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磁性磨料的回收與再利用

文檔作者：王海龍李文輝趙珂高建紅文檔來源：太原理工大學		點擊數：	更新時間： 2021年08月14日
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磁性磨料的回收與再利用
王海龍，李文輝，趙珂，高建紅
(太原理工大學機械工程學院，山西太原030024)
摘要：磁性磨粒光整加工是利用磁性磨料在磁場作用下所產生的研磨壓力實現對工件表面光整加工的一
種新工藝。磁性磨料是磁性磨粒光整加工的重要部分。目前磁性磨料大部分都在一次加工之后丟棄，造成資源
浪費。提出一種磁性磨料的回收與再利用的方法：利用磨料化學物理性質的不同，提取磨料中價值較高的金剛
石，再與新的鐵粉制成新的磨料。比較新舊磨料在同一條件下對同一工件的加工效果，表明新磨料加工能力可
靠。這種方法簡單方便，成本低廉。
關鍵詞：光整加工；磁性磨粒；金剛石；回收
中圖分類號：TG73 文獻標識碼：A 文章編號：1001．3830(2014)04．0062．05
Recovery and recycling of magnetic abrasive
WANG Hai-long，LI Wen-hui，ZHAO Ke，GAO Jian-hong
College ofMechanicalEngineering,Taiyuan UniversityofTechnology,Taiyuan 030024,China
Abstract：Magnetic abrasive f'mishing is a new technology to fmish the surface of workpiece with grinding
stress generated by magnetic particles in magn etic field．The magn etic abrasive plays an important part in magn etic
abrasive finishing．At present，magn etic abrasive mostly is discarded after processing，causing waste of resources．In
this paper,a magn etic abrasive recycling and reuse was proposed：based on the abrasive composition of the diferent
chemical and physical properties，higher valuable diamond is extracted and mixed with new iron to prepare new
abrasive．Comparison of machining efect between old and new abrasive under the same contrition and for the same
workpieces shows that processing capacity ofnew abrasive is reliable．This method is simple，convertient and cheap．
Key words：finishing； magnetic abrasive； diamond； recycling
l引言
磁性磨粒光整加工是利用磁性磨料在磁場作
用下所產生的作用力實現對工件表面光整加工的
一種新工藝。這種工藝以其良好的柔性、自適應性、
自銳性等突出優(yōu)點，在制藥業(yè)、航天航空業(yè)和精密
制造業(yè)等領域有廣闊的應用前景【l0]。作為磁性磨
粒光整加工的工具，磁性磨料是一種復合材料。由
于磁性磨料在磁場中能夠被磁化并受到足夠強的
磁場力作用，這就不僅要求它有普通磨料所具有的
高硬度、可切削金屬的能力，而且要求它有較強的
導磁性能。最簡單的磁性磨料是滿足一定性能要求
收稿日期：2013．09．12 修回日期：2013 11．14
通訊作者：王海龍 E-mail：wanhhailong1988@qq．corn．
62
的鐵氧體磁性材料、金屬磁性材料以及硬質合金粉
末，這些純磁性磨料通常只用于研磨軟質合金或有
