磁性磨粒的磨削机理与制备工艺

1、磁性磨粒的磨削机理与制备工艺    1 引言磁力研磨是一种利用磁性磨料和磁场作用进行研磨加工的新型工艺方法。磁力研磨法可同时研磨多个内、外复杂表面，具有研磨效率高、磨料消耗少、磨削粉尘不飞散等优点，因而在机械制造领域的应用日益广泛。磁力研磨属于松散磨粒研磨加工，它是将磁性磨粒置于磁场中，磨料在磁场力作用下沿磁力线排列形成磁力刷，这种磁力刷具有良好的抛磨性能和很强的可塑性。加工中，当磨削阻力大于磁场作用力时，磨料会产生滚动或滑动，因此磨料不会对工件产生严重划伤，非常适合薄壁内孔表面、齿轮齿面、螺纹、钻头等复杂型面的研磨抛光。目前磁力研磨法存在的主要问题是研

2、磨效率还有待提高、磁性磨料制备困难、加工成本较高等。本文分析了研磨过程中磁性磨料磨粒的受力状况和磨削机理，论述了磁性磨粒的性能要求及制备工艺方法。 2 单个磁性磨粒的受力分析磁性磨料是专为精密加工表面磁力研磨而研制的一种兼有磁化和磨削能力的复合磨料，磨粒的平均粒径约150µm。磨料中的可磁化材料主要为铁和铁基合金，称为铁磁相；具有磨削作用的高硬度颗粒(如金属氧化物、磁化物、氮化物、硼化物等) 称为磨粒相。 以圆柱表面的磁力研磨为例，位于加工区域内的单个磨粒的受力状况如图1所示。当加工区域内的各个磨粒被磁化后，将沿磁力线方向排列成刷状；将需要研磨的工件置于磁刷中，工件与磁刷的前端磨粒相

3、互吸引，使磁刷前端磨粒在磁力作用下紧压工件表面。图1中A表示在加工区域靠近工件表面的一颗磁性磨粒，在磁场作用下，磨粒A 受到沿磁力线方向的作用力Fx以及沿磁等位线方向的作用力Fy的作用，同时与工件表面接触产生沿工件表面法向的作用力Fn。由于磨粒与工件表面的相对运动将产生一个切向力Fm，因此Fy可防止磨粒向加工区域外流动，保证研磨加工正常进行。上述各作用力的表达式为  3 单个磁性磨粒的磨削机理在磁力研磨中，由大量微粉状磨粒组成的磁性磨料在磁场中受磁力作用而紧压于工件表面。磁性磨料在工件表面通常有滑动、滚动和切削三种运动形式，当磨粒所受磁场力大于切削力时，磁性磨料处于正常切削状态；当磨

4、粒所受磁场力小于切削力时，磁性磨料就会产生滑动或滚动。对磁性磨粒在加工过程中与工件表面产生的接触滑擦、挤压、刻划、切削等现象的作用机理可分析如下： 3.1 微量切削与挤压作用由磁性磨料的成分可知，磨粒硬度高于工件材料硬度。研磨加工时，工件与磁极作相对运动(即工件旋转)，工件或磁极产生振动，磨粒刃尖在研磨压力作用下对工件表面产生微切削作用，同时磨粒中的铁基体还对工件表面起到一定的挤压作用。切削作用的强弱与磁性磨粒的形状、位置、工作角度、磁场特性等工艺参数有关，通过合理选取工艺参数即可控制磨粒的切削作用，达到微量切除金属的目的。 3.2 多次塑变磨损由磁性磨粒群形成的弹性磨具受磁场作用而吸附在被加

5、工工件表面，磨粒与工件表面始终处于接触状态，磨粒除对工件表面产生切削作用外，有时还会对其产生其它磨削作用，如一带而过的滑擦摩擦，在工件表面仅留下一条痕迹；当磨粒形状较为圆钝时，工件表面或发生塑性变形，擦出一条两边隆起的沟纹，或犁出一条两边翻出飞边的沟槽。磨粒的多次塑变磨损机理为：一方面在磁性磨粒的连续加工过程中，已出现塑性变形或飞边堆积的表面金属层将发生反复塑变，产生加工表面硬化作用，最后剥落成为磨屑，这是“擦伤式”犁刨现象与“碾压式”滚擦现象共同作用的结果；另一方面由于磁力研磨时磨粒一般集中在磁力线较密集的表面凸起的微小轮廓峰附近，因此表面不平的微凸体处的塑变磨损相对较大，从而使该微凸体的不

6、平度下降加快。 4 磁性磨粒的性能要求由磁性磨粒的磨削机理可知，理想的磁性磨料各组成相的维氏硬度与被加工工件材料硬度应具有如下关系：磨粒相的维氏硬度应大于工件材料的维氏硬度，以保证磨粒相具有较长工作寿命且相对材料去除率较高；铁磁相的维氏硬度约为工件材料维氏硬度的0.81倍，以使磁性磨粒外表面的磨粒相钝化脱落后，磨粒具有良好的自锐性能。因加工材料的硬度不同，同一种磁性磨粒在加工中可能会出现不同的研磨性能。 磁性磨粒的磁导率是影响研磨效率的重要参数，它直接影响磁性磨粒在磁场中的受力。复合磁性磨粒的磁导率µ为 µ=(µFeµP)/(µPVFe+

