导航：安全管理网>> 安全论文>> 机械安全论文>>正文

磁性磨料的回收与再利用

文档作者：王海龙李文辉赵珂高建红文档来源：太原理工大学		点击数：	更新时间： 2021年08月14日
下载地址：点击这里	文件大小： 354.44 KB 共5页	文档格式： PDF	下载点数： 1 点（VIP免费）

全屏查看

内容预览 [文件共5页]

本文件共5页，如需编辑使用，请下载。

注：预览效果可能会出现部分文字乱码（如口口口）、内容显示不全等问题，下载是正常的。

	文件大小：354.44 KB 共5页文件格式：PDF 下载点数：1 点（VIP会员免费）

下一篇：无损检测与航空维修

上一篇：机械化与现代防汛抢险

文本预览

仅提取页面文字内容，供快速阅读使用。

磁性磨料的回收与再利用
王海龙，李文辉，赵珂，高建红
(太原理工大学机械工程学院，山西太原030024)
摘要：磁性磨粒光整加工是利用磁性磨料在磁场作用下所产生的研磨压力实现对工件表面光整加工的一
种新工艺。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丢弃，造成资源
浪费。提出一种磁性磨料的回收与再利用的方法：利用磨料化学物理性质的不同，提取磨料中价值较高的金刚
石，再与新的铁粉制成新的磨料。比较新旧磨料在同一条件下对同一工件的加工效果，表明新磨料加工能力可
靠。这种方法简单方便，成本低廉。
关键词：光整加工；磁性磨粒；金刚石；回收
中图分类号：TG73 文献标识码：A 文章编号：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场作
用下所产生的作用力实现对工件表面光整加工的
一种新工艺。这种工艺以其良好的柔性、自适应性、
自锐性等突出优点，在制药业、航天航空业和精密
制造业等领域有广阔的应用前景【l0]。作为磁性磨
粒光整加工的工具，磁性磨料是一种复合材料。由
于磁性磨料在磁场中能够被磁化并受到足够强的
磁场力作用，这就不仅要求它有普通磨料所具有的
高硬度、可切削金属的能力，而且要求它有较强的
导磁性能。最简单的磁性磨料是满足一定性能要求
收稿日期：2013．09．12 修回日期：2013 11．14
通讯作者：王海龙 E-mail：wanhhailong1988@qq．corn．
62
的铁氧体磁性材料、金属磁性材料以及硬质合金粉
末，这些纯磁性磨料通常只用于研磨软质合金或有
色金属，也可用于去除软的氧化薄膜或氧化皮。对
于耐磨材料的磁性研磨，须采用氧化铝、碳化硅、
金刚石等硬质磨料与铁磁性粉末复合，实际上它们
是铁粉和三氧化二铝粉末经热压后再粉碎的磨粒，
或者是强磁体上涂覆金刚石磨料而制成的磨粒。常
见的几种磨料的特性如表1。
从表中可以看出，金刚石与铁粉制成的磨料综
合性能比较突出，但金刚石成本比较高，所以回收
磁性磨料中的金刚石具有一定的价值。目前大部分
磁性磨料在使用一次后直接丢弃，造成资源的浪
费，所以回收金刚石再次制成磁性磨料可以节约资
源。
JMagnMaterDevices Vol 45 No 4
表1 几种磁性磨料特性的比较
觥磨料 成本
2磨料制备与回收原理
现在使用的大多数磁性磨粒结构如图l所示，
图中磨粒相为金刚石，磁介质相为铁粉。本实验采
用的磨料使用非固结的方法制备，其最大特点是组
成磁性磨粒的铁磁相和磨粒相在结合剂的作用下粘
结在一起，具有一定的弹性，属于非固结的粘结性
磨料【4J。其不需要成形、烘干、固化、破碎等工序。
同时由于其具有非固结的特性，可以在磨料中加入
烧结法磁性磨粒废弃的磨料，实现对工件的光整。
1．磨粒相2．结合剂3．磁 质相
图1 磨料的构成 图2 非固结磁性磨粒
本实验采用的磨料具体制备过程如下：取铁粉
