黏結法制備鐵基碳化硼磁性磨粒

丁葉，陳燕，丁云龍，劉文浩，周大鵬

精密與超精密加工

黏結法制備鐵基碳化硼磁性磨粒

丁葉，陳燕，丁云龍，劉文浩，周大鵬

（遼寧科技大學 機械工程與自動化學院，遼寧 鞍山 114051）

為解決現(xiàn)有鐵磁性磨粒中研磨相材料價格昂貴、硬度不夠和性價比低等問題，采用碳化硼粉末制備出一種具有成本低和性價比高的新型磁性磨粒。采用黏結法制備鐵基碳化硼磁性磨粒，探究制備工藝中不同成分配比對其研磨性能的影響。通過掃描電子顯微鏡觀察磁性磨粒表面形貌，并進行面掃能譜分析觀察磨粒中研磨相分布情況；采用表面粗糙度測量儀與3D超景深顯微鏡對研磨前后的工件表面質量進行對比分析；結合鈦合金平板試件的研磨試驗結果評價磁性磨粒的研磨性能，最終確定黏結法制備鐵基碳化硼磁性磨粒的最佳方案。壓制力為100 kN，物料與黏結劑量比為10︰1，粒徑比為4︰1時，磁性磨粒的切削刃較為明顯，研磨效果達到最佳。使用此磁性磨粒研磨30 min后，鈦合金平板試件的表面粗糙度由原始的0.88 μm降至0.07 μm，有效去除了工件原始表面的缺陷和加工紋理，改善了工件的表面質量。在黏結劑中加入無水乙醇可解決黏結劑過于黏稠、不利于與物料混合的問題。采用此黏結法所制備的鐵基碳化硼磁性磨粒能夠有效地完成對鈦合金材料的加工，鐵基碳化硼磁性磨粒可以作為性能優(yōu)良的磨削介質參與研磨，并能夠滿足磁粒研磨光整加工的要求。

磁性磨粒；磁粒研磨；碳化硼；黏結法；研磨性能；鈦合金

鈦合金因其性能優(yōu)異，是目前應用較為廣泛的金屬材料[1-2]。傳統(tǒng)的磨削加工技術可以滿足人們對其的基本要求，但已無法滿足航空航天、醫(yī)療制造和國防軍工等對零件表面質量要求較高的行業(yè)，因此磁性磨粒光整加工技術應運而生[3-6]。磁性磨粒光整加工是一種能夠較為靈活、精準地對難加工表面進行有效拋光的技術[7-8]，其基本加工原理是在工件與永磁鐵或電磁鐵之間，填充適量的磁性磨粒，并在磁場作用下有序排列，形成具有研磨作用的磨粒刷[9-12]。當工件與磁極間做相對運動時，磁性磨粒在工件表面形成運動軌跡，對工件表面進行劃擦和切削，從而達到理想的研磨效果[13-14]。磁性磨粒作為磁粒研磨加工中的刀具，其研磨性能對研磨效率和研磨質量起著決定性作用，因此迫切需要性能優(yōu)異的磁性磨粒[15-16]。楊海吉等[17]采用燒結的Al2O3磁性磨粒對鈦合金管內表面進行研磨，其工件各位置的表面粗糙度穩(wěn)定在0.35～0.2 μm。利用燒結法可制備出鐵基體與研磨相結合較為緊密的磁性磨粒[18]，但燒結過程中鐵磁相易發(fā)生氧化反應，導致磨粒的導磁率降低。劉寧等[19]采用霧化快凝法制備的CBN磁性磨粒對鈦合金研磨30 min后，表面粗糙度從0.330 μm下降到0.098 μm，但其所用設備煩瑣、制備成本高、成品率低，并不適用于工業(yè)化、批量化生產。相比于上述磁性磨粒的制備方法，黏結法具有操作簡單、成本低廉、性價比高的優(yōu)點[20]?，F(xiàn)有的黏結工藝在制備過程中，需先確保鐵磁相與研磨相混合均勻后再與黏結劑混合，但黏結劑中的樹脂極易發(fā)生自團結，難以將研磨相與鐵磁相均勻地黏結[21]。

目前磁性磨粒中常用的研磨相材料為碳化硅、白剛玉和金剛石等。相比于碳化硅和白剛玉材料，碳化硼具有較高的硬度和優(yōu)異的研磨性能。碳化硼的莫氏硬度為9.3，顯微硬度為55～67 GPa[22]，密度僅為2.52 g/cm3，熔點約為2447 ℃[23]，是目前已知材料中硬度僅次于金剛石和立方氮化硼的超硬材料[24]。金剛石與立方氮化硼雖有超強的硬度，但苛刻的制備過程和昂貴的價格使其不能廣泛應用，而碳化硼價格便宜，性價比較高，因此有更為廣闊的應用前景。碳化硼在高溫下易與金屬發(fā)生反應生成金屬硼化物與石墨，進而降低原有鐵磁相的導磁性能，因此鐵基碳化硼磁性磨粒采用黏結法制備更為合理[25]。

