CN105665727A - 自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法 - Google Patents

Abstract

一种自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，其特征在于：采用双级自由降落喷嘴，第一级喷嘴为低压混粉射流喷嘴，第二级喷嘴为高压气流喷嘴，低压混粉射流喷嘴紧靠在高压气流喷嘴的上方；通过调节冷却水在雾化冷却室的水位高度，控制混粉金属液滴的冷却速度，从而形成硬质磨料在磁性磨料金属基体表浅层分布的磁性磨料。该方法解决了雾化前硬质磨料与熔融金属液充分混合和硬质磨料的浪费、硬质磨料在磁性磨料中的所占比例控制、单级喷嘴的冲蚀磨损、硬质磨料在磁性磨料金属基体表浅层分布的深浅控制等问题，同时大幅度减小了混粉金属液滴飞行的距离，减小的雾化室和设备的整体高度。本发明为高性能磁性磨料的制备提供了新的技术方法。

Description

自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法

技术领域

本发明提供一种自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，属于磁粒研磨材料制备技术领域。

背景技术

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。

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。

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。

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。

（1）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Al₂O₃、SiC、Cr₂O₃、TiC等混合均匀后，再加入粘合剂如油酸、聚乙烯醇、硅胶等制成。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。

（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FeyginSawa的专利中提到的粘结剂是氰基丙烯酸脂，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Al2O3、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。

（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。

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：1)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。

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—液反应法，液—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。

（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。

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。

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。

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Al2O3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、成本相对较高。

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Al2O3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。

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5000~10000oC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。

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。

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”（ZL201110156753.8）、气雾化快凝磁性磨料制备送混粉器及送混粉控制方法（ZL201110156047.3）、“气雾化快凝法制备磁性磨料的结构形态控制方法”（CN201110156741.5），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：

（1）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；

（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；

（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、磁性磨料的性能不稳定；

（4）金属液导流管的冲蚀磨损问题：采用紧耦合的雾化方式，在对熔融金属液流雾化前，气固两相流首先喷射到金属液导流管的下端部，造成金属液导流管下端部短时间内产生严重冲蚀磨损，并导致金属液和高压气体沿金属液导流管回喷的危险。

发明内容

根据现有技术存在的问题，发明人研制了自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法。本发明采用了以下技术方案：

