具有球形核壳结构的新颖弹性磁性磨料制备及抛光性能研究

《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Study on the preparation and polishing performance of novel elastic magnetic abrasives with spherical core-shell structure

本研究开发了一种新型弹性磁性磨料，采用微钢珠为磁芯，弹性橡胶为粘结层，氧化铝为磨料。实验确定最佳质量比为12:1:4，在45钢抛光中表面粗糙度Ra从1.552μm降至0.415μm，效率提升73%，有效消除表面缺陷。该结构通过室温粘结方法制备，兼具低成本和高效率，为精密表面抛光提供新方案。

　　

杨振宇|刘玉山|左斌|邹平

中国江苏省机械电子工程学院，江苏省机器人与智能装备工程研究中心，苏州理工学院，苏州215104

摘要

开发了一种新型弹性磁性磨料，其具有球形核壳结构，采用微米级钢珠作为磁核，弹性橡胶作为中间粘合层，氧化铝粉末作为切割磨料。通过实验确定了钢珠、粘合剂和磨料的最佳质量比为12:1:4。在这种条件下，对45钢进行抛光后，表面粗糙度Ra从最初的1.552 μm降低到0.415 μm，提高了73%，并有效消除了诸如凹坑和沟槽等表面缺陷。这种核壳结构通过简单的室温粘合方法制备，结合了低成本制备的经济优势与高效的切割性能，为精密表面处理提供了一种有前景的方法。

引言

现代制造业对高精度和长寿命的超精密部件的需求正在增加。光学、生物医学、航空航天、MEMS等领域对零件和组件的表面粗糙度有严格的要求[1]、[2]、[3]。在磁性磨料抛光技术中，由磁性磨料颗粒在磁场作用下形成的磁性抛光刷可以随工件形状变化。同时，磨料颗粒可以自我磨锐，抛光粉尘不会飞散，抛光压力可以控制，使得磁性磨料抛光技术在制造领域得到越来越广泛的应用[4]、[5]、[6]。然而，磁性磨料抛光技术的大规模应用仍然面临制备瓶颈。原因是磁性磨料的制备过程复杂且要求高，导致成本较高，但与性能提升并不成正比。此外，磨料在加工过程中存在失效的缺陷。这些因素共同构成了该技术发展的关键限制。

优秀的磁性磨料首先必须具有高磁导率和磁化率，以确保其完全的磁响应。其次，磨料（尤其是碳酰铁基磨料）还需要具有良好的加工性能和强的界面粘附力，从而在抛光过程中实现高稳定性和一致性。关于磁性载体，电解铁粉（EIP）因其高纯度、不规则的树枝状形态和较大的比表面积而受到广泛关注，这些特性增强了其与粘合剂和磨料颗粒的机械互锁作用。研究表明，基于EIP的磁性磨料在抛光操作中可以实现更优的表面光洁度和更高的材料去除率。Wang等人[7]报告称，EIP的树枝状结构在AISI 304钢棒的磁性磨料抛光过程中有效保留了磨料颗粒，提高了表面完整性。然而，电解铁粉的制备成本通常高于还原铁粉。在实际的磁性磨料制造中，工艺应力求简单、成本低廉且颗粒形态均匀，以确保加工过程的一致性和整体经济性[8]。从这个角度来看，还原铁粉在成本和工艺适用性方面具有显著优势，因此在许多应用场景中仍然不可或缺。在多种磨料颗粒形式中，球形磨料颗粒可以自动聚集在表面轮廓的凸起处，施加更大的压力，优先磨削凸起部分，从而实现更快的平整效果和更好的抛光效果[9]。

目前，磁性磨料的主要制备方法包括烧结法[10]、[11]、粘合法[12]、自蔓延高温合成法[13]、雾化快速固化法[14]、机械混合法[15]、氮化法[16]和气体淬火钢渣法[17]。然而，通过机械混合法制备的磁性磨料颗粒的铁基容易与磨料粉末分离，导致抛光效果不佳[18]。通过自蔓延高温合成和氮化法很难制备出具有规则球形的磁性磨料[19]、[20]。通过雾化快速固化法和气体淬火钢渣法可以制备出球形磁性磨料，但前者制备的磨料有效粒径小于50%[21]、[22]，后者制备的磁性磨料只能处理硬度较小的材料。通过传统烧结法制备的磁性磨料可使硬化钢的表面粗糙度Ra从0.85 μm降低到0.21 μm，提高了75%。烧结磨料的饱和磁化强度（Ms）为180 emu/g，确保了强大的磁响应能力。相比之下，Liu等人[11]采用等离子熔融金属粘合法制备了球形多晶金刚石磁性磨料，使硬质合金的表面粗糙度从1.20 μm降低到0.32 μm（提高了73%），Ms值约为150 emu/g。最近，Liang等人[23]通过一种新型化学沉积方法制备了多层Fe-Si核壳磨料，使钛合金的表面粗糙度从0.68 μm降低到0.12 μm（提高了82%），Ms值为165 emu/g。这些研究表明，尽管不同的制备路线可以实现相似的表面处理效果（Ra降低70–80%），但磁性能取决于铁基组成和加工条件。

