專利名稱：氣霧化快凝法制備磁性磨料的結構形態控制方法
技術領域：
本發明涉及一種用于磁力研磨的磁性磨料，尤其是一種氣霧化快凝法制備磁性磨料的結構形態控制方法。
背景技術：
磁力研磨光整加工技術是將磁場應用于傳統研磨技術而開發的一種新的光整加工工藝；是一種很優異的光整加工方法；是改善產品表面質量很有效的技術手段。該方法在技術上存在諸多優點柔性、自適應性、自銳性、可控性、溫升小和無須進行工具磨損補償、無須修形等特點；同時還避免了對磨具頭部結構的復雜要求，能夠實現三維復雜曲面的研磨光整加工和解決自動化問題；并能降低零件的制造成本，因而在國內外引起了廣泛的研究。現有技術中磁性磨料的制備方法有很多種，它們大體上可以分為三類機械混合法、 復合材料法、反應鑄造法。機械混合法是將鐵磁性粉末、磨料粉末和研磨液等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磨料粉末如Al203、SiC、Cr203、 TiC、金剛石等混合均勻后，再加入粘合劑如油酸、聚乙烯甘醇、硅膠等制成。該種方法可以制成多種磁性磨料，制備工藝簡單，成本低，但是在研磨期間，磨料顆粒與磁性粉末比較容易分離飛散，研磨效率低，限制了應用范圍。從材料學的角度看，磁性磨料是一種復合材料粉末，即鐵基顆粒增強型復合材料粉末。它是由兩種或兩種以上的材料通過一定的復合工藝制成的多相材料，其性能在特定方面明顯優于原材料。隨著復合材料學的發展，磁性磨料的制備技術也得到了相應發展，其制備工藝有許多種，主要有燒結法、粘結法、復合鍍層法等。燒結法是目前磁性磨料制備最常用的方法。在日本，該方法已經成功地應用于工業化生產中。根據具體燒結條件的不同，它又分為常壓燒結、熱壓燒結、激光燒結、微波燒結等。由于磁性磨料的加工性能和使用壽命，很大程度上決取于磨粒相與鐵磁相的結合強度。 燒結法制備的磁性磨料，在機械粉碎、篩分過程中有相當部分的磨料相與鐵磁相分離，導致鐵磁相與磨粒相結合強度降低，耐用度下降。粘結法根據所選用粘結劑的不同分為無機粘結和有機粘結，是將一定比例、混合均勻的鐵磁性粉末和磨料粉末用粘結劑粘結在一起，然后固化，再機械粉碎、篩選，制成不同粒度的磁性磨料粉末。粘結法制備的磁性磨料，由于不需要預先壓制成塊，不需要含有惰性氣體的電爐、激光機等設備，因此該方法工藝簡單，容易實現，成本較低。但組織疏松，結合差，密度低，熱穩定性差，磨粒相容易脫落，壽命較短。且當溫度較高時，粘結的磁性磨料使加工的表面成暗黑色，原有加工表面容易被污染損毀。復合鍍層法用復合電鍍或復合化學鍍的方法，將某種磨料顆粒均勻地夾雜到金屬鍍層中，而形成的特殊鍍層即為復合鍍層。將復合鍍層工藝應用到磁性磨料的制備技術中， 經過多年的發展，復合鍍層法己成功地應用在不少科技領域中，但生產成本較高、批量生產難以實現、鍍液處理不當還會造成環境污染。
