煅燒工藝對棕剛玉磨料力學性能影響的研究①

仝俊峰,栗正新,高飛,宋心愿,武軍

(1.河南工業大學材料科學與工程學院,河南鄭州450001; 2.山西太岳磨料有限公司,山西長治046500)

煅燒工藝對棕剛玉磨料力學性能影響的研究①

仝俊峰1,栗正新1,高飛2,宋心愿2,武軍2

(1.河南工業大學材料科學與工程學院,河南鄭州450001; 2.山西太岳磨料有限公司,山西長治046500)

使用管式高溫燒結爐、磨料球磨韌性實驗機和單顆粒抗壓強度測試儀,通過正交試驗研究了熱處理溫度、保溫時間、升溫速度對棕剛玉磨料力學性能的影響規律。在空氣氣氛下首先對棕剛玉磨料進行熱處理,然后測定和分析熱處理前后棕剛玉磨料的球磨韌性、單顆粒抗壓強度變化情況,發現通過合適熱處理后的棕剛玉磨料的球磨韌性以及單顆粒抗靜壓強度都得到了大幅提高。通過數據分析得到了最佳的熱處理工藝,通過XRD分析了熱處理前后棕剛玉的物相變化情況。

棕剛玉磨料;煅燒;球磨韌性;單顆粒抗壓強度

0 前言

棕剛玉是使用較多的磨料之一,制造棕剛玉的原料主要有礬土、無煙煤以及鐵屑。將原料加入電弧爐中,在2000℃以上熔煉后,經粉碎、整形、磁選去鐵、篩分,即可得到不同粒度范圍的棕剛玉磨料。其化學成份中Al2O3含量在94.5%～97%,另外還有少許Fe、Si以及Ti等[1]{惠民,2001#1}{惠民,2001# 1}。棕剛玉具有較廣的適用范圍,被用于制備陶瓷結合劑磨具、樹脂結合劑磨具、拋光液拋光膏等拋光產品、還被用于噴砂以及精密鑄造等方面。

隨著制造業的快速發展,對棕剛玉磨料的質量要求也越來越嚴,因此就需要嘗試提高棕剛玉磨料的產品質量,已往提高質量常用的方法有改善磨料顆粒的形狀、熱處理以及增加化學涂層等。但從發展來看,僅僅改善形狀已經遠遠不能滿足要求,化學處理成本高且污染環境。而經過熱處理后的棕剛玉磨料的力學性能會得到提高,具有結晶完整、單顆粒強度高,磨削效率高,磨削壽命長的特點[2]。在國外對棕剛玉磨料進行熱處理已有二十幾年[3],而在我國生產使用僅僅只有十幾年的發展歷史,關于熱處理的工藝參數選擇以及磨料力學性能的變化很少有文獻報道。本文將討論熱處理對棕剛玉磨料力學性能的影響。

1 試驗部分

1.1 試驗方案

以山西太岳磨料有限公司生產的F24棕剛玉為原料,采用管式高溫燒結爐對磨料進行熱處理。采用單顆粒抗壓強度測定儀測定熱處理前后磨料的單顆粒抗靜壓強度變化情況。

主要考察熱處理溫度、保溫時間、升溫速度對磨料力學性能的影響,設計的三因素三水平正交表見表1。

表1 正交試驗因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2 試驗過程和結果

1.2.1 磨料的韌性檢測

采用PR-A型普通磨料球磨韌性測定裝置對磨料的球磨韌性進行檢測。首先將干燥后的磨料在110℃下干燥1h,用GB/T 2481.1—1998所規定的篩分要求的標準篩網篩出基本粒,然后稱取100g試樣放入球磨罐中,總回轉數設定為1200轉,將球磨后的試樣稱量得到W 1,篩分后取第三層篩上的磨料稱量得到V 1,重復上述操作得到W 2和V 2。

式中:W 1為第一次粉碎試樣篩分后三段篩上的殘留量(g);W 2為第二次粉碎試樣篩分后三段篩上的殘留量(g);V 1為第一次粉碎試樣的回收量(g);V 2為第二次粉碎試樣的回收量(g)。

1.2.2 單顆粒抗壓強度測定

采用金剛石單顆粒抗壓強度測定儀對F24棕剛玉熱處理前后的單顆粒抗壓強度進行測定。首先將磨料取出一部分放在載玻片上并刮成直行待用。然后從一端起按順序依次鑷取一粒磨料檢測并記錄,測滿40粒為止。試驗方案和結果見表2。

表2 正交試驗方案和結果Table 2 Experiments and results of orthogonal test

2 試驗結果分析

2.1 直觀分析

很容易看出熱處理后棕剛玉磨料的球磨韌性以及單顆粒抗壓強度都有不同程度的提高,直接比較9組試驗結果可以發現:9號試驗的球磨韌性最好,為70.87%,其試驗條件為熱處理溫度1300℃、保溫時間90min、升溫速度為5℃/min;7號試驗的單顆粒抗壓強度最好,為9.51kg,其試驗條件為熱處理溫度1300℃、保溫時間30min、升溫速度為4℃/min。

