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【特稿】磨料的使用性能與破碎強度測定

關(guān)鍵詞 磨料 , 破碎強度 , 硬度 , 韌性 , 鋯剛玉|2017-05-19 11:02:18|制造技術(shù)|來源 中國磨料磨具網(wǎng)
摘要 作者:鄭州金燁科技發(fā)展有限公司鄒甫駿鄒謙婁寶強一、前言磨料(剛玉、碳化硅、人造金剛石)在當前的工業(yè)生產(chǎn)中正被廣泛在機械加工、耐火材料和工程陶瓷領(lǐng)域采用。它們的主要特性
作者:鄭州金燁科技發(fā)展有限公司 鄒甫駿 鄒謙 婁寶強
       一、前 言
       磨料剛玉碳化硅、人造金剛石)在當前的工業(yè)生產(chǎn)中正被廣泛在機械加工、耐火材料和工程陶瓷領(lǐng)域采用。它們的主要特性表現(xiàn)是:硬度高、耐高溫性能好,特別是Sic的高耐蝕和正溫度特性(即與金屬相反,在1600℃以下,溫度越高抗折強度越高),在工程陶瓷和高溫耐火材料領(lǐng)域起著不可替代的作用。
       也正因為如此,最近20年中國的磨料工業(yè)突飛猛進、高速發(fā)展,其產(chǎn)能已遠遠大于國內(nèi)需求。在當前國家對過剩產(chǎn)能企業(yè)進行結(jié)構(gòu)調(diào)整的時期,磨料行業(yè)能夠維持生存與發(fā)展的唯一途徑就是參入質(zhì)量競爭。
       現(xiàn)在市場的形勢是:好料不愁賣。那么,什么是好料呢?
       1、內(nèi)部結(jié)晶完整的
       不論是剛玉還是碳化硅,它們都是在高溫下結(jié)晶而成,從而得到高硬度等物理性能。因此原材料的品質(zhì)和冶煉過程的完善是決定其內(nèi)在質(zhì)量的關(guān)鍵,如在原材料中加入添加某種元素,則會引起性能的變化,如鋯剛玉、鐠銣剛玉......。
       同時,冶煉過程也是結(jié)晶過程,當晶型成為“自形晶”時,則抗折強度很高,這種磨料也會成為優(yōu)質(zhì)磨料;當晶型成為“半自形晶”或“它形晶”時,抗折強度會大幅下降,人們常說它“沒煉熟”或“煉過了”。
       2、體表征特性
       磨料表面的清潔度和顆粒形狀是影響使用性能的重要指標。磨料的清潔度與它的親水性密切相關(guān),親水性好的做成制品時結(jié)合強度高,水洗砂的清潔度一般96%左右,清吹砂的清潔度在98%左右,根據(jù)1999年第七砂輪廠的試驗結(jié)果,清吹砂的親水性是水洗砂的2倍。
磨料的顆粒形狀根據(jù)用途不同而有不同要求,提供做耐材的磨料要求顆粒形狀接近球形,堆積密度高,以獲得較高的生坯強度,目前多數(shù)企業(yè)采用巴馬克或球磨機破碎。F砂主要作為磨削用途,要求磨粒成等積形,以求保持鋒利的切削刃和耐磨性,提高磨削效率,加工時一般采用多級對輥,現(xiàn)列表簡述如下:
不同用途對磨料形狀的要求(表一)
       根據(jù)當前行業(yè)的現(xiàn)狀,解決磨粒體表質(zhì)量的辦法已經(jīng)基本成熟,而評價磨料內(nèi)部質(zhì)量的生產(chǎn)檢測辦法卻相對缺乏。
       由此,磨料的內(nèi)在質(zhì)量成了各生產(chǎn)企業(yè)之間產(chǎn)生質(zhì)量差異的主要因素。磨料破碎強度高的結(jié)晶完整,內(nèi)部微裂紋小,使用性能呈現(xiàn)鋒利而且耐用,對磨粒內(nèi)部結(jié)構(gòu)的分析可以采用的物理方法很多,如光譜法、巖相分析法......。
       但是這些方法需要相應的精密儀器和相當技術(shù)水平的操作人員,因此探求一種直觀的性能檢測儀器成為人們關(guān)注的焦點。
       本文提出的磨料破碎強度測定儀經(jīng)過筆者多年探討與試驗,取得一定心得,現(xiàn)介紹如下:
       二、測 量 原 理
       材料的強度是指材料在外力作用下抵抗破壞(永久變形和斷裂)的能力稱為強度。它是一個應力值。
       材料的硬度是指固體材料抗永久形變的特性,是一個物體侵入另一個物體的能力。
       硬度和強度是兩個概念,雖然一般硬度高的材料強度就大,但不是完全如此,如碳化硅的硬度比剛玉高,但不論其屈服強度和剪切強度都比剛玉低。
       但對同一種材料而言,材料的破碎強度(即產(chǎn)生永久變形的力)與存在材料內(nèi)部的微裂紋密切相關(guān),其屈服強度的計算公式是:
       σ=F/S
       F--材料發(fā)生塑性變形量為原長的0.2%時所受的力
       S--受力材料的橫截面積
