CN102277132A - 气雾化快凝法制备磁性磨料的结构形态控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种气雾化快凝法制备磁性磨料的结构形态控制方法。通过对铁磁性金属熔融温度的控制在超过相应铁磁性金属熔点的50～280℃和对混粉气流喷射速度的控制在0.7～3.0MPa，获得的磁性磨料的形态呈规则球体状结构。其硬质磨料在金属肌体浅表层均匀分布且与金属肌体结合牢固使用寿命更长。硬质磨料颗粒主要分布在铁磁性金属肌体表浅层，在金属肌体中心部位仅有微量分布，在表浅层和中心部位之间的中间层几乎没有分布。硬质磨料的切削刃突出在外，最外的切削刃距离金属肌体表面具等高性；具有较强的对被加工的工件研磨能力的同时，还可以显著提高被加工工件表面的加工质量；导磁率高，使其对被加工工件的研磨能力显著增强，加工效率提高。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于磁力研磨的磁性磨料，尤其是一种气雾化快凝法制备磁性磨料的结构形态控制方法。
背景技术
磁力研磨光整加工技术是将磁场应用于传统研磨技术而开发的一种新的光整加工工艺；是一种很优异的光整加工方法；是改善产品表面质量很有效的技术手段。该方法在技术上存在诸多优点：柔性、自适应性、自锐性、可控性、温升小和无须进行工具磨损补偿、无须修形等特点；同时还避免了对磨具头部结构的复杂要求，能够实现三维复杂曲面的研磨光整加工和解决自动化问题；并能降低零件的制造成本，因而在国内外引起了广泛的研究。现有技术中磁性磨料的制备方法有很多种，它们大体上可以分为三类：机械混合法、复合材料法、反应铸造法。
机械混合法是将铁磁性粉末、磨料粉末和研磨液等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磨料粉末如Al2O3、SiC、Cr2O3、TiC、金刚石等混合均匀后，再加入粘合剂如油酸、聚乙烯甘醇、硅胶等制成。该种方法可以制成多种磁性磨料，制备工艺简单，成本低，但是在研磨期间，磨料颗粒与磁性粉末比较容易分离飞散，研磨效率低，限制了应用范围。
从材料学的角度看，磁性磨料是一种复合材料粉末，即铁基颗粒增强型复合材料粉末。它是由两种或两种以上的材料通过一定的复合工艺制成的多相材料，其性能在特定方面明显优于原材料。随着复合材料学的发展，磁性磨料的制备技术也得到了相应发展，其制备工艺有许多种，主要有烧结法、粘结法、复合镀层法等。
烧结法是目前磁性磨料制备最常用的方法。在日本，该方法已经成功地应用于工业化生产中。根据具体烧结条件的不同，它又分为常压烧结、热压烧结、激光烧结、微波烧结等。由于磁性磨料的加工性能和使用寿命，很大程度上决取于磨粒相与铁磁相的结合强度。烧结法制备的磁性磨料，在机械粉碎、筛分过程中有相当部分的磨料相与铁磁相分离，导致铁磁相与磨粒相结合强度降低，耐用度下降。
粘结法根据所选用粘结剂的不同分为无机粘结和有机粘结，是将一定比例、混合均匀的铁磁性粉末和磨料粉末用粘结剂粘结在一起，然后固化，再机械粉碎、筛选，制成不同粒度的磁性磨料粉末。粘结法制备的磁性磨料，由于不需要预先压制成块，不需要含有惰性气体的电炉、激光机等设备，因此该方法工艺简单，容易实现，成本较低。但组织疏松，结合差，密度低，热稳定性差，磨粒相容易脱落，寿命较短。且当温度较高时，粘结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损毁。
复合镀层法用复合电镀或复合化学镀的方法，将某种磨料颗粒均匀地夹杂到金属镀层中，而形成的特殊镀层即为复合镀层。将复合镀层工艺应用到磁性磨料的制备技术中，经过多年的发展，复合镀层法己成功地应用在不少科技领域中，但生产成本较高、批量生产难以实现、镀液处理不当还会造成环境污染。
