cBN-Fe 磁性磨粒的制備工藝及性能

馬雨寒 張寶瑞 周長(zhǎng)樂(lè) 陳保池 王大慶 田鑫 丁云龍

摘要 針對(duì)現(xiàn)有燒結(jié)法制備的磁性磨粒中研磨相材料硬度較低，對(duì)硬度高、導(dǎo)磁性差的鈦合金等工件的研磨效果差，且硬度最高的金剛石材料無(wú)法作為研磨相用燒結(jié)法來(lái)制備磁性磨粒的問(wèn)題，以Fe 粉為基體，cBN粉末為研磨相，燒結(jié)制備cBN-Fe 磁性磨粒；以Ti-6A1-4V（TC4）板為研磨對(duì)象，用控制變量法探究燒結(jié)法制備的cBN-Fe 磁性磨粒中燒結(jié)時(shí)間、升溫速度、原料配比對(duì)其研磨性能的影響，確定其最佳的制備工藝參數(shù)；并以45#鋼和202 不銹鋼為研磨工件，比較cBN-Fe 與燒結(jié)法制備的Al2O3-Fe、SiC-Fe 3 種磁性磨粒研磨前后工件的表面粗糙度、表面形貌，探究不同磁性磨粒的研磨性能和使用壽命。結(jié)果表明：當(dāng)Fe 粉與cBN 粉的質(zhì)量比為3∶1，燒結(jié)溫度為1 150 ℃，燒結(jié)時(shí)間為6 h，保溫時(shí)間為2 h，升溫速度為3.19 ℃/min 時(shí)，制備的cBN-Fe 磁性磨粒研磨性能最佳，優(yōu)于燒結(jié)法制備的Al2O3-Fe、SiC-Fe 磁性磨粒的，且其使用壽命分別是Al2O3-Fe 磁性磨粒和SiC-Fe 磁性磨粒的1.6 倍和1.3 倍。

關(guān)鍵詞 燒結(jié)法；磁性磨粒；升溫速度；原料配比

中圖分類(lèi)號(hào) TG73; TG58; TQ164 文獻(xiàn)標(biāo)志碼 A文章編號(hào) 1006-852X（2023）04-0422-10

DOI 碼 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0130

收稿日期 2022-08-15 修回日期 2022-11-30

隨著先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展，航空航天、醫(yī)用、精密器械等領(lǐng)域?qū)C(jī)械構(gòu)件的質(zhì)量要求不斷提高，也促使其光整加工技術(shù)快速發(fā)展，磁粒研磨光整加工技術(shù)即是其中的一種。磁粒研磨光整加工技術(shù)是利用磁性磨粒在磁場(chǎng)作用下，在工件表面仿形形成柔性磁粒刷，對(duì)工件表面進(jìn)行研磨，達(dá)到光整加工的目的[1]。磁粒研磨因具有自銳性好、適應(yīng)性好、研磨溫升低、殘余應(yīng)力小等特點(diǎn)，且不受加工工件形狀的影響，可對(duì)平面、曲面、內(nèi)外圓、復(fù)雜小零件的表面進(jìn)行光整加工[2-3]。目前，成熟的磁性磨粒制備工藝有黏接法[4]、燒結(jié)法[5]、霧化快凝法[6]、等離子噴涂法[7]、化學(xué)復(fù)合鍍法[8] 等，其中的燒結(jié)法具有制作工藝簡(jiǎn)單、結(jié)合強(qiáng)度高、成本低等優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)有的磁性磨?；旧弦許iC、Al2O3 和金剛石等為研磨相。以SiC、Al2O3 為研磨相的磁性磨粒，因研磨相的硬度較低，在研磨加工硬度較高的金屬材料時(shí)效率低，甚至無(wú)法研磨。金剛石硬度最高、尖銳鋒利，適合用來(lái)加工非金屬材料、有色金屬及其合金等，因而被廣泛用于加工硬質(zhì)合金、陶瓷、光學(xué)玻璃、寶石、半導(dǎo)體、石材等硬而脆的材料。

潘韓飛[9] 用化學(xué)復(fù)合鍍制備鐵基金剛石磁性磨粒，探究了鐵粉裝載量、金剛石磨料濃度、攪拌速度等對(duì)金剛石磁性磨粒表面形貌的影響，用其加工石英，石英表面粗糙度雖有下降，但研磨后石英的表面質(zhì)量較差。牛鳳麗等[10] 采用燒結(jié)法制備鐵基白剛玉磁性磨粒，并用其對(duì)3Cr2Mo 模具鋼材料進(jìn)行磁力研磨，以此確定了磨粒的最佳制備工藝參數(shù)?？佃吹萚11] 采用燒結(jié)法制備SiC-Fe 磁性磨粒，通過(guò)對(duì)磁性研磨粒子進(jìn)行能譜分析，結(jié)合鈦合金板磁力研磨試驗(yàn)評(píng)價(jià)研磨粒子的研磨能力，確定了合理的磁性研磨粒子工藝制備參數(shù)。賀美云等[12-13] 在試驗(yàn)中得出， 加工45#鋼時(shí)燒結(jié)法制備的Al2O3-Fe 磁性磨粒的磨削性能優(yōu)于SiC-Fe 磁性磨粒的。

理論上磁性磨料中研磨相的硬度越高，磁性磨粒的研磨效果和研磨質(zhì)量越好。硬度最高的材料是金剛石，其次是立方氮化硼（cBN）。但金剛石的熱穩(wěn)定性差，當(dāng)溫度超過(guò)900 ℃ 時(shí)就會(huì)碳化；另一方面，高溫下金剛石易與鐵發(fā)生反應(yīng)，不能用來(lái)加工鋼鐵類(lèi)材料[14]。

cBN 是一種人工合成的超硬材料，其原子結(jié)構(gòu)近似于金剛石的，硬度僅次于金剛石，且密度極高[15]，被廣泛用于刀具行業(yè)和超硬工具中[16]，加工比較難磨的金屬材料尤其是工具鋼、模具鋼、不銹鋼、耐熱合金鋼等。

同時(shí)，cBN 的耐熱溫度達(dá)1 400 ℃，化學(xué)惰性較好，高溫下不易與鐵反應(yīng)；且cBN 具有弱的鐵磁性，是燒結(jié)法制備磁性磨粒理想的研磨相材料。

因此，以Fe 粉為基體，cBN 粉末為研磨相，燒結(jié)制備cBN-Fe 磁性磨粒，解決現(xiàn)有研磨相硬度低，對(duì)硬脆工件加工效果差，且金剛石無(wú)法作為研磨相來(lái)燒結(jié)制備磁性磨粒的問(wèn)題。通過(guò)對(duì)不導(dǎo)磁的硬脆材料Ti-6A1-4V（TC4）板的研磨效果，確定燒結(jié)法制備磁性磨粒的最佳工藝參數(shù)。并以45#鋼和202 不銹鋼為研磨工件，使其與燒結(jié)法制備的SiC-Fe、Al2O3-Fe 磁性磨粒的研磨質(zhì)量對(duì)比，通過(guò)比較工件研磨前后的表面粗糙度、表面形貌，探究3 種磁性磨粒的研磨性能和使用壽命。