色金屬，也可用于去除軟的氧化薄膜或氧化皮。對
于耐磨材料的磁性研磨，須采用氧化鋁、碳化硅、
金剛石等硬質磨料與鐵磁性粉末復合，實際上它們
是鐵粉和三氧化二鋁粉末經熱壓后再粉碎的磨粒，
或者是強磁體上涂覆金剛石磨料而制成的磨粒。常
見的幾種磨料的特性如表1。
從表中可以看出，金剛石與鐵粉制成的磨料綜
合性能比較突出，但金剛石成本比較高，所以回收
磁性磨料中的金剛石具有一定的價值。目前大部分
磁性磨料在使用一次后直接丟棄，造成資源的浪
費，所以回收金剛石再次制成磁性磨料可以節(jié)約資
源。
JMagnMaterDevices Vol 45 No 4
表1 幾種磁性磨料特性的比較
觥磨料 成本
2磨料制備與回收原理
現在使用的大多數磁性磨粒結構如圖l所示，
圖中磨粒相為金剛石，磁介質相為鐵粉。本實驗采
用的磨料使用非固結的方法制備，其最大特點是組
成磁性磨粒的鐵磁相和磨粒相在結合劑的作用下粘
結在一起，具有一定的彈性，屬于非固結的粘結性
磨料【4J。其不需要成形、烘干、固化、破碎等工序。
同時由于其具有非固結的特性，可以在磨料中加入
燒結法磁性磨粒廢棄的磨料，實現對工件的光整。
1．磨粒相2．結合劑3．磁 質相
圖1 磨料的構成 圖2 非固結磁性磨粒
本實驗采用的磨料具體制備過程如下：取鐵粉
(200目)和金剛石(600目)的質量比為3：1，
放入v型混合器，混料4h之后取出。鈦酸酯偶聯
劑和液體石蠟的混合溶液與鐵粉和金剛石的混合
物質量比為1：9，兩者混合攪拌1h，最后稱重保
存。新舊磨料的制備方法相同【4J。制備好的磨料如
圖2所示。
磁性磨料的失效是指由于磁性磨料的磨損導
致其失去應有的加工能力，主要包括磨耗磨損失
效、破碎磨損失效和脫落磨損失效。磨耗磨損失效
是指在正常情況下，隨著使用時間的延長，磁性磨
料的切削刃被磨鈍，磨粒相直徑磨損而大幅減少，
最終失去加工能力。破碎磨損失效是指由于制造工
藝本身、使用不當或在外力的作用下，超過磁性磨
料的極限強度和疲勞強度而破碎；脫落磨損失效也
指由于制作工藝本身及在外力的作用下，磁性磨料
磁性材料及器件 2014年7月
受到超過結合劑強度的外力作用而脫落。破碎磨損
失效和脫落失效均屬于非正常的失效形式，主要包
括磁性磨料的破碎、磨料相自身的破碎、磨料相與
磁介質相的分離三種情況。
另外，磁性磨料還可能吸附一定量的磨屑，從
而影響磁性磨料中磨粒相對于工件的微量磨削作
用，降低加工效果。當該作用影響到一定程度時，
加工表面質量明顯惡化，磁性磨料也即失效 。通
過對磨料失效形式的分析，可以分析出在磁性磨粒
光整加工中，磨料主要是破碎磨損失效和脫落磨損
失效，金剛石本身由于其硬度大、耐磨性高，在加
工過程中形狀和大小保持相對穩(wěn)定，回收有一定可
行性。
對磨料的組成進行物理化學性質分析：金剛石
化學性質穩(wěn)定，具有耐酸性和耐堿性，鐵粉可以與
強酸反應，但容易產生氯氣，所以加入氯化鉀，使
反應不產生氯氣。化學反應如下：
3Fe+C10j+6H +6e。=C1‘+3Fe +3H2O (1)
偶聯劑采用鈦酸酯偶聯劑，鈦酸酯偶聯劑是
70年代后期由美國肯利奇石油化學公司開發(fā)的一
種偶聯劑L8J。對于熱塑型聚合物和干燥的填料有良
好的偶聯效果； 這類偶聯劑可用通式：
ROO4． Ti(OX—RY) (，2=2，3)表示，其中RO．是可水解
的短鏈烷氧基，能與無機物表面羥基起反應，從而
達到化學偶聯的目的；可溶于有機溶劑，如異丙醇、
二甲苯、甲苯、礦物油，遇水分解。利用鈦酸酯偶
聯劑遇水分解的特性，可以在磨料與鹽酸等反應之
后，加入水，對偶聯劑進行溶解，起到提取金剛石
的目的，這樣既節(jié)約時間，同時不加入新的化學試
劑，節(jié)約成本。
液體石蠟是從原油分餾所得到的無色無味的
混合物。它可以分成輕質礦物油及一般礦物油兩
種，而輕質礦物油的比重和黏稠度較低。在日光下
觀察不顯熒光，密度為0．86～0．905g／cm3(25℃)，
不溶于水、甘油、冷乙醇。溶于苯、乙醚、氯仿、
二硫化碳、熱乙醇。利用液體石蠟密度小于水的密
度，而金剛石密度大于水的密度，同時磨料中液體
石蠟的成分非常少，在加入水之后，金剛石沉積在
底部，過濾之后就可以得到金剛石。
3提取金剛石工藝流程
3．1實驗儀器和試劑
原料與試劑：加工以后的非固結磁性磨料(目
63
數200，質量20g，鐵粉質量分數63．5 )，HC1(濃
度6．0mol／L)，KC103(濃度3．0mol／L)，pH試紙。
實驗儀器：天平，燒杯，量筒，攪拌棒，目數
