cBN-Fe 磁性磨粒的制备工艺及性能

马雨寒 张宝瑞 周长乐 陈保池 王大庆 田鑫 丁云龙

摘要 针对现有烧结法制备的磁性磨粒中研磨相材料硬度较低，对硬度高、导磁性差的钛合金等工件的研磨效果差，且硬度最高的金刚石材料无法作为研磨相用烧结法来制备磁性磨粒的问题，以Fe 粉为基体，cBN粉末为研磨相，烧结制备cBN-Fe 磁性磨粒；以Ti-6A1-4V（TC4）板为研磨对象，用控制变量法探究烧结法制备的cBN-Fe 磁性磨粒中烧结时间、升温速度、原料配比对其研磨性能的影响，确定其最佳的制备工艺参数；并以45#钢和202 不锈钢为研磨工件，比较cBN-Fe 与烧结法制备的Al2O3-Fe、SiC-Fe 3 种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寿命。结果表明：当Fe 粉与cBN 粉的质量比为3∶1，烧结温度为1 150 ℃，烧结时间为6 h，保温时间为2 h，升温速度为3.19 ℃/min 时，制备的cBN-Fe 磁性磨粒研磨性能最佳，优于烧结法制备的Al2O3-Fe、SiC-Fe 磁性磨粒的，且其使用寿命分别是Al2O3-Fe 磁性磨粒和SiC-Fe 磁性磨粒的1.6 倍和1.3 倍。

关键词 烧结法；磁性磨粒；升温速度；原料配比

中图分类号 TG73; TG58; TQ164 文献标志码 A文章编号 1006-852X（2023）04-0422-10

DOI 码 10.13394/j.cnki.jgszz.2022.0130

收稿日期 2022-08-15 修回日期 2022-11-30

随着先进制造技术的发展，航空航天、医用、精密器械等领域对机械构件的质量要求不断提高，也促使其光整加工技术快速发展，磁粒研磨光整加工技术即是其中的一种。磁粒研磨光整加工技术是利用磁性磨粒在磁场作用下，在工件表面仿形形成柔性磁粒刷，对工件表面进行研磨，达到光整加工的目的[1]。磁粒研磨因具有自锐性好、适应性好、研磨温升低、残余应力小等特点，且不受加工工件形状的影响，可对平面、曲面、内外圆、复杂小零件的表面进行光整加工[2-3]。目前，成熟的磁性磨粒制备工艺有黏接法[4]、烧结法[5]、雾化快凝法[6]、等离子喷涂法[7]、化学复合镀法[8] 等，其中的烧结法具有制作工艺简单、结合强度高、成本低等优势。

现有的磁性磨粒基本上以SiC、Al2O3 和金刚石等为研磨相。以SiC、Al2O3 为研磨相的磁性磨粒，因研磨相的硬度较低，在研磨加工硬度较高的金属材料时效率低，甚至无法研磨。金刚石硬度最高、尖锐锋利，适合用来加工非金属材料、有色金属及其合金等，因而被广泛用于加工硬质合金、陶瓷、光学玻璃、宝石、半导体、石材等硬而脆的材料。

潘韩飞[9] 用化学复合镀制备铁基金刚石磁性磨粒，探究了铁粉装载量、金刚石磨料浓度、搅拌速度等对金刚石磁性磨粒表面形貌的影响，用其加工石英，石英表面粗糙度虽有下降，但研磨后石英的表面质量较差。牛凤丽等[10] 采用烧结法制备铁基白刚玉磁性磨粒，并用其对3Cr2Mo 模具钢材料进行磁力研磨，以此确定了磨粒的最佳制备工艺参数。康璐等[11] 采用烧结法制备SiC-Fe 磁性磨粒，通过对磁性研磨粒子进行能谱分析，结合钛合金板磁力研磨试验评价研磨粒子的研磨能力，确定了合理的磁性研磨粒子工艺制备参数。贺美云等[12-13] 在试验中得出， 加工45#钢时烧结法制备的Al2O3-Fe 磁性磨粒的磨削性能优于SiC-Fe 磁性磨粒的。

理论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质量越好。硬度最高的材料是金刚石，其次是立方氮化硼（cBN）。但金刚石的热稳定性差，当温度超过900 ℃ 时就会碳化；另一方面，高温下金刚石易与铁发生反应，不能用来加工钢铁类材料[14]。

cBN 是一种人工合成的超硬材料，其原子結构近似于金刚石的，硬度仅次于金刚石，且密度极高[15]，被广泛用于刀具行业和超硬工具中[16]，加工比较难磨的金属材料尤其是工具钢、模具钢、不锈钢、耐热合金钢等。

同时，cBN 的耐热温度达1 400 ℃，化学惰性较好，高温下不易与铁反应；且cBN 具有弱的铁磁性，是烧结法制备磁性磨粒理想的研磨相材料。

因此，以Fe 粉为基体，cBN 粉末为研磨相，烧结制备cBN-Fe 磁性磨粒，解决现有研磨相硬度低，对硬脆工件加工效果差，且金刚石无法作为研磨相来烧结制备磁性磨粒的问题。通过对不导磁的硬脆材料Ti-6A1-4V（TC4）板的研磨效果，确定烧结法制备磁性磨粒的最佳工艺参数。并以45#钢和202 不锈钢为研磨工件，使其与烧结法制备的SiC-Fe、Al2O3-Fe 磁性磨粒的研磨质量对比，通过比较工件研磨前后的表面粗糙度、表面形貌，探究3 种磁性磨粒的研磨性能和使用寿命。