液体磁性磨具基液改性实验分析

张 宏

(太原理工大学机械工程学院,太原030024)

液体磁性磨具光整加工技术是基于磁流变性而开发的。国外磁流变抛光的研究比国内要早,如美国的Lord公司等己有较成熟一系列的水基磁流变抛光液产品出售。液体磁性磨具与磁流变抛光液就性能和成分来讲都与液体磁性磨具有很大差别,而且两种技术的加工机理也不同。磁流变抛光液仅用于光学镜片及陶瓷材料的表面抛光;液体磁性磨具主要用于机械零件的表面光整加工。

液体磁性磨具是由软磁性微粒、表面活性剂及基液等组成的悬浮液,具有很强的磁流变特性和研磨特性。这种光整介质在通常情况下为流动性很好的牛顿流体,一旦对其施加磁场,它就会迅速“变硬”,转化为具有较高剪切应力的Bingham介质;并且剪切应力越高,液体磁性磨具越“硬”,光整加工效率就越高。这些特性使液体磁性磨具加工技术具有形状适应性强、加工表面质量高、表面损伤小等优点,将会从很大程度上解决目前较小零件表面及异型表面精密光整加工难题。

磁流变液的稳定性是评价磁流变液品质的一个重要指标。为了增强稳定性,在液体磁性磨具中要加入合适的表面活性剂及助剂。目前液体磁性磨具用的表面活性剂是十二烷基磺酸钠,加工工件的过程中十二烷基磺酸钠易与铁粉脱附,以泡沫的形式析出,不利于加工的进行;加工工件后液体磁性磨具的再分散稳定性和抗沉降稳定性都将大大降低;加工完取出工件后,静置一段时间,液体磁性磨具中的固体颗粒沉淀物板结,难以再分散,致使液体磁性磨具的有效使用寿命较低。解决问题的方法有诸多种,普遍认为改性剂可通过物理吸附或化学吸附来达到磁流变液的稳定性。笔者采用化学吸附方法,即利用改性剂与固体颗粒表面羟基作用形成共价键,或改性剂通过氢键作用于固体表面,从而使改性剂与固体颗粒间形成牢固结合来改善其稳定性。通过选用各类改性剂的实验研究得知,改性剂六偏磷酸钠和聚丙烯酸(PAA)符合上述要求,能与羰基铁粒表面的羟基作用形成共价键或氢键作用。

1 实验与分析

1.1 基液改性制备工艺

混合一定体积的去离子水,一定量的改性剂,在强力搅拌器上充分搅拌使其均匀;然后取一定量的纳米二氧化硅边搅拌边加入,当里面出现白点状物质,以700 r/min的速度强力分散30 min;均匀加入一定量的抗氧化剂和羰基铁粉。在加羰基铁粉时注意速度不能太快以免结块,铁粉迅速沉降到容器底部难以搅拌。在40～50℃温度下强力分散体系8 h以上。最后,加入一定粒度一定体积的磨料,再强力分散30 min以上,制成液体磁性磨具。液体磁性磨具的组分见表1所示。

表1 液体磁性磨具成分组成

1.2 不同种类改性剂对液体磁性磨具沉降性影响

本实验分别用六偏磷酸钠、PAA、TH-3100、TH-613、TH-241等改性剂对液体磁性磨具进行改性实验。改性剂用量为3 mL,羰基铁粉的等点位点(iep)PHiep在5左右。图1是改性剂对羰基铁粉悬浮液影响的沉降曲线。

图1 改性剂对悬浮液影响的沉降曲线

图2 不同pH值下PAA在羰基铁表面的吸附构型

由图1可以看出,PAA对悬浮液的改性效果是非常好的。这是由于羰基铁粉在液体磁性模具中表面被氧化形成原电池,改性剂PAA的放入可与羰基铁粉中的铁颗粒表面羟基作用吸附于羰基表面,延长沉降时间。

吸附后的结构与p H值和改性剂的用量有关。图2是不同pH值下PAA在羰基铁表面的吸附构型。随着p H值的增加,PAA的解离度增加。当pH值在7～9时,PAA解离数比会很大,PAA对羰基铁粉颗粒的改性效果是非常明显的,从而大大降低了沉降速度。

1.3 不同用量改性剂对液体磁性磨具沉降性影响

用六偏磷酸钠和PAA在不同用量下对羰基铁悬浮液进行改性实验,以寻求六偏磷酸钠和PAA加入量对悬浮液的影响规律,从而获得最佳用量。图3分别为单独加入六偏磷酸钠用量与沉降时间的关系和加入5 g纳米二氧化硅时沉降时间与六偏磷酸钠用量的关系。

