CN110016322A - 微米级磁性复合磨料和水基磁流变抛光液 - Google Patents

Abstract

本发明属于抛光材料技术领域，具体涉及微米级磁性复合磨料和水基磁流变抛光液。本发明提供的微米级磁性复合磨料，包括以下质量份的原料：金刚石粉5～15份，磁粉25～35份，二氧化硅18～28份，氧化硼30～40份，氧化锌10～20份和氧化钙5～10份。实施例结果表明，采用含本方案提供的微米级磁性复合磨料的抛光液对玻璃试样进行抛光，在25min内即可将表面粗糙度为100nm的玻璃片的粗糙度降低至1nm以下，抛光效率有了明显提升。

Description

微米级磁性复合磨料和水基磁流变抛光液

技术领域

本发明属于抛光材料技术领域，具体涉及微米级磁性复合磨料和水基磁流变抛光液。

背景技术

抛光是在机械零部件和光学部件制备过程中必不可少的一道工序，尤其是对于具有曲面的工件来说，抛光更是影响工件成品率的一个关键步骤。针对曲面工件，传统抛光为曲面柔性抛光，其原理是将含有微细磨料的悬浮液滴加在被加工样品表面，用柔性皮料或毛刷在样品表面高速作用，皮料或毛刷将样品表面包裹，加上磨料的作用，样品曲面的表面粗糙度逐渐降低。使用过程中，这种加工方式存在的弊端是皮料或毛刷接触曲面的区域有限，而且高速运转过程中磨料悬浮液会受离心作用而被甩开，导致磨料颗粒分布不均匀，因此抛光效果不理想。

磁流变抛光是利用磁流变抛光液在梯度磁场中发生流变而形成的具有黏塑行为的柔性“小磨头”与工件之间具有快速的相对运动，使工件表面受到很大的剪切力，从而使工件表面多余材料被去除，进而达到抛光效果。为使磁流变抛光液中的抛光颗粒与磁流体同步运动，需要对抛光颗粒的粒径进行严格控制，一般将粒径控制在纳米或者几个微米级别，这就导致抛光作业时间较长，影响了抛光效率。

发明内容

本发明的目的在于提供一种微米级磁性复合磨料，利用本发明提供的微米级磁性复合磨料进行抛光，能在不影响抛光效果的基础上，提高抛光效率。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

本发明提供了一种微米级磁性复合磨料，包括以下质量份的原料：金刚石粉5～15份，磁粉25～35份，二氧化硅18～28份，氧化硼30～40份，氧化锌10～20份和氧化钙5～10份。

