1 引言

　　鎳冶煉過程中排放的固體廢物被稱為鎳渣，直接排放會造成重大的環境問題。目前，鎳渣綜合利用主要集中在制備建材，作為礦井填充材料和回收有價金屬元素。然而，作為填充材料，忽略了鐵、鎳、鈷、銅等有價值的元素利用;從鎳渣中回收金屬元素需要復雜的還原過程和高昂的回收成本，二次處理會產生污染，所以實現鎳渣的低成本且無污染的再利用，成為一個亟待解決的問題。通過熱力學計算和實驗研究氧化時間、溫度和堿度對結晶產物的影響規律，發現特定的實驗參數有利于鎳渣在空氣條件下的熔融氧化和析出磁鐵相。上述產物的鐵磁性特征，可用于磁場輔助拋光(Magnetic Field-Assisted Polishing, MFAP)技術。在外加磁場下，磁性粒子沿著磁力線排列成鏈狀結構，磁性流體從牛頓流體轉變為具有高黏彈性的賓漢姆流體，從而形成具有一定強度、柔性的拋光工具。

　　作為一種柔性且靈活的拋光方法，磁場輔助拋光是利用磁流體(Magnetic Fluid, MF)或磁流變液(Magnetorheological Finishing, MRF)或磁性復合流體(Magnetic Compound Fluid, MCF)實現光學元件的拋光。Tain 和 Umehara 采用 MF 進行拋光。由于 MF 中僅包含納米級鐵磁性顆粒導致拋光液雖具有較好的顆粒分散性，但黏度較低，難以實現理想的超光滑表面。為了進一步降低表面的粗糙度，提出一種新型 MRF 來平滑工作表面，MRF 中添加了大顆粒磁性顆粒及磨粒提高去除能力。然而，拋光液黏度增加，而顆粒分散降低。

　　為了克服 MF 和 MRF 的缺點，Shimada 等提出一種新型磁性復合流體拋光液，其成分由微米級磨粒(Abrasive Particle, AP)、含有納米級 Fe₃O₄的水基 MF、羰基鐵粉(Carbonyl Iron Particle, CIP)和ɑ- 纖維素機械混合而成。該流體在外加磁場下表現出良好的分散性和較強的黏度。陸鄭凱采用磁性復合流體對小曲率凹面的 K9 玻璃進行超精密拋光，實現了小曲率凹球面工件的高效納米級拋光。葉卉等使用 MCF 拋光技術對熔石英元件進行拋光，獲得了表面粗糙度為 0.108 μm 的光滑表面。此外，MCF 拋光技術還應用于無氧銅、鈦合金、聚甲基丙烯酸甲酯(Polymethyl Methacrylate, PMMA)、微結構和半導體等材料的超精密拋光。由于 MCF 拋光液的使用壽命較短，需要及時更換 MCF 拋光液，加工成本顯著增加。對鎳渣進行改質是解決這一問題的有效方法。

　　本文將鎳渣進行熔融氧化并磁選后獲得改質渣，分析其成分以及磁性能。其次，制備含有不同質量分數的改質渣的 MCF 拋光液用于拋光實驗，通過探究拋光工件的拋光性能，分析改質渣對表面粗糙度和材料去除率的影響規律;通過觀察 MCF 拋光液的形貌變化規律，探究改質渣對 MCF 拋光液成型的影響;通過測量拋光過程中的拋光作用力，探究了 MCF 拋光液中的改質渣對拋光作用力的影響，分析了拋光液的形貌與拋光作用力的內在關系。最后，結合 MCF 拋光簇的微觀形貌特征和拋光作用力的特征提出了含改質渣的 MCF 的拋光機理，建立了含改質渣的 MCF 拋光液的拋光模型。

　　2 改質渣的制備

　　實驗采用的鎳渣為甘肅金川集團鎳冶煉廠閃速爐排放的水淬渣。鎳渣具有金屬光澤，呈現為直徑 φ2~7 mm 的黑色不規則顆粒。采用 X 射線衍射儀(X-ray Diffraction, XRD)進行物相表征，結果表明，鎳渣中的主要成分為 Fe₂SiO₄和 (Fe, Mg)₂SiO₄。鎳渣的主要化學成分中，Fe²⁺含量為 33.42%。

　　研究發現，三元堿度 R(計算公式為 R=1 (CaO%+MgO%)/SiO₂%)在 0.6~0.9 內時，渣在空氣中熔融氧化能更好地析出磁鐵礦相。因此，選擇三元堿度 R=0.6 的調質鎳渣作為實驗樣品。調質鎳渣的過程為：使用密封式化驗破碎機(GJ-400-1, 贛州永盛選礦設備廠)將鎳渣進行破碎，使用 200 目篩網進行篩選，確保顆粒尺寸小于 75 μm。按照每 100 克鎳渣加入 9.76 g CaO 的比例，將二者混合后進行充分研磨和攪拌，以確保混合物均勻。一次性制備 500 g 調質鎳渣，在干燥皿中密封保存，以確保本實驗所用原料成分的一致性和均勻性。

