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        兩種沖擊韌性檢測儀的檢測范圍研究

        2021-12-14 05:41:22劉乾坤張風(fēng)嶺王志濤劉善躍戚燕杰李明輝李世超王忠孝張玉紅
        超硬材料工程 2021年4期
        關(guān)鍵詞:品級(jí)活塞式破碎率

        劉乾坤,張風(fēng)嶺,王志濤,劉善躍,趙 鑫,戚燕杰,李明輝,李世超,王忠孝,張玉紅

        (豫西集團(tuán)中南鉆石有限公司,河南 南陽 473264)

        眾所周知,金剛石強(qiáng)度對(duì)金剛石工具性能的影響起著至關(guān)重要的作用。金剛石強(qiáng)度的檢測是利用沖擊韌性測試儀,將規(guī)定量的試樣和一粒特定規(guī)格的鋼球裝入規(guī)定的試樣管中,按一定的頻率和次數(shù)進(jìn)行沖擊后,用規(guī)定的條件進(jìn)行篩分稱重,以篩上物的質(zhì)量占試樣原始質(zhì)量的百分率表示未破碎率,用一定數(shù)量未破碎率的算術(shù)平均值表征試樣的沖擊韌性值。不同的檢測技術(shù)將會(huì)造成不同的檢測強(qiáng)度值[1]。

        在金剛石的鋸切應(yīng)用中,沖擊韌性是表征超硬磨料的重要指標(biāo)之一[2]。當(dāng)前,在國內(nèi)的行業(yè)范圍內(nèi),由于不同金剛石制造廠家的產(chǎn)品品級(jí)劃分自成一體,相互之間無法完全一一對(duì)應(yīng),因此,金剛石性能的相互比對(duì)依然需要進(jìn)行沖擊韌性實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。國內(nèi)外同行業(yè)中使用較多的兩種金剛石沖擊韌性檢測設(shè)備是搖臂式?jīng)_擊韌性檢測儀和活塞式?jīng)_擊韌性檢測儀。

        為比較金剛石樣品的強(qiáng)度,對(duì)樣品沖擊破碎試驗(yàn)時(shí),大多數(shù)廠家采用未破碎率來表征鋼廠的沖擊韌性,該操作減少了操作次數(shù),比較簡單[3-4]。考慮到金剛石顆粒的分布特性,以50%未破碎率進(jìn)行沖擊韌性檢測儀的表征是較為可信的比較方法。

        從原理上看,沖擊韌性檢測設(shè)備本質(zhì)上都是為沖擊管內(nèi)的金剛石和鋼球相互碰撞提供循環(huán)往復(fù)的動(dòng)力源,從而達(dá)到模擬金剛石在鋸切過程中的受力狀態(tài)的目的。但是,由于不同設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)和動(dòng)力參數(shù)等因素的不同導(dǎo)致兩種設(shè)備在檢測范圍方面存在一定的差異。本文通過以中南鉆石有限公司的系列金剛石產(chǎn)品為樣品,以50%破碎率為目標(biāo)值,對(duì)比普遍使用的搖臂式?jīng)_擊韌性檢測儀和活塞式?jīng)_擊韌性檢測儀,分析兩種設(shè)備的差異性。

        1 實(shí)驗(yàn)

        1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

        深圳市瑞誠杰科技有限公司TI-03B沖擊韌性檢測儀(搖臂式),德國弗氏公司(Vollstadt Diamant Gmbh)ST4沖擊韌性檢測儀(活塞式),中國航空工業(yè)第五四零廠Φ75mm精密電成型檢查篩,新鄉(xiāng)市華興振華振篩機(jī)廠BP-2001型拍擊式篩分試驗(yàn)機(jī),德國梅特勒XS204分析天平,長春泰衡儀器儀表有限公司毛發(fā)式溫度濕度檢測儀

        1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

        20/25粒度-325/400粒度中南鉆石有限公司的D10、D15、D20、D30、D40、D60、D80、D90系列金剛石。

        表1 兩種沖擊韌性檢測儀主要參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of main parameters of two impact toughness testers

        1.3 實(shí)驗(yàn)方法

        樣品的稱量方法:按照表2的取樣量方法進(jìn)行取樣。

        表2 取樣量Table 2 Sampling weight

        樣品的沖擊方法是以沖擊韌性檢測設(shè)備的單次最大沖擊次數(shù)作為樣品的沖擊次數(shù),其中深圳市瑞誠杰科技有限公司TI-03B沖擊韌性檢測儀(搖臂式)的單次最大沖擊次數(shù)為9999次,德國弗氏公司(Vollstadt Diamant Gmbh)ST4-RE.TEK.沖擊韌性檢測儀(活塞式)的最大沖擊次數(shù)為7000次??紤]到多次沖擊涉及沖擊次數(shù)分配和沖擊間隔時(shí)間多種影響因素,本次試驗(yàn)中若某一粒度某一品級(jí)的金剛石在最大沖擊次數(shù)的情況下其未破碎比例大于50%,則不再進(jìn)行該粒度更高品級(jí)的金剛石沖擊韌性檢測實(shí)驗(yàn)。沖擊頻率國內(nèi)的搖臂式設(shè)備按照國家標(biāo)準(zhǔn)的2400次/分鐘;國外的活塞式設(shè)備按照設(shè)備既定的頻率,選擇”STONE”檔進(jìn)行沖擊。

