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机械科学研究院硕士学位论文 碳化硅陶瓷球的磨削机理研究 摘要 碳化硅陶瓷因具有密度低、热膨胀系数小、硬度高、弹性模量大、耐高温、 耐腐蚀等特点，广泛用于陶瓷球轴承、阀门、陀螺、测量仪器等领域，在一些特 殊场合有不可替代的作用。但是碳化硅陶瓷属于硬脆材料，加工困难，加工成本 高，在一定程度上影响了其应用。碳化硅陶瓷球9 0 以上的余量是由研磨阶段去 除的，是控制加工成本的关键步骤，产品最终圆度、粗糙度的改善也与此工序密 切相关。因此本论文选择碳化硅陶瓷球为研究对象，探讨其在研磨阶段的材料去 除机理。 通过对碳化硅陶瓷球与氮化硅、氧化锆和氧化铝陶瓷球的对比研究，探讨了 材料的性能、显微结构和磨加工之间的关系。得到以下结论：硬度和断裂韧性通 常是影响材料抗磨耗性的指标，但并不能简单依此判断抗磨耗性，陶瓷球的研磨 加工还受到显微结构等因素的影响。在相同的研磨条件下，与氮化硅、氧化锆陶 瓷球相比，碳化硅陶瓷球的材料去除率最高，圆度和表面质量最不易控制。 在碳化硅陶瓷球的研磨试验中系统分析了压力、转速、磨液、磨料等加工参 数对碳化硅陶瓷球t n - r 的影响。研究确定了较为合理的研磨工艺及加工参数：( 1 ) 磨液：水基研磨液；( 2 ) 压力：粗磨选用1 2 n b a l i 左右，细磨选用9 n ，b a l l 左右。 ( 3 ) 转速：粗磨取在3 2 r p m 左右，细磨取在2 0 r p m 左右。( 4 ) 磨料；粗磨采用 6 3 1 m a 的碳化硼，细磨采用1 0 1 a m 的金刚砂。研磨后碳化硅陶瓷球的圆度误差为 0 3 8 6 1 a n ，表面粗糙度r 且为0 0 4 6 1 a m 。按照g b 3 0 8 8 9 标准，碳化硅陶瓷球抛光 后的圆度达到g 1 0 ( o 2 5 1 t i n ) ，表面粗糙度r a 在g 3 级( o 0 0 8 1 t i n ) 。上述优化参 数将为生产中制定碳化硅陶瓷球研磨工艺提供重要技术依据。 采用扫描电镜观察了研磨后碳化硅陶瓷球的表面形貌，分析了碳化硅陶瓷球 在研磨阶段的材料去除机理。研究表明，在碳化硅陶瓷球的研磨阶段，摩擦化学 对材料去除的影响微乎其微，材料去除主要是机械去除，微裂纹的产生和扩展是 其机械去除过程中的主导作用。材料去除机理主要是穿晶断裂引起的块状材料崩 落 通过观察断口形貌发现晶粒断口分两部分，一部分晶粒断1 ：2 为重叠在一起的 机械科学研究院硕十学位论文 层状，但己变得疏松，较容易去除；而周围有些晶粒的断口却是平整、结实的， 没有裂纹的侵入，较难去除。因此疏松的层状部分去除以后，表面就呈现一个个 的凹坑，这与抛光后的表面形貌相对应，是影响圆度和表面质量的主要原因。 关键词：碳化硅陶瓷球 研磨加工材料去除机理穿晶断裂 s t u d yo nl a p p i n gm e c h a n i s m so f s i l i c o nc a r b i d ec e r a m i cb a l l s a b s t r a c t s i l i c o nc a r b i d ei sak i n do f c e r a n f i c sw i t ho p t i m u mc o m b i n a t i o no f p r o p e r t i e s ，s u c h a sl o wd e n s i t y , l o wc o e f f i c i e n to ft h e r m a le x p a n s i o n , h i g hh a r d n e s s ，h i g he l a s t i c m o d u l u s ，r e s i s t a n c et oh i g ht e m p e r a t u r e ，a n d r e s i s t a n c et oc o r r o s i o n , c t c a n d e x t e n s i v e l ya p p l i e di nc e r a m i cb a l lb e a r i n g s ，b a l lp l u g ，g y r oa n dm e a s u r i n gd e v i c e s e t e s i l i c o nc a r b i d eb a l l sh a v ei r r e p l a c e a b l ea p p l i c a t i o ni ns o m ef i e l d s h o w e v e r , b e c a u s eo fi t si n h e r e n tb