　　制備改質渣的實驗流程為：將裝有適量調質鎳渣的剛玉方舟(60 mm×30 mm×16 mm)置于高溫臥式管式爐(GSL-1700X, 合肥科晶)中。抽真空后以 5℃/min 的升溫速率勻速升溫至 1500℃，達到目標溫度后隨爐冷卻至室溫后取出。將得到的粉末使用濕式磁選機(XCGQ50, 唐山市師達自動化儀表科技有限公司)進行磁選，磁感應強度為 300 mT。隨后將磁選回收的磁性物質用無水乙醇清洗，之后在真空干燥箱(DZF-6030A, 上海一恒科學儀器有限公司)中(恒溫 80℃)干燥 12 h，取出后破碎至 40 μm 得到實驗用的改質渣，將其密封干燥保存。由 XRD 分析可知，鎳渣熔融氧化后的主要物相結構由 Fe₂SiO₄、(Fe, Mg)₂SiO₄轉化為 Fe₃O₄和 Ca (Mg, Fe) Si₂O₆。

　　通過振動樣品磁強計(Vibrating Sample Magnetometer, VSM)檢測得出的室溫下鎳渣和改質渣的磁滯回線顯示，鎳渣的矯頑力為 609.792 Oe，鎳渣的磁飽和強度為 5.189 emu/g，磁滯回線較寬。改質渣的矯頑力為 42.118 Oe，磁滯回線最寬處僅相差 84.236 Oe，是鎳渣的磁滯回線最寬處的 6.91%，內聚力較小。飽和磁化強度達到了 29.268 emu/g，與鎳渣的飽和磁化強度相比，提高了 4.64 倍。因此，改質渣具有在 MCF 拋光液中發揮磁性粒子作用的特點，并可以取得良好的拋光效果。磁性影響 MCF 拋光液的形貌特征，磁性越高形成的磁簇越強，拋光效果越好。

　　3 實驗

　　3.1 拋光原理

　　MCF 拋光裝置原理為：一個圓柱形的永磁鐵以偏心距 r⁻吸附在磁鐵座的底部，電機 1 提供旋轉動力。當磁鐵以 n = 旋轉時，在空間內形成具有恒定磁通密度的動態磁場。永磁鐵左側 δ 處的 MCF 載液板由電機 2 通過同步帶驅動，以速度 n_c 繞主軸旋轉。一定量的 MCF 置于載液板底部，拋光液中的磁性顆粒(羰基鐵粉和改質渣)沿磁場線方向形成磁性鏈狀結構，眾多磁性鏈狀結構形成磁團簇，ɑ- 纖維素穿插于鏈狀結構之間。在磁懸浮力的作用下，磁流體中非磁性磨粒會朝著磁性較弱的工件表面聚集。當工件于磁流體之間產生相對運動時，磨粒對工件產生微切削作用，從而去除工件表面多余的材料。

　　3.2 拋光裝置

　　根據上述拋光實驗原理建立的實驗裝置包括三軸移動平臺(重復定位精度為 1 μm)、電機控制器、永磁鐵、磁鐵座、同步帶輪和載液板。為避免其他部件被永磁鐵磁化，對空間磁場造成影響，拋光設備的主要部件均選用鋁合金材料。MCF 拋光頭安裝在三軸移動平臺的 Y 軸上，通過調節 Y 軸來調整 MCF 拋光液與工件之間的加工間隙。電機控制器用于控制載液板和磁場的旋轉方向與速度;工件固定在 Z 軸平面上，通過調整 X 軸和 Z 軸移動平臺來確定工件與 MCF 拋光液的空間位置。

　　3.3 實驗條件

　　實驗參數中，加工工件為 PMMA。為了保證工件表面的初始粗糙度均一，拋光前采用 800 目的砂紙沿同一方向打磨工件，使其初始表面粗糙度 R 在 0.5~0.6 μm 之間。MCF 拋光液是通過機械混合含有納米級 Fe₃O₄的水基 MF、ɑ- 纖維素、磁性顆粒和磨料顆粒制成的。為了研究加入改質渣的 MCF 對拋光質量的影響，通過調整改質渣和 CIP 的占比配制了 5 種不同質量分數混合配比的 MCF 拋光液。