优选的，所述微米级磁性复合磨料的粒径为150～180μm。

优选的，所述金刚石粉的材质为单晶金刚石和/或多晶金刚石。

优选的，所述磁粉包括羰基铁、四氧化三铁和镍中的一种或几种。

优选的，所述磁粉还包括三氧化二铁。

本发明提供了上述技术方案所述的微米级磁性复合磨料的制备方法，包括以下步骤：

将所述微米级磁性复合磨料的原料与水混合，得到浆料；

将所述浆料进行固化，得到坯料；

将所述坯料依次进行烧结和碎化，得到微米级磁性复合磨料。

优选的，所述固化的方式包括：

将所述浆料涂覆到热基底上，进行加热。

优选的，所述烧结的温度为800～1000℃，保温时间为10～30min。

本发明另提供了一种水基磁流变抛光液，包括以下质量份的组分：微米级磁性复合磨料20～40份，表面活性剂3～10份，稳定剂2～5份，消泡剂2～5份和水50～70份；

所述微米级磁性复合磨料为上述技术方案所述的微米级磁性复合磨料或上述技术方案所述的制备方法制备得到的微米级磁性复合磨料。

优选的，所述表面活性剂包括丙三醇、聚乙二醇和烷基酚聚氧乙烯醚中的一种或几种；

所述稳定剂包括有机胺和碳酸盐；

所述消泡剂包括石蜡。

本发明提供的微米级磁性复合磨料，包括以下质量份的原料：金刚石粉5～15份，磁粉25～35份，二氧化硅18～28份，氧化硼30～40份，氧化锌10～20份和氧化钙5～10份。本发明将金刚石、磁粉、二氧化硅、氧化硼、氧化锌和氧化钙按照上述用量复配使用，在二氧化硅、氧化硼、氧化锌和氧化钙的作用下，金刚石能够均匀分散，且能够与磁粉更好的粘结，进而得到同时具有高硬度和磁性的复合磨料，将所得复合磨料用于水基磁流变抛光液中后，复合磨料可在磁场作用下进行高速运动，运动过程中，复合磨料中的金刚石粉与工件样表面接触，对工件进行抛光；而微米级的颗粒，则能增加磨料与工件之间的作用强度，提高抛光效率。实施例结果表明，采用本方案提供的微米级磁性复合磨料对玻璃试样进行抛光，在25min内即可将表面粗糙度为100nm的玻璃片的粗糙度降低至1nm以下，抛光效率有了明显提升。

具体实施方式

本发明提供了一种微米级磁性复合磨料，包括以下质量份的原料：金刚石粉5～15份，磁粉25～35份，二氧化硅18～28份，氧化硼30～40份，氧化锌10～20份和氧化钙5～10份。

以质量份计，本发明提供的微米级磁性复合磨料的原料包括金刚石粉5～15份，优选为6～13份，再优选为7～12份。在本发明中，所述所述金刚石粉的材质优选为单晶金刚石和/或多晶金刚石，所述金刚石粉为两种材料的混合物时，本发明对所述混合物中各组分的含量比没有特殊要求。在本发明中，所述金刚石粉的粒径优选为1～3μm，更优选为1～2μm。

以所述金刚石粉的质量份为基准，本发明所述微米级磁性复合磨料的原料包括磁粉25～35份，优选为25～34份，再优选为25～32份。在本发明中，所述磁粉优选包括羰基铁、四氧化三铁和镍中的一种或几种，更优选为四氧化三铁；所述磁粉优选还包括三氧化二铁。在本发明中，所述磁粉为几种组分的混合物时，本发明对所述混合物中各组分的质量比没有特殊要求。本发明优选在磁粉中添加三氧化二铁，能促进磁粉和金刚石的分散和结合，对得到性能稳定的复合磨料有利。

以所述金刚石粉的质量份为基准，本发明所述微米级磁性复合磨料的原料包括二氧化硅18～28份，优选为19～27份，再优选为20～26份。本发明所述二氧化硅优选为气相沉积二氧化硅，纯度优选为99.5％以上。

以所述金刚石粉的质量份为基准，本发明所术微米级磁性复合磨料的原料包括氧化硼30～40份，优选为31～39份，再优选为32～38份。

以所述金刚石粉的质量份为基准，本发明所述微米级磁性复合磨料的原料包括氧化锌10～20份，优选为12～19份，再优选为13～18份。

以所述金刚石粉的质量份为基准，本发明所述微米级磁性复合磨料的原料包括氧化钙5～10份，优选为6～9份，再优选为7～8份。

本发明以磁粉和金刚石粉为主要功能材料，利用二氧化硅、氧化硼、氧化锌和氧化钙使磁粉和金刚石粉复合一体化，不仅能防止金刚石粉和磁粉的团聚，还能提高二者之间的结合，为得到结合牢固、性能稳定的，且同时具有磁性和抛光性能的复合磨料提供有利条件。

在本发明中，所述微米级磁性复合磨料的粒径优选为150～180μm，更优选为160～170μm。本发明优选将复合磨料的粒径控制在上述范围，能够进一步在保证复合磨料悬浮性能的基础上，使颗粒料的粒径达到最大化，有利于改善复合磨料的切削加工性能，对制备抛光性能较好的水基磁流变抛光液有利。

本发明提供了上述技术方案所述的微米级磁性复合磨料的制备方法，包括以下步骤：

将所述微米级磁性复合磨料的原料与水混合，得到浆料；

将所述浆料进行固化，得到坯料；

将所述坯料依次进行烧结和碎化，得到微米级磁性复合磨料。

本发明将所述微米级磁性复合磨料的原料与水混合，得到浆料。在本发明中，所述原料的总质量与水的质量比为优选7∶(2～4)，更优选为7∶(2.5～3.5)，再优选为7∶3。本发明对所述原料和水的混合方式没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的方式即可。

