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超微晶陶瓷氧化铝磨料的研究

日期:2018/12/5
来源:网络

  1 前言

  作为超硬材料的人造金刚石,以高硬度、高耐磨性等特殊性能在工业上得到越来越广泛的应用。人造金刚石在常温常压下,具有脆性、裂纹、气孔等缺陷,这些缺陷会直接影响金刚石性能的充分发挥。金刚石表面金属化是解决这一问题的有效方法之一。金刚石表面金属化,不仅可以明显地提高金刚石与黏结剂的结合力,减少金刚石磨粒的过早脱落,还可以增加金刚石磨粒的有效利用率;而且在高温烧结和磨削过程中,镀层对金刚石可以起到保护作用,使金刚石不易发生氧化反应,可以提高金刚石磨粒的抗压强度,减少金刚石的脆性作用。本实验采用瓦特电镀液,着重研究NaCl的质量浓度和NiSO4的质量浓度对镀覆金刚石品质的影响。

  2 基本原理

  2.1 电熔刚玉磨料的缺陷

  目前大量使用的电熔刚玉磨料,是哈斯拉切(Hasslacher)1894年最先发明的(德国专利85021),不管采用熔块法(间歇式)或流放法(连续式)生产的电熔刚玉磨料。都需用碳棒作为电极在2100℃~2600℃的高温下用电弧炉将氧化铝熔融,经熔炼、冷却、破碎制成磨料.很多学者和专家如费较年科(FiLonenker)、拉夫洛夫(Lavror)等人的研究认为,电熔刚玉磨料晶粒粗大,易产生微裂纹,晶体尺寸在0.4-1.0mm之间,形成规则的厚板状,残熔物嵌夹其间或者是大于2.0mm的刚玉簇聚合结晶体构成,界面不规则,而夹杂物位于这些晶族之间。在刚玉中以各种化合物形成出现的六偏铝酸钙、莫来石(Mullite)、夹晶石(Spinel)、钙长石(Anorthite)尤其是铝酸钠(又称β-A12O3)的含量对磨具的机械性能影响很大,刚玉中铝酸钠含量即使很少,也将大大降低刚玉磨料的磨削性能。铝酸钠在磨具烧成和使用过程中的分解,造成磨具强度降低。电熔刚玉磨料是由大块的多晶体,经过机械方法多次击碎成细粒的,磨削时电熔刚玉磨粒表面产生的切向应力,促使磨料产生裂纹,微裂纹的扩展,使磨料磨削性能大大降低,而聚合晶体随着切割刀重复产生的应力而破裂至脱落。电熔刚玉磨料的显微结构是由所谓的显微结构晶粒组成,由晶粒构成各种尺寸、各种连接方式和各种间隔排列的晶束,但结构晶粒具有较大的松散性,在磨加工过程很易脱落,磨具与磨粒的磨削作用与刚玉微晶的耐磨性有关,晶体容易热负荷下软化而产生磨损。

  2.2 超微晶陶瓷氧化铝磨料的特点

  超微晶陶瓷氧化铝磨料又叫SG新型陶瓷氧化铝磨料。陶瓷刚玉磨料,是以独特的陶瓷技术合成的,具有微细晶体结构的高纯度刚玉磨料。其典型制造工艺有两类,一类是采用sol-gel工艺(即溶胶-凝胶工艺)合成,使之形成一定的颗粒形状和尺寸,最后经过煅烧与烧结使之成为高韧性和硬度的磨料。另一类是直接将α-Al2O3磨碎、挤压成型、制粒、干燥、烧结而成,制造过程中可加入Fe2O3或Al2O3等成核物质,以促进晶核形成和降低晶型转变温度,这类方法叫Seed-Gel(有烧结体的方法)。因此这两种方法生产的磨料统称为SG磨料。

  这种磨料的与众不同之处在于它是一种通过非熔融方法制得的陶瓷氧化铝。在一颗60#粒度的磨料颗粒中,可含有成千上万颗微粉。SG磨料的破碎结构有其特点,其它普通磨料破碎时,破损成平面。而磨削时SG磨料磨粒仅脱落微小的粒子,当它们破碎时,这种磨粒仍保持锋利,因为新的切削刃不断暴露出来(见图1)。以这样的方式破碎的磨具寿命较长。这种自锐性还避免被磨削工件的金相损伤。这种磨粒保持着固有的自锐性,使得由于钝化而引起的摩擦热减到最小,从而有效地减少了堵塞。SG磨料不呈现在氧化铝刚玉磨料中所见到的那些裂纹或者导致破碎的界面,它以类似后角的角度碎裂,留下一个新的锐利的切削刃口,使磨料得以有效地继续切削。此外,SG磨料的纯度高(氧化铝99.6%),保证了其集锋锐度与硬度于一体的微组织均匀结构,不存在微细裂纹等缺陷。超微晶陶瓷氧化铝磨料在性能和价格上填补了CBN、金刚石与普通磨料之间的空档,可代替白刚玉应用于白刚玉所有的磨削应用领域,在某些用途也可以代替超硬材料。因而其既可用于韧性不锈钢、耐热合金等难磨削材料方面,也可用于一般材料的精密磨削和高效磨削,在机械制造、汽车、轴承、刀具、模具等许多工业领域有很大的应用潜力。国外有关专家曾预测这类磨料将会取代三分之一的普通氧化铝磨料。

 