篩。
3．2回收工藝流程與實驗
具體的回收工藝如下：回收舊磨料一清洗一稱
重一溶解一沉淀一分離一清洗一干燥一稱重一制
備新磨料。
3．2．1磨料溶解
取一定量的加工之后的磨料，以磨料中金屬的
摩爾質量為基準，按理論分解量計算所需要的化學
試劑。在完全密閉的條件下溶解，并在溶液中放入
pH試紙。當pH試紙的顏色不再變化時，反應完
畢。在實際反應過程中，不可能按照理論分解量完
全分解，必須確定實際的試劑用量。理論上鐵粉：
氯化鉀：鹽酸摩爾質量比為1：0．3：2，為確定合
理的試劑比例，測定未溶解的磨粒重量計算溶解
率，結果如表2。
表2 磨料等反應原料的物質的量的配比(反應2h)
由表2可知，KClO3物質的量從0．16mol增加
到0．50mol時，磨料的溶解率大幅增高，而HC1
物質的量從0．16mol增加到0．24mol時，磨料溶解
率雖有提高，但并不明顯。氯化鉀對溶解率的影響
要比鹽酸的影響要大，這是因為在這個反應中，氯
化鉀起氧化劑的作用，促進鐵粉的反應，而鹽酸主
要為反應提供酸性環(huán)境，適量增加氧化劑的量可以
促進磨粒的溶解率。氯化鉀和鹽酸的用量是理論量
1．1倍以上溶解率才比較高。溶解率隨時間延長而
增高，但實際上溶解不一定要完全，因未溶解的磨
料還可繼續(xù)重新溶解。當n(Fe)： (C10 )： (H+)
為1：0．5：2．4時，溶解2h之后，磨料的溶解率達
到最佳，可以最大限度地回收金剛石。反應中的磨
料如圖3所示。
3．2．2金剛石回收
溶解液過濾所得過濾渣為金剛石和液體石蠟，
濾液則為含Fe 的溶液。根據金剛石、液體石蠟的
比重不同采用浮選法分離金剛石和液體石蠟，金剛
石密度為3．5lg／cm ，液體石蠟密度為0．5～0．905
g／cm3(25~C)。具體操作如下：取5號濾液殘渣混合
物，加入lOOmL水，靜置5min，隨后把浮在表面
的液體石蠟倒出，最后把剩余的溶液過濾，撈出金
剛石即可。重復2～3次即可全部分離。分離后的金
剛石用洗衣粉等表面活性劑和酒精洗滌即可。金剛
石的回收率達99．12％。提取的金剛石如圖4所示。
在光學顯微鏡下觀察金剛石，發(fā)現金剛石形態(tài)比原
來金剛石光滑一些，強度與原來金剛石相同。
圖3 反應中的磁性磨料 圖4 提取出來的金剛石。粉末
3．2．3新磨料性能評價
磁性磨料的主要性能參數有粒徑、成分及配
比、飽和磁感應強度、密度和加工性能。這里主要
討論飽和磁感應強度和加工性能。
在實際應用中，飽和磁感應強度往往是指某一
指定磁場(基本上達到磁飽和時的磁場)下的磁感
應強度。設計一個簡單裝置測量磁性磨料的飽和磁
感應強度。圖5為設計的飽和磁感應強度測試裝置
1．下磁軛2．線圈3．骨架4．鐵芯5．上磁軛6．試樣盒
7．磁性磨料8．氣隙9．墊圈
圖5 測試裝置原理圖
原理簡圖。將鐵芯4置于空心線圈骨架3中，安裝
上下磁軛1和下磁軛5。再把直徑20x48mm的試
樣盒裝滿磁性磨料，試樣盒下部留出2mm的氣隙。
建立磁性磨料的磁感應強度日與磁感應強度
之間的B-H關系曲線如圖6所示。通過上述裝置
JMagnMaterDevices Vol 45 No 4
∞
暇
鐨
翅
磁場強度H／kA·m
圖6 磁性磨料的B-H磁化曲線
對新舊磨料的磁飽和強度進行測定，新舊磨料
的飽和磁感應強度都在0．6T左右范圍內，符合磁
性磨粒光整加工的要求。
加工能力的評價考慮磨料加工零件之后零件
的表面粗糙度。主要取提取的金剛石重新制各磨料
與原來的磨料在同一條件下對工件加工，并對工件
表面粗糙度進行測量與比較。試件采用100X 150
X 1．8mm的鈦合金板和鎂合金板，表面初始粗糙度
尺 為1．2～1．3gm。加工設備采用普通立式銑床；磁
場發(fā)生裝置采用永磁體制成的磁極頭 o]。
表3 實驗工況(非固結磁性磨料)
項目 參數
粘結劑：磨粒相：
鐵磁相：
試件
液體石蠟，鈦酸酯偶聯劑
金剛石600目
鐵粉200目
鈦合金板，鎂合金板，100x150x1．8mm
磁場發(fā)生裝置 釹鐵硼( 0．5T)
工作間隙6／mm 5
磁極頭轉速／r·min。800
磨料質量幢 5g
實驗工況如表3所示。實驗中設備及夾具如圖
7所示。磨料被吸附于磁極頭上，銑床提供磁極頭
的旋轉運動，夾具用于固定試件，從而實現磨料對
試件的光整加工。
表面粗糙度的測量采用RM．20袖珍式粗糙度
量
越
靶
舊
圖7 實驗設備
測量儀(測量范圍0．1～3．5 um)。此設備可以直接
