自由降落雙噴嘴混粉氣霧化水冷快凝金屬基CBN磁性磨料制備方法技術

自由降落雙噴嘴混粉氣霧化水冷快凝金屬基CBN磁性磨料制備方法，其特征在于：磁性磨料的硬質磨料采用CBN粉末，金屬基材料為鐵、硅、鋁、銅四種元素組成的合金；噴嘴采用上下雙層自由降落噴嘴，上層自由降落噴嘴為低壓混粉射流噴嘴，下層自由降落噴嘴為高壓氣流噴嘴；冷卻方式為水冷，通過調節冷卻水在霧化水冷室的水位高度，控制含有CBN磨料金屬液滴的冷卻速度，從而形成CBN磨料在磁性磨料金屬基體表淺層分布的磁性磨料；送混粉采用了螺旋送混粉器，實現CBN磨料流量的精確控制。本發明專利技術制備的金屬基CBN磁性磨料，CBN和金屬基體結合牢固，具有極高的磁力研磨性能，生產工藝過程程序控制，產品性能穩定，適于規模生產。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術提供一種自由降落雙噴嘴混粉氣霧化水冷快凝金屬基CBN磁性磨料制備方法，屬于復合材料的制備

技術介紹
從材料學角度，磁性磨料是一種復合材料，即鐵基增強型復合材料，主要由鐵磁相和磨粒相組成。鐵磁相要求具有良好的導磁性和導電性，常用材料為純鐵粉或鐵基合金粉末。磨粒相是兼有磨削、研磨和拋光作用的一種具有較高硬度、強度和穩定性的粒狀物質，常用材料有剛玉、CBN、氮化硅、碳化硅等。磁性磨料的化學成分及其配比和結構是決定磁性磨料性能的關鍵因素，這就要求鐵磁相與磨粒相之間保持緊密的結合，并且要有適當的粒度，還需要有一種合適的制備方法。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Al2O3、SiC、Cr2O3、TiC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℃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。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，本專利技術人專利技術了“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”（ZL201110156753.8）、“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：（1）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。（2）金屬液導流管的沖蝕磨損問題：采用緊耦合的霧化方式，在對熔融金屬液流霧化前，氣固兩相流首先噴射到金屬液導流管的下端部，造成金屬液導流管下端部短時間內產生嚴重沖蝕磨損，并導致金屬液和高壓氣體沿金屬液導流管回噴的危險。（3）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穩定，直接影響磁性磨料的研磨能力，廢品率較高。（4）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、磁性磨料的性能不穩定。（5）金屬液導流管的沖蝕磨損問題：采用緊耦合的霧化方式，在對熔融金屬液流霧化前，氣固兩相流首先噴射到金屬液導流管的下端部，造成金屬液導流管下端部短時間內產生嚴重沖蝕磨損，并導致金屬液和高壓氣體沿金屬液導流管回噴的危險。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種能克服上述缺陷、制造工藝簡單、制備出的磁性磨料結合強度和研磨效率都比較理想、有利于實現批量生產的磁性磨料制備方法。其技術方案為：一種自由降落雙噴嘴混粉氣霧化水冷快凝金屬基CBN磁性磨料制備方法，其特征在于：磁性磨料的硬質磨料采用CBN粉末，金屬基材料為鐵、硅、鋁、銅四種元素組成的合金；噴嘴采用上下雙層自由降落噴嘴，上層自由降落噴嘴為低壓混粉射流噴嘴，其噴出的是含有CBN磨料的低壓惰性氣體混粉射流，作用是沖破下流過程中金屬液流的表面張力將CBN磨料射入金屬液流中，但不對金屬液流進行霧化；下層自由降落噴嘴為高壓氣流噴嘴，其噴出的是高速惰性氣流，作用是對混有CBN磨料的金屬液流進行霧化，使其霧化成為混有CBN磨料的金屬液滴；冷卻方式為水冷：通過調節冷卻水在霧化水冷室的水位高度，從而控制含有CBN磨料金屬液滴在霧化水冷室中的飛行距離，進而控制含有CBN磨料金屬液滴的冷卻速度，從而形成CBN磨料在磁性磨料金屬基體表淺層分布的磁性磨料；送混粉采用了螺旋送混粉器，實現了低壓惰性氣體混粉射流中CBN本文檔來自技高網...

