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金剛石陶瓷砂輪坯體缺陷與裂紋的預防措施

更新時間:2016-08-20 14:00:37點擊次數:1521次 字號:T|T
摘要:裂紋是陶瓷砂輪的主要皮品現象之一。本文分析了陶瓷砂輪成型後坯體的缺陷以及由缺陷產生裂紋的機理。對成型後砂輪坯體缺陷進行了分類, 提出了減少成型後砂輪坯體缺陷及預防缺陷產生裂紋的工藝措施。

金剛石陶瓷砂輪 

引言
 
裂紋是金剛石陶瓷砂輪坯體主要廢品現象之一。在以往的工藝實踐中, 解決坯體裂紋, 特別是細粒度、高厚度、高硬度砂輪裂紋問題, 主要側重於幹燥工藝, 延緩幹燥曲線等措施, 但還難以較好地解決這一問題, 且往往延長了生產周期。因此, 我們試從探討坯體裂紋產生機理入手, 解決坯體裂紋問題。

本文主要論述:

( 1 ) 金剛石陶瓷砂輪成型後坯體缺陷及裂紋產生機理;

( 2 ) 成型後砂輪坯體各類缺陷;

( 3 ) 減少成型後砂輪缺陷及預防砂輪坯體缺陷產生裂紋的工藝措施。
 
一    砂輪成型後坯體缺陷及裂紋產生機理
 
根據材料力學的觀點,陶瓷材料所受應力大於材料強度所承受負荷極限應力時, 材料將發生破壞。

但材料實際強度遠小於理論強度, 這是因為存在應力集中因素. 由於這一因素, 盡管外加負荷較小, 但在材料的局部區域, 應力可以達到理論上的極限應力a 。.( 應力集中因素可以是材料內或表麵的空隙式裂縫, 也可能是材料在製造過程中形成的不連續性。) 按照格裏菲斯的微裂紋理論. 由於材料內存在微裂紋, 應力集中於微裂紋, 使其擴展直至斷裂。對於長度為C 的表麵裂縫, 斷裂應力az.f可用下式表示

對比( 1 )、( 2) 兩式, 由於C 遠大於r a, 即材料受到較小應力時即會發生破壞。
 
金剛石陶瓷砂輪坯體在幹燥過程中產生裂紋的過程也是如此, 即坯體在幹燥過程中所受熱應力大於砂輪坯體強度時, 產生裂紋。砂輪坯體存在缺陷時, 如微裂紋、材料的不連續性組織不均等, 將產生應力集中, 在較小的應力條件下發生破壞, 裂紋也將首先在缺陷處產生。
 
坯體在幹燥過程中所受熱應力有兩大類: 一類是由於坯體內熱膨脹係數和幹澡收縮不一致造成的, 這裏主要考慮因組織不均造成的收縮不一致; 另一類是由於坯體內溫度分布不均造成的。在正常工藝條件下, 我們可以認為坯體在幹燥過程中所受熱應力一般遠遠小於坯體本身強度, 根據格裏菲斯斷裂理論的觀點. 坯體裂紋必然是由於內部存在缺陷造成的。我們知道, 熱應力不同於機械力, 具有一定的方向性, 它作用於坯體的各個方向. 而砂輪坯體在前道工序造成的缺陷, 如攤料、攪料嚴重不均造成的組織不均, 外傷、震動造成的內裂紋等, 一般都具有隨機性和偶然性。因而幹燥裂紋應表現為無序性和無規則性. 但事實上, 幹燥後坯體裂紋有相當大一部分表現為規律性的批量出現。因此我們可以推斷: ( 1 ) 一般來講, 幹燥裂紋的產生是由於坯體內部存在缺陷造成熱應力集中產生的。( 2 ) 規律性批量幹燥裂紋廢品的產生, 必然存在坯體內規律性缺陷, 當幹操熱應力較大時, 即在缺陷處產生裂紋。
 
我們可以把幹燥裂紋產生過程中砂輪坯體強度〔a〕、熱應力a及坯體缺陷產生應力集中的共同作用近似地表述為:

即坯體強度低, 熱應力,坯體缺陷嚴重時易產生裂紋, 其中坯體缺陷影響較前兩者大。
 
在以往的工藝實踐中, 我們主要從降低熱應力和提高坯體強度兩方麵解決幹燥裂紋問題。根據陶瓷磨具使用性能的要求, 磨具有一定的原材料和配比, 即一定的工藝技術條件下, 坯體強度是在一定的數值範圍內, 其可調性很小。這必然導致我們將解決坯體幹燥裂紋的重點放在減小熱應力, 即調整幹燥工藝方麵。在現有技術、設備條件下, 通常的辦法是降低幹操速度( 主要是低溫階段), 延長千燥時間。但實際效果如何呢? 一方麵, 部分規格砂輪甚至在最平緩、周期很長的幹燥工藝條件下, 仍然無法解決一些批量裂紋現象的產生; 另一方麵, 受生產的限製, 過分延緩幹燥速度和延長幹燥周期是不經濟的, 有時是難以實現的,而從長遠的觀點看, 縮短幹燥周期才是未來發展的趨勢. 因此, 我們應該分析造成坯體強度成倍下降的坯體缺陷的存在形式及在千燥過程中受應力作用的悄況, 以采取相應的工藝措施, 從而減少甚至消滅此類裂紋的產生。
 
二、成過後砂輪坯體缺陷的形態分布
 
我們認為坯體缺陷可分為結構性缺陷和附加性缺陷兩大類:
 
( 一) 結構性缺陷( 固有缺陷)
 
結構性缺陷主要是指現有工藝技術條件下不可避免的、非人為的內在缺陷, 其形式主要有:( 1 ) 成型料中原材料本身的物理、化學性能造成的缺陷。( 2 ) 成型工藝、設備等造成的坯體缺陷。現分述如下:
 
1. 原材料物化性能造成的缺陷
 
①潤濕劑
一般潤濕劑兼有潤濕和粘結磨粒的性能。它使坯體具有一定的幹、濕強度; 同時, 在幹燥過程中, 應力主要是排除潤濕劑引入的水份造成的. 這兩個因素的此消彼長決定著坯體在幹燥中是否會產生裂紋。無疑, 潤濕劑是影響是否產生幹燥裂紋的主要因素之一, 下麵主要討論常用潤濕劑-— 水玻璃、糊精液及一種新型潤濕劑A 液。
 
a . 幹燥收縮

b. 不同潤濕劑坯體千強度隨放置時間的變化.
從圖1看出, 采用水玻璃潤濕劑的磨具坯體雖然強度較高, 但由於相對水份含量高, 幹燥收縮大, 因而幹燥過程中產生應力較大. 特別是由於水玻璃有吸潮作用, 坯體隨放置時間延長. 強度大大降低( 見圖1)。空氣濕度大時影響更大, 而幹燥過程中產生的較大應力釋放過程中將產生裂紋廢品。特別是在生產周期長、幹燥困難的墩子砂輪中較為常見。糊精液雖無吸潮現象, 但強度較低, 幹燥收縮也較大。

② 磨料粒度及結合劑量
細粒度、結合劑量大的砂輪坯體, 由於水份排除困難, 幹燥收縮大. 雖然坯體強度較高, 但由於熱應力大大增加, 易在缺陷處產生裂紋, 典型的如磨鋼球砂輪. 該缺陷無法消除。
 
其它如結合劑原材料— 粘土、長石性能的影響等因素本文不再一一詳述。
 
2.成型工藝、設備等造成的密度不連續性缺陷
 
目前國內使用的成型壓機基本屬單麵壓機。成型時, 由於成型料之間及成型料與模具之間的摩擦力作用, 壓力遞減, 造成組織上緊下鬆, 密度不均. 尤其是高厚度砂輪較明顯.成型時, 砂輪壓力與厚度理論關係如下式:

從式中可看出,H / ( D 一d ) 越大, P越小, 砂輪壓力下降越明顯. 因此, 高厚砂輪、筒形砂輪沿厚度方向密度不均現象也明顯。圖2 所示為磨具單麵受壓後等密度分布狀況.
 
