磁流变抛光（MRF）技术是一种超精密抛光工艺方法，它利用磁流变效应形成的抛光工具（“柔性微磨头”）以及抛光工具与工件之间形成的收敛间隙产生流体动压力对加工表面进行抛光加工。

图1 磁流变抛光原理

磁流变液的流变效应是磁流变抛光技术的核心，磁流变液中的磁性颗粒在磁场作用下受到约束成链、成柱，对外表现为类固体的性质，具有一定的剪切应力。因此，磁性颗粒的性能是影响磁流变前屈服应力的主要因素之一。

图2 磁流变液的流变效应

为什么磁流变抛光需要羰基铁粉？

磁性颗粒的材料特性对磁流变液的力学性能有重要影响。为保证磁流变液具有良好的力学性能，磁性颗粒的选取应该考虑以下方面：

①球形度：

低磨损：球形颗粒在流体中流动时，对泵、管道和机械部件的磨损远小于不规则形状的颗粒；

高流动性：球形颗粒之间的摩擦力最小，这使得磁流变液在未加磁场时具有极好的流动性（低粘度），易于泵送和循环；

均匀链条状：在磁场作用下，球形颗粒能更顺畅地形成均匀、规则的链状或柱状结构，这是产生稳定、可控剪切力的基础。不规则颗粒会形成不稳定的结构，导致抛光力波动和表面质量下降。

②高纯度：颗粒必须是高纯度，不含有其他杂质。杂质会降低磁响应性，并可能在抛光过程中划伤精密的光学表面。

③高饱和磁化强度：饱和磁化强度更高的磁性颗粒在外加磁场地作用下可使磁流变液具有更高的力学性能。

④低矫顽力：确保磁流变液可以在退去磁场后，液体粘度迅速恢复为零磁场粘度状态，保障抛光过程中液体可稳定循环回收。

⑤高磁导率：使磁流变液具有较高的剪切屈服应力。

⑥磁滞回线狭窄、内聚力小：降低磁流变液流变的能耗损失。

⑦磁性颗粒粒径适当、含量适当、硬度适中。

⑧稳定性与耐久性好。

常见的磁性颗粒为铁粉、四氧化三铁、铁钴合金、镍、钴等，其中羰基铁粉因其一系列独特特性，被普遍应用于磁流变液的制备。

(1)羰基铁粉在分解过程中，铁原子会均匀地沉积在核上，自然形成完美的球形形态（见图3羰基铁粉的SEM照片）。在使用过程中不易磨损或变形，保证了抛光过程的重复性和稳定性。

(2)羰基铁粉的纯度高（>99.5%）。

(3)羰基铁粉的饱和磁感应强度高达2.2T，可以保证磁流变液具有较高的剪切屈服应力。

(4)磁矫顽力最小可达0.05奥斯特，可确保磁流变液可以在退去磁场后，液体粘度迅速恢复为零磁场粘度状态，保障抛光过程中液体可稳定循环回收。

(5)羰基铁粉具有较高的磁导率，使得磁流变液能够在较弱的磁场下表现出良好的响应性能。

(6)磁滞回线狭窄、内聚力小，可以降低磁流变液流变的能耗损失；

(7)硬度适中，形状呈洋葱球层状独特结构，在抛光时不会对光学零件表面造成损害。

(8)羰基铁粉的磁化性能受温度影响较小，磁流变液在不同温度条件下都能保持稳定的性能。

图3 羰基铁粉的SEM照片 图4 羰基铁粉实物照片

铁粉的种类及应用方向

铁粉在粉末治金工业中是一种极为重要的金属粉末，其耗用量约占金属粉末总消耗量的85%左右。铁粉主要根据生产方式分类，不同工艺决定了其形态、纯度和性能，从而适用于不同的领域。上文我们分析了羰基法生产的羰基铁粉的特性，了解其在磁流变液行业的应用，那么羰基法和其他方法制备铁粉的工艺及其性能有哪些差异？其他方法制备的铁粉可以用于磁流变抛光吗？

1、铁粉的种类及其制备工艺

铁粉按生产工艺的不同可以分为5大类：还原铁粉、雾化铁粉、羰基铁粉、生铁粉、电解铁粉。以下为各种铁粉的制备工艺对比：

图5 铁粉制备工艺对比

2、其他方法制备的铁粉可否用于磁流变抛光

还原铁粉：形状不规则（海绵状、枝晶状），纯度较低（通常<98%）。其不规则形状会导致零场粘度高、流动性差，在磁场下形成的结构粗糙且不稳定，无法提供精密抛光所需的平滑、可控的剪切力，且极易划伤工件。

