设计和制备具有梯度核壳结构的Fe-FeAl?O?/Al?O?磁性磨料颗粒

《Journal of Materials Research and Technology》：Design and preparation of Fe-FeAl 2O 4/Al 2O 3 magnetic abrasive particles with a gradient core–shell structure

磁性磨粒表面精加工：Fe-FeAl2O4/Al2O3复合材料的制备与性能优化研究，通过球磨和热处理制备核心-壳层结构磁性磨粒，优化烧结时间（0.5小时）实现FeAl2O4界面层强化，显著提升磁性能（饱和磁化强度173.96 emu/g，矫顽力13.01 Oe）和加工稳定性（延长服务时间至60分钟），使钛合金管表面粗糙度从0.428 μm降至0.096 μm。

　　磁性磨料抛光（Magnetic Abrasive Finishing, MAF）作为一种精密表面加工技术，因其在提高加工精度和效率方面的显著优势，近年来在多个工业领域受到广泛关注。特别是在钛合金等高性能材料的加工中，MAF技术展现了其独特的价值。钛合金因其优异的强度与重量比、良好的耐热性和抗疲劳性能，以及出色的耐腐蚀性，被广泛应用于骨科、牙科和心血管设备等领域。然而，钛合金的加工面临诸多挑战，例如其较低的刚度和易变形特性，使得在传统切割过程中容易产生较大的表面回弹，影响加工质量。此外，传统磨削过程中钛合金材料的易燃性也增加了加工风险，可能导致工作件表面烧伤，甚至引发重大安全事故。因此，开发一种能够有效解决这些问题的新型加工方法成为研究的重点。

在这一背景下，MAF技术通过在施加磁场作用下，使磁性磨料颗粒（Magnetic Abrasive Particles, MAPs）形成一种柔性的磁性磨料刷，进而实现对工件表面的精确去除和抛光。该技术具有可控性强、热影响小等优点，能够在不破坏工件整体性能的前提下，实现表面的高质量处理。然而，MAPs的质量直接决定了MAF的加工效率和精度，因此，如何优化MAPs的结构和性能成为关键问题。

MAPs通常分为松散型和结合型两种。松散型MAPs通过将铁粉与硬质磨料（如氧化铝、碳化硅或金刚石）在液体介质（如油或润滑脂）中混合制备，这种制备方法虽然便于调节磨料组成，但容易导致硬质颗粒与铁基体之间的结合力不足，从而在MAF过程中容易脱落，影响加工稳定性。相比之下，结合型MAPs则通过使用铁基体与硬质颗粒结合的方式制备，这种方式可以有效提高颗粒之间的结合力，从而增强加工效果。然而，现有的结合型MAPs制备方法在提高结合强度的同时，也存在一定的局限性，例如磁性材料的磁性能下降，以及加工过程中由于界面结构不稳定导致的材料失效。

为了克服这些挑战，本研究提出了一种新型的复合结构磁性磨料颗粒（Fe-FeAl?O?/Al?O?）的制备方法。该方法通过两步工艺实现：首先采用球磨技术对氧化铝颗粒进行均匀包覆，使其紧密附着在铁粉表面；随后在低氧环境中进行烧结，形成FeAl?O?的中间结合层，从而增强铁基体与氧化铝颗粒之间的界面结合力。这种方法不仅提高了磁性磨料颗粒的结合强度，还有效改善了其磁性能，使得在MAF过程中能够实现更高效的材料去除和更稳定的抛光效果。

研究结果表明，经过0.5小时烧结的磁性磨料颗粒表现出最佳的磁性能，包括较高的饱和磁化强度（173.96 emu/g）和较低的矫顽力（13.01 Oe），并且具有更长的使用寿命。而延长烧结时间为1小时后，由于铁基体的氧化和FeAl?O?相的过度生长，导致饱和磁化强度下降至164.46 emu/g，矫顽力上升至14.41 Oe，从而影响了磁性磨料颗粒的性能。通过该方法制备的磁性磨料颗粒能够显著改善钛合金管的表面粗糙度，使其从初始的Ra值0.428 μm降低至0.096 μm，展现出在精密表面加工方面的巨大潜力。