為改善成型中造成的密度不均現象,生產中使用彈簧墊鐵, 固定墊鐵, 兩次施壓等工藝措施,利用模套浮動, 坯體相對上移實現雙麵受壓, 雙麵施壓等, 密度分布示意圖如圖3。從圖中可以看出, 雙麵施壓雖改善了密度分布, 仍存在著兩端密度大, 中間組織鬆的缺陷。

嚴格地講, 使用墊鐵模套浮動隻是一種不完全的雙麵施壓. 使用墊鐵後, 模套懸空, 坯體相對上移, 靠模套處坯體受到向下摩擦力, 與坯體下壓所受向上摩擦力部分相抵消, 近似於雙麵受壓。但在芯棒處, 由於芯棒固定未浮動, 靠芯棒處坯體所受摩擦力隻是向上摩擦力, 相當於單向壓製. 因此, 沿壁厚方向, 由外圓到內孔, 應是由雙向壓製向單向壓製的逐漸過渡, 即靠模套處中間密度最小; 靠芯棒處, 下端密度最低. 見圖4。圖中曲線a 一a1為沿壁厚方向各密度最小點的曲線。

因此, 目前高厚度砂輪成型的工藝方法隻能說是一種不完全的雙麵施壓。實際上, 由於壓製過程中坯體基本處於可塑變形狀態, 使用固定墊鐵時, 受墊鐵厚度及預壓力大小的影響, 即使是靠模環處也隻是近似雙向壓製。
 
圖5 是我們取生產中500x400x305砂輪幹燥後坯體,根據噴砂硬度砂坑深度值推測等密度線分布示意圖。圖中“ · ”表示噴砂硬度深度值, “x”表示推算值; 括號內為實測密度值。由於實驗條件所限, 該法不能直接反映密度值分布情況, 但仍能較好地反映密度變化分布情況. 從所選十個點實測密度值來看. 符合情況也較好。從圖5 可以看出,雖然采用加墊鐵、加搗等工藝措施, 密度分布遠未達到雙麵施壓的理論效果。從圖4 中可看到靠芯棒坯體底部密度最小,而且變化也較大, 沿高度方向密度分布雖有所改善但仍是上緊下鬆, 這可能是由於砂輪H / ( D 一d ) 太大, 墊鐵厚度小的影響. 且內孔處沿厚度方向距底部的3 / 5 處, 密度變化最大。

總之, 使用現有壓製設備及工藝成型的墩子砂輪, 存在上部密度大, 中部密度變化大,底部靠芯棒處密度小, 變化大的組織缺陷, 這種密度不連續性缺陷是造成砂輪坯體幹燥後起層、耍圈的主要內在因素。
 
結構性缺陷是現有成型工藝。設備造成的先天性缺陷. 由於缺陷處應力集中的作用, 即使采用較長的幹燥曲線, 對減少由此產生的坯體幹燥裂紋, 效果也是不理想的。
 
( 二) 附加性缺陷
 
附加性缺陷是指由於工模具、設備不良及人為原因造成的坯體成型後的缺陷。
 
1 . 工模具磨損或帶毛刺造成的劃痕, 幹燥時產生應力集中造成裂紋。
2.帶底板幹燥, 由於使用金屬底板, 水份難於排除, 且熱傳導快於坯體, 造成局部熱應力集中。
3 . 人為原因: 如成型中操作不當, 造成坯體組織嚴重不均, 有暗紋; 運輸或搬運中的震動暗紋, 千燥升溫不當等。
 
附加性缺陷屬後天造成, 具有隨機性和偶然性, 雖無法徹底消除, 但隻要采取措施, 嚴格執行工藝, 一般均能有效地消滅批量坯體裂紋廢品。
 
三、坯體裂紋廢品分析及預防獵施
 
上麵我們分析了成型後砂輪坯體的各種缺陷。坯體裂紋的產生, 原因悄況不同, 可能是一種缺陷造成的( 如運輸震裂) ; 更多情況下則是數種缺陷共同作用的結果, 如起層、耍圈多見於細粒度、高硬度墩子砂輪; 而磨鋼球砂輪由於粒度細, 結合劑量極大, 易劃傷, 幹澡後易在劃痕處產生裂紋。因此, 我們應通過對幹燥後裂紋分析, 找出產生裂紋的主要缺陷, 在現有條件下, 采取相應的工藝措施, 使坯體缺陷造成裂紋減少到最低程度. 下麵我們結合兩種典型產品所存在的缺陷進行分析, 並討論相應的工藝預防措施。

