Si3N4 볼을 위한 4가지 초정밀 가공 기술 소개

실리콘 질화물 세라믹 볼 (Si3N4)은 높은 경도, 내마모성, 저밀도 및 열팽창 계수뿐만 아니라 우수한 고온 저항, 비자성, 내식성, 높은 열전도율, 자체 윤활 및 우수한 열 충격 저항 등과 같은 많은 우수한 특성을 가지고 있으므로 고온, 고속, 고정밀 및 특수 환경에서 베어링 볼 베어링에 선호되는 재료가되었습니다.

실리콘 질화물 세라믹 볼은 풍력 터빈, 고속 정밀 스핀들, 고온 엔진 및 기타 분야에서 널리 사용됩니다. 중요한 장비에서 베어링의 핵심 기본 요소 인 볼의 초정밀 연삭 및 연마 품질은 베어링의 성능과 수명에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 질화규소 세라믹 볼의 초정밀 연삭 및 연마 기술을 아래에 간략히 소개합니다.

Si3N4 세라믹 볼의 초정밀 연삭 및 연마 기술에는 주로 자기 유체 역학 연마, 화학 기계 연마 및 초음파 보조 연마가 포함됩니다. 이러한 새로운 "유연한" 가공 기술을 통해 Si3N4 세라믹 볼 표면 재료를 미세하게 절단하여 플라스틱 파쇄를 통해 초과분을 제거하여 손상되지 않은 매우 매끄러운 표면을 얻을 수 있습니다.

자기 유체 역학 연마

자기유체역학적 연마는 일반적으로 콜로이드 Fe3O4를 5-10%의 부피 비율로 연마재 혼합물에 첨가하여 이루어집니다. Si3N4 세라믹 볼 블랭크는 자성 유체와 연마재의 혼합물로 채워진 원통형 연삭 디스크에 배치되며, 그 아래에는 영구 자석 극이 줄지어 있습니다. 자기장의 작용으로 자성 입자는 강한 자기장 방향으로 이동하여 연마재에 역부력을 발생시켜 연마재가 자기 유체에 부유하게 만듭니다. 구동축이 회전하면 볼 빌릿이 연삭 디스크 주위를 회전하면서 자기 유체와 연마재의 혼합물 속에서 회전하고, 자기 유체에 부유하는 연마재가 세라믹 볼을 연마합니다. 질화규소 세라믹 볼의 볼 블랭크는 압력이 적고 (약 1N / 볼) 탄성이있어 기계적 연삭으로 인한 세라믹 볼 표면의 스크래치 및 미세 균열을 크게 줄입니다.

자기 유체 연마를 사용하는 구체의 재료 제거 속도는 자기 유체 연마를 사용하는 구체의 40배 이상인 12μm / 분에 달할 수 있습니다. 실험 결과 3시간 처리 후 구형도는 0. 14μm, 표면 거칠기는 0.01μm에 도달할 수 있는 것으로 나타났습니다.

화학적 기계적 연마

화학적 기계적 연마는 다양한 엔지니어링 세라믹, 이트리아 안정화 지르코니아 등의 기능성 세라믹 및 금속 재료의 초정밀 가공에 널리 사용되어 왔습니다. 연마하는 동안 액체 매질에 부유하는 나노 수준의 부드러운 연마 입자는 Si3N4 세라믹 볼과의 접촉점에서 마찰로 인해 고온 및 고압을 생성하고 매우 짧은 시간에 화학 반응을 일으켜 공작물 재료보다 부드럽고 제거하기 쉬운 새로운 물질을 생성합니다. 반응 생성물은 Si3N4 세라믹 볼과 후속 연마 및 연마 디스크 사이의 기계적 마찰에 의해 0.1nm 단위로 제거되어 매우 매끄러운 표면을 얻습니다.

현재 연구자들은 수성 산화 세륨 연마 용액을 사용하여 질화 규소 세라믹 볼에 화학적 기계적 연마를 수행하고 거칠기 Ra가 4nm 인 매끄러운 표면을 얻습니다.

초음파 진동 보조 연마

초음파 진동 보조 연마는 초음파 진동과 기계 가공을 결합한 일종의 가공 방법입니다. 일부 연구자들은 상부 연삭 디스크에서 초음파 비틀림 진동을 증가시켜 거친 연삭 단계에서 기존 방식보다 가공 속도가 2~3배 빨라졌습니다. 또한 연구진은 자기 유변학적 연마 기술과 초음파 기술을 결합하여 Si3N4 세라믹 볼을 연마 한 결과, 초음파 진동이없는 것보다 재료 제거율이 더 높았으며 초음파 진동으로 연마 된 Si3N4 세라믹 볼의 표면 Ra 값이 0.260μm에서 1 시간 후 0.025μm로 감소한 것으로 나타났습니다.

클러스터 자기 유체학 연마

고정밀 세라믹 볼의 고효율 가공을 실현하기 위해 연구팀은 비자성 재료로 만들어진 상하 연마 디스크의 뒷면에 여러 개의 작은 자성체를 규칙적으로 배열하는 클러스터 자기 유변학적 연마 세라믹 볼의 새로운 기술을 제안했습니다. 연마 디스크에 자기유전학적 연마액을 주입하면 자극 위에 클러스터 자기유전학적 효과 연마 패드가 형성됩니다. 상부 및 하부 연마 디스크 표면에 형성된 클러스터 자기 유체학 효과 연마 패드는 세라믹 볼을 덮고 연마하는 데 사용됩니다. 클러스터 자기 유체학 연마 모드에서 상부 연마 디스크와 하부 연마 디스크 사이에는 일정한 간격이 있습니다. 가공 중에 자기 유변학 연마 패드가 항상 세라믹 볼로 덮여 있기 때문에 단단한 접촉이 유연한 접촉으로 변경되어 연삭 충격과 가열로 인한 2 차 변형이 크게 줄어 듭니다. 연구팀은 클러스터 자기유변학적 연마 세라믹 볼 시험 장치를 개발해 질화규소 세라믹 볼의 연마 및 가공 실험을 진행했습니다.

클러스터 자기 유체학 연마 기술은 우수한 연마 효과, 고효율 및 표면 손상 없음 등의 장점을 가지고있어 표면 품질과 형상 정확도를 보장하면서 si3n4 세라믹 볼의 연마 효율을 크게 향상시킬 수 있습니다.

저자 소개

Cathie Montanez는 Stanford Advanced Materials (SAM)의 프로젝트 과학자입니다. 한때 대학 재료 과학 및 공학부의 연구 교수로 재직했으며 현재는 내화 금속, 세라믹, 실험실 도가니, 연삭 바 등과 같은 SAM 제품의 성능 테스트 및 기술 지도를 담당하고 있습니다.