燒結(jié)法制備鐵基立方氮化硼磁性磨粒及其磨削性能研究

張世學(xué)，丁云龍，呂旖旎，王薈江，陳燕

燒結(jié)法制備鐵基立方氮化硼磁性磨粒及其磨削性能研究

張世學(xué)，丁云龍，呂旖旎，王薈江，陳燕

（遼寧科技大學(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

解決現(xiàn)有燒結(jié)法制備磁性磨粒工藝中存在的研磨相單一、研磨相材料硬度相對(duì)較低，以及對(duì)于高硬度難加工材質(zhì)的研磨效率低、質(zhì)量差等問(wèn)題，采用立方氮化硼粉末作為研磨相燒結(jié)制備一種新型磁性磨粒。采用燒結(jié)法制備鐵基立方氮化硼磁性磨粒，探究原料的粒徑比、燒結(jié)溫度對(duì)磁性磨粒磨削性能的影響，以TC4鈦合金板和Si3N4陶瓷板為試驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)表面粗糙度測(cè)量?jī)x和3D超景深顯微鏡對(duì)比加工前后工件的表面質(zhì)量，采用掃描電鏡觀察加工后磁性磨粒的表面形貌，以此作為磁性磨粒的研磨性能和使用壽命的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并采用面掃描能譜分析儀觀察磁性磨粒中研磨相的分布情況。采用燒結(jié)法，以鐵粉為基體，以立方氮化硼粉末為研磨相材料，制備磁性磨粒。最終確定壓制力為90 kN，基體與研磨相的粒徑比為3∶1，燒結(jié)溫度為1 180 ℃，在此條件下制備的磁性磨粒具有良好的磨削性能，相較于燒結(jié)法制備的Al2O3/Fe、SiC/Fe磁性磨粒具有更強(qiáng)的磨削性能，可實(shí)現(xiàn)Si3N4陶瓷板表面的光整加工，在研磨39 min后可將其表面粗糙度由1.382 μm降至0.117 μm。采用燒結(jié)法制備的鐵基立方氮化硼磁性磨粒能夠解決硬脆材料的表面質(zhì)量問(wèn)題，可以作為性能優(yōu)異的磨削介質(zhì)參與研磨，滿足磁粒研磨光整加工技術(shù)的需求。

燒結(jié)法；磁性磨粒；立方氮化硼；磁粒研磨

磁粒研磨光整加工技術(shù)是提高各種工件表面質(zhì)量的有效非傳統(tǒng)加工方式，該技術(shù)基本不受工件幾何形狀的限制，可應(yīng)用于平面、內(nèi)外圓表面、復(fù)雜曲面的光整加工，以及精微繁雜零件的去毛刺等場(chǎng)合，如數(shù)碼產(chǎn)品外殼、飛機(jī)零部件和汽車(chē)零部件等[1]。磁性磨粒作為磁粒研磨加工過(guò)程中的拋光工具，在磁力的約束下，會(huì)形成具有一定剛性的柔性磁性磨粒刷，通過(guò)相對(duì)于工件的軌跡運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)有劃痕、毛刺等缺陷工件表面的微量切削，從而完成對(duì)工件表面的光整加工[2-3]。與傳統(tǒng)的車(chē)削、磨削等加工方式相比，磁性磨粒光整加工技術(shù)具有加工效率高、溫升小、靈活性強(qiáng)和自適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)[4]。

目前，已發(fā)展較為成熟的磁性磨粒制備方法主要有黏接法[5-6]、燒結(jié)法[7]、化學(xué)復(fù)合鍍法[8]、等離子噴涂法[9]、霧化法[10-11]等。在磁粒研磨加工過(guò)程中，由于高速旋轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生大量的切削熱，而黏接劑的耐高溫性較差，受熱軟化后使研磨粒子在基體上的把持力降低, 造成研磨相從基體脫落，所以黏接磁性磨粒的使用壽命小于其他制備方法。化學(xué)復(fù)合鍍法的工藝參數(shù)較難控制，研磨相沉積的深度和均勻性難以保證，且鍍液會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染。等離子噴涂法和霧化法的制備過(guò)程煩瑣、設(shè)備龐大，其加工制造成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他方法，更適用于特殊應(yīng)用場(chǎng)合下的大批量加工。相比之下，燒結(jié)法的制備工藝較簡(jiǎn)單、成本較低，在高溫?zé)Y(jié)時(shí)研磨粒子會(huì)嵌入熔融狀態(tài)的磁粉中，磁性磨粒的結(jié)合強(qiáng)度較高，具有良好的磨削性能[12-14]。