自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法需要采用自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备设备来实现。自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备设备包括双喷嘴雾化水冷装置（41）、螺旋送混粉器（17）、水封除尘装置（42）、气站（44）；双喷嘴雾化水冷装置（41）包括：熔融金属（29）、电炉（30）、保温坩埚（31）、金属液导流管（32）、低压混粉射流喷嘴（33）、高压气流喷嘴（34）、水位计（35）、雾化水冷室（36）、冷却水（37）、雾化水冷室壳体（38）、磁性磨料罐（39）、过滤水（40）、放水阀（1）、滤网（2）、磁性磨料（3）、压滤气阀（4）、闸阀（5）、冷水阀（6）；通过调节冷却水（37）在雾化水冷室（36）中的水位高度，从而调节冷却水（37）的水面到高压气流喷嘴（34）的距离，从而调节磁性磨料液滴的冷凝时间，进而控制硬质磨料在磁性磨料颗粒中分布的深度；冷却水（37）的水面到高压气流喷嘴（34）的距离越大，则硬质磨料在磁性磨料颗粒中的分布越浅；冷却水（37）的水面到高压气流喷嘴（34）的距离越小，则硬质磨料在磁性磨料颗粒中的分布越深；螺旋送混粉器（17）包括：气管3（18）、气压表2（21）、气管2（22）、气管4（23）、螺旋输送装置（24）、硬质磨料罐盖（25）、硬质磨料罐（26）、硬质磨料（27）、混粉气管（28）；水封除尘装置（42）包括：水封罐体（7）、水封用水（8）、进水阀（9）、进气管（10）、排气管（11）、排水阀（12）、鼓风机（43）；气站（44）包括：高压氮气瓶1（13）、高压氮气瓶2（14）、气阀2（15）、气阀1（16）、气管3（18）、气管1（19）、气压表1（20）；螺旋送混粉器（17），其低压混粉射流喷嘴（33）通过混粉气管（28）与螺旋输送装置（24）相接，螺旋输送装置（24）与气管2（22）、硬质磨料罐（26）相连接，气管2（22）与气管4（23）、气管3（18）相连接，气管3（18）通过气阀2（15）与高压氮气瓶2（14）相连接；在气管3（18）上安装有气压表2（21）；气管3（18）中的气流一路经过气管4（23）到达硬质磨料罐（26）的腔体的上部，一路经过螺旋输送装置（24）到达硬质磨料罐（26）的腔体的下部，硬质磨料罐（26）腔体上下部气压相等，不会对螺旋输送装置（24）的送粉速度产生影响，送粉速度完全取决于螺旋输送装置（24）的螺旋转速；在螺旋输送装置（24）的出口，氮气气流与硬质磨料充分混合，形成气固两相流，经混粉气管（28）进入低压混粉射流喷嘴（33）的内腔，再经低压混粉射流喷嘴（33）喷出，从而使得硬质磨料被射入下流过程中的金属液流中；调节气阀2（15）的开度，调节混粉射流从低压混粉射流喷嘴（33）喷出速度，从而调节硬质磨料射入下流金属液中的深度；调节螺旋输送装置（24）的送粉速度，从而调节射入下流金属液的硬质磨料多少；螺旋送混粉器（17），其高压气流喷嘴（34）通过气管1（19）、气阀1（16）与高压氮气瓶1（13）相连接；在气管1（19）上安装有气压表1（20）；通过调节气阀1（16）调节高压气体在高压气流喷嘴（34）中的压力，从而对金属液流进行雾化的气流速度进行控制，进而控制将要生成的磁性磨料颗粒的粒度；水封除尘装置（42），其水封罐体（7）为底部呈锥形的封闭圆筒，水封罐体（7）的下部安装有排水阀（12），上部安装有进气管（10）和排气管（11），侧面安装有进水阀（9）；其鼓风机（43）的抽气口通过管道与雾化水冷室（36）相连、出气口通过进气管（10）与水封罐体（7）相连并伸入水封用水（8）的水面以下，排气管（11）安装在水封罐体（7）上，一端连接大气、另一端水封罐体（7）上腔，水封用水（8）的水面离水封罐体（7）的顶端保持一段距离；鼓风机（43）从雾化水冷室（36）抽出的含有粉尘的气体从水封罐体（7）的进气管（10）的端口进入水中，经过净化水的净化后向上逸出进入水封罐体（7）的上腔，再经排气管（11）排入大气；金属液导流管（32）位于低压混粉射流喷嘴（33）的上方，两者相隔设定的距离，使得低压混粉射流喷嘴（33）喷出的混粉气流不对金属液的下流形成阻力，也不对金属液导流管（32）造成冲蚀磨损；低压混粉射流喷嘴（33）位于高压气流喷嘴（34）的上部且紧靠在一起；低压混粉射流喷嘴（33）与高压气流喷嘴（34）喷出的锥状射流，两者的焦点都在同一轴线上；低压混粉射流喷嘴（33）用于将气固两相流中的硬质磨料均匀射入自由降落的金属液流中，使得金属液流含有硬质磨料，高压气流喷嘴（34）用于对含有硬质磨料的继续下流的金属液流进行雾化，形成含有硬质磨料颗粒的微小液滴，在下降的过程中遇水冷快速凝固形成磁性磨料颗粒，磁性磨料颗粒在水中下沉，经过闸阀（5）进入磁性磨料灌（39）。

