一种超临界二氧化碳辅助等离子体熔射制备磁性磨料的方法技术

本发明专利技术公开了一种超临界二氧化碳辅助等离子体熔射制备磁性磨料的方法，即：以射频感应等离子体将铁磁相颗粒加热至熔融，形成粒度较为一致的液滴；用含有磨粒相的超临界二氧化碳对铁磁相熔滴进行喷射，充分利用超临界二氧化碳的快速膨胀和雾化冷却特性，使得磨粒相颗粒均匀分布且牢固镶嵌在球形铁磁相基体上；表面镶嵌着磨粒相的铁磁相熔滴进入磁性磨料反应室进行冷却，再进入气固分离室进行分离和收集，最后得到形度高、粘结力强、粒度一致、磨粒相均匀分布的磁性磨料。本发明专利技术方法利用超临界二氧化碳的快速膨胀和焦耳

【技术实现步骤摘要】
一种超临界二氧化碳辅助等离子体熔射制备磁性磨料的方法


[0001]本专利技术涉及金属基复合材料领域，具体涉及一种超临界二氧化碳辅助等离子体熔射制备磁性磨料的方法。

技术介绍

[0002]作为一种可控柔体研抛技术之一，磁性磨料光整加工（是利用磁场的作用使磨料与工件相接触，产生一定的作用力，并通过工件与磨料之间的相对运动而进行抛光的一种方法。与传统的抛光、研磨技术相比，磁性磨料光整加工由于独特的材料去除机理、柔性的接触加工方式、优良的表面特性、极小的加工应力、便利的自动化控制等特点，应用于具有极端制造特征的零件（极端结构、复杂形状表面、难加工材料）加工时，将具有显著的优势。
[0003]作为磁性磨料光整加工中的“磨具”，磁性磨料对加工效率和加工质量起着决定性作用，而磁性磨料是由铁磁相和磨粒相组成的复合材料。理想的磁性磨料除了具有良好的力学性能（强度、硬度、韧性、稳定性等）、较强的软磁性能（磁化、退磁等）之外，还应具有以下特征：外形为球形且粒径大小一致、磨粒相均匀分布在表层上且高度基本相同、磨粒相与铁磁性金属基体具有较强的结合力、磨粒相的切削刃凸出在外且具有自锐性。
[0004]目前，制备磁性磨料的方法主要包括：机械混合、粘结、复合镀层、烧结、铸造、等离子熔融、雾化快凝等方法。然而，机械混合法、粘结法磨粒相分布不均且粘结不牢固；复合镀层法磨粒相分布难以控制且容易脱落、烧结法磁性磨料球形度不高且粒径一致性差、铸造法磨粒相和铁磁相的润湿性要求高且粒径分布不一致、等离子熔融法磨粒相的切削刃钝化、雾化快凝法磁性颗粒粒度分布范围宽，都与磁性磨料的理想形态存在一定差距。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是，提出一种超临界二氧化碳辅助等离子体熔射制备磁性磨料的方法，由射频感应等离子体将铁磁相粉体加热至熔融，形成粒度一致的球形熔滴；再借助含有硬质颗粒磨粒相的超临界二氧化碳流体对铁磁相金属熔滴进行喷射，充分利用超临界二氧化碳的快速膨胀和雾化冷却特性，使得磨粒相颗粒均匀分布且牢固镶嵌在球形铁磁相基体上，从而制备出球形度高、粘结力强、粒度一致、磨粒相均匀分布的磁性磨料。
[0006]本专利技术提供的上述方法，具体是采用以下的包括铁磁相等离子体熔射、磨粒相超临界二氧化碳混合流体的制备、混合流体的雾化喷射步骤的方法：（1）铁磁相等离子体熔射：由射频感应等离子体发生装置建立稳定的等离子体炬；携带气体由加料枪把800-1200目的铁粉沿轴向方向喷入等离子体炬中；铁粉被迅速加热至熔融，并以球形度很高的微小液滴形式从等离子炬出口处喷出。
[0007]（2）磨粒相超临界二氧化碳混合流体的制备：将10-50目的氧化铝硬质磨粒放入高压反应釜中；利用双柱塞微量泵往反应釜中通入二氧化碳气体；采用加热套对反应釜进行加热，使釜内压力和温度分别稳定在10-15MPa和40-60℃，二氧化碳由气态转变为超临界状态；借助反应釜内的搅拌装置对超临界二氧化碳和硬质磨粒进行30min搅拌，得到磨粒相超
临界二氧化碳混合流体。
[0008]（3）混合流体的雾化喷射：将磨粒相超临界二氧化碳混合流体经管道输运至环形喷嘴；调节喷嘴安装角度，将磨粒相颗粒喷向由等离子体炬出口喷出并沿环形喷嘴轴向运动的铁磁相熔滴；在超临界二氧化碳超强渗透和快速膨胀的作用下，磨粒相颗粒极易克服团聚力，均匀分布在铁磁相表面；在超临界二氧化碳的焦耳-汤姆逊效应作用下，磨粒相和铁磁相间的结合力得到显著增强。
[0009]（4）表面镶嵌着磨粒相的铁磁相熔滴进入磁性磨料反应室进行冷却，再进入气固分离室进行分离和收集，最后得到形度高、粘结力强、粒度一致、磨粒相均匀分布的磁性磨料。