【技術保護點】
自由降落雙噴嘴混粉氣霧化水冷快凝金屬基CBN磁性磨料制備方法，其特征在于：磁性磨料的硬質磨料采用CBN粉末，金屬基材料為鐵、硅、鋁、銅四種元素組成的合金；噴嘴采用上下雙層自由降落噴嘴，上層自由降落噴嘴為低壓混粉射流噴嘴，其噴出的是含有CBN磨料的低壓惰性氣體混粉射流，作用是沖破下流過程中金屬液流的表面張力將CBN磨料射入金屬液流中，但不對金屬液流進行霧化；下層自由降落噴嘴為高壓氣流噴嘴，其噴出的是高速惰性氣流，作用是對混有CBN磨料的金屬液流進行霧化，使其霧化成為混有CBN磨料的金屬液滴；冷卻方式為水冷：通過調節冷卻水在霧化水冷室的水位高度，從而控制含有CBN磨料金屬液滴在霧化水冷室中的飛行距離，進而控制含有CBN磨料金屬液滴的冷卻速度，從而形成CBN磨料在磁性磨料金屬基體表淺層分布的磁性磨料；送混粉采用了螺旋送混粉器，實現了低壓惰性氣體混粉射流中CBN磨料流量的精確和方便控制，使得磁性磨料中CBN磨料的含量穩定。

【技術特征摘要】
1.自由降落雙噴嘴混粉氣霧化水冷快凝金屬基CBN磁性磨料制備方法，其特征在于：磁性磨料的硬質磨料采用CBN粉末，金屬基材料為鐵、硅、鋁、銅四種元素組成的合金；噴嘴采用上下雙層自由降落噴嘴，上層自由降落噴嘴為低壓混粉射流噴嘴，其噴出的是含有CBN磨料的低壓惰性氣體混粉射流，作用是沖破下流過程中金屬液流的表面張力將CBN磨料射入金屬液流中，但不對金屬液流進行霧化；下層自由降落噴嘴為高壓氣流噴嘴，其噴出的是高速惰性氣流，作用是對混有CBN磨料的金屬液流進行霧化，使其霧化成為混有CBN磨料的金屬液滴；冷卻方式為水冷：通過調節冷卻水在霧化水冷室的水位高度，從而控制含有CBN磨料金屬液滴在霧化水冷室中的飛行距離，進而控制含有CBN磨料金屬液滴的冷卻速度，從而形成CBN磨料在磁性磨料金屬基體表淺層分布的磁性磨料；送混粉采用了螺旋送混粉器，實現了低壓惰性氣體混粉射流中CBN磨料流量的精確和方便控制，使得磁性磨料中CBN磨料的含量穩定。
2.根據權利要求1所述的自由降落雙噴嘴混粉氣霧化水冷快凝金屬基CBN磁性磨料制備方法，其特征在于：水冷快凝的快速冷卻方式和金屬基材料中硅、鋁、銅的加入，增大了金屬基材料和CBN磨料之間的結合強度。
3.根據權利要求1所述的自由降落雙噴嘴混粉氣霧化水冷快凝金屬基CBN磁性磨料制備方法，其特征在于：冷卻方式為水冷，通過調節冷卻水在霧化水冷室的水位高度，從而控制含有CBN磨料金屬液滴在霧化水冷室中的飛行距離，進而控制含有CBN磨料金屬液滴的冷卻速度，從而形成CBN磨料在磁性磨料金屬基體表淺層分布的磁性磨料，提高磁性磨料的導磁性和研磨能力，減小霧化水冷室的長度和設備整體高度，降低設備成本。
4.根據權利要求1所述的自由降落雙噴嘴混粉氣霧化水冷快凝金屬基CBN磁性磨料制備方法，其特征在于金屬基CBN磁性磨料的制備步驟...

【專利技術屬性】
技術研發人員：張桂香，趙玉剛，
申請(專利權)人：山東理工大學，
類型：發明
國別省市：山東;37