對(duì)磁性磨粒的研磨相硬度的要求較高，根據(jù)以往的研究，研磨相的維氏硬度應(yīng)達(dá)到待加工工件維氏硬度的1.2～1.5倍[15]，類(lèi)似于高碳合金鋼、陶瓷、石英玻璃等高硬度難加工材料，選擇硬度較高的研磨相意味著更高的研磨效率和更好的研磨質(zhì)量。人造金剛石是目前常用的研磨相材料中硬度最高的物質(zhì)，立方氮化硼僅次于它，兩者的碳原子結(jié)構(gòu)類(lèi)似，在不同行業(yè)中常作為超硬磨料和刀具廣泛應(yīng)用[16-17]。然而，金剛石的熱穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性較差，當(dāng)溫度達(dá)到900 ℃左右時(shí)會(huì)發(fā)生碳化[18]，無(wú)法采用燒結(jié)法制備出相應(yīng)的磁性磨粒，相較之下，立方氮化硼的熱穩(wěn)定性和化學(xué)惰性較高，且具有一定的弱鐵磁性[19]，是燒結(jié)法制備磁性磨料非常理想的研磨相材料。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 鐵基立方氮化硼磁性磨粒的制備工藝

采用燒結(jié)法制備鐵基立方氮化硼磁性磨粒的工藝流程如圖1所示。首先稱(chēng)取一定量的鐵粉和立方氮化硼微粉于容器中，加入定量的成型劑，然后通過(guò)攪拌器將其攪拌均勻，將攪拌后的原料倒入專(zhuān)用模具中，并在液壓機(jī)上壓坯成型。根據(jù)多次實(shí)驗(yàn)，結(jié)合壓力與坯體密度的關(guān)系曲線，確定90 kN的壓制力可以保證坯體的致密度，且不至于使顆粒出現(xiàn)變形或者碎裂。由此，選取壓制力為90 kN，將壓制好的坯體放入真空干燥箱中干燥8 h，以排出坯體內(nèi)部的水分，然后放入真空加熱爐中進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)。對(duì)比前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在升溫時(shí)間為6 h、保溫時(shí)間為2 h的燒結(jié)條件下燒結(jié)出的坯體致密度高，坯體的整體形貌完整，表面未出現(xiàn)松散、裂紋等缺陷。當(dāng)燒結(jié)到達(dá)指定時(shí)間后隨爐冷卻至室溫，利用破碎機(jī)將完全冷卻的坯體進(jìn)行破碎，然后通過(guò)振動(dòng)篩進(jìn)行篩分并封裝。

圖1 鐵基立方氮化硼磁性磨粒的制備工藝流程

1.2 實(shí)驗(yàn)原料

在實(shí)驗(yàn)中，制備磁性磨粒的介質(zhì)相選用粒徑為100目的高純鐵粉，研磨相選用粒徑為150、200、300目的立方氮化硼微粉，成型劑由PVA粉與適量蒸餾水混合而成。原料鐵顆粒和立方氮化硼顆粒的微觀形貌如圖2所示。由圖2可以看出，鐵顆粒大小均勻，形貌近似于球體，有利于磁研磨加工過(guò)程中磁性磨粒的翻滾、更替；立方氮化硼顆粒為不規(guī)則的多面體，在每個(gè)顆粒上存在許多方向各不相同的切削刃，從而保證了磁研磨加工過(guò)程中研磨相對(duì)工件的切削作用。