  3 实验部分

  3.1 超微晶陶瓷氧化铝磨料制备

  将恒温水浴设定在70~80℃,将一定量的一水氧化铝微粉和硝酸水溶液混合均匀制成铝溶胶。在不停的搅拌下向上述Al2O3水溶胶中加入0.2mo.lL-1的Zn(NO3)2溶液来促使其凝胶化,同时向其中加入一定量的引晶剂超细Fe2O3。将生成的凝胶体在80~90℃真空干燥箱中干燥固化,把干燥后的块状固体破碎成一定大小的颗粒,将破碎后的颗粒在500~600℃进行煅烧2h。然后将温度快速升到1300℃,并使温度保持1300℃约10min。即得到超微晶陶瓷氧化铝磨料。

  3.2 超微晶陶瓷氧化铝磨料的性能测试

  磨料的体积密度用比重瓶和分析天平测定;显微硬度用JIMT-3型显微硬度计测定;磨料的韧性采用球磨法,称取100g样品放于球磨机进行球磨,然后筛分,以棕刚玉为标准,得到其相对韧性值;磨削性能在ZM9120型(济南六机床生产)上进行,磨削工件为轴承套,材质为GCr15。

  3.3 SEM考察实验

  采用KYKYAMRAYMODEL1000BSEM(中科院)对样品的形貌和粒度进行分析。样品镀上银膜,放大倍数6000倍。

  4 结果与讨论

  4.1 磨料制备条件的考察

  超微晶陶瓷氧化铝磨料是用溶胶凝胶法制备的,制备时的主要影响因素有溶胶的酸度pH值,凝胶改良剂及引晶剂Fe2O3的加入量等。而反映该种磨料优劣的主要指标之一是磨料的体积密度。因此设计正交实验对这些因素进行了考察。以便确定较佳的实验条件。结果列于表1。结果表明:在实验范围内各因素对制得陶瓷氧化铝磨料的密度影响的大小顺序为:引晶剂Fe2O3%量>酸度pH值>凝胶剂量。实验中,在pH值1.5-2.5、凝胶改良剂量0.10-0.30%范围内,磨料的密度先增大后减少,而在实验范围内,磨料的密度随着引晶剂Fe2O3的加入量的增加而增加,但增加的趋势有所减少。因此,在以后实验中为了更好地制备磨料,将实验条件定为pH值2.0和凝胶改良剂量为0.20%。

  

 

  4.2 引晶剂Fe2O3的加入量对磨料性能的影响

  在上述实验中发现,引晶剂Fe2O3的加入量对陶瓷氧化铝磨料的密度影响最大,磨料密度随着引晶剂Fe2O3加入量的增加而增加。为了确定更好的条件,我们又仔细进行实验,以考察引晶剂Fe2O3的加入量对陶瓷氧化铝磨料的影响规律,结果见表2。从中可看出引晶剂Fe2O3的加入量对陶瓷氧化铝磨料的性能影响较大,开始随添加量的增加,磨料的密度、硬度、韧性等均明显增加,当添加量大于0.50%时这些性能几乎不在改变。这可能是因为制备时样品在高温煅烧的时间比较短,因此就要求有一定量的引晶剂才能取得好的效果。制得的磨料性能可以与进口样品相媲美。考虑到过多的Fe2O3影响样品的颜色,因此选0.50%是较好的。

  

 

  4.3 样品的磨削性能对比实验

  将制得的超微晶陶瓷氧化铝磨料(粒度80#)用低温结合剂制成P40×6×8的砂轮,进行磨削实验,并与普通白刚玉磨料(白鸽牌)、进口SG磨料和进口SG磨料砂轮进行了对比。磨削实验的其它条件为:磨削工件为轴承套,磨内孔、材质为GCr15、砂轮转速30~35m/s、采用恒定进给量0.0025mm/s。其结果见表3。结果表明自制的超微晶陶瓷氧化铝磨料和进口SG磨料制成的砂轮均具有较好的磨削性能,其磨削比是普通白刚玉的3.5倍,但与进口SG砂轮相比仍有一定的差距。这可能与制备砂轮的工艺和配方有关,这有待于我们进一步的研究。同时我们制成的P40×6×8的蝶型砂轮通过在山东烟台一工具生产厂的试用表明,该砂轮磨削工件的实验表明:该种砂轮一个的磨削效果相当于普通砂轮3~5个。

  

 

  4.4 样品的电镜测试

  图2是典型样品的电镜照片,从中可以看出:自制超微晶陶瓷氧化铝磨料的晶粒度比较均匀,晶粒度较小,晶粒间不存在裂痕,样品的粒径在200-400nm之间。

  

 

  5 结论

  (1)正交实验表明实验范围内各因素对制得陶瓷氧化铝磨料的密度影响的大小顺序为:引晶剂Fe2O3%量>酸度pH值>凝胶剂量。

  (2)引晶剂Fe2O3%量不同,制的磨料各项性能差别较大,添加量约为0.50%时、制得的磨料具有较佳的性能。

  (3)磨削对比实验表明自制的超微晶陶瓷氧化铝磨料磨削性能可以和进口样品相媲美,具有良好的工业应用前景。

  (4)电镜结果表明:超微晶陶瓷氧化铝磨料的晶粒度比较均匀,颗粒度较小,颗粒间不存在裂痕,样品的粒径在200~400nm之间。

关键字:金刚石
[责任编辑:woody]
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