得到浆料后，本发明将所述浆料进行干燥，得到坯料。在本发明中，所述干燥的方式优选烘干，所述烘干的方式优选为：将所述浆料涂覆到热基底上，进行加热。本发明对所述热基底的材质没有特殊要求，能耐100℃的高温即可。在本发明具体实施例中，所述基底优选为不锈钢板。在本发明中，所述热基底的温度优选为60～80℃，更优选为65～75℃，加热的时间以能使涂覆在热基底上的浆料中的水去除即可。

干燥后，本发明优选去除基底，得到可烧结的坯料。本发明对所述基底的去除方式没有特殊要求，采用本领技术人员熟知的方式即可。

得到坯料后，本发明将所述坯料依次进行烧结和碎化，得到微米级磁性复合磨料。在本发明中，所述烧结优选在真空条件下进行，例如使用真空炉进行烧结。在本发明中，所述烧结的温度优选为800～1000℃，更优选为820～970℃，再优选为830～950℃；保温时间优选为10～30min，更优选为15～28min。在本发明中，所述烧结温度优选采用5～10℃/min的升温速率达到，更优选为6～8℃/min；烧结过程中，真空度优选控制在≤20Pa，更优选为1～20Pa；烧结完成后，优选采用随炉冷却的方式降温，以避免外界空气或水蒸气对材料的影响。

冷却后，本发明对所述冷却后的物料进行碎化，所述碎化优选在碎化机中进行。本发明对所述碎化的具体参数没有特殊要求，采用本领域技术人员熟知的即可。碎化后，本发明优选将碎化后的物料进行球磨，以使碎化后的物料粒径均匀化，提高材料的合格率。球磨后，本发明将所述球磨后的物料进行过筛，筛网目数以能得到微米级(例如150～180μm)的颗粒料即可，筛下物为所需的微米级磁性复合磨料。

本发明另提供了一种水基磁流变抛光液，包括以下质量份的组分：微米级磁性复合磨料20～40份，表面活性剂3～10份，稳定剂2～5份，消泡剂2～5份和水50～70份；

所述微米级磁性复合磨料为上述技术方案所述的微米级磁性复合磨料或上述技术方案所述的制备方法制备得到的微米级磁性复合磨料。

以质量份计，本发明所述水基磁流变抛光液包括微米级磁性复合磨料20～40份，优选为21～39份，再优选为24～38份。

以所述微米级磁性复合磨料的质量份为基准，本发明所述水基磁流变抛光液包括表面活性剂3～10份，优选为4～9份，再优选为5～8份。在本发明中，所述表面活性剂优选包括丙三醇、聚乙二醇和烷基酚聚氧乙烯醚中的一种或几种，更优选为丙三醇、聚乙二醇或烷基酚聚氧乙烯醚；当所述表面活性剂为几种组分的混合物时，本发明对所述混合物中各组分的质量比没有特殊要求。

以所述微米级磁性复合磨料的质量份为基准，本发明所述水基磁流变抛光液包括稳定剂2～5份，优选为2.5～4.5份，再优选为3～4份。在本发明中，所述稳定剂优选包有机胺和碳酸盐；所述有机胺优选包括乙二胺和/或三乙胺；碳酸盐优选包括碳酸钠和/或碳酸钾，更优选为碳酸钠；当有机胺或碳酸盐为两种组分的混合物时，本发明对两类混合物中的各组分的质量比没有特殊要求。

以所述微米级磁性复合磨料的质量份为基准，本发明所述水基磁流变抛光液包括消泡剂2～5份，优选为2.5～4.5份，再优选为3～4份。在本发明中，所述消泡剂优选包括石蜡。