r i t t l e n e s s ，m a c h i n i n gs i l i c o nc a r b i d ei sq u i t ed i f f i c u l ta n dt h e m a n u f a c t u r i n gc o s ti sv e r yh i g h , t h a tl i m i t si ta p p l i c a t i o ni nv a r i e sf i e l d s i tc a n b e k n o w nt h a ta b o v e9 0 r e m o v a l si sh a p p e ni nl a p p i n gp r o c e s s ，w h i c hi sak e yp r o c e s s o f m a c h i n i n g t h ei m p r o v i n go f f i n a lr o u n d n e s sa n ds u r f a c 七q u a l i t ya l em u c h r e l a t i v e t ot h i sp r o c e s s s ot h i ss t u d yi sf o c u s e do nl a p p i n gp r o c e s st oe x p l o r et h er e m o v a l m e c h a n i s m s as e r i a lo ft e s t sw e r ec o n d u c t e do ns i l i c o nc a r b i d e ( s i c ) ，s i l i c o nn i t r i d e ( s i 3 n 4 ) ， z i r c o n i u mo x i d e ( z r 0 2 ) a n da l u m i n u mo x i d e ( a 1 2 0 3 ) c e r a n t i cb a l l st oe x p l o r et h e e f f e c t so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n dn f i c r o s t r u c t u r e so nt h ec e r a m i cb a l ll a p p i n g t h e r e s u l t sa r ea sf o l l o w s ：h a r d n e s sa n df r a c t u r et o u g h n e s sh a v ei n f l u e n c e so nm a t e r i a l w e a r , b u tc a n tc o n t r o lw e a r , w h i c hi sa l s oe r e c t e db yt h em a t e r i a lm i c r o s t r u c t u r e u n d e rt h es a m el a p p i n gc o n d i t i o n s ，t h em a t e r i a lr e m o v a lr a t eo f s i l i c o nc a r b i d eb a l li s t h eh i g h e s t ，a n dt h er o u n d n e s sa n dt h es u r f a c eq u a l i t ya r em o s td i f f i c u l t l yc o n t r o l l e d t h el a p p i n gt e s t so fs i l i c o nc a r b i d eb a l l sw e r ec a r d e do u tt os y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e t h ei n f l u e n c e so fl a p p i n gs p e e d , l o a d , f l u i d s ，a n da b r a s i v eo nl a p p i n gp r o c e s s t h e r e a s o n a b l el a p p 吨p r o c e s sa n dp a r a m e t e r sc a nb ef i x e da sf o l l o w s ：( 1 ) t h eh p p i n g f l u i dc a nb ec h o s e na sw a t e r - b a