(200目)和金刚石(600目)的质量比为3：1，
放入v型混合器，混料4h之后取出。钛酸酯偶联
剂和液体石蜡的混合溶液与铁粉和金刚石的混合
物质量比为1：9，两者混合搅拌1h，最后称重保
存。新旧磨料的制备方法相同【4J。制备好的磨料如
图2所示。
磁性磨料的失效是指由于磁性磨料的磨损导
致其失去应有的加工能力，主要包括磨耗磨损失
效、破碎磨损失效和脱落磨损失效。磨耗磨损失效
是指在正常情况下，随着使用时间的延长，磁性磨
料的切削刃被磨钝，磨粒相直径磨损而大幅减少，
最终失去加工能力。破碎磨损失效是指由于制造工
艺本身、使用不当或在外力的作用下，超过磁性磨
料的极限强度和疲劳强度而破碎；脱落磨损失效也
指由于制作工艺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
受到超过结合剂强度的外力作用而脱落。破碎磨损
失效和脱落失效均属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、磨料相与
磁介质相的分离三种情况。
另外，磁性磨料还可能吸附一定量的磨屑，从
而影响磁性磨料中磨粒相对于工件的微量磨削作
用，降低加工效果。当该作用影响到一定程度时，
加工表面质量明显恶化，磁性磨料也即失效 。通
过对磨料失效形式的分析，可以分析出在磁性磨粒
光整加工中，磨料主要是破碎磨损失效和脱落磨损
失效，金刚石本身由于其硬度大、耐磨性高，在加
工过程中形状和大小保持相对稳定，回收有一定可
行性。
对磨料的组成进行物理化学性质分析：金刚石
化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性，铁粉可以与
强酸反应，但容易产生氯气，所以加入氯化钾，使
反应不产生氯气。化学反应如下：
3Fe+C10j+6H +6e。=C1‘+3Fe +3H2O (1)
偶联剂采用钛酸酯偶联剂，钛酸酯偶联剂是
70年代后期由美国肯利奇石油化学公司开发的一
种偶联剂L8J。对于热塑型聚合物和干燥的填料有良
好的偶联效果； 这类偶联剂可用通式：
ROO4． Ti(OX—RY) (，2=2，3)表示，其中RO．是可水解
的短链烷氧基，能与无机物表面羟基起反应，从而
达到化学偶联的目的；可溶于有机溶剂，如异丙醇、
二甲苯、甲苯、矿物油，遇水分解。利用钛酸酯偶
联剂遇水分解的特性，可以在磨料与盐酸等反应之
后，加入水，对偶联剂进行溶解，起到提取金刚石
的目的，这样既节约时间，同时不加入新的化学试
剂，节约成本。
液体石蜡是从原油分馏所得到的无色无味的
混合物。它可以分成轻质矿物油及一般矿物油两
种，而轻质矿物油的比重和黏稠度较低。在日光下
观察不显荧光，密度为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、热乙醇。利用液体石蜡密度小于水的密
度，而金刚石密度大于水的密度，同时磨料中液体
石蜡的成分非常少，在加入水之后，金刚石沉积在
底部，过滤之后就可以得到金刚石。
3提取金刚石工艺流程
3．1实验仪器和试剂
原料与试剂：加工以后的非固结磁性磨料(目
63
数200，质量20g，铁粉质量分数63．5 )，HC1(浓
度6．0mol／L)，KC103(浓度3．0mol／L)，pH试纸。
实验仪器：天平，烧杯，量筒，搅拌棒，目数
筛。
3．2回收工艺流程与实验
具体的回收工艺如下：回收旧磨料一清洗一称
重一溶解一沉淀一分离一清洗一干燥一称重一制
备新磨料。
3．2．1磨料溶解
取一定量的加工之后的磨料，以磨料中金属的
摩尔质量为基准，按理论分解量计算所需要的化学
试剂。在完全密闭的条件下溶解，并在溶液中放入
pH试纸。当pH试纸的颜色不再变化时，反应完