图3 沉降时间与六偏磷酸钠用量的关系

从图3中看到,不同量的六偏磷酸钠加入,悬浮液的沉降时间明显不同,当加入纳米二氧化硅后其沉降时间有了很大的变化。加5 g纳米二氧化硅后,六偏磷酸钠加入4 g时沉降时间达到最高,当继续增加改性剂后沉降时间不是增加反而开始下降,黏度也随之增大。这是因为六偏磷酸钠对悬浮液起静电排斥作用,六偏磷酸钠加入,使固体颗粒表面吸附的负离子增多,电位上升,粒子间的静电排斥作用增大,颗粒很难团聚。若六偏磷酸钠用量为1～2 g时,粒子表面电位较小,静电排斥力较小,颗粒间的排斥力不足以抵抗范德华引力,所以颗粒之间分散效果不足;六偏磷酸钠用量在3～4 g时,颗粒表面的吸附处于最佳饱和吸附状态,表面的电位较大,颗粒间的静电排斥力较大,不易团聚;当六偏磷酸钠加入量超过4 g时,颗粒间的排斥力大于范德华引力,引起颗粒的团聚,黏度加大,使颗粒发生再分散。

图4分别为单独加入PAA用量与沉降时间的关系和加入5 g纳米二氧化硅时沉降时间与PAA用量的关系。在PAA相同用量下,加入纳米二氧化硅的样品沉降时间较没加纳米二氧化硅的样品沉降时间长得多,并且随着PAA的增加,抗沉降性趋势也有所改变。这是因为在不加磁场时,液体模具中颗粒间主要受范德华力、静电作用力、空间位阻力、溶剂化力等的相互作用[6],当纳米二氧化硅加入后,纳米二氧化硅分布在微米颗粒之间,通过静电斥力维持整个体系稳定性。液体中的六偏磷酸钠吸附在纳米二氧化硅颗粒上,使纳米二氧化硅颗粒上吸附有较多的负离子;同时纳米二氧化硅颗粒存在于微米级羰基铁颗粒的间隙中,使羰基铁颗粒与颗粒之间的电位上升,颗粒间的静电排斥作用增大,颗粒不易团聚。所以非磁性纳米粒子的加入对体系的沉降稳定性有明显的增大作用,同时使体系磁流变性具有较大增效作用。液体磁性模具的零场黏度随着纳米二氧化硅加入量的增多而慢慢增大,但加入量不能太大,否则液体的流动性会大大降低,并且对液体磁性模具的磁化性能有一定影响。

图4 沉降时间与PAA用量的关系

未经过改性的液体磁性磨具在加工工件时液体有明显的起泡现象,而且加工工件后,液体磁性磨具中的固体颗粒沉降较快,并发生严重板结,再分散性能非常差,静置一定的时间后沉淀物成为不可再分散的硬块。而改性后的液体磁性磨具,从根本上消除了加工时起泡的现象,抗沉降稳定性和再分散性都明显提高,有效使用寿命加长,使原有配比一次基液加工两个工件达到可反复加工多次的效果,且最终使加工粗糙度较低。加工效果和加工效率均有明显提高,达到了预期改性的效果。

表2是采用德国MARH公司的Perthometer M2粗糙度测量仪,对45号材料改性前后工件的表面粗糙度及表面轮廓测量的实验数据。

表2 45号钢工件实验数据

在相同时间中,用改性剂PAA和六偏磷酸钠对液体磁性磨具进行改性,都能获得较好的表面性能。可以看出,用两种改性剂改性的液体磁性磨具对加工钢件均有显著的效果。

图5是改性前后液体磁性模具加工工件表面粗糙度的实验曲线。从图上可以看到未改性前加工性能有两个问题,其一是加工时间5～10 min表面精度有所提高,但不是很明显;其二是加工时间超过10 min后表面精度反而降低。改性后对未改性的两个问题得到了很好的修正。其主要原因是加入改性剂后有效地提高了液体磁性磨具的沉降稳定性。

图5 改性前后的对比

2 结论

通过以上分别对影响液体磁性磨具中羰基铁颗粒分散和沉降性能的主要因素进行的实验研究及改性机理分析,得出以下结论：

1)液体磁性磨具中加入固体颗粒的表面改性,PAA和六偏磷酸钠的改性效果较好。PAA在弱碱性环境下解离程度较大,以化学吸附的形式牢固的吸附于羰基铁颗粒表面;六偏磷酸钠在较宽的酸碱环境下,以特征吸附的形式吸附于羰基铁颗粒表面。在合适的用量下,沉降物均有较好的再分散性能。

2)纳米二氧化硅能够有效地提高液体磁性磨具的沉降稳定性,同时也有助于改善液体磁性磨具的再分散性能。但加入量有一界定值,否则液体的流动性会降低,并对液体磁性模具的磁化性能有一定影响。

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