高精度陶瓷球的研磨加工技术研究

球磨粉碎法摘要：在理论上分析了球磨过程中物料粉碎的机理及所发生的物理化学变化，在工艺上探讨了研磨方式、磨机转速、物料的装填系数、研磨时间及研磨助刑对研磨效率的影响。

一前言自1880年陶瓷工业生产中使用球磨机粉碎物料以来已有100余年的历史了，尽管有少数技术先进的国家因原料精制技术的发展而仅在陶瓷生产中用球磨机配料(只起混合作用)，但国内外绝大多数国家的陶瓷生产中仍广泛用球磨机来粉磨与混合陶瓷原料、坯釉料及颜料。

然而，陶瓷生产中球磨机的效率却很低——约1 % ，以致消耗了大量的能量。

据统计，陶瓷生产中约有40% 的电能消耗在球磨工艺上。

又由于球磨工艺对物料的颗粒形状、细度、尺寸分布及物化性能、生产效率有重要的影响，故本文将对球磨工艺中的有关问题进行粗浅的探讨。

二物料的粉碎机理物料在球磨过程中被粉碎是由于研磨体对其冲击与研磨作用的结果。

然而，其粉碎过程却极为复杂。

若以某一单独颗粒为研究对象，则球磨过程中它可能反复地受到研磨压应力的作用，致使存在于该颗粒表面上固有的或新生成的裂纹扩张，进而导至其破碎或产生塑性变形。

当该颗粒不断地被粉碎时．产生的某一级新颗粒便难以进一步磨细了，这是因为新生颗粒表面上的裂纹较细，且出现某一最小断裂应力的裂纹几率也减小了的原故。

当破碎过程继续进行时，所需的最终破碎应力可能会增大到使颗粒产生塑性变形的程度。

此时，随着塑性变形的产生，颗粒便不会最被磨细了。

因此，研磨物料时会有一个粒度极限值。

对于石英原料而言，能被磨细的粒度极限值为1微米左右，又如，石灰石的极值为3～5微米。

也就是说，当物料的粉磨进入到超细粉碎的范围时，球磨机的粉碎作用便越来越困难了。

在大多数粉磨系统中都存在一个实际的研磨极限，这一极限最主要地取决于研磨产物颗粒产生重新聚积的倾向，以及聚积与破碎之间所建立起来的物理平衡。

因此，过长的延长球磨时间是毫无意义的，只会导致能耗的增加，因为过细的颗粒无法有效地储存使裂纹扩张所需的弹性能量。

（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６００＂Ｃ以上，而一般钢滚动轴承的承受温度仅为２５０＂（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８００＂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机械科学研究院硕士学位论文（ａ）碳化硼（ｃ）金刚石图３．５磨料形貌图表３．２磨料硬度（ｂ）金刚砂磨科硬度（ｋｇ／—２）金剐石碳化硼金刚砂１００００左右４０００～５０００３．４试验流程本试验的方案设计为：（１）四种陶瓷的腐蚀面分析；（２）四种陶瓷的断口分析；（３）四种陶瓷的压痕试验；（４）四种陶瓷球的研磨试验；（５）碳化硅陶瓷球的研磨试验；（６）碳化硅陶瓷球的抛光试验；（７）表面形貌分析；（８）结果分析与讨论．碳化硅陶瓷球的研磨试验碳化硅陶瓷球的抛光试验表面形貌分析结果分析与讨论图３．６试验流程图３．５性能测试及组织结构观察３．５．１密度测试按照ＧＢ／Ｔ３８５０－１９８３中的方法，测量碳化硅，氮化硅、氧化锆和氧化铝四种试样的密度。

