自由降落混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备设备的制造方法
【技术领域】
[0001 ]本发明提供一种自由降落混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备设备，属于磁粒研磨材料制备技术领域。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]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。
[0006]( I)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AI2O3、SiC、Cr203、TiC等混合均勾后，再加入粘合剂如油酸、聚乙稀醇、娃胶等制成。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。
[0007](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Feygin Sawa的专利中提到的粘结剂是氰基丙稀酸脂，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Al203、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。
[0008](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。
[0009]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:I)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。
[0010]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一液反应法，液一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。
[0011 ] (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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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Al 203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、成本相对较尚O
[0015]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A1203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。
[0016]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，对以前的等离子粉末熔融法制备磁性磨料的工艺进行了改进，用等离子喷射技术制备了铁基的分别携带氧化铝和金刚石磨料颗粒的精细球形磁性磨料。这种方法利用可达到5000?10000°C高温的等离子火焰，将铁磁性金属和硬质磨料混合粉末迅速熔化成微液滴，然后冷却、凝固成颗粒。该种方法部分解决了铁磁性金属相与硬质磨料相润湿性差的问题，但硬质磨料颗粒在铁磁性金属基体表面的分布仍然很少，致使其研磨性能不高，同时还由于硬质磨料在高温的作用下切削刃出现钝化，导致其研磨性能进一步降低。
[0017]国内外所应用的大多数磁性磨料，其硬质磨料都是被金属基体所包裹，这类磁性磨料往往是金属基体的结构强度越高，其使用寿命亦越长，但其研磨性能却降低;其研磨失效的原因基本都是磁性磨料的破碎与分解，而不是硬质磨料切削刃的钝化。
[0018]目前，磁粒研磨光整加工主要存在的问题是磁性磨料寿命低、对金属的切削能力差、制备困难和成本高。磁性磨料制备技术研究的落后，已经成为制约磁粒研磨光整加工技术进一步推广应用(如自由曲面研磨光整加工)的瓶颈问题。为此，本发明人赵玉刚发明了“气雾化快凝磁性磨料制备方法”(ZL201010206408.6)、“气雾化快凝磁性磨料制备设备”(ZL201 I 10 1 56753.8 )、气雾化快凝磁性磨料制备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 )、“气雾化快凝法制备磁性磨料的结构形态控制方法”(ZL201110156741.5)，并在实践中取得了较好的效果，但还存在一些影响磁性磨料制备质量的关键技术问题，如:
(I)射流喷嘴问题:由于是采用单一喷嘴，气固两相流喷射速度高，导致射流喷嘴的快速冲蚀磨损，并在极短的时间失效，磁性磨料的制备功能丧失；同时还是由于是采用单一喷嘴，硬质磨料与高压气体一起作为雾化介质，如果气固两相流射流速度低则雾化效果不好、磁性磨料颗粒粗大，但如果气固两相流射流速度高，虽然磁性磨料虽然粒径减小，但因硬质磨料进入熔融态金属后会重新飞溅而出，导致磁性磨料金属基体中含有的硬质磨料骤减，磁性磨料研磨性能显著降低。
[0019](2)液态磁性磨料液滴的冷凝速度控制问题:由于没有解决熔融态磁性磨料液滴的冷凝速度准确控制问题，制备的磁性磨料其硬质磨料在金属基体中的深浅分布一直不够稳定，直接影响磁性磨料的研磨能力，废品率较高。
[0020](3)磁性磨料中硬质磨料的含量控制问题:气力送混粉装置由于难于精确控制气固两相流中硬质磨料的流量，导致磁性磨料中硬质磨料的含量不稳定、磁性磨料