Introduzione di 4 tecniche di lavorazione ultraprecisa per le sfere di Si3N4
Lasfera in ceramica di nitruro di silicio (Si3N4) ha molte proprietà eccellenti, come l'elevata durezza, la resistenza all'usura, la bassa densità e il coefficiente di espansione termica, nonché l'eccellente resistenza alle alte temperature, l'amagnetismo, la resistenza alla corrosione, l'elevata conducibilità termica, l'autolubrificazione e l'eccellente resistenza agli shock termici, ecc.
Le sfere ceramiche in nitruro di silicio sono ampiamente utilizzate nelle turbine eoliche, nei mandrini di precisione ad alta velocità, nei motori ad alta temperatura e in altri campi. Essendo l'elemento di base del cuscinetto in un'apparecchiatura importante, la qualità della rettifica e della lucidatura ultraprecisa della sfera è un fattore importante che influisce sulle prestazioni e sulla durata del cuscinetto. La tecnologia di rettifica e lucidatura ultraprecisa delle sfere ceramiche in nitruro di silicio viene brevemente presentata di seguito.
La tecnologia di rettifica e lucidatura di precisione delle sfere ceramiche Si3N4 comprende principalmente la lucidatura magnetoidrodinamica, la lucidatura chimica meccanica e la lucidatura assistita da ultrasuoni. Queste nuove tecniche di lavorazione "flessibili" permettono di microtagliare i materiali superficiali delle sfere ceramiche Si3N4, consentendo di rimuovere l'eccesso mediante frattura plastica per ottenere una superficie superliscia e non danneggiata.
Lucidatura magnetoidrodinamica
La lucidatura magnetoidrodinamica viene solitamente eseguita aggiungendo Fe3O4 colloidale in una miscela abrasiva con una percentuale in volume del 5-10%. La sfera di ceramica Si3N4 viene inserita in un disco di rettifica cilindrico riempito con una miscela di fluido magnetico e abrasivo, sotto il quale si trova una fila di poli magnetici permanenti. Sotto l'azione del campo magnetico, le particelle magnetiche si muovono verso la direzione del forte campo magnetico e producono un galleggiamento inverso sull'abrasivo, che lo rende sospeso nel fluido magnetico. Quando l'albero motore ruota, la billetta della sfera ruota nella miscela di fluido magnetico e abrasivo ruotando intorno al disco di macinazione, e l'abrasivo sospeso nel fluido magnetico lucida la sfera di ceramica. Il grezzo della sfera in ceramica di nitruro di silicio è soggetto a una pressione minore (circa 1N/sfera) ed è elastico, il che riduce notevolmente i graffi e le microfratture sulla superficie della sfera in ceramica causati dalla macinazione meccanica.
La velocità di rimozione del materiale delle sfere che utilizzano la lucidatura magnetoidrodinamica può raggiungere i 12μm /min, più di 40 volte quella delle sfere che utilizzano la lucidatura a fluido magnetico. Gli esperimenti dimostrano che la sfericità può raggiungere 0,14 μm e la rugosità superficiale può raggiungere 0,01μm dopo 3 ore di lavorazione.
Lucidatura chimico-meccanica
La lucidatura chimica meccanica è stata ampiamente utilizzata nella lavorazione di ultra-precisione di varie ceramiche ingegneristiche, ceramiche funzionali come la zirconia stabilizzata con ittrio e materiali metallici. Durante la lucidatura, le particelle abrasive morbide di livello nanometrico sospese nel mezzo liquido producono un'alta temperatura e un'alta pressione a causa dell'attrito nel punto di contatto con la sfera di ceramica Si3N4 e producono una reazione chimica in un tempo molto breve, generando un nuovo materiale più morbido del materiale del pezzo e più facile da rimuovere. Il prodotto della reazione è stato rimosso dall'attrito meccanico tra la sfera di ceramica Si3N4 e il successivo disco abrasivo e lucidante nell'unità di 0,1 nm, in modo da ottenere una superficie super-liscia.
Attualmente, i ricercatori utilizzano una soluzione di lucidatura a base di ossido di cerio a base di acqua per eseguire la lucidatura chimica meccanica su sfere ceramiche di nitruro di silicio e ottenere una superficie liscia con una rugosità Ra di 4 nm.
Lucidatura assistita da vibrazioni a ultrasuoni
La lucidatura assistita da vibrazioni ultrasoniche è un metodo di lavorazione che combina vibrazioni ultrasoniche e lavorazione meccanica. Alcuni ricercatori hanno aumentato la vibrazione torsionale a ultrasuoni sul disco di rettifica superiore e la velocità di lavorazione è risultata 2~3 volte superiore rispetto al metodo tradizionale nella fase di sgrossatura. Inoltre, i ricercatori hanno anche combinato la tecnologia di lucidatura magnetoreologica con quella a ultrasuoni per lucidare sfere di ceramica Si3N4 e i risultati hanno mostrato che il tasso di rimozione del materiale era superiore a quello senza vibrazione a ultrasuoni e il valore Ra della superficie della sfera di ceramica Si3N4 lucidata con vibrazione a ultrasuoni è diminuito da 0,260μm a 0,025μm dopo 1 ora.
Lucidatura magnetoreologica a grappolo
Per realizzare la lavorazione ad alta efficienza di sfere di ceramica di alta precisione, un gruppo di ricerca ha proposto una nuova tecnologia di lucidatura magnetoreologica a grappolo di sfere di ceramica, in cui più piccoli oggetti magnetici sono disposti in modo regolare sul retro dei dischi di lucidatura superiori e inferiori fatti di materiali non magnetici. Quando il fluido di lucidatura magnetoreologico viene iniettato nel disco di lucidatura, sopra il polo magnetico si forma un cuscinetto di lucidatura a effetto magnetoreologico a grappolo. Il cuscinetto di lucidatura a effetto magnetoreologico a grappolo formatosi sulla superficie del disco di lucidatura superiore e inferiore viene utilizzato per coprire la sfera di ceramica e lucidarla. Nella modalità di lucidatura magnetoreologica a grappolo vi è un certo spazio tra i dischi di lucidatura superiore e inferiore. Durante la lavorazione, il contatto rigido si trasforma in contatto flessibile perché il disco di lucidatura magnetoreologico è sempre coperto da sfere di ceramica, il che riduce notevolmente la deformazione secondaria causata dall'impatto della macinazione e dal riscaldamento. Il team ha sviluppato un dispositivo di prova per la lucidatura magnetoreologica a grappolo delle sfere di ceramica e ha condotto esperimenti di lucidatura e lavorazione di sfere di ceramica di nitruro di silicio.
La tecnologia di lucidatura magnetoreologica a grappolo presenta i vantaggi di un buon effetto di lucidatura, di un'elevata efficienza e dell'assenza di danni alla sottosuperficie, ecc. e può migliorare notevolmente l'efficienza di lucidatura delle sfere ceramiche si3n4, garantendo al contempo la qualità della superficie e l'accuratezza della forma.
L'autore
Cathie Montanez è il Project Scientist di Stanford Advanced Materials (SAM). In passato è stata professore di ricerca presso la scuola di scienza e ingegneria dei materiali dell'università e ora è responsabile dei test di prestazione e della guida tecnica dei prodotti SAM, come metalli refrattari, ceramiche, crogioli da laboratorio e barre di macinazione, ecc.
