CN102250584B

CN102250584B - 气雾化快凝磁性磨料制备设备

Info

Publication number: CN102250584B
Application number: CN201110156753.8A
Authority: CN
Inventors: 赵玉刚; 赵增典
Original assignee: Shandong University of Technology
Current assignee: Shandong University of Technology
Priority date: 2011-06-11
Filing date: 2011-06-11
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2031-06-11
Also published as: CN102250584A

Abstract

本发明是一种气雾化快凝磁性磨料制备设备。有气雾化和气流送粉混粉两部分；气雾化装置包括熔融金属的电炉和坩埚，漏嘴，射流喷嘴，雾化室，冷却水，收粉容器和抽气除尘机构；气流送粉混粉装置包括气流送粉和气流混粉；其混粉机构，包括高压进气管、送粉机构、出料管、射流控压阀、射流压力表、混流管；其送粉机构，包括控料阀、进气口、平衡进气管、平衡阀、平衡压力表、储料罐、喷吹阀、喷吹进气管、喷吹压力表、圆管罩、射流控压阀、平衡阀、喷吹阀、圆管罩、喷吹气压表、平衡气压表和射流气压表。使相容性差的铁磁性金属与硬质磨料两者强制结合，制出导磁率高、研磨力强、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。

Description

气雾化快凝磁性磨料制备设备

技术领域

本发明提供一种气雾化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

磁粒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°C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。

本发明的气雾化快凝磁性磨料制备设备，就是为实现本发明人所提出的雾化快凝磁性磨料制备方法而专门研制的设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种气雾化快凝磁性磨料制备设备。本发明的设备，可以突破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。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

研制一种气雾化快凝磁性磨料制备设备，包括气雾化装置和气流送混粉装置。

所述的气雾化装置包括：熔融金属的电炉和保温坩埚，漏嘴，射流喷嘴，雾化室，水冷却装置，收粉容器和抽气除尘装置组成。

所述的气流送混粉装置，包括送粉机构和混粉机构。

所述的送粉机构，包括控料阀、进气口、平衡进气管、平衡阀、平衡压力表、储料罐、喷吹阀、喷吹进气管、喷吹压力表、圆管罩、射流控压阀、平衡阀、喷吹阀、圆管罩、喷吹气压表、平衡气压表和射流气压表组成；

所述的混粉机构，包括高压进气管、送粉机构、出料管、射流控压阀、射流压力表、混流管组成。

所述的气雾化装置，为适应高速喷射的射流含有硬质磨料粉末，漏嘴采用了耐热、隔热和耐冲击磨损的复合陶瓷材料；为适应高速喷射的射流含有硬质磨料粉末，射流喷嘴内腔涂有耐冲击磨损的陶瓷材料；

所述的气流送混粉装置，包括送粉机构和混粉机构。

所述的送粉机构，设置有储料罐、喷吹阀、平衡阀、喷吹气压表、平衡气压表组成的硬质磨料流量控制装置；为防止硬质磨料在储料罐中搭棚、阻塞硬质磨料流动，保证硬质磨料流量的准确控制，在喷吹管延伸至储料罐上部的管段，设置由喷吹管、圆管罩、喷孔构成的折流式喷吹机构，圆管罩的底部开有多个喷出孔。该装置既保证喷出气流从储料罐的下部进入储料罐，又保证硬质磨料不能够下流进入喷出阀；喷吹阀、平衡阀、射流控压阀、喷吹气压表、平衡气压表、射流压力表安装在通过的高压气流中不含硬质磨料的管路中，防止硬质磨料进入这些阀门和压力表造成堵塞、磨损和损坏；储料罐作为一种压力容器，其设计承载压力不低于10MPa;

所述的送混粉装置的混粉机构，射流控压阀与送粉机构的控料阀连接，射流控压阀与混流管前的气流管道连接，混流管前的气流管道与混流管和送粉机构出口管连接，混流管出口与气雾化室的射流喷嘴相接。

所述的送混粉装置，高压气体入口与高压气源相接，出口与雾化快凝设备雾化室中的射流喷嘴相接；

所述的送混粉装置的送混粉功能，是通过高压气源提供的单一气体并控制气流的压力来实现的，不需要任何其它的动力源。

所述送混粉装置的出料口与气雾化装置的混流管连接，从而在管道中将硬质磨料与高压气流充分混合，形成气固两相流高压混粉射流。在高压气流的作用下，硬质磨料颗粒随高速气流喷出时像子弹一样被射入到即将雾化的熔融金属液流中；金属液流经雾化形成含有硬质磨料的微小液滴，经快速冷却凝固，获得高性能的磁性磨料。