反應鑄造法其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，在肌體內原位合成一種或幾種高強度的陶瓷增強相，在得到含有陶瓷增強相的合金后，再加熱熔化并在高壓下吹制成粉末。反應鑄造法目前存在的問題是磁性磨料中陶瓷硬質磨料的含量低且其中的硬質磨料粒度也難于控制。等離子噴涂法，是將鐵基粉末和硬質磨料顆粒按一定比例預先混合均勻后，放置在等離子噴涂設備的原料粉末供料室中。在等離子噴射裝置的真空室中，對兩電極之間施加高頻放電電壓，由等離子發生器產生等離子體噴射火焰。將混合好的原料粉末同時不斷地噴入到等離子火焰中，等離子火焰溫度可達到5000 10000°C的高溫，將原料粉末不斷地熔化成微液滴，然后冷卻、凝固成球形磁性磨料顆粒。該種方法雖然解決了鐵基相與磨料相相容性差的問題，但該方法制備的磁性磨料由于受等離子火焰的高溫作用，磨粒相的鋒利切削刃被鈍化，致使其研磨效率顯著降低，其研磨能力甚至比不上其他簡單方法制備的磁性磨料。霧化快凝磁性磨料制備法(為本發明人所提出)，是采用霧化快凝設備，在惰性氣體的保護下，用含有硬質磨料的高壓氣流吹射下流過程中的熔融金屬液流，金屬液流被霧化后，形成含有硬質磨料顆粒的微小液滴，經快速冷卻凝固，將原本相容性和潤濕性極差的硬質磨料相和金屬相強制性地結合在一起，從而制備出高性能的磁性磨料。該方法突破了鐵磁性金屬與硬質磨料之間相容性差的限制，將鐵磁性金屬與硬質陶瓷磨料強制性的結合在一起，制備出具有導磁率高、研磨能力強、粒度可控、結構強度高、結構形態呈球狀、壽命長的高性能磁性磨料。目前該方法有希望成為低成本、大批量生產高性能磁性磨料的最有前途的方法。本發明所提出氣霧化快凝法制備磁性磨料的結構形態控制方法，就是實現本發明人所提出的霧化快凝磁性磨料制備法的具體生產工藝方法。
發明內容
本申請的發明目的是提出一種氣霧化快凝法制備磁性磨料的結構形態控制方法。本申請是通過如下技術方案實施的提出一種氣霧化快凝法制備磁性磨料的結構形態控制方法，其特征在于通過對鐵磁性金屬熔融溫度的控制和對混粉氣流噴射速度的控制，獲得的磁性磨料的形態呈規則球體狀結構；所述的硬質磨料在金屬肌體淺表層密集均勻分布且與金屬肌體結合牢固；所述的硬質磨料的切削刃突出在外，最外的切削刃距離金屬肌體表面具等高性。上述的氣霧化快凝法制備磁性磨料的結構形態控制方法，其特征在于所述的對鐵磁性金屬熔融溫度的控制，是指對鐵磁性金屬的熔融溫度控制在超過相應鐵磁性金屬熔點的 50 280°C ；上述的氣霧化快凝法制備磁性磨料的結構形態控制方法，其特征在于所述的混粉氣流的噴射壓力，控制在0. 7 3. OMPa0上述的氣霧化快凝法制備磁性磨料的結構形態控制方法，其特征在于所述獲得的磁性磨料中的鐵磁性金屬肌體，由熔融態鐵磁性金屬結晶而成，組織致密。上述的氣霧化快凝法制備磁性磨料的結構形態控制方法，其特征在于硬質磨料顆粒主要分布在鐵磁性金屬肌體表淺層，在金屬肌體中心部位僅有微量分布，在表淺層和中心部位之間的中間層幾乎沒有分布。上述的氣霧化快凝法制備磁性磨料的結構形態控制方法，其特征在于所述的硬質磨料顆粒，指的是A1203、SiC、Cr203> Tie、立方氮化硼或金剛石的微粉顆粒。上述的方法，其特征在于所述的鐵磁性金屬肌體，指的是純鐵、鐵硅鋁合金，鐵鎳合金，鐵鉻合金或鐵鉻鎳合金。