氮化硅滚子化学机械复合抛光工艺参数与表面粗糙度的关系

谭晓媛

(赣南师范大学 化学化工学院，江西 赣州 341000)

0 引 言

氮化硅陶瓷滚子具有熔点高、硬度大、耐磨损和自润滑性等优点[1,2]，广泛应用于航空航天及军工等[3,4]领域。但现有氮化硅陶瓷滚子存在表面粗糙度过大[5]、机械加工困难等[6]缺陷，一定程度上抑制了氮化硅陶瓷滚子的进一步发展。氮化硅陶瓷滚子制备工艺中各工艺参数不佳是导致表面粗糙度过大的主要因素[7]。可通过优化干压成型工艺参数，降低氮化硅陶瓷滚子表面粗糙度，从而增强氮化硅陶瓷滚子的性能。

采用化学—机械复合抛光技术对氮化硅陶瓷滚子进行抛光处理，其工艺参数对滚子性能有较大影响。王慧军等[8,9]利用超声波磁流变复合抛光技术，通过改变磁场强度及超声振幅，研究其对材料去除率的影响，并获得了工艺参数与材料去除率的关系曲线。方慧等[10]研究了液体喷射抛光技术中液体喷射角、工作压力、工作距离等因素对工件去除量的影响，获得了个因素与去除量之间的关系曲线，得出材料去除规律，确定了液体喷射抛光的最佳参数组合。龚金成等[11]研究了气囊抛光技术中气囊内部压力、气囊转速等参数对抛光区的影响，总结了各工艺参数对抛光区的影响规律，给出各参数的合理取值范围。由上可知，抛光工艺中，抛光技术的工艺参数对工件的性能有较大的影响，合理的工艺参数，有利于提高工件的性能。

基于以上对抛光技术工艺参数对材料性能影响的研究基础，通过化学—机械复合抛光技术对氮化硅陶瓷滚子进行抛光处理，改变抛光试验机主轴转速，制备不同温度的磁流变抛光液，探究主轴转速和磁流变抛光液的温度对氮化硅陶瓷滚子表面粗糙度的影响，确定各参数对氮化硅陶瓷滚子表面粗糙度。

1 实验装置与原料

1.1 实验装置

针对氮化硅陶瓷滚子性能，采用化学—机械复合抛光实验机对氮化硅陶瓷滚子进行抛光处理。该复合抛光制粒机主要由超声振动系统、升降系统、磁流变抛光液存放系统及辅助抛光系统组成，结构简图如图1 所示。

(1) 超声振动系统：由超声换能器、超声工具头组成，用于发射超声波对氮化硅陶瓷滚子进行作用。

(2) 升降系统：由升降箱及高度调节器构成，通过调节高度调节器，调整超声工具头的高度，调整不同的工作状态。

(3) 磁流变抛光液存放系统主要由抛光槽构成，抛光槽用于存放磁流变抛光液。

(4) 辅助抛光系统由机架、工作台、导辊等组成，配合各系统间的作用，对氮化硅陶瓷滚子实现抛光处理。在立柱上设有超声振动装置，发射超声波抛光氮化硅陶瓷滚子；工作台上设有抛光槽用于储放磁流变抛光液，且内有用于放置氮化硅陶瓷滚子的导辊，抛光工具头用永磁铁制成。在磁场作用下，实现磁流变抛光。

图1 抛光实验机示意图Fig.1 Schematic diagram of polishing experiment machine

1.2 实验原料

为达到化学—机械复合抛光效果，需制备磁流变抛光液。磁流变抛光液是发生磁流变效应的主体，同时含有抛光磨料。在永磁铁工具头产生的磁场中，利用磁流变效应的作用下，对氮化硅陶瓷滚子表面进行化学—机械复合抛光。同时，磁流变抛光液还是超声波抛光中的载体，传递抛光磨料的作用效果，综合达到化学—机械复合抛光效果，使氮化硅陶瓷滚子表面光整。磁流变抛光液主要由磁流变液与抛光磨料组成，在磁流变液中添加适量抛光磨料并充分混合，即得到磁流变抛光液。磁流变液主要由基载液、磁性颗粒、稳定剂以及其他添加剂组成。

基载液是磁流变液中重要组成部分，对磁流变抛光液的均匀性、流动性、稳定性以及抛光效率有着一定的影响[12]。基载液必备性质主要为凝固点较低、沸点较高、黏度适中、无毒无害。对比各基载液性能，选择20 ℃去离子水作为基载液。

磁性颗粒是化学—机械复合抛光过程中发生流变效应的载体，磁性颗粒的特性直接影响抛光过程，影响抛光效率。磁性微粒需要有较高的磁导率、磁化强度、低磁矫顽力及合适的粒度。在实验过程中，采用铁元素及其化合物作为磁性颗粒，该粒子磁导率高、磁饱和强度大。羰基铁粉具有高纯度、外观球形度好、电磁性能优良等特点，不会受外部环境过多的影响。因此，采用羰基铁粉作为磁性颗粒。羰基铁粉性能参数如表1 所示。

