一種基于磁控的濕法制備金剛石磁性磨料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供涉及一種金剛石磨料，尤其是一種金剛石磁性磨料的制備方法，具體地說是一種基于磁控的濕法制備金剛石磁性磨料的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]眾所周知，磁力研磨光整加工技術(shù)是光整加工的新工藝、新技術(shù)。它是利用外加磁場作用于磁性磨料，使得磁性磨料在磁力線方向排列形成“柔性磁刷”壓在被加工工件表面，由于磁極和被加工工件的相對運動和磁性磨料的微小切削作用，從而可以改善工件的表面質(zhì)量。它不僅具有很好的柔性、自適應(yīng)性、自銳性和可控性，而且磨具無須磨損補償和修形，研磨溫升小，加工表面無變形和變質(zhì)層，加工效率和質(zhì)量很高，同時能很好地與數(shù)控機床、機器人結(jié)合，是一種極具潛力的自動化表面光整加工技術(shù)。
[0003]磁性磨料作為磁力研磨光整加工中磨具，兼有磁化和研磨能力，是由鐵磁相和磨粒相組成的復(fù)合材料，對磁力研磨光整加工的加工效率和加工質(zhì)量產(chǎn)生重要的影響。制備出研磨性能好，使用壽命高的磁性磨料對推動磁力研磨光整加工技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。目前國內(nèi)外的磁性磨料制備技術(shù)主要有簡單機械混合法，粘結(jié)法，燒結(jié)法以及等離子粉末熔融法等。
[0004]簡單機械混合法是將鐵磁性粉末、磨料粉末和研磨液等按一定比例在常溫下均勻混合，直接進行研磨加工的方法。常用一定粒度的鐵磁性粉末與磨料粉末如A1203、SiC、Cr203、TiC等混合均勻后，再加入粘合劑如油酸、聚乙烯甘醇、硅膠等制成。該種方法可以制成多種磁性磨料，制備工藝簡單，成本低，但是在研磨期間，磨料顆粒與磁性粉末比較容易分離飛散，研磨效率低，限制了應(yīng)用范圍。
[0005]粘結(jié)法根據(jù)所選用粘結(jié)劑的不同分為無機粘結(jié)和有機粘結(jié)，是將一定比例、混合均勻的鐵磁性粉末和磨料粉末用粘結(jié)劑粘結(jié)在一起，然后固化，再機械粉碎、篩選，制成不同粒度的磁性磨料粉末。粘結(jié)法制備的磁性磨料，由于不需要預(yù)先壓制成塊，不需要含有惰性氣體的電爐、激光機等設(shè)備，因此該方法工藝簡單、容易實現(xiàn)、成本較低。但組織疏松，結(jié)合差、密度低、熱穩(wěn)定性差、磨粒相容易脫落，壽命較短。且當(dāng)溫度較高時，粘結(jié)的磁性磨料使加工的表面成暗黑色，原有加工表面容易被污染損毀。
[0006]燒結(jié)法是目前磁性磨料制備最常用的方法。在日本，該方法已經(jīng)成功地應(yīng)用于工業(yè)化生產(chǎn)中。根據(jù)具體燒結(jié)條件的不同，又分為常壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、激光燒結(jié)、微波燒結(jié)等。常壓燒結(jié)法是將一定比例的鐵磁性粉末和硬質(zhì)磨料粉末混合均勻后壓制成具有較高密度的壓坯。在惰性氣體或真空氣氛保護下，以低于鐵粉熔點的溫度，使鐵粉處于熔而不化的狀態(tài)進行燒結(jié)，使硬質(zhì)磨料顆粒結(jié)合于導(dǎo)磁的鐵基體內(nèi)，達到所需要的機械強度后，將燒結(jié)的坯塊進行機械粉碎、篩選制得。熱壓燒結(jié)、激光燒結(jié)、微波燒結(jié)等燒結(jié)方法，與常壓燒結(jié)法的過程基本類似，只是燒結(jié)條件不同。由于燒結(jié)法需要很高的燒結(jié)溫度，金剛石在700°C以上會石墨化，鐵、鈷等鐵磁性材料高溫下對金剛石有很強的催石墨化作用，因而燒結(jié)法制備金剛石磁性磨料受到了極大的限制。