s e df l u i d ；( 2 ) t h el a p p i n gl o a d si nt h ep r i m a r yl a p p i n g a n dt h ef i n eh p p i n sc a nb ec o n t r o l l e d 勰1 2 n b a l la n d9 n b a l lr e s p e c t i v e l y ；( 3 ) t h e r o t a t i o n a ls p e e d si nt h ep r i m a r yh p p i n ga n dt h ef i n el a p p i n ga g ec h o s a s3 2 r r a i n a n d2 0 f r a i nr e s p e c t i v e l y ；( 4 ) t h ea b r a s i v e si nt h ep r i m a r yh p p i n ga n d t h ef i n el 印p i n g 机械科学研究院硕 学位论文 c a nb ec h o s e na s6 3 t u nb o r o nc a r b i ( 1 ea n d1 0 1 mc a r b o r u n d u mr e s p e c t i v e l y a f t e r l a p p e d , t h es i l i c o nc a r b i d eb a l lr o u n d n e s se r r o ri so 3 8 6 1 m aa n dt h er o u g h n e s si s o 0 4 6 b i n a n dt h e nt h eb a l l sw c l ep o l i s h e d a c c o r d i n gt 0g b 3 0 8 8 9 t h ep o l i s h e d b a l i sr o u n d n e s si sa b o u to l o ( o 2 5 p r o ) ，a n dt h er o u g h n e s si s u pt og 3 ( 0 0 0 s g m ) a b o v em e n t i o n e dp a r a m e t e r sc a np r o v i d er e f e r e n c ef o rm a k i n go u tap r o d u c t i o n p r o c e s so f s i l i c o nc a r b i d eb a l ll a p p i n g t h el a p p e ds i l i c o nc a r b i d eb a l ls u r f a c e sw e r eo b s e r v e db yt h es c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p ya n dt h em a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s m si nt h el a p p i n gp r o c e s sh a v eb e e n s t u d i e d t h er e s u l t ss h o wt h a ta l t h o u g ht h et r i b o c h c m i s t r yh a si n f l u e n c e0 1 1t h e m a t e r i a lr e m o v a l ，t h em a t e r i a lr e m o v a li nt h el a p p i n gp r o c e s so fs i l i c o nc a r b i d eb a l l s i sc a u s e dm a i n l yb ya b r a s i v em e c h a n i c a la c t i o n t h eg e n e r a t i n ga n de x p a n d i n go f m i c r o c r a c k i n gp l a yi m p o r t a n tr o l e si nt h ep r o c e s s t h em a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s m i sf l a k i n g - o f f o f m a s s i v em a t e r i a lr e s u l t i n gf r o mt