在各种制备技术中，基于烧结的方法由于能够生产出具有强界面粘附力和高机械完整性的磁性磨料而得到了广泛研究。传统烧结通常涉及在高温（通常>1000°C）下长时间加热磁性颗粒（如碳酰铁、还原铁粉）和磨料颗粒的混合物，这可能导致颗粒粗化、氧化和能耗增加[10]、[11]。近年来，先进的烧结技术如微波烧结作为有前景的替代方案出现。微波烧结利用介电加热实现快速和体积温度上升，从而获得更细的微观结构、更高的致密度和更短的加工时间。例如，Kumar等人[19]表明，微波烧结的CIP-Al?O?复合磁性磨料在Al-6061合金上的表面处理性能优于传统烧结的磨料，这归因于精细的颗粒结构和保留的磁性能。同样，Liu等人[20]采用等离子辅助熔化和喷涂法制备了球形金刚石磁性磨料，实现了优异的切割效率和均匀的颗粒形态。

尽管取得了这些进展，但无论是传统烧结法还是微波辅助烧结法，都本质上需要高温设备、保护性气氛和复杂的后处理，这增加了生产成本并限制了可扩展性。此外，热暴露可能会降解热敏性磨料或引起磁性基体的不良相变，从而可能影响性能。相比之下，本研究中采用的粘合法提供了一种截然不同的方法：在常温常压下进行加工，保留了所有组分的固有性能。虽然粘合法的机械强度可能略低于烧结磨料，但加入弹性粘合剂可以提供适应性接触，减少工件划伤的风险，这对于处理结构复杂或表面不规则的材料特别有益。

通过粘合法制备的磁性磨料颗粒的核心优势在于其优异的可设计性和经济性。本质上，这是一种复合材料制备技术，通过粘合剂将磁性铁基和磨料粉末牢固结合。这种结构设计允许分离和精确优化磨料的性能。例如，增加磨料粉末的比例可以提高切割效率，而优化磁性铁基可以增强磁吸附力。同时，规则的球形结构确保了磁力线的均匀分布和磨料在加工过程中的行为可预测性，这对于实现稳定和一致的精密抛光非常重要。研究表明，抛光后的表面粗糙度值比抛光前降低了42%[23]、[24]。

在磁性磨料的制备过程中，传统方法往往面临性能与成本之间的矛盾：烧结等工艺可以实现高性能，但工艺复杂且成本高昂，而简单的粘合方法由于材料刚性可能导致磨料轮廓的适应性较差，从而影响抛光效果。因此，本文提出了一种基于粘合法的创新设计思路，结合弹性材料制备核壳结构的磨料颗粒，以低成本实现性能提升。该设计的核心是使用微米级钢球作为磁载体和支持体，确保磁性和基本强度。外层覆盖弹性粘合材料，赋予磨料缓冲能力和适应表面轮廓的特性。最后，在表面添加复合氧化铝磨料颗粒以确保其切割效率。基于此，我们制备了一种新型核壳结构的球形磁性磨料，解决了传统刚性磨料在抛光过程中适应性不足的问题，并通过实验进一步探讨了其对抛光性能的影响。

章节摘录

磁性磨料的设计

磁性磨料是由多种材料组成的复合体。一方面，它可以在磁铁作用下表现出铁磁性；另一方面，它在磁性磨料抛光过程中起到抛光工件的作用。因此，如图1所示，磁性磨料颗粒是通过粘合法制备的。作为磨料的磁载体，微米级钢珠具有较高的磁导率，可以被磁铁吸引。弹性粘合层作为磨料的缓冲层，以实现

结果与讨论

当抛光时间为1分钟时，由于磁场在磁性抛光过程中的尖端效应，磁性磨料的抛光效果显著，粗糙度下降更快。这一现象直接反映了磁性刷的尖端效应：在磁场梯度最大的区域，磨料颗粒受到最大的磁压力，切割效果最强烈，因此可以快速平滑原有的宏观波动和凸起部分

优化磨料结构以抛光结构化表面

在前一章中，通过实验验证了通过粘合法制备新型核壳磁性磨料的可行性。在本节中，通过改进磨料制备方法（使用羟基铁粉作为磁性磨料载体）进一步验证了磨料的抛光性能。选择砂轮制成的结构化表面作为工件。

在用砂轮制备结构化表面时，磨削力之间的不匹配

结论与展望

本文提出了一种新型设计方法，使用微米级钢球作为载体，弹性橡胶作为粘合剂，氧化铝微粉作为磨料颗粒，制备了一种新型球形核壳结构的弹性磁性磨料。主要结论如下：

(1)

本实验中粘合磁性磨料的组成比例对表面形态有显著影响。最佳比例为微米级钢珠、粘合剂和氧化铝的质量比12:1:4

作者贡献声明

杨振宇：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，调查，数据管理。刘玉山：资金获取。左斌：资源提供。邹平：监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号51875368）的支持。