1.3 實(shí)驗(yàn)方案

以往的實(shí)驗(yàn)表明，磁性磨粒介質(zhì)相與研磨相的最佳粒徑比值為1.12～3.34[15]，粒徑比會(huì)直接影響加工過(guò)程中磁性磨粒受到的磁場(chǎng)力，與切削深度緊密相關(guān)，直接決定加工效率和加工質(zhì)量。參考磁性磨粒的最佳粒徑比，用精密電子天平稱(chēng)取100 g混合料，其中鐵粉75 g，立方氮化硼微粉25 g，制備出粒徑比分別為1.5∶1、2∶1、3∶1的磁性磨粒，標(biāo)記為MAP–1、MAP–2、MAP–3。此外，在采用燒結(jié)法制備磁性磨粒的工藝中，介質(zhì)相對(duì)于研磨相必須具有良好的潤(rùn)濕性，研磨相也必須在介質(zhì)相中有一定的溶解度，制備環(huán)節(jié)中的攪拌工作、壓制工作、壓制力、燒結(jié)時(shí)間等都會(huì)對(duì)基體與研磨相的潤(rùn)濕性造成影響，而燒結(jié)溫度是其中最為直觀的影響因素。因?yàn)闊Y(jié)溫度會(huì)直接影響基體的熔化程度，進(jìn)而影響兩相之間的潤(rùn)濕性，溫度過(guò)高或過(guò)低都會(huì)對(duì)磁性磨粒的致密度和結(jié)合強(qiáng)度造成影響，所以實(shí)驗(yàn)在保證優(yōu)化制備工藝中其他工序的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)針對(duì)燒結(jié)溫度這一因素進(jìn)行了研究。大量以鐵粉為介質(zhì)相的磁性磨粒制備工藝表明，在1 100～1 300 ℃的燒結(jié)溫度下鐵基體的熔化程度適中，可以促進(jìn)鐵基體與研磨相間的流動(dòng)傳質(zhì)、擴(kuò)散傳質(zhì)等過(guò)程[20-23]，基體與研磨相間的結(jié)合力較大，坯體致密度較高。由此，在確定最佳粒徑比后，選擇燒結(jié)溫度分別為1 100、1 180、1 250 ℃，將制備出的磁性磨料分別標(biāo)記為MAP–4、MAP–5、MAP–6。

鈦合金具有耐腐蝕性強(qiáng)、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)，它廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生等領(lǐng)域。由于鈦合金的彈性模量小、易變形，因此采用普通刀具磨具加工時(shí)工件表面的回彈量較大，易造成刀具后刀面磨損加劇和工件彎曲變形，采用磁粒研磨光整加工技術(shù)可以很好地解決這一難題[24-25]。由此，選取TC4鈦合金板（50 mm×50 mm×3 mm）作為加工工件，探究粒徑比和燒結(jié)溫度對(duì)磁性磨粒磨削性能的影響，從而選取最佳的制備工藝參數(shù)。磁極選用15 mm×20 mm 的N35釹鐵硼永磁體，檢測(cè)磁性磨粒的磨削性能時(shí)統(tǒng)一選用平均粒徑為250 μm（60目）的磁性磨粒。磁性磨粒的加工原理如圖3所示。磁極帶動(dòng)磁性磨粒高速旋轉(zhuǎn)，從而與不斷移動(dòng)的工件發(fā)生碰撞、劃擦，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件表面的微量切削，完成光整加工，實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。采用粗糙度測(cè)量?jī)x依次測(cè)量加工后試件5個(gè)位置的粗糙度，去掉最大值和最小值后，取算術(shù)平均值作為工件的表面粗糙度。通過(guò)超景深顯微鏡對(duì)比工件加工前后的表面形貌，確定磁性磨粒的加工效果。通過(guò)掃描電鏡觀察研磨一定時(shí)間后磁性磨粒的形貌，確定燒結(jié)法制備鐵基立方氮化硼磁性磨粒的最佳工藝參數(shù)。

