氮化硅陶瓷球研磨液的机理研究

张松林，薛会民

（河北工程大学 机械与装备工程学院，河北 邯郸 056038）

0 引言

氮化硅陶瓷材料由于其低密度、高硬度、耐腐蚀、耐高温和自润滑性能等诸多特点，常被用作陶瓷球轴承的滚动体材料。氮化硅陶瓷球的研磨加工主要是通过磨粒及研磨液实现材料的高效去除，球体在磨粒及研磨液的作用下，加工变质层逐渐减少或去除，得到光滑或超光滑的球面[1]。作为硬脆性材料的陶瓷球，由于其表面能较低，所以对研磨液中各组成分有很高的要求。

1 氮化硅的特性

Si3N4是一种无机物，本身硬度大，具有润滑性且耐磨损，Si-N4四面体结构单元由1个Si原子和4个N原子通过共价键链接而形成（如图1），四面体单元构成三维空间网[2]，特殊的结构使氮化硅材料的硬度非常高，莫氏硬度约为9（金刚石的莫氏硬度为10），所以氮化硅材料在1400 ℃的高温下材料性能也能保持稳定[3]。氮化硅材料的摩擦因数很小，经过加工后的氮化硅陶瓷球的摩擦因数在0.5以下，即使在高温情况下也基本不变，主要是因为在加工过程中氮化硅球体的表面会发生微量分解，从而形成一层很薄的气膜，降低了摩擦阻力，提高了自润滑性。

图1 Si3N4四面体结构

氮化硅陶瓷材料具有一定的抗氧化性，但是在一定的条件下可以与氧气发生反应：

氮化硅在一定条件下也会发生水解反应：

氮化硅材料具有一定的抗腐蚀性，不易溶于酸性及碱性溶液，只溶于氢氟酸溶液。氮化硅材料具有较小的热膨系数，导热性能优异，热应力极低，抗热震性较好。由于特殊的结构，氮化硅的网状结构需要很大的作用力才能破坏，才能实现表面材料的去除。氮化硅材料的质量较轻，仅仅是轴承钢的1/3，较小的离心力，使其旋转的速度更快。

氮化硅陶瓷材料的主要力学性能参数如表1所示，从表1中可以看出，氮化硅陶瓷材料具有优异的力学性能，常被用作陶瓷球轴承的滚动体材料，可以在高温、高强度、强腐蚀性等恶劣环境下工作。

表1 氮化硅陶瓷球的主要力学性能参数

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轴承钢球的成球原理，都是利用磨料磨粒去除表面材料，使球体的直径减小、表面粗糙度降低、精度提高。球体在研磨盘中受到摩擦力，并在它的作用下，绕圆盘的轴线做公转运动，球面与研磨盘上沟槽接触弧线所形成的线速度差形成自转，在这种复合运动下，球体、研磨盘及研磨液之间存在相互作用[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滚动作用；3）球坯受到磨粒切削刃挤压作用。

球体研磨成球的基本原理如图2所示。球体以ω的角速度绕Z轴做公转运动的同时以ω1的角速度绕Z1轴做自转运动，Z1与水平轴的空间方位角为自转角θ，当自转角不断发生变化时，被加工轨迹能实现对球体表面的全包裹，从而进行均匀研磨，这是研磨成球的几何条件[6]。被加工球体的大小和球形偏差都会影响加工过程中材料的去除，这是研磨成球的物理条件。

图2 陶瓷球研磨成球基本原理

文献[7]提出了球体加工成圆的两个基本条件：1）切削等概率性。即每粒球体表面上每个质点都有相同的切削加工概率。2）磨削尺寸选择性。即加工过程中，磨大球不磨或少磨小球，磨长轴方向，不磨或少磨短轴方向。

目前的加工成球原理主要包括概率成球原理和球面全包络成球原理[8]。概率成球主要是通过随机改变球体加工时的自转角，球体经多次循环加工最终成球。球面全包络成球则是通过有规律地改变球体的自转角，使球体表面的研磨加工轨迹均匀包络整个球面并最终成球。