本發明的申請人首次提出了一種磁性磨料制備方法一一霧化快凝法采用霧化快凝設備，在惰性氣體的保護下，用含有硬質磨料的高壓氣流吹射下流過程中的熔融金屬液流，金屬液流被霧化后，形成含有硬質磨料顆粒的微小液滴，經快速冷卻凝固，將原本相容性和潤濕性極差的硬質磨料相和金屬(或金屬合金)相強制性地結合在一起，從而制備出高性能的磁性磨料。該方法首次實現了硬質磨料主要在鐵磁性金屬肌體表淺層分布、外觀呈規則球狀結構的磁性磨料的制備。在霧化快凝磁性磨料的制備過程中，通過對鐵磁性金屬熔融溫度、混粉氣體噴射速度的控制，從而控制所制備的磁性磨料的形態結構和硬質磨料顆粒在鐵磁性金屬肌體中的分布。本發明所提出的氣霧化快凝制備磁性磨料的形態結構控制方法，為實現本發明申請人所提出的氣霧化快凝制備磁性磨料的關鍵工藝技術。(1)鐵磁性金屬熔融溫度控制的作用在其他條件不變的情況下，鐵磁性金屬超過熔點達到一定溫度，經霧化的金屬液滴在表面張力的作用下收縮成球體形狀；同時，金屬液滴在冷卻凝固之前，處于金屬液滴內部的硬質磨料顆粒向金屬液滴的表層移動，內部的硬質磨料減少；處于金屬液滴中心部位的硬質磨料由于受到的向外移動的作用力小，部分停留在中心部位。這樣就形成了附圖1所示的結構形態，即硬質磨料顆粒主要分布在鐵磁性金屬肌體的表淺層，中心部有微量分布，而在鐵磁性金屬肌體的其余部位則少有分布。 磁性磨料能不能形成球狀結構、硬質磨料能不能僅在磁性磨料鐵磁性金屬肌體的表淺層分布，鐵磁性金屬超過熔點所達到一定溫度起著重要的作用。如果鐵磁性金屬熔融溫度超過其熔點溫度過高，霧化后含有磁性磨料的金屬液滴因結晶凝固太慢，大量的硬質磨料顆粒將游離出金屬肌體表面而脫落，硬質磨料在金屬肌體表淺層的分布將減少，這樣就無法得到圖1所示的理想結構形態。如果鐵磁性金屬熔融溫度超過其熔點溫度過低，熔融的金屬液體將得不到充分霧化即結晶凝固，不僅不能形成規則的球體，內部的硬質磨料顆粒也來不及向表淺層移動就被固結，這樣同樣也無法得到圖1所示的理想結構形態。實驗表明， 要想達到附圖1所示的理想形態，鐵磁性金屬熔融液體溫度需要控制在超過熔點50°C 280°C之間。(2)混粉氣流噴射速度在其他條件不變的情況下，混粉氣流噴射速度對熔融金屬液體霧化的效果、硬質磨料在鐵磁性金屬肌體的分布狀態有直接影響。如果混粉氣流噴射速度太低，磁性磨料的顆粒粗大且無法形成球體，并且由于大量的硬質磨料顆粒不能射入液態金屬中而停留在金屬肌體的表層，這些硬質磨料與金屬肌體的結合不牢固，很容易脫落；如果混粉氣流噴射速度太高，霧化后的金屬液滴太小導致硬質磨料和鐵磁性金屬肌體分離，同樣無法制備出有效的磁性磨料。混粉氣流的噴射速度，需要通過混粉氣流的噴射壓力控制來實現。實驗表明，混粉氣流的噴射壓力根據對磁性磨料粒度大小的要求，需要在0. 7MPa 3. OMPa之間進行控制。在氣霧化快凝磁性磨料的制備過程中，通過對鐵磁性金屬熔融溫度、混粉氣體噴射速度的控制，可以得到具有下列形態結構特點的磁性磨料(1)形態呈規則圓球狀；(2)磁性磨料與金屬肌體熔融滲透冷卻中結晶而成，組織致密；(3)鐵磁性金屬肌體表層分布有硬質磨料顆粒，硬質磨料顆粒在鐵磁性金屬肌體的表層分布均勻、密集與肌體牢固結合；(4)硬質磨料顆粒的切削刃突出在外且具有一致的等高性；(5)硬質磨料顆粒主要分布在鐵磁性金屬肌體淺表層，在金屬肌體中心部位僅有少量分布，在淺表層和中心部位之間的中間層少有分布。本發明方法的優點(1)鐵磁性合金肌體與硬質磨料顆粒牢固結合，使其具有更長的使用壽命；(2)硬質磨料顆粒在鐵磁性合金肌體的表面密集、均勻分布且切削刃突出在外，硬質磨料顆粒在鐵磁性合金肌體的表面突出的切削刃距離肌體表面的高度大體一致，這些特點使其具有較強的對被加工的工件研磨能力的同時，還可以顯著提高被加工工件表面的加