 
1.墩子砂輪因固有缺陷產生起層、耍圈廢品。
 
( l ) 起層
 
起層多見於細粒度、高硬度墩子砂輪的內孔沿高度約3 / 5 處. 其產生原因以前已有很多論述, 一般認為: 芯棒磨損大, 光潔度不高; 成型料混料時間短, 成型性能不好; 中間加搗時接頭沒有刮鬆等是造成起層的主要原因. 但其難說明采取措施消除上述因素後, 並且幹燥時采取預幹、常溫下自然幹燥措施後為什麽仍產生批量廢品? 為什麽起層批量廢品多見於雨季? 為什麽起層發生在內徑沿高度3 / 5 處? 我們認為, 墩子砂輪起層廢品產生的主要原因在於其兩種固有缺陷:① 細粒度、高硬度墩子砂輪一般使用水玻璃做濕潤劑; ② 高厚度砂輪的密度不連續性. 如前所述, 高厚砂輪沿高度的3 / 5 處密度變化最大, 收縮不一致,加之使用水玻璃作潤濕劑, 收縮大, 幹燥後易吸潮, 強度下降, 應力集中, 即在沿高度約3 / 5 處產生起層。由於密度不連續性受機壓成型工藝的限製難以解決, 因而我們主要從另一缺陷入手, 根據砂輪結合劑量大、壓力大的特點, 使用前述無吸濕性、幹燥收縮小的新型潤濕劑, 找到與之相適應的幹燥製度, 較好地解決了墩子砂輪批量起層問題。
 
( 2 ) 耍圈
 
對墩子砂輪耍圈產生的原因均難以較好地解釋, 為什麽產生在底部距芯棒20~30mm處. 從前文可以看出, 墩子砂輪底部靠芯棒處密度最小, 變化率最大. 該固有缺陷是耍圈產生的主要原因, 幹燥時, 該缺陷處水份蒸發快( 密度小, 且靠內孔邊緣), 排濕方向同外徑相反, 收縮大, 產生應力集中, 導致環狀裂紋。針對其缺陷特點, 采取內孔灌少量濕鋸末蓋蓋板的工藝措施, 使幹燥時水份燕發方向一致, 減緩缺陷處水份燕發速率, 從而有效地控製了耍圈廢品。
 
2.磨鋼球砂輪因附加性缺陷引起的坯體裂紋。

 
磨鋼球砂輪存在粒度細、結合劑量大的固有缺陷, 是幹燥中易產生裂紋的一種產品. 同時還存在著成型時易劃傷, 帶較厚的金屬底板幹燥等附加性缺陷. 因應力集中, 幹燥後在劃痕處和底部產生裂紋. 針對其附加性缺陷, 采用( l ) 外徑、孔徑刮皮或打磨, 消除劃痕等應力集中點, 有效地控製了此類裂紋的產生; ( 2 ) 底板撤砂, 減少底部熱應力, 對控側底部小裂紋起到一定作用。
 
總之, 由於技術、設備條件所限, 消除磨具坯體成型後所產生的固有缺陷( 如采用等靜壓成型法可消除密度不連續性缺陷), 在較長一段時間裏還難於解決. 但我們從分析幹燥前坯體缺陷出發, 采取相應的預防措施, 在現有條件下是解決砂輪坯體幹燥裂紋的有效途徑.實踐中也取得了一些成功經驗. 另外, 本文雖是主要論述砂輪坯體幹燥裂紋的產生, 但由於燒成應力遠大於幹燥應力, 因而幹燥時缺陷處未出現的裂紋, 也可能出現在燒成階段, 因而對燒成裂紋產生機理的探討也有一定參考價值。

(編輯:etalin)
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