脉冲磁处理金刚石结块的实验及磁场数值模拟

付宇明　刘　明　郭建龙　郑丽娟

燕山大学,秦皇岛,066004



脉冲磁处理金刚石结块的实验及磁场数值模拟

付宇明刘明郭建龙郑丽娟

燕山大学,秦皇岛,066004

采用热压烧结方法制备金刚石结块，对金刚石结块进行脉冲磁处理。分别对经脉冲磁处理和未经磁处理的金刚石结块进行冲击韧性实验,检测经脉冲磁处理和未经磁处理的金刚石结块的冲击功，观察金刚石结块在冲击实验后的断口显微组织。对脉冲磁处理的磁场进行瞬态磁场数值模拟。实验结果表明,经脉冲磁处理后的金刚石结块冲击韧性平均提高35.4%，断口晶粒间隙明显减小。数值模拟结果说明,金刚石结块侧边缘磁场强度较大，磁场应力集中，周期变化的磁场应力会引发磁致振荡效应。实验和数值模拟结果表明,脉冲磁处理可以改善金刚石结块性能。

金刚石结块；磁处理；冲击韧性；显微组织；数值模拟

0　引言

目前所发现的自然界中硬度最高的物质是天然金刚石,金刚石工具被广泛应用于高硬度难加工材料的磨削、切割加工，例如花岗石、宝石、硬质合金、陶瓷材料以及半导体晶体、磁性材料等的加工制造[1-2]。金刚石具有高硬度、超耐磨和良好导热性等优异性能，特别适用于各种硬脆材料的精密加工,在切削加工制造中已经被广泛应用，成为现代工业生产过程中重要的工具,它的特殊性能决定了其在各种工程材料加工领域将会有广阔的发展前景[3-4]。缺口冲击韧性是金属材料应用的一个重要动态性能指标,它直接影响材料的使用性能和结构的安全可靠性[5]。使用金刚石工具加工零件时,不可避免地会使刀头受到强烈冲击,从而使金刚石工具的使用寿命和性能降低,因此,提高内含金刚石颗粒胎体的冲击韧性显得十分重要。

当前有许多通过磁处理改善金属材料性能的研究[6-7],根据金属物理学理论,金属材料中的自由电子本身固有磁矩在外磁场的作用下具有取向趋于一致的特性，铁磁体在磁场的作用下，内部晶粒将产生磁致伸缩效应而发生微观振动,使相邻晶格受到微观冲击，发生晶格移动和体积微变,从而使微观组织产生变化,进而改变材料的性能[8]。

本文实验采用外加脉冲磁场的方法处理金刚石结块并进行冲击韧性测试实验，观察断口显微组织，进行瞬态磁场数值模拟。实验结果和数值分析结果表明，采用脉冲磁处理可以使金刚石结块显微组织致密化，抗冲击韧性有效提高，结块边缘上的磁场强度较大，磁场力较为集中，从而使其内部组织产生变化，力学性能得到提高，说明脉冲磁处理对推动金刚石工具的发展具有一定的应用价值。

1　金刚石结块冲击韧性实验

1.1金刚石结块的热压烧结制备

金刚石结块的基材由28%Cu、20%Fe、26%Wc、18%Ni、6%Sb及1%Cr组成。配置好基材合金粉末后再加入20%的40～50目SMD25型人造金刚石颗粒搅拌,将原材料放入SYH-5小型三维混料机中混料3 h以便充分混匀。使用小型油压机将放入石墨模具中的原材料粉末预压成形,为了减小实验误差,使用热压烧结机经870 ℃、20 MPa、14 min的热压烧结工艺一次烧结出8块金刚石结块以备进行脉冲磁处理实验(图1)。每块金刚石结块的外形尺寸(长×宽×厚)为50 mm×15 mm×5 mm。