圖2 原料的微觀SEM圖

圖3 磁性磨粒的加工原理

表1 實(shí)驗(yàn)條件

Tab.1 Experimental conditions

2 結(jié)果與分析

2.1 粒徑比對(duì)磁性磨粒的影響

采用不同粒徑比制備的磁性磨粒加工工件后的表面粗糙度和材料去除量隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示。由圖4可以看出，在加工的初始階段，MAP–1的加工效率相對(duì)最高，在較短的時(shí)間內(nèi)便能達(dá)到較低的表面粗糙度。隨著精加工時(shí)間的延長(zhǎng)，當(dāng)研磨時(shí)間達(dá)到12 min時(shí)，MAP–1的表面粗糙度最早出現(xiàn)回升趨勢(shì)，MAP–2、MAP–3繼續(xù)下降，可以獲得更低的表面粗糙度。當(dāng)研磨時(shí)間延長(zhǎng)至15 min時(shí)，MAP–2的表面粗糙度開(kāi)始回升，而MAP–3繼續(xù)下降。在精加工時(shí)間達(dá)到18 min時(shí)，MAP–3最終可以得到相對(duì)最低的表面粗糙度，工件的表面粗糙度由原始的1.685 μm降低至0.093 μm。這是因?yàn)镸AP–1中的立方氮化硼的粒徑最大，在同樣的磁場(chǎng)力下，粒徑更大的磁性磨粒意味著在加工時(shí)可以獲得更大的切削作用力?；诩舛诵?yīng)，在加工的初始階段可以更快地去除工件表面的凸起和尖點(diǎn)，所以可以獲得更大的材料去除量和更低的表面粗糙度。粒徑較小的磁性磨粒意味著切削刃較小，因此材料去除量和表面粗糙度變化緩慢。隨著精加工時(shí)間的延長(zhǎng)，晶粒大的磁性磨粒的切削深度更大，產(chǎn)生的劃痕更嚴(yán)重，研磨紋理更不規(guī)則，甚至出現(xiàn)劃傷工件的情況；較小的晶粒產(chǎn)生的劃痕相對(duì)較輕，所以當(dāng)精加工時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)，粒徑較小的磁性磨?？梢垣@得更低的表面粗糙度。為了進(jìn)一步驗(yàn)證MAP–3所能達(dá)到的最佳表面質(zhì)量進(jìn)行了精密實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在研磨時(shí)間約為39 min時(shí)，工件的表面粗糙度達(dá)到0.071 μm，繼續(xù)研磨發(fā)現(xiàn)表面粗糙度的變化極為緩慢，且逐漸出現(xiàn)回升趨勢(shì)。

研磨前后工件表面的微觀形貌如圖5所示。TC4鈦合金板因存在原始的加工缺陷，所以表面有較多的麻點(diǎn)、劃痕，如圖5a所示。MAP–1、MAP–2和MAP–3在加工時(shí)間為12、15、18 min時(shí)的表面形貌如圖5b—d所示，對(duì)比其表面形貌進(jìn)一步驗(yàn)證了上述分析。MAP–1的研磨效果較差，磁性磨料的研磨軌跡不規(guī)則，許多位置產(chǎn)生了較深的劃痕，出現(xiàn)了工件表面被劃傷的情況。MAP–2的研磨效果相對(duì)較好，工件的原始紋理已基本去除，僅部分位置存在未完全去除的劃痕。MAP–3中的立方氮化硼粒徑相對(duì)最小，加工后的工件表面研磨紋理致密、均勻，工件表面的原始劃痕、麻點(diǎn)等缺陷已被完全去除，達(dá)到了最佳的研磨質(zhì)量。由此可見(jiàn)，在磁性磨粒光整加工技術(shù)中，可以先選用粒徑較大的磁性磨粒進(jìn)行加工，以較快地去除材料表面不規(guī)則的尖端部分，提高加工效率，然后換用粒徑較小的磁性磨粒用于工件表面的精細(xì)加工，以獲得更好的研磨效果和表面質(zhì)量。

