燒結(jié)溫度對(duì)CBN磁性磨條性能影響研究*

燕昭錕，姚新改,b

(太原理工大學(xué) a.機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院；b.精密加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024)

0 引言

磁性珩磨技術(shù)[1]是一項(xiàng)利用外部磁場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子磨具在工件內(nèi)腔做旋轉(zhuǎn)及往復(fù)運(yùn)動(dòng)，對(duì)工件內(nèi)表面進(jìn)行加工的光整技術(shù)。研究表明，針對(duì)中徑和大徑(內(nèi)徑≥30 mm)的工件，磁性珩磨技術(shù)能夠清潔、高效得去除工件的內(nèi)表面氧化皮，并顯著降低其內(nèi)表面粗糙度值[2]。并且磁性珩磨技術(shù)發(fā)熱量小，可持續(xù)加工能力強(qiáng)，是目前研究較為熱門的特種光整加工技術(shù)。

目前，對(duì)于中徑和大徑(內(nèi)徑≥30 mm)工件，已經(jīng)研發(fā)出相應(yīng)的轉(zhuǎn)子磨具及磨條[3]。由于小徑(內(nèi)徑<30 mm)工件空間狹小有限，現(xiàn)有的轉(zhuǎn)子磨具結(jié)構(gòu)并不適用于珩磨小徑工件。但隨著越來(lái)越多的企業(yè)對(duì)小徑工件的內(nèi)表面質(zhì)量要求越來(lái)越高，亟待設(shè)計(jì)出針對(duì)小徑工件的磨具，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)小徑工件的加工。

目前，已經(jīng)研發(fā)出轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)[4]，因此核心技術(shù)在于制備出一種既導(dǎo)磁又具有磨削性能的磨條，與設(shè)計(jì)好的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)相配合，最終完成對(duì)小徑工件的磁性珩磨加工。本文使用熱壓燒結(jié)法制備磁性磨條，由于燒結(jié)溫度對(duì)燒結(jié)制品性能有顯著影響，因此重點(diǎn)研究了燒結(jié)溫度對(duì)磁性磨條性能的影響，確定最佳燒結(jié)溫度，并進(jìn)行磁性珩磨試驗(yàn)分析。

1 材料及方法

1.1 磨條結(jié)構(gòu)

受梯度復(fù)合材料的啟發(fā)[5-6]，通過(guò)熱壓燒結(jié)法制備出厚度1 mm，三層等厚，長(zhǎng)和寬分別為22 mm和5 mm的磁性磨條。該磨條一共分為3層，第1層全部由純鐵粉燒結(jié)而成，用于與轉(zhuǎn)子的永磁體配合；第3層由20%的CBN和80%的鐵基結(jié)合劑構(gòu)成，用于磨削工件內(nèi)表面；為了預(yù)防在燒結(jié)過(guò)程中不會(huì)因兩相材料膨脹系數(shù)差異過(guò)大而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)不均勻，我們?cè)趦蓪又g加入了過(guò)渡層，該層由10%的CBN、45%的鐵基結(jié)合劑和45%鐵粉構(gòu)成。磨條最終結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 磨條結(jié)構(gòu)

1.2 選料

磁性磨條所用的原料粉末分別為高純CBN粉末(>99.5%、5 μm)；高純鐵粉(>99.5%、5 μm)；以及金屬結(jié)合劑。為了保證金屬結(jié)合劑的燒結(jié)溫度盡量與鐵粉燒結(jié)溫度接近，因此采用鐵基結(jié)合劑，通過(guò)《超硬材料燒結(jié)磨具制造》了解到，F(xiàn)e-Cu合金粉末作為結(jié)合劑可以較好的和超硬材料進(jìn)行黏結(jié)，提高磨具的耐用度。研究表明，Ni可以無(wú)限固溶到Fe和Cu中，從而提高磨具的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和抗蝕性[7]；Sn因其熔點(diǎn)低，在燒結(jié)過(guò)程中往往作為液相促進(jìn)燒結(jié)的進(jìn)行，并在毛細(xì)管力的作用下，將使固體顆粒趨向于更致密的排列，磨具中含有較多的錫，在提高強(qiáng)度和硬度的同時(shí)保留了較高的脆性(低的韌性)，可以有效提升磨粒的自銳性。故實(shí)驗(yàn)選用Fe-Cu-Sn-Ni(>99.5%、1 μm)鐵基預(yù)合金粉末作為結(jié)合劑，粉末的化學(xué)成分如表1所示。