　　在拋光實驗和表征過程中，通過表面粗糙度測試儀(SJ-410, 三豐精密量儀有限公司)測量工件的表面粗糙度。通過白光干涉儀(ZeGage Pro, ZYGO)觀察加工工件的表面形態和表面損傷。使用工業相機(HD205, 奧斯微)觀察并記錄 MCF 拋光液拋光前后的形貌特征，使用三向力測量儀(9257B, 奇石樂)測量拋光過程中 MCF 的剪切力。使用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope, SEM)(SEM5000, 國儀量子公司)和能量色散 X 射線光譜(Energy Dispersive Xray Spectroscopy, EDS)(Xplore 30, 英國牛津)觀察 MCF 的微觀結構并進行元素分析。

　　4 實驗結果表征與討論

　　4.1 工件表面粗糙度

　　測量并記錄拋光前后不同位置((P₁, P₂, P₃))的表面粗糙度，并取其表面粗糙度平均值評價拋光后的表面質量。同時，測量 A-A 截面的輪廓線，對比拋光前后輪廓差值確定拋光材料去除量，計算材料去除率。拋光前后的工件光學表面形貌和采用不同拋光液拋光后表面粗糙度的變化趨勢顯示，初始表面上具有明顯的凸起和凹槽，且具有一定的方向性。無論采用任何拋光液，拋光 10 min 后工件表面質量均得以提高，但新出現的拋光痕則不同。拋光后表面粗糙度隨著改質渣含量的增加而增加，表明：隨著改質渣含量的增加，MCF 拋光液的性能下降。值得注意的是，MCF2 與 MCF3 拋光后的表面粗糙度與 MCF1 相差較小。表面粗糙度下降率 R 隨著改質渣含量的增加而降低。當改質渣的質量比例≤10% 時，R≥97%，具有較好的拋光性能。

　　含有不同改質渣的 MCF 進行拋光后的材料去除率顯示，隨著改質渣的加入，MCF 拋光液的 MRR 逐漸降低。其中，未添加改質渣的 MCF1 的 MRR 最高，達到 1.288×10⁸μm³/min;MCF2 與 MCF3 的實驗結果相近，其中 MCF3 的 MRR 為 1.237×10⁸μm³/min，相對 MCF1，僅下降 3.95%;當改質渣質量 > 10%，MRR 直線下降。結合表面粗糙度相關結果，改質渣分數≤10% 時，MCF 拋光液在保持優異拋光效果的同時，最大限度地提高了拋光效率。

　　4.2 MCF 拋光液形貌

　　為了探究改質渣對拋光性能的影響，采用工業相機觀察 MCF 拋光液拋光前后的宏觀形貌特征發現，拋光前，從 MCF1 到 MCF5 的拋光液的面積逐漸減少。隨著改質渣含量的增加，原本呈粗壯的 “針狀” 磁簇逐漸變得細小;從垂直于載液板的堅挺狀，逐漸向周圍傾斜，與載液板的角度越來越小。這是由于其磁飽和強度較 CIP 較小。拋光 10 min 后，在 MCF1 中，磁簇的狀態與拋光前變化不大，磁簇仍然保持較好的直立狀態，表明它具有良好的恢復能力。MCF2 和 3 中，磁簇也保持較為粗壯的針狀結構，但磁簇有黏連現象產生。在 MCF4 中，拋光后的磁簇出現倒伏的趨勢，并且出現多余液體。MCF5 拋光 10 min 后，磁簇基本無法直立，液體集中在中心處，磁簇已經失去恢復能力。

　　對 MCF 形貌特征進行定量分析，其中，d 是 MCF 拋光工具的直徑，h 是磁簇的最大高度。分析結果中 d₁、d₂是拋光前后 MCF 的直徑，h₁、h₂表示拋光前后 MCF 的最大高度。隨著改質渣含量的增加，拋光前后磁簇高度與 MCF 拋光液之間的差異增大。前期研究結果表明：拋光前后 MCF 拋光的形貌特征值差異越小，MCF 的拋光性能越好。當改質渣含量為 10% 時，d₁和 d₂之間的差值為 0.19 mm，h₁和 h₂之間的差值為 0.15 mm，與未加入改質渣的高度差值僅相差 0.05 mm，直徑差值僅相差 0.04 mm。所以，添加 10% 改質渣的拋光液拋光后的工件表面質量與 0% 的幾乎一致。