图1　热压烧结制备金刚石结块

1.2脉冲磁处理金刚石结块

取出烧结成功的8块金刚石结块并随机分为1、2、3、4组,每组2片金刚石结块并编号为A、B、C、D、E、F、G、H以便于后期对比实验区分。在常温下利用磁处理设备对B、D、F、H号金刚石结块进行交变脉冲磁处理，A、C、E、G号结块不做处理。实验采用DZ-7H充磁机的充磁、退磁功能进行交变脉冲磁场处理。

图2　脉冲磁处理金刚石结块

为避免夹具受到磁场干扰,采用自制泡沫夹具装夹实验试样。将分好组的金刚石结块装夹好,置于磁处理设备的两机头之间,使磁感应线恰好能垂直穿过金刚石结块。由于变化的电流可以产生变化的磁场，通过改变实验设备电流的大小和方向，可以产生对应的交变脉冲磁场，进行交变脉冲磁处理实验。左右两个方向通正弦变化的交变脉冲磁场，磁场强度幅值为1 T,处理周期数为20,每周期时间为0.01 s。磁处理实验如图2所示。

1.3冲击韧性实验

首先按照GB/T229-1994《金属夏比缺口冲击试验方法》将分成4组的8块金刚石结块制备成Charpy V形缺口实验试样。金刚石结块试样结构如图3所示,实验时冲断部位为图3中V形缺口处。使用ADN-3摆锤式冲击试验机作为实验设备,在常温下进行常规冲击韧性实验,该实验设备的最大冲击吸收功为20 J。

图3　开V形缺口的金刚石结块冲击实验试样

实验使用的金刚石结块横截面积大小相同，故可以对试件采用对比实验方法测试实验试件的冲击韧性，实验中用冲击功Ak的数值间接表示试件冲击韧性的大小,如图4所示。

图4　磁处理前后各组试件冲击功Ak数值对比

分析金刚石结块冲击韧性实验数据,由图3可以看出,对同一组金刚石结块来说，在相同的实验条件下，经过脉冲磁处理后试件的冲击功明显大于未磁处理后试件的冲击功。对比计算实验所得数据，可以看出4组实验用金刚石结块冲击韧性分别提高了32.0%、34.8%、39.5%、35.2%,本次实验中试件的平均冲击韧性提高了约35.4%,说明脉冲磁处理法对提高金刚石结块胎体组织的冲击韧性有一定的效果。

1.4冲击实验后断口处显微组织

使用电子显微镜观察完成冲击韧性实验的金刚石结块断口,图5所示为未磁处理的金刚石结块断口显微组织,图6所示为脉冲磁处理后的断口显微组织形貌。

图5　未磁处理的金刚石结块断口显微组织

图6　脉冲磁处理后的金刚石结块断口显微组织

由于热压烧结温度相对较低,烧结保温时间较短,胎体中的物质迁移量小,迁移距离短[9],故烧结成的金刚石结块内部孔隙比较大。对比图5、图6中断口处显微组织可以发现,未经脉冲磁处理的锯片刀头断口胎体组织间的孔隙比较大,而经过脉冲磁处理后晶粒间孔隙变小,胎体的致密性和均匀性均有提高,说明脉冲磁场对减小晶粒间隙有明显的促进作用[10]。经过脉冲磁处理后,晶粒的致密度产生了变化,晶粒的排列更加紧密。胎体内部物质在交变脉冲磁场产生的应力作用下发生迁移。

以上实验结果表明，磁处理前后的金刚石结块力学性能和微观组织会产生一些变化，由于金刚石结块均采用相同烧结工艺一次成形，冲击实验条件相同，分析金刚石结块的断口区别的原因可能是脉冲磁场产生的影响，为了进一步探索产生变化的原因，尝试采用有限元方法对脉冲磁场的磁场强度和磁场应力进行分析。

2　瞬态磁场分析

2.1磁场基本理论

ANSYS电磁场有限元分析是基于Maxwell方程组,运用数值模拟方法分析和计算磁场的研究。金刚石结块包含相当大比例的铁磁性材料，处于脉冲磁场下可以当作各向同性的磁性介质。其中，电场E=E0cosωt,依照余弦变化。再从麦克斯韦电磁场理论出发,该电场能够激发依照正弦规律变化的磁场[11]，其中,B为磁感应强度矢量。则有