表1 鐵基結(jié)合劑化學(xué)成分 (wt%)

1.3 磁性磨條的制備

使用放電等離子燒結(jié)(SPS)工藝制備磁性磨條，該工藝是將計(jì)算好的粉體材料充分混合后裝入模具中，在適當(dāng)?shù)臏囟取毫ο逻M(jìn)行燒結(jié)，最終獲得致密的燒結(jié)胎體。SPS燒結(jié)原理如圖2所示。燒結(jié)前，稱取一定質(zhì)量的粉末，采用高速球磨機(jī)進(jìn)行混粉，轉(zhuǎn)速為1500 r/min，球料比為10:1，混粉180 min后裝入石墨模具模腔中；燒結(jié)時(shí)，石墨模具置于燒結(jié)機(jī)的上下石墨電極之間，火花放電產(chǎn)生熱相通過(guò)粉末與模具的電流來(lái)加熱粉末，由于高頻電流通過(guò)粉末形成的機(jī)械脈沖波的作用，致密化過(guò)程在極短的時(shí)間內(nèi)即可完成[8]。

圖2 SPS燒結(jié)原理圖

放電等離子燒結(jié)(SPS)工藝優(yōu)勢(shì)在于燒結(jié)時(shí)間短、燒結(jié)壓力小[9-10]。故溫度是影響燒結(jié)胎體組織和性能的重要因素，尤其對(duì)于梯度材料而言，燒結(jié)溫度必須選取在3層材料的溫度范圍內(nèi)，否則會(huì)導(dǎo)致某一層的過(guò)燒、欠燒或其他缺陷[6,11-12]。因此控制燒結(jié)溫度對(duì)性能有著至關(guān)重要的作用。研究表明，鐵基材料熱壓燒結(jié)溫度一般在700～900 ℃[13]。因此本實(shí)驗(yàn)所用到最高燒結(jié)溫度分別為700 ℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃、900 ℃，最大燒結(jié)壓力為30 MPa。

放電等離子燒結(jié)分為兩個(gè)階段。首先，以100 ℃/min的升溫速度升至500 ℃，并在500 ℃、壓強(qiáng)20 MPa條件下保溫保壓60 s。隨后開始升溫，在5 min內(nèi)升溫至最高燒結(jié)溫度的同時(shí)壓強(qiáng)升至30 MPa。隨后保溫保壓6 min，保溫保壓后隨爐冷卻至室溫。燒結(jié)體的熱壓燒結(jié)工藝曲線如圖3所示。

圖3 熱壓燒結(jié)工藝曲線

熱壓燒結(jié)結(jié)束后，我們得到的是一個(gè)如圖4所示直徑為30 mm的毛坯，所以在燒結(jié)結(jié)束后需要將其用線切割工藝切出理想尺寸的磨條，并對(duì)磨條進(jìn)行加工和修整工藝后，得到最終產(chǎn)品。

圖4 毛坯及產(chǎn)品

1.4 性能表征

采用光學(xué)顯微鏡對(duì)樣品的表面和界面處進(jìn)行組織形貌觀察；采用阿基米德排水法計(jì)算產(chǎn)品的密度和孔隙率；采用拉伸測(cè)試儀測(cè)量抗拉強(qiáng)度，并擬合彈性模量；通過(guò)對(duì)比分析找出最佳燒結(jié)溫度。采用Ansoft軟件預(yù)測(cè)磨條的導(dǎo)磁性能和在磁場(chǎng)中受到的磁場(chǎng)力。最后采用最佳燒結(jié)溫度下生產(chǎn)的磁性磨條對(duì)不銹鋼管進(jìn)行珩磨試驗(yàn)。

