自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法技术

一种自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，其特征在于：采用双级自由降落喷嘴，第一级喷嘴为低压混粉射流喷嘴，第二级喷嘴为高压气流喷嘴，低压混粉射流喷嘴紧靠在高压气流喷嘴的上方；通过调节冷却水在雾化冷却室的水位高度，控制混粉金属液滴的冷却速度，从而形成硬质磨料在磁性磨料金属基体表浅层分布的磁性磨料。该方法解决了雾化前硬质磨料与熔融金属液充分混合和硬质磨料的浪费、硬质磨料在磁性磨料中的所占比例控制、单级喷嘴的冲蚀磨损、硬质磨料在磁性磨料金属基体表浅层分布的深浅控制等问题，同时大幅度减小了混粉金属液滴飞行的距离，减小的雾化室和设备的整体高度。本发明专利技术为高性能磁性磨料的制备提供了新的技术方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术提供一种自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，属于磁粒研磨材料制备

技术介绍
高效超精整加工技术是国家长期优先重点资助和鼓励发展的研究领域，而面向超光滑自由曲面的新型自动加工理论与技术更是世界各国制造业和研究人员共同关注的热点。超光滑自由曲面的加工质量是衡量一个国家制造技术水平的重要标志，它对于保证国家尖端工业和某些高技术产业的发展具有十分重要的意义。近几十年来，随着计算机技术和现代控制理论等相关科技的迅猛发展，以数控技术为代表的柔性加工手段日益完善，但自由曲面精整加工的自动化还是一大难题。目前自由曲面的精整加工仍然主要依赖于熟练工人的手工操作。以模具为例，大型自由曲面的精整加工在美国、日本、德国等发达国家其手工加工工时占总工时的37~42%，在我国则达50%左右。手工加工费时费力、效率低下，且难以取得良好的精整加工效果，制约了超光滑自由曲面制造技术的发展。为适应以精密模具为代表的自由曲面零件的低成本、短周期和高质量的要求，日本等国自上世纪90年代率先开展了自由曲面磁粒研磨加工自动化的研究，部分研究成果已获得应用,近些年来，国内学者也对该加工技术进行了研究和开发工作。磁粒研磨是利用磁场的作用，使磨料与工件接触并产生一定的作用力，通过工件与磨料之间的相对运动进行研磨加工的一种工艺方法。与传统的精整加工工艺相比，磁粒研磨具有柔性、自适应性、自锐性、可控性、温升小、效率高和无须进行工具磨损补偿、无须修形等特点。磁性磨料作为磁粒研磨的工具，其性能直接影响加工的质量和效率。尽管磁粒研磨加工具有多的优点，但限于现有磁性磨料的性能，自由曲面磁粒研磨加工自动化技术离推广应用还有很大距离。由此可见，磁性磨料的制备技术是磁粒研磨技术推广应用的关键，也是一个亟待解决的技术难题。研究自由降落气固两相流雾化快凝磁性磨料的形成机理、探索新的磁性磨料制备方法、研制高性能、低成本磁性磨料的生产设备，具有十分重要的现实意义和理论价值。目前，国内外应用的磁性磨料制备技术有多种，如机械混合法、粘结法、铸造法、烧结法等。（1）机械混合法：机械混合法是将铁磁性粉末、硬质磨料粉末和研磨液按一定比例在常温下均匀混合，直接进行研磨加工的方法。常用一定粒度的铁磁性粉末与硬质磨料粉末如Al2O3、SiC、Cr2O3、TiC等混合均匀后，再加入粘合剂如油酸、聚乙烯醇、硅胶等制成。该种方法可以制备多种磁性磨料，但是在加工期间，硬质磨料颗粒与铁磁性粉末容易分离飞散，因而使用范围较窄。（2）粘结法：粘结法是用粘结剂将一定比例的铁粉和硬质磨料粉粘结为一体，然后加压固化，通过粉碎、筛选制成所需粒度的磁性磨料。对于粘结法制备磁性磨料，选取合适的粘结剂是关键。美国学者FeyginSawa的专利中提到的粘结剂是氰基丙烯酸脂，制备的铁基磁性磨料其研磨效率高于传统的烧结法制备的铁基磁性磨料。国内学者采用环氧树脂作为粘接剂制备的铁基Al2O3、SiC磁性磨料，均获得了良好的研磨加工效果。