3 氮化硅陶瓷球研磨去除理论

3.1 机械去除理论

机械作用主要是通过磨粒的作用来达到材料去除的，利用磨粒的自锐性，对氮化硅陶瓷球的表面进行挤压、划刻等。机械作用去除材料主要有脆性去除和塑形去除两类。

对氮化硅陶瓷球进行加工时，研磨液中磨粒有切削作用，在陶瓷球的表面接触会形成一个加工区域[9]，此时接触面会发生变形和断裂，如图3所示。由图3可知，在变形区域内，如果磨粒受到持续的作用力，变形区域会出现横向和径向两种裂纹[10]，横向裂纹会随着作用的持续逐渐脱落，这种材料去除的方式就是脆性去除材料；径向裂纹受到向工件内部方向的作用力，这种裂纹会向工件内部方向发展，会对工件有损害，降低了氮化硅材料原有的硬度，但是这种现象并不会迅速发展。氮化硅陶瓷球作为脆性材料，其实也可以在一定的加工条件下，通过塑性去除的形式去除材料，可以通过压痕断裂力学模型计算发生脆性去除的临界条件，当这个条件低于脆性去除的临界条件时，氮化硅陶瓷球的材料去除主要以塑性去除为主，临界条件与加压载荷和磨粒的硬度有关。

图3 磨粒与陶瓷球表面的加工区域示意图

3.2 化学作用理论

化学作用理论的原理就是通过化学反应来去除材料，通过选用可以与氮化硅材料发生反应的物质来充当磨粒或者是研磨介质，从而辅助磨粒去除球体表面的材料，化学反应的出现可以改变氮化硅陶瓷球表面材料的性质，将较硬的氮化硅材料转化为二氧化硅材料，从而降低球体表面的硬度，材料去除效果更好，提高了被加工件的表面质量[11]。

氮化硅材料在一定条件下可以与一些磨粒发生反应。

氮化硅与氧化铈反应：

氮化硅与氧化铁反应：

氮化硅与氧化铬反应：

氮化硅陶瓷球的表面在化学反应的作用下改变了材料的性质，将较硬的氮化硅材料转换为二氧化硅，从而降低球体表面的硬度，可以更好地利用磨粒的机械作用去除材料，当二氧化硅层被去掉以后，氮化硅陶瓷球的表面会再次与磨粒发生化学反应，循环往复的反应加快了材料的去除效率且对球体的表面质量无损伤。

4 研磨液的主要成分及作用

氮化硅陶瓷球属于硬脆性材料，在研磨加工过程中，磨粒与工件的接触区域会因为相互作用而导致温度升高，因此研磨液的冷却作用是必须的；加工过程中产生的切屑会在工件与研磨盘之间长时间停留，导致被加工球的自旋受到一定影响的同时还会对氮化硅陶瓷球的表面造成损伤，因此，研磨液的润滑作用及清洗作用也是不可或缺的。

研磨液的选用对研磨加工的效率和精度都有很大的影响，其在粗磨和精磨阶段作用不同，粗磨阶段着重提升研磨效率，精磨阶段提升研磨精度。研磨液主要是由磨粒、研磨基液和添加剂等组成，球坯在研磨加工的过程中，磨粒相当于刀具，可以去除表面余量，磨粒的硬度与大小影响加工效率与精度；基液是磨粒的载体，需满足磨粒的充分悬浮；添加剂主要是辅助磨粒研磨，改善研磨环境。研磨液的作用主要有以下几个作用。

4.1 润滑作用

氮化硅陶瓷球的表面材料被去除后，碎屑分散在溶液中，对球体表面质量影响较大，但是研磨液的润滑作用可以在球体和碎屑之间形成润滑膜，提高球体的转动或滚动效率，球体表面受到保护，有助于提高研磨加工的效率，可以在避免出现损伤的同时提高材料去除率。研磨液中基液是主要的润滑介质，通过水的作用实现边界润滑，在与工件表面接触的时候会形成吸附膜与反应膜[12]，这些边界润滑膜可以很好地保护工件提高其自转能力。吸附膜主要有两种，分别是物理吸附膜和化学吸附膜。物理吸附膜主要是靠研磨液中粒子之间的范德华力相互吸引而形成的，存在于负荷低、转速低的研磨环境下；化学吸附膜主要是靠研磨液中极性分子之间的化学反应而形成的，存在于高温、高负荷、高转速的研磨环境下，可以很好地保护工件的表面。

4.2 冷却作用

研磨液的冷却作用是指研磨液可以吸收在加工过程中球体与磨粒之间相互挤压产生的热量，使球体表面的温度降低，避免因温度过高而出现球体表面损伤等问题。研磨液流过加工区域，通过流体的流动性和液体汽化的方式带走加工热量，降低加工区域的温度，保护被加工件。在加工区域的磨粒温度也会升高，为了保证磨粒的自锐性能，增强磨削效率，需要研磨液有很好的冷却性能。研磨液的冷却性能优劣受到热参数值和流动性的影响，研磨液中的热参数值大小由比热容及导热速率决定；液体的流动性主要是由渗透性决定的，液体的渗透性取决于表面张力和黏稠度的大小。当表面张力较大时，球体表面的研磨液会变成滴液状，此时溶液与陶瓷球表面的接触角较大，研磨液的渗透性能减弱，使其冷却性变低；当表面张力较小时，球体表面的研磨液会分散均匀，此时溶液与陶瓷球表面的接触角较小，研磨液的渗透性能增强，使其冷却性变强。