2 燒結(jié)溫度對(duì)磁性磨條組織和性能的影響

2.1 微觀結(jié)構(gòu)

磁性磨條最基本的特征之一是成分的梯度。熱壓燒結(jié)制備的磁性磨條要具有優(yōu)異的力學(xué)性能，必須對(duì)其微觀組織有兩個(gè)要求[14]。首先，磁性磨條的組成在宏觀梯度中發(fā)生變化，而各層的成分分布均勻；其次，采用不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)強(qiáng)化的相鄰層之間的界面必須保持良好的完整性。使用光學(xué)顯微鏡觀察磁性磨條的厚度橫斷面，圖5中2～6幅小圖分別為700～900 ℃的1～2層橫斷面500倍圖像。

圖5 不同燒結(jié)體系1～2層表面形貌

通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，在目前選取的所有燒結(jié)體系，都能滿足上述兩個(gè)要求，這得益于工藝的優(yōu)勢(shì)。磁性磨條中CBN顆粒的成分均勻，無(wú)明顯的團(tuán)簇現(xiàn)象；第1個(gè)小圖中虛線是相鄰層之間的界面，界面幾乎是直的，沒(méi)有顯著的缺陷如裂紋、脫落等，這證實(shí)了磁性磨條粉末燒結(jié)過(guò)程中結(jié)合效果良好。

唯一不同的是厚度，當(dāng)燒結(jié)溫度在700～800 ℃之間，磨條的層厚在1.1～1.2 mm之間，溫度在800～900 ℃之間，層厚在1～1.1 mm之間，也就是說(shuō)，當(dāng)溫度較低時(shí)，盡管界面已經(jīng)形成，但是燒結(jié)并未完全完成。如圖6所示，圖6a～圖6e分別為700～900 ℃第3層的顯微圖像，小圈表示孔洞，大的橢圓圈表示島帶區(qū)域。隨著燒結(jié)溫度的升高，孔隙和島帶的數(shù)量及尺寸都會(huì)減少，使磨條往更加致密的方向發(fā)展[10]。

(a) 700 ℃ (b) 750 ℃ (c) 800 ℃

雖然所有的顯微組織特征都表明了燒結(jié)過(guò)程中提升燒結(jié)溫度的突出作用，但為了進(jìn)一步確定最佳燒結(jié)溫度，分別通過(guò)密度測(cè)量和拉伸實(shí)驗(yàn)來(lái)檢驗(yàn)。

2.2 密度及孔隙度

密度和孔隙度是粉末冶金材料的基本特征，密度和孔隙度的測(cè)定是控制粉末冶金材料質(zhì)量的主要方法之一，孔隙度顯著地影響粉末冶金材料的力學(xué)、物理化學(xué)和工藝性能。樣品的密度通過(guò)阿基米德排水法計(jì)算[14]。對(duì)磁性磨條的理論密度進(jìn)行了估計(jì)即可算出試樣的孔隙率，理論密度計(jì)算公式如下[13]：

(1)

式中，ρ0為磁性磨條的理論密度，g/cm3；ρ0n為磁性磨條每層的理論密度，g/cm3；%m為質(zhì)量百分比，g；ρFe為Fe密度，7.87 g/cm3；ρCBN為CBN密度，3.54 g/cm3；ρFeCuSnNi為Fe基結(jié)合劑密度，8.06 g/cm3。

孔隙率計(jì)算公式如下[13]：

(2)

式中，θ為孔隙率；ρ為磁性磨條實(shí)際密度，g/cm3。

經(jīng)計(jì)算得知，ρ0=7.08 g/cm3。如圖7所示，藍(lán)線表示通過(guò)阿基米德排水法測(cè)算出磨條的密度，紅線表示該溫度下生產(chǎn)出磨條孔隙率的大小。

