兩種沖擊韌性檢測儀的檢測范圍研究

劉乾坤，張風(fēng)嶺，王志濤，劉善躍，趙 鑫，戚燕杰，李明輝，李世超，王忠孝，張玉紅

(豫西集團(tuán)中南鉆石有限公司，河南 南陽 473264)

眾所周知，金剛石強(qiáng)度對(duì)金剛石工具性能的影響起著至關(guān)重要的作用。金剛石強(qiáng)度的檢測是利用沖擊韌性測試儀，將規(guī)定量的試樣和一粒特定規(guī)格的鋼球裝入規(guī)定的試樣管中，按一定的頻率和次數(shù)進(jìn)行沖擊后，用規(guī)定的條件進(jìn)行篩分稱重，以篩上物的質(zhì)量占試樣原始質(zhì)量的百分率表示未破碎率，用一定數(shù)量未破碎率的算術(shù)平均值表征試樣的沖擊韌性值。不同的檢測技術(shù)將會(huì)造成不同的檢測強(qiáng)度值[1]。

在金剛石的鋸切應(yīng)用中，沖擊韌性是表征超硬磨料的重要指標(biāo)之一[2]。當(dāng)前，在國內(nèi)的行業(yè)范圍內(nèi)，由于不同金剛石制造廠家的產(chǎn)品品級(jí)劃分自成一體，相互之間無法完全一一對(duì)應(yīng)，因此，金剛石性能的相互比對(duì)依然需要進(jìn)行沖擊韌性實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證。國內(nèi)外同行業(yè)中使用較多的兩種金剛石沖擊韌性檢測設(shè)備是搖臂式?jīng)_擊韌性檢測儀和活塞式?jīng)_擊韌性檢測儀。

為比較金剛石樣品的強(qiáng)度，對(duì)樣品沖擊破碎試驗(yàn)時(shí)，大多數(shù)廠家采用未破碎率來表征鋼廠的沖擊韌性，該操作減少了操作次數(shù)，比較簡單[3-4]?？紤]到金剛石顆粒的分布特性，以50%未破碎率進(jìn)行沖擊韌性檢測儀的表征是較為可信的比較方法。

從原理上看，沖擊韌性檢測設(shè)備本質(zhì)上都是為沖擊管內(nèi)的金剛石和鋼球相互碰撞提供循環(huán)往復(fù)的動(dòng)力源，從而達(dá)到模擬金剛石在鋸切過程中的受力狀態(tài)的目的。但是，由于不同設(shè)備的機(jī)械結(jié)構(gòu)和動(dòng)力參數(shù)等因素的不同導(dǎo)致兩種設(shè)備在檢測范圍方面存在一定的差異。本文通過以中南鉆石有限公司的系列金剛石產(chǎn)品為樣品，以50%破碎率為目標(biāo)值，對(duì)比普遍使用的搖臂式?jīng)_擊韌性檢測儀和活塞式?jīng)_擊韌性檢測儀，分析兩種設(shè)備的差異性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

深圳市瑞誠杰科技有限公司TI-03B沖擊韌性檢測儀(搖臂式)，德國弗氏公司(Vollstadt Diamant Gmbh)ST4沖擊韌性檢測儀(活塞式)，中國航空工業(yè)第五四零廠Φ75mm精密電成型檢查篩，新鄉(xiāng)市華興振華振篩機(jī)廠BP-2001型拍擊式篩分試驗(yàn)機(jī)，德國梅特勒XS204分析天平，長春泰衡儀器儀表有限公司毛發(fā)式溫度濕度檢測儀

1.2 實(shí)驗(yàn)樣品

20/25粒度-325/400粒度中南鉆石有限公司的D10、D15、D20、D30、D40、D60、D80、D90系列金剛石。

表1 兩種沖擊韌性檢測儀主要參數(shù)對(duì)比Table 1 Comparison of main parameters of two impact toughness testers

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

樣品的稱量方法：按照表2的取樣量方法進(jìn)行取樣。

表2 取樣量Table 2 Sampling weight

樣品的沖擊方法是以沖擊韌性檢測設(shè)備的單次最大沖擊次數(shù)作為樣品的沖擊次數(shù)，其中深圳市瑞誠杰科技有限公司TI-03B沖擊韌性檢測儀(搖臂式)的單次最大沖擊次數(shù)為9999次，德國弗氏公司(Vollstadt Diamant Gmbh)ST4-RE.TEK.沖擊韌性檢測儀(活塞式)的最大沖擊次數(shù)為7000次?？紤]到多次沖擊涉及沖擊次數(shù)分配和沖擊間隔時(shí)間多種影響因素,本次試驗(yàn)中若某一粒度某一品級(jí)的金剛石在最大沖擊次數(shù)的情況下其未破碎比例大于50%，則不再進(jìn)行該粒度更高品級(jí)的金剛石沖擊韌性檢測實(shí)驗(yàn)。沖擊頻率國內(nèi)的搖臂式設(shè)備按照國家標(biāo)準(zhǔn)的2400次/分鐘；國外的活塞式設(shè)備按照設(shè)備既定的頻率，選擇”STONE”檔進(jìn)行沖擊。