本发明的优点：

本发明该气雾化快凝磁性磨料制备设备，在原理上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；研制的气流送混粉装置，在不增加其他动力和气源的情况下，既可以控制硬质磨料的流量、又可以控制射流喷嘴的射流压力，还防止了硬质磨料对各控制阀和压力表的堵塞损坏、硬质磨料在储料罐中的搭棚、流动不畅等；研制的雾化装置漏嘴，由于采用了复合结构陶瓷材料，不仅具有隔热、耐热的性能，还具有了的必须具有的耐冲击磨损性能。研制的雾化装置射流喷嘴，由于内腔喷涂了耐冲击磨损的陶瓷材料，具有了磁性磨料制备所必须具有的耐冲击磨损性能。

附图说明

图1是本发明气雾化快凝磁性磨料制备设备的结构划分示意图；

图2是本发明气雾化快凝磁性磨料制备设备的结构示意图；

图3是本发明气雾化快凝磁性磨料制备中送混粉机构结构划分示意图；

图4是本发明气雾化快凝磁性磨料制备中送混粉机构结构示意图；

图5是图4的A部位局部放大结构示意图；

图6是采用本发明装置制备的磁性磨料放大800x的整体SEM图像；

图7是采用本发明装置制备的磁性磨料放大2000x的局部SEM图像；

图8是采用本发明装置制备的磁性磨料放大5000x的局部SEM图像。

*扫描电子显微镜（Scanning electron microscope，缩写SEM）

具体实施方式

图1中标号：A气流送混粉装置；B气雾化装置。

图2中标号：1电炉；2熔融金属；3保温坩埚；4漏嘴；5雾化室；6抽气除尘装置；7除尘器；8收粉容器；9高压氮气；10冷却水；11磁性磨料；12气流送混粉装置；13射流喷嘴。

图3中标号：C送粉机构；D混粉机构。

图4中标号：14储料罐；15硬质磨料；16圆管罩；17圆管罩底端喷孔；18加料口；19高压进气管；20射流输出接口；21喷吹阀；22控料阀；23平衡阀；24射流控压阀；25喷吹气压表；26平衡气压表；27射流气压表；28喷吹管；29储料罐旋盖；30混流管；31密封铜垫；32出料管；33射流控压气管。

图5中标号：14储料罐；15硬质磨料；16圆管罩；17圆管罩底端喷孔；28喷吹管。

图6、图7、图8中标号：E硬质磨料颗粒；F铁磁性金属肌体。

实施例1：

参见图1。图1是本发明气雾化快凝磁性磨料制备设备的结构划分示意图。本实施例1的气雾化快凝磁性磨料制备设备，包括气流送混粉装置A和气雾化装置B。

参见图2，配合参见图4。图2是本发明气雾化快凝磁性磨料制备设备的结构示意图，包括：电炉1，熔融金属2，保温坩埚3，漏嘴4，射流喷嘴13，雾化室5，冷却水10，收粉容器8，抽气除尘装置6和气流送混粉装置12组成。

参见图3。图3是本发明气雾化快凝磁性磨料制备中的送混粉机构结构划分示意图，包括送粉机构C和混粉机构D。

参见图4，配合参见图3。图4为本发明气雾化快凝磁性磨料制备中的送混粉机构结构示意图。在图3中所示的送粉机构C，在图4中显示具体包括：储料罐14，硬质磨料15，圆管罩16，圆管罩底端喷孔17，加料口18，高压进气管19，射流输出接口20，喷吹阀21，控料阀22，平衡阀23，射流控压阀24，喷吹气压表25，平衡气压表26，射流气压表27，喷吹管28，储料罐旋盖29，混流管30，密封铜垫31和射流控压气管33。

高压进气管19，通过三通管接头与控料阀22连接；

控料阀22通过三通管接头与喷吹阀28、射流控压阀24相接，喷吹阀21与喷吹管28连接。

喷吹管28与储料罐14连接并延伸至储料罐14的上腔部位，在储料罐14下部与喷吹阀21之间的喷吹管28，连接喷吹气压表25。圆管罩16将储料罐14内部的喷吹管28罩住，圆管罩16下端焊接在储料罐14内腔的底部。圆管罩16底端部位有多个喷孔。储料罐14的上部是加料口18，通过旋盖29和密封铜垫31将储料罐14堵住。

喷吹管28中的气流，到达圆管罩16的内部上端后折返，通过圆管罩16与喷吹管28之间的间隙到达圆管罩底端喷孔17，从圆管罩底端喷孔17喷出，将硬质磨料送入出料管32。

平衡阀23的出口管道，安装平衡气压表26，然后连接储料罐14的上腔。通过平衡阀23的气流进入储料罐14的上腔部位，推动硬质磨料15下移，避免出现硬质磨料的搭棚现象。