表1 羰基铁粉参数Tab.1 Parameters of carbonyl iron powder

为使水基磁流变抛光液更加适应氮化硅陶瓷滚子的抛光实验，提高沉降稳定性和抗氧化性，需要在磁流变抛光液中添加一定量的稳定剂。常用的稳定剂主要由丙三醇、碳酸钠、亚硝酸钠、液体石蜡等。选用的稳定剂及其物理性质如表2 所示。

在氮化硅陶瓷滚子的化学—机械复合物抛光过程中，为对表面有充足的抛光处理，在抛光液中需要添加适量的抛光磨料，抛光磨料直接与氮化硅陶瓷滚子表面接触，对其表面进行作用。在选取抛光磨料时，主要从材料的粒度与硬度出发。本课题采用氧化铝作为抛光磨料，氧化铝具有较高硬度，且能将各种工件的表面通过抛光过程，不断与氮化硅陶瓷滚子表面接触，并将其打磨光滑、精细。氧化铝参数及性能如表3 所示。

表2 稳定剂性质Tab.2 Properties of stabilizer

表3 氧化铝主要性能Tab.3 Main properties of alumina

2 实验过程

2.1 实验参数设计

本实验采用单一控制变量法，分别改变主轴的转速、磁流变抛光液温度，探究其在抛光过程中对氮化硅陶瓷滚子表面粗糙度的影响。实验采用Keyence 公司生产的VK-X 表面粗糙测量仪对氮化硅陶瓷滚子表面粗糙度进行测量。

(1) 改变主轴转速，探究其在抛光过程中对氮化硅陶瓷滚子表面粗糙度的影响。其他条件不变时，改变主轴转速为50 r/min、100 r/min、150 r/min、200 r/min、250 r/min。

(2) 采用主轴转速200 r/min，改变磁流变抛光液温度，探究该因素对氮化硅陶瓷滚子表面粗糙度的影响。其他条件不变时，改变磁流变抛光液温度为20 ℃、30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃。

2.2 抛光液的制备

磁流变抛光液的制备过程主要分为两部分，水基复配载液的制备和混合球磨阶段，磁流变抛光液制备流程如图2 所示。

图2 磁流变抛光液制备流程图Fig.2 Flow chart of preparation of magnetorheological polishing fluid

(1) 水基复配载液的制备：将总体积50 ml 丙三醇、碳酸钠、烟硝酸钠、液体石蜡按照相应的比例制成水基复配载液。各组分体积比如表4所示。

(2) 将磁性颗粒和抛光磨料混合物与水基复配载液按体积比1∶10 置于球磨机中，以400 r/min的速度研磨2 h，磁性颗粒与抛光磨料体积比为9∶1，得到磁流变抛光液。

表4 稳定剂各组分配比Tab.4 Surfactant distribution ratio of each group

3 结果与分析

3.1 主轴转速对表面粗糙度的影响

图3 为其他条件不变时，主轴转速为50 r/min、100 r/min、150 r/min、200 r/min、250 r/min 对应的氮化硅陶瓷滚子表面粗糙度。当转轴速度为50 r/min时，表面粗糙度为0.058 μm；当转速为100 r/min时，Ra=49 μm；当转速为150 r/min，Ra=41 μm；转速升到200 r/min时，Ra=36 μm；转速为250 r/min时，Ra=32 μm。随主轴转速的增加，单位时间内流过表面的抛光液及抛光磨粒数量增加，表面得到了更充分的抛光，氮化硅陶瓷滚子表面粗糙度逐渐减小，表面质量不断提高。

图3 主轴转速对表面粗糙度的影响Fig.3 Effect of spindle speed on surface roughness

3.2 磁流变抛光液温度对表面粗糙度的影响

图4 为磁流变抛光液温度对氮化硅陶瓷滚子表面粗糙度的影响。随着磁流变抛光液温度的升高，氮化硅陶瓷滚子表面粗糙度变化不大。20 ℃时，Ra=0.036 μm；30 ℃时，粗糙度为0.035 ℃；当温度上升到40 ℃时，Ra=0.037 μm；磁流变抛光液温度为50 ℃时，Ra=0.035 μm；温度为60 ℃时，Ra=0.034 μm。随着温度的升高，表面粗糙度的变化并不显著，一直保持在0.035 μm 左右。

图4 磁流变抛光液温度对表面粗糙的影响Fig.4 Effect of temperature of magnetorheological polishing fluid on surface roughness

4 结 论

(1) 保持其它条件不变，改变主轴的转速，当主轴转速不断增加时，氮化硅陶瓷滚子表面粗糙度不断减小。当转速小于200 r/min 时，表面粗糙度变化率较大，随转速的增加变化较大；当转速达到200 r/min 后，变化率逐渐减小。当其他条件不变时，磁流变抛光液温度对氮化硅陶瓷滚子表面粗糙度的影响不大，表面粗糙度保持在0.035 μm左右。

(2) 改变化学—机械复合抛光技术工艺参数，探究氮化硅陶瓷滚子表面粗糙的变化，得出主轴转速、磁流变抛光液温度对氮化硅陶瓷滚子表面粗糙度的影响。实验结果对加工高质量氮化硅陶瓷滚子具有一定的指导意义。