以所述微米级磁性复合磨料的质量份为基准，本发明所述水基磁流变抛光液包括水50～70份，优选为52～68份，再优选为54～65份。

本发明以水为分散介质，利用表面活性剂和稳定剂改善微米级磁性复合磨料的悬浮性能，使所得水基磁流变抛光液具有优异的稳定性和流变性能，为微米级磁性复合磨料发挥流变性能和抛光性能提供了必要条件。

本发明对所述水基磁流变抛光液的制备方法没有特殊要求，优选将各组分混合，搅拌均匀即可。在本发明具体实施过程中，优选将微米级磁性复合磨料与稳定剂和水混合，然后再与表面活性剂和消泡剂混合。

为了进一步说明本发明，下面结合实施例对本发明提供的微米级磁性复合磨料和水基磁流变抛光液进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。

以下实施例的物质用量中份指代质量份。

实施例1

将金刚石粉(单晶)、磁粉(四氧化三铁)、二氧化硅粉、氧化硼、氧化锌和氧化钙混合，球磨后与水混合，将所得浆料进行球磨，然后转入至热平板(60℃的不锈钢板)上，烘干，分离后得到坯料；将所得坯料置于坩埚中，再放入真空炉中，抽真空至20Pa以下，然后进行程序升温，控制升温速度为6℃/min，升温至900℃，保温15min，停止保温，随炉冷却，得到烧结料；

利用破碎机对所得烧结料进行碎化，过100目筛，筛下物为所需的微米级磁性复合磨料(简称磁性颗粒)。

将磁性颗粒30份、聚乙二醇4份，石蜡2份，碳酸钠3份，水61份混合均匀后，在800r/min的条件下搅拌10min，得到水基磁流变抛光液。

实施例2

使用实施例1制备得到的磁性颗粒，不同之处在于水基磁流变抛光液的各组分的种类和用量不同，具体如下：

将磁性颗粒25份、丙三醇5份，石蜡2份，碳酸氢钠4份，水64份混合均匀后，得到水基磁流变抛光液。

实施例3

使用实施例1制备得到的磁性颗粒，不同之处在于水基磁流变抛光液的各组分的种类和用量不同，具体如下：

将磁性颗粒37份、烷基酚聚氧乙烯醚7份，石蜡2.5份，碳酸钠3份，水50.5份混合均匀后，在800r/min条件下搅拌20min，得到水基磁流变抛光液。

实施例4～5

按照实施例1的方式制备磁性颗粒，不同之处在于原料组分、用量和制备工艺不同，其中，实施例4的磁粉为铁粉、镍粉和四氧化三铁等质量比的混合物；实施例5的磁粉为四氧化三铁和三氧化二铁按照4∶1质量比配成的混合物。各组分具体用量列于表1中。

水基磁流变抛光液的制备方法同实施例1。

表1 实施例1、4和5微米级磁性复合磨料的原料及制备工艺

对比例1

将四氧化三铁(1μm)25份、金刚石粉(粒径为0.8μm)10份，聚乙二醇4份，石蜡2份，碳酸钠3份，水56份混合均匀后，在800r/min的条件下搅拌10min，得到水基磁流变抛光液。

水基磁流变抛光液的性能表征及结果

(1)利用NDJ-1型旋转粘度计测试实施例1～5和对比例1所得水基磁流变抛光液的粘度性能，用于表征抛光液的流变性，表征结果列于表2(第2行)；

(2)将实施例1～5和对比例1所得水基磁流变抛光液静置72h，观察是否分层或有沉淀，用于表征抛光液的稳定性，表征结果列于表2(第3行)；

(3)按照如下方法测试实施例1～5和对比例1所得水基磁流变抛光液的抛光性能：以同一批次的6块玻璃片为处理对象，在相同的磁场作用下(250mT)进行抛光，每隔5min测试玻璃片的抛光效果，以将玻璃片的粗糙度降低至1nm以下为达标，记录达标所需的时间及玻璃片的粗糙度，测试结果列于表2(第4和5行)；

