煅烧工艺对棕刚玉磨料力学性能影响的研究①

仝俊峰,栗正新,高飞,宋心愿,武军

(1.河南工业大学材料科学与工程学院,河南郑州450001; 2.山西太岳磨料有限公司,山西长治046500)

煅烧工艺对棕刚玉磨料力学性能影响的研究①

仝俊峰1,栗正新1,高飞2,宋心愿2,武军2

(1.河南工业大学材料科学与工程学院,河南郑州450001; 2.山西太岳磨料有限公司,山西长治046500)

使用管式高温烧结炉、磨料球磨韧性实验机和单颗粒抗压强度测试仪,通过正交试验研究了热处理温度、保温时间、升温速度对棕刚玉磨料力学性能的影响规律。在空气气氛下首先对棕刚玉磨料进行热处理,然后测定和分析热处理前后棕刚玉磨料的球磨韧性、单颗粒抗压强度变化情况,发现通过合适热处理后的棕刚玉磨料的球磨韧性以及单颗粒抗静压强度都得到了大幅提高。通过数据分析得到了最佳的热处理工艺,通过XRD分析了热处理前后棕刚玉的物相变化情况。

棕刚玉磨料;煅烧;球磨韧性;单颗粒抗压强度

0 前言

棕刚玉是使用较多的磨料之一,制造棕刚玉的原料主要有矾土、无烟煤以及铁屑。将原料加入电弧炉中,在2000℃以上熔炼后,经粉碎、整形、磁选去铁、筛分,即可得到不同粒度范围的棕刚玉磨料。其化学成份中Al2O3含量在94.5%～97%,另外还有少许Fe、Si以及Ti等[1]{惠民,2001#1}{惠民,2001# 1}。棕刚玉具有较广的适用范围,被用于制备陶瓷结合剂磨具、树脂结合剂磨具、抛光液抛光膏等抛光产品、还被用于喷砂以及精密铸造等方面。

随着制造业的快速发展,对棕刚玉磨料的质量要求也越来越严,因此就需要尝试提高棕刚玉磨料的产品质量,已往提高质量常用的方法有改善磨料颗粒的形状、热处理以及增加化学涂层等。但从发展来看,仅仅改善形状已经远远不能满足要求,化学处理成本高且污染环境。而经过热处理后的棕刚玉磨料的力学性能会得到提高,具有结晶完整、单颗粒强度高,磨削效率高,磨削寿命长的特点[2]。在国外对棕刚玉磨料进行热处理已有二十几年[3],而在我国生产使用仅仅只有十几年的发展历史,关于热处理的工艺参数选择以及磨料力学性能的变化很少有文献报道。本文将讨论热处理对棕刚玉磨料力学性能的影响。

1 试验部分

1.1 试验方案

以山西太岳磨料有限公司生产的F24棕刚玉为原料,采用管式高温烧结炉对磨料进行热处理。采用单颗粒抗压强度测定仪测定热处理前后磨料的单颗粒抗静压强度变化情况。

主要考察热处理温度、保温时间、升温速度对磨料力学性能的影响,设计的三因素三水平正交表见表1。

表1 正交试验因素水平表Table 1 Factors and levels of orthogonal test

1.2 试验过程和结果

1.2.1 磨料的韧性检测

采用PR-A型普通磨料球磨韧性测定装置对磨料的球磨韧性进行检测。首先将干燥后的磨料在110℃下干燥1h,用GB/T 2481.1—1998所规定的筛分要求的标准筛网筛出基本粒,然后称取100g试样放入球磨罐中,总回转数设定为1200转,将球磨后的试样称量得到W 1,筛分后取第三层筛上的磨料称量得到V 1,重复上述操作得到W 2和V 2。

式中:W 1为第一次粉碎试样筛分后三段筛上的残留量(g);W 2为第二次粉碎试样筛分后三段筛上的残留量(g);V 1为第一次粉碎试样的回收量(g);V 2为第二次粉碎试样的回收量(g)。

1.2.2 单颗粒抗压强度测定

采用金刚石单颗粒抗压强度测定仪对F24棕刚玉热处理前后的单颗粒抗压强度进行测定。首先将磨料取出一部分放在载玻片上并刮成直行待用。然后从一端起按顺序依次镊取一粒磨料检测并记录,测满40粒为止。试验方案和结果见表2。

