脈沖磁處理金剛石結塊的實驗及磁場數(shù)值模擬

付宇明　劉　明　郭建龍　鄭麗娟

燕山大學,秦皇島,066004

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脈沖磁處理金剛石結塊的實驗及磁場數(shù)值模擬

付宇明劉明郭建龍鄭麗娟

燕山大學,秦皇島,066004

采用熱壓燒結方法制備金剛石結塊，對金剛石結塊進行脈沖磁處理。分別對經(jīng)脈沖磁處理和未經(jīng)磁處理的金剛石結塊進行沖擊韌性實驗,檢測經(jīng)脈沖磁處理和未經(jīng)磁處理的金剛石結塊的沖擊功，觀察金剛石結塊在沖擊實驗后的斷口顯微組織。對脈沖磁處理的磁場進行瞬態(tài)磁場數(shù)值模擬。實驗結果表明,經(jīng)脈沖磁處理后的金剛石結塊沖擊韌性平均提高35.4%，斷口晶粒間隙明顯減小。數(shù)值模擬結果說明,金剛石結塊側邊緣磁場強度較大，磁場應力集中，周期變化的磁場應力會引發(fā)磁致振蕩效應。實驗和數(shù)值模擬結果表明,脈沖磁處理可以改善金剛石結塊性能。

金剛石結塊；磁處理；沖擊韌性；顯微組織；數(shù)值模擬

0　引言

目前所發(fā)現(xiàn)的自然界中硬度最高的物質(zhì)是天然金剛石,金剛石工具被廣泛應用于高硬度難加工材料的磨削、切割加工，例如花崗石、寶石、硬質(zhì)合金、陶瓷材料以及半導體晶體、磁性材料等的加工制造[1-2]。金剛石具有高硬度、超耐磨和良好導熱性等優(yōu)異性能，特別適用于各種硬脆材料的精密加工,在切削加工制造中已經(jīng)被廣泛應用，成為現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)過程中重要的工具,它的特殊性能決定了其在各種工程材料加工領域?qū)袕V闊的發(fā)展前景[3-4]。缺口沖擊韌性是金屬材料應用的一個重要動態(tài)性能指標,它直接影響材料的使用性能和結構的安全可靠性[5]。使用金剛石工具加工零件時,不可避免地會使刀頭受到強烈沖擊,從而使金剛石工具的使用壽命和性能降低,因此,提高內(nèi)含金剛石顆粒胎體的沖擊韌性顯得十分重要。

當前有許多通過磁處理改善金屬材料性能的研究[6-7],根據(jù)金屬物理學理論,金屬材料中的自由電子本身固有磁矩在外磁場的作用下具有取向趨于一致的特性，鐵磁體在磁場的作用下，內(nèi)部晶粒將產(chǎn)生磁致伸縮效應而發(fā)生微觀振動,使相鄰晶格受到微觀沖擊，發(fā)生晶格移動和體積微變,從而使微觀組織產(chǎn)生變化,進而改變材料的性能[8]。

本文實驗采用外加脈沖磁場的方法處理金剛石結塊并進行沖擊韌性測試實驗，觀察斷口顯微組織，進行瞬態(tài)磁場數(shù)值模擬。實驗結果和數(shù)值分析結果表明，采用脈沖磁處理可以使金剛石結塊顯微組織致密化，抗沖擊韌性有效提高，結塊邊緣上的磁場強度較大，磁場力較為集中，從而使其內(nèi)部組織產(chǎn)生變化，力學性能得到提高，說明脈沖磁處理對推動金剛石工具的發(fā)展具有一定的應用價值。

1　金剛石結塊沖擊韌性實驗

1.1金剛石結塊的熱壓燒結制備

金剛石結塊的基材由28%Cu、20%Fe、26%Wc、18%Ni、6%Sb及1%Cr組成。配置好基材合金粉末后再加入20%的40～50目SMD25型人造金剛石顆粒攪拌,將原材料放入SYH-5小型三維混料機中混料3 h以便充分混勻。使用小型油壓機將放入石墨模具中的原材料粉末預壓成形,為了減小實驗誤差,使用熱壓燒結機經(jīng)870 ℃、20 MPa、14 min的熱壓燒結工藝一次燒結出8塊金剛石結塊以備進行脈沖磁處理實驗(圖1)。每塊金剛石結塊的外形尺寸(長×寬×厚)為50 mm×15 mm×5 mm。