7、81;FeVP)式中：µFe，µP铁磁相、磨粒相的磁导率 VFe，VP铁磁相、磨粒相的体积百分比 由于µFe>l>µP，因此磨粒相的体积百分比对磁性磨料的磁导率影响较大。磁性磨粒的化学成分、配比及结构是决定磨粒研磨性能的关键因素。为此，必须保证磁性磨粒具有以下性能： 铁磁相与磨粒相牢固结合； 适当的粒径尺寸和微观结构，可满足不同的加工要求； 适用的复合制备工艺。图2为几种磁性磨粒微观结构示意图(图中黑色部分为磨粒相)。 5 磁性磨粒的制备工艺从材料学的角度看，磁性磨料是一种铁基颗粒增强型复合材料。磁性磨粒的研磨性能与复合材料的耐磨性

8、能密切相关。磁性磨粒的常用制备工艺方法主要有以下几种： 5.1 外加颗粒复合法用外加颗粒复合法制备磁性磨粒时，磨粒相颗粒是外加的。该方法的特点是配比易于控制，且磨粒相可获得较高的体积百分比。该方法又可分为烧结法、复合镀层法、粉末冶金法、铸造法等。烧结法是采用铁粉加普通磨料(Al2O3、SiC) ，通过加热、熔化、混合、重凝等物理化学过程制备成一定尺寸的磁性磨粒。由于激光具有能量高度集中的特点，因此可用于烧结磁性磨粒。烧结法简单易行，制成的磁性磨粒尺寸合适，结合力可满足磁力研磨要求。缺点是制成的磁性磨粒易氧化、组织疏松、密度低，磨粒相颗粒易剥落。 复合镀层法是利用复合电镀或复合化学镀的方法，将某

9、种磨粒相颗粒均匀地夹杂到金属镀层中，形成复合镀层。经过30多年的发展，复合镀层法已在磨具磨料行业得到大量应用。用该方法制备磁性磨粒时应注意以下两点：原料铁磁性颗粒表面的去污活化；通过磁搅拌使磨粒相颗粒在铁磁相颗粒表面均匀沉积。复合镀层厚度通常为几十至上百微米，磨粒相颗粒的粒径通常为几微米。复合镀层法可较好解决磨粒相与铁磁相的硬度比关系，缺点是磨料使用寿命与镀层厚度有关，不易大批量生产，且存在镀液处理问题。 粉末冶金法是将铁磁性粉末与磨粒相颗粒混合均匀后装入模具，经冷压成型、烧结后再破碎，由于无需熔化，因此适用于磨粒相颗粒易发生比重偏析的磁性磨粒制备。该方法易于控制磨料相的体积百分比，缺点是制造

10、成本较高。 铸造法是将磨粒相颗粒直接加入液态铁磁材料中，并使颗粒在基体中均匀分布，然后吹制造粒。用该方法制备磁性磨粒的关键是使磨粒相颗粒在液态金属中均匀分散，并最终弥散分布于吹制而成的固态磁性磨粒中。为此必须满足两个基本条件：磨粒相颗粒与液态铁磁材料具有较好润湿性；磨粒相与铁磁相的密度差尽可能小。目前已研制出多项改善颗粒分布均匀性的工艺措施。由于铸造法成本较低，因此可用于大批量生产。 外加颗粒复合法的主要缺点是外加颗粒不可避免地带有表面污染和附着物，与基体的相容性较差，界面结合不良。 5.2 原位反应复合法原位反应复合法的基本原理为在一定条件下，通过元素与元素或元素与化合物之间的化学反应，在基

11、体内原位合成一种或几种高硬度的陶瓷增强相。原位反应复合法主要包括气液反应法、液液反应法和自蔓延燃烧合成法。 气液反应法(Vapor-Liquid-Solid ，VLS) 主要包括两个反应过程：在合金液的高温作用下，向合金液中充入气体发生的分解反应，如CH4C+2H2、2NH32N+3H2等。合金液中的某种元素与气体分解得到的元素发生化学反应并在熔体中产生固体颗粒，如Ti+CTiC、Ti+NTiN等。为保证上述反应过程顺利进行，要求合金熔体温度较高、气液两相接触面积较大，并应采取适当措施抑制其它有害化合物产生。 液液反应法是在一定温度下，将含有不同反应元素的两种合金液同时注入一个具有高速搅拌装置的保温反应池中。混合时，两种合金液中的反应组分充分接触，并发生反应生成稳定的磨粒相颗粒，然后对混合金属液吹制造粒。保温温度及保温时间是影响磨粒相颗粒数量及粒度的重要因素。磨粒相的体积百分比一般为10%20%。 自蔓延燃烧合成法是利用高效放热反应的能量使两种或两种以上物质压坯的化学反应自动、持续地蔓延下去，生成金属陶瓷或金属化合物。工艺步骤是将磨粒相颗粒形成元素的粉末与铁基粉末按一定比例均匀混合，压实除气后，将压坯置于有气氛保护的装置中，通过强热点火或加热至燃点，使其进行自蔓延燃烧过程，然后升温至