[0007]等離子粉末熔融法是將硬質(zhì)磨粒相和鐵磁性粉體按一定比例混合，然后從等離子噴涂設(shè)備中噴出，借助等離子弧的高溫將兩者熔融在一起。該方法硬質(zhì)磨料包裹體在鐵質(zhì)中分布較均勻，較大地解決了磨料和鐵的相容性問題。但是，等離子粉末熔融法的溫度較高，也存在金剛石石墨化問題，因而限制了等離子粉末熔融法在制備金剛石磁性磨料方面的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的磁性磨料制備技術(shù)中存在的問題，發(fā)明一種基于磁控的濕法制備金剛石磁性磨料的方法，它能夠?qū)崿F(xiàn)金剛石磨粒在鐵磁性粉末基體上均勻分布并且牢固結(jié)合，制備出的金剛石磁性磨料研磨性能好，使用壽命高。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
一種基于磁控的濕法制備金剛石磁性磨料的方法，其特征是它包括以下步驟:金剛石磨粒和鐵磁性粉末態(tài)基體的表面預(yù)處理、化學(xué)復(fù)合鍍以及鍍后熱處理，其中:
首先，對金剛石磨粒的表面進行預(yù)處理，包括表面凈化、酸洗去除雜質(zhì)和表面活化:
(1)所述的金剛石磨粒表面凈化是:將金剛石磨粒置于35~45g/L的氫氧化鈉溶液中煮沸不少于25min，然后用去離子水清洗；
(2)所述的金剛石磨粒酸洗去除雜質(zhì)是:將經(jīng)過表面凈化的金剛石磨粒置于15~25%的硝酸溶液中煮沸不小于25min，然后用去離子水清洗；
(3)金剛石磨粒的表面活化是:將經(jīng)過酸洗去除雜質(zhì)的金剛石磨料置于0.5~2g/L十六烷基三甲基溴化銨溶液中，常溫下攪拌并超聲5~10min，然后用去離子水清洗；
其次，對鐵磁性粉末態(tài)基體的表面進行預(yù)處理，包括堿洗除油和酸洗活化:
Cl)所述的鐵磁性粉末態(tài)基體堿洗除油是:將鐵磁性粉末態(tài)基體置于5~15g/LNa0H+5~10mL/L OP-1O乳化劑溶液中進行堿洗處理，堿洗時間為10~30min，堿洗溫度為60~80°C，然后用去離子水清洗；
(2 )所述的酸洗活化是將經(jīng)過堿洗除油的鐵磁性粉末態(tài)基體置于0.05%~1%鹽酸+19^3%烏洛托品溶液中進行酸洗處理，酸洗時間為2~10min，酸洗溫度為25~80°C，然后用去離子水清洗；
第三，將經(jīng)過預(yù)處理的金剛石磨粒和鐵磁性粉末態(tài)基體置于化學(xué)鍍液中進行化學(xué)復(fù)合施鍍，施鍍溫度為65~80°C，施鍍?nèi)芤旱膒H值為8.0-9.5，施鍍時間為40~60min，化學(xué)復(fù)合施鍍過程中采用可控磁場裝置控制鐵磁性粉末態(tài)基體的懸浮分散，鍍后用去離子水清洗并在恒溫干燥箱中烘干；
第四，鍍后熱處理:將經(jīng)過化學(xué)施鍍的金剛石磁性磨料置于450~550°C的真空爐中保溫I小時以上，并在真空爐中冷卻后取出密封保存。
[0010]所述的可控磁場裝置是由數(shù)個電磁鐵在同一平面間隔排列組成，相鄰電磁鐵排列中心間距為100~120mm，排列區(qū)域面積為化學(xué)鍍液橫截面積的1.2-1.5倍，電磁鐵內(nèi)徑為5~15mm，外徑為15~25mm，厚度為8~12mm，匝數(shù)為1000~1500，鐵芯為軟鐵材料，各個電磁鐵電流流向相同，通過脈沖電源輸入周期性變化的方波脈沖電流產(chǎn)生周期性變化的磁場，通過控制輸入電流的峰值控制產(chǎn)生磁場的強度。
[0011]所述的化學(xué)復(fù)合施鍍中使用的化學(xué)鍍液、鐵磁性粉末態(tài)基體以及金剛石磨粒的質(zhì)量配比關(guān)系為500~600:2~10:1~5。
[0012]所述的化學(xué)復(fù)合施鍍過程中采用的攪拌方式為間歇式機械攪拌。
[0013]所述的間歇式機械攪拌為攪拌l~5min間歇20~60s，攪拌速度為200~350r/min。
[0014]所述的可控磁場裝置放置在化學(xué)鍍液正上方，離鍍液上表面的高度為80~120mm。
[0015]所述的鐵磁性粉末態(tài)基體的粒度為5~100Mm，使鐵磁性粉末態(tài)基體均勻分散在鍍液中所需磁場的強度大小為0.53X10^-2.55X 10_3T，變化頻率為10~50Ηζ。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:
通過控制化學(xué)鍍液、鐵磁性粉末態(tài)基體以及金剛石磨粒的質(zhì)量配比實現(xiàn)金剛石磨粒在鍍層中的牢固結(jié)合；化學(xué)復(fù)合鍍過程中采用可控磁場和旋轉(zhuǎn)攪拌鍍液的方式控制鐵磁性粉末態(tài)基體的懸浮分散，解決了大密度鐵磁性固體顆粒在溶液中分散難的問題；化學(xué)復(fù)合鍍過程中采用間歇式機械攪拌對鍍液進行攪拌，一方面有利于鐵磁性粉末態(tài)基體和金剛石磨粒在鍍液中的均勻分散，另一方面有利于金剛石磨粒在鍍層金屬中的沉積；該工藝操作簡單，成本低，能夠?qū)崿F(xiàn)大量的金剛石磨粒在鐵磁性粉末態(tài)基體表面牢固結(jié)合，制備的金剛石磁性磨料研磨性能好，使用壽命高。
【附圖說明】
[0017]圖1是基于磁控的濕法制備金剛石磁性磨料裝置示意圖。
[0018]圖2是實施例1使用的原始鐵粉放大500χ的掃描電鏡(SEM)圖像。
[0019]圖3是實施例1使用的金剛石磨粒放大3000χ的SEM圖像。
[0020]圖4是實施例1制備的金剛石磁性磨料放大100x的SEM圖像。
[0021]圖5是實施例1制備的金剛石磁性磨料放大3000χ的SEM圖像。
[0022]圖1中:1亞克力板；2電磁鐵；3電動攪拌器；4調(diào)節(jié)螺母；5支架；6鍍槽；7攪拌頭；8化學(xué)鍍液；9恒溫水浴槽。
【具體實施方式】
[0023]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一的說明。
[0024]如圖1所示。
[0025]一種基于磁控的濕法制備金剛石磁性磨料的方法，它包括金剛石磨粒的表面預(yù)處理和鐵磁性粉末態(tài)基體的表面預(yù)處理、化學(xué)復(fù)合鍍以及鍍后熱處理，其中金剛石磨粒的表面預(yù)處理包括表面凈化、酸洗去除雜質(zhì)以及表面活化，鐵磁性粉末態(tài)基體的表面預(yù)處理包括堿洗除油和酸洗活化，具體工藝過程如下:
(I)表面預(yù)處理:
①金剛石磨粒表面凈化:置于40g/L的氫氧化鈉溶液中煮沸30min—去離子水清洗；
②金剛石磨粒酸洗去除雜質(zhì):置于20%的硝酸溶液中煮沸30min—去離子水清洗；
③金剛石磨粒表面活化:置于0.5~2g/L十六烷基三甲基溴化銨溶液中，常溫下攪拌并超聲5~10min —去離子水清洗；
④鐵磁性粉末態(tài)基體堿洗除油:置于5~15g/LNa0H+5~10mL/L OP-1O乳化劑溶液中進行堿洗處理，堿洗時間為10~30min，堿洗溫度為60~80°C —去離子水清洗； ⑤酸洗活化:置于0.05°/『1%鹽酸+1°/『3%烏洛托品溶液中進行酸洗處理，酸洗時間為2~10min，酸洗溫度為25~80°C —去離子水清洗；
(2)化學(xué)復(fù)合鍍:將經(jīng)過預(yù)處理的鐵磁性粉體和金剛石磨粒倒入化學(xué)鍍液中施鍍，施鍍溫度為65~80°C，施鍍pH為8.0-9.5，施鍍時間為40~60min，鍍后用去離子水清洗并在恒溫干燥箱中烘干；化學(xué)復(fù)合鍍中使用的化學(xué)鍍液、鐵磁性粉末態(tài)基體以及金剛石磨粒的質(zhì)量配比關(guān)系為500~600:2~10:1~5。化學(xué)復(fù)合鍍過程中采用可控磁場裝置控制鐵磁性粉末態(tài)基體的懸浮分散，可控磁場裝置是由數(shù)個電磁鐵在同一平面間隔排列組成，相鄰電磁鐵排列中心間距為100~120mm，排列區(qū)域面積為化學(xué)鍍液橫截面積的1.2-1.5倍，電磁鐵內(nèi)徑為5~15mm，外徑為15~25mm，厚度為8~12mm，匝數(shù)為1000~1500，鐵芯為軟鐵材料，各個電磁鐵電流流向相同，通過脈沖電源輸入周期性變化的方波脈沖電流產(chǎn)生周期性變化的磁場，通過控制輸入電流的峰值控制產(chǎn)生磁場的強度。所述的可控磁場裝置放置在化學(xué)鍍液正上方，離鍍液上表面的高度為80~120mm。所述的可控磁場裝置實現(xiàn)5~100Mm的鐵磁性粉末態(tài)基體均勻分散在鍍液中所需磁場的強度大小為0.53X10^-2.55X 10_3T，變化頻率為10~50Ηζο化學(xué)復(fù)合鍍過程中采用的攪拌方式為間歇式機械攪拌，間歇式機械攪拌為攪拌l~5min間歇20~60s，攪拌速度為200~350r/min，如圖1所示。
[0026](3)鍍后熱處理:置于500°C的真空爐中保溫I小時以上，真空爐中冷卻取出后密