r a n s c r y s t a l l i n ec r a c k i n g t h ef r a g l b r es u r f a c ef e a t u r e ss o m es m a l l ，l o o s ea n de v e n l yd i s t r i b u t e dl a m e l l a ra r e a s ， w h i c hc a nb ee a s i l yr e m o v e d w h i l et h eo t h e ra r e a sa r es m o o t ha n dd on o th a v e m i c m c m c k s ，w h i c hc a n tb ee a s i l yr e m o v e d a r e rt h el a m e l l a ra r e a sa l er e m o v e d , t h e p i t sc a nb eo b s e r v e do nt h es m o o t hb a l ls u r f a c e s w h i c ha r ec o r r e s p o n d i n gt ot h e p o l i s h e ds u r f a c e s t h el a m e l l a ra r e a sc a na f f e c ts r r f a c eq u a l i t y k e yw o r d s ：s i l i c o nc a r b i d ec e r a m i cb a l l ；l a p p i n g ；m a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s m ； t r a n s c r y s t a l l i n ec r a c k i n g 机械科学研究院硕士学位论文 压痕断裂最低负荷 断裂韧性 硬度 弹性模量 无量纲常数 按直径计算的材料去除率 按质量计算的材料去除率 轮廓算数平均偏差 角速度 符号清单 p k m b b m 机械科学研究院硕士学位论文 插图清单 陶瓷球4 碳化硅晶体结构示意图5 同心v 一型槽研磨设备示意图9 压痕断裂模型1 2 延展性状态磨削模型1 2 各种研磨设备示意图1 5 球表面的接触痕迹1 6 双盘v 一型槽研磨机中球的接触轨迹1 6 偏心研磨机中接触轨迹的变化原理1 6 磨科形貌图1 8 试验流程图1 9 h v s - 5 0 数显维氏硬度计1 9 t a l y r o n d7 3 圆度仪2 0 c l l 粗糙度轮廓仪2 0 试样腐蚀面的s e m 照片2 3 试样断口形貌2 4 试样压痕照片2 5 四种陶瓷球的去除率”2 6 四种陶瓷球的圆度误差2 6 四种陶瓷球的表面粗糙度r a ” 四种陶瓷球研磨后的表面形貌2 7 磨液与去除率的关系3 l 不同压力下磨液对去除率的影响3 l 不同磨液中的球表面形貌3 2 压力对材料去除率影响3 3 压力对圆度的影响3 3 压力对表面粗糙度r a 的影响3 4 球面裂纹3 4 “j i u 圮 ” “ ：3 ： ：暑 ” 撼 ” 化 们 “ ” 拍 ” 汜 ” 蝤 泊 蚴蚴蚴阶蚴鳓靴靴阶鳓脚眺鲫队眦帅阶眺弘阶鳓鳓蚴阶郾断脚 机械科学研究院硕士学位论文 图5 8转速对材料去除率的影响3 6 图5 9转速对圆度的影响“3 6 图5 1 0 转速对表面粗糙度r a 的影响3 7 图5 1 l 磨料对材料去除率的影响3 8 图5 1 2 磨料对圆度的影响3 8 图5 1 3 磨料对表面粗糙度r a 的影响3 9 图5 1 4 磨料粒度对材料去除率的影响4 0 图5 1 5 磨料粒度对圆度的影响4 0 图5 1 6 磨料粒度对粗糙度r a 的影响4 1 图5 1 7 磨料粒度对表面形貌的影响4 1 图5 1 8 球表面划伤4 2 图5 1 9 研磨加工后的圆度一4 3 图5 2 0 研磨加工后的表面粗糙度r a 4 3 图5 2 l 研磨加工后的表面形貌4 4 图5 2 2 抛光后的圆度误差0 2 5 2 t t m 4 4 图5 2 3 抛光后的粗糙度r a 0 0 0 8 t t m 4 4 图5 2 4 碳化硅陶瓷球抛光后的表面形貌4 5 图6 1成圆机理图4 7 图6 2横裂纹造成的材料剥落4 9 图6 3碳化硅试样压痕区断裂图片4 9 图6 4氮化硅试样裂纹形貌5 0 图6 5动载荷下磨粒与工件作用示意图5 0 图6 6碳化硅陶瓷球表面划伤5 l 图6 7大量磨粒作用示意图5 1 图6 8碳化硅陶瓷球表面的凹凸不平5 2 图6 9氧化锆陶瓷球表面的沟槽5 2 图6 1 0 碳化硅陶瓷球表面形貌图5 3 图6 