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砂轮微晶玻璃结合剂的研究

http://www.momo35.com   来源:《磨料磨具》杂志  日期:2018/08/06

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  前言
  
  当砂轮的烧成温度在结合剂的熔化温度以下(采用烧结结合剂)时,烧成时结合剂主要为固相,结合剂对磨料的浸润不充分,因而对磨料的把持力较弱,遇到外力作用时结合剂与砂轮的结合界面容易断开,砂轮强度相对较低。如在结合剂配方中加入较多的助熔剂,可有效地降低结合剂的耐火度,提高烧成温度下结合剂中的液相含量,使得结合剂能够对磨料进行充分浸润,从而获得结合剂对磨料把持力。但玻璃为非晶态均相物质,裂纹在玻璃体系中的扩展能较低,采用此方法制得的砂轮遇到外力作用时容易在结合剂桥上发生断裂,故砂轮的强度也不太高。目前,国内批量生产的陶瓷结合剂砂轮最高使用线速度为60m/s,使用速度80m/s和100m/s的陶瓷砂轮仅有试验成功的报道,而并没有形成批量化生产。高的磨削速度才能实现高的磨削效率,并且磨削速度的提高对于磨削质量的提高极为有利,要实现高速磨削,必然要求砂轮具有较高的强度,而砂轮的强度又主要取决于结合剂的组成,因而开发新型的砂轮结合剂势在必行。本文采用微晶玻璃的生产方法,通过控制原料组成和工艺过程,制备出了晶粒直径为纳米级的微晶玻璃,并用其作为结合剂与磨料做成“8”字块与普通陶瓷砂轮的“8”字块进行了强度对比试验。
  
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  实验
  
  2.1  纳米微晶玻璃配方的确定


  
  为了满足砂轮的生产要求,设计纳米微晶玻璃结合剂配方时考虑的制备温度低一些,基础玻璃采用石英—长石—硼砂—锂辉石系统,晶核剂选用CaF2、KNO3、Na2SO3,组成示于表1。
  
  其中CaF2、KNO3、Na2SO3为化学纯外,其他原料均为工业纯。
  
  2.2 纳米微晶玻璃结合剂的制备工艺
  
  将原料破碎至16目以下,原料称量配置后混合均匀,装入高铝质坩锅内,将坩锅置于马弗炉中加热到1280~1320℃,并保温1.5~2.0小时,使各组分充分熔化和混合均匀,将玻璃熔融体倒入水中水淬,然后粗碎过10目筛,再湿法球磨使240目筛下物达到96%以上,最后干燥并过60目筛。
  
  2.3  试条的制备
  
  将熔化的玻璃熔体倒入预热后的铁制模具内,并逐渐冷却制得6×6×30的试条20条,将试条分为两组。对1组试条不作任何处理,对2组的试条在560~780℃范围内采取保温、升降温等措施使其核化和晶化,然后随炉冷却。
  
  2.4  砂轮“8”字块试样的制备
  
  选用46#棕刚玉为磨料,纳米微晶玻璃为结合剂,结合剂用量为12%,糊精粉加入量为1%,以糊精液为湿润剂。按陶瓷磨具的生产工序进行混料、成型、干燥和烧成。烧成制度为:以10~20℃/min的升温速率从室温升至1200℃,保温1小时,冷却到560℃时,取出部分试样慢慢冷却(1组),另一部分在560℃保温40分钟后取出部分试样慢慢冷却(2组),然后以6℃/min的升温速率加热到720℃,再以1.6℃/min的速率升温到780℃,保温50分钟后慢慢冷却(3组)。
  
  另采用目前使用的高速砂轮结合剂进行了对比试验(4组)
  
  2.5  测试
  
  扫描电镜观测晶化前后玻璃体内的结晶情况,三点弯曲法测定纳米微晶玻璃试样晶化前后的抗弯曲强度,在抗拉强度试验机上检测“8”字块的强度。
  
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  试验结果与分析
  
  3.1  晶化前后玻璃的微观结构
  
  图1所示为晶化前后玻璃断口的扫描电镜照片。


  
  从图1中可看出,晶化前(a)试样断口较平整光滑,结晶相很少,主要为玻璃相。经适当条件晶化后(b),玻璃内形成了大量微小的晶体,仅有极少量的玻璃相,晶体的形状为长条形,直径小于0.2μm。长径比约为5~20。要使玻璃形成微晶结构必须满足两个条件,一是玻璃本身要有形成晶体的条件,这就要求微晶玻璃的组分不同于普通玻璃,以便在适当条件下某些成分能够析出形成晶体。二是要有适当的外部条件一一适宜的温度和一定的保温时间,在玻璃体内能够形成晶体的组分只有在某一温度下达到过饱和时,晶体才能析出形成晶核,而晶体的长大又不断需要物质的补充和物质的迁移,这一过程必须在适当的条件下和一定时间内才能完成。
  
