自由降落混粉氣霧化水冷快凝磁性磨料制備設備的制造方法
【技術領域】
[0001 ]本發明提供一種自由降落混粉氣霧化水冷快凝磁性磨料制備設備，屬于磁粒研磨材料制備技術領域。
【背景技術】
[0002]高效超精整加工技術是國家長期優先重點資助和鼓勵發展的研究領域，而面向超光滑自由曲面的新型自動加工理論與技術更是世界各國制造業和研究人員共同關注的熱點。超光滑自由曲面的加工質量是衡量一個國家制造技術水平的重要標志，它對于保證國家尖端工業和某些高技術產業的發展具有十分重要的意義。近幾十年來，隨著計算機技術和現代控制理論等相關科技的迅猛發展，以數控技術為代表的柔性加工手段日益完善，但自由曲面精整加工的自動化還是一大難題。目前自由曲面的精整加工仍然主要依賴于熟練工人的手工操作。以模具為例，大型自由曲面的精整加工在美國、日本、德國等發達國家其手工加工工時占總工時的37?42%，在我國則達50%左右。手工加工費時費力、效率低下，且難以取得良好的精整加工效果，制約了超光滑自由曲面制造技術的發展。為適應以精密模具為代表的自由曲面零件的低成本、短周期和高質量的要求，日本等國自上世紀90年代率先開展了自由曲面磁粒研磨加工自動化的研究，部分研究成果已獲得應用，近些年來，國內學者也對該加工技術進行了研究和開發工作。
[0003]磁粒研磨是利用磁場的作用，使磨料與工件接觸并產生一定的作用力，通過工件與磨料之間的相對運動進行研磨加工的一種工藝方法。與傳統的精整加工工藝相比，磁粒研磨具有柔性、自適應性、自銳性、可控性、溫升小、效率高和無須進行工具磨損補償、無須修形等特點。磁性磨料作為磁粒研磨的工具，其性能直接影響加工的質量和效率。盡管磁粒研磨加工具有多的優點，但限于現有磁性磨料的性能，自由曲面磁粒研磨加工自動化技術離推廣應用還有很大距離。
[0004]由此可見，磁性磨料的制備技術是磁粒研磨技術推廣應用的關鍵，也是一個亟待解決的技術難題。研究自由降落氣固兩相流霧化快凝磁性磨料的形成機理、探索新的磁性磨料制備方法、研制高性能、低成本磁性磨料的生產設備，具有十分重要的現實意義和理論價值。
[0005]目前，國內外應用的磁性磨料制備技術有多種，如機械混合法、粘結法、鑄造法、燒結法等。
[0006]( I)機械混合法:機械混合法是將鐵磁性粉末、硬質磨料粉末和研磨液按一定比例在常溫下均勻混合，直接進行研磨加工的方法。常用一定粒度的鐵磁性粉末與硬質磨料粉末如AI2O3、SiC、Cr203、TiC等混合均勾后，再加入粘合劑如油酸、聚乙稀醇、娃膠等制成。該種方法可以制備多種磁性磨料，但是在加工期間，硬質磨料顆粒與鐵磁性粉末容易分離飛散，因而使用范圍較窄。
[0007](2)粘結法:粘結法是用粘結劑將一定比例的鐵粉和硬質磨料粉粘結為一體，然后加壓固化，通過粉碎、篩選制成所需粒度的磁性磨料。對于粘結法制備磁性磨料，選取合適的粘結劑是關鍵。美國學者Feygin Sawa的專利中提到的粘結劑是氰基丙稀酸脂，制備的鐵基磁性磨料其研磨效率高于傳統的燒結法制備的鐵基磁性磨料。國內學者采用環氧樹脂作為粘接劑制備的鐵基Al203、SiC磁性磨料，均獲得了良好的研磨加工效果。該磁性磨料制備方法工藝簡單、成本低，但制備的磁性磨料組織疏松、密度低，硬質磨粒相顆粒易脫落，使用壽命較低。