自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，其特征在于:采用双级自由降落喷嘴，第一级喷嘴为低压混粉射流喷嘴，第二级喷嘴为高压气流喷嘴，低压混粉射流喷嘴紧靠在高压气流喷嘴的上方，低压混粉射流喷嘴喷出的是含有硬质磨料的低压惰性气体混粉射流，高压气流喷嘴喷出的是高压惰性气体雾化射流，金属液流从导液管出口到与低压惰性气体混粉射流、高压惰性气体雾化射流相遇点之间无约束，低压混粉射流喷嘴喷出的低压惰性气体混粉射流与金属液流相遇点A离导液管出口120~180mm，高压气流喷嘴喷出的高压惰性气体雾化射流与混粉金属液流的相遇点B到低压混粉射流喷嘴喷出的低压惰性气体混粉射流与金属液流相遇点A的距离10~15mm；控制低压混粉射流喷嘴低压惰性气体混粉射流的射流速度，使得低压惰性气体混粉射流在相遇点A突破液态金属表面张力将硬质磨料注入金属液流并均匀分布于其中形成混粉金属液流，但不对金属液流进行；控制高压气流喷嘴高压惰性气体雾化射流的射流速度，使得高压惰性气体雾化射流在相遇点B将混粉金属液流冲击破碎并雾化，使得混粉金属液滴在冷凝后达到设定的磁性磨料颗粒尺寸。

自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，其特征在于:采用水冷快凝法控制硬质磨料在磁性磨料金属基体表浅层分布的深浅，在雾化冷却室的下部充有冷却水，冷却水在雾化冷却室的水面高度通过水位计（35）、冷水阀（6）、放水阀（1）进行调节；通过调节冷却水在雾化冷却室的水位高度，从而调节混粉金属液滴的飞行距离，进而调节混粉金属液滴的冷却速度，使得混粉金属液滴冷却形成硬质磨料在磁性磨料金属基体表浅层分布的磁性磨料；该方法不仅解决了硬质磨料在磁性磨料金属基体表浅层分布的深浅控制问题，而且大幅度减小了混粉金属液滴飞行的距离，减小的雾化室和设备的整体高度。

所述的自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，其特征在于:采用混粉气雾化磁性磨料制备螺旋自动送混粉器控制磁性磨料中硬质磨料的含量，该螺旋自动送混粉器为低压混粉射流喷嘴提供含有硬质磨料的低压气固两相流，低压气固两相流中硬质磨料的流量由其中的螺旋输送装置精确控制。

所述的自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，其特征在于:低压混粉射流喷嘴其低压惰性气体混粉射流的喷射压力在0.5~2MPa之间，混粉射流的喷射速度低，使得低压混粉射流喷嘴的冲蚀磨损减少、延长其使用寿命；低压混粉射流喷嘴采用高碳、高锰钢，再经过一定的热处理措施，其使用寿命进一步延长；高压气流喷嘴雾化压力在4-8MPa范围，气流对混粉金属液流的冲击速度为50-150m/s，通过控制高压气流喷嘴雾化压力，可控制制备的磁性磨料粉末的平均粒度在50~150微米左右。

自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，其特征在于水面高度参数的实验优化工艺方法如下：在金属基体材料、雾化气喷嘴雾化压力、熔融金属过热度、熔融金属流量、混粉气喷嘴压力和硬质磨料流量、硬质磨料材料等工艺参数已设定的情况下，冷却水的水面在距离高压气流喷嘴5m的最低高度和1m的最高高度之间，从低到高进行调整，每提高100mm的高度，进行一次磁性磨料的制备，从而得到一组不同水位高度制备的磁性磨料；将其中不同水位下制备的磁性磨料分别制备剖面试样，通过电子扫描显微镜对每一种试样进行观测和拍照，对硬质磨料在磁性磨料金属基体表浅层的分布进行分析比较，挑选出硬质磨料在磁性磨料金属基体表浅层分布相对理想的磁性磨料，其对应的水位高度即为优化的水面高度。

自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，其特征在于采用自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备设备制备磁性磨料的过程采用如下步骤：

1）在硬质磨料罐（26）中装填设定量的硬质磨料并旋紧硬质磨料罐盖（25）；

2）加热金属进入熔融状态并达到规定的过热度：

3）打开冷水阀（6）并调节雾化水冷室（36）中冷却水（37）的水位达到规定的高度；

4）打开鼓风机（12）、抽吸雾化水冷室（36）中的气体；

5）打开连接高压氮气瓶1（13）与高压气流喷嘴（34）之间的气阀1（16）并调节到规定的气流压力，并将雾化水冷室（36）中充满氮气，使得将要进行的金属气雾化完全置于氮气的氛围中；

