一种基于软质磨料固着磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法

摘要

一种基于软质磨料固着磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，包括以下步骤：1)软质磨料固着磨具的配制：所述的软质磨料固着磨具由软质磨料，固化剂及填充剂配制而成；2)将配置好的配料在模具中热压成形，脱模后完成热固化，并对其上下端面进行修整，保证磨具上下端面的平整度和平行度；3)将软质磨料固着磨具安装于研磨机的上盘，下盘采用铸铁磨盘或软质磨料固着磨具。待加工的氮化硅陶瓷球放置在下盘的滚道中，启动研磨机，并在上下盘之间注入水基冷却液，软质磨料固着磨具上的磨粒对氮化硅陶瓷球表面进行划擦，实现对氮化硅陶瓷球的精加工。本发明能够提高氮化硅陶瓷球的加工质量，提高加工效率、降低生产成本。

说明书

技术领域

本发明涉及一种氮化硅陶瓷球的研磨方法，尤其是氮化硅陶瓷球 精加工用的高效、高质量研磨方法。

背景技术

随着工业技术的发展，对机床和仪器设备提出了高速、高精度、 高可靠性等性能要求。与传统的轴承钢相比，氮化硅陶瓷具有密度小， 硬度高、弹性模量高(刚度高)、耐磨损、热膨胀系数低、热稳定性和 化学稳定好、绝缘、无磁等极为优良的综合性能，被认为是制造轴承 滚动体的最佳材料，并在陶瓷球轴承(钢质轴承圈，陶瓷材料滚动体.) 的应用上获得很大成功。陶瓷球轴承具有使用寿命长(钢质轴承的2～5 倍)、转速高、整体精度和刚度好、热稳定性能好以及无磁性等优异的 综合性能，在高温、高速、高精度、酸碱腐蚀、电腐蚀、强磁场、无 润滑或介质润滑等工作条件下具有非常广阔的应用前景，已广泛应用 于航空航天、军事、石油、化工以及高速精密机械等诸多领域。

但是，氮化硅陶瓷属硬脆难加工材料，传统的陶瓷球加工主要采 用研磨钢质滚珠的V形槽研磨法，采用硬质的金刚石磨料作为研磨介 质，采用游离磨料研磨的方法进行加工，加工周期长(完成一批陶瓷 球需要12～15天)。漫长的加工过程以及昂贵的金刚石磨料导致了高 昂的制造成本。国内外的研究经验表明，氮化硅陶瓷滚动体的加工效 率低、加工成本高是限制陶瓷球轴承推广应用的一个主要原因。

游离磨料研磨过程中，磨粒主要以滚动的方式实现材料去除，单 位时间内参与材料去除的磨粒数量少，材料去除率低。为了克服游离 磨料加工效率比较低的问题，目前已有专利、科技论文等报道开发了 固着磨料(砂轮)研磨技术用于陶瓷球的加工余量的快速去除，利用 固结在一起的金刚石、碳化硼、碳化硅等硬质磨料(这些磨料的硬度 要高于陶瓷球材料)的刻划等机械作用实现对陶瓷球材料的高效去除。 在固着磨料研磨加工中，磨粒被固结在一起，磨粒主要以刻划的形式 去除工件材料，参与加工的磨粒数量多，可以获得很高的材料去除率。 但是，具有硬脆特性的氮化硅陶瓷球对表面/次表面裂纹非常敏感，在 较大载荷作用下，以金刚石、碳化硼、碳化硅等硬质磨料的机械作用 实现氮化硅陶瓷球的材料去除，很容易在氮化硅陶瓷球表面造成诸如 凹坑、划痕和微裂纹等表面损伤。这些表面缺陷在外部载荷的作用下 会扩展形成较大的脆性裂缝，从而导致陶瓷球的突然失效，严重降低 了氮化硅陶瓷球的使用性能。因此，目前开发的固着磨料加工技术主 要适用于氮化硅陶瓷球加工余量的高效去除，很难获得无表面损伤的 高质量表面。氮化硅陶瓷球的精加工的主要目的是进一步改善半精加 工造成的表面加工缺陷，提高陶瓷球的表面质量和精度，直到达到成 品的要求。因此，氮化硅陶瓷球的精加工很少采用这些金刚石、碳化 硼、碳化硅等硬质磨料的固着磨料加工方法。而仍采用氧化铬、金刚 石微粉等的游离磨料的研磨/抛光方法进行精加工，因此，氮化硅陶瓷 球精加工阶段的加工效率仍旧很低。