       根據(jù)上述公式,要做出相應的生產(chǎn)用測量儀器會有一定復雜程度。但材料強度與其內(nèi)部的微裂紋有關(guān),內(nèi)部微裂紋多的勢必容易被擊碎,反映在使用性能方面就是:抗破碎性能很差,做成磨具會呈現(xiàn)不耐用,做成耐火材料會反映不結(jié)實。
       因此,本儀器的設計思想就是:采用同一個力量對不同試樣進行同樣次數(shù)的撞擊,比較不同材料被擊碎的情況,依據(jù)所得參數(shù)評價材料的抗破碎性能。
       本儀器采用一個φ12mm的硬質(zhì)合金球以一定的速度和行程對試樣進行打擊,根據(jù)其試樣破碎的程度來評價和比較其破碎強度的。
       三、儀 器 描 述
       見附圖1,外形圖
       儀器共由三部分組成:
       1、主機:儀器由電機帶動試管以每分鐘180次,行程100mm進行運動,儀器面板上安裝有預置電子計數(shù)器(預置電子計數(shù)器為2000次,也可自行調(diào)整),達到預定值自動停機。儀器可同時裝兩個同樣尺寸的不銹鋼試管,試管內(nèi)裝有同樣規(guī)格的硬質(zhì)合金鋼球,用戶可根據(jù)需要進行比較測量或單個測量。
       2、振篩機:振篩機為標準8411型,振動次數(shù)為每分鐘1400次,功率120W,配備有φ20mm的不銹鋼標準篩,振篩機面板裝有可預置電子計時器,精確到秒。(推薦值:60秒)
       3、精密天秤:配有可稱500克的精密天秤,精確度為0.01克,數(shù)字帶背光顯示。
       四、試驗方法及實驗記錄
       1、稱46#料,2克,2份試樣分別裝入試管1、試管2。
       2、在主機上振動2000次,自動停機。
       3、將打碎后的料分別在振篩機上篩分,篩網(wǎng)布置,40#、46#、60#。
       4、在精密天秤稱60#的篩上物并記錄,其試驗結(jié)果如下表:
不同材質(zhì)的破碎率(表二)
       注:表中的試樣編號是本實驗室對來料的編號,如需查詢,可提供。
       從表二可以看出各樣不同材質(zhì)的抗破碎率(%)依次是:鋯剛玉(63%)>白剛玉(56%)>單晶剛玉(55%)>棕剛玉(46%)>黑碳化硅(44%)>鉻剛玉(21%)。從各種材料的抗破碎率看來,所呈現(xiàn)的規(guī)律與傳統(tǒng)的概念基本相符,即:鋯剛玉比白剛玉和棕剛玉抗破碎性能好,棕剛玉比碳化硅的抗破碎性能好。
       但是,上述試樣的來源都是從企業(yè)隨機取樣的,它不能代表各種材料的完美結(jié)晶,如鉻剛玉試樣的抗破碎率最低就可以說明:雖然預想中的破碎強度鉻剛玉值應大于白剛玉,但試驗結(jié)果則相反,甚至低于黑剛玉,如此大的誤差,首先讓我們懷疑到測量的準確性, 為了確認是否測量儀器的誤差引起,因此對這種料進行重復性試驗,見下表(三):
       根據(jù)重復性誤差計算公式:
       重復性誤差近似0.8%,說明測量結(jié)果是準確的。那么這種鉻鋼玉怎么也能在市場銷售呢?難道用戶沒反應?
為進一步驗證行業(yè)內(nèi)同種材質(zhì)的質(zhì)量分散情況,從棕剛玉生產(chǎn)比較集中的地區(qū)如:山西、三門峽、貴陽等抽樣檢查,如表(四)結(jié)果:
不同產(chǎn)地的棕剛玉性能比較(表四)
       比較不同試樣的抗破碎性能:上述試樣中的最大差值為13.5,最好的為55.5,與鋯剛玉(18#樣為63)相差7.5,最差的為42,與黑剛玉(10#樣為34)相差8.0,由此可見同樣都是棕剛玉,其性能相差卻相當懸殊。
       五、結(jié) 語
       作為磨削用途和耐火材料的剛玉、碳化硅的突出性能是它的硬度和強度高。但由于原材料和工藝的不同,不同地區(qū),不同企業(yè)向市場提供的產(chǎn)品使用性能差別很大。磨料結(jié)晶時產(chǎn)生的微裂紋是影響其抗破碎性能的主要因素,本儀器以比較直觀的沖擊破碎取樣法,能夠較準確的進行測量。
       筆者認為磨料的抗破碎性能與其硬度、強度、韌性相關(guān),但不一定完全對應,作為一種新的使用性能指標--破碎強度,它可能將在以下幾個方面發(fā)揮作用:
       1、為磨料使用單位選擇需要何種破碎強度的材料用。
       2、為磨料生產(chǎn)企業(yè)做為穩(wěn)定工藝,提高產(chǎn)品質(zhì)量的檢測手段。
       3、對同類產(chǎn)品進行性能比較測試用。
       4、為各單位對磨料制粒加工前,檢測熔塊質(zhì)量用。
       致謝:本儀器在研發(fā)過程中得到許多單位的大力支持,并熱情提供樣品,特此致謝!
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