文中以鈦合金表面加工質量為研究背景，采用黏結法制備一種性能優(yōu)、成本低的磁性磨粒。通過在黏結劑中加入無水乙醇為稀釋劑的方式，解決鐵磁相與研磨相難以混合均勻的問題。通過對不同物料比與粒徑比下的磁性磨粒進行檢測與試驗，最終確定最佳的制備方案。

1 試驗

1.1 黏結法制備磁性磨粒

黏結法制備磁性磨粒，首先是按一定比例稱量鐵磁相材料和研磨相材料，然后采用電動攪拌器對其進行機械混合；將適當比例的黏結劑加入其中再次進行機械混合至均勻并壓制成坯，將坯體放入干燥箱中進行干燥固化，消除由于壓制過程中產生的殘余應力，排出水分，最后破碎篩分出所需目數的磨料。圖1為理想狀態(tài)下單顆磨料結構示意圖，其中為碳化硼粉末直徑，為磨料的直徑。

1.2 材料與裝置

試驗中鐵磁相材料選用100目的高純鐵粉，研磨相材料分別選用300、400和500目的碳化硼粉末。黏結劑主要由環(huán)氧樹脂（(C11H12O3)）和聚酰胺樹脂（C24H50N4O2）按一定比例混合而成。由于混合后的黏結劑黏度過大，易發(fā)生自團結，無法與物料進行均勻混合，因此選用易于揮發(fā)的無水乙醇（C2H6O）作為有機溶劑，無水乙醇將易于團結固化的黏結劑稀釋，便于黏結劑和混合好的磁性磨粒均勻結合，且無水乙醇會在后期固化中揮發(fā)，不會對磨料的制備有影響。圖2為黏結劑中有無稀釋劑所制磁性磨粒前后對比。圖2a中黏結劑未添加稀釋劑，黏結劑發(fā)生自團結，成分混合不均。圖2b中黏結劑添加了稀釋劑，黏結劑會溶解在稀釋劑中，隨著電動攪拌器的運動，鐵粉與碳化硼進行無規(guī)則運動，進而實現(xiàn)了鐵粉、碳化硼和黏結劑的均勻混合。

圖1 理想狀態(tài)下單顆磨粒結構示意圖

圖2 黏結劑中有無稀釋劑所制磨料前后對比

加工試驗裝置如圖3所示，其中磁極裝夾在銑床的主軸中，磁極下端吸附鐵基碳化硼磁性磨粒；工件固定在工作臺上，當電機主軸啟動進而帶動磁極旋轉時，工作臺帶動工件做勻速往返直線運動，磁性磨粒隨之對工件表面進行研磨加工。

圖3 磁粒研磨加工試驗裝置

1.3 方案

用精密電子天平稱取240 g的鐵粉和60 g的碳化硼粉末制成混料。研磨相分別采用300、400和500目的碳化硼粉末，制備出粒徑比為3︰1、4︰1和5︰1的磁性磨粒。物料與黏結劑按照10︰0.8、10︰1和10︰1.2的質量比進行試驗研究。具體試驗方案如表1所示。

表1 試驗方案

Tab.1 Experiment Scheme

將經過機械混合后的磨料放入模具中，采用100 kN的壓制力對其壓制成坯。經過多次試驗驗證得知，當壓制力過大時，多余的黏結劑溢出，使有效參與研磨加工的切削刃數量減少，造成研磨效率低的問題。當壓制力過小時，碳化硼粉末與鐵基體接觸不完全，二者間結合力較弱，在加工過程中易脫離鐵基體，降低了磨粒的使用壽命[26]。壓制好的坯體先在干燥箱中進行干燥處理，縮短固化時間，使研磨相與鐵磁相黏結得更加牢固。最后用破碎機進行破碎，并用振動篩篩分出不同粒徑的磁性磨粒。

文中試驗選用鈦合金平板（100 mm×100 mm× 3 mm）作為試件來驗證磁性磨粒的研磨性能。磁極選用10 mm×30 mm的釹鐵硼永磁體。通過粗糙度儀來測量工件的表面粗糙度。采用3D超景深顯微鏡觀察工件加工前后的表面微觀形貌變化。采用掃描電子顯微鏡觀察磁性磨粒的表面微觀形貌和元素分布。二者結合作為磁性磨粒研磨性能好壞的評價指標，選出黏結法制備磁性磨粒的最佳參數。具體試驗條件如表2所示。