1 1 碳化硅陶瓷的穿晶断裂图5 4 图6 1 2 碳化硅陶瓷的层状断口5 5 图6 1 3 碳化硅陶瓷球抛光面上的凹坑形貌5 6 i x 机械科学研究院硕士学位论文 表格清单 表1 1碳化硅陶瓷的主要用途2 表2 i陶瓷材料和钢材料基本性能对比4 表3 1试验材料的基本性能1 5 表3 2磨料硬度1 8 表3 3试样腐蚀方法1 9 表4 1四种陶瓷球的研磨试验条件2 5 表5 1相同压力下磨液试验条件3 0 表5 2不同压力下磨液试验条件3 l 表5 3压力试验条件3 2 表5 4转速试验条件3 5 表5 5磨料种类试验条件3 8 表5 6磨料粒度试验条件3 9 表5 7研磨加工条件4 3 表5 8研磨加工结果4 3 表5 9抛光试验条件4 4 表5 1 0 抛光中的预防措施4 5 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 扭越型堂丑窒瞳或其 他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：钎力全签字日期：丑年7 月1 3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解扭缝型堂丑究院有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文 被查阅和借阅。本人授权扭撼型堂班究瞳 可以将学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学 位论文。 学位论文作者签名：1 辫有仝 导师签名： 签字同期：2 0 0 6 年7 月d 日 兹弘 签字同期：蒯年7 月侈日 机械科学研究院硕士学位论文 第一章引言 球是轴承、阀门、流量计、陀螺、测量仪器等设备的重要元件，是工业基础 件随着科技的高速发展，在一些高温、高摩擦、腐蚀等特殊工作环境中，金属 球、塑料球已不能满足要求。陶瓷球因具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、密度小、 硬度高、无磁性等一系列特性，在航空航天、核工业、化学工业、食品加工、精 密测量等领域得到了越来越广泛的应用。 在碳化硅、氮化硅、氧化锆和氧化铝这四种陶瓷球常用材料中，碳化硅陶瓷： ( 1 ) 热传导率最高，使用上限温度最高( 1 4 0 0 左右) 、热膨胀系数较低( 仅大 于氮化硅) ，可以考虑用在高温场合；( 2 ) 弹性模量较高在4 2 0 g p a 左右，可以用 在对刚度要求高的场合；( 3 ) 抗热冲击性较高( 仅次于氮化硅) ，可以考虑用在 温度急剧变化的场合；( 4 ) 耐腐蚀性最好，尤其是耐h f 酸的腐蚀碳化硅陶瓷 的这些优异性能使碳化硅陶瓷球有很大的潜在市场。因此本课题选择碳化硅陶瓷 球为研究对象。但是碳化硅陶瓷属于硬脆材料，加工困难，加工时容易在表面产 生裂纹、凹坑、划伤等缺陷。高性能陶瓷材料的磨削要求选择合理的工艺参数， 以便在保证表面质量的前提下，获得最高的材料去除率。材料去除率越高，磨削 费用就越低。但去除率的提高又受到陶瓷表面损伤的限制，表面损伤将导致陶瓷 元件过早失效。为获得最优的磨削参数，需要掌握基本的磨削机理和磨削参数对 工件表面损伤的影响。 关于陶瓷球的机械加工，已有很多报道。考虑到陶瓷具有低的断裂韧性，“压 痕断裂模型”描述的是磨削过程中微裂纹的产生和扩展“哪该模型是建立在理 想化的裂纹系统和由压头所产生的变形的基础上的。第二类模型是根据陶瓷在非 常局部条件下会产生塑性变形的现象提出的，一般被称为“延展性状态磨削模 型”叫。“延展性状态磨削模型”假设只有塑性变形存在，一般要在非常低的 材料去除率条件下，该条件才能实现。这两种模型在一定程度上解释了材料的去 除，都为研究磨削机理提供了重要依据。此外，还有一些报道阐述了在陶瓷加工 过程中摩擦化学反应的存在。脆性断裂、塑性切割和摩擦化学这几种机理控制着 材料的去除。 但是国内外对陶瓷球的研究报道大多集中在氮化硅陶瓷球上，有关碳化硅陶 瓷球的研究报道比较少；而且有关陶瓷球的加工研究还多集中在工艺参数的选择 上，一些磨削模型只包含宏观力学性能和操作参数，而缺少材料的显微结构的分 l 机械科学研究院硕t 学位论文 析。此外，在陶瓷球这种特定的加工过程中，摩擦化学对材料去除率的影响程度 如何还不明确。因此有必要对碳化硅陶瓷球的磨削机理进行研究，系统分析加工 参数( 磨液、磨料、压力和转速) 、材料性能和显微结构对加工的影响。 同时，碳化硅陶瓷在很多工业领域有广阔的应用空间。对碳化硅陶瓷球磨削 机理的研究，也对其他碳化硅陶瓷制品的加工具有指导意义，促进碳化硅陶瓷的 发展与应用。