雾化铁粉：虽然球形度较好（水雾化粉为不规则球形，气雾化粉更接近球形），但纯度（通常98%-99.5%）和表面光洁度仍不如羰基铁粉。其粒径通常较粗（几十到几百微米），且分布较宽，无法满足MRF对精细和均匀性的要求。

生铁粉：形状极其不规则（棱角状、片状或锯齿状），纯度较低，粒径较粗且分布宽，不符合要求。

电解铁粉：纯度很高（>99.5%），但形状为树枝状，完全不符合球形要求，流动性极差。

结论：只有通过羰基法生产的羰基铁粉，才能同时满足完美球形、高纯度（>99.5%）、细粒径、窄分布、高饱和磁化强度等的严苛条件，因此成为磁流变抛光不可或缺的核心材料。

3、铁粉的应用

1.还原铁粉

粉末冶金：作为制品的原料，耗用量约占铁粉总耗用量的60～80%。

电焊：加入10～70%铁粉可改进焊条的焊接工艺并显着提高熔敷效率。

火焰切割：在切割钢制品时，向氧-乙炔焰中喷射铁粉，可改善切割性能，扩大切割钢种的范围，提高可切割厚度。

有机化学合成：作为还原剂、复印机油墨载体等。   

图6 粉末冶金制品

2..雾化铁粉

3C精密件：应用于计算机、通信、消费电子领域的精密结构件制造。

电子元器件：用于制造电感器、传感器等电子部件。

汽车零部件：适用于发动机部件、变速箱零件等高端汽车组件生产。

图7 3c精密零部件

3.羰基铁粉

软磁行业：用于制造高频开关扼流圈、电感、高频调谐磁芯芯体等。

吸波行业：通过调控颗粒尺寸、形状和堆积方式，可以实现对特定频段电磁波的针对性吸收。

磁流变液行业：汽车、航空航天、精密仪器、医疗设备、机器人技术等领域中的减震、制动、振动控制、形状记忆装置等。

图8 磁流变液

4.生铁粉

钢铁冶炼：作为高炉或电炉的原料，可缩短熔炼时间约15%-20%。

铸造行业：用于生产灰铸铁、球墨铸铁，改善金属流动性，减少气孔缺陷。

化工还原剂：在钛白粉、钒提炼中替代焦炭，降低碳排放。

污水处理：生铁粉的微电解作用可降解工业废水中的有机物，COD去除率达60%-80%。

土壤修复：通过铁离子置换重金属，修复铅、镉污染土壤，成本比传统方法低30%。

3D打印材料：与树脂混合后用于金属零件快速成型，抗拉强度可达400MPa以上。

5.电解铁粉

粉末冶金：制造高性能机械零件，如齿轮、轴承等；制备高密度结构零件，应用于航空航天、汽车制造等领域。

磁性材料：制造电磁铁芯、生产吸波涂料。

化工与催化剂：作为化学检测标样、铁触媒催化剂。

食品与医药：作为食品添加剂；作为载体使药物在外磁场作用下引导至病变部位，发挥特殊的医疗作用；用于补铁治疗缺铁性贫血。

焊接与切割：在焊条中加入适量的电解铁粉可以提高焊条的焊接性能和效率。

小结

总而言之，磁流变抛光选择羰基铁粉是基于其球形度高、纯度高、粒度细、磁导率高、矫顽力小（最小可达0.05奥斯特）、磁致损失少、饱和磁感应强度高、磁化性能受温度影响较小的独特特性，这些特性共同保证了磁流变液具有快速、强大且精确可控的流变性能，从而能够实现原子级的超精密抛光。其他类型的铁粉，也因其各自的特性，被应用在了从大宗制造到尖端科技等更为广阔的工业领域之中。

参考文献：

[1]刘长青.基于Halbach环形阵列磁场的磁流变抛光304不锈钢的关键技术研究[D].长春工业大学,2024.

[2]吕彤辉.混合粒径磁流变抛光液及其性能研究[D].昆明理工大学,2024.

[3]戴斌,姜平,周根荣,等.磁流变抛光液的研制、表征及使用[J].粉末冶金技术,2018.

[4]肖冬明,张振华,陈正乾,等.羰基铁粉生产工艺及用途概述[J].山西冶金,2024.

粉体圈整理