参见图4，配合参见图3。在图3中的混粉机构D，在图4中显示包括：高压进气管19、出料管32、射流控压阀24、射流压力表27、混流管30。

高压进气管19与图3的送粉机构C的控料阀9相接,同时通过三通接头与射流控压阀24相接。

射流控压气管33安装有射流气压表27，射流控压气管33与射流控压阀24相接的同时，与出料管32、混流管30相接。高压气流通过高压进气管19、射流控压阀24、射流控压气管33，通过三通接头进入混流管30，在混流管30中与出料管32送来的硬质磨料混合，形成气固两相射流。

参见图5，配合参见图4。图5为本发明的送粉机构C中的折流式喷吹机构，该装置由喷吹管28、圆管罩16、喷孔17构成，圆管罩16罩在喷吹管28的外部，并与喷吹管28同轴线，圆管罩16下端焊接在储料罐14的底部。

圆管罩16下端部位有多个喷孔。该装置既可以使得储料罐14中的硬质磨料不会进入喷吹管21，又能保证气流从储料罐14内腔的底部位置喷出。

参见图2，配合参见图4。图2是本发明气雾化快凝磁性磨料制备设备的结构示意图。图2显示了送混粉装置12在气雾化快凝磁性磨料制备设备中的安装位置。

在图2中，高压气源的高压气流从气流送混粉装置12的入口进入，从气流送混粉装置12的出口流出的混粉气流，经混流管30进入雾化室5中的高速射流喷嘴13。混流管30中的高压混粉射流，进入高速射流喷嘴13后高速喷射而出，硬质磨料颗粒随高速气流，像子弹一样被射入到即将被雾化的熔融金属液流中，金属液流经雾化形成含有硬质磨料的微小液滴，经快速冷却凝固，从而形成高性能的磁性磨料。高压气源中的气体通常为压力在50-100MPa的氮气或氦气。

参见图2。图2是本发明气雾化快凝磁性磨料制备设备的结构示意图。电炉1安装于整个装置的上方，保温坩埚3安装于雾化室5的上面，在保温坩埚3的下部、雾化室5上腔的顶部，安装有射流喷嘴13。在保温坩埚3的底部安装有金属液流漏嘴4。漏嘴4从保温坩埚3的底部出口向下伸出进入射流喷嘴13的中间孔。使用时，高压气流经过气流送混粉装置12，从送混粉装置12喷出的气流便混入了硬质磨料，含有硬质磨料的气流进入射流喷嘴13，从射流喷嘴13喷出形成高速射流；同时由电炉1将金属熔化到规定温度，然后倒入保温坩埚3，熔融的金属液流从漏嘴4下流；从射流喷嘴13喷出的高速射流对着从漏嘴4下流的熔融金属液体吹射，熔融金属液体被迅速雾化成含有硬质磨料颗粒的微小液滴，在下落过程中快速冷却凝固，形成磁性磨料。磁性磨料下落后，由安装在雾化室5下部的收粉容器8收集起来。雾化室5和收粉容器8的壳体均为中空结构，内通循环冷却水，用以对壳体进行降温保护。雾化室5的上腔连接抽气除尘装置6，用来抽走雾化室5之内的烟尘、降低雾化室的气压和气温，同时收集制备磁性磨料过程中形成的微细粉。在磁性磨料的制备过程中，在各种条件都准备好的情况下，气雾化快凝磁性磨料制备设备的操作步骤为：（1）开电炉将金属融化到工艺规定温度；（2）开抽气除尘装置抽气；（3）通冷却水；（4）开高压气源和送混粉装置的阀门，使射流喷嘴喷射出高速混粉气流；（5）将熔融的金属倒入保温坩埚，熔融金属液体便自动从漏嘴下流，磁性磨料就开始被制备了。

在上述的过程中，通过控制金属的熔融温度、硬质磨料的流量和高压射流的压力，便可以得到工艺要求的磁性磨料。

参见图6、图7、图8。是采用本发明气雾化快凝磁性磨料制备设备制备的磁性磨料的SEM图像。

从图像中可以看到，所制备的磁性磨料，其结构形态呈圆球状，硬质磨料颗粒在金属机体的表面突出在外、均匀分布，硬质磨料颗粒与铁磁性金属机体两者之间结合牢固，硬质磨料就像是镶嵌在金属机体的表面。这种磁性磨料是国际上现存的各种磁性磨料中形态结构最理想的磁性磨料。

