丁葉，陳燕，丁云龍，劉文浩，周大鵬

精密與超精密加工

黏結(jié)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(xué) 機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院，遼寧 鞍山 114051）

為解決現(xiàn)有鐵磁性磨粒中研磨相材料價(jià)格昂貴、硬度不夠和性價(jià)比低等問(wèn)題，采用碳化硼粉末制備出一種具有成本低和性價(jià)比高的新型磁性磨粒。采用黏結(jié)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(duì)其研磨性能的影響。通過(guò)掃描電子顯微鏡觀察磁性磨粒表面形貌，并進(jìn)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(cè)量?jī)x與3D超景深顯微鏡對(duì)研磨前后的工件表面質(zhì)量進(jìn)行對(duì)比分析；結(jié)合鈦合金平板試件的研磨試驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)磁性磨粒的研磨性能，最終確定黏結(jié)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(jié)劑量比為10︰1，粒徑比為4︰1時(shí)，磁性磨粒的切削刃較為明顯，研磨效果達(dá)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(zhì)量。在黏結(jié)劑中加入無(wú)水乙醇可解決黏結(jié)劑過(guò)于黏稠、不利于與物料混合的問(wèn)題。采用此黏結(jié)法所制備的鐵基碳化硼磁性磨粒能夠有效地完成對(duì)鈦合金材料的加工，鐵基碳化硼磁性磨?？梢宰鳛樾阅軆?yōu)良的磨削介質(zhì)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(jié)法；研磨性能；鈦合金

鈦合金因其性能優(yōu)異，是目前應(yīng)用較為廣泛的金屬材料[1-2]。傳統(tǒng)的磨削加工技術(shù)可以滿足人們對(duì)其的基本要求，但已無(wú)法滿足航空航天、醫(yī)療制造和國(guó)防軍工等對(duì)零件表面質(zhì)量要求較高的行業(yè)，因此磁性磨粒光整加工技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[3-6]。磁性磨粒光整加工是一種能夠較為靈活、精準(zhǔn)地對(duì)難加工表面進(jìn)行有效拋光的技術(shù)[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(chǎng)作用下有序排列，形成具有研磨作用的磨粒刷[9-12]。當(dāng)工件與磁極間做相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，磁性磨粒在工件表面形成運(yùn)動(dòng)軌跡，對(duì)工件表面進(jìn)行劃擦和切削，從而達(dá)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(duì)研磨效率和研磨質(zhì)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(jié)的Al2O3磁性磨粒對(duì)鈦合金管內(nèi)表面進(jìn)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(jié)法可制備出鐵基體與研磨相結(jié)合較為緊密的磁性磨粒[18]，但燒結(jié)過(guò)程中鐵磁相易發(fā)生氧化反應(yīng)，導(dǎo)致磨粒的導(dǎo)磁率降低。劉寧等[19]采用霧化快凝法制備的CBN磁性磨粒對(duì)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(shè)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(chǎn)。相比于上述磁性磨粒的制備方法，黏結(jié)法具有操作簡(jiǎn)單、成本低廉、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)[20]。現(xiàn)有的黏結(jié)工藝在制備過(guò)程中，需先確保鐵磁相與研磨相混合均勻后再與黏結(jié)劑混合，但黏結(jié)劑中的樹(shù)脂極易發(fā)生自團(tuán)結(jié)，難以將研磨相與鐵磁相均勻地黏結(jié)[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(diǎn)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(qiáng)的硬度，但苛刻的制備過(guò)程和昂貴的價(jià)格使其不能廣泛應(yīng)用，而碳化硼價(jià)格便宜，性價(jià)比較高，因此有更為廣闊的應(yīng)用前景。碳化硼在高溫下易與金屬發(fā)生反應(yīng)生成金屬硼化物與石墨，進(jìn)而降低原有鐵磁相的導(dǎo)磁性能，因此鐵基碳化硼磁性磨粒采用黏結(jié)法制備更為合理[25]。