圖1　熱壓燒結制備金剛石結塊

1.2脈沖磁處理金剛石結塊

取出燒結成功的8塊金剛石結塊并隨機分為1、2、3、4組,每組2片金剛石結塊并編號為A、B、C、D、E、F、G、H以便于后期對比實驗區(qū)分。在常溫下利用磁處理設備對B、D、F、H號金剛石結塊進行交變脈沖磁處理，A、C、E、G號結塊不做處理。實驗采用DZ-7H充磁機的充磁、退磁功能進行交變脈沖磁場處理。

圖2　脈沖磁處理金剛石結塊

為避免夾具受到磁場干擾,采用自制泡沫夾具裝夾實驗試樣。將分好組的金剛石結塊裝夾好,置于磁處理設備的兩機頭之間,使磁感應線恰好能垂直穿過金剛石結塊。由于變化的電流可以產(chǎn)生變化的磁場，通過改變實驗設備電流的大小和方向，可以產(chǎn)生對應的交變脈沖磁場，進行交變脈沖磁處理實驗。左右兩個方向通正弦變化的交變脈沖磁場，磁場強度幅值為1 T,處理周期數(shù)為20,每周期時間為0.01 s。磁處理實驗如圖2所示。

1.3沖擊韌性實驗

首先按照GB/T229-1994《金屬夏比缺口沖擊試驗方法》將分成4組的8塊金剛石結塊制備成Charpy V形缺口實驗試樣。金剛石結塊試樣結構如圖3所示,實驗時沖斷部位為圖3中V形缺口處。使用ADN-3擺錘式?jīng)_擊試驗機作為實驗設備,在常溫下進行常規(guī)沖擊韌性實驗,該實驗設備的最大沖擊吸收功為20 J。

圖3　開V形缺口的金剛石結塊沖擊實驗試樣

實驗使用的金剛石結塊橫截面積大小相同，故可以對試件采用對比實驗方法測試實驗試件的沖擊韌性，實驗中用沖擊功Ak的數(shù)值間接表示試件沖擊韌性的大小,如圖4所示。

圖4　磁處理前后各組試件沖擊功Ak數(shù)值對比

分析金剛石結塊沖擊韌性實驗數(shù)據(jù),由圖3可以看出,對同一組金剛石結塊來說，在相同的實驗條件下，經(jīng)過脈沖磁處理后試件的沖擊功明顯大于未磁處理后試件的沖擊功。對比計算實驗所得數(shù)據(jù)，可以看出4組實驗用金剛石結塊沖擊韌性分別提高了32.0%、34.8%、39.5%、35.2%,本次實驗中試件的平均沖擊韌性提高了約35.4%,說明脈沖磁處理法對提高金剛石結塊胎體組織的沖擊韌性有一定的效果。

1.4沖擊實驗后斷口處顯微組織

使用電子顯微鏡觀察完成沖擊韌性實驗的金剛石結塊斷口,圖5所示為未磁處理的金剛石結塊斷口顯微組織,圖6所示為脈沖磁處理后的斷口顯微組織形貌。

圖5　未磁處理的金剛石結塊斷口顯微組織

圖6　脈沖磁處理后的金剛石結塊斷口顯微組織

由于熱壓燒結溫度相對較低,燒結保溫時間較短,胎體中的物質(zhì)遷移量小,遷移距離短[9],故燒結成的金剛石結塊內(nèi)部孔隙比較大。對比圖5、圖6中斷口處顯微組織可以發(fā)現(xiàn),未經(jīng)脈沖磁處理的鋸片刀頭斷口胎體組織間的孔隙比較大,而經(jīng)過脈沖磁處理后晶粒間孔隙變小,胎體的致密性和均勻性均有提高,說明脈沖磁場對減小晶粒間隙有明顯的促進作用[10]。經(jīng)過脈沖磁處理后,晶粒的致密度產(chǎn)生了變化,晶粒的排列更加緊密。胎體內(nèi)部物質(zhì)在交變脈沖磁場產(chǎn)生的應力作用下發(fā)生遷移。

以上實驗結果表明，磁處理前后的金剛石結塊力學性能和微觀組織會產(chǎn)生一些變化，由于金剛石結塊均采用相同燒結工藝一次成形，沖擊實驗條件相同，分析金剛石結塊的斷口區(qū)別的原因可能是脈沖磁場產(chǎn)生的影響，為了進一步探索產(chǎn)生變化的原因，嘗試采用有限元方法對脈沖磁場的磁場強度和磁場應力進行分析。

