低钠刚玉磨料磨削性能研究

周 涛，杨雪峰，栗正新*，李帅领

(1.白鸽磨料磨具有限公司，郑州 450001；2.河南工业大学 材料科学与工程学院，郑州 450001)

钠作为白刚玉中一种杂质，它的含量高低，直接影响白刚玉磨料的性能，白刚玉磨料中钠含量过高，就会生成很多的β～氧化铝，影响白刚玉的性能，如白刚玉结晶硬度降低，切削能力下降，易粉化破碎，热稳定性低[1-3]。因此钠含量高的白刚玉，综合性能相对较差，限制了其在耐火材料和高端磨料磨具领域的应用。钠含量的降低，使得白刚玉的熔点、抗折强度、耐压强度等性能都会得到一定的提升[4-5]。本文采用36号普通白刚玉和低钠白刚玉为原料，制备树脂结合剂的抗折强度样条和砂轮，对磨料性能以及制成的样品性能进行了对比分析。

1 实验

实验采用36号白刚玉磨料、36号低钠白刚玉磨料，低钠刚玉钠含量用ICPMS测量，检测结果见图1和表1，标准系列曲线如图2所示，由ICPMS检测可知，低钠白刚玉Na含量为0.05%。普通白刚玉磨料Na含量为0.35%。

图1 低钠刚玉扫描电镜和能谱图Fig.1 Scanning electron microscope and energy spectrum of low sodium corundum

表1 低钠刚玉钠含量测试结果

图2 标准系列曲线Fig.2 Standard series curve

结合剂和填料为酚醛树脂粉、酚醛树脂液、半水石膏粉，脱模剂为实验原料，样品基础配方见表2。采用粉状酚醛树脂磨具15小时硬化曲线：60℃保温2小时，90℃保温2小时，110℃保温1.5小时，120℃保温2.5小时，140℃保温1小时，160℃保温Ⅰ小时，185℃保温4小时，自然冷却。

表2 样品基础配方

采取先做抗折强度样条，样条中性能指标最优的配方做砂轮进行磨削实验，砂轮磨具规格为：外径D=251mm，内径d=240mm，高h=20mm，体积84.84cm3。基体规格：1～240mm×20mm×126mm。制备的样品见图3所示。

图3 制备的样品Fig.3 Prepared samples

2 实验结果及讨论

2.1 单颗粒抗压强度

取磨料试样40粒，分别测定其在静压作用下破碎时的负荷值(以牛顿计)，计算出这40个颗粒的平均值，并按照规定舍去超过平均值二倍者，余者再求平均值，即得该磨料的单颗粒抗压强度。

通过对比实验可以发现，低钠白刚玉磨料为37.95N和普通白刚玉磨料为35N,低钠白刚玉磨料单颗粒抗压强度略高于普通白刚玉。

2.2 抗折强度

普通白刚玉抗折强度实验数据见表3所示，从表中可以看出，断裂载荷平均值为85.8N，抗折强度平均值为30.47MPa。

表3 普通白刚玉测试结果

低钠白刚玉抗折强度实验数据见表4所示，从表中可以看出，断裂载荷平均值=96.2N，抗折强度平均值=33.87MPa。

表4 低钠白刚玉测试结果

实验结论：低钠白刚玉样条的平均抗折强度比普通白刚玉样条高出了11.16%。

2.3 抗冲击强度

对制备的样品进行抗冲击实验，结果见表5所示，低钠白刚玉为2.2025kJ/m2，普通白刚玉的平均数值为1.9539kJ/m2，低钠白刚玉的抗冲击强度比普通白刚玉高了12.7%。

表5 普通白刚玉测量结果

表6 低钠刚玉测量结果

2.4 磨削性能分析

2.4.1 摩擦磨损分析

表7 普通白刚玉实验结果

图4 摩擦磨损参数Fig.4 Friction and wear parametersa.时间-摩擦力 b.时间-摩擦系数 c.时间-试验力

普通白刚玉磨削比=工件磨除量/磨具磨除量

表8 低钠白刚玉实验结果

低钠白刚玉磨削比=工件磨除量/磨具磨除量

由实验结果可知，在磨削过程中摩擦力随时间在一定范围内变化，试验力基本保持不变，在相同的实验条件下，低钠白刚玉的磨削效果要明显好于普通白刚玉，性能提高41.63%。

2.4.2 砂轮磨削性能分析

表9 普通白刚玉砂轮

表10 低钠白刚玉砂轮

低钠白刚玉砂轮磨削比：

实验结论：相比于普通白刚玉砂轮，低钠白刚玉砂轮的磨削性能显著提高，性能提高了51.1%，同时我们发现，摩擦磨损得出的磨削比与砂轮的磨削比存在较大偏差，经过多次实验验证发现，由于砂轮磨削实验更加接近实际应用，数值更具有参考价值。

2.5 X射线衍射实验分析

对低钠白刚玉磨料进行X射线衍射分析，见图5，可以看出低钠磨料的物相为Al2O3，基本不含其他杂质。

图5 XRD图Fig.5 XRD diagram

2.6 扫描电镜实验及分析

对样品的断裂面进行SEM观察分析(图6、图7)，从图中可以看出，两组样品结合剂和磨料之间都形成了良好的界面结合。

图6 普通刚玉试样断裂面Fig.6 Fracture surface of ordinary corundum sample

图7 低钠白刚玉试样断裂面Fig.7 Fracture surface of low sodium white corundum sample

3 结论

采用相同的配方和工艺条件下制备36号普通刚玉磨料和低钠刚玉磨料的样条和砂轮，进行性能对比测试，结论如下：

(1)对低钠刚玉EDS能谱检测发现含有极少的C、N、Na元素，由XRD检测只得到了氧化铝的特征峰，ICPMS检测出低钠磨料的Na含量为0.05%，与普通磨料Na含量0.35%相差将近一个数量级；

(2)低钠白刚玉样品的抗折强度33.81MPa，普通白刚玉样品30.47MPa，提高11.16%；样品的抗冲击强度分别是2.2025kJ/m2和1.9539kJ/m2，提高了12.7%；

(3)由砂轮的磨削实验结果可知，低钠白刚玉砂轮的磨削性能比普通白刚玉砂轮磨削性能提高了51.1%，低钠白刚玉砂轮力学性能和磨削性能都显著高于普通白刚玉砂轮。