圖4 粒徑比對(duì)工件表面的影響

圖5 研磨前后TC4的表面微觀形貌

2.2 燒結(jié)溫度對(duì)磁性磨粒的影響

保證最佳粒徑比（3∶1）不變，在不同的燒結(jié)溫度下制備磁性磨粒，將在1 100、1 180、1 250 ℃下制備的磁性磨料對(duì)應(yīng)標(biāo)記為MAP–4、MAP–5、MAP–6，經(jīng)不同燒結(jié)溫度下制備的磁性磨粒研磨工件后的表面粗糙度隨時(shí)間的變化曲線見(jiàn)圖6，可以看到，在加工前3 min，研磨效果相差很小，工件的表面粗糙度從1.6 μm下降到0.85 μm左右，此時(shí)研磨時(shí)間較短，磁性磨粒都能保證良好的磨削性能。當(dāng)研磨時(shí)間達(dá)到3 min后，3種磁性磨粒對(duì)工件表面粗糙度的影響開(kāi)始逐漸顯露出差異，MAP–4的加工效率相對(duì)最高，但是它在9 min時(shí)工件表面粗糙度開(kāi)始出現(xiàn)回升趨勢(shì)，工件最低的表面粗糙度可以達(dá)到0.356 μm。MAP–6的加工效率相對(duì)最低，在加工時(shí)間為15 min時(shí)，表面粗糙度開(kāi)始回升，此時(shí)的表面粗糙度為0.293 μm。MAP–5展現(xiàn)出相對(duì)最佳的表面粗糙度變化趨勢(shì)，在加工時(shí)間達(dá)到18 min時(shí)，也未出現(xiàn)工件表面粗糙度回升的情況，加工18 min時(shí)達(dá)到0.181μm的最佳研磨效果。為了進(jìn)一步驗(yàn)證MAP–5所能達(dá)到的最佳表面質(zhì)量，進(jìn)行了精密實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在研磨時(shí)間約為42 min時(shí)，工件的表面粗糙度達(dá)到0.083 μm，繼續(xù)研磨發(fā)現(xiàn)表面粗糙度的變化極為緩慢，且逐漸出現(xiàn)回升趨勢(shì)。

圖6 燒結(jié)溫度對(duì)工件表面粗糙度的影響

通過(guò)掃描電鏡觀察研磨18 min后3種磁性磨粒的微觀形貌，進(jìn)一步探究燒結(jié)溫度對(duì)磁性磨粒磨削性能的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。觀察發(fā)現(xiàn)，在燒結(jié)溫度1 100 ℃下，鐵顆?？梢员３衷嫉那蛐螤顟B(tài)，有利于磁性磨粒在磨削過(guò)程中更好地翻滾、更替，加快了研磨效率，但是研磨相與鐵基體間存在結(jié)合強(qiáng)度較低的問(wèn)題。在研磨18 min時(shí)，部分研磨相已從鐵基體表面脫落，且在其表面留下了孔洞痕跡，脫落的立方氮化硼晶粒會(huì)在加工區(qū)域發(fā)生不規(guī)則運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生劃痕，這會(huì)對(duì)加工質(zhì)量造成影響。當(dāng)燒結(jié)溫度為1 250 ℃時(shí)，過(guò)高的溫度使得鐵基體的熔化程度加大，立方氮化硼顆粒過(guò)多地嵌入鐵基體中，導(dǎo)致實(shí)際參與磨削的立方氮化硼粒子較少，加工效率較低，增加了磁性磨粒的失效速度，降低了其使用壽命。在燒結(jié)溫度為1 180 ℃下，磁性磨料在研磨18 min后整體形貌較好，大致呈球體，研磨效率得到保證，且立方氮化硼顆粒仍與鐵基體緊密結(jié)合，研磨相仍具有大量棱角分明的切削刃，磁性磨粒的使用壽命較高，可以獲得更好的加工效果。