6）打开连接高压氮气瓶2（14）与低压混粉射流喷嘴（33）之间的气阀2（15）并调节到规定的气流压力；

7）启动螺旋输送装置（24）并按工艺要求控制送粉速度；

8）将电炉（30）中的熔融金属均匀倒入保温坩埚（31）中，并保持一定液面高度，直到电炉（30）中的熔融金属倒尽为止；

9）在保温坩埚（31）中熔融金属全部流尽后，按顺序关闭螺旋输送装置（24）、气阀1（16）、气阀2（15）、鼓风机（12）；

10）关闭闸阀（5）使得雾化水冷室（36）和磁性磨料灌（39）之间封闭，打开放水阀（1）使得磁性磨料灌（39）中的水外流，打开压滤气阀（4）使得高压气体进入磁性磨料灌（39）的内腔中，滤网（2）将磁性磨料阻挡在磁性磨料灌（39）的上腔中，而其中的水被强制挤出；

11）将磁性磨料灌（39）取下，取出其中的磁性磨料，经过烘干、筛分和包装，从而得到不同粒度的磁性磨料；

12）在上述过程中，按照工艺要求控制熔融金属的温度、螺旋输送装置（24）的送粉速度、低压混粉射流喷嘴（33）与高压气流喷嘴（34）的喷射压力、冷却水（37）在雾化水冷室（36）中的水位，便可生成优质的磁性磨料。

本发明的优点：

（1）本发明的雾化过程采用了低压混粉射流喷嘴和高压气流喷嘴两个喷嘴,低压混粉射流喷嘴喷出的气流为混粉气流,由于压力低、混粉气流的喷射速度低，对喷嘴的冲蚀磨损差，因而喷嘴的使用寿命长；同时由于混粉气流的喷射速度低，硬质磨料可以充分的射入金属液流中而不对其雾化，硬质磨料不产生飞溅；由于高压气流喷嘴喷射的气流不含硬质磨料，不仅对高压气流喷嘴无冲蚀磨损，而且对含有硬质磨料的金属液流雾化效果好，磁性磨料的粒度大小控制方便，颗粒尺寸均匀；

（2）本发明采用了自由降落方式，避免了金属液流导管冲蚀磨损、金属液回流上喷问题；同时，该方式产生的粗粉率高，也正是磁性磨料制备所需要的；

（3）本发明采用了水冷快凝的冷却方式，解决了磁性磨料中硬质磨料颗粒从金属基体中游离而出和深浅分布控制的难题，能够控制硬质磨料分布于磁性磨料的表浅层，使得制备的磁性磨料导磁率高、研磨能力强，同时大幅度减小了混粉金属液滴飞行的距离，减小的自由降落雾化冷凝室和设备的整体高度，降低了成本。

（4）本发明采用了螺旋送混粉器，解决了送混粉装置难于精确控制气固两相流中硬质磨料流量的问题，使得磁性磨料中硬质磨料的含量稳定；

（5）本发明制备磁性磨料的工艺过程可实现自动化，性能稳定可靠，适于高性能磁性磨料的规模生产。

附图说明

图1是本发明自由降落混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备设备示意图，其中：

1-放水阀，2-滤网，3-磁性磨料，4-压滤气阀，5-闸阀，6-冷水阀，7-水封罐体，8-水封用水，9-进水阀，10-进气阀，11-进气管，12-排水管，13-高压氮气瓶1，14-高压氮气瓶2，15-气阀2，16-气阀1，17-螺旋送混粉器，18-气管3，19-气管1，20-气压表1，21-气压表2，22-气管2，23-气管4，24-螺旋输送装置，25-硬质磨料罐盖，26-硬质磨料罐，27-硬质磨料，28-混粉气管，29-熔融金属，30-电炉，31-保温坩埚，32-金属液导流管，33-低压混粉射流喷嘴，34-高压气流喷嘴，35-水位计，36-雾化水冷室，37-冷却水，38-雾化水冷室壳体，39-磁性磨料罐，40-过滤水，41-双喷嘴雾化水冷装置，42-抽气除尘装置，43-鼓风机，44-气站。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步描述：