[0008](3)鑄造法:使磁性磨料的主要鐵基金屬成分在高溫下達到熔化狀態，在高壓氣體的吹制下，霧化成微液滴，然后冷卻、凝固、篩分后直接制得粉末。該方法包括外加顆粒復合和原位反應復合兩種方法。
[0009]外加顆粒復合:外加顆粒復合法是將硬質磨料粉末直接加入到熔融態的鐵基金屬材料中，并使硬質磨料顆粒在基體中均勻分布，然后通過高壓氣體吹制而成。鑄造法制備磁性磨料的關鍵是使硬質磨料顆粒在液態鐵基金屬材料中均勻分散，并最終彌散分布于隨后吹制而成的磁性磨料中。而要做到這一點，必須滿足兩個基本條件:I)硬質磨料顆粒與液態鐵基金屬材料的潤濕性好;2)兩種材料的密度差盡量小。多數情況下上述兩個條件難以滿足，主要由于常用的硬質磨料粉末密度與鐵磁性材料的密度相差較大，難以使兩者混合均勻;另一方面硬質磨粒相與鐵磁材料相一般潤濕性差，兩者難以結合。
[0010]原位反應復合法:原位反應復合法的基本原理是在一定條件下，通過元素與元素或元素與化合物之間的化學反應，在基體內原位合成一種或幾種高硬度的陶瓷增強相，在得到含有陶瓷增強相的材料后，再加熱熔化并在高壓氣體的作用下吹制成粉末。原位反應復合法主要有氣一液反應法，液一液反應法和自蔓延燃燒合成法。原位反應復合法目前存在的問題陶瓷增強相被金屬基體所包裹，制備的磁性磨料研磨能力差。
[0011 ] (4)燒結法:以鐵磁性金屬粉末與硬質磨料粉末的混合物為原料，通過燒結的方法制備磁性磨料。具體的燒結法包括:常壓燒結法、熱壓燒結法、放電等離子燒結法、激光燒結法和等離子粉末熔融燒結法等。
[0012]常壓燒結法:常壓燒結法是以粉末冶金為基礎，將一定比例的鐵粉和硬質磨料粉混合均勻后壓制成具有較高密度的壓坯，在惰性氣體或真空氣氛保護下，以低于鐵粉熔點的溫度，使鐵粉處于熔而不化的狀態進行燒結，使硬質磨料結合于導磁的鐵基金屬體內，達到所需要的機械強度后，將燒結的坯塊進行機械粉碎、篩選制得。磁性磨料的使用性能很大程度上決取于硬質磨粒相與鐵磁金屬相的結合強度。由于在機械粉碎、篩分過程中有相當部分的硬質磨料相與鐵磁金屬相分離，導致鐵磁相與磨粒相結合強度降低，耐用度下降。因此，提高磁性磨料中兩相之間的結合力是很重要的。通過施加壓力可使鐵磁金屬相與硬質磨料相顆粒之間的孔隙得到填充，接觸面積增大，使其更加緊密。該方法制備磁性磨料的缺點是機械粉碎困難。由于該方法制備的磁性磨料研磨能力較強、使用壽命較長，因此該法是目前國內外最主要的磁性磨料制備方法。
[0013]熱壓燒結法:熱壓燒結是將按一定比例混合的鐵磁金屬粉末和硬質磨粒置于熱壓爐中燒結，然后粉碎、篩選得到所需粒度的磁性磨料。由于該方法在加熱過程中同時施壓，晶界滑移和擠壓蠕變使接觸面積增加，熱傳導變快，因而降低了燒結溫度，縮短了燒結時間。該方法所制備的磁性磨料致密度高、使用壽命較長。其缺點是機械粉碎困難、成本相對較高。
[0014]放電等離子燒結法:放電等離子燒結(SPS)是融合等離子活化、熱壓、電阻加熱為一體，通過瞬時產生的放電等離子使被燒結體內部每個顆粒自身發熱，使顆粒表面活化，因而具有升溫速度快、燒結時間短、晶粒均勻、有利于控制燒結體的細微結構，所制備的磁性磨料致密度高、性能好，使用壽命較長。國內學者范春麗利用SPS燒結制備的鐵基Al 203磁性磨料，致密度達到97%以上，使用壽命達到了 24min。其缺點仍是機械粉碎困難、成本相對較尚O