该磁性磨料制备方法工艺简单、成本低，但制备的磁性磨料组织疏松、密度低，硬质磨粒相颗粒易脱落，使用寿命较低。（3）铸造法：使磁性磨料的主要铁基金属成分在高温下达到熔化状态，在高压气体的吹制下，雾化成微液滴，然后冷却、凝固、筛分后直接制得粉末。该方法包括外加颗粒复合和原位反应复合两种方法。外加颗粒复合：外加颗粒复合法是将硬质磨料粉末直接加入到熔融态的铁基金属材料中，并使硬质磨料颗粒在基体中均匀分布，然后通过高压气体吹制而成。铸造法制备磁性磨料的关键是使硬质磨料颗粒在液态铁基金属材料中均匀分散，并最终弥散分布于随后吹制而成的磁性磨料中。而要做到这一点，必须满足两个基本条件：1)硬质磨料颗粒与液态铁基金属材料的润湿性好；2)两种材料的密度差尽量小。多数情况下上述两个条件难以满足，主要由于常用的硬质磨料粉末密度与铁磁性材料的密度相差较大，难以使两者混合均匀；另一方面硬质磨粒相与铁磁材料相一般润湿性差，两者难以结合。原位反应复合法：原位反应复合法的基本原理是在一定条件下，通过元素与元素或元素与化合物之间的化学反应，在基体内原位合成一种或几种高硬度的陶瓷增强相，在得到含有陶瓷增强相的材料后，再加热熔化并在高压气体的作用下吹制成粉末。原位反应复合法主要有气—液反应法，液—液反应法和自蔓延燃烧合成法。原位反应复合法目前存在的问题陶瓷增强相被金属基体所包裹，制备的磁性磨料研磨能力差。（4）烧结法：以铁磁性金属粉末与硬质磨料粉末的混合物为原料，通过烧结的方法制备磁性磨料。具体的烧结法包括：常压烧结法、热压烧结法、放电等离子烧结法、激光烧结法和等离子粉末熔融烧结法等。常压烧结法：常压烧结法是以粉末冶金为基础，将一定比例的铁粉和硬质磨料粉混合均匀后压制成具有较高密度的压坯，在惰性气体或真空气氛保护下，以低于铁粉熔点的温度，使铁粉处于熔而不化的状态进行烧结，使硬质磨料结合于导磁的铁基金属体内，达到所需要的机械强度后，将烧结的坯块进行机械粉碎、筛选制得。磁性磨料的使用性能很大程度上决取于硬质磨粒相与铁磁金属相的结合强度。由于在机械粉碎、筛分过程中有相当部分的硬质磨料相与铁磁金属相分离,导致铁磁相与磨粒相结合强度降低，耐用度下降。因此，提高磁性磨料中两相之间的结合力是很重要的。通过施加压力可使铁磁金属相与硬质磨料相颗粒之间的孔隙得到填充,接触面积增大，使其更加紧密。该方法制备磁性磨料的缺点是机械粉碎困难。由于该方法制备的磁性磨料研磨能力较强、使用寿命较长，因此该法是目前国内外最主要的磁性磨料制备方法。热压烧结法：热压烧结是将按一定比例混合的铁磁金属粉末和硬质磨粒置于热压炉中烧结，然后粉碎、筛选得到所需粒度的磁性磨料。由于该方法在加热过程中同时施压，晶界滑移和挤压蠕变使接触面积增加，热传导变快，因而降低了烧结温度，缩短了烧结时间。该方法所制备的磁性磨料致密度高、使用寿命较长。其缺点是机械粉碎困难、成本相对较高。放电等离子烧结法：放电等离子烧结(SPS)是融合等离子活化、热压、电阻加热为一体，通过瞬时产生的放电等离子使被烧结体内部每个颗粒自身发热，使颗粒表面活化，因而具有升温速度快、烧结时间短、晶粒均匀、有利于控制烧结体的细微结构，所制备的磁性磨料致密度高、性能好，使用寿命较长。国内学者范春丽利用SPS烧结制备的铁基Al2O3磁性磨料，致密度达到97%以上，使用寿命达到了24min。其缺点仍是机械粉碎困难、成本相对较高。激光烧结法：激光烧结是利用高能量的激光，将铁粉与硬质磨料混合物烧结制备磁性磨料的一种方法。本项目申请者和师兄廖月明采用不同的激光烧结方法制备了铁基Al2O3磁性磨料，进行的磁粒研磨实验表明，该方法制备的磁性磨料具有较强的磁粒研磨能力，但该方法成本很高。等离子粉末熔融烧结法：等离子粉末熔融烧结是将硬质磨料和铁粉按一定比例混合，然后从等离子喷涂设备中喷出，借助等离子弧的高温将两者熔融在一起。美国Florida大学的Yamaguchi与日本Utsunomiya大学的Hanada等人合作，对该磁性磨料制备技术进行了深入的研究，对以前的等离子粉本文档来自技高网...