2.2 計算各因素的K1、K2、K3、k1、k2、k3和R值

Ki表示任一列上水平號為i(i=1,2或3)時所對應的試驗結果之和。ki=Ki/s(s為任一列上各水平出現的次數),因此ki表示任一列上因素取水平i時所得的試驗結果的算術平均值。R表示極差,即各因素的k1、k2、k3中最大值和最小值之差。

球磨韌性的K1、K2、K3、k1、k2、k3和R值見表3,單顆粒抗壓強度的K1、K2、K3、k1、k2、k3和R值見表4。

表3 球磨韌性K1、K2、K3、k1、k2、k3和R值Table 3 The K 1、K 2、K 3、k1、k2、k3 and R values of roughness

表4 單顆粒抗壓強度K1、K2、K3、k1、k2、k3和R值Table 4 The K 1、K 2、K 3、k1、k2、k3 and R values of single grain compression strength

2.3 確定主次因素的順序及優方案

極差R用來衡量各因素水平改變時對試驗結果的影響程度,極差越大,說明該因素對試驗所考察指標影響越大,通常是主要因素。從上表可知,影響球磨韌性的因素主次順序為A、B、C,優方案為A3B2C2,即熱處理溫度為1300℃、保溫時間90min、升溫速度為4℃/min。影響單顆粒抗壓強度的因素主次順序為C、A、B,優方案為A1B3C2,即熱處理溫度為1250℃、保溫時間30min、升溫速度為2℃/min。經試驗驗證方案A3B2C2的球磨韌性為71.03%,確實為優方案。試驗方案A1B3C2的單顆粒抗壓強度為9.53kg,也為優方案。

2.4 畫出因素與考察指標的趨勢圖

將因素水平作為橫坐標,以試驗指標的平均值ki作為縱坐標,畫出因素與指標的趨勢圖見圖1。

圖1 因素與指標趨勢圖Fig.1 The trend diagram of indexes with test factor

2.5 試樣的XRD分析

由圖2可以看出棕剛玉磨料在空氣中熱處理時, Ti2O3和Al2O3構成的固溶體中的Ti3+被氧化成Ti4+,Ti2O3轉變為TiO2引起了晶格收縮,從而提高了磨料的單顆粒抗壓強度[4]。磨料在制粒過程中會使顆粒內部產生微小的缺陷,熱處理彌合了這些微小缺陷,熱處理還能消除制粒過程中所造成的內應力。因此,棕剛玉磨料的球磨韌性也得到了提高。

圖2 磨料的XRD圖譜Fig.2 The XRD pattern of abrasives

3 結論

使用管式高溫燒結爐在空氣氣氛下對棕剛玉磨料進行熱處理,用正交試驗的方法得到了最佳的熱處理工藝參數。結論如下:

(1)熱處理溫度對棕剛玉磨料的球磨韌性影響最大,將熱處理溫度從1150℃提高到1300℃,可以提高磨料的球磨韌性。

(2)升溫速度對棕剛玉磨料的單顆粒抗壓強度影響最大,升溫速度為4℃/min時,磨料的單顆粒抗壓強度最好。

(3)本試驗得出對F24棕剛玉磨料進行熱處理的最佳工藝參數為:在熱處理溫度為1300℃、保溫時間90min以及升溫速度為4℃/min時,磨料的球磨韌性最好;熱處理溫度為1250℃、保溫時間30min以及升溫速度為4℃/min時,磨料的單顆粒抗壓強度最好。

[1] 張錫樓,蘇貴勤,常濱久,等.棕剛玉原子發射光譜的分析[J].哈爾濱科學技術大學學報,1991(1):65-69.

[2] 石鐵拴.淺談棕剛玉磨料煅燒技術[J].磨料磨具通訊,2007 (1):6-7.

[3] Nassau K.Gemstone enhancement[M].Butterworths,1984.

[4] 黃勉.關于棕剛玉磨料的煅燒[J].金剛石與磨料磨具工程, 1979(4):36-44.

Research on brown corundum grains mechanical properties altering with heat-treatment processing

TONG Jun-feng1,LI Zheng-xin1,GAO Fei2,SONG Xin-yuan2,WU Jun2
(1.School of Materials Science and Engineering,Henan University of Technology,Zhengzhou 450001,China; 2.Shanxi Taiyue Abrasive Co.,Ltd.,Changzhi 046500,Shanxi,China)

By means of orthogonal experiments with high-temperature tubular oven,grain roughness testing instrument,single grain compression testing instrument,brown corundum abrasive grains'mechanical properties such as ball-milling roughness and single grain compression strength altering situation have been investigated as the changes of sintering temperature,duration,and rate of heating up in air atmosphere.And then it has measured its toughness,single grain compression strength and analyzed its phase transformation by X-ray diffraction before and after heat treatment.It was found that the roughness and single particle crushing strength of brown corundum grains have been greatly improved after heat treatment,the best heat treatment process has obtained by analyzing the data.

brown corundum grains;heat-treatment processing;ball-milling roughness; single grain compression strength

TQ164

A

1673-1433(2014)01-0011-04

2014-03-10

仝俊峰,男,1986年生,在讀碩士研究生。從事超硬材料及磨料磨具研究。

栗正新,男,河南工業大學材料學院教授。研究方向為超硬材料及制品、磨料磨具。Email:zhengxin_li@haut.edu.cn