[0015]激光燒結法:激光燒結是利用高能量的激光，將鐵粉與硬質磨料混合物燒結制備磁性磨料的一種方法。本項目申請者和師兄廖月明采用不同的激光燒結方法制備了鐵基A1203磁性磨料，進行的磁粒研磨實驗表明，該方法制備的磁性磨料具有較強的磁粒研磨能力，但該方法成本很高。
[0016]等離子粉末熔融燒結法:等離子粉末熔融燒結是將硬質磨料和鐵粉按一定比例混合，然后從等離子噴涂設備中噴出，借助等離子弧的高溫將兩者熔融在一起。美國Florida大學的Yamaguchi與日本Utsunomiya大學的Hanada等人合作，對該磁性磨料制備技術進行了深入的研究，對以前的等離子粉末熔融法制備磁性磨料的工藝進行了改進，用等離子噴射技術制備了鐵基的分別攜帶氧化鋁和金剛石磨料顆粒的精細球形磁性磨料。這種方法利用可達到5000?10000°C高溫的等離子火焰，將鐵磁性金屬和硬質磨料混合粉末迅速熔化成微液滴，然后冷卻、凝固成顆粒。該種方法部分解決了鐵磁性金屬相與硬質磨料相潤濕性差的問題，但硬質磨料顆粒在鐵磁性金屬基體表面的分布仍然很少，致使其研磨性能不高，同時還由于硬質磨料在高溫的作用下切削刃出現鈍化，導致其研磨性能進一步降低。
[0017]國內外所應用的大多數磁性磨料，其硬質磨料都是被金屬基體所包裹，這類磁性磨料往往是金屬基體的結構強度越高，其使用壽命亦越長，但其研磨性能卻降低;其研磨失效的原因基本都是磁性磨料的破碎與分解，而不是硬質磨料切削刃的鈍化。
[0018]目前，磁粒研磨光整加工主要存在的問題是磁性磨料壽命低、對金屬的切削能力差、制備困難和成本高。磁性磨料制備技術研究的落后，已經成為制約磁粒研磨光整加工技術進一步推廣應用(如自由曲面研磨光整加工)的瓶頸問題。為此，本發明人趙玉剛發明了“氣霧化快凝磁性磨料制備方法”(ZL201010206408.6)、“氣霧化快凝磁性磨料制備設備”(ZL201 I 10 1 56753.8 )、氣霧化快凝磁性磨料制備送混粉器及送混粉控制方法(Z L 2 O I I I O I 5 6 O 4 7.3 )、“氣霧化快凝法制備磁性磨料的結構形態控制方法”(ZL201110156741.5)，并在實踐中取得了較好的效果，但還存在一些影響磁性磨料制備質量的關鍵技術問題，如:
(I)射流噴嘴問題:由于是采用單一噴嘴，氣固兩相流噴射速度高，導致射流噴嘴的快速沖蝕磨損，并在極短的時間失效，磁性磨料的制備功能喪失；同時還是由于是采用單一噴嘴，硬質磨料與高壓氣體一起作為霧化介質，如果氣固兩相流射流速度低則霧化效果不好、磁性磨料顆粒粗大，但如果氣固兩相流射流速度高，雖然磁性磨料雖然粒徑減小，但因硬質磨料進入熔融態金屬后會重新飛濺而出，導致磁性磨料金屬基體中含有的硬質磨料驟減，磁性磨料研磨性能顯著降低。
[0019](2)液態磁性磨料液滴的冷凝速度控制問題:由于沒有解決熔融態磁性磨料液滴的冷凝速度準確控制問題，制備的磁性磨料其硬質磨料在金屬基體中的深淺分布一直不夠穩定，直接影響磁性磨料的研磨能力，廢品率較高。
[0020](3)磁性磨料中硬質磨料的含量控制問題:氣力送混粉裝置由于難于精確控制氣固兩相流中硬質磨料的流量，導致磁性磨料中硬質磨料的含量不穩定、磁性磨料