３．５．２腐蚀试样的制备采用２０、ｌＯ、５、３．５和１．５ｐｍ的金刚石研磨膏对预腐蚀面进行逐步抛光，然后在一定条件下进行腐蚀。

利用Ｓ－５７０型扫描电镜观察。

表３．３为试样的腐蚀方法。

表３．３试样腐蚀方法试样腐蚀条件碳化硅氮化硅氧化锆氧化铝在煮沸的铁氰化钾，氢氧化钾和水（质量比ｌｔ１：ｌＯ）的混合溶液中浸泡１５ｍｉｎ在熔融的氢氧化钾中浸泡５ｒａｉｎ在１４３０＇ｃ保温ｌｈ在１４８０℃保温ｌＯｍｉｎ３．５．３断口试样的制备用压力机将陶瓷球压碎，将碎块用超声波清洗。

陶瓷人工髋关节球超精密磨削加工微观纹理形成规律宫虎; 陈芳琪; 王涛; 倪皓; 孙艺嘉【期刊名称】《《光学精密工程》》【年(卷),期】2019(027)009【总页数】9页(P1926-1934)【关键词】超精密加工; 陶瓷髋关节球; 磨削; 旋转超声加工【作者】宫虎; 陈芳琪; 王涛; 倪皓; 孙艺嘉【作者单位】天津大学精密仪器与光电子工程学院精密测试技术及仪器国家重点实验室天津300072; 天津职业技术师范大学机械工程学院天津300222【正文语种】中文【中图分类】TN305.21 引言关节病是老年人群中发病率最高的疾病之一。

当关节病日趋恶化至保守治疗无效，或已出现关节活动受限及变形时，人工关节置换术成为减轻症状、矫正变形及改善关节功能的主要途径。

人工关节置换术是指采用陶瓷、金属、高分子聚乙烯等材料，根据人体关节的形态、构造及功能制成人工关节假体，通过外科手术植入人体内，代替患病关节。

它让无数患有终末期骨关节疾病的病人重新恢复了正常的生活，被认为是二十世纪最成功的骨科手术之一。

著名医学杂志《Lancet》上发表的综述文章[1]，甚至将人工全髋关节置换术称为“世纪手术”。

因为髋关节和膝关节是人体主要的受力和磨损部位，损坏率高，所以膝关节置换和髋关节置换是人工关节置换术中最主要的两类手术[2]。

目前，标准关节副的基本设计形式是金属-UHMWPE(超高分子量聚乙烯)匹配，约占各种形式人工关节总量的80%。

例如，典型的膝关节假体是钴铬合金；膝关节衬垫是UHMWPE。

钴铬合金-UHMWPE组合假体的平均使用寿命在10～15年左右，而且将近25%的关节会由于无菌性松动而过早失效[3]。

这主要是由于UHMWPE的磨损比较剧烈[4-6]。

磨损会导致关节间隙中含有微小的颗粒，诱导假体周围骨溶解，引发三体反应，还会引起假体周围组织的发炎，减少关节的使用寿命。

在此情况下，就需要对患者进行二次手术，从而给病人带来巨大的痛苦和较大的经济负担。

氮化硅陶瓷球研磨过程中磨损形式的研究摘要：本文研究了氮化硅陶瓷球在研磨过程中的磨损形式。

通过实验测量了研磨前后氮化硅陶瓷球的物理和化学性质的变化，分析了不同磨损形式的影响因素和机制，为进一步优化氮化硅陶瓷球的研磨性能提供了理论依据。

关键词：氮化硅陶瓷球；研磨；磨损形式；机制；性能优化Introduction氮化硅陶瓷球是一种新型高性能研磨材料，具有硬度高、耐磨性、化学稳定性好等优点，被广泛应用于各类磨料材料的研磨加工中。

然而，在实际应用过程中，氮化硅陶瓷球的磨损问题是制约其研磨性能的一个重要因素。

因此，对氮化硅陶瓷球在研磨过程中的磨损形式进行研究，对于提高其磨损性能和研磨效率具有重要意义。

Materials and methods本文所用的氮化硅陶瓷球为直径为10mm的实心球体，通过水下粘接技术将其与磨料料槽固定在一起，采用固定磨头旋转的方式进行研磨。