发明内容

为了克服氮化硅陶瓷球精加工阶段效率低、成本高的不足，本发 明提供一种加工表面质量好、加工效率高、生产成本低的基于软质磨 料固着磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于软质磨料固着磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，所述研磨 方法包括以下步骤：

1)软质磨料固着磨具的配制：所述的软质磨料固着磨具由软质磨 料，固化剂及填充剂配制而成，所述软质磨粒的硬度低于氮化硅陶瓷， 三种组份的质量百分含量分别为：软质磨料60％～80％，固化剂10％～ 20％，填充剂10％～20％，将软质磨料、固化剂、填充剂混合，搅拌 均匀；

2)软质磨料固着磨具的制作：将配置好的配料在模具中热压成形， 脱模后完成热固化，并对其上下端面进行修整，保证磨具上下端面的 平整度和平行度；

3)软质磨料固着磨具对氮化硅陶瓷球的精加工：将软质磨料固着 磨具安装于研磨机的上盘，下盘采用铸铁磨盘或软质磨料固着磨具。 待加工的氮化硅陶瓷球放置在下盘的滚道中，启动研磨机，并在上下 盘之间注入水基冷却液；软质磨料固着磨具上的磨粒对氮化硅陶瓷球 表面进行划擦，实现对氮化硅陶瓷球的精加工。

优选的，在所述步骤3)中，在压力和相对速度的作用下，固着 磨具和氮化硅接触区域上的软质磨料和氮化硅材料发生固相反应，生 成一层软质的、易去除的反应生成物层，并利用后续磨料与生成物层 之间的摩擦作用将生成物层去除，从而实现氮化硅陶瓷球的精加工。

进一步，所述的软质磨料为以下之一或几种的混合：①氧化铈、 ②氧化锆、③氧化铁、④氧化铬。

再进一步，所述的固化剂为以下之一：①环氧树脂固化剂、②不 饱和树脂固化剂、③热塑性酚醛树脂、④热固性酚醛树脂、⑤聚酰胺 树脂固化剂、⑥酚醛-缩醛树脂、⑦酚醛-环氧树脂、⑧硼酚醛树脂、 ⑨有机硅酚醛树脂等。

更进一步，所述的填充剂为以下之一或几种混合：①氢氧化钠、 ②碳酸氢钠、③淀粉类填充剂、④糖类填充剂、⑤纤维素类填充剂、 ⑥无机盐填充剂。

优选的另一种方案：所述步骤2)中，热压成形过程中，压力为 300-600kg/cm²，热压温度根据固化剂的不同，设置在100-200℃，热 压时间根据磨具之间不同设置在45-120min。

所述步骤2)中，热固化过程，烘箱温度保持在80-200℃，烘干 时间10-48小时；对于磨具直径小于的软质磨料固着磨具制 作成整体式磨具；对于直径大于的软质磨料固着磨具，制作 成扇形的磨具块，在使用时组装成圆形磨盘。

所述步骤2)中，修整过程中，平整度和平行度控制在0.1mm以 内。

本发明的技术构思为：采用硬度比氮化硅陶瓷球硬度低的软质磨 料，配制成固着磨料磨具，加工过程中，利用软质磨料与氮化硅材料 之间的固相反应，在氮化硅陶瓷球表面形成一层软质的、易去除的反 应生成物层，并利用后续磨料与生成物层之间的摩擦作用将生成物层 去除，从而实现氮化硅陶瓷球的精加工。由于，所采用的磨料硬度远 低于氮化硅陶瓷球的硬度，因此这种加工方法不会对氮化硅陶瓷球造 成金刚石、碳化硼、碳化硅等硬质磨料加工氮化硅陶瓷球时造成的诸 如凹坑、划痕和微裂纹等表面损伤，因此提高了可提高氮化硅陶瓷球 的加工质量。另一方面，由于采用了固着磨料磨具，将软质的磨料固 结在一起，提供了参与加工的磨粒数量，因此提高了氮化硅陶瓷球精 加工的加工效率。

