軟磨料對電積鈷表面油污去除機制研究

(蘭州理工大學有色金屬先進加工與再利用省部共建國家重點實驗室 甘肅蘭州 730050)

鈷是一種重要的戰(zhàn)略金屬資源，是制造高溫合金、硬質合金、磁性合金和含鈷化合物的重要原料，被廣泛用于原子能、航天、電子等工業(yè)領域[1-2]。此外，鈷在化學工業(yè)中還可用作催化劑、油漆和油墨的干燥劑、陶瓷底漆、油漆和塑料的顏料等。

目前，國內鈷的制備一般采用從溶液中沉積到陰極上的電積鈷的方式。電積鈷在后期成型階段，通過機械剪裁形成40 mm × 40 mm × 7 mm的鈷塊，因剪板機剪裁過程中需采用切削油，切削油在剪裁過程中會接觸鈷塊造成產品的污染，造成產品合格率下降[3]。針對鈷塊表面切削油的清洗，主要采用乳液溶解或復合有機清洗液溶解。乳液溶解指使用復配含有兩親性物質的水基或油基型乳液對樣品進行處理。復合有機清洗液指使用不同復配的有機溶液對切削油組分依次溶解。然而采用以上化學清洗方法會導致鈷表面的二次污染。

為實現鈷表面油污染的有效清除，同時避免鈷塊表面的二次污染，可基于研磨或拋光的原理[4]，采用軟磨料摩擦鈷塊表面的物理方法清除鈷表面的油污。本文作者以鋸末或稻殼為磨料，在滾筒攪拌清洗機上對帶有油污染的鈷塊進行摩擦磨損試驗；通過觀察金相組織以及摩擦磨損后鈷塊表面的微觀結構和表面形貌，考察鋸末或稻殼對油污染鈷塊磨損性能的影響，揭示軟磨料磨損的本質，為鈷塊表面油污的無污染去除提供一種新方法。

1 試驗部分

1.1 試樣和磨料的制備

試驗采用標準剪裁的電積鈷試樣，規(guī)格為40 mm×40 mm×7 mm，其質量分數為99.8%。污染鈷塊表面沾有切削油，其表面形貌如圖1所示。試驗彩的磨料分別為干燥的原生態(tài)鋸末和經過清洗曬干后的稻殼，其中鋸末原料經自然風干、曝曬 1天后，經過人工挑揀和風選的方式剔除大木塊、小石塊等雜質。稻殼主要由有機成分組成，其中主要有22%(質量分數，下同)木質素、35%纖維素、20%粗灰分。

圖1 油污染電積鈷塊Fig 1 Oil contaminated cobalt bulk

1.2 試驗設備和方法

選用與滾筒清洗機工況相似的HJW-30型攪拌式磨料磨損試驗機，工作原理如圖2所示。影響材料清洗的因素有許多，如壓力、溫度、速度、比例及性質[5]。為考察轉速的影響，對該磨損試驗機進行改造，增加變頻器來調節(jié)試驗機轉速。將鋸末或稻殼與被污染的鈷塊按不同體積比通過入料口倒入筒體內，通過變頻電機調節(jié)轉速，考察在不同體積比和不同轉速下鈷表面油污被去除干凈的時間。采用精度為0.1 mg的分析天平稱量鈷塊磨損前后的質量，計算磨損量。

圖2 磨料磨損試驗機原理圖Fig 2 Principle diagram of wear test machine

試驗首先分別測量不同磨料在不同體積比例和不同轉速下對油污染鈷塊清除效果的影響，并分析確定出最佳試驗條件。然后，在最佳試驗條件對油污染鈷塊進行清洗試驗，用精度為0.1 mg的分析天平測量清洗前后鈷塊的質量損失[6]，并用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)觀察清洗后鈷表面形貌。

2 結果與分析

2.1 試驗條件對去油效果的影響

2.1.1 鈷塊與磨料體積比的影響

磨料鋸末或稻殼與油污染鈷塊的體積比分別采用2∶1、3∶1、4∶1及5∶1，在固定轉速為42 r/min條件下進行磨料磨損試驗，測得油污染鈷塊被清洗干凈的時間，結果如表1所示。

表1 磨料與油污染鈷塊體積比對鈷塊磨損試驗時間的影響Table 1 Effect on wear test time of cobalt block by the volume ratio of abrasives and oil contaminated cobalt block

由表1可以看出:在相同的轉速下，不同磨料體積比時完成清洗油污染鈷塊的時間存在差異，磨料鋸末或稻殼所占的比例越大，清洗時間越短；磨料比例為4∶1與5∶1時清除油污所用的時間相差不大，故磨料比例為4∶1時去油效果已達到最佳；在相同比例下，稻殼去油污染時間比鋸末少。

2.1.2 轉速的影響

取磨料與油污染鈷塊的體積比為4∶1，在不同轉速下進行磨料磨損試驗，測得油污染鈷塊被清洗干凈的時間，結果如表2所示。

表2 轉速對油污染鈷塊磨損試驗時間的影響Table 2 Effect on wear test time of oil contaminated cobalt block by rotation speed

由表2可以看出:磨料與油污染鈷塊的體積比為4∶1時，轉速越小，油污染鈷塊清洗速度越快，當轉速小到某一值時，去油污效果基本不變；相同轉速下，稻殼去油污染時間明顯比鋸末少。