工質量；(3)硬質磨料顆粒主要分布與鐵磁性合金肌體的表面，內部分布較少，因此該磁性磨料的導磁率高，使其對被加工工件的研磨能力顯著增強，加工效率提高。
圖1是根據試驗觀察分析得出的、理想工藝參數下、采用霧化快凝法制備的磁性磨料的形態結構剖面圖；圖2是實施例1磁性磨料放大800x的整體SEM圖像；
圖3是實施例1磁性磨料放大2000x的局部SEM圖像；圖4是實施例1磁性磨料局部放大5000x的局部SEM圖像；圖5是實施例1磁性磨料放大IOOOx的局部SEM圖像；圖6是實施例2壓力適中，金屬肌體熔融溫度過高時，制備的磁性磨料的結構形態示意圖；圖7是實施例2壓力適中，金屬肌體熔融溫度過低時，制備的磁性磨料的結構形態示意圖；圖8是實施例3溫度適中，壓力過高時形成的一種磁性磨料的結構形態示意圖；圖9是實施例3溫度適中，壓力過低時形成的一種磁性磨料的結構形態示意圖。* 掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope，縮寫 SEM)
具體實施例方式圖中標號1硬質磨料顆粒；2鐵磁性金屬肌體。*為了獲得效果好的局部剖視SEM圖片，申請人用樹脂膠作為粘接劑將氣霧化快凝法制備的磁性磨料粘接在一起，制備出供SEM用的切片；所以在附圖5中出現了樹脂粘結劑3。
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實施例1 氣霧化快凝法制備的磁性磨料金屬肌體熔融溫度和混粉氣流噴射壓力都在參數控制范圍內，所得到的磁性磨料形態結構呈規則球體狀，硬質磨料在金屬肌體表淺層均勻分布且與金屬肌體結合牢固，顯示如附圖2、附圖3、附圖4、附圖5顯示的結構形態。附圖2、附圖3顯示，在各種控制參數適當的情況下，磁性磨料呈球狀結構，硬質磨料在鐵磁性金屬肌體表層均勻分布，切削刃突出在外，最外的切削刃距離金屬肌體表面的
距離基本一致。附圖4顯示，硬質磨料和金屬肌體牢固地結合在一起。附圖5顯示，金屬肌體為結晶結構，組織致密，硬質磨料僅在金屬肌體的表淺層分布，且兩者結合牢固。由附圖2、附圖3、附圖4、附圖5的觀察分析，可以得出結論在理想工藝參數下、采用霧化快凝法制備的磁性磨料的形態結構剖面圖如附圖1 所示。實施例2 金屬肌體熔融溫度變化對制備的磁性磨料形態結構的影響(1)混粉氣流噴射壓力適中，金屬肌體熔融溫度超過其熔點300°C時，磁性磨料的形態仍為規則的球形，但因冷卻凝固的時間長造成太多的硬質磨料從金屬肌體中游離而出并部分脫落，使得硬質磨料與金屬肌體的結合不夠牢固，顯示如附圖6顯示的結構形態。(2)混粉氣流噴射壓力適中，金屬肌體熔融溫度僅高于其熔點40°C時，因熔融溫度過低，金屬肌體不能很好霧化，磁性磨料的形態不規則，硬質磨料僅在金屬肌體表面分布，且與金屬肌體的結合不牢固，顯示如附圖7顯示的結構形態。