利用软质磨料与氮化硅材料之间的固相反应，在氮化硅陶瓷球表 面形成一层软质的、易去除的反应生成物层，并利用后续磨料与生成 物层之间的摩擦作用将生成物层去除，从而实现氮化硅陶瓷球的精加 工。以下给出了①氧化铈(CeO₂)、②氧化锆(ZrO₂)、③氧化铁(Fe₂O₃)、 ④氧化铬(Cr₂O₃)与氮化硅(Si₃N₄)陶瓷材料发生的固相反应方程：

Si₃N₄+ZrO₂→SiO₂+ZrSiO₄/ZrO₂.SiO₂+ZrN+N₂(g)       (1)

Si₃N₄+CeO₂→SiO₂+CeO_1.72+CeO_1.83+Ce₂O₃+N₂(g)      (2)

Si₃N₄+Fe₂O₃→SiO₂+FeO+FeSiO₃/FeO.SiO₂+Fe₂N+N₂     (3)

Si₃N₄+Cr₂O₃→SiO₂+CrN                             (4)

这里有两种类型的化学反应：氧化-还原反应和置换反应(即硅酸盐 等物质中阳离子与阴离子的置换)。Si₃N₄:Si→SiO₂或SiO₄^2-，而N→ N^3-，N₂(g)或NH₃(g)。在水基抛光液中，Fe₂O₃，Cr₂O₃，ZrO₂和CeO₂磨 料与Si₃N₄材料之间的化学反应从热力学的角度来看，都是可行的。 氧化硅(SiO₂)是氮化硅(Si₃N₄)陶瓷球表面存留的主要反应产物， 其硬度远低于氮化硅陶瓷的硬度，而与氧化铈、氧化锆等磨料的硬度 相近。因此，采用这些软质磨料对氮化硅陶瓷球进行精加工，不是利 用磨料的纯机械作用，而是利用了磨料与工件的化学-机械(摩擦)作 用实现材料去除，从而不会对氮化硅陶瓷球造成诸如凹坑、划痕和微 裂纹等表面损伤，从而获得光滑无损伤的表面。

水基冷却液也是氮化硅陶瓷的固相反应的重要组成部分。水不但 促进了化学机械抛光的进行，而且直接参与了和氮化硅材料的化学反 应，增强了化学机械抛光的作用。氮化硅能够与水发生水解反应生成 SiO₂和NH₃。而在较高的温度下(＞200℃)，NH₃就有可能分解成N₂(g) 和H₂(g)。它们的反应方程式如下：

Si₃N₄+6H₂O＝3SiO₂+4NH₃                               (5)

Si₃N₄+6H₂O＝3SiO₂+2N₂(g)+6H₂(g)(T＞200℃)            (6)

这种软质磨料与氮化硅陶瓷球之间的固相反应不能够在油基环境 中进行。其主要原因是油基抛光液的导电率和溶解性几乎为零。磨料 与工件之间的油膜阻止了它们之间化学反应的进行，即使有也非常微 弱。

另一方面，由于采用了固着磨料磨具，将软质的磨料固结在一起， 与传统的游离磨料研磨相比，不但提高了参与加工的磨粒数量，而且 增加了对磨粒的约束，减少了磨粒的自由滚动，因此提高了氮化硅陶 瓷球精加工的加工效率。

本发明的有益效果主要表现在：减少磨粒机械去除作用对氮化硅 陶瓷球造成的表面损伤，提高氮化硅陶瓷球的加工质量，加工速度较 快、加工效率高、降低生产成本。

附图说明

图1是软质磨料固着磨具的结构示意图。

图2是一种大直径的软质磨料固着磨具分块组装的结构示意图。

图3是一种软质磨料固着磨具安装在研磨机上的原理示意图。

图4软质磨料与氮化硅陶瓷球发生固相反应的原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

一种基于软质磨料固着磨具的氮化硅陶瓷球研磨方法，该研磨方 法包括以下步骤：

1)软质磨料固着磨具的配制：

参照图1，所述软质磨料固着磨具包括软质磨粒1、固化剂(结合 剂)2及填充剂3，其质量百分含量分别为：软质磨料60％～80％，固 化剂10％～20％，填充剂10％～20％；将软质磨料、固化剂、填充剂 混合，搅拌均匀；