[0010]本专利技术的一种超临界二氧化碳辅助等离子体熔射制备磁性磨料的方法具有以下优点和效果：与传统的等离子熔融法通过加热融化铁基体和硬质磨粒的混合粉末而得到磁性磨料不同，本专利技术仅仅利用射频感应等离子体加热铁磁相粉末、超临界二氧化碳流体喷射硬质磨粒，而磨粒相撞击铁磁相熔滴的极短时间内，磨粒受热温度低、加热时间短，外露部分来不及熔化便随接触界面的凝固而镶嵌在铁磁相金属表面，其切削刃不会产生传统等离子熔融法引起的磨粒相球化和切削刃钝化现象；即使采用金刚石PCD作为磨粒相材料，由于不受射频等离子体直接加热、与铁磁相熔滴接触时间短等特点，消弱或避免了PCD与铁元素发生化学反应而引起的切削刃破损现象。
[0011]与传统的雾化快凝法利用快速运动的气体把磨粒相硬质颗粒强行注入铁磁相熔液，使混入硬质磨粒后的熔液雾化成微小熔滴不同，本专利技术是采用超临界二氧化碳雾化喷射磨粒相颗粒，而不是对铁磁相熔滴进行雾化；从喷嘴喷出后，压差的急剧变化导致超临界二氧化碳的快速膨胀，极易克服磨粒相颗粒间的吸引力，避免产生传统雾化快凝法由于硬质磨料团聚造成的磨粒相在铁磁相金属表面分布不均的问题；即使采用流动性差、吸附性强的硬质磨料，在超临界二氧化碳的超强渗透和快速膨胀的作用下，也很难在铁磁相上发生磨粒团聚和分布不一致的现象。
[0012]与传统等离子熔融、雾化快凝等方法制备出的磁性磨料粒度分布范围较宽不同，本专利技术可以调节超临界二氧化碳的压力与温度，控制超临界二氧化碳射流的喷射速度，使得撞击铁磁相熔滴的硬质磨粒速度低于熔滴破损的临界速度，避免熔滴分裂而引起粒径变小的问题；为了保证硬质磨粒嵌入铁磁相的深度、提高二者结合力，即使磨粒相的喷射速度高于临界速度，本专利技术也可以通过调整超临界二氧化碳喷射方向、控制磨粒相撞击铁磁相熔滴的角度，消弱引起熔滴破碎的撞击力，也能有效控制铁磁相粒度的一致性。
[0013]本专利技术通过超临界二氧化碳辅助等离子体熔射制备磁性磨料的方法，可根据需要选择不同粒径的铁粉或铁基合金粉为铁磁相，以及不同类型不同尺度的硬质磨料为磨粒相，可以制备出抛光质量更高、抛光缺陷更少、应用场合更广的多尺度复合磁性磨料。
附图说明
[0014]图1为超临界二氧化碳辅助等离子体熔射制备的磁性磨料SEM照片。
[0015]图2为超临界二氧化碳辅助等离子体熔射制备的磁性磨料XRD图谱。
具体实施方式
[0016]本专利技术的一种超临界二氧化碳辅助等离子体熔射制备磁性磨料的方法，其较佳的具体实施方式是：用射频感应等离子体发生器产生激励电磁场并建立稳定的等离子体炬，氩气作为工作气体；将1000目的铁粉用携带氩气的加料枪沿轴向方向喷入等离子体炬中；铁磁粉体在等离子体炬中极短的时间内吸收大量的热而迅速熔融，并以极快的速度从等离子体炬出口处喷出，射频等离子体工艺参数如下：电磁频率3.5MHz、工作气体为氩气，中心气流量1.5m3/h，边气流量3 m3/h，功率100kW，铁粉喷入量100g/min；将20目的氧化铝硬质磨粒放入高压反应釜中；利用双柱塞微量泵往反应釜中通入二氧化碳气体；采用加热套对反应釜进行加热，使釜内压力和温度分别稳定在12MPa和50℃，二氧化碳由气态转变为超临界状态；借助反应釜内的搅拌装置对超临界二氧化碳和硬质磨粒进行30min搅拌，得到磨粒相超临界二氧化碳混合流体；将磨粒相超临界二氧化本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超临界二氧化碳辅助等离子体熔射制备磁性磨料的方法，该方法以射频感应等离子体将铁磁相颗粒加热至熔融，形成粒度较为一致的液滴；用含有磨粒相的超临界二氧化碳对铁磁相熔滴进行喷射，充分利用超临界二氧化碳的快速膨胀和雾化冷却特性，使得磨粒相颗粒均匀分布且牢固镶嵌在球形铁磁相基体上。2.所述磁性磨料制备方法，其特征是采用包括铁磁相等离子体熔射、磨粒相超临界二氧化碳混合流体的制备、混合流体的雾化喷射、磁性磨粒的收集和分离，具体是：（1）铁磁相等离子体熔射：由射频感应等离子体发生装置建立稳定的等离子体炬；携带气体由加料枪把800-1200目的铁粉沿轴向方向喷入等离子体炬中；铁粉被迅速加热至熔融，并以球形度很高的微小液滴形式从等离子炬出口处喷出；（2）磨粒相超临界二氧化碳混合流体的制备：将10-50目的氧化铝硬质磨粒放入高压反应釜中；利用双柱塞微量泵往...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟建兵，董小娟，赵国勇，赵玉刚，周海安，高跃武，胡益忠，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：