表1 1 是碳化硅陶瓷的一些主要用途 表1 1 碳化硅陶瓷的主要用途 冶金工业高温气体耐火材料，热交换器，燃烧元件、轴承等耐热、耐蚀、酎氧化、气密 其它加工成型拉丝、成型模，轴承，纺织导向等 耐磨耐蚀 2 机械科学研究院硕t 学位论文 第二章文献综述 由于具有耐高温、耐腐蚀、密度小，弹性模量大、硬度高等一系列特性，碳 化硅陶瓷球不仅应用于滚动轴承中，而且是阀门、流量计、圆度仪、陀螺和精密 测量中的重要元件，在精密设备和精密加工中具有十分重要的地位。但是与金属 相比，碳化硅陶瓷材料的高硬度、低韧性使其加工困难，加工时易在材料表面产 生凹坑、裂纹等缺陷，球的形状精度、尺寸精度、表面质量难以控制o “”因此 对碳化硅陶瓷球的加工技术进行研究，以获得良好的加工质量和效率具有十分重 要意义。本章首先介绍陶瓷球的技术特点，然后综述碳化硅陶瓷球的材料性能、 生产过程、磨削加工的影响因素以及研究现状，最后提出了本研究工作的主要内 容。 2 1 陶瓷球的技术特点 结构陶瓷具有高强度、高硬度、耐高温、耐腐蚀等特性，可以在许多苛刻的 工作环境下使用，因而成为人们关注的焦点，也是许多新兴科学技术得以实现的 关键，其应用范围越来越广泛。其中一个典型应用就是陶瓷球。 球体是轴承、阀门、流量计和精密测量中的重要元件。由于具有金属球所无 法比拟的优异性能，在高温、高速、腐蚀、真空、无磁性、干摩擦等特殊环境下， 陶瓷球不可或缺的替代作用正在被人们逐渐认识。随着加工技术的不断进步，陶 瓷球的成本不断下降，已经从过去在一些高、精、尖等领域小范围应用，逐步推 广到工业过程的许多领域。 陶瓷球与目前广泛使用的钢质球相比，具有以下技术特点”： ( 1 ) 密度低 陶瓷材料的密度低，比如，碳化硅陶瓷的密度在3 1 0 9 c m 3 左右，不足轴承 钢的一半。低密度的陶瓷球应用到轴承上时可以降低球的离心力，提高轴承转速。 ( 2 ) 强度高，刚性好 陶瓷材料的抗压强度高、刚性好，可以有效防止变形，保证球的形状精度， 这在精密测量中非常重要。 ， ( 3 ) 硬度高，耐磨损 结构陶瓷材料与钢材料相比，其无润滑磨擦系数小，具有良好的耐磨损性。 陶瓷材料的硬度很高，可以防止外界粒子冲击的损伤，保持表面质量，大大提高 了陶瓷球的耐磨损性 3 机槭科学研究院硕十学位论文 ( 4 ) 耐高温，热膨胀系数小 在一些高温环境中，要求陶瓷球既要保证一定的强度，又要保证尺寸精度。 例如，喷气发动机为了追求高的推重比( 即推力大、重量轻) ，轴承的工作温度 提高到6 0 0 c 以上，而一般钢滚动轴承的承受温度仅为2 5 0 ( 2 ，这时就要考虑使 用陶瓷球轴承。如氮化硅陶瓷的最高使用温度为8 0 0 c 左右，热膨胀系数为轴承 钢的三分之一左右。 ( 5 ) 耐腐蚀 特种条件下工作的许多设备，其中的轴承、阀门要求耐酸碱腐蚀、耐水锈蚀， 如海洋、化工、食品加工等领域，陶瓷球轴承完全可满足这一要求，比如碳化硅 陶瓷可以抵抗氢氟酸的侵蚀。 目前，制作陶瓷球的材料主要有碳化硅、氮化硅、氧化锆和氧化铝。图2 1 为这四种陶瓷材料制作的陶瓷球。表2 1 为陶瓷材料与钢材料基本性能对比。 ( a ) 碳化硅( b ) 氮化硅( c ) 氧化锆( d ) 氧化铝 图2 1 陶瓷球 表2 1陶瓷材料和钢材料基本性能对比 4 机械科学研究院顼t 学位论文 磁性无无无无有有 2 2 一种典型的陶瓷球材料碳化硅 在碳化硅、氮化硅、氧化锆和氧化铝这四种陶瓷球常用材料中，碳化硅陶瓷： ( 1 ) 热传导率最高、使用上限温度最高( 1 4 0 0 左右) 、热膨胀系数较低( 仅大 于氮化硅) ，可以考虑用在高温场合；( 2 ) 弹性模量较高在4 2 0 g p a 左右，可以用 在对刚度要求高的场合；( 3 ) 抗热冲击性较高( 仅次于氮化硅) ，可以考虑用在 温度急剧变化的场合；( 4 ) 耐腐蚀性最好，尤其是耐 i f 酸的腐蚀“”。由此可见， 在一些特殊的工作环境中，碳化硅陶瓷球有很大的工业价值。因此本论文主要选 择碳化硅陶瓷球为研究对象。 2 2 1 碳化硅晶体结构 s i c 是以共价健为主的化合物，共价键约占8 8 。由于碳与硅两元素在形成 s i c 晶体时，s i c 原子中s p 电子的迁移导致能量稳定的s p 3 杂化排列，从而形 成具有金刚石晶体结构的s i c ，存在牢固的共价键。碳化硅晶体结构中的单位晶 胞是由相同的四面体构成，硅原子处于中心，周围是碳。所有结构均由s i c 四面 体堆积而成，所不同的只是平行结合或反平行结合。 ( a ) ( a ) 闪锌矿型 ( b ) ( b ) 纤锌矿型 o ：s i：c 图2 2 碳化硅晶体结构示意图 s i c 具有a 和b 两种晶型，b - s i c 在低于2 0 0 0 c 时才稳定，是立方晶系； a s i c 在高于2 0 0 0 c 时才稳定，是六方晶系“”。