　　4.3 拋光力

　　通過測量拋光過程中的作用力，探究改質渣對 MCF 對拋光過程中剪切力隨拋光時間的變化規律顯示，MCF 剪切力隨著拋光時間的增加而降低，其中 MCF1-3 拋光 130 s 后，剪切力趨于穩定;但是 MCF4-5 則持續下降。另外，MCF 剪切力隨著改質渣含量的增加而下降。MCF1 的初始剪切力最大，最終剪切力穩定在 6.2 N 左右。MCF2 和 MCF3 分別穩定在 5.86 N 和 5.6 N，與 MCF1 的拋光力相差不大。MCF4 和 MCF5 在拋光過程中的剪切力一直呈現下降趨勢。剪切力越強，代表磁簇的抗剪切力越強，形成的磁簇越粗壯，得到的拋光效果越好。

　　4.4 拋光機理

　　MCF 拋光液中的磁性粒子具有以下幾個特征：首先，具有低磁矯頑力，該特征有助于拋光過程中液體的穩定循環和回收;其次，磁滯回線須狹窄，內聚力小，以盡量減少磁流變液中的能量損失。最后，應謹慎選擇磁性粒子的含量。在磁場下，雖然較高的顆粒含量會增強 MCF 拋光液的抗剪切力，但也會增加液體的黏度，從而導致亞表面損傷，拋光質量下降。

　　磁性粒子對 MCF 的性能起著至關重要的作用。磁性復合流體的流變效應是磁性粒子在磁場作用下的相互作用，形成鏈狀結構。因此，其性能是影響 MCF 剪切屈服應力的主要因素之一。MCF 的剪切力取決于飽和磁化強度、體積含量和外部磁場強度。在 MCF 拋光過程中，MCF 中的磁性粒子受到磁力、重力、黏性阻力、范德華力和浮力的影響。在這些力中，磁力是影響拋光過程中磁性粒子的主要因素。

　　為了更好地建立添加改質渣的 MCF 的拋光機理，觀察了各個成分在磁簇中的空間分布情況。7μm CIP 與 40μm 改質渣的 SEM 圖像顯示二者形態不一，CIP 呈圓球狀，改質渣呈不規則塊狀。磁簇的 SEM 圖像和 EDS 分析顯示，磁簇是沿著磁力線方向形成的，磨粒在磁簇的尖端，旋轉磁場使磨粒對工件表面產生材料去除。磁性粒子有序排列成鏈狀，ɑ- 纖維素穿插在磁性鏈狀結構之間，可以增強磁簇的抗剪切力。通過顆粒的形狀和大小可分辨出 CIP 和改質渣。結合 EDS 分析結果和 XRD 分析結果可知，改質渣主要位于磁簇的根部。

　　結合磁簇的形態，以及剪切力和 SEM 圖像與 EDS 分析結果，構建了含有改質渣的磁簇結構。ɑ- 纖維素散布穿插在鏈狀結構之間，磨料顆粒附著在磁簇的表面。拋光液中的改質渣主要聚集于磁簇的根部。當施加抗剪切力(F_{s})時，改質渣含量≤10% 時，形成的磁簇只是向一旁彎曲，具有較強的抗剪切力，不易斷裂。當改質渣含量 > 10% 時，磁簇與載液板的夾角變小且受到(F_{s})時容易斷裂，剛性較強，恢復能力很弱。其中，磁性顆粒總體磁性較小，使得磁性顆粒之間存在較大間隙，磨粒粘附在間隙中，導致在工件表面進行切削的磨粒數量減少。因此，拋光性能會隨著改質渣的增加而降低。

　　5 結論

　　為了提高鎳渣的再利用性，本文將鎳渣改質后應用于 MCF 拋光中，研究了拋光過程中添加不同質量分數的改質渣的 MCF 的拋光質量。鎳渣改質后主要物相由(Fe_{2}SiO_{4})轉化為(Fe_{3}O_{4})，改質渣的飽和磁化強度為 29.268 emu/g，比鎳渣的提高 4.64 倍。當改質渣含量不超過 10% 時，拋光效果接近不含改質渣的 MCF，表面粗糙度下降率為 97.966%，材料去除率為 1.237×(10^{8}mu m^{3}/min)，剪切力從 6.98 N 降至穩定值 5.6 N。實驗驗證了改質鎳渣用于 MCF 拋光的可行性。隨著改質渣含量的增加，MCF 磁簇由粗壯變細軟，伴隨液體聚集，影響鏈狀結構穩定性，拋光剪切力降低，拋光質量下降。最后，得出含改質渣的簇狀結構的拋光機理。當改質渣含量不超過 10% 時，改質渣分布均勻，磁簇彎曲不易斷裂，抗剪切力較大;含量超過 10% 時，磁簇內部出現大面積連續的改質渣區域，磁簇易斷裂，磁簇的剪切力下降。

王有良;于璞垚;尹新城;張文娟,蘭州理工大學機電工程學院;蘭州理工大學數字制造技術與應用教育部重點實驗室;蘭州理工大學,202501