文中以鈦合金表面加工質(zhì)量為研究背景，采用黏結(jié)法制備一種性能優(yōu)、成本低的磁性磨粒。通過(guò)在黏結(jié)劑中加入無(wú)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(wèn)題。通過(guò)對(duì)不同物料比與粒徑比下的磁性磨粒進(jìn)行檢測(cè)與試驗(yàn)，最終確定最佳的制備方案。

1 試驗(yàn)

1.1 黏結(jié)法制備磁性磨粒

黏結(jié)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(dòng)攪拌器對(duì)其進(jìn)行機(jī)械混合；將適當(dāng)比例的黏結(jié)劑加入其中再次進(jìn)行機(jī)械混合至均勻并壓制成坯，將坯體放入干燥箱中進(jìn)行干燥固化，消除由于壓制過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力，排出水分，最后破碎篩分出所需目數(shù)的磨料。圖1為理想狀態(tài)下單顆磨料結(jié)構(gòu)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(yàn)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(jié)劑主要由環(huán)氧樹(shù)脂（(C11H12O3)）和聚酰胺樹(shù)脂（C24H50N4O2）按一定比例混合而成。由于混合后的黏結(jié)劑黏度過(guò)大，易發(fā)生自團(tuán)結(jié)，無(wú)法與物料進(jìn)行均勻混合，因此選用易于揮發(fā)的無(wú)水乙醇（C2H6O）作為有機(jī)溶劑，無(wú)水乙醇將易于團(tuán)結(jié)固化的黏結(jié)劑稀釋，便于黏結(jié)劑和混合好的磁性磨粒均勻結(jié)合，且無(wú)水乙醇會(huì)在后期固化中揮發(fā)，不會(huì)對(duì)磨料的制備有影響。圖2為黏結(jié)劑中有無(wú)稀釋劑所制磁性磨粒前后對(duì)比。圖2a中黏結(jié)劑未添加稀釋劑，黏結(jié)劑發(fā)生自團(tuán)結(jié)，成分混合不均。圖2b中黏結(jié)劑添加了稀釋劑，黏結(jié)劑會(huì)溶解在稀釋劑中，隨著電動(dòng)攪拌器的運(yùn)動(dòng)，鐵粉與碳化硼進(jìn)行無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了鐵粉、碳化硼和黏結(jié)劑的均勻混合。

圖1 理想狀態(tài)下單顆磨粒結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 黏結(jié)劑中有無(wú)稀釋劑所制磨料前后對(duì)比

加工試驗(yàn)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(tái)上，當(dāng)電機(jī)主軸啟動(dòng)進(jìn)而帶動(dòng)磁極旋轉(zhuǎn)時(shí)，工作臺(tái)帶動(dòng)工件做勻速往返直線運(yùn)動(dòng)，磁性磨粒隨之對(duì)工件表面進(jìn)行研磨加工。

圖3 磁粒研磨加工試驗(yàn)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(jié)劑按照10︰0.8、10︰1和10︰1.2的質(zhì)量比進(jìn)行試驗(yàn)研究。具體試驗(yàn)方案如表1所示。

表1 試驗(yàn)方案

Tab.1 Experiment Scheme

將經(jīng)過(guò)機(jī)械混合后的磨料放入模具中，采用100 kN的壓制力對(duì)其壓制成坯。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)驗(yàn)證得知，當(dāng)壓制力過(guò)大時(shí)，多余的黏結(jié)劑溢出，使有效參與研磨加工的切削刃數(shù)量減少，造成研磨效率低的問(wèn)題。當(dāng)壓制力過(guò)小時(shí)，碳化硼粉末與鐵基體接觸不完全，二者間結(jié)合力較弱，在加工過(guò)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(jìn)行干燥處理，縮短固化時(shí)間，使研磨相與鐵磁相黏結(jié)得更加牢固。最后用破碎機(jī)進(jìn)行破碎，并用振動(dòng)篩篩分出不同粒徑的磁性磨粒。