(1)

(2)

·B=0

(3)

·D=ρ

(4)

(5)

2.2瞬态磁场数值模拟

由于处理磁场为脉冲磁场，数值模拟主要针对磁场强度达到幅值时金刚石结块上的磁场和应力分布状态，采用棱边单元法进行金刚石结块的三维瞬态磁场分析。使用Pro/E建立交变磁场作用下的热压烧结金刚石结块数值模拟的模型，输入金刚石结块相应的特性参数,选用Solid117单元进行分析。金刚石结块胎体平均磁导率约为μ=4π×10-3N/A2，密度为6.7 kg/m2,脉冲磁场幅值磁感应强度|B|=1 T,计算得|H|=|B|/μ=8×105A/m，外加电流为角频率ω=314 rad/s、周期为0.02 s的正弦交变电流。

从图7、图8可看出,当正弦电流达到幅值时,金刚石结块边缘处的磁场强度较大，结块边缘的磁场力分布较集中。由于外加正弦电流，故所产生磁场余弦变化,由此产生的磁场应力会以周期交替变化，从而产生磁致振荡效应。根据磁致振荡效应产生的原理,原因可能是由于强脉冲磁场产生的磁场应力引起金刚石结块组织产生一定的变化，使结块内部晶粒产生机械振荡，促进物质的迁移，进而使金刚石结块的晶粒间隙减小，晶粒的致密度提高。后期将会继续深入研究采用有限元方法分析磁场对金刚石结块性能的影响。

图7　磁感应强度矢量图

图8　磁场力分布图

3　结论

(1)冲击韧性实验结果说明，脉冲磁处理可以在一定程度上提高金刚石结块的冲击韧性,平均提高35.4%,观察金刚石结块断口显微组织可以看到晶粒间孔隙明显减小,晶粒排列紧密。

(2)瞬态磁场数值模拟结果表明，当脉冲磁场达到幅值时金刚石结块侧边的磁场强度较为集中，周期交替变化的磁场力会产生磁致振荡效应。

(3)脉冲磁处理提高了金刚石结块的冲击韧性，说明脉冲磁处理可以作为一种改善金刚石结块性能的方法，在后续研究中将会继续探索磁场对金刚石结块组织性能产生影响的原因。

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(编辑陈勇)

Experiments of Pulsed Magnetic Treatment for Diamond Segments and Numerical Simulation of Magnetic Field

Fu YumingLiu MingGuo JianlongZheng Lijuan

Yanshan University,Qinhuangdao,Hebei,066004

Diamond segments were made by hot-pressed sintering technology and treated by alternating magnetic field.The impact energy of diamond segments were investigated by impact toughness test,which were treated with pulsed magnetic treatment and not treated.And the numerical simulation was made for the transient magnetic field.The microstructures of diamond segments both before and after the magnetic experiment were observed.The experimental results indicate that the impact toughness of diamond segments is improved on average about 35.4% and the crystalline grain gap become more uniformity after magnetized.The numerical analysis results reveal that the intensity of magnetic field and the magnetic force in the edge of diamond segment is concentrated,the magnetic vibration due to alternating magnetic force is in favor of magnetic shock effect.It provides intuitionistic evidences for that the alternating magnetic treatment can be used as one kind of effective technique to improve the material performance of diamond segments.

diamond segment;magnetic treatment;impact toughness;microstructure;numerical simulation

2014-09-28

国家自然科学基金资助项目(51105325);河北省高等学校科学技术研究重点项目(ZH2012022);河北省自然科学基金资助项目(E2014203223)

TF122.1DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.14.024

付宇明，男,1971年生。燕山大学机械工程学院教授、博士研究生导师。主要研究方向为交变磁处理基础及应用。发表论文100余篇。刘明,男,1989年生。燕山大学机械工程学院硕士研究生。郭建龙,男,1988年生。燕山大学机械工程学院硕士研究生。郑丽娟，女，1971年生。燕山大学机械工程学院教授、博士。