إدخال 4 تقنيات تصنيع فائقة الدقة لكرات Si3N4 فائقة الدقة

تتمتعكرة سيراميك نيتريد السيليكون ( Si3N4) بالعديد من الخصائص الممتازة، مثل الصلابة العالية ومقاومة التآكل والكثافة المنخفضة ومعامل التمدد الحراري، فضلاً عن المقاومة الممتازة لدرجات الحرارة العالية وعدم المغناطيسية ومقاومة التآكل والتوصيل الحراري العالي والتشحيم الذاتي ومقاومة الصدمات الحرارية الممتازة، وما إلى ذلك، لذلك أصبحت المادة المفضلة لتحمل الكرات الكروية تحت درجة حرارة عالية وسرعة عالية ودقة عالية وبيئة خاصة.

تُستخدم كرات سيراميك نيتريد السيليكون على نطاق واسع في توربينات الرياح، والمغازل عالية الدقة عالية السرعة، والمحركات ذات درجات الحرارة العالية، وغيرها من المجالات. وباعتبارها العنصر الأساسي الرئيسي للمحمل في المعدات المهمة، فإن جودة الطحن والتلميع فائقة الدقة للكرة هي عامل مهم يؤثر على أداء وعمر خدمة المحمل. يتم تقديم تقنية الطحن والتلميع فائقة الدقة لكرات سيراميك نيتريد السيليكون بإيجاز أدناه.

تشتمل تقنية الطحن والتلميع فائقة الدقة لكرات سيراميك Si3N4 الخزفية بشكل أساسي على التلميع المغناطيسي الديناميكي، والتلميع الميكانيكي الكيميائي، والتلميع بمساعدة الموجات فوق الصوتية. تتيح تقنيات التصنيع "المرنة" الجديدة هذه إمكانية القطع الدقيق للمواد السطحية لكرات السيراميك Si3N4 السيراميكية، مما يسمح بإزالة الفائض عن طريق الكسر البلاستيكي للحصول على سطح فائق النعومة غير متضرر.

الصقل الديناميكي المغناطيسي الهيدروديناميكي

عادةً ما يتم التلميع المغناطيسي الهيدروديناميكي بإضافة Fe3O4 الغرواني إلى خليط كاشط بنسبة حجمية تتراوح بين 5-10%. يتم وضع كرة سيراميك Si3N4 فارغة في قرص طحن أسطواني مملوء بمزيج من السائل المغناطيسي والمادة الكاشطة، ويوجد تحتها صف من الأقطاب المغناطيسية الدائمة. تحت تأثير المجال المغناطيسي، تتحرك الجسيمات المغناطيسية نحو اتجاه المجال المغناطيسي القوي وتنتج الطفو العكسي على المادة الكاشطة، مما يجعل المادة الكاشطة معلقة في السائل المغناطيسي. عندما يدور عمود القيادة، يدور عمود القيادة، تدور الكرة في خليط السائل المغناطيسي والمادة الكاشطة أثناء دورانها حول قرص الطحن، وتقوم المادة الكاشطة المعلقة في السائل المغناطيسي بتلميع الكرة الخزفية. تخضع الكرة الفارغة من كرة السيراميك المصنوعة من نيتريد السيليكون لضغط أقل (حوالي 1 نيوتن/كرة) وتكون مرنة، مما يقلل بشكل كبير من الخدوش والتشققات الدقيقة على سطح الكرة الخزفية الناتجة عن الطحن الميكانيكي.

يمكن أن يصل معدل إزالة المواد من الكرات باستخدام التلميع الديناميكي المغناطيسي الهيدروديناميكي إلى 12 ميكرومتر/دقيقة، وهو أكثر من 40 ضعف معدل إزالة الكرات باستخدام تلميع السوائل المغناطيسية. تُظهر التجارب أن الكروية يمكن أن تصل إلى 0. 14 ميكرومتر ويمكن أن تصل خشونة السطح إلى 0.01 ميكرومتر بعد 3 ساعات من المعالجة.