        樣品的篩分方法:對(duì)于粒度為20/25、20/30或25/30的試樣,應(yīng)將每六份沖擊后的試樣合并篩分;對(duì)于粒度為25/35、30/35、30/40或35/40的試樣,應(yīng)將每四份沖擊后的試樣合并篩分;對(duì)于粒度為35/45、40/45、40/50、45/50或45/60的試樣或標(biāo)準(zhǔn)樣品,應(yīng)將每兩份沖擊后的試樣合并篩分;50/60及以細(xì)粒度的試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣品,每一份試樣沖擊后單獨(dú)篩分[5]。選用較原試樣粒度號(hào)細(xì)一號(hào)的下檢查篩進(jìn)行篩分,篩分時(shí)間為3 min。

        2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

        由于不同粒度相同品級(jí)的金剛石試樣,隨著粒度的變細(xì),相應(yīng)品級(jí)的未破碎率值逐漸升高。因此,只需要找出邊界值,即沖擊次數(shù)為設(shè)備單次最高限定設(shè)定次數(shù),未破碎率值在50%附近時(shí)所對(duì)應(yīng)的品級(jí),即可判斷出比此粒度偏粗的試樣單次沖擊也能達(dá)到50%未破碎率,比此粒度偏細(xì)的試樣單次沖擊不能實(shí)現(xiàn)50%未破碎率。由此確定沖擊韌性檢測儀在該品級(jí)所能夠檢測未破碎率值不超過50%的品級(jí)范圍。試驗(yàn)結(jié)果見表3和表4,表中數(shù)據(jù)“√”表示該品級(jí)試樣單次沖擊可實(shí)現(xiàn)50%左右的未破碎率,空白區(qū)域表示該品級(jí)試樣單次沖擊不能實(shí)現(xiàn)未破碎率為50%左右。

        需要指出的是,正常情況下,隨著試樣粒度變細(xì),相同質(zhì)量的金剛石顆粒數(shù)增多,可實(shí)現(xiàn)50%未破碎率的品級(jí)數(shù)會(huì)變少。表4中80/100粒度實(shí)現(xiàn)未破碎率為50%左右的品級(jí)數(shù)比70/80粒度增加的原因是由于根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T33144-2016《超硬磨料沖擊韌性測定方法》,80/100及以細(xì)粒度的取樣量為0.2g,而80/100以粗粒度的金剛石樣品的取樣量為0.4g,由于取樣量的變少導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)未破碎率為50%的品級(jí)數(shù)增加;表3中由于搖臂式?jīng)_擊韌性檢測儀中鋼球的沖擊破碎能量較高,所以并未出現(xiàn)表4的分界現(xiàn)象。

        表3 搖臂式?jīng)_擊韌性檢測儀半破碎率數(shù)據(jù)Table 3 Half-breaking rate data of rocker-type impact toughness tester

        表4 活塞式?jīng)_擊韌性檢測儀半破碎率數(shù)據(jù)Table 4 Half-breaking rate data of piston impact toughness tester

        通過對(duì)比表3和表4中的數(shù)據(jù),考慮到樣品及設(shè)備的波動(dòng)性對(duì)檢測值結(jié)果的影響,以檢測值小于51%作為判定能夠?qū)崿F(xiàn)50%未破碎率的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì),搖臂式?jīng)_擊韌性檢測儀中能夠?qū)崿F(xiàn)50%半破碎率的品級(jí)數(shù)量為136;活塞式?jīng)_擊韌性檢測儀能夠?qū)崿F(xiàn)50%半破碎率的品級(jí)數(shù)量為75。因此,在表3和表4所示的粒度和品級(jí)范圍內(nèi),搖臂式?jīng)_擊韌性檢測儀能實(shí)現(xiàn)50%未破碎率檢測的品級(jí)比例為94%,活塞式?jīng)_擊韌性檢測儀能實(shí)現(xiàn)50%未破碎率檢測的品級(jí)比例為52%。

        另一方面,從表1中的參數(shù)對(duì)比中也可以看出,雖然活塞式?jīng)_擊韌性檢測儀的振幅是搖臂式的225%,但是,由于活塞式的最高頻率和最大次數(shù)分別是搖臂式的47%和70%,導(dǎo)致活塞式的最大沖擊能量低于搖臂式。

        3 結(jié)語

        本文通過以中南鉆石有限公司的產(chǎn)品為試樣,對(duì)比國內(nèi)外兩種常用的不同機(jī)械結(jié)構(gòu)的沖擊韌性檢測儀的半破碎率范圍。搖臂式?jīng)_擊韌性檢測儀可實(shí)現(xiàn)50%未破碎率測試的品級(jí)比例為94%,活塞式?jīng)_擊韌性檢測儀可實(shí)現(xiàn)50%未破碎率測試的品級(jí)比例為52%。在半破碎率檢測范圍方面,以搖臂式?jīng)_擊韌性檢測儀的檢測范圍更加廣泛。

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