圖7 密度和孔隙率

經(jīng)過(guò)分析得知，在700～850 ℃溫度范圍內(nèi)，隨著溫度的上升，磨條的密度逐漸增加，在800～900 ℃溫度范圍內(nèi)，磨條的密度沒(méi)有太大變化，密度值在6.59 g/cm3～6.71g/cm3之間。目前密度的極值在850 ℃取得，此時(shí)的密度值為6.71 g/cm3，孔隙率只有5.2%。這表明了當(dāng)燒結(jié)溫度較低時(shí)，提升溫度可以有效降低孔隙率。這和上一節(jié)的理論相符合，這是因?yàn)闊Y(jié)是一種基于擴(kuò)散的現(xiàn)象，溫度的升高可以提高原子的遷移率，從而填實(shí)粉末之間的空白區(qū)域，獲得更大的實(shí)驗(yàn)密度[10]。

2.3 強(qiáng)度

為了進(jìn)一步評(píng)估不同燒結(jié)體系下磁性磨條的性能優(yōu)劣，我們測(cè)定其機(jī)械性能。在圖8a所示的抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，圖8b和圖8c為拉伸試樣的二維圖，加載速度為0.3 mm/min。

圖8 拉伸試驗(yàn)原理圖

圖9展示了不同燒結(jié)溫度的抗拉曲線，通過(guò)觀察得知，在850 ℃燒結(jié)體系下的磨條力學(xué)性能最佳。在拉伸曲線中我們還發(fā)現(xiàn)一個(gè)現(xiàn)象，每種燒結(jié)體系都會(huì)出現(xiàn)雙屈服點(diǎn)的現(xiàn)象[15]，這是因?yàn)樵诶爝^(guò)程中，拉伸試樣并不是整體斷裂，而是沿層斷裂，且CBN濃度高的層先斷，斷裂順序?yàn)?層-2層-1層。

圖9 不同溫度抗拉測(cè)試結(jié)果圖10 彈性模量

將拉伸曲線彈性階段進(jìn)行線性擬合，得到彈性模量，如圖10所示。彈性模量表征著點(diǎn)陣中原子間的結(jié)合強(qiáng)度[13]，對(duì)于梯度復(fù)合材料而言，不僅每層成分需要較高的結(jié)合強(qiáng)度，層與層之間(即界面)也需要良好的結(jié)合。通過(guò)觀察擬合結(jié)果，800 ℃和850 ℃燒結(jié)體系彈性模量值較高，數(shù)值在53 GPa左右，相較于700 ℃和750 ℃燒結(jié)體系有明顯的提升，也略高于900 ℃燒結(jié)體系的彈性模量，因此通過(guò)對(duì)彈性模量的計(jì)算與分析，得出在800 ℃和850 ℃燒結(jié)體系生產(chǎn)出的磁性磨條結(jié)合強(qiáng)度高，再結(jié)合前兩節(jié)的結(jié)論，確定磁性磨條最佳燒結(jié)溫度為850 ℃。

2.4 導(dǎo)磁性能與磁場(chǎng)力

由于磁性磨條最終通過(guò)磁力與轉(zhuǎn)子的永磁體相連接，因此我們有必要對(duì)連接點(diǎn)的導(dǎo)磁性能做出一定預(yù)測(cè)[16-18]，我們使用Ansoft軟件分析永磁體和磁性磨條在連接時(shí)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度和磁場(chǎng)力。圖11為利用Proe軟件所構(gòu)建的轉(zhuǎn)子磨具模型三維圖并導(dǎo)入Ansoft軟件環(huán)境中。

圖11 轉(zhuǎn)子磨具模型

使用軟件自帶的材料管理器添加材料，添加N38H永磁材料，其矯頑力Hc=-880 000 A/m，剩磁Br=1.25 T，充磁方向?yàn)閅軸正方向。設(shè)置連接軸的材料為鋁；磁性磨條第1層材料設(shè)置為鐵；第2層和第3層根據(jù)導(dǎo)磁元素的占比設(shè)置為相對(duì)應(yīng)的磁性材料。

