低鈉剛玉磨料磨削性能研究

周 濤，楊雪峰，栗正新*，李帥領(lǐng)

(1.白鴿磨料磨具有限公司，鄭州 450001；2.河南工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，鄭州 450001)

鈉作為白剛玉中一種雜質(zhì)，它的含量高低，直接影響白剛玉磨料的性能，白剛玉磨料中鈉含量過高，就會生成很多的β～氧化鋁，影響白剛玉的性能，如白剛玉結(jié)晶硬度降低，切削能力下降，易粉化破碎，熱穩(wěn)定性低[1-3]。因此鈉含量高的白剛玉，綜合性能相對較差，限制了其在耐火材料和高端磨料磨具領(lǐng)域的應(yīng)用。鈉含量的降低，使得白剛玉的熔點、抗折強度、耐壓強度等性能都會得到一定的提升[4-5]。本文采用36號普通白剛玉和低鈉白剛玉為原料，制備樹脂結(jié)合劑的抗折強度樣條和砂輪，對磨料性能以及制成的樣品性能進(jìn)行了對比分析。

1 實驗

實驗采用36號白剛玉磨料、36號低鈉白剛玉磨料，低鈉剛玉鈉含量用ICPMS測量，檢測結(jié)果見圖1和表1，標(biāo)準(zhǔn)系列曲線如圖2所示，由ICPMS檢測可知，低鈉白剛玉Na含量為0.05%。普通白剛玉磨料Na含量為0.35%。

圖1 低鈉剛玉掃描電鏡和能譜圖Fig.1 Scanning electron microscope and energy spectrum of low sodium corundum

表1 低鈉剛玉鈉含量測試結(jié)果

圖2 標(biāo)準(zhǔn)系列曲線Fig.2 Standard series curve

結(jié)合劑和填料為酚醛樹脂粉、酚醛樹脂液、半水石膏粉，脫模劑為實驗原料，樣品基礎(chǔ)配方見表2。采用粉狀酚醛樹脂磨具15小時硬化曲線：60℃保溫2小時，90℃保溫2小時，110℃保溫1.5小時，120℃保溫2.5小時，140℃保溫1小時，160℃保溫Ⅰ小時，185℃保溫4小時，自然冷卻。

表2 樣品基礎(chǔ)配方

采取先做抗折強度樣條，樣條中性能指標(biāo)最優(yōu)的配方做砂輪進(jìn)行磨削實驗，砂輪磨具規(guī)格為：外徑D=251mm，內(nèi)徑d=240mm，高h(yuǎn)=20mm，體積84.84cm3。基體規(guī)格：1～240mm×20mm×126mm。制備的樣品見圖3所示。

圖3 制備的樣品Fig.3 Prepared samples

2 實驗結(jié)果及討論

2.1 單顆粒抗壓強度

取磨料試樣40粒，分別測定其在靜壓作用下破碎時的負(fù)荷值(以牛頓計)，計算出這40個顆粒的平均值，并按照規(guī)定舍去超過平均值二倍者，余者再求平均值，即得該磨料的單顆?？箟簭姸?。

通過對比實驗可以發(fā)現(xiàn)，低鈉白剛玉磨料為37.95N和普通白剛玉磨料為35N,低鈉白剛玉磨料單顆?？箟簭姸嚷愿哂谄胀ò讋傆?。

2.2 抗折強度

普通白剛玉抗折強度實驗數(shù)據(jù)見表3所示，從表中可以看出，斷裂載荷平均值為85.8N，抗折強度平均值為30.47MPa。

表3 普通白剛玉測試結(jié)果

低鈉白剛玉抗折強度實驗數(shù)據(jù)見表4所示，從表中可以看出，斷裂載荷平均值=96.2N，抗折強度平均值=33.87MPa。

表4 低鈉白剛玉測試結(jié)果

實驗結(jié)論：低鈉白剛玉樣條的平均抗折強度比普通白剛玉樣條高出了11.16%。

2.3 抗沖擊強度

對制備的樣品進(jìn)行抗沖擊實驗，結(jié)果見表5所示，低鈉白剛玉為2.2025kJ/m2，普通白剛玉的平均數(shù)值為1.9539kJ/m2，低鈉白剛玉的抗沖擊強度比普通白剛玉高了12.7%。

表5 普通白剛玉測量結(jié)果

表6 低鈉剛玉測量結(jié)果

2.4 磨削性能分析

2.4.1 摩擦磨損分析

表7 普通白剛玉實驗結(jié)果

圖4 摩擦磨損參數(shù)Fig.4 Friction and wear parametersa.時間-摩擦力 b.時間-摩擦系數(shù) c.時間-試驗力

普通白剛玉磨削比=工件磨除量/磨具磨除量

表8 低鈉白剛玉實驗結(jié)果

低鈉白剛玉磨削比=工件磨除量/磨具磨除量

由實驗結(jié)果可知，在磨削過程中摩擦力隨時間在一定范圍內(nèi)變化，試驗力基本保持不變，在相同的實驗條件下，低鈉白剛玉的磨削效果要明顯好于普通白剛玉，性能提高41.63%。

2.4.2 砂輪磨削性能分析

表9 普通白剛玉砂輪

表10 低鈉白剛玉砂輪

低鈉白剛玉砂輪磨削比：

實驗結(jié)論：相比于普通白剛玉砂輪，低鈉白剛玉砂輪的磨削性能顯著提高，性能提高了51.1%，同時我們發(fā)現(xiàn)，摩擦磨損得出的磨削比與砂輪的磨削比存在較大偏差，經(jīng)過多次實驗驗證發(fā)現(xiàn)，由于砂輪磨削實驗更加接近實際應(yīng)用，數(shù)值更具有參考價值。

2.5 X射線衍射實驗分析

對低鈉白剛玉磨料進(jìn)行X射線衍射分析，見圖5，可以看出低鈉磨料的物相為Al2O3，基本不含其他雜質(zhì)。

圖5 XRD圖Fig.5 XRD diagram

2.6 掃描電鏡實驗及分析

對樣品的斷裂面進(jìn)行SEM觀察分析(圖6、圖7)，從圖中可以看出，兩組樣品結(jié)合劑和磨料之間都形成了良好的界面結(jié)合。

圖6 普通剛玉試樣斷裂面Fig.6 Fracture surface of ordinary corundum sample

圖7 低鈉白剛玉試樣斷裂面Fig.7 Fracture surface of low sodium white corundum sample

3 結(jié)論

采用相同的配方和工藝條件下制備36號普通剛玉磨料和低鈉剛玉磨料的樣條和砂輪，進(jìn)行性能對比測試，結(jié)論如下：

(1)對低鈉剛玉EDS能譜檢測發(fā)現(xiàn)含有極少的C、N、Na元素，由XRD檢測只得到了氧化鋁的特征峰，ICPMS檢測出低鈉磨料的Na含量為0.05%，與普通磨料Na含量0.35%相差將近一個數(shù)量級；

(2)低鈉白剛玉樣品的抗折強度33.81MPa，普通白剛玉樣品30.47MPa，提高11.16%；樣品的抗沖擊強度分別是2.2025kJ/m2和1.9539kJ/m2，提高了12.7%；

(3)由砂輪的磨削實驗結(jié)果可知，低鈉白剛玉砂輪的磨削性能比普通白剛玉砂輪磨削性能提高了51.1%，低鈉白剛玉砂輪力學(xué)性能和磨削性能都顯著高于普通白剛玉砂輪。