毕。在实际反应过程中，不可能按照理论分解量完
全分解，必须确定实际的试剂用量。理论上铁粉：
氯化钾：盐酸摩尔质量比为1：0．3：2，为确定合
理的试剂比例，测定未溶解的磨粒重量计算溶解
率，结果如表2。
表2 磨料等反应原料的物质的量的配比(反应2h)
由表2可知，KClO3物质的量从0．16mol增加
到0．50mol时，磨料的溶解率大幅增高，而HC1
物质的量从0．16mol增加到0．24mol时，磨料溶解
率虽有提高，但并不明显。氯化钾对溶解率的影响
要比盐酸的影响要大，这是因为在这个反应中，氯
化钾起氧化剂的作用，促进铁粉的反应，而盐酸主
要为反应提供酸性环境，适量增加氧化剂的量可以
促进磨粒的溶解率。氯化钾和盐酸的用量是理论量
1．1倍以上溶解率才比较高。溶解率随时间延长而
增高，但实际上溶解不一定要完全，因未溶解的磨
料还可继续重新溶解。当n(Fe)： (C10 )： (H+)
为1：0．5：2．4时，溶解2h之后，磨料的溶解率达
到最佳，可以最大限度地回收金刚石。反应中的磨
料如图3所示。
3．2．2金刚石回收
溶解液过滤所得过滤渣为金刚石和液体石蜡，
滤液则为含Fe 的溶液。根据金刚石、液体石蜡的
比重不同采用浮选法分离金刚石和液体石蜡，金刚
石密度为3．5lg／cm ，液体石蜡密度为0．5～0．905
g／cm3(25~C)。具体操作如下：取5号滤液残渣混合
物，加入lOOmL水，静置5min，随后把浮在表面
的液体石蜡倒出，最后把剩余的溶液过滤，捞出金
刚石即可。重复2～3次即可全部分离。分离后的金
刚石用洗衣粉等表面活性剂和酒精洗涤即可。金刚
石的回收率达99．12％。提取的金刚石如图4所示。
在光学显微镜下观察金刚石，发现金刚石形态比原
来金刚石光滑一些，强度与原来金刚石相同。
图3 反应中的磁性磨料 图4 提取出来的金刚石。粉末
3．2．3新磨料性能评价
磁性磨料的主要性能参数有粒径、成分及配
比、饱和磁感应强度、密度和加工性能。这里主要
讨论饱和磁感应强度和加工性能。
在实际应用中，饱和磁感应强度往往是指某一
指定磁场(基本上达到磁饱和时的磁场)下的磁感
应强度。设计一个简单装置测量磁性磨料的饱和磁
感应强度。图5为设计的饱和磁感应强度测试装置
1．下磁轭2．线圈3．骨架4．铁芯5．上磁轭6．试样盒
7．磁性磨料8．气隙9．垫圈
图5 测试装置原理图
原理简图。将铁芯4置于空心线圈骨架3中，安装
上下磁轭1和下磁轭5。再把直径20x48mm的试
样盒装满磁性磨料，试样盒下部留出2mm的气隙。
建立磁性磨料的磁感应强度日与磁感应强度
之间的B-H关系曲线如图6所示。通过上述装置
JMagnMaterDevices Vol 45 No 4
∞
暇
镄
翅
磁场强度H／kA·m
图6 磁性磨料的B-H磁化曲线
对新旧磨料的磁饱和强度进行测定，新旧磨料
的饱和磁感应强度都在0．6T左右范围内，符合磁
性磨粒光整加工的要求。
加工能力的评价考虑磨料加工零件之后零件
的表面粗糙度。主要取提取的金刚石重新制各磨料
与原来的磨料在同一条件下对工件加工，并对工件
表面粗糙度进行测量与比较。试件采用100X 150
X 1．8mm的钛合金板和镁合金板，表面初始粗糙度
尺 为1．2～1．3gm。加工设备采用普通立式铣床；磁
场发生装置采用永磁体制成的磁极头 o]。
表3 实验工况(非固结磁性磨料)
项目 参数
粘结剂：磨粒相：
铁磁相：
试件
液体石蜡，钛酸酯偶联剂
金刚石600目
铁粉200目
钛合金板，镁合金板，100x150x1．8mm
磁场发生装置 钕铁硼( 0．5T)
工作间隙6／mm 5
磁极头转速／r·min。800
磨料质量幢 5g
实验工况如表3所示。实验中设备及夹具如图