在研磨前后，采用扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）、热重分析（TGA）等手段对氮化硅陶瓷球的物理和化学性质进行测量分析，探讨其磨损形式与性质变化之间的关系和机制。

Results and discussion1. 表面磨损形式通过SEM观察可以发现，在研磨过程中，氮化硅陶瓷球表面出现了不同形式的磨损。

在初期研磨阶段，由于磨料的冲击作用，氮化硅陶瓷球表面出现了微裂纹，从而导致表面形貌变化，表现为浅层磨损；随着研磨时间的增加，氮化硅陶瓷球表面出现了更加严重的磨损，表现为表面凸起物掉落和颗粒的剥落磨损。

2. 物理性质变化随着研磨时间的增加，氮化硅陶瓷球的硬度和密度均发生了变化，硬度下降的幅度较小，约为3%左右，而密度下降的幅度较大，约为10%左右。

这可能是由于磨料的冲击和摩擦作用导致氮化硅陶瓷球表面形貌的变化和颗粒剥落引起的。

3. 化学性质变化通过XRD和TGA等手段可以得到氮化硅陶瓷球在研磨过程中的化学性质变化情况。

结果显示，研磨后氮化硅陶瓷球的结晶度有所下降，表明其晶界发生改变，可能是由于表面形貌变化导致的。

第28卷第5期摩擦学学报V o.l28 N o.5 2008年9月T ri b ology Sept.2008氮化硅陶瓷球研磨过程中磨损形式的研究吕冰海,袁巨龙,戴 勇(湖南大学国家高效磨削工程技术研究中心,湖南长沙 410082)摘要:为掌握不同研磨条件下氮化硅(Si3N4)陶瓷球表面的磨损形式,在球 盘式磨损实验装置上,采用不同载荷及磨料粒度和浓度的碳化硼(B4C)磨料进行了磨损实验.通过显微镜观察陶瓷球表面确定其磨损形式,并绘制了磨损形式与载荷及磨料浓度的关系图.研究发现磨损形式与磨粒粒径关系不大;载荷较大或磨粒浓度较低时氮化硅陶瓷球表面发生二体磨损,反之则产生三体磨损.建立了磨损 接触刚度理论公式,计算确定了实验条件下氮化硅陶瓷球磨损形式的转换点数值为20. 接触刚度小于20时,氮化硅陶瓷球表面发生二体磨损,反之则产生三体磨损.由此可预测不同研磨条件下氮化硅陶瓷球的磨损形式.关键词:氮化硅陶瓷球;研磨;磨损形式;二体磨损;三体磨损中图分类号: 文献标志码:A文章编号:1004 0595(2008)05 0416 06氮化硅陶瓷球以其高硬度、高弹性模量、低密度、低摩擦系数、耐磨、化学性能和热学性能稳定[1 2]等性能,被认为是高速、高精度轴承滚动体的理想材料.目前,氮化硅陶瓷球主要采用研磨方法加工,通过球坯、研磨盘以及磨料的相互作用实现材料去除.陶瓷球的机械研磨过程实际上就是球坯材料的磨料磨损过程.材料去除与磨损形式有关,有学者[3 7]在氮化硅陶瓷球研磨过程中观察到了不同的磨损形式,其磨损形式直接决定了陶瓷球表面材料的去除机理、加工效率和表面质量.但其磨损形式与加工条件之间的关系尚不十分明晰,因此,有必要对氮化硅陶瓷球研磨过程中磨损形式进行深入研究,以期为掌握其研磨加工过程中的材料去除过程、改进加工工艺提供实验和理论分析的依据.本文采用球 盘式磨损实验装置,对单颗氮化硅陶瓷球在不同磨料粒度、磨料浓度和压力条件下的表面磨损形式进行了研究,分析了加工条件与球面磨损形式的关系,并对其磨损形式的转变条件进行了讨论.1 磨料磨损形式目前,磨料磨损按照是否存在第三体磨料来划分二体磨损和三体磨损.按照系统分析的方法,磨损系统中的被磨损材料通常被称为第一体,与其配副的材料称为第二体,第三体是指存在于第一体和第二体之间的磨料.针对氮化硅陶瓷球的研磨加工而言,第一体是指氮化硅陶瓷球坯,第二体指研磨盘,第三体指的是磨料.近年来的研究对二体磨损、三体磨损作如下定义[9]:当第三体(磨料)约束较强,对第一体(工件)表面进行切削或犁耕而使之形成方向性很强的磨损痕迹[如图1(a)[10]所示]时,称为二体磨损(这时的 二体指的是第一体与第三体)或犁沟磨损(groov i n g w ear);当第三体约束较弱,在第一体与第二体之间滚动旋转或时滚时滑,使第一体表面形成方向性较差或无方向性的磨损痕迹[如图1(b)[10]所示]时,称为三体磨损或滚动磨料磨损(ro lling abrasive w ear).2 氮化硅陶瓷球磨损形式的试验研究2.1 试验过程图2所示为本研究中采用的材料磨损形式试验装置示意图.在载荷作用下,陶瓷球被夹持于加载轴与研磨盘之间,随着铸铁盘的转动在原处滚动,这与实际研磨过程中陶瓷球的接触状态类似.研磨液通过浇注管进入陶瓷球-铸铁盘接触区域.表1所列为实验中所用的氮化硅陶瓷球和铸铁研磨盘的机械性能,氮化硅陶瓷球质量等级为G10级,直径为 5mm.实验参数水平设置与氮化硅陶瓷基金项目:国家自然科学基金资助项目(50705028).