表2 試驗條件

Tab.2 Experimental condition

2 結果與分析

2.1 磨粒的微觀形貌

圖4為不同的物料比和粒徑比所制備出的鐵基碳化硼磁性磨粒的掃描電鏡圖，通過觀察對比9組磁性磨粒的表面形貌，進而確定最佳的物料比。從圖4a—c可以看出，當物料比為10︰0.8時，由于黏結劑所占比例較小，只有少量研磨相被黏結在鐵基體上，難以滿足光整加工的技術要求。從圖4d—f可以看出，當物料比為10︰1時，黏結劑所占比例適中，鐵基體被研磨相均勻包覆，有效切削刃增多。從圖4g—i可以看出，當物料比為10︰1.2時，由于黏結劑所占比例過大，黏結劑在制備時受到外界擠壓會大量流出，使原本可參與研磨的切削刃失去研磨作用。綜合以上分析可以得出，在物料比為10︰1時，制備出的磁性磨粒效果最好。

圖4 鐵粉與碳化硼在不同粒徑比和不同物料比下的磁性磨粒掃描電鏡形貌

2.2 磨粒的能譜分析

圖5為不同物料比下的鐵基碳化硼磁性磨粒能譜分析圖，采用面掃能譜方式分析磁性磨粒，相比普通能譜分析圖掃描范圍更廣，能更為直觀地觀察磁性磨粒中研磨相分布情況，使檢測結果更具代表性。通過對比圖5可以清楚看到，圖5a中綠色所代表的鐵元素最為明顯，紅色代表的硼元素較少。這是由于黏

結劑的量較少，鐵基體表面不能夠充分黏結到碳化硼粉末。圖5b中可以看到磨粒表面分布大量的碳化硼粉末，證明鐵基體黏結的切削刃較多。圖5c中可以看到采用掃描電鏡在磨粒表面所檢測出的硼元素較少且出現(xiàn)聚集現(xiàn)象，這是由于多余的黏結劑流出后，覆蓋包裹住了原本可見的碳化硼研磨相。由此再次驗證當物料比為10︰1時所制備出的磁性磨粒較為理想。

圖5 不同物料比下的磁性磨粒能譜分析圖

2.3 研磨性能分析

2.3.1 不同粒徑比對工件表面形貌的影響

使用3D超景深顯微鏡觀察鈦合金板件表面質量，A2、B2和C2磁性磨粒加工前后工件表面微觀形貌如圖6所示。軋制工藝使鈦合金板件本身存在明顯的麻點和劃痕等加工缺陷。由圖6a可見原始工件的表面凹坑和加工紋理較為明顯。圖6b—d分別為A2、B2和C2在加工30 min后工件表面微觀形貌，對比3幅圖可以看到3種磨料研磨后的研磨效果存在明顯差異。圖6c中工件表面原有的凹坑和麻點已完全去除，工件表面加工紋理致密且均勻，無明顯損傷。圖6b中的工件表面原始缺陷基本去除，但由于實際加工中研磨相粒徑較大，實際參與研磨的切削刃反而少[27]。因此會在工件表面上留下較為明顯的加工劃痕。從圖6d可以看到材料原始缺陷基本去除，且因研磨相粒徑小，對工件不會產生明顯磨粒劃傷現(xiàn)象，但加工效率低。所以綜上，B2磁性磨粒的研磨效果最佳。

圖6 磁性磨粒加工前后工件表面微觀形貌

2.3.2 不同粒徑比對工件表面粗糙度的影響

為探究不同粒徑比制備出的磁性磨粒對工件表面粗糙度的影響，在磁性磨粒光整加工過程中，每加工5 min，隨機選取3處測量粗糙度，記錄其平均值。根據所獲取的數據繪制出工件表面粗糙度隨時間的變化曲線，如圖7所示。從圖7可以看到，3種磁性磨粒均對工件有作用，且出現(xiàn)先下降后上升的趨勢。前期通過磁性磨粒對工件表面的研磨作用，使工件表面質量提高，表面粗糙度值下降，后期由于過磨，磁性磨粒對已經加工好的工件表面二次破壞，表面粗糙度值反而上升。在加工前5 min時，A2磨粒的加工效率最高。在相同的磁場下，由于A2磨粒的研磨相粒徑大，與工件表面的接觸部分多，表面缺陷更易去除，所以粗糙度值下降較快。10 min時，B2磨粒所研磨的工件表面粗糙度值小于A2和C2。研磨相粒徑大的磨粒，在加工效率高的同時對工件表面損傷也較大。B2和C2磨粒雖研磨效率略低，但在工件表面所留加工痕跡較淺。因此在加工一段時間后，B2磨粒研磨的工件表面粗糙度更低，研磨效果更優(yōu)。因此，當粒徑比為4︰1，研磨加工為30 min時，研磨效果最佳。此時，表面粗糙度值下降到最優(yōu)值0.07 μm。