文中試驗(yàn)選用鈦合金平板（100 mm×100 mm× 3 mm）作為試件來(lái)驗(yàn)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(guò)粗糙度儀來(lái)測(cè)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(jié)合作為磁性磨粒研磨性能好壞的評(píng)價(jià)指標(biāo)，選出黏結(jié)法制備磁性磨粒的最佳參數(shù)。具體試驗(yàn)條件如表2所示。

表2 試驗(yàn)條件

Tab.2 Experimental condition

2 結(jié)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(guò)觀察對(duì)比9組磁性磨粒的表面形貌，進(jìn)而確定最佳的物料比。從圖4a—c可以看出，當(dāng)物料比為10︰0.8時(shí)，由于黏結(jié)劑所占比例較小，只有少量研磨相被黏結(jié)在鐵基體上，難以滿足光整加工的技術(shù)要求。從圖4d—f可以看出，當(dāng)物料比為10︰1時(shí)，黏結(jié)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(dāng)物料比為10︰1.2時(shí)，由于黏結(jié)劑所占比例過(guò)大，黏結(jié)劑在制備時(shí)受到外界擠壓會(huì)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(shí)，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(cè)結(jié)果更具代表性。通過(guò)對(duì)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(jié)劑的量較少，鐵基體表面不能夠充分黏結(jié)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(jié)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(cè)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(jié)劑流出后，覆蓋包裹住了原本可見(jiàn)的碳化硼研磨相。由此再次驗(yàn)證當(dāng)物料比為10︰1時(shí)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(duì)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(zhì)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(diǎn)和劃痕等加工缺陷。由圖6a可見(jiàn)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(duì)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(diǎn)已完全去除，工件表面加工紋理致密且均勻，無(wú)明顯損傷。圖6b中的工件表面原始缺陷基本去除，但由于實(shí)際加工中研磨相粒徑較大，實(shí)際參與研磨的切削刃反而少[27]。因此會(huì)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(duì)工件不會(huì)產(chǎn)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(duì)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(duì)工件表面粗糙度的影響，在磁性磨粒光整加工過(guò)程中，每加工5 min，隨機(jī)選取3處測(cè)量粗糙度，記錄其平均值。根據(jù)所獲取的數(shù)據(jù)繪制出工件表面粗糙度隨時(shí)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(duì)工件有作用，且出現(xiàn)先下降后上升的趨勢(shì)。前期通過(guò)磁性磨粒對(duì)工件表面的研磨作用，使工件表面質(zhì)量提高，表面粗糙度值下降，后期由于過(guò)磨，磁性磨粒對(duì)已經(jīng)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(shí)，A2磨粒的加工效率最高。在相同的磁場(chǎng)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(shí)，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(shí)對(duì)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(shí)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(dāng)粒徑比為4︰1，研磨加工為30 min時(shí)，研磨效果最佳。此時(shí)，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(shí)間的變化曲線

3 結(jié)論

1）首次將碳化硼應(yīng)用在磁性磨粒制備中，黏結(jié)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(zhì)量問(wèn)題，表面粗糙度由原始的0.88 μm降至0.07 μm，能夠達(dá)到較為理想的研磨效果。

2）黏結(jié)法制備鐵基碳化硼磁性磨粒時(shí)，在黏結(jié)劑中加入無(wú)水乙醇可有效解決黏結(jié)劑過(guò)于黏稠、與物料混合困難的問(wèn)題。有效改善碳化硼粉末與鐵粉黏結(jié)均勻性問(wèn)題，進(jìn)而提升磁性磨粒的研磨性能。

3）通過(guò)對(duì)磁性磨粒雙重維度的檢測(cè)和研磨試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，最終確定當(dāng)物料與黏結(jié)劑的質(zhì)量比為10︰1，研磨相與鐵磁相粒徑比為4︰1時(shí)，為最佳制備方案。此種參數(shù)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(shù)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?yàn)榫芗庸づc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(jié)法制備鐵基碳化硼磁性磨粒[J]. 表面技術(shù), 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(guó)家自然科學(xué)基金（51775258）；遼寧省自然科學(xué)基金（20170540458）；精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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?yàn)榫芗庸づc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.