收稿日期:2008 01 28;修回日期:2008 08 04/联系人吕冰海,e m ai:l l u bt@s ohu.co m 作者简介:吕冰海,男,1978年生,博士,讲师,目前从事超精密加工技术及装备研究.F i g 1 SE M i m age o f typ i ca l t wo body (a)and three body wear surface (b)[10]图1 典型二体磨损(a)和三体磨损(b)试件的SE M 图像[10]球实际研磨过程中精研工艺相近.采用以碳化硼(B 4C)磨料的水基研磨液,磨料粒度为W 20、W 7和F i g 2 Schem atic ill ustrati on of dev i ce f o rceram ic ba llw ear test图2 陶瓷球磨损试验装置的结构示意图表1 试验所用S i 3N 4球和铸铁盘的机械特性T ab le 1 M echan ica l p rop erties of S i 3N 4ball andlapp i ng p late e mp loyed in exper i m en tPara m eters S i 3N 4ball C ast i ron plat e D ens i ty /(kg !m -3)32007400~7700H ardness /HV 1500230~250Young ∀s m odu l us /GPa310113~157Poisson ∀s ratio 0.260.23~0.27Comp ress i on strengt h /M Pa>3500Bend strengt h /M Pa 600>175Su rface roughness /Ra20nmW 3.5.实验过程中,载荷分别取0.5N 、1N 、1.5N 、2N,研磨液中磨粒的浓度(重量比)分别取5w %t 、10w %t 、15w %t 、20w %t 、25w %t 、30w %t .陶瓷球 研磨盘接触点与研磨盘转轴的距离为100mm,研磨盘转速为20r/m i n .每组实验进行0.5h,用光学显微镜观察实验后陶瓷球的表面,以确定氮化硅陶瓷球的主要磨损形式.2.2 试验结果通过对实验后陶瓷球表面的观测,发现在不同的实验参数条件下,陶瓷球表面的材料去除形式分别为二体去除形式、三体去除形式和混合去除形式(兼有二体与三体的特征).图3(a)、(b)、(c)分别Fig 3 Three types o f abrasion surface observed w ith optica l te lescope (400#)图3 显微镜下陶瓷球表面材料的三种去除形式(#400)为氮化硅陶瓷球在载荷1N 、W 20B 4C 、磨料浓度分别为5w %t 、15w %t 、10w %t 的实验条件下,实验后陶417第5期吕冰海等: 氮化硅陶瓷球研磨过程中磨损形式的研究瓷球表面的显微镜图像.由图可见,陶瓷球表面的磨损痕迹可明显地分为三类:图3(a)所示的陶瓷球表面磨损痕迹呈平行沟槽状分布,这是由嵌入研磨盘的磨粒对球坯表面的微切削或刻划作用产生;图3(b)所示的磨损痕迹无明显方向性,表面有许多凹坑,这是磨粒在研磨盘的支撑下滚过球坯表面的结果;图3(c)所示的磨损痕迹显示了前述两者的综合特征,是磨粒在球坯表面时滚时划的作用结果.为确定不同实验条件下,陶瓷球表面不同的磨损形式,以磨料浓度为横坐标,以实验载荷为纵坐标,将光学显微镜观察到的结果绘制成磨损形式图,如图4所示.图4(a)、(b )、(c)分别为B 4C 磨料粒Fig 4 Abrasi o n m odes under d ifferent load and abrasive concentration w ith grit size W 20,W 7and W 3.5图4 采用不同粒度B 4C 磨料时不同载荷、磨粒浓度下的氮化硅陶瓷球表面磨损形式图度为W 20、W 7和W 3.5时所得到的磨损形式图.由图4(a)可见,当载荷较大或磨粒浓度较低时表现为二体形式去除,当载荷较小或磨粒浓度较高时表现为三体形式去除,当载荷和研磨液浓度适中时表现为混合形式去除.其原因是当载荷较大或磨粒浓度较低时,球坯与研磨盘的接触区内单颗磨粒所受载荷较大,磨粒切入研磨盘和球坯的深度较大,也就是说磨粒受到的约束较大,于是对球坯表面的作用以磨粒的刻划为主,表现为二体磨损的去除形式;反之,当载荷较小或磨粒浓度较大时,接触区内单颗磨粒上的载荷较小,磨粒切入深度小,所受约束小,更容易在球坯与研磨盘之间滚动,因此,表面材料以三体磨损形式去除.通过对比不同磨粒力度条件下得到的磨损形式图4(a)、(b)、(c),可见不同磨料粒度情况下,磨损形式分布与载荷、磨粒浓度的关系是基本一致的.