅陶瓷球研磨去除理論

3.1 機械去除理論

機械作用主要是通過磨粒的作用來達到材料去除的，利用磨粒的自銳性，對氮化硅陶瓷球的表面進行擠壓、劃刻等。機械作用去除材料主要有脆性去除和塑形去除兩類。

對氮化硅陶瓷球進行加工時，研磨液中磨粒有切削作用，在陶瓷球的表面接觸會形成一個加工區域[9]，此時接觸面會發生變形和斷裂，如圖3所示。由圖3可知，在變形區域內，如果磨粒受到持續的作用力，變形區域會出現橫向和徑向兩種裂紋[10]，橫向裂紋會隨著作用的持續逐漸脫落，這種材料去除的方式就是脆性去除材料；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。

圖3 磨粒與陶瓷球表面的加工區域示意圖

3.2 化學作用理論

化學作用理論的原理就是通過化學反應來去除材料，通過選用可以與氮化硅材料發生反應的物質來充當磨粒或者是研磨介質，從而輔助磨粒去除球體表面的材料，化學反應的出現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量[11]。

氮化硅材料在一定條件下可以與一些磨粒發生反應。

氮化硅與氧化鈰反應：

氮化硅與氧化鐵反應：

氮化硅與氧化鉻反應：

氮化硅陶瓷球的表面在化學反應的作用下改變了材料的性質，將較硬的氮化硅材料轉換為二氧化硅，從而降低球體表面的硬度，可以更好地利用磨粒的機械作用去除材料，當二氧化硅層被去掉以后，氮化硅陶瓷球的表面會再次與磨粒發生化學反應，循環往復的反應加快了材料的去除效率且對球體的表面質量無損傷。

4 研磨液的主要成分及作用

氮化硅陶瓷球屬于硬脆性材料，在研磨加工過程中，磨粒與工件的接觸區域會因為相互作用而導致溫度升高，因此研磨液的冷卻作用是必須的；加工過程中產生的切屑會在工件與研磨盤之間長時間停留，導致被加工球的自旋受到一定影響的同時還會對氮化硅陶瓷球的表面造成損傷，因此，研磨液的潤滑作用及清洗作用也是不可或缺的。

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。研磨液的作用主要有以下幾個作用。

4.1 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[12]，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。

4.2 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。

4.3 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。

研磨液中的細微顆粒的相互作用關系公式為

式中：VA為顆粒之間范德華吸引力；VR為顆粒中的帶電粒子所引起的靜電斥力；VS為顆粒吸附聚合物形成的空間位阻。

研磨液中的分散穩定機制主要有兩種，分別為靜電穩定機制和空間位阻穩定機制[13]。

1）靜電穩定機制。

靜電穩定機制包括VA和VR（DVLO 理論），研磨液中磨粒之間存在范德華吸引力，在研磨加工的過程中，磨粒之間相互接觸產生雙電層構造的同時相互排斥，研磨液的穩定性取決于磨粒之間的吸引力與排斥力能否達到動態平衡。

2）空間位阻機制。

空間位阻效應的出現是由原子或者基團相互接近而形成空間阻礙，易形成團聚現象，從而導致沉淀。在研磨液中由于有電介質的存在，而電介質之間會充斥著聚合物及非離子活性劑等，會導致空間位阻效應的出現。為了避免此類現象的出現，可以在研磨液中添加高分子鏈，可以避免顆粒之間靠攏，將磨粒表面的張力降低，降低磨粒的團聚風險，所以在研磨液中應有足夠強的吸附厚度和充分的高分子鏈，避免出現引力現象和位阻層。

研磨液中磨粒的分散效果好壞主要由基載液決定，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。

4.4 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。

5 結語

本文介紹了氮化硅陶瓷球的特性，分析其晶體結構，介紹了其物理性質和化學性質。分析了氮化硅陶瓷球的材料去除理論，包括機械去除理論和化學去除理論，機械去除材料主要是脆性去除和塑性去除，化學去除材料是通過一些能與氮化硅材料發生反應生成氧化硅的磨料或者是添加劑等，這種方法可以破壞鍵能較強的Si-N鍵，使其生成鍵能較弱的氧化硅，更易實現材料去除，并保證更高的表面質量。

對研磨液的作用機理進行研究，分析了研磨液在加工過程中潤滑作用，可以很好地保護被加工件，促進被加工球的旋轉，適當地加入添加劑可以促進化學潤滑膜的產生，可以增加研磨液的潤滑性；分析了研磨液的冷卻效果，并對比了水和油的冷卻效果，表明當磨料表面張力較小時，研磨液的冷卻效果更好；分析了研磨液的懸浮效果，解釋了磨粒之間的相互作用關系，通過添加高分子長鏈可以有效地防止研磨液出現團聚現象；分析了研磨液的清洗效果，可以通過液體的流動性將碎屑帶出，加入添加劑可以降低碎屑的附著能力，清洗效果與液體的流動性和供壓大小有關，流動性越強，清洗效果越好。