التلميع الميكانيكي الكيميائي

استُخدِم التلميع الميكانيكي الكيميائي على نطاق واسع في التصنيع الآلي فائق الدقة لمختلف أنواع السيراميك الهندسي، والسيراميك الوظيفي مثل الزركونيا المثبتة بالإيتريا، والمواد المعدنية. أثناء التلميع، تنتج الجسيمات الكاشطة اللينة على مستوى النانو المعلقة في الوسط السائل درجة حرارة عالية وضغطًا عاليًا بسبب الاحتكاك عند نقطة التلامس مع الكرة الخزفية Si3N4، وتنتج تفاعلًا كيميائيًا في وقت قصير جدًا، مما يولد مادة جديدة أكثر ليونة من مادة قطعة العمل ويسهل إزالتها. تمت إزالة ناتج التفاعل عن طريق الاحتكاك الميكانيكي بين كرة سيراميك Si3N4 وقرص الكشط والتلميع اللاحق بوحدة 0.1 نانومتر، وذلك للحصول على سطح فائق النعومة.

في الوقت الحاضر، يستخدم الباحثون محلول تلميع أكسيد السيريوم ذو الأساس المائي لإجراء التلميع الميكانيكي الكيميائي على كرات سيراميك نيتريد السيليكون والحصول على سطح أملس بخشونة Ra تبلغ 4 نانومتر.

التلميع بمساعدة الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية

إن التلميع بمساعدة الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية هو نوع من طرق المعالجة التي تجمع بين الاهتزاز بالموجات فوق الصوتية والمعالجة الميكانيكية. قام بعض الباحثين بزيادة الاهتزاز الالتوائي بالموجات فوق الصوتية في قرص الطحن العلوي، وكانت سرعة المعالجة أعلى من الطريقة التقليدية في مرحلة الطحن الخشن بمقدار 2 إلى 3 مرات. بالإضافة إلى ذلك، قام الباحثون أيضًا بدمج تقنية التلميع المغناطيسي مع تقنية الموجات فوق الصوتية لتلميع كرات السيراميك Si3N4 وأثبتت النتائج أن معدل إزالة المواد كان أعلى من ذلك بدون اهتزاز بالموجات فوق الصوتية، وانخفضت قيمة Ra السطحية لكرة السيراميك Si3N4 المصقولة بالاهتزاز بالموجات فوق الصوتية من 0.260 ميكرومتر إلى 0.025 ميكرومتر بعد ساعة واحدة.

التلميع المغناطيسي العنقودي

من أجل تحقيق التصنيع الآلي عالي الكفاءة لكرات السيراميك عالية الدقة، اقترح فريق بحثي تقنية جديدة للتلميع العنقودي المغناطيسي لكرات السيراميك العنقودية المغناطيسية، حيث يتم ترتيب أجسام مغناطيسية صغيرة متعددة بطريقة منتظمة على ظهر أقراص التلميع العلوية والسفلية المصنوعة من مواد غير مغناطيسية. عندما يتم حقن سائل التلميع المغناطيسي في قرص التلميع، تتشكل وسادة تلميع ذات تأثير مغناطيسي عنقودي فوق القطب المغناطيسي. ستُستخدم وسادة التلميع ذات التأثير المغناطيسي العنقودي المتكونة على سطح قرص التلميع العلوي والسفلي لتغطية الكرة الخزفية وتلميعها. توجد فجوة معينة بين أقراص التلميع العلوية والسفلية في وضع التلميع المغناطيسي العنقودي. أثناء المعالجة، يتم تغيير التلامس الصلب إلى تلامس مرن لأن وسادة التلميع المغنطيسي المغناطيسي مغطاة دائمًا بكرات السيراميك، مما يقلل بشكل كبير من التشوه الثانوي الناجم عن تأثير الطحن والتسخين. قام الفريق بتطوير جهاز اختبار كرات السيراميك للتلميع المغناطيسي العنقودي المغناطيسي وأجرى تجارب تلميع ومعالجة كرات سيراميك نيتريد السيليكون.

تتميز تقنية التلميع المغناطيسي العنقودي بمزايا تأثير التلميع الجيد، والكفاءة العالية، وعدم وجود تلف تحت السطح، وما إلى ذلك، والتي يمكن أن تحسن بشكل كبير من كفاءة تلميع كرات السيراميك si3n4 مع ضمان جودة السطح ودقة الشكل.

نبذة عن المؤلف

كاثي مونتانيز هي عالمة المشروع في Stanford Advanced Materials (SAM). عملت في السابق كأستاذة أبحاث في كلية علوم وهندسة المواد بالجامعة، وهي الآن مسؤولة عن اختبار الأداء والتوجيه الفني لمنتجات SAM مثل المعادن المقاومة للحرارة والسيراميك والبوتقات المختبرية وقضبان الطحن، إلخ.