如附图1所示，自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法需要采用自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备设备来实现。

自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备设备包括双喷嘴雾化水冷装置（41）、螺旋送混粉器（17）、水封除尘装置（42）、气站（44）；双喷嘴雾化水冷装置（41）包括：熔融金属（29）、电炉（30）、保温坩埚（31）、金属液导流管（32）、低压混粉射流喷嘴（33）、高压气流喷嘴（34）、水位计（35）、雾化水冷室（36）、冷却水（37）、雾化水冷室壳体（38）、磁性磨料罐（39）、过滤水（40）、放水阀（1）、滤网（2）、磁性磨料（3）、压滤气阀（4）、闸阀（5）、冷水阀（6）；通过调节冷却水（37）在雾化水冷室（36）中的水位高度，从而调节冷却水（37）的水面到高压气流喷嘴（34）的距离，从而调节磁性磨料液滴的冷凝时间，进而控制硬质磨料在磁性磨料颗粒中分布的深度；冷却水（37）的水面到高压气流喷嘴（34）的距离越大，则硬质磨料在磁性磨料颗粒中的分布越浅；冷却水（37）的水面到高压气流喷嘴（34）的距离越小，则硬质磨料在磁性磨料颗粒中的分布越深；螺旋送混粉器（17）包括：气管3（18）、气压表2（21）、气管2（22）、气管4（23）、螺旋输送装置（24）、硬质磨料罐盖（25）、硬质磨料罐（26）、硬质磨料（27）、混粉气管（28）；水封除尘装置（42）包括：水封罐体（7）、水封用水（8）、进水阀（9）、进气管（10）、排气管（11）、排水阀（12）、鼓风机（43）；气站（44）包括：高压氮气瓶1（13）、高压氮气瓶2（14）、气阀2（15）、气阀1（16）、气管3（18）、气管1（19）、气压表1（20）；螺旋送混粉器（17），其低压混粉射流喷嘴（33）通过混粉气管（28）与螺旋输送装置（24）相接，螺旋输送装置（24）与气管2（22）、硬质磨料罐（26）相连接，气管2（22）与气管4（23）、气管3（18）相连接，气管3（18）通过气阀2（15）与高压氮气瓶2（14）相连接；在气管3（18）上安装有气压表2（21）；气管3（18）中的气流一路经过气管4（23）到达硬质磨料罐（26）的腔体的上部，一路经过螺旋输送装置（24）到达硬质磨料罐（26）的腔体的下部，硬质磨料罐（26）腔体上下部气压相等，不会对螺旋输送装置（24）的送粉速度产生影响，送粉速度完全取决于螺旋输送装置（24）的螺旋转速；在螺旋输送装置（24）的出口，氮气气流与硬质磨料充分混合，形成气固两相流，经混粉气管（28）进入低压混粉射流喷嘴（33）的内腔，再经低压混粉射流喷嘴（33）喷出，从而使得硬质磨料被射入下流过程中的金属液流中；调节气阀2（15）的开度，调节混粉射流从低压混粉射流喷嘴（33）喷出速度，从而调节硬质磨料射入下流金属液中的深度；调