(4)将实施例1～5和对比例1所得水机磁流变抛光液在离心机进行离心试验，1000r/min转速下离心20min，然后搅拌，待均匀后进行上述抛光试验。试验时，控制抛光时间为达标时间，然后测试玻璃片的粗糙度，当玻璃片的粗糙度等于或小于(3)中对应测试结果时，视为无影响，当粗糙度超过(3)中对应测试结果时，视为抛光效果降低。例如，实施例1抛光液在25min时可将玻璃片的粗糙度降低至0.9nm，进行离心试验后，在相同条件下进行抛光试验，能将玻璃片的粗糙度降低至≤0.9nm，则视为离心对抛光液的性能无影响，反之，视为抛光液的性能降低。试验结果列于表2(第6行)。

表2 实施例1～5和对比例1水基磁流变抛光液的性能测试结果

由表2的测试结果可知，本发明提供的微米级磁性复合磨料用于制备水基磁流变抛光液时，粘度性能与常规方法制备的水基磁流变抛光液的粘度一致，说明本发明提供的方案保持了材料的流变性能，可以作为抛光液使用；且在25min内即可将玻璃片的粗糙度降低至达标水平，相对于传统抛光液使用的35min而言，抛光效率有了明显提升。另外，本发明提供的水基磁流变抛光液静置72h不分层、无沉淀，离心试验后，抛光性能基本无变化，说明抛光液的稳定性好，可长时间使用。

由以上实施例可知，本发明提供的微米级磁性复合材料在不影响磁性的基础上，使材料具有抛光性能，相对于传统简单混合的抛光液而言，抛光性能的稳定性更好。

传统水基磁流变抛光液为了使抛光材料和磁性材料均匀混合，需要对抛光材料的粒径进行严格控制，需要使用较小粒径的抛光材料，以确保抛光材料在流变体中正常运动，使抛光材料与工件表面接触，发挥材料的抛光功能。本发明则是将抛光材料与磁性材料复合为一体，解决了抛光材料在磁流体中的运动问题，这样可以将磁性材料的粒径扩大化，而扩大了的磁性-抛光复合材料对工件的作用力也增加，因此，抛光效率得到提升。

尽管上述实施例对本发明做出了详尽的描述，但它仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，人们还可以根据本实施例在不经创造性前提下获得其他实施例，这些实施例都属于本发明保护范围。

Claims (10)

1.一种微米级磁性复合磨料，包括以下质量份的原料：金刚石粉5～15份，磁粉25～35份，二氧化硅18～28份，氧化硼30～40份，氧化锌10～20份和氧化钙5～10份。

2.如权利要求1所述的微米级磁性复合磨料，其特征在于，所述微米级磁性复合磨料的粒径为150～180μm。

3.如权利要求1或2所述的微米级磁性复合磨料，其特征在于，所述金刚石粉的材质为单晶金刚石和/或多晶金刚石。

4.如权利要求1所述的微米级磁性复合磨料，其特征在于，所述磁粉包括羰基铁、四氧化三铁和镍中的一种或几种。

5.如权利要求4所述的微米级磁性复合磨料，其特征在于，所述磁粉还包括三氧化二铁。

6.权利要求1～5任一项所述的微米级磁性复合磨料的制备方法，包括以下步骤：

将所述微米级磁性复合磨料的原料与水混合，得到浆料；

将所述浆料进行固化，得到坯料；

将所述坯料依次进行烧结和碎化，得到微米级磁性复合磨料。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述固化的方式包括：

将所述浆料涂覆到热基底上，进行加热。

8.如权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述烧结的温度为800～1000℃，保温时间为10～30min。

9.一种水基磁流变抛光液，包括以下质量份的组分：微米级磁性复合磨料20～40份，表面活性剂3～10份，稳定剂2～5份，消泡剂2～5份和水50～70份；

所述微米级磁性复合磨料为权利要求1～6任一项所述的微米级磁性复合磨料或权利要求7或8所述制备方法制备得到的微米级磁性复合磨料。

10.如权利要求9所述的水基磁流变抛光液，其特征在于，所述表面活性剂包括丙三醇、聚乙二醇和烷基酚聚氧乙烯醚中的一种或几种；

所述稳定剂包括有机胺和碳酸盐；

所述消泡剂包括石蜡。