自由降落气固两相流雾化快凝磁性磨料制备的机理与工艺技术研究

This project proposes a new method to prepare magnetic abrasive by free fall gas-solid dual phase flow atomization and rapid solidification. The method to prepare magnetic abrasive is by blowing molten metal witch is in the course of free fall with high speed airflow which contains hard abrasives, and metal liquid is atomized to form tiny droplets with hard abrasives inside,and the tiny droplet becomes into magnetic abrasive by rapid cooling solidification.In this project, the mechanism of magnetic abrasive formation will be revealed by studying the process behavior for liquid metal flow and hard abrasive to combine, smash, contract, and solidify in the process of magnetic abrasive formation, and by studying the geometrical profile and internal organizational structure with electron microscopy.Through the research of the rules and effect about the various factors on hard abrasive depth distribution in magnetic abrasive particle about the methods of gas cooling, water cooling, oil cooling, the ideal control method about hard abrasive depth distribution in magnetic abrasive particle will be obtained. By the research of the rules and effect about melt superheating temperature and gas-solid dual phase flow jet speed on magnetic abrasive granularity,the ideal method to control size of magnetic abrasive particle will be obtained.On the basis of above, with the powder of diamond, silicon carbide, alumina as hard abrasive material, and with pure iron or iron alloy metal as matrix materials, the ideal magnetic abrasives with high morphological structure, appropriate granularity and high grinding performance will be preparated.

本项目提出了一种称为"自由降落气固两相流雾化快凝磁性磨料制备"的新方法。该方法用含有硬质磨料的高速气流吹射自由降落过程中的熔融金属液流，金属液被雾化形成含有硬质磨料的微小熔滴，再经强制性的快速冷却，从而凝固形成磁性磨料。项目将通过高速暗线摄影，研究该方法在磁性磨料制备过程中金属液流和硬质磨料结合、破碎、收缩和凝固的过程行为，并借助电子显微镜研究磁性磨料的几何形貌和内部组织结构，揭示磁性磨料形成的机理；通过研究气冷、水冷和油冷等冷却凝固方法对硬质磨料在磁性磨料金属基体中深浅分布的影响，获得控制硬质磨料在金属基体中深浅分布的理想方法；通过研究气固两相流射流速度和熔融金属过热度对磁性磨料粒度影响的规律，获得控制磁性磨料粒度大小方法；在以上基础上，以金刚石、碳化硅、氧化铝粉末为硬质磨料材料，以纯铁或铁的合金为金属基体材料，制备出形状结构、粒度大小及研磨性能均理想的磁性磨料。

与传统的精整加工工艺相比，磁粒研磨抛光加工虽然具有柔性、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、无须修形等诸多特点，但由于磁性磨料制备技术的落后、成本高，尤其是研磨抛光性能差，磁性磨料的制备技术成为磁粒研磨抛光加工技术推广应用的瓶颈问题。项目提出并研究了一种称为“自由降落气固两相流雾化快凝磁性磨料制备”的新方法。该方法用含有硬质磨料的高速气流吹射自由降落过程中的熔融金属液流，金属液被雾化形成含有硬质磨料的微小熔滴，再经强制性的快速冷却，从而凝固形成磁性磨料。项目自行研制了高压螺旋精密送混粉器、金属陶瓷双层射流喷嘴，研制了具有气冷和液冷功能的雾化室，建立适用于“自由降落气固两相流雾化快凝磁性磨料制备”的新实验装置；项目通过高速暗线摄影，研究了该方法在磁性磨料制备过程中金属液流和硬质磨料结合、破碎、收缩和凝固的过程行为，并借助电子显微镜研究了磁性磨料的几何形貌和内部组织结构，揭示了磁性磨料形成的机理；通过研究气冷、水冷和油冷等冷却凝固方法对硬质磨料在磁性磨料金属基体中深浅分布的影响，获得了控制硬质磨料在金属基体中深浅分布的理想方法；通过研究气固两相流射流速度和熔融金属过热度对磁性磨料粒度影响的规律，获得了控制磁性磨料粒度大小方法。在以上基础上，项目以金刚石、碳化硅、氧化铝粉末为硬质磨料材料，以铁磁性金属合金为基体材料，制备出了理想球形结构、硬质磨料分布于金属合金基体表浅层、粒度大小比较均匀的磁性磨料，磁性磨料优越的研磨抛光性能也得到了实验验证。项目研究成果申请和授权发明专利13项，在国内外学术期刊发表学术论文15篇，完成硕士学位论文5篇，培养硕士研究生6名、博士研究生2名。该项目的研究，对于高性能、低成本磁性磨料的研究和生产具有重要的理论价值和应用价值。