也就是说,材料去除形式可能与磨料粒度的关系不大.这一问题将在后文中讨论.3 氮化硅陶瓷球表面磨损形式的转变条件在磨料磨损体系中,二体磨损可以看作三体磨损的特例,当第三体的约束增强到一定程度时,三体418摩 擦 学 学 报第28卷磨损转变为二体磨损.本节将采用力学模型分析氮化硅陶瓷球表面材料磨损形式的转变条件.W illia m s 与H yncica [11]认为,三体磨损向二体磨损的转变是由接触区内磨粒的运动由滚动向滑动的转变而造成的,并在此基础上提出了磨粒运动的二维模型,发现磨损形式转变时D /h 值也处于转折点,其值为1.74.这里D 表示磨粒长轴,h 表示两表面的距离(如图5所示).不难理解,当D 一定时,hF i g 5 2D m ode l for abrasive w ear i n R e.f [10]图5 文献[10]中理想化的磨料磨损二维模型越小表示磨粒切入越深,表现为二体磨损形式,h 越大表示磨粒切入越浅,表现为三体磨损形式;当h 一定时,D 越大说明磨粒切入越深,表现为二体磨损形式,D 越小说明磨粒切入越浅,表现为三体磨损形式.因此,D /h 的值越大,二体磨损形式越明显,反之,三体磨损形式越明显.对此模型分析有:h =D -2P D (1H b +1H d )=D -2PDH(1)式中,P 是单颗磨粒所受的载荷;H b 和H d 分别为球坯和磨盘的硬度.H ∃等效硬度,由下式计算:1H ∃=1H b +1H d(2)假设,球坯 磨盘接触区域的磨料浓度与研磨液的浓度成正比,则球坯 磨盘磨损作用区域面积A 内的磨料总数N gr 为:N gr =k ACD2(3)式中,C 是研磨液中的磨料浓度,k 是比例常数.因此,每颗磨料所承受的载荷即为:P gr = WD 2k AC(4)其中,W 是球坯上施加的总载荷.将式(4)代入式(1)有:h =则有:D /h =D /D 1-2W k AC H ∃=11-2W /k AC H ∃(6)可见,磨粒滚动和滑动之间转变值D /h 只与(W /AC H ∃)有关,磨损形式的转变发生在无量纲数(D /h )的特定值下,因此,K.Adachi 等人[8]用一个无量纲数表示磨损形式,这一无量纲数用S 表示,称之为 接触刚度 (severity of contact),其计算公式如下:S =W AC H ∃(7)也就是说,除了磨损副本身的材料特性外,磨粒磨损形式主要取决于外加载荷和磨料浓度,与磨料的粒度无关.这也就解释了本文所绘得的图4(a)、(b)、(c)中,陶瓷球表面磨损形式分布规律基本一致的现象.K.Adac h i 等人[8]认为磨损形式与接触刚度阙值S *和研磨盘与球坯的硬度比(H d /H b )有关,三体磨损的条件由经验公式给出:S =W AC H ∃%q H d H bl=S *(8)其中q ,l 为实验常数,S *即磨损形式转折点.可以将以上分析应用于陶瓷球表面材料去除形式的转变条件.4 陶瓷球材料去除形式的确定这里采用上面的理论来计算实验条件下氮化硅陶瓷球表面材料磨损,二体形式和三体形式的转换点.假定球与盘的宏观变形为弹性,在磨料作用面积A (如图6所示)内球坯和研磨盘的距离小于磨粒F ig 6 Ball lapp i ng d i sk gr its contacti ng model (a)and l oca lm agn ifi cation (b)图6 球坯、研磨盘和磨粒的接触模型(a)及其局部放大图(b)直径,则A 可由下式计算[8]:A = a ∃= (a 2+2r b D )(9)其中,r b 为球坯半径,a 为赫兹接触面积半径:a =(0.75W rb /E ∃)1/3(10)419第5期吕冰海等: 氮化硅陶瓷球研磨过程中磨损形式的研究其中,E ∃为等效杨氏模量:1/E ∃=(1 v 12)/E 1+(1-v 22)/E 2(11)v 1、v 2为两种接触材料的泊松比,E 1和E 2为两种材料的弹性磨料.根据表1所列的参数可计算不同浓度和压力条件下的 接触刚度 .计算过程中,研磨盘铸铁材料的力学性能参数均取中间值进行计算.本实验中的S 值计算结果列于表2(采用显微硬度计算).对照表2和图4可以得到,采用B 4C 磨料表2 本研究中 接触刚度 S 的值T ab le 2 Severity of con tact calcu l ated in this studyLoad /N Concen trati on ,w t %51015202530296.148.0532.03424.02519.22*16.017*1.572.18136.09124.06118.045*14.436*12.03*148.224.10016.067*12.05*9.64*8.033*0.524.14712.074*8.049*6.037*4.829*4.025**:indicates that t he do m i nate w earm ode of t he S i 3N 4ball s u rface i s three body w ear . *:表示陶瓷球表面以三体磨损形式为主.