为了进一步验证该方法的可行性，研究团队设计了一套专门的MAF测试系统，并通过实验对不同烧结时间的磁性磨料颗粒进行了性能评估。实验结果显示，烧结时间为0.5小时的磁性磨料颗粒在MAF过程中能够维持较高的加工效率，其有效工作时间可达60分钟。相比之下，烧结时间为1小时的磁性磨料颗粒则表现出较差的加工稳定性，部分颗粒在加工过程中脱落，导致加工效果下降。这些结果表明，烧结时间的优化对于磁性磨料颗粒的性能具有重要影响，而0.5小时的烧结时间能够实现最佳的加工效果。

此外，研究还通过X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等技术对磁性磨料颗粒的相组成和界面结构进行了系统分析。结果表明，烧结过程中形成了FeAl?O?的中间结合层，该结合层不仅增强了铁基体与氧化铝颗粒之间的界面结合力，还显著改善了磁性材料的磁性能。通过XRD分析，可以观察到烧结后磁性磨料颗粒的相组成发生了显著变化，其中FeAl?O?相的形成表明了铁基体与氧化铝颗粒之间的化学反应。而XPS分析则进一步验证了该反应的存在，并揭示了FeAl?O?相在界面处的化学稳定性。

在材料结构方面，研究团队对磁性磨料颗粒的微观形貌进行了详细观察。通过扫描电子显微镜（SEM）和能谱分析（EDS）可以发现，球磨过程中氧化铝颗粒均匀地包覆在铁粉表面，形成了一个致密的磨料层。而烧结过程中，由于铁基体与氧化铝颗粒之间的界面反应，形成了FeAl?O?的中间结合层，从而增强了颗粒之间的结合力。通过对比不同烧结时间的磁性磨料颗粒，可以发现，烧结时间为0.5小时的颗粒表现出更优异的加工性能，而延长烧结时间则导致了FeAl?O?相的过度生长，进而影响了磁性颗粒的整体性能。

为了进一步探讨磁性磨料颗粒在MAF过程中的作用机制，研究团队还对磁性颗粒的磁性能进行了系统分析。通过量子设计物理性能测量系统（PPMS）可以获取磁性颗粒的磁滞回线，从而分析其磁性能变化。结果表明，球磨后的磁性颗粒表现出较低的饱和磁化强度和较高的矫顽力，这可能与氧化铝层的非磁性特性有关。而经过烧结处理后，磁性颗粒的饱和磁化强度显著提高，矫顽力则明显下降，表明了烧结过程中内部应力的有效释放和铁基体结构的优化。

此外，研究团队还对磁性颗粒的界面结构进行了深入分析。通过扫描电子显微镜和X射线衍射技术可以观察到，烧结过程中形成的FeAl?O?中间结合层不仅增强了铁基体与氧化铝颗粒之间的结合力，还改善了磁性颗粒的磁性能。这种结合层的形成是由于铁基体与氧化铝颗粒之间的化学反应，使得界面处的结合更加紧密。通过XPS分析可以进一步确认，FeAl?O?相在界面处的化学稳定性，以及其在磁性颗粒中的分布情况。

在实际应用方面，研究团队使用该方法制备的磁性磨料颗粒对钛合金管进行了抛光处理，结果显示，经过0.5小时烧结的磁性颗粒能够显著改善钛合金管的表面质量，使其表面粗糙度从初始的0.428 μm降低至0.096 μm。这一结果表明，该方法在精密表面加工方面具有显著的应用潜力。此外，通过对比不同烧结时间的磁性颗粒在MAF过程中的表现，可以发现，烧结时间为0.5小时的颗粒在加工过程中表现出更高的稳定性和更长的使用寿命，而延长烧结时间则导致了颗粒的性能下降。

综上所述，本研究提出了一种新型的磁性磨料颗粒（Fe-FeAl?O?/Al?O?）的制备方法，通过两步工艺实现了铁基体与氧化铝颗粒之间的紧密结合。该方法不仅提高了磁性磨料颗粒的磁性能，还增强了其界面结合力，从而显著改善了MAF的加工效果。研究结果表明，烧结时间为0.5小时的磁性颗粒表现出最佳的加工性能，而延长烧结时间则会导致磁性颗粒的性能下降。这些发现为磁性磨料颗粒的优化提供了重要的理论依据和实验支持，具有重要的应用价值。