反应铸造法其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，在肌体内原位合成一种或几种高强度的陶瓷增强相，在得到含有陶瓷增强相的合金后，再加热熔化并在高压下吹制成粉末。反应铸造法目前存在的问题是磁性磨料中陶瓷硬质磨料的含量低且其中的硬质磨料粒度也难于控制。
等离子喷涂法，是将铁基粉末和硬质磨料颗粒按一定比例预先混合均匀后，放置在等离子喷涂设备的原料粉末供料室中。在等离子喷射装置的真空室中，对两电极之间施加高频放电电压，由等离子发生器产生等离子体喷射火焰。将混合好的原料粉末同时不断地喷入到等离子火焰中，等离子火焰温度可达到5000～10000℃的高温，将原料粉末不断地熔化成微液滴，然后冷却、凝固成球形磁性磨料颗粒。该种方法虽然解决了铁基相与磨料相相容性差的问题，但该方法制备的磁性磨料由于受等离子火焰的高温作用，磨粒相的锋利切削刃被钝化，致使其研磨效率显著降低，其研磨能力甚至比不上其他简单方法制备的磁性磨料。
雾化快凝磁性磨料制备法(为本发明人所提出)，是采用雾化快凝设备，在惰性气体的保护下，用含有硬质磨料的高压气流吹射下流过程中的熔融金属液流，金属液流被雾化后，形成含有硬质磨料颗粒的微小液滴，经快速冷却凝固，将原本相容性和润湿性极差的硬质磨料相和金属相强制性地结合在一起，从而制备出高性能的磁性磨料。该方法突破了铁磁性金属与硬质磨料之间相容性差的限制，将铁磁性金属与硬质陶瓷磨料强制性的结合在一起，制备出具有导磁率高、研磨能力强、粒度可控、结构强度高、结构形态呈球状、寿命长的高性能磁性磨料。目前该方法有希望成为低成本、大批量生产高性能磁性磨料的最有前途的方法。
本发明所提出气雾化快凝法制备磁性磨料的结构形态控制方法，就是实现本发明人所提出的雾化快凝磁性磨料制备法的具体生产工艺方法。
发明内容
本申请的发明目的是提出一种气雾化快凝法制备磁性磨料的结构形态控制方法。
本申请是通过如下技术方案实施的：
提出一种气雾化快凝法制备磁性磨料的结构形态控制方法，其特征在于：
通过对铁磁性金属熔融温度的控制和对混粉气流喷射速度的控制，获得的磁性磨料的形态呈规则球体状结构；
所述的硬质磨料在金属肌体浅表层密集均匀分布且与金属肌体结合牢固；
所述的硬质磨料的切削刃突出在外，最外的切削刃距离金属肌体表面具等高性。
上述的气雾化快凝法制备磁性磨料的结构形态控制方法，其特征在于所述的对铁磁性金属熔融温度的控制，是指对铁磁性金属的熔融温度控制在超过相应铁磁性金属熔点的50～280℃；
上述的气雾化快凝法制备磁性磨料的结构形态控制方法，其特征在于所述的混粉气流的喷射压力，控制在0.7～3.0MPa。
上述的气雾化快凝法制备磁性磨料的结构形态控制方法，其特征在于所述获得的磁性磨料中的铁磁性金属肌体，由熔融态铁磁性金属结晶而成，组织致密。
上述的气雾化快凝法制备磁性磨料的结构形态控制方法，其特征在于硬质磨料颗粒主要分布在铁磁性金属肌体表浅层，在金属肌体中心部位仅有微量分布，在表浅层和中心部位之间的中间层几乎没有分布。
上述的气雾化快凝法制备磁性磨料的结构形态控制方法，其特征在于所述的硬质磨料颗粒，指的是Al2O3、SiC、Cr2O3、TiC、立方氮化硼或金刚石的微粉颗粒。
上述的方法，其特征在于所述的铁磁性金属肌体，指的是纯铁、铁硅铝合金，铁镍合金，铁铬合金或铁铬镍合金。
本发明的申请人首次提出了一种磁性磨料制备方法——雾化快凝法：采用雾化快凝设备，在惰性气体的保护下，用含有硬质磨料的高压气流吹射下流过程中的熔融金属液流，金属液流被雾化后，形成含有硬质磨料颗粒的微小液滴，经快速冷却凝固，将原本相容性和润湿性极差的硬质磨料相和金属(或金属合金)相强制性地结合在一起，从而制备出高性能的磁性磨料。该方法首次实现了硬质磨料主要在铁磁性金属肌体表浅层分布、外观呈规则球状结构的磁性磨料的制备。
在雾化快凝磁性磨料的制备过程中，通过对铁磁性金属熔融温度、混粉气体喷射速度的控制，从而控制所制备的磁性磨料的形态结构和硬质磨料颗粒在铁磁性金属肌体中的分布。
本发明所提出的气雾化快凝制备磁性磨料的形态结构控制方法，为实现本发明申请人所提出的气雾化快凝制备磁性磨料的关键工艺技术。