图2 2 是两种典型结构的示意 图。8 - s i c 的结构与纤锌矿同型，s i 和c 分别组成面心立方晶格。a s i c 存 在4 h 、i s r 、6 h 等多种多型体，其中6 h 是工业上应用最普遍的。在1 5 r 和6 h 5 机械科学研究院硕七学位论文 中，s i 和c 交替呈层状堆积。碳化硅各晶型之间可以转变，从2 1 0 0 c 开始，b - s i c 向d - s i c 转变，2 4 0 0 c 时转变迅速发生。s i c 没有熔点，具有很高的分解 温度，在大气压下高达2 5 0 0 c “” 2 2 2 碳化硅陶瓷的力学性能 同氮化硅、氧化铝和氧化锆相比，碳化硅陶瓷有很高的弹性，弹性模量约为 4 2 0 g p a ，耐磨性好，维氏硬度高，在2 2 0 0 2 5 0 0 k g m m 2 ，但是其断裂韧性较低 在3 0 4 0m p a m “2 。 2 2 3 碳化硅陶瓷的化学稳定性 纯碳化硅不会被h c i ， 1 n q ，h ：s o 和h f 等酸溶液以及n a o h 等碱溶液所侵蚀。 其抗酸碱性极为优秀“”。s i c 好的耐化学腐蚀性，是由于s i 对氧具有高的亲合 力。硅与氧在含水介质中反应引起钝性，如果使之经受热氧化导致生成氧化硅玻 璃膜，它可以防止进一步氧化。通过外层的物料迁移只通过非离子氧化而进行， 同时也会为挥发的氧化副产物和c 0 的反扩散所阻止。即使在1 5 0 0 c 下，纯s i c 的抗氧化能力亦比当今最好的超级合金在其最高使用温度1 4 0 0 c 下的抗氧化能 力高一倍。 2 2 4 碳化硅陶瓷的热学性质 碳化硅耐高温性好，在温度超过1 2 0 0 c 时，s i c 的强度开始超过s i g n , 的强 度，实际上碳化硅陶瓷具有比其他任何材料( 包括金属在内) 都高的高温强度， 而且在高温时，碳化硅的强度有升高的趋势，有文献报道称这可能是由于裂纹尖 端应力松弛而引起的。s i c 陶瓷的抗热震温度为6 0 0 c ，在高致密的陶瓷中，这 个值仅次于s i 3 n 。陶瓷( 其抗热震温度大约为9 0 0 c ) 。 2 3 碳化硅陶瓷球的生产过程及工艺特点 由于陶瓷材料的一些机械性能，使得陶瓷球的加工非常困难，加工时易在精 度及表面质量方面产生一些缺陷，引起陶瓷球在运转过程中过早破碎。因此，陶 瓷球的加工精度和效率直接关系到陶瓷球的性能和成本。生产高精密陶瓷球的技 术关键是：优化和确定陶瓷球研磨的加工工艺，包括磨料、磨液、压力、转速等。 在加工工艺参数与陶瓷材料的特性相匹配时，才能在保证质量的前提下，提高加 工效率，追求经济性。 碳化硅陶瓷球的生产过程一般包括：粉末制取、成形、烧结和机械加工 2 3 1 粉末的制取 6 机械科学研究院硕上学位论文 ( 1 ) s i 0 2 - c 还原法 工业上按下列反应式用高纯度石英砂和焦炭或石油焦在电阻炉内生产s i c ： s i 时3 c ：竺竺：一$ i c + 2 c 0 + 5 2 8 蛐o i s i c 用此法制得的s i c 含量一般为9 6 左右。颜色有绿色和黑色，s i c 含量愈高 颜色愈浅，高纯为无色。 ( 2 ) 气凝s i0 2 的碳还原法 在粒度为1 8 2 2 纳米的s i 如中加入3 0 3 5 纳米的天然气碳黑在1 4 0 0 1 5 0 0 c 温度下通氩气保护，反应即可获得纯s i c 反应中加入微量s i c 粉可抑制 s i c 晶体的长大 ( 3 ) 气相合成法 在气相硅的卤化物中加入碳氢化合物( 气体) 并通人一定量的氢气，在 1 2 0 0 1 8 0 0 c 的高温作用下可以制取高纯s i c 在这个反应中，碳氢化合物是作 为碳的载体，氢气是用来还原，同时氢气还可以抑制在s i c 生成过程中游离硅和 碳的沉积。 粉料的状态对生产过程及产品的性质有明显的影响，精确控制原料的化学和 物理性能是非常有必要的。因此，通常要求粉料具有以下特性：( 1 ) 纯度高；( 2 ) 高均匀而细的颗粒；( 3 ) 有用相含量高。 2 3 2 成形 目前制作碳化硅陶瓷球坯一般采用粉压成型。粉压成型包括干压成形和等静 压成型。它们的共同特点是都采用干粉料，在粉料中只含有百分之几的水分或更 少的其他有机粘合剂。 干压成型是一种最简单、最直观的成型方法，只要将经过造粒、流动性好的 粉料倒入一定形状的钢模中，借助于模塞，通过外加压力，便可将粉料压制成一 定形状的坯体。但是此法只能做一维方向加压，其内在的缺点是产品结构和强度 存在各向异性 等静压成形，是利用液体介质不可压缩性和均匀传递压力性的一种成型方 法。最早采用的是湿式等静压，该法将预压好的粉料坯体，包封于弹性的塑料或 橡皮胶套内，然后置于一个能承受高压胀力的钢筒中，通过进液口，用高压泵将 传压液体打入简体。