节螺旋输送装置（24）的送粉速度，从而调节射入下流金属液的硬质磨料多少；螺旋送混粉器（17），其高压气流喷嘴（34）通过气管1（19）、气阀1（16）与高压氮气瓶1（13）相连接；在气管1（19）上安装有气压表1（20）；通过调节气阀1（16）调节高压气体在高压气流喷嘴（34）中的压力，从而对金属液流进行雾化的气流速度进行控制，进而控制将要生成的磁性磨料颗粒的粒度；水封除尘装置（42），其水封罐体（7）为底部呈锥形的封闭圆筒，水封罐体（7）的下部安装有排水阀（12），上部安装有进气管（10）和排气管（11），侧面安装有进水阀（9）；其鼓风机（43）的抽气口通过管道与雾化水冷室（36）相连、出气口通过进气管（10）与水封罐体（7）相连并伸入水封用水（8）的水面以下，排气管（11）安装在水封罐体（7）上，一端连接大气、另一端水封罐体（7）上腔，水封用水（8）的水面离水封罐体（7）的顶端保持一段距离；鼓风机（43）从雾化水冷室（36）抽出的含有粉尘的气体从水封罐体（7）的进气管（10）的端口进入水中，经过净化水的净化后向上逸出进入水封罐体（7）的上腔，再经排气管（11）排入大气；金属液导流管（32）位于低压混粉射流喷嘴（33）的上方，两者相隔设定的距离，使得低压混粉射流喷嘴（33）喷出的混粉气流不对金属液的下流形成阻力，也不对金属液导流管（32）造成冲蚀磨损；低压混粉射流喷嘴（33）位于高压气流喷嘴（34）的上部且紧靠在一起；低压混粉射流喷嘴（33）与高压气流喷嘴（34）喷出的锥状射流，两者的焦点都在同一轴线上；低压混粉射流喷嘴（33）用于将气固两相流中的硬质磨料均匀射入自由降落的金属液流中，使得金属液流含有硬质磨料，高压气流喷嘴（34）用于对含有硬质磨料的继续下流的金属液流进行雾化，形成含有硬质磨料颗粒的微小液滴，在下降的过程中遇水冷快速凝固形成磁性磨料颗粒，磁性磨料颗粒在水中下沉，经过闸阀（5）进入磁性磨料灌（39）；在电炉（30）、保温坩埚（31）中的金属全部制备成磁性磨料后，关闭闸阀（5）使得雾化水冷室（36）和磁性磨料灌（39）之间封闭，打开放水阀（1）使得磁性磨料灌（39）中的水外流，打开压滤气阀（4）使得高压气体进入磁性磨料灌（39）的内腔中，滤网（2）将磁性磨料阻挡在磁性磨料灌（39）的上腔中，而其中的水被强制挤出；将磁性磨料灌（39）取下，取出其中的磁性磨料，经过烘干、筛分和包装，从而得到不同粒度的磁性磨料；低压混粉射流喷嘴（33），其会受到喷射射流中硬质磨料粉末的冲蚀磨损，因而低压混粉射流喷嘴（33）要求具有较高的耐冲蚀磨损性能，低压混粉射流喷嘴（33）可采用环缝射流喷嘴，也可以采用环孔射流喷嘴；由于低压混粉射流喷嘴（33）的作用是将硬质磨料注入金属液而不是雾化金属液，因而其形成的锥状射流的锥角要小于40度，混粉气流的喷射压力在0.5~2MPa之间；高压气流喷嘴（34）形成的锥状射流焦点位于低压混粉射流喷嘴（33）形成的锥状射流焦点的下方，两者的距离在2~8mm之间；高压气流喷嘴气流的喷射压力在5~8MPa之间。

