液體磁性磨具基液改性實驗分析

張 宏

(太原理工大學機械工程學院,太原030024)

液體磁性磨具光整加工技術是基于磁流變性而開發的。國外磁流變拋光的研究比國內要早,如美國的Lord公司等己有較成熟一系列的水基磁流變拋光液產品出售。液體磁性磨具與磁流變拋光液就性能和成分來講都與液體磁性磨具有很大差別,而且兩種技術的加工機理也不同。磁流變拋光液僅用于光學鏡片及陶瓷材料的表面拋光;液體磁性磨具主要用于機械零件的表面光整加工。

液體磁性磨具是由軟磁性微粒、表面活性劑及基液等組成的懸浮液,具有很強的磁流變特性和研磨特性。這種光整介質在通常情況下為流動性很好的牛頓流體,一旦對其施加磁場,它就會迅速“變硬”,轉化為具有較高剪切應力的Bingham介質;并且剪切應力越高,液體磁性磨具越“硬”,光整加工效率就越高。這些特性使液體磁性磨具加工技術具有形狀適應性強、加工表面質量高、表面損傷小等優點,將會從很大程度上解決目前較小零件表面及異型表面精密光整加工難題。

磁流變液的穩定性是評價磁流變液品質的一個重要指標。為了增強穩定性,在液體磁性磨具中要加入合適的表面活性劑及助劑。目前液體磁性磨具用的表面活性劑是十二烷基磺酸鈉,加工工件的過程中十二烷基磺酸鈉易與鐵粉脫附,以泡沫的形式析出,不利于加工的進行;加工工件后液體磁性磨具的再分散穩定性和抗沉降穩定性都將大大降低;加工完取出工件后,靜置一段時間,液體磁性磨具中的固體顆粒沉淀物板結,難以再分散,致使液體磁性磨具的有效使用壽命較低。解決問題的方法有諸多種,普遍認為改性劑可通過物理吸附或化學吸附來達到磁流變液的穩定性。筆者采用化學吸附方法,即利用改性劑與固體顆粒表面羥基作用形成共價鍵,或改性劑通過氫鍵作用于固體表面,從而使改性劑與固體顆粒間形成牢固結合來改善其穩定性。通過選用各類改性劑的實驗研究得知,改性劑六偏磷酸鈉和聚丙烯酸(PAA)符合上述要求,能與羰基鐵粒表面的羥基作用形成共價鍵或氫鍵作用。

1 實驗與分析

1.1 基液改性制備工藝

混合一定體積的去離子水,一定量的改性劑,在強力攪拌器上充分攪拌使其均勻;然后取一定量的納米二氧化硅邊攪拌邊加入,當里面出現白點狀物質,以700 r/min的速度強力分散30 min;均勻加入一定量的抗氧化劑和羰基鐵粉。在加羰基鐵粉時注意速度不能太快以免結塊,鐵粉迅速沉降到容器底部難以攪拌。在40～50℃溫度下強力分散體系8 h以上。最后,加入一定粒度一定體積的磨料,再強力分散30 min以上,制成液體磁性磨具。液體磁性磨具的組分見表1所示。

表1 液體磁性磨具成分組成

1.2 不同種類改性劑對液體磁性磨具沉降性影響

本實驗分別用六偏磷酸鈉、PAA、TH-3100、TH-613、TH-241等改性劑對液體磁性磨具進行改性實驗。改性劑用量為3 mL,羰基鐵粉的等點位點(iep)PHiep在5左右。圖1是改性劑對羰基鐵粉懸浮液影響的沉降曲線。

圖1 改性劑對懸浮液影響的沉降曲線

圖2 不同pH值下PAA在羰基鐵表面的吸附構型

由圖1可以看出,PAA對懸浮液的改性效果是非常好的。這是由于羰基鐵粉在液體磁性模具中表面被氧化形成原電池,改性劑PAA的放入可與羰基鐵粉中的鐵顆粒表面羥基作用吸附于羰基表面,延長沉降時間。

吸附后的結構與p H值和改性劑的用量有關。圖2是不同pH值下PAA在羰基鐵表面的吸附構型。隨著p H值的增加,PAA的解離度增加。當pH值在7～9時,PAA解離數比會很大,PAA對羰基鐵粉顆粒的改性效果是非常明顯的,從而大大降低了沉降速度。

1.3 不同用量改性劑對液體磁性磨具沉降性影響

用六偏磷酸鈉和PAA在不同用量下對羰基鐵懸浮液進行改性實驗,以尋求六偏磷酸鈉和PAA加入量對懸浮液的影響規律,從而獲得最佳用量。圖3分別為單獨加入六偏磷酸鈉用量與沉降時間的關系和加入5 g納米二氧化硅時沉降時間與六偏磷酸鈉用量的關系。