圖7 不同溫度下磁性磨粒的SEM圖

在研磨18 min后，3種磁性磨粒的面掃描能譜分析如圖8所示，可以更為直觀地看到基體元素和研磨相元素的分布情況。其中，黃色表示C元素，粉色表示B元素，紅色表示N元素，藍(lán)色表示Fe元素。經(jīng)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，MAP–4中部分磁性磨粒不能明顯看到研磨相的元素分布，由此可見(jiàn)因燒結(jié)溫度過(guò)低未能使基體與研磨相充分結(jié)合，在加工過(guò)程中易造成研磨相的脫落，影響其磨削效果，MAP–5中每顆磁性磨粒都能明顯觀察到研磨相包覆在其表面，且分布較為均勻，MAP–6中每顆磁性磨粒上也都能看到研磨相的分布，但相較于MAP–4、MAP–5，其單顆磁性磨粒上的研磨相大范圍分布在其上的情況有所減少。對(duì)1 100～1 250 ℃下鐵基體與立方氮化硼磨粒間融合狀態(tài)的變化過(guò)程進(jìn)行了分析，在1 100 ℃時(shí)由于溫度較低，鐵基體與立方氮化硼粒子并未充分融合，兩相間的結(jié)合能力較差；當(dāng)溫度升高到1 180 ℃時(shí)，基體熔化程度加大，兩相間進(jìn)一步融合；當(dāng)溫度進(jìn)一步提高到1 250 ℃時(shí)，鐵的熔化程度進(jìn)一步加大，液相數(shù)量增多，出現(xiàn)過(guò)度包覆立方氮化硼粒子的現(xiàn)象，導(dǎo)致裸露在外的切削刃有所減少。

MAP–4、MAP–5和MAP–6在加工前后工件表面的微觀形貌如圖9所示。MAP-4因燒結(jié)溫度較低，在研磨后期研磨相與鐵基體間結(jié)合力下降，導(dǎo)致立方氮化硼晶粒從基體表面脫落，脫落的晶粒會(huì)產(chǎn)生不規(guī)則運(yùn)動(dòng)。由圖9b可知，工件表面上原始的麻點(diǎn)、溝痕等缺陷已得到明顯改善，由于原始表面較粗糙且磁性磨粒使用壽命較短，研磨時(shí)間不足，導(dǎo)致加工后工件因未經(jīng)充分研磨而使原始紋理未得到完全去除。MAP–5加工后工件表面形貌如圖9c所示，此溫度制備的磁性磨粒具備較強(qiáng)的磨削能力，研磨相與鐵基體間的結(jié)合強(qiáng)度滿足使用要求，工件表面加工紋理淺且規(guī)則，可以得到相對(duì)最佳的表面質(zhì)量。觀察圖9d可知，MAP–6由于過(guò)高的燒結(jié)溫度，鐵基體對(duì)研磨相過(guò)度包覆，致使實(shí)際有效參與研磨的切削刃較少，導(dǎo)致加工效率較低。僅有的少量切削刃在加工一段時(shí)間后開(kāi)始變鈍，失去切削能力，在研磨壓力的作用下擠壓工件表面，在工件上會(huì)隨機(jī)出現(xiàn)一些較深且不規(guī)則的劃痕，導(dǎo)致研磨不均勻，對(duì)其表面質(zhì)量造成了不良影響。綜合以上分析，在燒結(jié)溫度1 180 ℃下制備出的磁性磨粒的研磨相與鐵基體的結(jié)合力較強(qiáng)，實(shí)際參與的切削刃較多，使用壽命較長(zhǎng)。

2.3 磁性磨粒的研磨性能分析

為了驗(yàn)證所制備的鐵基立方氮化硼磁性磨粒是否能夠高效率、高質(zhì)量地完成對(duì)硬脆材料的研磨，選取現(xiàn)有燒結(jié)法制備的鐵基白剛玉（Al2O3/Fe）和鐵基碳化硅（SiC/Fe）磁性磨粒進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，保證3種磁性磨粒的制備工藝參數(shù)一定。實(shí)驗(yàn)設(shè)定前18 min采用平均粒徑為250 μm（60目）的磁性磨粒進(jìn)行粗磨，然后換用平均粒徑為178 μm（80目）的磁性磨粒進(jìn)行精細(xì)研磨，選取Si3N4陶瓷板（14 mm×3.5 mm）為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。Si3N4陶瓷作為工程陶瓷，具有耐熱沖擊性、耐磨性、高強(qiáng)度、耐腐蝕性、高韌性等特點(diǎn)，常用于汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃機(jī)配件[26]，同時(shí)由于其表面硬度較高、脆性較大，導(dǎo)致對(duì)其表面進(jìn)行光整加工較為困難。