研磨氮化硅陶瓷球时,接触刚度阙值S *约为20,即当研磨过程中,采用式(7)计算得到 接触刚度 S <20时,陶瓷球表面表现为三体磨损,而当得到的S >20时,则表现为二体磨损.由数值拟合的方法可以得出q &0.0076,l &-0.49.由图4(a)、(b)、(c)可见,三体形式与二体形式有明显的界限,混合形式情况并不多.这种现象可以解释为磨粒运动状态由滚动向滑动的转变,一旦部分磨粒开始滚动,球坯与研磨盘之间的距离将增大,D /h 值随之减小,使得更多的磨粒开始滚动.而磨粒的运动状态显然与加工参数(载荷、磨粒浓度等)有关.5 结论a . 氮化硅陶瓷球在研磨过程中表面材料的磨损形式(即材料去除形式)与载荷及磨料浓度有关,与磨粒大小关系不大.当载荷较大或磨粒浓度较低时氮化硅陶瓷球表面发生二体磨损,在载荷较小或磨粒浓度较高时则产生三体磨损,当载荷和研磨液浓度中等时为混合磨损.b. 采用K.Adachi 等人提出的方法计算了实验中不同条件下B 4C 磨料研磨氮化硅陶瓷球时的 接触刚度 S ,发现当S <20时氮化硅陶瓷球表面为三体磨损,当S >20时为二体磨损,当S &20时为混合磨损.由此判断,在本实验中氮化硅陶瓷球材料去除形式由三体转变为二体的转折点处的 接触刚度 约为20.基本上可以用来预测实际加工过程中陶瓷球材料的去除形式,为了解陶瓷球研磨过程中的材料去除机理和建立适合的材料去除模型提供依据.参考文献:[1] W ang L ,Sn i d l e R W,Gu L .Rolli ng contact sili con n itri de beari ng technology :a rev i e w of recen t res earch [J ].W ear ,2000,246:159 173.[2] Katz R N.C era m ic beari ngs :rolli ng along[J ].Cera m i c Industry .1999,149:23 24.[3] Stolars k iT A,T obe S .The eff ect of accelerated m aterial re m ovalon roundn ess and resi dual stress es i n cera m ic balls [J ].W ear ,1997,205:206 213.[4] Kang J ,H ad field M.Exa m i n ati on of the m at eri al re m ovalm echan i s m s duri ng t h e l app i ng process of advan ced cera m ic rolling ele m ents[J].W ear ,2005,258:2 12.[5] Stolars k i T A,Jis heng E,Gawne D T,Pansear S.The eff ect ofl oad and abrasive particl e s iz e on t h em ater i al re m ova l rate of s ili con n itri de artifacts[J].C era m ics i n t ernationa,l 1995,21:355 366.[6] Ch il ds T,M ahmood S,Yoon H J .The m aterial re m ovalm echan i s m i n m agnetic fl u i d gri nd i ng of cera m ic ball beari ngs[J].Proc .Inst n M ech Engrs ,Part B .1994,208(1):47 59.[7] M ak ara m Raghunandan .M agn eti c Float Poli sh i ng of S ilicon N itri de Balls[D ].USA:Ok laho m a S t ate Un i versity ,Ph.D D iss er t ati on,1997.[8] K Adach i and IM H u tchings .W ear m od e mappi ng f or the m i croscale ab rasi on test[J].W ear ,2003,255:23 29.