2)软质磨料固着磨具的制作：

将配置好的软质磨料固着磨具配料放入磨具内，热压成形。压力 为300-600kg/cm²，热压温度根据固化剂的不同，设置在100-200℃， 热压时间根据磨具之间不同设置在45-120min。把热压成形后的磨具 脱模，放入烘箱固化，烘箱温度保持在80-200℃，烘干时间10-48小 时；对于磨具直径小于的软质磨料固着磨具可以直制作成整 体式磨具。对于直径大于的软质磨料固着磨具，参照图2， 可以制作成扇形的磨具块1，使用时，将若干块扇形磨具块用粘结剂 粘结在圆形基盘2上，组装成圆形磨盘。软质磨料固着磨具制作完成 后，对其端面进行修整，以保证磨具加工面的平整度和平行度，平整 度和平行度应控制在0.1mm以内。

3)采用软质磨料固着磨具对氮化硅陶瓷球进行精加工：

首先，进行软质磨料固着磨具的安装：参照图3，采用粘结剂将 软质磨料固着磨具1粘结到磨具基盘2上，再用螺栓将基盘2与研磨 机的上板胎3连接。软质磨料固着磨具作为研磨机的上盘使用。基盘 由钢材、铸铁或铝合金制成。

参照图3，将待加工的氮化硅陶瓷球4(已完成粗加工或半精加工) 放置在研磨机的下磨盘6上开设的环形滚道5中(滚动截面形状为V 形或半圆形)，下研磨盘为铸铁(或同样采用软质磨料固着磨具)。下 压安装了软质磨料固着磨具的上盘，启动研磨机。并在上、下盘之间 注入水性冷却液7。在压力和相对速度的作用下，固着磨具和氮化硅 接触区域上的软质磨料和氮化硅材料发生固相反应(参见图4)，生产 一层软质的、易去除的反应生成物层，并利用后续磨料与生成物层之 间的摩擦作用将生成物层去除，从而实现氮化硅陶瓷球的精加工。由 于，所采用的磨料硬度远低于氮化硅陶瓷球的硬度，因此这种加工方 法不会对氮化硅陶瓷球造成诸如凹坑、划痕和微裂纹等表面损伤，因 此提高了可提高氮化硅陶瓷球的加工质量。另一方面，由于采用了固 着磨料磨具，将软质的磨料固结在一起，提高了参与加工的磨粒数量， 因此提高了氮化硅陶瓷球精加工的加工效率。

所述的软质磨料为以下之一或几种混合：①氧化铈、②氧化锆、 ③氧化铁、④氧化铬。这些磨料的莫氏硬度均匀小于7。

所述的固化剂为以下之一：①环氧树脂固化剂、②不饱和树脂固 化剂、③热塑性酚醛树脂、④热固性酚醛树脂、⑤聚酰胺树脂固化剂、 ⑥酚醛-缩醛树脂、⑦酚醛-环氧树脂、⑧硼酚醛树脂、⑨有机硅酚醛 树脂等。

所述的填充剂为以下之一或几种混合：①氢氧化钠、②碳酸氢钠、 ③淀粉类填充剂、④糖类填充剂、⑤纤维素类填充剂、⑥无机盐填充 剂。

本实施例选取在3M7240L立式钢球研球机上进行氮化硅陶瓷球的 精加工。实施例条件如表1所示。软质磨料固着磨具采用了氧化铈和氧 化锆两种软质磨料分别制作，其它制作和加工参数均相同。分别用这 两种软质磨料固着磨具对的氮化硅陶瓷球进行加工。加工过程 中采用水基冷却液进行冷却和润滑。在实施例开始以前，需要有2-5 个小时的预研时间用来确保陶瓷球在下研磨盘的沟槽和上研磨盘的软 质固着磨料之间接触良好。

表1

表2显示了实施例中氮化硅陶瓷球的加工结果。结果显示，本实施 例中的氮化硅陶瓷球材料去除率稳定，与传统研磨过程相比(在相同 工艺条件下，采用游离的金刚石微粉对氮化硅陶瓷球进行精加工)， 材料去除率几乎是在相同条件下的2-3倍。在本实施例中，采用氧化铈 软质磨料固着磨具对氮化硅陶瓷球进行精加工，表面粗糙度为3-6nm， 采用氧化锆软质磨料固着磨具对氮化硅陶瓷球进行精加工，表面粗糙 度为4-8nm，都要明显优于传统精加工方法获得的表面粗糙度。这表 明软质磨料固着磨具研磨方法在取代传的氮化硅陶瓷球精加工技术方 面，具有良好的应用前景。

表2

上例仅是本发明的较佳实施例，凡是依据本专利所作的任何修改 和变更，均应包含在本发明的保护范围。