Si3N4ボールの4つの超精密加工技術の紹介
窒化ケイ素セラミックボール(Si3N4)は、高硬度、耐摩耗性、低密度、熱膨張係数のほか、優れた耐高温性、非磁性、耐食性、高熱伝導性、自己潤滑性、優れた耐熱衝撃性など、多くの優れた特性を持っているため、高温、高速、高精度、特殊な環境下で使用されるベアリング用ボールベアリングの材料として好まれています。
窒化ケイ素セラミックボールは、風力タービン、高速精密スピンドル、高温エンジンなどの分野で広く使用されています。重要な設備の軸受の重要な基本要素として、ボールの超精密研削と研磨品質は、軸受の性能と寿命に影響を与える重要な要因である。窒化珪素セラミックボールの超精密研削・研磨技術を以下に簡単に紹介する。
Si3N4セラミックボールの超精密研削・研磨技術には、主に磁気流体力学研磨、化学機械研磨、超音波アシスト研磨が含まれる。これらの新しい「柔軟な」加工技術は、Si3N4セラミックボール表面材料のマイクロカットを可能にし、塑性破壊によって余分な部分を除去し、超平滑な非損傷表面を得ることを可能にします。
磁気流体研磨
磁気流体力学的研磨は通常、コロイド状Fe3O4を5～10％の体積割合で研磨剤混合物に添加することによって行われる。Si3N4セラミックボールブランクは、磁性流体と研磨剤の混合物で満たされた円筒形の研磨ディスクの中に置かれ、その下に永久磁極の列がある。磁界の作用により、磁性粒子は強い磁界の方向に移動し、研磨材に逆浮力を発生させ、研磨材を磁性流体中に浮遊させます。駆動シャフトが回転すると、ボールビレットは研磨ディスクの周りを回転しながら磁性流体と研磨剤の混合物中で回転し、磁性流体中に浮遊する研磨剤がセラミックボールを研磨する。窒化ケイ素セラミックボールのボールブランクは圧力が少なく（1N/球程度）、弾性があるため、機械研磨によるセラミックボール表面の傷やマイクロクラックが大幅に減少します。
磁気流体研磨を用いた球の材料除去率は12μm/minに達し、磁性流体研磨を用いた球の40倍以上である。実験によると、3時間の加工で真球度は0.14μm、表面粗さは0.01μmに達する。
化学機械研磨
化学機械研磨は、各種エンジニアリングセラミックス、イットリア安定化ジルコニアなどの機能性セラミックス、金属材料の超精密加工に広く用いられている。研磨中、液体媒体に懸濁したナノレベルの軟質砥粒は、Si3N4セラミックボールとの接触点で摩擦により高温・高圧を発生し、極めて短時間で化学反応を起こし、被研磨材よりも軟らかく除去しやすい新材料を生成する。この反応生成物は、Si3N4セラミックボールとそれに続く0.1nm単位の砥粒および研磨ディスクとの間の機械的摩擦によって除去され、超平滑な表面を得ることができる。
現在、研究者は水性酸化セリウム研磨液を用いて窒化ケイ素セラミックボールの化学的機械研磨を行い、粗さRaが4nmの平滑面を得ている。
超音波振動アシスト研磨
超音波振動アシスト研磨は、超音波振動と機械加工を組み合わせた一種の加工法である。一部の研究者は、上部研磨ディスクの超音波ねじり振動を増加させ、加工速度は粗研磨段階で従来の方法よりも2～3倍高くなった。また、磁気粘弾性研磨技術と超音波技術を組み合わせてSi3N4セラミックボールを研磨した結果、超音波振動を加えない場合よりも材料除去率が高くなり、超音波振動で研磨したSi3N4セラミックボールの1時間後の表面Ra値は0.260μmから0.025μmに減少した。
クラスター磁気粘性研磨
高精度セラミックボールの高能率加工を実現するために、非磁性材料からなる上下の研磨円盤の裏面に複数の微小磁性体を規則的に配置したクラスター磁気粘性研磨セラミックボールを提案した。研磨ディスクに磁気レオロジー研磨液を注入すると、磁極の上方にクラスター磁気レオロジー効果研磨パッドが形成される。上下の研磨ディスクの表面に形成されたクラスター磁気レオロジー効果研磨パッドは、セラミックボールを覆って研磨するために使用される。クラスタ磁気レオロジー研磨モードでは、上下の研磨ディスク間に一定のギャップがあります。加工中、磁気レオロジー研磨パッドは常にセラミックボールで覆われているため、硬い接触が柔軟な接触に変わり、研磨衝撃や加熱による二次変形が大幅に減少する。研究チームは、クラスター磁気粘性研磨セラミックボール試験装置を開発し、窒化ケイ素セラミックボールの研磨・加工実験を行った。
クラスター磁気粘弾性研磨技術は、研磨効果が良い、効率が高い、表面下損傷がないなどの長所があり、表面品質と形状精度を保証しながら、窒化ケイ素セラミックボールの研磨効率を大幅に向上させることができる。
著者について
キャシー・モンタネスはスタンフォード・アドバンスト・マテリアルズ（SAM）のプロジェクト・サイエンティストである。かつては同大学材料科学・工学部の研究教授を務め、現在は耐火金属、セラミック、実験用るつぼ、研磨バーなど、SAM製品の性能試験と技術指導を担当している。