因此，胶套内的工件将在各个方向受到同等大小的压力作 为对湿法等静压的改进，出现了干式等静压可使工效及自动化水平大为提高。 7 机械科学研究院顾士学位论文 等静压成型对模具并无特殊要求，压力易于调节，坯体均匀致密，烧结收缩 小，且各向均匀一致，烧结后的产品具有很好的机械强度。 2 3 3 烧结“”1 s i c 很难烧结，其晶界能和表面能之比很高；同时s i c 烧结时扩散速率很低， 它表面的氧化膜也起扩散势垒的作用。因此需借助添加剂或压力才能获得致密材 料。碳化硅陶瓷球的烧结一般有两种方法：常压烧结和热等静压烧结。 采用常压烧结方法，对含有微量氧的_ s i c 中添加0 5 b 和1 0 c ，在 2 1 0 0 2 2 0 0 c ，惰性气氛或真空中烧结，可获得致密的碳化硅烧结体。采用超细 粉末是非常必要的，因为它提供了致密化所需要的热力学推动力，同时缩短了扩 散距离。这种方法是生产致密和复杂的碳化硅制品的较常用方法。 热等静压法作为一般热压法的改进，可使物料受到各向同性的压力，因而陶 瓷的显微结构均匀，另外，热等静压法中施加的压力更高，这样既能使陶瓷坯体 在更低的温度下烧结，又能提高致密度，并取得较小的晶粒尺寸。 2 3 4 碳化硅陶瓷球的机械加工 碳化硅陶瓷球坯烧结成型后，尺寸精度和表面质量远未达到使用要求。因此 要制造高精度的陶瓷球，必须对烧结后的球坯进行机械加工。陶瓷球机械加工的 目标是：( 1 ) 达到零件的尺寸精度、宏观的几何形状精度和微观表面粗糙度等要 求；( 2 ) 避免产生和彻底消除表面裂纹。 陶瓷球的加工一般要经研磨和抛光两个阶段。一般采用的加工设备如图2 3 所示，上盘是固定的，下盘是转动的，带有导向槽，陶瓷球在两个研磨盘之间处 于三弧接触状态。研磨盘的硬度比陶瓷球的硬度低很多，而磨料的硬度比陶瓷球 的硬度高，在磨削压力和研磨盘旋转的综合作用下，部分磨料被挤压而嵌入研磨 盘三弧接触表面上，形成一个非常细致的磨具。在下盘的驱动下，陶瓷球在沟槽 里滚动，一方面随转动盘做公转运动，一方面又连续自转。因此球表面与盘的接 触面产生相对的滑动和滚动，这时磨粒就对球产生了磨削作用，包括：( 1 ) 利用磨 粒刮削球面去掉余量；( 2 ) 利用磨粒的滚动作用加工球面；( 3 ) 利用磨粒切削刃挤 压球坯等，从而达到减小球径、提高球度和降低表面粗糙度的目的嘲 8 机械科学研究院硕士学位论文 图2 3 同心v 一型槽研磨设备示意图 2 3 4 1 陶瓷球的研磨加工 陶瓷球的研磨加工分为粗磨和细磨。粗磨阶段，使用的磨料比较粗，压力比 较大。粗磨工序要完成陶瓷球的加工余量9 5 左右的加工量，是影响陶瓷球加工 效率的关键工序，因此需在保证陶瓷球加工质量的前提下尽量提高加工速度。 细磨阶段的目的是进一步改善在粗磨阶段形成的表面加工缺陷，提高陶瓷球 的表面质量和精度，该阶段所使用的磨料粒度和研磨压力较小陶瓷球细磨后的 尺寸精度、球形精度和表面质量一般与成品要求相接近。 研磨阶段采用的磨料一般有碳化硼、碳化硅、金刚石，研磨盘采用铸铁盘， 硬度一般在1 4 0 2 2 0 h b 。 2 3 4 2 陶瓷球的抛光 陶瓷球的最后一道加工工序是抛光。抛光的目的是改善球体的表面粗糙度和 圆度，并尽量去除加工损伤层，减少表面缺陷( 如表面微裂纹、麻点等) 。抛光 对陶瓷球的质量至关重要。 抛光和研磨一样，是利用磨粒在抛光盘上对工件进行加工的方法，但是抛光 使用的是l p m 以下的磨粒，而且抛光盘的硬度比研磨盘的硬度低。抛光过程中， 除机械作用外，化学作用不可忽视。研磨是用比较硬的金属盘作研具，材料的破 坏以微小破碎为主。抛光时，给磨粒的作用力不能使工件产生裂纹。 抛光加工面的粗糙度是机械的、化学的切屑形成后的痕迹，而存在于加工变 质层中的弹塑性变形及微小裂纹可认为是用于生成切屑的机械能的一部分产生 的。因此，从精密加工技术发展的角度，采用使表面粗糙度和加工变质层均小的 切屑生成条件是非常重要的嘲。 2 3 5 陶瓷球机械加工的影响因素 2 3 5 1 陶瓷材料的影响 9 机械科学研究院硕士学位论文 s i c 是共价键化合物，由于s i 、c 原子较小，键长短，共价性极强，这决定 了碳化硅的高硬度“”“高硬度可以有效地抵抗磨料颗粒压入材料，但是碳化硅 陶瓷球的材料去除率很高，形状误差不易控制，很容易产生平头，表面会产生分 散的点状孔隙。这是因为虽然硬度是一项影响磨削的指标，但其自身并不控制磨 削伽。 韧性是对裂纹生长的抵制能力，高的韧性可以限制裂纹的延伸伽。碳化硅的 韧性比较低，这在一定程度上影响了碳化硅陶瓷球的磨加工。 气孔降低材料的强度，是裂纹产生的根源。气孔的尺寸和数量不断减小，可 使强度提高，因此要尽可能消除气孔，以便使材料具有较大的强度。 具有较弱晶界的碳化硅的磨