圖7 工件表面粗糙度隨時間的變化曲線

3 結論

1）首次將碳化硼應用在磁性磨粒制備中，黏結法所制備鐵基碳化硼磁性磨粒能夠有效解決鈦合金板件表面質量問題，表面粗糙度由原始的0.88 μm降至0.07 μm，能夠達到較為理想的研磨效果。

2）黏結法制備鐵基碳化硼磁性磨粒時，在黏結劑中加入無水乙醇可有效解決黏結劑過于黏稠、與物料混合困難的問題。有效改善碳化硼粉末與鐵粉黏結均勻性問題，進而提升磁性磨粒的研磨性能。

3）通過對磁性磨粒雙重維度的檢測和研磨試驗結果進行對比，最終確定當物料與黏結劑的質量比為10︰1，研磨相與鐵磁相粒徑比為4︰1時，為最佳制備方案。此種參數下制備出的磁性磨粒裸露在外的切削刃較為明顯，參與研磨的切削刃數量較多，研磨效果最好。

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Preparation of Iron Based Boron Carbide Magnetic Abrasive by Bonding Method

,,,,

(School of Mechanical Engineer and Automation, University of Science and Technology Liaoning, Anshan 114051, China)

The work aims to prepare a new type of magnetic abrasive with low cost and high-cost performance with boron carbide powder to solve the problems of high price, low hardness and low-cost performance of existing abrasive phase materials. Iron based boron carbide magnetic abrasive particles were prepared by bonding method, and the effect of different composition ratio on its grinding performance was investigated. The surface morphology of magnetic abrasive particles was observed by scanning electron microscope. The distribution of grinding phases in abrasive particles was observed by energy spectrum analysis. The surface roughness measurement instrument and 3D ultra depth of field microscope were used to compare and analyze the surface quality of workpiece before and after grinding. Then combined with the grinding test of titanium alloy plate, the grinding performance of magnetic abrasive particles was evaluated, and the best preparation process parameters of magnetic abrasive particles were finally determined. When the pressing force was 100 kN, the mass ratio of mixture to binder was 10︰1, and the particle size ratio was 4︰1, the cutting performance and grinding effect of magnetic abrasive particles were the best. After grinding for 30 min, the surface roughness of titanium alloy plate decreased from0.88 μm to0.07 μm, which effectively removed the defects and processing texture of the original surface of the workpiece and improved the surface quality of the workpiece. Adding anhydrous ethanol into the binder can solve the problem that the binder is too viscous and is not conducive to mixing with materials. The mechanical mixing method can solve the problem of uneven mixing. Adding anhydrous ethanol into the binder can solve the problem that the binder is too viscous and is not conducive to mixing with materials. The iron-based boron carbide magnetic abrasive prepared by this bonding method can successfully complete the processing of titanium alloy materials. The iron-based boron carbide magnetic abrasive can be used as a grinding medium with excellent performance to participate in grinding, and can meet the requirements of magnetic abrasive finishing.

magnetic abrasive particles; magnetic abrasive finishing; boron carbide; bonding method; abrasive property; titanium alloy

2021-03-19；

2021-09-28

DING Ye (1997—), Female, Postgraduate, Research focus: precision and special processing.

陳燕（1963—），女，博士，教授，主要研究方向為精密加工與特種加工。

CHEN Yan (1963—), Female, Doctor, Professor, Research focus: precision and special processing.

丁葉, 陳燕, 丁云龍, 等.黏結法制備鐵基碳化硼磁性磨粒[J]. 表面技術, 2022, 51(3): 151-157.

TG580.68

A

1001-3660(2022)03-0151-07

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.03.015

2021-03-19；

2021-09-28

國家自然科學基金（51775258）；遼寧省自然科學基金（20170540458）；精密與特種加工教育部重點實驗室基金（B201703）

Fund：The National Natural Science Foundation of China (51775258); the Natural Science Foundation Plan Key Projects of Liaoning Province (20170540458); the Key Laboratory Fund of Ministry of Education for Precision and Special Processing (B201703)

丁葉（1997—），女，碩士研究生，主要研究方向為精密加工與特種加工。

DING Ye, CHEN Yan, DING Yun-long, et al. Preparation and Research of Iron Based Boron Carbide Magnetic Abrasive by Bonding Method[J]. Surface Technology, 2022, 51(3): 151-157.