圖8 磁性磨粒的能譜分析

圖9 研磨前后TC4的表面微觀形貌

研磨后Si3N4陶瓷板表面粗糙度隨時(shí)間的變化曲線如圖10所示。由于Si3N4陶瓷板與Al2O3的維氏硬度較為接近，約為15 GPa，所以Al2O3/Fe磁性磨粒的研磨效果并不理想，在研磨18 min后，表面粗糙度由原始的1.418 μm降低至1.201 μm，更換粒徑較小的磁性磨粒后粗糙度的變化仍不明顯，研磨39 min后表面粗糙度約為1.03 μm。SiC的硬度比Al2O3略大，SiC/Fe磁性磨粒的研磨效果明顯優(yōu)于Al2O3/Fe，研磨18 min后其表面粗糙度由1.427 μm降至0.922 μm，減小粒徑后，在39 min時(shí)進(jìn)一步減小至0.616 μm。cBN/Fe磁性磨粒的研磨效果相對(duì)最佳，由于Si3N4陶瓷板本身的硬度較高，所以整體的研磨效率較低，經(jīng)過(guò)18 min后表面粗糙度由1.382 μm減小至0.609 μm，更換粒徑后，Si3N4陶瓷板的表面粗糙度達(dá)到了0.117 μm的最佳研磨效果。經(jīng)不同磁性磨粒加工前后Si3N4陶瓷板的表面形貌如圖11所示，進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，cBN/Fe磁性磨粒的研磨質(zhì)量相對(duì)最佳，工件表面的原始缺陷基本被去除，加工紋理平整均勻，SiC/Fe和Al2O3/Fe磁性磨粒的研磨質(zhì)量較差，經(jīng)SiC/Fe加工后工件上仍存在明顯的孔洞，在其表面上存在許多深淺不一的劃痕，Al2O3/Fe加工后表面形貌基本無(wú)變化，對(duì)Si3N4陶瓷板的研磨能力較差。通過(guò)以上分析進(jìn)一步驗(yàn)證，立方氮化硼具有較高的硬度和穩(wěn)定性，以立方氮化硼為研磨相燒結(jié)制備的cBN/Fe磁性磨粒具有較強(qiáng)的磨削能力，可有效解決傳統(tǒng)磁性磨粒研磨硬脆材料效率低、質(zhì)量差的問(wèn)題。

圖10 Si3N4陶瓷表面粗糙度隨時(shí)間的變化曲線

圖11 研磨前后Si3N4陶瓷表面的微觀形貌

3 結(jié)論

1）首次將立方氮化硼顆粒應(yīng)用于磁性磨粒的燒結(jié)法制備工藝中，制備出的鐵基立方氮化硼磁性磨粒具有良好的磨削效果，可以有效解決TC4鈦合金板的表面質(zhì)量問(wèn)題，降低其表面粗糙度。

2）當(dāng)鐵基體與立方氮化硼晶粒的粒徑比為3∶1時(shí)，制備出的磁性磨粒具有相對(duì)最佳的磨削性能，采用60目的磁性磨粒進(jìn)行拋光時(shí)，在39 min時(shí)可將鈦合金板的表面粗糙度由1.685 μm降至0.071 μm。

3）當(dāng)燒結(jié)溫度為1 180 ℃時(shí)，制備出的磁性磨粒研磨相與鐵基體的結(jié)合力較強(qiáng)，磨削性能較好，使用壽命較高。采用60目的磁性磨粒進(jìn)行拋光時(shí)，在42 min時(shí)可將鈦合金板的表面粗糙度由1.6 μm降至0.083 μm。

