磨料的使用性能与破碎强度测定

时间:2017-5-21 17:27:34 来源:

磨料(刚玉、碳化硅、人造金刚石)在当前的工业生产中正被广泛在机械加工、耐火材料和工程陶瓷领域采用。它们的主要特性表现是:硬度高、耐高温性能好,特别是Sic的高耐蚀和正温度特性(即与金属相反,在1600℃以下,温度越高抗折强度越高),在工程陶瓷和高温耐火材料领域起着不可替代的作用。

也正因为如此,最近20年中国的磨料工业突飞猛进、高速发展,其产能已远远大于国内需求。在当前国家对过剩产能企业进行结构调整的时期,磨料行业能够维持生存与发展的唯一途径就是参入质量竞争。
现在市场的形势是:好料不愁卖。那么,什么是好料呢?

1、内部结晶完整的

不论是刚玉还是碳化硅,它们都是在高温下结晶而成,从而得到高硬度等物理性能。因此原材料的品质和冶炼过程的完善是决定其内在质量的关键,如在原材料中加入添加某种元素,则会引起性能的变化,如锆刚玉、镨铷刚玉......。
同时,冶炼过程也是结晶过程,当晶型成为"自形晶"时,则抗折强度很高,这种磨料也会成为优质磨料;当晶型成为"半自形晶"或"它形晶"时,抗折强度会大幅下降,人们常说它"没炼熟"或"炼过了"。

2、体表征特性

磨料表面的清洁度和颗粒形状是影响使用性能的重要指标。磨料的清洁度与它的亲水性密切相关,亲水性好的做成制品时结合强度高,水洗砂的清洁度一般96%左右,清吹砂的清洁度在98%左右,根据1999年第七砂轮厂的试验结果,清吹砂的亲水性是水洗砂的2倍。
磨料的颗粒形状根据用途不同而有不同要求,提供做耐材的磨料要求颗粒形状接近球形,堆积密度高,以获得较高的生坯强度,目前多数企业采用巴马克或球磨机破碎。F砂主要作为磨削用途,要求磨粒成等积形,以求保持锋利的切削刃和耐磨性,提高磨削效率,加工时一般采用多级对辊,现列表简述如下:
不同用途对磨料形状的要求(表一)
根据当前行业的现状,解决磨粒体表质量的办法已经基本成熟,而评价磨料内部质量的生产检测办法却相对缺乏。
由此,磨料的内在质量成了各生产企业之间产生质量差异的主要因素。磨料破碎强度高的结晶完整,内部微裂纹小,使用性能呈现锋利而且耐用,对磨粒内部结构的分析可以采用的物理方法很多,如光谱法、岩相分析法......。
但是这些方法需要相应的精密仪器和相当技术水平的操作人员,因此探求一种直观的性能检测仪器成为人们关注的焦点。
本文提出的磨料破碎强度测定仪经过笔者多年探讨与试验,取得一定心得,现介绍如下:

二、测 量 原 理

材料的强度是指材料在外力作用下抵抗破坏(永久变形和断裂)的能力称为强度。它是一个应力值。
材料的硬度是指固体材料抗永久形变的特性,是一个物体侵入另一个物体的能力。
硬度和强度是两个概念,虽然一般硬度高的材料强度就大,但不是完全如此,如碳化硅的硬度比刚玉高,但不论其屈服强度和剪切强度都比刚玉低。
但对同一种材料而言,材料的破碎强度(即产生永久变形的力)与存在材料内部的微裂纹密切相关,其屈服强度的计算公式是:
σ=F/S
F--材料发生塑性变形量为原长的0.2%时所受的力
S--受力材料的横截面积
根据上述公式,要做出相应的生产用测量仪器会有一定复杂程度。但材料强度与其内部的微裂纹有关,内部微裂纹多的势必容易被击碎,反映在使用性能方面就是:抗破碎性能很差,做成雷竞技官网 app会呈现不耐用,做成耐火材料会反映不结实。
因此,本仪器的设计思想就是:采用同一个力量对不同试样进行同样次数的撞击,比较不同材料被击碎的情况,依据所得参数评价材料的抗破碎性能。
本仪器采用一个φ12mm的硬质合金球以一定的速度和行程对试样进行打击,根据其试样破碎的程度来评价和比较其破碎强度的。
三、仪 器 描 述
见附图1,外形图
仪器共由三部分组成:
1、主机:仪器由电机带动试管以每分钟180次,行程100mm进行运动,仪器面板上安装有预置电子计数器(预置电子计数器为2000次,也可自行调整),达到预定值自动停机。仪器可同时装两个同样尺寸的不锈钢试管,试管内装有同样规格的硬质合金钢球,用户可根据需要进行比较测量或单个测量。
2、振筛机:振筛机为标准8411型,振动次数为每分钟1400次,功率120W,配备有φ20mm的不锈钢标准筛,振筛机面板装有可预置电子计时器,精确到秒。(推荐值:60秒)
3、精密天秤:配有可称500克的精密天秤,精确度为0.01克,数字带背光显示。
四、试验方法及实验记录
1、称46#料,2克,2份试样分别装入试管1、试管2。
2、在主机上振动2000次,自动停机。
3、将打碎后的料分别在振筛机上筛分,筛网布置,40#、46#、60#。
4、在精密天秤称60#的筛上物并记录,其试验结果如下表:
不同材质的破碎率(表二)
注:表中的试样编号是本实验室对来料的编号,如需查询,可提供。
从表二可以看出各样不同材质的抗破碎率(%)依次是:锆刚玉(63%)>白刚玉(56%)>单晶刚玉(55%)>棕刚玉(46%)>黑碳化硅(44%)>铬刚玉(21%)。从各种材料的抗破碎率看来,所呈现的规律与传统的概念基本相符,即:锆刚玉比白刚玉和棕刚玉抗破碎性能好,棕刚玉比碳化硅的抗破碎性能好。
但是,上述试样的来源都是从企业随机取样的,它不能代表各种材料的完美结晶,如铬刚玉试样的抗破碎率最低就可以说明:虽然预想中的破碎强度铬刚玉值应大于白刚玉,但试验结果则相反,甚至低于黑刚玉,如此大的误差,首先让我们怀疑到测量的准确性,为了确认是否测量仪器的误差引起,因此对这种料进行重复性试验,见下表(三):
根据重复性误差计算公式:
重复性误差近似0.8%,说明测量结果是准确的。那么这种铬钢玉怎么也能在市场销售呢?难道用户没反应?
为进一步验证行业内同种材质的质量分散情况,从棕刚玉生产比较集中的地区如:山西、三门峡、贵阳等抽样检查,如表(四)结果:
不同产地的棕刚玉性能比较(表四)
比较不同试样的抗破碎性能:上述试样中的最大差值为13.5,最好的为55.5,与锆刚玉(18#样为63)相差7.5,最差的为42,与黑刚玉(10#样为34)相差8.0,由此可见同样都是棕刚玉,其性能相差却相当悬殊。
五、结 语
作为磨削用途和耐火材料的刚玉、碳化硅的突出性能是它的硬度和强度高。但由于原材料和工艺的不同,不同地区,不同企业向市场提供的产品使用性能差别很大。磨料结晶时产生的微裂纹是影响其抗破碎性能的主要因素,本仪器以比较直观的冲击破碎取样法,能够较准确的进行测量。
笔者认为磨料的抗破碎性能与其硬度、强度、韧性相关,但不一定完全对应,作为一种新的使用性能指标--破碎强度,它可能将在以下几个方面发挥作用:
1、为磨料使用单位选择需要何种破碎强度的材料用。
2、为磨料生产企业做为稳定工艺,提高产品质量的检测手段。
3、对同类产品进行性能比较测试用。
4、为各单位对磨料制粒加工前,检测熔块质量用。
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