2　瞬態(tài)磁場分析

2.1磁場基本理論

ANSYS電磁場有限元分析是基于Maxwell方程組,運用數(shù)值模擬方法分析和計算磁場的研究。金剛石結塊包含相當大比例的鐵磁性材料，處于脈沖磁場下可以當作各向同性的磁性介質(zhì)。其中，電場E=E0cosωt,依照余弦變化。再從麥克斯韋電磁場理論出發(fā),該電場能夠激發(fā)依照正弦規(guī)律變化的磁場[11]，其中,B為磁感應強度矢量。則有

(1)

(2)

·B=0

(3)

·D=ρ

(4)

(5)

2.2瞬態(tài)磁場數(shù)值模擬

由于處理磁場為脈沖磁場，數(shù)值模擬主要針對磁場強度達到幅值時金剛石結塊上的磁場和應力分布狀態(tài)，采用棱邊單元法進行金剛石結塊的三維瞬態(tài)磁場分析。使用Pro/E建立交變磁場作用下的熱壓燒結金剛石結塊數(shù)值模擬的模型，輸入金剛石結塊相應的特性參數(shù),選用Solid117單元進行分析。金剛石結塊胎體平均磁導率約為μ=4π×10-3N/A2，密度為6.7 kg/m2,脈沖磁場幅值磁感應強度|B|=1 T,計算得|H|=|B|/μ=8×105A/m，外加電流為角頻率ω=314 rad/s、周期為0.02 s的正弦交變電流。

從圖7、圖8可看出,當正弦電流達到幅值時,金剛石結塊邊緣處的磁場強度較大，結塊邊緣的磁場力分布較集中。由于外加正弦電流，故所產(chǎn)生磁場余弦變化,由此產(chǎn)生的磁場應力會以周期交替變化，從而產(chǎn)生磁致振蕩效應。根據(jù)磁致振蕩效應產(chǎn)生的原理,原因可能是由于強脈沖磁場產(chǎn)生的磁場應力引起金剛石結塊組織產(chǎn)生一定的變化，使結塊內(nèi)部晶粒產(chǎn)生機械振蕩，促進物質(zhì)的遷移，進而使金剛石結塊的晶粒間隙減小，晶粒的致密度提高。后期將會繼續(xù)深入研究采用有限元方法分析磁場對金剛石結塊性能的影響。

圖7　磁感應強度矢量圖

圖8　磁場力分布圖

3　結論

(1)沖擊韌性實驗結果說明，脈沖磁處理可以在一定程度上提高金剛石結塊的沖擊韌性,平均提高35.4%,觀察金剛石結塊斷口顯微組織可以看到晶粒間孔隙明顯減小,晶粒排列緊密。

(2)瞬態(tài)磁場數(shù)值模擬結果表明，當脈沖磁場達到幅值時金剛石結塊側邊的磁場強度較為集中，周期交替變化的磁場力會產(chǎn)生磁致振蕩效應。

(3)脈沖磁處理提高了金剛石結塊的沖擊韌性，說明脈沖磁處理可以作為一種改善金剛石結塊性能的方法，在后續(xù)研究中將會繼續(xù)探索磁場對金剛石結塊組織性能產(chǎn)生影響的原因。

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(編輯陳勇)

Experiments of Pulsed Magnetic Treatment for Diamond Segments and Numerical Simulation of Magnetic Field

Fu YumingLiu MingGuo JianlongZheng Lijuan

Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004

Diamond segments were made by hot-pressed sintering technology and treated by alternating magnetic field.The impact energy of diamond segments were investigated by impact toughness test,which were treated with pulsed magnetic treatment and not treated.And the numerical simulation was made for the transient magnetic field.The microstructures of diamond segments both before and after the magnetic experiment were observed.The experimental results indicate that the impact toughness of diamond segments is improved on average about 35.4% and the crystalline grain gap become more uniformity after magnetized.The numerical analysis results reveal that the intensity of magnetic field and the magnetic force in the edge of diamond segment is concentrated,the magnetic vibration due to alternating magnetic force is in favor of magnetic shock effect.It provides intuitionistic evidences for that the alternating magnetic treatment can be used as one kind of effective technique to improve the material performance of diamond segments.

diamond segment;magnetic treatment;impact toughness;microstructure;numerical simulation

2014-09-28

國家自然科學基金資助項目(51105325);河北省高等學?？茖W技術研究重點項目(ZH2012022);河北省自然科學基金資助項目(E2014203223)

TF122.1DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.14.024

付宇明，男,1971年生。燕山大學機械工程學院教授、博士研究生導師。主要研究方向為交變磁處理基礎及應用。發(fā)表論文100余篇。劉明,男,1989年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。郭建龍,男,1988年生。燕山大學機械工程學院碩士研究生。鄭麗娟，女，1971年生。燕山大學機械工程學院教授、博士。