4）采用燒結(jié)法制備的cBN/Fe磁性磨粒比燒結(jié)Al2O3/Fe、SiC/Fe磁性磨粒的磨削能力更強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)Si3N4陶瓷板表面的光整加工，在39 min時(shí)表面粗糙度由1.382 μm降至0.117 μm。

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Preparation and Grinding Performance of Iron-based Cubic Boron Nitride Magnetic Abrasive Particles by Sintering Method

,,,,

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

The work aims to solve the problems of single grinding phase, relatively low hardness of grinding phase materials, low grinding efficiency and poor quality of high-hardness and difficult-to-process materials in the existing sintering process for preparing magnetic abrasive particles and to prepare a new type of magnetic abrasive particles by sintering with cubic boron nitride powder as grinding phase. Iron-based cubic boron nitride magnetic abrasive particles were prepared by sintering method, and the effects of particle size ratio of raw materials and sintering temperature on the grinding performance of magnetic abrasive particles were investigated. TC4 titanium alloy plate and Si3N4ceramic plate were taken as experimental objects, and the surface quality of workpiece before and after processing was compared by surface roughness measuring instrument and 3D depth-of-field microscope. The surface morphology of magnetic abrasive particles after processing was observed by scanning electron microscope as the evaluation index of grinding performance and service life of magnetic abrasive particles, and the distribution of abrasive phases in magnetic abrasive particles was observed by surface scanning energy spectrum analyzer. Magnetic abrasive particles were prepared by sintering method with iron powder as matrix and cubic boron nitride powder as grinding phase material. The final pressing force was 90 kN, the particle size ratio of matrix and grinding phase was 3∶1, and the sintering temperature was 1 180 ℃. Under these conditions, the magnetic abrasive particles prepared had good grinding performance, which was stronger than that of Al2O3/Fe and SiC/Fe magnetic abrasive particles prepared by sintering method, and the surface finishing of Si3N4ceramic plate could be realized. After grinding for 39 min, the surface roughness could be reduced from 1.382 μm to 0.117 μm. Iron-based cubic boron nitride magnetic abrasive particles prepared by sintering method can solve the surface quality problems of hard and brittle materials, and can be used as grinding media with excellent performance to participate in grinding, meeting the requirements of magnetic particle grinding and finishing technology.

sintering method; magnetic abrasive particles; cubic boron nitride; grinding of magnetic abrasive particles

2021-09-21；

2021-12-23

ZHANG Shi-xue (1998-), Male, Postgraduate, Research focus: precision and special processing.

丁云龍（1988—），男，博士，副教授，主要研究方向?yàn)榫芗庸づc特種加工。

DING Yun-long (1988-), Male, Doctor, Associate professor, Research focus: precision and special processing.

張世學(xué), 丁云龍, 呂旖旎, 等.燒結(jié)法制備鐵基立方氮化硼磁性磨粒及其磨削性能研究[J]. 表面技術(shù), 2022, 51(9): 271-279.

TG580

A

1001-3660(2022)09-0271-09

10.16490/j.cnki.issn.1001-3660.2022.09.000

2021–09–21；

2021–12–23

遼寧省教育廳科學(xué)研究經(jīng)費(fèi)項(xiàng)目（2019LNQN01）；遼寧省科技廳博士啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)（2021–BS–241）

Fund：Scientific Research Funding Project of the Education Department of Liaoning Province (2019LNQN01); Start-up funding for Ph. D. of Liaoning Provincial Department of Science and Technology (2021-BS-241)

張世學(xué)（1998—），男，碩士生，主要研究方向?yàn)榫芗庸づc特種加工。

ZHANG Shi-xue, DING Yun-long, LYU Yi-ni, et al. Preparation and Grinding Performance of Iron-based Cubic Boron Nitride Magnetic Abrasive Particles by Sintering Method[J]. Surface Technology, 2022, 51(9): 271-279.

責(zé)任編輯：彭颋