4.3 悬浮作用

磨粒与磨粒之间有一定的相互作用，会影响磨粒在研磨液中的存在形式，主要有两种不同的形式：一种是团聚形式，另一种为分散形式。磨粒之间的相互作用主要有3种，分别是静电作用、范德华作用和空间位阻作用。

研磨液中的细微颗粒的相互作用关系公式为

式中：VA为颗粒之间范德华吸引力；VR为颗粒中的带电粒子所引起的静电斥力；VS为颗粒吸附聚合物形成的空间位阻。

研磨液中的分散稳定机制主要有两种，分别为静电稳定机制和空间位阻稳定机制[13]。

1）静电稳定机制。

静电稳定机制包括VA和VR（DVLO 理论），研磨液中磨粒之间存在范德华吸引力，在研磨加工的过程中，磨粒之间相互接触产生双电层构造的同时相互排斥，研磨液的稳定性取决于磨粒之间的吸引力与排斥力能否达到动态平衡。

2）空间位阻机制。

空间位阻效应的出现是由原子或者基团相互接近而形成空间阻碍，易形成团聚现象，从而导致沉淀。在研磨液中由于有电介质的存在，而电介质之间会充斥着聚合物及非离子活性剂等，会导致空间位阻效应的出现。为了避免此类现象的出现，可以在研磨液中添加高分子链，可以避免颗粒之间靠拢，将磨粒表面的张力降低，降低磨粒的团聚风险，所以在研磨液中应有足够强的吸附厚度和充分的高分子链，避免出现引力现象和位阻层。

研磨液中磨粒的分散效果好坏主要由基载液决定，当基液介质呈现亲水性时，疏水性物质会对水有一定的排斥作用，从而发生团聚现象和沉淀，要对其进行亲水化处理。分散研磨液中磨粒时，要对磨粒的物理性质做出判断，磨粒大小、疏水性等都会对研磨液的分散效果产生一定的影响。

研磨液中磨粒的分散工艺有很多，常用的有机械搅拌、球磨分散及超声分散等，其中超声分散的效果更好，磨粒在研磨液中的分布相对均匀，研磨液的稳定性更高。

4.4 清洗作用

氮化硅陶瓷球在加工过程中产生的切屑未被及时清理，碎屑长时间地停留在工件与磨粒之间，或者附着在工件表面，不仅会对球体表面产生划伤，还会影响加工效率。通过在研磨液中添加一些表面活性剂来增强研磨液的清洗能力，这些添加剂可以降低碎屑的附着能力，使其被流动的研磨液带走，避免了工件表面的损伤。研磨液的清洁能力与液体的流动性和供压大小有关，当研磨液的流动性较强时，清洁能力也会增强，比如水介质研磨陶瓷球，其清洁效果大于油介质研磨。

5 结语

本文介绍了氮化硅陶瓷球的特性，分析其晶体结构，介绍了其物理性质和化学性质。分析了氮化硅陶瓷球的材料去除理论，包括机械去除理论和化学去除理论，机械去除材料主要是脆性去除和塑性去除，化学去除材料是通过一些能与氮化硅材料发生反应生成氧化硅的磨料或者是添加剂等，这种方法可以破坏键能较强的Si-N键，使其生成键能较弱的氧化硅，更易实现材料去除，并保证更高的表面质量。

对研磨液的作用机理进行研究，分析了研磨液在加工过程中润滑作用，可以很好地保护被加工件，促进被加工球的旋转，适当地加入添加剂可以促进化学润滑膜的产生，可以增加研磨液的润滑性；分析了研磨液的冷却效果，并对比了水和油的冷却效果，表明当磨料表面张力较小时，研磨液的冷却效果更好；分析了研磨液的悬浮效果，解释了磨粒之间的相互作用关系，通过添加高分子长链可以有效地防止研磨液出现团聚现象；分析了研磨液的清洗效果，可以通过液体的流动性将碎屑带出，加入添加剂可以降低碎屑的附着能力，清洗效果与液体的流动性和供压大小有关，流动性越强，清洗效果越好。