7所示。磨料被吸附于磁极头上，铣床提供磁极头
的旋转运动，夹具用于固定试件，从而实现磨料对
试件的光整加工。
表面粗糙度的测量采用RM．20袖珍式粗糙度
量
越
靶
旧
图7 实验设备
测量仪(测量范围0．1～3．5 um)。此设备可以直接
与工件接触，可以在设备上直接读出表面粗糙度
值。测量时，取工件表面三个不同的点分别测量五
次，然后计算平均值，得出工件的表面粗糙度。对
工件加工5min，在加工过程中每隔lmin对预先设
定的点进行表面粗糙度的测量。图8为新旧磨料加
工效果对比，研磨时间少于3 min时，磁性磨料的
研磨效果比较明显，原始表面粗糙度由1-3um迅速
降低到O．28Ftm左右；随研磨时间的延长，工件表
面的粗糙度只有略微降低，最低可以达到0．20Ftm；
研磨4min后，表面粗糙度反而又逐渐增大。这是
因为在研磨初期，工件表面很粗糙，由于尖端效应，
工件表面凸起处的磁场强度较大，因此凸起处会很
快被磨去，使表面粗糙度迅速下降：随着研磨进
行，尖端效应下降，表面粗糙度的减小也随之下降：
研磨约4min后，铁粉和金刚石开始出现分离， 由
于金刚石硬度较高和棱角明显使得工件表面出现
新的划痕，从而使表面粗糙度又增大。新旧磨料的
呈
越
喧
加工时fnJ／min 加工时间／min
图8 新旧磨料加工效果对比：(a)钛合金；Co)镁合金
磁性材料及器件 2014年7月 65
加工能力有区别，是因为新磨料中金刚石由于上次
三 妻 结也有次数的限制果，由此可以得出金刚石的回收 [3]
。
～
nano-finshing [J]． Journal of Materials Processing
Technology．2009，209：6022·6038．
李学全，刘仁茂，胡德金，等．磁性磨粒制备技术[J]．
金刚石与磨粒磨料工程，1995，(5)：20．22．
4结论 【4】夏异璐-非固结磁性磨粒的制备及加工性能试验研究
[D】．山西：太原理工大学，2009．
(1)提出一种对磁性磨粒光整加工使用的磨
料中金刚石的回收方法，探讨了化学试剂的比例，
当n(Fe)：，z(C10 )： ( 为1：0．5：2．4时，反应
2h之后，磨料的溶解率达到最佳，该方法流程简
单，成本低廉，可以有效的回收金刚石。
(2)由提取的金刚石制成的新磨料饱和磁感应
强度约为0．6T，达到磁性磨粒光整加工的要求。
(3)新旧磨料在同一条件下对同一工件，发现
工件表面粗糙度相差不大，说明提取出来的金刚石
制备的新磨料加工能力可靠。
参考文献：
[1] 翟洪飞，杨胜强，李文辉，李秀红．粘弹性磁性磨具
对铝板平面的光整加工研究[J]．机械设计与制造，
2012 (7)：133．135．
【2】Jain V K．Magnetic field assisted abrasive based micro-
【5】杨胜强，李文辉，陈红玲，等．表面光整加工理论与新
技术[M]．国防工业出版社，2011：173．174．
[6】郑小清，蒙德仲，周新木．废刀具中金刚石等有价物
质的综合回收[J]．江西化工，2008，1985创(4)：
197．199．
[7】 郭灵虹，陈世途．废弃金刚石刀具选择性浸出及回收
工艺研究．四川有色金属[J]．1996，?(1)：l9．23．
[8】王德粉，杨昌玉，胡国有．钛酸酯偶联剂及其应用[J]．
纺织器材，1980，7(2)：1-16．
[9】 Singh Dhirendra K，Jian V K，Raghurram V Parametric
study of magnetic abrasive finishing process[J]．Journal
ofM~efials Processing Techn ology ，2004， 149：22—29．