(1)铁磁性金属熔融温度控制的作用：在其他条件不变的情况下，铁磁性金属超过熔点达到一定温度，经雾化的金属液滴在表面张力的作用下收缩成球体形状；同时，金属液滴在冷却凝固之前，处于金属液滴内部的硬质磨料颗粒向金属液滴的表层移动，内部的硬质磨料减少；处于金属液滴中心部位的硬质磨料由于受到的向外移动的作用力小，部分停留在中心部位。这样就形成了附图1所示的结构形态，即：硬质磨料颗粒主要分布在铁磁性金属肌体的表浅层，中心部有微量分布，而在铁磁性金属肌体的其余部位则少有分布。磁性磨料能不能形成球状结构、硬质磨料能不能仅在磁性磨料铁磁性金属肌体的表浅层分布，铁磁性金属超过熔点所达到一定温度起着重要的作用。如果铁磁性金属熔融温度超过其熔点温度过高，雾化后含有磁性磨料的金属液滴因结晶凝固太慢，大量的硬质磨料颗粒将游离出金属肌体表面而脱落，硬质磨料在金属肌体表浅层的分布将减少，这样就无法得到图1所示的理想结构形态。如果铁磁性金属熔融温度超过其熔点温度过低，熔融的金属液体将得不到充分雾化即结晶凝固，不仅不能形成规则的球体，内部的硬质磨料颗粒也来不及向表浅层移动就被固结，这样同样也无法得到图1所示的理想结构形态。实验表明，要想达到附图1所示的理想形态，铁磁性金属熔融液体温度需要控制在超过熔点50℃～280℃之间。
(2)混粉气流喷射速度：在其他条件不变的情况下，混粉气流喷射速度对熔融金属液体雾化的效果、硬质磨料在铁磁性金属肌体的分布状态有直接影响。如果混粉气流喷射速度太低，磁性磨料的颗粒粗大且无法形成球体，并且由于大量的硬质磨料颗粒不能射入液态金属中而停留在金属肌体的表层，这些硬质磨料与金属肌体的结合不牢固，很容易脱落；如果混粉气流喷射速度太高，雾化后的金属液滴太小导致硬质磨料和铁磁性金属肌体分离，同样无法制备出有效的磁性磨料。混粉气流的喷射速度，需要通过混粉气流的喷射压力控制来实现。实验表明，混粉气流的喷射压力根据对磁性磨料粒度大小的要求，需要在0.7MPa～3.0MPa之间进行控制。
在气雾化快凝磁性磨料的制备过程中，通过对铁磁性金属熔融温度、混粉气体喷射速度的控制，可以得到具有下列形态结构特点的磁性磨料：
(1)形态呈规则圆球状；
(2)磁性磨料与金属肌体熔融渗透冷却中结晶而成，组织致密；
(3)铁磁性金属肌体表层分布有硬质磨料颗粒，硬质磨料颗粒在铁磁性金属肌体的表层分布均匀、密集与肌体牢固结合；
(4)硬质磨料颗粒的切削刃突出在外且具有一致的等高性；
(5)硬质磨料颗粒主要分布在铁磁性金属肌体浅表层，在金属肌体中心部位仅有少量分布，在浅表层和中心部位之间的中间层少有分布。
本发明方法的优点：
(1)铁磁性合金肌体与硬质磨料颗粒牢固结合，使其具有更长的使用寿命；
(2)硬质磨料颗粒在铁磁性合金肌体的表面密集、均匀分布且切削刃突出在外，硬质磨料颗粒在铁磁性合金肌体的表面突出的切削刃距离肌体表面的高度大体一致，这些特点使其具有较强的对被加工的工件研磨能力的同时，还可以显著提高被加工工件表面的加工质量；
(3)硬质磨料颗粒主要分布与铁磁性合金肌体的表面，内部分布较少，因此该磁性磨料的导磁率高，使其对被加工工件的研磨能力显著增强，加工效率提高。
附图说明
图1是根据试验观察分析得出的、理想工艺参数下、采用雾化快凝法制备的磁性磨料的形态结构剖面图；
图2是实施例1磁性磨料放大800x的整体SEM图像；
图3是实施例1磁性磨料放大2000x的局部SEM图像；
图4是实施例1磁性磨料局部放大5000x的局部SEM图像；
图5是实施例1磁性磨料放大1000x的局部SEM图像；
图6是实施例2压力适中，金属肌体熔融温度过高时，制备的磁性磨料的结构形态示意图；
图7是实施例2压力适中，金属肌体熔融温度过低时，制备的磁性磨料的结构形态示意图；
图8是实施例3温度适中，压力过高时形成的一种磁性磨料的结构形态示意图；
图9是实施例3温度适中，压力过低时形成的一种磁性磨料的结构形态示意图。
*扫描电子显微镜(Scanning electron microscope，缩写SEM)