【技术保护点】
自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，其特征在于:采用双级自由降落喷嘴，第一级喷嘴为低压混粉射流喷嘴，第二级喷嘴为高压气流喷嘴，低压混粉射流喷嘴紧靠在高压气流喷嘴的上方，低压混粉射流喷嘴喷出的是含有硬质磨料的低压惰性气体混粉射流，高压气流喷嘴喷出的是高压惰性气体雾化射流，金属液流从导液管出口到与低压惰性气体混粉射流、高压惰性气体雾化射流相遇点之间无约束，低压混粉射流喷嘴喷出的低压惰性气体混粉射流与金属液流相遇点A离导液管出口120~180mm，高压气流喷嘴喷出的高压惰性气体雾化射流与混粉金属液流的相遇点B到低压混粉射流喷嘴喷出的低压惰性气体混粉射流与金属液流相遇点A的距离10~15mm；控制低压混粉射流喷嘴低压惰性气体混粉射流的射流速度，使得低压惰性气体混粉射流在相遇点A突破液态金属表面张力将硬质磨料注入金属液流并均匀分布于其中形成混粉金属液流，但不对金属液流进行；控制高压气流喷嘴高压惰性气体雾化射流的射流速度，使得高压惰性气体雾化射流在相遇点B将混粉金属液流冲击破碎并雾化，使得混粉金属液滴在冷凝后达到设定的磁性磨料颗粒尺寸。

【技术特征摘要】
1.自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，其特征在于:采用双级自由降落喷嘴，第一级喷嘴为低压混粉射流喷嘴，第二级喷嘴为高压气流喷嘴，低压混粉射流喷嘴紧靠在高压气流喷嘴的上方，低压混粉射流喷嘴喷出的是含有硬质磨料的低压惰性气体混粉射流，高压气流喷嘴喷出的是高压惰性气体雾化射流，金属液流从导液管出口到与低压惰性气体混粉射流、高压惰性气体雾化射流相遇点之间无约束，低压混粉射流喷嘴喷出的低压惰性气体混粉射流与金属液流相遇点A离导液管出口120~180mm，高压气流喷嘴喷出的高压惰性气体雾化射流与混粉金属液流的相遇点B到低压混粉射流喷嘴喷出的低压惰性气体混粉射流与金属液流相遇点A的距离10~15mm；控制低压混粉射流喷嘴低压惰性气体混粉射流的射流速度，使得低压惰性气体混粉射流在相遇点A突破液态金属表面张力将硬质磨料注入金属液流并均匀分布于其中形成混粉金属液流，但不对金属液流进行；控制高压气流喷嘴高压惰性气体雾化射流的射流速度，使得高压惰性气体雾化射流在相遇点B将混粉金属液流冲击破碎并雾化，使得混粉金属液滴在冷凝后达到设定的磁性磨料颗粒尺寸。
2.根据权利要求1所述的自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，其特征在于:采用水冷快凝法控制硬质磨料在磁性磨料金属基体表浅层分布的深浅，在雾化冷却室的下部充有冷却水，冷却水在雾化冷却室的水面高度通过水位计（35）、冷水阀（6）、放水阀（1）进行调节；通过调节冷却水在雾化冷却室的水位高度，从而调节混粉金属液滴的飞行距离，进而调节混粉金属液滴的冷却速度，使得混粉金属液滴冷却形成硬质磨料在磁性磨料金属基体表浅层分布的磁性磨料；该方法不仅解决了硬质磨料在磁性磨料金属基体表浅层分布的深浅控制问题，而且大幅度减小了混粉金属液滴飞行的距离，减小的雾化室和设备的整体高度。
3.根据权利要求1所述的自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，其特征在于:采用混粉气雾化磁性磨料制备螺旋自动送混粉器控制磁性磨料中硬质磨料的含量，该螺旋自动送混粉器为低压混粉射流喷嘴提供含有硬质磨料的低压气固两相流，低压气固两相流中硬质磨料的流量由其中的螺旋输送装置精确控制。
4.根据权利要求1所述的自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，其特征在于:低压混粉射流喷嘴其低压惰性气体混粉射流的喷射压力在0.5~2MPa之间，混粉射流的喷射速度低，使得低压混粉射流喷嘴的冲蚀磨损减少、延长其使用寿命；低压混粉射流喷嘴采用高碳、高锰钢，再经过一定的热处理措施，其使用寿命进一步延长；高压气流喷嘴雾化压力在4-8MPa范围，气流对混粉金属液流的冲击速度为50~150m/s，通过控制高压气流喷嘴雾化压力，可控制制备的磁性磨料粉末的平均粒度在50~15...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵玉刚，张桂香，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东;37