樣品的篩分方法：對(duì)于粒度為20/25、20/30或25/30的試樣，應(yīng)將每六份沖擊后的試樣合并篩分；對(duì)于粒度為25/35、30/35、30/40或35/40的試樣，應(yīng)將每四份沖擊后的試樣合并篩分；對(duì)于粒度為35/45、40/45、40/50、45/50或45/60的試樣或標(biāo)準(zhǔn)樣品，應(yīng)將每兩份沖擊后的試樣合并篩分；50/60及以細(xì)粒度的試樣和標(biāo)準(zhǔn)樣品，每一份試樣沖擊后單獨(dú)篩分[5]。選用較原試樣粒度號(hào)細(xì)一號(hào)的下檢查篩進(jìn)行篩分，篩分時(shí)間為3 min。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由于不同粒度相同品級(jí)的金剛石試樣，隨著粒度的變細(xì)，相應(yīng)品級(jí)的未破碎率值逐漸升高。因此，只需要找出邊界值，即沖擊次數(shù)為設(shè)備單次最高限定設(shè)定次數(shù)，未破碎率值在50%附近時(shí)所對(duì)應(yīng)的品級(jí)，即可判斷出比此粒度偏粗的試樣單次沖擊也能達(dá)到50%未破碎率，比此粒度偏細(xì)的試樣單次沖擊不能實(shí)現(xiàn)50%未破碎率。由此確定沖擊韌性檢測儀在該品級(jí)所能夠檢測未破碎率值不超過50%的品級(jí)范圍。試驗(yàn)結(jié)果見表3和表4，表中數(shù)據(jù)“√”表示該品級(jí)試樣單次沖擊可實(shí)現(xiàn)50%左右的未破碎率，空白區(qū)域表示該品級(jí)試樣單次沖擊不能實(shí)現(xiàn)未破碎率為50%左右。

需要指出的是，正常情況下，隨著試樣粒度變細(xì)，相同質(zhì)量的金剛石顆粒數(shù)增多，可實(shí)現(xiàn)50%未破碎率的品級(jí)數(shù)會(huì)變少。表4中80/100粒度實(shí)現(xiàn)未破碎率為50%左右的品級(jí)數(shù)比70/80粒度增加的原因是由于根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T33144-2016《超硬磨料沖擊韌性測定方法》,80/100及以細(xì)粒度的取樣量為0.2g，而80/100以粗粒度的金剛石樣品的取樣量為0.4g，由于取樣量的變少導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)未破碎率為50%的品級(jí)數(shù)增加；表3中由于搖臂式?jīng)_擊韌性檢測儀中鋼球的沖擊破碎能量較高，所以并未出現(xiàn)表4的分界現(xiàn)象。

表3 搖臂式?jīng)_擊韌性檢測儀半破碎率數(shù)據(jù)Table 3 Half-breaking rate data of rocker-type impact toughness tester

表4 活塞式?jīng)_擊韌性檢測儀半破碎率數(shù)據(jù)Table 4 Half-breaking rate data of piston impact toughness tester

通過對(duì)比表3和表4中的數(shù)據(jù)，考慮到樣品及設(shè)備的波動(dòng)性對(duì)檢測值結(jié)果的影響，以檢測值小于51%作為判定能夠?qū)崿F(xiàn)50%未破碎率的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，搖臂式?jīng)_擊韌性檢測儀中能夠?qū)崿F(xiàn)50%半破碎率的品級(jí)數(shù)量為136；活塞式?jīng)_擊韌性檢測儀能夠?qū)崿F(xiàn)50%半破碎率的品級(jí)數(shù)量為75。因此，在表3和表4所示的粒度和品級(jí)范圍內(nèi)，搖臂式?jīng)_擊韌性檢測儀能實(shí)現(xiàn)50%未破碎率檢測的品級(jí)比例為94%，活塞式?jīng)_擊韌性檢測儀能實(shí)現(xiàn)50%未破碎率檢測的品級(jí)比例為52%。

另一方面，從表1中的參數(shù)對(duì)比中也可以看出，雖然活塞式?jīng)_擊韌性檢測儀的振幅是搖臂式的225%，但是，由于活塞式的最高頻率和最大次數(shù)分別是搖臂式的47%和70%，導(dǎo)致活塞式的最大沖擊能量低于搖臂式。

3 結(jié)語

本文通過以中南鉆石有限公司的產(chǎn)品為試樣，對(duì)比國內(nèi)外兩種常用的不同機(jī)械結(jié)構(gòu)的沖擊韌性檢測儀的半破碎率范圍。搖臂式?jīng)_擊韌性檢測儀可實(shí)現(xiàn)50%未破碎率測試的品級(jí)比例為94%，活塞式?jīng)_擊韌性檢測儀可實(shí)現(xiàn)50%未破碎率測試的品級(jí)比例為52%。在半破碎率檢測范圍方面，以搖臂式?jīng)_擊韌性檢測儀的檢測范圍更加廣泛。