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)
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。
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)
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%)
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
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)。
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)。
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]。
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 ℃。
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
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
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
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。
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。