[9] Cates j d .Tw o body and three body abras i on :a critical d iscussion[J ].w ear ,1998,214:139 146.[10] T rezona R I ,A ll sopp D N,H utch i ngs I M.Tran siti ons bet w eent w o body and three body abras i ve w ear :i nfl uence of test cond iti on s i n the m icro scale ab ras i ve w ear test [J].W ear ,1999,225:205 214.[11] W illi a m s J A ,H yn ci ca A M.M echan is m s of abrasive w ear i n l ubricated con t act s[J].W ear ,1992,152:57 74.420摩 擦 学 学 报第28卷W earM ode of S i l i con N i tri de Bal l s i n Lappi ng ProcessLU B ing ha,i YUAN Ju long ,DA I Yong(N ational E ngineer i ng R esearch Center for H i gh Efficienc y Gr inding ,H unan Un i vers it y,Chang sha,410082,China )Abst ract :To i n vesti g ate t h e w ear mode o f the silicon n itri d e balls in lapp i n g process ,a series of abrasi o n testsw ere carri e d out on a ball p late w ear test apparatusw it h d ifferent loads ,abrasi v e g irt dia m eter ,and sl u rry concen trations .The abraded ba ll surface w as obser ved by optica lm icroscope to i n dentify the w earm ode ,and a w ear m ap ,w hich sho w s the e ffect of l o ad and concentrati o n o f abrasi v e on the wear mode under different g rit size ,w as dra w ed .The grit size has little effect on the w ear m ode ,and t h e w ear mode changed fro m three body abrasion to t w o body abrasi o n w ith an increase in load or a decrease in the concen trati o n .The transition po i n t o fw ear m ode wh ich can t h en used to predict the w ear m ode i n lapp i n g process o f silicon nitride ba l,l w as identified by a deduced for m u la to repreasent the severity of contac,t and the value o f the transition point calcu lated under experi m enta l cond iti o ns i n t h is study is 20.K ey w ords :S ilicon n itri d e ba lls ,Lapp i n g ,W ear m ode ,Tw o body abrasion,Three body abrasi o n Aut hor :L U B ing ha,i m ale ,born in 1978,Ph .D.,lecturer ,e m ai:l l u b@t sohu .co m421第5期吕冰海等: 氮化硅陶瓷球研磨过程中磨损形式的研究。