Claims

1.一种气雾化快凝磁性磨料制备设备，其特征在于：包括气雾化装置和气流送混粉器；

所述的气雾化装置包括：熔融金属的电炉，保温坩埚，漏嘴，射流喷嘴，雾化室，冷却水，收粉容器和抽气除尘机构；

所述的气流送混粉器，包括气流送粉装置和气流混粉装置；

所述的送粉装置，包括控料阀、进气口、平衡进气管、平衡阀、储料罐、喷吹阀、喷吹进气管、圆管罩、射流控压阀、喷吹气压表、平衡气压表和射流气压表；

所述的混粉装置，包括高压进气管、出料管、射流控压阀、射流气压表、混流管；

所述的气雾化快凝磁性磨料制备设备，熔融金属的电炉⑴安装于整个装置的上方，保温坩埚⑶安装于雾化室⑸的上面，在保温坩埚⑶的下部、雾化室⑸上腔的顶部，安装有射流喷嘴⒀；在保温坩埚⑶的底部安装有金属液流漏嘴⑷；漏嘴⑷从保温坩埚⑶的底部出口向下伸出进入射流喷嘴⒀的中间孔；高压气流经过气流送混粉器⑿，从送混粉器⑿喷出的气流从而混入硬质磨料，含有硬质磨料的气流进入射流喷嘴⒀，从射流喷嘴⒀喷出形成高速射流；将由熔融金属的电炉⑴熔化到规定温度的金属液然后倒入保温坩埚⑶，熔融的金属液流从漏嘴⑷下流；从射流喷嘴⒀喷出的高速射流对着从漏嘴⑷下流的熔融金属液体吹射，熔融金属液体被迅速雾化成含有硬质磨料颗粒的微小液滴，在下落过程中快速冷却凝固，形成磁性磨料；磁性磨料下落后，由安装在雾化室⑸下部的收粉容器⑻收集起来；雾化室⑸的上腔连接抽气除尘装置⑹，用来抽走雾化室⑸之内的烟尘、降低雾化室的气压和气温，同时收集制备磁性磨料过程中形成的微细粉；

所述的气雾化快凝磁性磨料制备设备，高压气源的高压气流从气流送混粉器⑿的入口进入，从气流送混粉器⑿的出口流出的混粉气流，经混流管（30）进入雾化室⑸中的高速射流喷嘴⒀；混流管（30）中的高压混粉射流，进入高速射流喷嘴⒀后高速喷射而出，硬质磨料颗粒随高速气流，像子弹一样被射入到即将被雾化的熔融金属液流中，金属液流经雾化形成含有硬质磨料的微小液滴，经快速冷却凝固，从而形成高性能的磁性磨料。

2.根据权利要求1所述的气雾化快凝磁性磨料制备设备，其特征在于所述的气雾化装置的漏嘴采用了耐热、隔热和耐冲击磨损的复合陶瓷材料；所述的复合陶瓷材料是指Al₂O3、SiC、Cr₂O₃、TiC或金刚石。

3.根据权利要求1所述的气雾化快凝磁性磨料制备设备，其特征在于：所述的射流喷嘴内腔涂有耐冲击磨损的陶瓷材料；所述的陶瓷材料是指Al₂O₃、SiC、Cr₂O₃、TiC或金刚石。

4.根据权利要求1所述的气雾化快凝磁性磨料制备设备，其特征在于所述的送粉装置由控料阀、进气口、平衡进气管、平衡阀、储料罐、喷吹阀、喷吹进气管、圆管罩、射流控压阀、喷吹气压表、平衡气压表和射流气压表组成。

5.根据权利要求1所述的气雾化快凝磁性磨料制备设备，其特征在于所述的气流送粉装置在喷吹进气管延伸至储料罐上部的管段，设置了喷吹进气管、圆管罩、喷孔构成的折流式喷吹机构；所述的圆管罩的底部开有多个喷孔。

6.根据权利要求1所述的气雾化快凝磁性磨料制备设备，其特征在于所述的送粉装置中的喷吹阀、平衡阀、射流控压阀、喷吹气压表、平衡气压表、射流气力表安装在通过的高压气流中不含硬质磨料的管路中。

7.根据权利要求1所述的气雾化快凝磁性磨料制备设备，其特征在于送粉装置的储料罐设计承载压力不低于10MPa。

8.根据权利要求1所述的气雾化快凝磁性磨料制备设备，其特征在于所述的混粉装置中：

射流控压阀与送粉装置的控料阀连接；

射流控压阀与混流管前的气流管道连接；射流控压气管与混流管和送粉装置出口管连接；

混流管出口与气雾化室的射流喷嘴相接。

9.根据权利要求1所述的气雾化快凝磁性磨料制备设备，其特征在于所述的送混粉器中：

高压气体入口与高压气源相接；

送混粉器的出口与雾化室中的射流喷嘴相接。