[10]Jayswal S C，Jain V K．Modeling and simulation of
magnetic abrasive finishing process[J】．Int J AdV Manu
Techno，2005，(26)：477—490．
作者简介：王海龙(1988-)，男，山西临县人，在读研
究生，主要从事表面光整加工研究
}幸幸● 母}幸幸 木幸+幸幸枣木幸水幸幸木 幸七 木唪母● 宰}唪木 幸+牛木幸幸+木幸木 木 术幸水木牛+木木卑 事 木木幸 母}七木}枣木幸七 幸} 幸七木}幸 牛 木}} 木}} 牛幸木奉} 牛
(上接10页)
是第四种结构(不带线圈)的建模示意图及
TDT-110棒X-Z平面磁场分布图， 由图可知，
TDT-110棒中磁场强度范围为50~52kA／m，在
TDT-110棒中间区域略大，为52 kAfm，其余大部
分区域都为50kA／m，均匀性较好。
4结论
通过对四种施加偏场的结构进行详细模拟计
算和分析可知，在采用N40H作为偏场施加的永磁
体时，图3的第三种(圆桶状)和第四种(双层圆
环状)结构中TDT-110棒磁场强度的均匀性最好，
所提供偏场的磁场强度较大，适合需要较大偏场时
使用。第一种结构(双层圆盘状)和第二种结构(三
层圆盘状)提供的偏场较低，磁场均匀性也能满足
大多数应用需要，适合较小偏场下使用。在四种结
构的基础上还可以通过优选永磁体材料(NdFeB、
AlNiCo、铁氧体等)及其尺寸等方式来调节磁场
强度及均匀性达到使用要求。而在这四种永磁偏场
的基础上增加线圈都可以增加偏场的磁场强度，满
足高偏场材料的要求，但需要解决发热对器件性能
的影响。总之，具体采用哪种结构，还需结合设计
需要和综合性能来考虑。
参考文献：
[1】 Arms~ong W D．Magnetization and magnetostriction
processes in Tbf0．
27．0 3o)Dy(0 73 0．70)Fe0．9．2．0)[J]．J Appl
Phys，1997，81(5)：2321-2326．
[2] Hong C C．Application of a magnetostrictiveactuator[J】．
Mater Des，2013，46：617-621．
[3】宣振兴，邬义杰，王慧忠，等．超磁致伸缩材料发展动
态与工程应用研究现状[J]．轻工机械，2011，29(1)：
l16．119．
【4】Angara R， Si L， Anjanappa M．A high speed
magnetostrictive mirror deflector[J]．Smart Mater Struct，
2009，18(9)：095015．
[5】Park G Bement M L Hartman D A，et a1．The use of
active materials for machining processes：A review [J]．
Int J Mach Tool Manu，2007，47(15)：2189—2206．
[6】徐峰，张虎，蒋成保，等．超磁致伸缩材料作动器的
研制及特性分析【J]．航空学报，2002，23(6)：552—555．
[7] 王博文，曹淑瑛，黄文美．磁致伸缩材料与器件[M]．
北京：冶金工业出版社，2008．208．209．
[8] 刘国强，赵凌志，蒋继娅．Ansofi工程电磁场有限元分
析【M]．北京：电子工业出版社，2005．50．5l，
作者简介：牟星(1986-)，男，在读博士研究生。
JMagnMaterDevices Vol 45 No 4

网友评论 more

机械安全论文最新内容

03-05