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        低鈉剛玉磨料磨削性能研究

        2021-08-11 03:12:56楊雪峰栗正新李帥領(lǐng)
        超硬材料工程 2021年3期
        關(guān)鍵詞:剛玉磨料抗折

        周 濤,楊雪峰,栗正新*,李帥領(lǐng)

        (1.白鴿磨料磨具有限公司,鄭州 450001;2.河南工業(yè)大學 材料科學與工程學院,鄭州 450001)

        鈉作為白剛玉中一種雜質(zhì),它的含量高低,直接影響白剛玉磨料的性能,白剛玉磨料中鈉含量過高,就會生成很多的β~氧化鋁,影響白剛玉的性能,如白剛玉結(jié)晶硬度降低,切削能力下降,易粉化破碎,熱穩(wěn)定性低[1-3]。因此鈉含量高的白剛玉,綜合性能相對較差,限制了其在耐火材料和高端磨料磨具領(lǐng)域的應用。鈉含量的降低,使得白剛玉的熔點、抗折強度、耐壓強度等性能都會得到一定的提升[4-5]。本文采用36號普通白剛玉和低鈉白剛玉為原料,制備樹脂結(jié)合劑的抗折強度樣條和砂輪,對磨料性能以及制成的樣品性能進行了對比分析。

        1 實驗

        實驗采用36號白剛玉磨料、36號低鈉白剛玉磨料,低鈉剛玉鈉含量用ICPMS測量,檢測結(jié)果見圖1和表1,標準系列曲線如圖2所示,由ICPMS檢測可知,低鈉白剛玉Na含量為0.05%。普通白剛玉磨料Na含量為0.35%。

        圖1 低鈉剛玉掃描電鏡和能譜圖Fig.1 Scanning electron microscope and energy spectrum of low sodium corundum

        表1 低鈉剛玉鈉含量測試結(jié)果

        圖2 標準系列曲線Fig.2 Standard series curve

        結(jié)合劑和填料為酚醛樹脂粉、酚醛樹脂液、半水石膏粉,脫模劑為實驗原料,樣品基礎(chǔ)配方見表2。采用粉狀酚醛樹脂磨具15小時硬化曲線:60℃保溫2小時,90℃保溫2小時,110℃保溫1.5小時,120℃保溫2.5小時,140℃保溫1小時,160℃保溫Ⅰ小時,185℃保溫4小時,自然冷卻。

        表2 樣品基礎(chǔ)配方

        采取先做抗折強度樣條,樣條中性能指標最優(yōu)的配方做砂輪進行磨削實驗,砂輪磨具規(guī)格為:外徑D=251mm,內(nèi)徑d=240mm,高h=20mm,體積84.84cm3?;w規(guī)格:1~240mm×20mm×126mm。制備的樣品見圖3所示。

        圖3 制備的樣品Fig.3 Prepared samples

        2 實驗結(jié)果及討論

        2.1 單顆??箟簭姸?/h3>

        取磨料試樣40粒,分別測定其在靜壓作用下破碎時的負荷值(以牛頓計),計算出這40個顆粒的平均值,并按照規(guī)定舍去超過平均值二倍者,余者再求平均值,即得該磨料的單顆??箟簭姸?。

        通過對比實驗可以發(fā)現(xiàn),低鈉白剛玉磨料為37.95N和普通白剛玉磨料為35N,低鈉白剛玉磨料單顆粒抗壓強度略高于普通白剛玉。

        2.2 抗折強度

        普通白剛玉抗折強度實驗數(shù)據(jù)見表3所示,從表中可以看出,斷裂載荷平均值為85.8N,抗折強度平均值為30.47MPa。

        表3 普通白剛玉測試結(jié)果

        低鈉白剛玉抗折強度實驗數(shù)據(jù)見表4所示,從表中可以看出,斷裂載荷平均值=96.2N,抗折強度平均值=33.87MPa。

        表4 低鈉白剛玉測試結(jié)果

        實驗結(jié)論:低鈉白剛玉樣條的平均抗折強度比普通白剛玉樣條高出了11.16%。

        2.3 抗沖擊強度

        對制備的樣品進行抗沖擊實驗,結(jié)果見表5所示,低鈉白剛玉為2.2025kJ/m2,普通白剛玉的平均數(shù)值為1.9539kJ/m2,低鈉白剛玉的抗沖擊強度比普通白剛玉高了12.7%。

        表5 普通白剛玉測量結(jié)果

        表6 低鈉剛玉測量結(jié)果

        2.4 磨削性能分析

        2.4.1 摩擦磨損分析

        表7 普通白剛玉實驗結(jié)果

        圖4 摩擦磨損參數(shù)Fig.4 Friction and wear parametersa.時間-摩擦力 b.時間-摩擦系數(shù) c.時間-試驗力

        普通白剛玉磨削比=工件磨除量/磨具磨除量

        表8 低鈉白剛玉實驗結(jié)果

        低鈉白剛玉磨削比=工件磨除量/磨具磨除量

        由實驗結(jié)果可知,在磨削過程中摩擦力隨時間在一定范圍內(nèi)變化,試驗力基本保持不變,在相同的實驗條件下,低鈉白剛玉的磨削效果要明顯好于普通白剛玉,性能提高41.63%。

        2.4.2 砂輪磨削性能分析

        表9 普通白剛玉砂輪

        表10 低鈉白剛玉砂輪

        低鈉白剛玉砂輪磨削比:

        實驗結(jié)論:相比于普通白剛玉砂輪,低鈉白剛玉砂輪的磨削性能顯著提高,性能提高了51.1%,同時我們發(fā)現(xiàn),摩擦磨損得出的磨削比與砂輪的磨削比存在較大偏差,經(jīng)過多次實驗驗證發(fā)現(xiàn),由于砂輪磨削實驗更加接近實際應用,數(shù)值更具有參考價值。

        2.5 X射線衍射實驗分析

        對低鈉白剛玉磨料進行X射線衍射分析,見圖5,可以看出低鈉磨料的物相為Al2O3,基本不含其他雜質(zhì)。

        圖5 XRD圖Fig.5 XRD diagram

        2.6 掃描電鏡實驗及分析

        對樣品的斷裂面進行SEM觀察分析(圖6、圖7),從圖中可以看出,兩組樣品結(jié)合劑和磨料之間都形成了良好的界面結(jié)合。

        圖6 普通剛玉試樣斷裂面Fig.6 Fracture surface of ordinary corundum sample

        圖7 低鈉白剛玉試樣斷裂面Fig.7 Fracture surface of low sodium white corundum sample

        3 結(jié)論

        采用相同的配方和工藝條件下制備36號普通剛玉磨料和低鈉剛玉磨料的樣條和砂輪,進行性能對比測試,結(jié)論如下:

        (1)對低鈉剛玉EDS能譜檢測發(fā)現(xiàn)含有極少的C、N、Na元素,由XRD檢測只得到了氧化鋁的特征峰,ICPMS檢測出低鈉磨料的Na含量為0.05%,與普通磨料Na含量0.35%相差將近一個數(shù)量級;

        (2)低鈉白剛玉樣品的抗折強度33.81MPa,普通白剛玉樣品30.47MPa,提高11.16%;樣品的抗沖擊強度分別是2.2025kJ/m2和1.9539kJ/m2,提高了12.7%;

        (3)由砂輪的磨削實驗結(jié)果可知,低鈉白剛玉砂輪的磨削性能比普通白剛玉砂輪磨削性能提高了51.1%,低鈉白剛玉砂輪力學性能和磨削性能都顯著高于普通白剛玉砂輪。

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