《Journal of Magnetism and Magnetic Materials》：Formation mechanism and properties of FeB/Fe2B dual-phase gradient structured magnetic abrasives
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本研究采用包渗碳法在球形铁粉表面构建梯度硼化层，优化制备条件（850℃×2h）实现45μm均匀壳层，提高切割效率并延长使用寿命至240分钟，显著降低表面粗糙度至0.1348μm，为高性能磁性磨料开发提供新途径。
Boru Jin|Guodong Liang|Xudong Zhao|Bei Yang|Xinjian Zhang|Bo Cheng|Wensheng Li
中国甘肃省兰州市兰州工业大学材料科学与工程学院先进有色金属加工与回收国家重点实验室，邮编730050
摘要
本研究探讨了传统磁性磨料的局限性，包括由于切削刃突起高度较低导致的切削能力不足和使用寿命较短的问题。为了解决这些问题，采用了一种包覆烧结工艺在球形铁粉表面构建多层壳结构，使磨料能够保持稳定且持久的切削性能。通过调整保温温度和时间，B原子逐渐扩散到铁粉中，形成具有逐渐向内变化的成分梯度的多层核壳结构。显微观察和成分分析表明，850°C下保温2小时是最佳的制备条件。在这种条件下，壳层厚度约为45μm，具有双相硼化物结构，其特征是切削刃分布均匀且突起高度增加。性能测试显示，外层切削相在加工过程中可以不断更新，保持高切削效率，使用寿命约为240分钟。在加工锆管的过程中，这些磨料将表面粗糙度从0.2254μm降低到0.1348μm，使加工表面更加光滑均匀。与传统磨料相比，所开发的磨料不仅具有优异的磁性能，还具有更好的耐磨性和更稳定的切削性能。总体而言，所提出的制备方法在磨料表面有效地形成了稳定、均匀且耐用的切削层，显著提高了加工质量和效率，为高性能磁性磨料的发展提供了有前景的方法。
引言
磁性磨料抛光（MAF）是一种先进的加工技术，它利用外部磁场生成由磁性磨料组成的柔性“磁刷”。通过磨料与工件表面之间的相对运动来实现表面抛光[1]、[2]。这种方法可以在保证加工精度的同时去除材料。它特别适用于加工复杂的曲面、细长通道和微尺度部件[3]、[4]、[5]。与传统机械抛光相比，MAF加工后的工件表面没有明显的塑性变形或残余应力，并且在加工过程中温度升高幅度很小。因此，它在航空航天、精密模具制造、医疗设备制造和半导体制造等领域具有显著的应用潜力[6]、[7]、[8]。在MAF中，磁性磨料作为切削工具，直接决定了切削方式和表面去除行为。这是影响工艺稳定性和表面质量的关键因素[9]、[10]。
目前用于制备磁性磨料的主要方法包括简单混合、粘合[11]、[12]、烧结[13]、[14]以及雾化快速凝固（ARS）[15]、[16]、[17]方法。Rajesh Purohit等人[18]使用了一种简单的混合方法，将铁磁相与磨料相和润滑剂直接混合。虽然这种制备过程简单，但铁磁相与磨料相之间的粘合强度较弱，导致磨料颗粒在加工过程中容易脱落；Yang等人[19]使用粘合方法制备了形态可控且抛光效果良好的磁性磨料，但这些磨料的热稳定性较差。长时间加工产生的热量会使粘合剂软化，导致切削刃变钝和整体结构退化，从而降低磨料的切削性能；尽管通过烧结方法制备的磁性磨料具有较高的粘合强度，但仍存在颗粒大小不均匀和球形度差的问题。特别是当硬质相在基体表面分布不规则并逐渐剥落时，暴露的基体缺乏自锐化能力，这直接导致磨料失效和使用寿命缩短；Song等人[20]使用雾化快速凝固（ARS）方法制备了球形度高且硬质相分布均匀的磨料。当用这种方法对钴铬合金管内壁进行抛光时，表面粗糙度从0.485μm降低到0.092μm。