自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，水面高度参数的实验优化工艺方法如下：在金属基体材料、雾化气喷嘴雾化压力、熔融金属过热度、熔融金属流量、混粉气喷嘴压力和硬质磨料流量、硬质磨料材料等工艺参数已设定的情况下，冷却水的水面在距离高压气流喷嘴5m的最低高度和1m的最高高度之间，从低到高进行调整，每提高100mm的高度，进行一次磁性磨料的制备，从而得到一组不同水位高度制备的磁性磨料；将其中不同水位下制备的磁性磨料分别制备剖面试样，通过电子扫描显微镜对每一种试样进行观测和拍照，对硬质磨料在磁性磨料金属基体表浅层的分布进行分析比较，挑选出硬质磨料在磁性磨料金属基体表浅层分布相对理想的磁性磨料，其对应的水位高度即为优化的水面高度。

自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，磁性磨料的制备过程采用如下步骤：

1）在硬质磨料罐（26）中装填设定量的硬质磨料并旋紧硬质磨料罐盖（25）；

2）加热金属进入熔融状态并达到规定的过热度；

3）打开冷水阀（6）并调节雾化水冷室（36）中冷却水（37）的水位达到规定的高度；

4）打开鼓风机（12）、抽吸雾化水冷室（36）中的气体；

5）打开连接高压氮气瓶1（13）与高压气流喷嘴（34）之间的气阀1（16）并调节到规定的气流压力，并将雾化水冷室（36）中充满氮气，使得将要进行的金属气雾化完全置于氮气的氛围中；

6）打开连接高压氮气瓶2（14）与低压混粉射流喷嘴（33）之间的气阀2（15）并调节到规定的气流压力；

7）启动螺旋输送装置（24）并按工艺要求控制送粉速度；

8）将电炉（30）中的熔融金属均匀倒入保温坩埚（31）中，并保持一定液面高度，直到电炉（30）中的熔融金属倒尽为止；

9）在保温坩埚（31）中熔融金属全部流尽后，按顺序关闭螺旋输送装置（24）、气阀1（16）、气阀2（15）、鼓风机（12）；

10）关闭闸阀（5）使得雾化水冷室（36）和磁性磨料灌（39）之间封闭，打开放水阀（1）使得磁性磨料灌（39）中的水外流，打开压滤气阀（4）使得高压气体进入磁性磨料灌（39）的内腔中，滤网（2）将磁性磨料阻挡在磁性磨料灌（39）的上腔中，而其中的水被强制挤出；

11）将磁性磨料灌（39）取下，取出其中的磁性磨料，经过烘干、筛分和包装，从而得到不同粒度的磁性磨料。

12）在上述过程中，按照工艺要求控制熔融金属的温度、螺旋输送装置（24）的送粉速度、低压混粉射流喷嘴（33）与高压气流喷嘴（34）的喷射压力、冷却水（37）在雾化水冷室（36）中的水位，便可生成优质的磁性磨料。

Claims (6)

1.自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，其特征在于:采用双级自由降落喷嘴，第一级喷嘴为低压混粉射流喷嘴，第二级喷嘴为高压气流喷嘴，低压混粉射流喷嘴紧靠在高压气流喷嘴的上方，低压混粉射流喷嘴喷出的是含有硬质磨料的低压惰性气体混粉射流，高压气流喷嘴喷出的是高压惰性气体雾化射流，金属液流从导液管出口到与低压惰性气体混粉射流、高压惰性气体雾化射流相遇点之间无约束，低压混粉射流喷嘴喷出的低压惰性气体混粉射流与金属液流相遇点A离导液管出口120~180mm，高压气流喷嘴喷出的高压惰性气体雾化射流与混粉金属液流的相遇点B到低压混粉射流喷嘴喷出的低压惰性气体混粉射流与金属液流相遇点A的距离10~15mm；控制低压混粉射流喷嘴低压惰性气体混粉射流的射流速度，使得低压惰性气体混粉射流在相遇点A突破液态金属表面张力将硬质磨料注入金属液流并均匀分布于其中形成混粉金属液流，但不对金属液流进行；控制高压气流喷嘴高压惰性气体雾化射流的射流速度，使得高压惰性气体雾化射流在相遇点B将混粉金属液流冲击破碎并雾化，使得混粉金属液滴在冷凝后达到设定的磁性磨料颗粒尺寸。

2.根据权利要求1所述的自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，其特征在于:采用水冷快凝法控制硬质磨料在磁性磨料金属基体表浅层分布的深浅，在雾化冷却室的下部充有冷却水，冷却水在雾化冷却室的水面高度通过水位计（35）、冷水阀（6）、放水阀（1）进行调节；通过调节冷却水在雾化冷却室的水位高度，从而调节混粉金属液滴的飞行距离，进而调节混粉金属液滴的冷却速度，使得混粉金属液滴冷却形成硬质磨料在磁性磨料金属基体表浅层分布的磁性磨料；该方法不仅解决了硬质磨料在磁性磨料金属基体表浅层分布的深浅控制问题，而且大幅度减小了混粉金属液滴飞行的距离，减小的雾化室和设备的整体高度。