具体实施方式
图中标号：1硬质磨料颗粒；2铁磁性金属肌体。
*为了获得效果好的局部剖视SEM图片，申请人用树脂胶作为粘接剂将气雾化快凝法制备的磁性磨料粘接在一起，制备出供SEM用的切片；所以在附图5中出现了树脂粘结剂3。
实施例1：气雾化快凝法制备的磁性磨料
金属肌体熔融温度和混粉气流喷射压力都在参数控制范围内，所得到的磁性磨料形态结构呈规则球体状，硬质磨料在金属肌体表浅层均匀分布且与金属肌体结合牢固，显示如附图2、附图3、附图4、附图5显示的结构形态。
附图2、附图3显示，在各种控制参数适当的情况下，磁性磨料呈球状结构，硬质磨料在铁磁性金属肌体表层均匀分布，切削刃突出在外，最外的切削刃距离金属肌体表面的距离基本一致。
附图4显示，硬质磨料和金属肌体牢固地结合在一起。
附图5显示，金属肌体为结晶结构，组织致密，硬质磨料仅在金属肌体的表浅层分布，且两者结合牢固。
由附图2、附图3、附图4、附图5的观察分析，可以得出结论：
在理想工艺参数下、采用雾化快凝法制备的磁性磨料的形态结构剖面图如附图1所示。实施例2：金属肌体熔融温度变化对制备的磁性磨料形态结构的影响
(1)混粉气流喷射压力适中，金属肌体熔融温度超过其熔点300℃时，磁性磨料的形态仍为规则的球形，但因冷却凝固的时间长造成太多的硬质磨料从金属肌体中游离而出并部分脱落，使得硬质磨料与金属肌体的结合不够牢固，显示如附图6显示的结构形态。
(2)混粉气流喷射压力适中，金属肌体熔融温度仅高于其熔点40℃时，因熔融温度过低，金属肌体不能很好雾化，磁性磨料的形态不规则，硬质磨料仅在金属肌体表面分布，且与金属肌体的结合不牢固，显示如附图7显示的结构形态。
实施例3：混粉气流喷射压力变化对制备的磁性磨料形态结构的影响
(1)金属肌体熔融温度适中，混粉气流喷射压力高达4.0MPa时，因混粉气流喷射速度过高，制备的磁性磨料不仅细小，硬质磨料与金属肌体的结合也不牢固，显示如附图8显示的结构形态。
(2)金属肌体熔融温度适中，混粉气流喷射压力只有0.5MPa时，因混粉气流喷射速度过低，铁磁性金属不能得到很好的雾化，形成的磁性磨料不仅粗大、不呈球体状，而且硬质磨料颗粒仅分布在金属肌体表面、与金属肌体的结合也不牢固，显示如附图9显示的结构形态。
Claims (7)
1.一种气雾化快凝法制备磁性磨料的结构形态控制方法，其特征在于：
通过对铁磁性金属熔融温度的控制和对混粉气流喷射速度的控制，获得的磁性磨料的形态呈规则球体状结构；
所述的硬质磨料在金属肌体浅表层密集均匀分布且与金属肌体结合牢固；
所述的硬质磨料的切削刃突出在外，最外的切削刃距离金属肌体表面具等高性。
2.按照权利要求1所述的气雾化快凝法制备磁性磨料的结构形态控制方法，其特征在于所述的对铁磁性金属熔融温度的控制，是指对铁磁性金属的熔融温度控制在超过相应铁磁性金属熔点的50～280℃；
3.按照权利要求1所述的气雾化快凝法制备磁性磨料的结构形态控制方法，其特征在于所述的混粉气流的喷射压力，控制在0.7～3.0MPa。
4.按照权利要求1、2或3所述的气雾化快凝法制备磁性磨料的结构形态控制方法，其特征在于所述获得的磁性磨料中的铁磁性金属肌体，由熔融态铁磁性金属结晶而成，组织致密。
5.按照权利要求1、2或3所述的气雾化快凝法制备磁性磨料的结构形态控制方法，其特征在于硬质磨料颗粒主要分布在铁磁性金属肌体表浅层，在金属肌体中心部位仅有微量分布，在表浅层和中心部位之间的中间层几乎没有分布。
6.按照权利要求1、2或3所述的气雾化快凝法制备磁性磨料的结构形态控制方法，其特征在于所述的硬质磨料颗粒，指的是Al2O3、SiC、Cr2O3、TiC、立方氮化硼或金刚石的微粉颗粒。
7.按照权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于所述的铁磁性金属肌体，指的是纯铁、铁硅铝合金，铁镍合金，铁铬合金或铁铬镍合金。
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