與工件接觸，可以在設備上直接讀出表面粗糙度
值。測量時，取工件表面三個不同的點分別測量五
次，然后計算平均值，得出工件的表面粗糙度。對
工件加工5min，在加工過程中每隔lmin對預先設
定的點進行表面粗糙度的測量。圖8為新舊磨料加
工效果對比，研磨時間少于3 min時，磁性磨料的
研磨效果比較明顯，原始表面粗糙度由1-3um迅速
降低到O．28Ftm左右；隨研磨時間的延長，工件表
面的粗糙度只有略微降低，最低可以達到0．20Ftm；
研磨4min后，表面粗糙度反而又逐漸增大。這是
因為在研磨初期，工件表面很粗糙，由于尖端效應，
工件表面凸起處的磁場強度較大，因此凸起處會很
快被磨去，使表面粗糙度迅速下降：隨著研磨進
行，尖端效應下降，表面粗糙度的減小也隨之下降：
研磨約4min后，鐵粉和金剛石開始出現分離， 由
于金剛石硬度較高和棱角明顯使得工件表面出現
新的劃痕，從而使表面粗糙度又增大。新舊磨料的
呈
越
喧
加工時fnJ／min 加工時間／min
圖8 新舊磨料加工效果對比：(a)鈦合金；Co)鎂合金
磁性材料及器件 2014年7月 65
加工能力有區(qū)別，是因為新磨料中金剛石由于上次
三 妻 結也有次數的限制果，由此可以得出金剛石的回收 [3]
。
～
nano-finshing [J]． Journal of Materials Processing
Technology．2009，209：6022·6038．
李學全，劉仁茂，胡德金，等．磁性磨粒制備技術[J]．
金剛石與磨粒磨料工程，1995，(5)：20．22．
4結論 【4】夏異璐-非固結磁性磨粒的制備及加工性能試驗研究
[D】．山西：太原理工大學，2009．
(1)提出一種對磁性磨粒光整加工使用的磨
料中金剛石的回收方法，探討了化學試劑的比例，
當n(Fe)：，z(C10 )： ( 為1：0．5：2．4時，反應
2h之后，磨料的溶解率達到最佳，該方法流程簡
單，成本低廉，可以有效的回收金剛石。
(2)由提取的金剛石制成的新磨料飽和磁感應
強度約為0．6T，達到磁性磨粒光整加工的要求。
(3)新舊磨料在同一條件下對同一工件，發(fā)現
工件表面粗糙度相差不大，說明提取出來的金剛石
制備的新磨料加工能力可靠。
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Techno，2005，(26)：477—490．
作者簡介：王海龍(1988-)，男，山西臨縣人，在讀研
究生，主要從事表面光整加工研究
}幸幸● 母}幸幸 木幸+幸幸棗木幸水幸幸木 幸七 木唪母● 宰}唪木 幸+牛木幸幸+木幸木 木 術幸水木牛+木木卑 事 木木幸 母}七木}棗木幸七 幸} 幸七木}幸 牛 木}} 木}} 牛幸木奉} 牛
(上接10頁)
是第四種結構(不帶線圈)的建模示意圖及
TDT-110棒X-Z平面磁場分布圖， 由圖可知，
TDT-110棒中磁場強度范圍為50~52kA／m，在
TDT-110棒中間區(qū)域略大，為52 kAfm，其余大部
分區(qū)域都為50kA／m，均勻性較好。
4結論
通過對四種施加偏場的結構進行詳細模擬計
算和分析可知，在采用N40H作為偏場施加的永磁
體時，圖3的第三種(圓桶狀)和第四種(雙層圓
環(huán)狀)結構中TDT-110棒磁場強度的均勻性最好，
所提供偏場的磁場強度較大，適合需要較大偏場時
使用。第一種結構(雙層圓盤狀)和第二種結構(三
層圓盤狀)提供的偏場較低，磁場均勻性也能滿足
大多數應用需要，適合較小偏場下使用。在四種結
構的基礎上還可以通過優(yōu)選永磁體材料(NdFeB、
AlNiCo、鐵氧體等)及其尺寸等方式來調節(jié)磁場
強度及均勻性達到使用要求。而在這四種永磁偏場
的基礎上增加線圈都可以增加偏場的磁場強度，滿
足高偏場材料的要求，但需要解決發(fā)熱對器件性能
的影響。總之，具體采用哪種結構，還需結合設計
需要和綜合性能來考慮。
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[8] 劉國強，趙凌志，蔣繼婭．Ansofi工程電磁場有限元分
析【M]．北京：電子工業(yè)出版社，2005．50．5l，
作者簡介：牟星(1986-)，男，在讀博士研究生。
JMagnMaterDevices Vol 45 No 4

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