圖3 沉降時間與六偏磷酸鈉用量的關系

從圖3中看到,不同量的六偏磷酸鈉加入,懸浮液的沉降時間明顯不同,當加入納米二氧化硅后其沉降時間有了很大的變化。加5 g納米二氧化硅后,六偏磷酸鈉加入4 g時沉降時間達到最高,當繼續增加改性劑后沉降時間不是增加反而開始下降,黏度也隨之增大。這是因為六偏磷酸鈉對懸浮液起靜電排斥作用,六偏磷酸鈉加入,使固體顆粒表面吸附的負離子增多,電位上升,粒子間的靜電排斥作用增大,顆粒很難團聚。若六偏磷酸鈉用量為1～2 g時,粒子表面電位較小,靜電排斥力較小,顆粒間的排斥力不足以抵抗范德華引力,所以顆粒之間分散效果不足;六偏磷酸鈉用量在3～4 g時,顆粒表面的吸附處于最佳飽和吸附狀態,表面的電位較大,顆粒間的靜電排斥力較大,不易團聚;當六偏磷酸鈉加入量超過4 g時,顆粒間的排斥力大于范德華引力,引起顆粒的團聚,黏度加大,使顆粒發生再分散。

圖4分別為單獨加入PAA用量與沉降時間的關系和加入5 g納米二氧化硅時沉降時間與PAA用量的關系。在PAA相同用量下,加入納米二氧化硅的樣品沉降時間較沒加納米二氧化硅的樣品沉降時間長得多,并且隨著PAA的增加,抗沉降性趨勢也有所改變。這是因為在不加磁場時,液體模具中顆粒間主要受范德華力、靜電作用力、空間位阻力、溶劑化力等的相互作用[6],當納米二氧化硅加入后,納米二氧化硅分布在微米顆粒之間,通過靜電斥力維持整個體系穩定性。液體中的六偏磷酸鈉吸附在納米二氧化硅顆粒上,使納米二氧化硅顆粒上吸附有較多的負離子;同時納米二氧化硅顆粒存在于微米級羰基鐵顆粒的間隙中,使羰基鐵顆粒與顆粒之間的電位上升,顆粒間的靜電排斥作用增大,顆粒不易團聚。所以非磁性納米粒子的加入對體系的沉降穩定性有明顯的增大作用,同時使體系磁流變性具有較大增效作用。液體磁性模具的零場黏度隨著納米二氧化硅加入量的增多而慢慢增大,但加入量不能太大,否則液體的流動性會大大降低,并且對液體磁性模具的磁化性能有一定影響。

圖4 沉降時間與PAA用量的關系

未經過改性的液體磁性磨具在加工工件時液體有明顯的起泡現象,而且加工工件后,液體磁性磨具中的固體顆粒沉降較快,并發生嚴重板結,再分散性能非常差,靜置一定的時間后沉淀物成為不可再分散的硬塊。而改性后的液體磁性磨具,從根本上消除了加工時起泡的現象,抗沉降穩定性和再分散性都明顯提高,有效使用壽命加長,使原有配比一次基液加工兩個工件達到可反復加工多次的效果,且最終使加工粗糙度較低。加工效果和加工效率均有明顯提高,達到了預期改性的效果。

表2是采用德國MARH公司的Perthometer M2粗糙度測量儀,對45號材料改性前后工件的表面粗糙度及表面輪廓測量的實驗數據。

表2 45號鋼工件實驗數據

在相同時間中,用改性劑PAA和六偏磷酸鈉對液體磁性磨具進行改性,都能獲得較好的表面性能。可以看出,用兩種改性劑改性的液體磁性磨具對加工鋼件均有顯著的效果。

圖5是改性前后液體磁性模具加工工件表面粗糙度的實驗曲線。從圖上可以看到未改性前加工性能有兩個問題,其一是加工時間5～10 min表面精度有所提高,但不是很明顯;其二是加工時間超過10 min后表面精度反而降低。改性后對未改性的兩個問題得到了很好的修正。其主要原因是加入改性劑后有效地提高了液體磁性磨具的沉降穩定性。

圖5 改性前后的對比

2 結論

通過以上分別對影響液體磁性磨具中羰基鐵顆粒分散和沉降性能的主要因素進行的實驗研究及改性機理分析,得出以下結論：

1)液體磁性磨具中加入固體顆粒的表面改性,PAA和六偏磷酸鈉的改性效果較好。PAA在弱堿性環境下解離程度較大,以化學吸附的形式牢固的吸附于羰基鐵顆粒表面;六偏磷酸鈉在較寬的酸堿環境下,以特征吸附的形式吸附于羰基鐵顆粒表面。在合適的用量下,沉降物均有較好的再分散性能。

2)納米二氧化硅能夠有效地提高液體磁性磨具的沉降穩定性,同時也有助于改善液體磁性磨具的再分散性能。但加入量有一界定值,否則液體的流動性會降低,并對液體磁性模具的磁化性能有一定影響。

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