2.1.3 磨料的影響

從清洗試驗結果表1和表2可以看出：轉速為17 r/min，磨料與油污染鈷塊的體積比為4∶1時，對油污染鈷塊清洗效果最好，用時最少。采用該優(yōu)化試驗條件，考察不同磨損試驗時間下2種磨料對油污染鈷塊的磨損質量損失如表3所示。可知，在相同時間下，稻殼作為磨料比鋸末作為磨料有更好的去鈷表面油污染的效果。

表3 不同試驗時間下2種磨料的磨損試驗結果Table 3 Results of wear tests for two abrasives at different test time

2.2 磨損形貌及磨損機制分析

圖3所示為油污染鈷塊分別被鋸末和稻殼清洗去油時表面磨損形貌SEM照片。2種磨料對鈷塊表面磨損的形貌基本相同，都出現了不同深度的犁溝，并在犁溝周圍出現一定量由疲勞造成的剝落碎片。可見，鋸末和稻殼對鈷塊表面油污的去除是顯微切削和疲勞磨損2種磨損機制共同作用的結果，但2種磨料所呈現的磨損程度不同，其形貌與摩擦損失的質量相符合。

圖3 2種磨料對鈷磨損后的表面磨損形貌SEM照片Fig 3 SEM morphology of cobalt surface after wear by two abrasives(a)sawdust;(b)rice hull

由圖3(b)可以明顯看到：以稻殼為磨料時，鈷表面的犁溝現象比較明顯，因疲勞而剝落的凹坑少，表明此時主要以顯微切削為主，伴有疲勞磨損機制。這是因為稻殼自身較硬，并且形狀相對規(guī)則，有較強的耐磨性，在磨料磨損的過程中，稻殼的尖角部分更容易刺入材料表面進行切削，因此鈷塊磨損表面磨痕均勻明顯。

顯微切削類似于刀刃器具在金屬材料表面的切削加工，鋸末及稻殼磨料類似于鋸齒，反復作用于鈷表面，逐層切削[7-8]，最終使得鈷塊表面油污得以清除，并在鈷表面形成犁溝。因為稻殼中有較高的硅含量，故其較為堅硬，耐磨性能好，這是其發(fā)生切削的主要原因。如圖4所示，在磨料摩擦磨損過程中，作用在磨粒上的力pz可分為解為切向力px和法向力py[9]。在py作用下，鋸末或稻殼的小顆粒刺入鈷表面的油中；與此同時，切向力px使磨粒沿表面向前推進，隨著磨粒的姿態(tài)和取向與前進方向適當，磨粒就會出現類似刀具的前角向前滑行[10]，如此隨機反復對鈷表面油污進行微切削，最后直至對鈷表面也進行顯微切削形成犁溝。

圖4 顯微切削模型Fig 4 Micro-cutting model

由圖3(a)可以明顯看到：以鋸末為磨料時，鈷塊表面由于疲勞剝落形成的凹坑比較明顯，而犁溝不是很明顯，表明此時主要以疲勞磨損為主，伴有顯微切削作用。

由于磨料與鈷表面的接觸是不連續(xù)的，在彈性限度內，每次產生微小的應力，作用物體內部會留下劃痕，這種痕跡積累起來就變?yōu)槠谀p的本源[11]。也就是說，由于摩擦而作用于鈷表面油污的摩擦應力，反復作用，使鈷表面的油污因疲勞而脫落[12]。疲勞磨損的應力狀態(tài)較為復雜，其磨損過程中產生裂紋或表面破壞，如圖5所示。稻殼或鋸末與油污染鈷塊之間的實際接觸面積只占很小部分，在滾筒摩擦的過程中磨料產生的瞬時高溫作用與鈷表面粗糙峰介于塑性狀況，黏著與滑動摩擦交替進行，黏著點經過反復作用逐漸脫落[13-14]。另一方面，當磨料沿鈷表面運動時，當稻殼或鋸末的棱角不夠銳利或者前進方向有偏差時，磨粒就會對鈷表面油污進行推擠而使油污逐層脫落[15]。在此機制作用下，待鈷表面油污完全去除后，因循環(huán)變化的接觸應力的作用，會留下由于材料疲勞剝落而形成的凹坑。由于鋸末材料自身硬度不高，對材料表面的切削效果不明顯，因而此時鈷表面油污的脫落實際上是材料的疲勞機制。

圖5 2種磨料對鈷表面摩擦產生的破壞Fig 5 Surface damage produced by different abrasives (a)sawdust;(b)rice hull

3 結論

(1)相同轉速時，磨料與油污染鈷塊的體積比越大，除去鈷表面油污染的效果越好；相同磨料與油污染鈷塊的體積比時，轉速越小，除去鈷表面油污染的效果越好；相同轉速和磨料體積比下，稻殼去除油污染的效果比鋸末好。

(2)影響鈷表面油污染去除效果的外部因素由大到小依次為轉速、磨料類型和磨料與油污染鈷塊體積比。轉速為17 r/min，磨料與油污染鈷塊體積比為4∶1，磨料采用稻殼時，鈷塊油污去除效果最好。

(3)鋸末對鈷表面油污的磨料磨損去除是以多周期重復疲勞機制為主，并伴隨有顯微切削機制；而稻殼對鈷表面油污的去除是以顯微切削機制為主，伴有疲勞磨損機制。