８王继杰（咸阳陶瓷设计研究院　咸阳　７１２０００）【摘 要】　主要介绍了如今陶瓷工业中球磨机的技术进展情况。

【关键词】　陶瓷 粉磨 球磨机　实用技术前 言 自１８９３年球磨机出现以来，它就一直在矿业、冶金、建材、化工及电力部门等若干基础行业的原料粉碎中得到广泛的应用。

随着陶瓷工业的发展，球磨机也成为了陶瓷工业中粉磨工序中不可缺少的机械设备。

从长远来看，今后相当长的时期内球磨机仍将是陶瓷工业中原料磨碎作业的主要设备，因此对球磨机的研究也受到了相关专家的高度重视，近年来国内外也取得了许多成果。

本文就将对目前球磨机中的新技术做简要介绍［１］。

１新型球磨机的研制１．１连续式球磨机 八十年代中期，意大利Ｉ．Ｃ．Ｆ公司的科研人员借鉴水泥工业中的连续式球磨机的粉磨原理，设计制造了世界上第一台陶瓷工业连续式球磨机［２］。

由于具有产量大、研磨效率高、单位产品功耗低、占地面积小及生产管理费用低等优点，连续式球磨机在国内外已经得到大量的应用。

意大利Ｂｏｌｏｇｎａ陶瓷中心研发的陶瓷原料连续锥形球磨机近年来在我国的陶瓷工业中也得到一定的应用，它的优点主要有：（１）节省隔板及停机时间，使得球磨机的原料年产量增加；（２）节省能耗［３］。

１．２行星球磨机 德国一家公司最近研制出一种新型行星式球磨机，该设备根据原料试样可控制其运转速度，故能获得最佳均匀的研磨效果。

该球磨机的结构设计可提供最大能量的传递，所以能研磨硬度较大的原料。

南京大学仪器厂最近推出一种卧式行星球磨机。

该机的特点是四只球磨罐被卧式安装在一竖直平面放置的大盘上作行星运动。

在这种运动过程中，球磨罐没有固定的底面，罐内磨球和磨料在竖直平面内受到公转离心力、自转离心力、重力三个力的共同作用。

机器旋转时，罐内各点所受力的大小与方向都在不断变化，运动轨迹杂乱无章，这就使得磨球与磨料在高速运转中相互之间猛烈碰撞、挤压，大大提高了研磨效率和研磨效果。

特别是球磨罐处于水平卧放方式，由于自转，球磨罐没有固定的底面，避免了一部分材料的结底现象［４］。