然而，这种方法需要复杂的设备，制备成本高，并且难以实现大规模工业生产。传统方法常常受到有效切削刃密度低、自锐化能力差、使用寿命短和制造成本高等问题的影响，这些因素限制了MAF的广泛应用。磁性磨料切削刃的配置从根本上决定了材料去除速率[21]、表面光洁度[22]、磨料使用寿命[23]、残余应力[24]以及切削过程的稳定性[25]。硬质相分布不均或切削刃突起高度低会限制磨料与工件之间的有效接触面积，从而降低研磨效率。如果在磁性基体上形成连续的硬质层结构，就可以在多角度接触下保持高效的切削。此外，随着磨损的发生，通过重新配置表面形貌可以再生新的切削刃，实现自锐化。
为了克服这些限制，本研究提出了一种基于包覆烧结的磁性磨料制备方法。创新之处在于多层壳结构的设计，使得硬质相能够以梯度方式封装并扩散到铁基体表面[26]、[27]。包覆烧结技术属于化学气相沉积（CVD）的一种形式。所得层的形成主要依赖于高温下的界面扩散反应，在层与基底之间形成冶金结合[28]、[29]。包覆烧结过程在高温下促进硼原子与铁基体之间的扩散，从而在表面形成均匀的双相（FeB, Fe2B）梯度硼化层[30]、[31]、[32]。与传统烧结磨料不同，传统磨料中的硬质相以孤立颗粒的形式附着在基体表面，而这种方法生成的磨料颗粒在整个表层形成连续的切削壳。这种结构确保了切削刃的均匀分布和较高的突起密度，从而在多个角度下提供有效的切削能力。此外，随着磨料的磨损，外层硬质相逐渐侵蚀形成新的切削刃，而底层保持其硬度，从而实现连续的边缘生成和磨损循环，显著延长了磨料的使用寿命和操作稳定性[33]、[34]。同时，磨料的高球形度使其具有良好的流动性，便于在磁场中动态更新[35]。本研究系统地阐明了保温温度和时间如何调节硼化层的微观结构、切削刃的形成和扩散层的演变，为制备高性能、长寿命的磁性磨料提供了理论和技术基础。
材料与方法
实验中使用的铁粉是通过雾化法制备的，平均粒径为250μm，球形度优异。其微观结构和化学成分如图1(a)所示。B元素使用B4C（AR级，纯度≥99%）作为载体沉积，其微观结构如图1(b)所示。包覆烧结过程中使用的催化剂为KBF4（AR级，纯度≥99%），由国药集团提供。
图2(a)展示了磁性磨料的抛光效果
保温温度对磨料微观结构的影响
图3显示了在不同保温温度下制备2小时的磁性磨料的表面和截面形态，以及放大的截面视图。图4(a)、(b)和(c)展示了磨料涂层截面的EDS点扫描图。图4(d)展示了在不同保温温度下制备的磨料的XRD图谱。
从图3(a1)的表面形态图像可以看出，当保温温度为800°C时，硬质相的生长...
结论
通过包覆烧结成功制备了具有多层核壳梯度结构的Fe
B磁性磨料（200–300μm）。在最佳条件（850°C下保温2小时）下，这些磨料形成了致密的约50μm厚的梯度硼化层（外层FeB层25.5μm，内层Fe
2B层24.6μm）。该结构表现出一致的切削刃突起和与基体良好的冶金结合。
Fe
B磁性磨料上硼化层的生长机制被揭示为...
CRediT作者贡献声明
Boru Jin：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿。Guodong Liang：正式分析，概念化。Xudong Zhao：实验研究，数据管理。Bei Yang：软件开发，数据管理。Xinjian Zhang：资源获取，实验研究。Bo Cheng：数据可视化，验证。Wensheng Li：项目管理，资金筹集。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（W2412069）、甘肃省高层次人才项目、甘肃省基础研究项目（25JRRA128、25JRRA055）以及“111”项目（D21032）的共同支持。