3.根据权利要求1所述的自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，其特征在于:采用混粉气雾化磁性磨料制备螺旋自动送混粉器控制磁性磨料中硬质磨料的含量，该螺旋自动送混粉器为低压混粉射流喷嘴提供含有硬质磨料的低压气固两相流，低压气固两相流中硬质磨料的流量由其中的螺旋输送装置精确控制。

4.根据权利要求1所述的自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，其特征在于:低压混粉射流喷嘴其低压惰性气体混粉射流的喷射压力在0.5~2MPa之间，混粉射流的喷射速度低，使得低压混粉射流喷嘴的冲蚀磨损减少、延长其使用寿命；低压混粉射流喷嘴采用高碳、高锰钢，再经过一定的热处理措施，其使用寿命进一步延长；高压气流喷嘴雾化压力在4-8MPa范围，气流对混粉金属液流的冲击速度为50~150m/s，通过控制高压气流喷嘴雾化压力，可控制制备的磁性磨料粉末的平均粒度在50~150微米左右。

5.根据权利要求1所述的自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，其特征在于水面高度参数的实验优化工艺方法如下：在金属基体材料、雾化气喷嘴雾化压力、熔融金属过热度、熔融金属流量、混粉气喷嘴压力和硬质磨料流量、硬质磨料材料等工艺参数已设定的情况下，冷却水的水面在距离高压气流喷嘴5m的最低高度和1m的最高高度之间，从低到高进行调整，每提高100mm的高度，进行一次磁性磨料的制备，从而得到一组不同水位高度制备的磁性磨料；将其中不同水位下制备的磁性磨料分别制备剖面试样，通过电子扫描显微镜对每一种试样进行观测和拍照，对硬质磨料在磁性磨料金属基体表浅层的分布进行分析比较，挑选出硬质磨料在磁性磨料金属基体表浅层分布相对理想的磁性磨料，其对应的水位高度即为优化的水面高度。

6.根据权利要求1所述的自由降落双级混粉气雾化水冷快凝磁性磨料制备方法，其特征在于制备过程采用如下步骤：

1）在硬质磨料罐（26）中装填设定量的硬质磨料并旋紧硬质磨料罐盖（25）；

2）加热金属进入熔融状态并达到规定的过热度：

3）打开冷水阀（6）并调节雾化水冷室（36）中冷却水（37）的水位达到规定的高度；

4）打开鼓风机（12）、抽吸雾化水冷室（36）中的气体；

5）打开连接高压氮气瓶1（13）与高压气流喷嘴（34）之间的气阀1（16）并调节到规定的气流压力，并将雾化水冷室（36）中充满氮气，使得将要进行的金属气雾化完全置于氮气的氛围中；

6）打开连接高压氮气瓶2（14）与低压混粉射流喷嘴（33）之间的气阀2（15）并调节到规定的气流压力；

7）启动螺旋输送装置（24）并按工艺要求控制送粉速度；

8）将电炉（30）中的熔融金属均匀倒入保温坩埚（31）中，并保持一定液面高度，直到电炉（30）中的熔融金属倒尽为止；

9）在保温坩埚（31）中熔融金属全部流尽后，按顺序关闭螺旋输送装置（24）、气阀1（16）、气阀2（15）、鼓风机（12）；

10）关闭闸阀（5）使得雾化水冷室（36）和磁性磨料灌（39）之间封闭，打开放水阀（1）使得磁性磨料灌（39）中的水外流，打开压滤气阀（4）使得高压气体进入磁性磨料灌（39）的内腔中，滤网（2）将磁性磨料阻挡在磁性磨料灌（39）的上腔中，而其中的水被强制挤出；

11）将磁性磨料灌（39）取下，取出其中的磁性磨料，经过烘干、筛分和包装，从而得到不同粒度的磁性磨料；

12）在上述过程中，按照工艺要求控制熔融金属的温度、螺旋输送装置（24）的送粉速度、低压混粉射流喷嘴（33）与高压气流喷嘴（34）的喷射压力、冷却水（37）在雾化水冷室（36）中的水位，便可生成优质的磁性磨料。