表2 正交试验方案和结果Table 2 Experiments and results of orthogonal test

2 试验结果分析

2.1 直观分析

很容易看出热处理后棕刚玉磨料的球磨韧性以及单颗粒抗压强度都有不同程度的提高,直接比较9组试验结果可以发现:9号试验的球磨韧性最好,为70.87%,其试验条件为热处理温度1300℃、保温时间90min、升温速度为5℃/min;7号试验的单颗粒抗压强度最好,为9.51kg,其试验条件为热处理温度1300℃、保温时间30min、升温速度为4℃/min。

2.2 计算各因素的K1、K2、K3、k1、k2、k3和R值

Ki表示任一列上水平号为i(i=1,2或3)时所对应的试验结果之和。ki=Ki/s(s为任一列上各水平出现的次数),因此ki表示任一列上因素取水平i时所得的试验结果的算术平均值。R表示极差,即各因素的k1、k2、k3中最大值和最小值之差。

球磨韧性的K1、K2、K3、k1、k2、k3和R值见表3,单颗粒抗压强度的K1、K2、K3、k1、k2、k3和R值见表4。

表3 球磨韧性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 单颗粒抗压强度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 确定主次因素的顺序及优方案

极差R用来衡量各因素水平改变时对试验结果的影响程度,极差越大,说明该因素对试验所考察指标影响越大,通常是主要因素。从上表可知,影响球磨韧性的因素主次顺序为A、B、C,优方案为A3B2C2,即热处理温度为1300℃、保温时间90min、升温速度为4℃/min。影响单颗粒抗压强度的因素主次顺序为C、A、B,优方案为A1B3C2,即热处理温度为1250℃、保温时间30min、升温速度为2℃/min。经试验验证方案A3B2C2的球磨韧性为71.03%,确实为优方案。试验方案A1B3C2的单颗粒抗压强度为9.53kg,也为优方案。

2.4 画出因素与考察指标的趋势图

将因素水平作为横坐标,以试验指标的平均值ki作为纵坐标,画出因素与指标的趋势图见图1。

图1 因素与指标趋势图Fig.1 The trend diagram of indexes with test factor

2.5 试样的XRD分析

由图2可以看出棕刚玉磨料在空气中热处理时, Ti2O3和Al2O3构成的固溶体中的Ti3+被氧化成Ti4+,Ti2O3转变为TiO2引起了晶格收缩,从而提高了磨料的单颗粒抗压强度[4]。磨料在制粒过程中会使颗粒内部产生微小的缺陷,热处理弥合了这些微小缺陷,热处理还能消除制粒过程中所造成的内应力。因此,棕刚玉磨料的球磨韧性也得到了提高。

图2 磨料的XRD图谱Fig.2 The XRD pattern of abrasives

3 结论

使用管式高温烧结炉在空气气氛下对棕刚玉磨料进行热处理,用正交试验的方法得到了最佳的热处理工艺参数。结论如下:

(1)热处理温度对棕刚玉磨料的球磨韧性影响最大,将热处理温度从1150℃提高到1300℃,可以提高磨料的球磨韧性。

(2)升温速度对棕刚玉磨料的单颗粒抗压强度影响最大,升温速度为4℃/min时,磨料的单颗粒抗压强度最好。

(3)本试验得出对F24棕刚玉磨料进行热处理的最佳工艺参数为:在热处理温度为1300℃、保温时间90min以及升温速度为4℃/min时,磨料的球磨韧性最好;热处理温度为1250℃、保温时间30min以及升温速度为4℃/min时,磨料的单颗粒抗压强度最好。

[1] 张锡楼,苏贵勤,常滨久,等.棕刚玉原子发射光谱的分析[J].哈尔滨科学技术大学学报,1991(1):65-69.

[2] 石铁拴.浅谈棕刚玉磨料煅烧技术[J].磨料磨具通讯,2007 (1):6-7.

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

[4] 黄勉.关于棕刚玉磨料的煅烧[J].金刚石与磨料磨具工程, 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,在读硕士研究生。从事超硬材料及磨料磨具研究。

栗正新,男,河南工业大学材料学院教授。研究方向为超硬材料及制品、磨料磨具。Email:zhengxin_li@haut.edu.cn