  3.2  晶化前后的玻璃强度比较
  
  两组试条经三点弯曲法测得抗折强度平均值为:1组(未晶化处理)83MPa,2组(经晶化处理)186MPa,由抗折强度值可以看出,晶化后的试样条强度比未晶化的强度要大得多。这是因为未晶化的试样为均质玻璃体,当裂纹在未晶化的玻璃中产生和延伸时的能耗低,可以近似以直线形式扩展,断口表面光滑;通过晶化处理后,在玻璃中生成了大量微小的晶体,这些细微的晶体结构致密,强度硬度高,相当于在玻璃体内均匀分布了大量的高强度硬质点,当裂纹在晶化后的试样中扩展时,裂纹的尖锋遇到晶粒将产生如下四种情况:1.将晶体劈开,继续扩展。由于晶体具有比晶界玻璃相高得多的强度,劈开晶体势必消耗较多的能量,使得裂纹扩展的能量得到较大的损耗,延缓了裂纹的延伸;2.裂纹绕过晶体,继续在晶界中延伸。这样以来,裂纹的延伸将是曲折的,相当于延长了裂纹在试样中的扩展距离,同样要消耗较多的裂纹扩展能,该情况将使得试样断口的光洁度降低;3.裂纹分叉,继续扩展。裂纹分叉相当于将裂纹扩展能分散,可大大减缓裂纹的扩展能力;4.裂纹遇到晶体停止扩展,即裂纹被晶体钉扎。以上四种情况都将使得裂纹的扩展难度增加,从而提高了试样的强度,故经过晶化处理的试样比未经处理的试样强度高得多。
  
  3.3  晶化前后磨具“8”字块强度的变化
  
  不同热处理条件制得的磨具“8”字块强度示于表2。
  
  由表2可看出,不同热处理条件对磨具“8”字块强度有很大影响,未晶化处理的“8”字块强度最低。晶化越充分,“8”字块强度也越高,充分晶化后的“8”字块强度几乎是未晶化的两倍。与郑州白鸽集团的P17结合剂比较,采用试验结合剂制作的磨具“8”字块未晶化的强度远不及P17,部分晶化的强度与P17相当,但晶化处理后的强度比P17要高出40%左右。


  
  3.4  新工艺设计在Ø33腔体4#机上连续合成4个月份实际运行结果(如表3):
  
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  结论
  
  4.1  采用石英—长石—硼砂—锂辉石系统基础玻璃和适当的晶核剂,在一定条件下可制得晶粒直径为纳米级的微晶玻璃。
  
  4.2  这种微晶玻璃可作为砂轮结合剂,采用适当的晶化条件时,该结合剂制作的磨具强度要比目前使用的高速砂轮结合剂高40%左右。
  
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  史上最会使用工具的动物


  
  企业生产以利润为主,有效材料降低成本是一个关键问题,该大腔体生产工艺设计以此为最终目的,取得了一定成果,综合分析如下:
  
  从原材料方面,复合调整垫片的引入配合导电钢圈的高度选择,虽然减少了反应块的体积,但更充分地利用了每一片材料的有效合成反应;并使反应腔体的保温性增强,明显降低了合成电流,感性认识上有加热锤适当远离高温热源的意义,达到与非加热锤一样受到较低热疲劳的影响,从而使加热顶锤的使用寿命大大增加。
  
  本文新型工艺的设计虽然使腔体内合成原材料的量有所减少,但是并没有使单产降低,相反却明显提高,其原因在于合成棒生长更均匀,合成片空白地带更少,无论从径向或轴向压力、温度梯度都更趋平衡,每片材料几乎都在适宜条件下稳定地合成,取得了可观的经济价值和利润价值。
  
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  结论
  
  (1)在大腔体合成开发中,通过新工艺设计,取得了设备连续运行8000 多次无锤耗记录,充分提高了设备运行稳定性、金刚石粒度均匀性等良好生产效益;
  
  (2)金刚石裂纹、气泡等缺陷有待通过加热控制系统的工艺改进进一步提高;
  
  (3)如何确定各种腔体的有效合成腔反应堆的体积,使合成生产综合条件更趋完善,有待进一步研究确定。
  
  参考文献
  
  [1]王光祖。人造金刚石探秘[M].浙江大学出版杜,2001
  
  [2]王秦生。超硬材料制造[M].中国标准出版社,2002
  
  [3]方啸虎。人造金刚石立方氮化硼基础与标准[M].1993

  本篇文章来源于《磨料磨具》杂志2018年7月刊,领阅《磨料磨具》杂志咨询电话:0755-33277985 /33277960
  
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