實施例3 混粉氣流噴射壓力變化對制備的磁性磨料形態結構的影響(1)金屬肌體熔融溫度適中，混粉氣流噴射壓力高達4. OMPa時，因混粉氣流噴射速度過高，制備的磁性磨料不僅細小，硬質磨料與金屬肌體的結合也不牢固，顯示如附圖8 顯示的結構形態。(2)金屬肌體熔融溫度適中，混粉氣流噴射壓力只有0. 5MPa時，因混粉氣流噴射速度過低，鐵磁性金屬不能得到很好的霧化，形成的磁性磨料不僅粗大、不呈球體狀，而且硬質磨料顆粒僅分布在金屬肌體表面、與金屬肌體的結合也不牢固，顯示如附圖9顯示的結構形態。
權利要求
1.一種氣霧化快凝法制備磁性磨料的結構形態控制方法，其特征在于通過對鐵磁性金屬熔融溫度的控制和對混粉氣流噴射速度的控制，獲得的磁性磨料的形態呈規則球體狀結構；所述的硬質磨料在金屬肌體淺表層密集均勻分布且與金屬肌體結合牢固；所述的硬質磨料的切削刃突出在外，最外的切削刃距離金屬肌體表面具等高性。
2.按照權利要求1所述的氣霧化快凝法制備磁性磨料的結構形態控制方法，其特征在于所述的對鐵磁性金屬熔融溫度的控制，是指對鐵磁性金屬的熔融溫度控制在超過相應鐵磁性金屬熔點的50 280°C ；
3.按照權利要求1所述的氣霧化快凝法制備磁性磨料的結構形態控制方法，其特征在于所述的混粉氣流的噴射壓力，控制在0. 7 3. OMPa0
4.按照權利要求1、2或3所述的氣霧化快凝法制備磁性磨料的結構形態控制方法，其特征在于所述獲得的磁性磨料中的鐵磁性金屬肌體，由熔融態鐵磁性金屬結晶而成，組織致密。
5.按照權利要求1、2或3所述的氣霧化快凝法制備磁性磨料的結構形態控制方法，其特征在于硬質磨料顆粒主要分布在鐵磁性金屬肌體表淺層，在金屬肌體中心部位僅有微量分布，在表淺層和中心部位之間的中間層幾乎沒有分布。
6.按照權利要求1、2或3所述的氣霧化快凝法制備磁性磨料的結構形態控制方法，其特征在于所述的硬質磨料顆粒，指的是A1203、SiC、Cr203、TiC、立方氮化硼或金剛石的微粉顆粒。
7.按照權利要求1、2或3所述的方法，其特征在于所述的鐵磁性金屬肌體，指的是純鐵、鐵硅鋁合金，鐵鎳合金，鐵鉻合金或鐵鉻鎳合金。
全文摘要
本發明涉及一種氣霧化快凝法制備磁性磨料的結構形態控制方法。通過對鐵磁性金屬熔融溫度的控制在超過相應鐵磁性金屬熔點的50～280℃和對混粉氣流噴射速度的控制在0.7～3.0MPa，獲得的磁性磨料的形態呈規則球體狀結構。其硬質磨料在金屬肌體淺表層均勻分布且與金屬肌體結合牢固使用壽命更長。硬質磨料顆粒主要分布在鐵磁性金屬肌體表淺層，在金屬肌體中心部位僅有微量分布，在表淺層和中心部位之間的中間層幾乎沒有分布。硬質磨料的切削刃突出在外，最外的切削刃距離金屬肌體表面具等高性；具有較強的對被加工的工件研磨能力的同時，還可以顯著提高被加工工件表面的加工質量；導磁率高，使其對被加工工件的研磨能力顯著增強，加工效率提高。
文檔編號C09K3/14GK102277132SQ20111015674
公開日2011年12月14日 申請日期2011年6月11日 優先權日2011年6月11日
發明者張桂香, 趙增典, 趙玉剛 申請人:山東理工大學