自檢后執(zhí)行運(yùn)算，圖12左上圖是磨條和轉(zhuǎn)子連接時(shí)產(chǎn)生的磁感應(yīng)強(qiáng)度的三維云圖，圖12左下和右圖分別是XZ和YZ平面的磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖。通過(guò)云圖分析可知，磁性磨條連接點(diǎn)的磁感應(yīng)的強(qiáng)度在0.8～1.6 T之間。設(shè)置整個(gè)磨條受力為Force1,求解珩磨條受力情況,，通過(guò)軟件計(jì)算得出磨條所受的磁場(chǎng)力大小為6.6 N。稱重后磨條的質(zhì)量為0.015 6 kg，其重力大約為0.152 N，此時(shí)磁力遠(yuǎn)大于其重力，因此磨條可以較好的和永磁體匹配。

圖12 磁感應(yīng)強(qiáng)度云圖

3 珩磨實(shí)驗(yàn)

3.1 磨條的選用與裝配

通過(guò)第2節(jié)的結(jié)論，選取850 ℃燒結(jié)體系下生產(chǎn)的磁性磨條進(jìn)行試驗(yàn)，按照?qǐng)D13的方法裝配磁性磨條，并將其安裝在磁性珩磨設(shè)備中。

圖13 裝配示意圖

3.2 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

使用磁性珩磨試驗(yàn)平臺(tái)，選用管徑φ19 mm×1500 mm不銹鋼圓管為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，對(duì)比加工前后內(nèi)表面粗糙度和光澤度的變化情況，驗(yàn)證磁性磨條的加工穩(wěn)定性及磨削性能。磁性珩磨試驗(yàn)平臺(tái)如圖14所示，加工試驗(yàn)的具體工藝參數(shù)如表2所示。

圖14 磁性珩磨試驗(yàn)平臺(tái)

表2 實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)表

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

使用立式馬爾M200粗糙度測(cè)試儀測(cè)量加工前后工件內(nèi)壁粗糙度值Ra。我們對(duì)鋼管的焊縫處和非焊縫處分別進(jìn)行測(cè)量，每個(gè)位置取6個(gè)點(diǎn)，最后取平均值。測(cè)量結(jié)果如表3所示。

表3 測(cè)量結(jié)果

通過(guò)表3數(shù)據(jù)可以得出，磁性磨條可以有效降低表面粗糙度，提升表面質(zhì)量，對(duì)焊縫和普通表面都起到了一定效果。在實(shí)驗(yàn)中我們還發(fā)現(xiàn)，磁性磨條在運(yùn)行中轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，無(wú)明顯噪音。

4 結(jié)論

本文在不同燒結(jié)溫度下制備磁性磨條以及初步的珩磨實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

(1)分別在700 ℃、750 ℃、800 ℃、850 ℃和900 ℃下制備磁性磨條，通過(guò)微觀組織觀察、密度的測(cè)算以及機(jī)械性能的檢測(cè)，得出在850 ℃燒結(jié)體系下制備的磨條無(wú)明顯的孔隙，分層效果良好，其密度達(dá)到6.71 g/cm2，孔隙率僅有5.2%，強(qiáng)度值高于其他燒結(jié)體系，也有較高的彈性模量，證明在燒結(jié)過(guò)程結(jié)合性能良好；相較其他燒結(jié)體系，850 ℃是最佳的燒結(jié)溫度。

(2)使用Ansoft軟件模擬出磁性磨條與轉(zhuǎn)子磨具連接時(shí)，工作點(diǎn)磁場(chǎng)強(qiáng)度在0.8～1.6 T之間，所受到的磁場(chǎng)力為6.6 N，遠(yuǎn)大于磨條重力，可以和轉(zhuǎn)子適配。

(3)用850 ℃燒結(jié)體系燒結(jié)的磁性磨條進(jìn)行初步的珩磨實(shí)驗(yàn)，磁性磨條可以有效的降低鋼管內(nèi)表面粗糙度的值。并且在珩磨過(guò)程運(yùn)行平穩(wěn)，無(wú)明顯噪音。