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金刚石陶瓷砂轮坯体缺陷与裂纹的预防措施

更新时间:2016-08-20 14:00:37点击次数:645次 字号:T|T
摘要:裂纹是陶瓷砂轮的主要皮品现象之一。本文分析了陶瓷砂轮成型后坯体的缺陷以及由缺陷产生裂纹的机理。对成型后砂轮坯体缺陷进行了分类, 提出了减少成型后砂轮坯体缺陷及预防缺陷产生裂纹的工艺措施。

金刚石陶瓷砂轮 

引言
 
裂纹是金刚石陶瓷砂轮坯体主要废品现象之一。在以往的工艺实践中, 解决坯体裂纹, 特别是细粒度、高厚度、高硬度砂轮裂纹问题, 主要侧重于干燥工艺, 延缓干燥曲线等措施, 但还难以较好地解决这一问题, 且往往延长了生产周期。因此, 我们试从探讨坯体裂纹产生机理入手, 解决坯体裂纹问题。

本文主要论述:

( 1 ) 金刚石陶瓷砂轮成型后坯体缺陷及裂纹产生机理;

( 2 ) 成型后砂轮坯体各类缺陷;

( 3 ) 减少成型后砂轮缺陷及预防砂轮坯体缺陷产生裂纹的工艺措施。
 
一    砂轮成型后坯体缺陷及裂纹产生机理
 
根据材料力学的观点,陶瓷材料所受应力大于材料强度所承受负荷极限应力时, 材料将发生破坏。

但材料实际强度远小于理论强度, 这是因为存在应力集中因素. 由于这一因素, 尽管外加负荷较小, 但在材料的局部区域, 应力可以达到理论上的极限应力a 。.( 应力集中因素可以是材料内或表面的空隙式裂缝, 也可能是材料在制造过程中形成的不连续性。) 按照格里菲斯的微裂纹理论. 由于材料内存在微裂纹, 应力集中于微裂纹, 使其扩展直至断裂。对于长度为C 的表面裂缝, 断裂应力az.f可用下式表示

对比( 1 )、( 2) 两式, 由于C 远大于r a, 即材料受到较小应力时即会发生破坏。
 
金刚石陶瓷砂轮坯体在干燥过程中产生裂纹的过程也是如此, 即坯体在干燥过程中所受热应力大于砂轮坯体强度时, 产生裂纹。砂轮坯体存在缺陷时, 如微裂纹、材料的不连续性组织不均等, 将产生应力集中, 在较小的应力条件下发生破坏, 裂纹也将首先在缺陷处产生。
 
坯体在干燥过程中所受热应力有两大类: 一类是由于坯体内热膨胀系数和干澡收缩不一致造成的, 这里主要考虑因组织不均造成的收缩不一致; 另一类是由于坯体内温度分布不均造成的。在正常工艺条件下, 我们可以认为坯体在干燥过程中所受热应力一般远远小于坯体本身强度, 根据格里菲斯断裂理论的观点. 坯体裂纹必然是由于内部存在缺陷造成的。我们知道, 热应力不同于机械力, 具有一定的方向性, 它作用于坯体的各个方向. 而砂轮坯体在前道工序造成的缺陷, 如摊料、搅料严重不均造成的组织不均, 外伤、震动造成的内裂纹等, 一般都具有随机性和偶然性。因而干燥裂纹应表现为无序性和无规则性. 但事实上, 干燥后坯体裂纹有相当大一部分表现为规律性的批量出现。因此我们可以推断: ( 1 ) 一般来讲, 干燥裂纹的产生是由于坯体内部存在缺陷造成热应力集中产生的。( 2 ) 规律性批量干燥裂纹废品的产生, 必然存在坯体内规律性缺陷, 当干操热应力较大时, 即在缺陷处产生裂纹。
 
我们可以把干燥裂纹产生过程中砂轮坯体强度〔a〕、热应力a及坯体缺陷产生应力集中的共同作用近似地表述为:

即坯体强度低, 热应力,坯体缺陷严重时易产生裂纹, 其中坯体缺陷影响较前两者大。
 
在以往的工艺实践中, 我们主要从降低热应力和提高坯体强度两方面解决干燥裂纹问题。根据陶瓷磨具使用性能的要求, 磨具有一定的原材料和配比, 即一定的工艺技术条件下, 坯体强度是在一定的数值范围内, 其可调性很小。这必然导致我们将解决坯体干燥裂纹的重点放在减小热应力, 即调整干燥工艺方面。在现有技术、设备条件下, 通常的办法是降低干操速度( 主要是低温阶段), 延长千燥时间。但实际效果如何呢? 一方面, 部分规格砂轮甚至在最平缓、周期很长的干燥工艺条件下, 仍然无法解决一些批量裂纹现象的产生; 另一方面, 受生产的限制, 过分延缓干燥速度和延长干燥周期是不经济的, 有时是难以实现的,而从长远的观点看, 缩短干燥周期才是未来发展的趋势. 因此, 我们应该分析造成坯体强度成倍下降的坯体缺陷的存在形式及在千燥过程中受应力作用的悄况, 以采取相应的工艺措施, 从而减少甚至消灭此类裂纹的产生。
 
二、成过后砂轮坯体缺陷的形态分布
 
我们认为坯体缺陷可分为结构性缺陷和附加性缺陷两大类:
 
( 一) 结构性缺陷( 固有缺陷)
 
结构性缺陷主要是指现有工艺技术条件下不可避免的、非人为的内在缺陷, 其形式主要有:( 1 ) 成型料中原材料本身的物理、化学性能造成的缺陷。( 2 ) 成型工艺、设备等造成的坯体缺陷。现分述如下:
 
1. 原材料物化性能造成的缺陷
 
①润湿剂
一般润湿剂兼有润湿和粘结磨粒的性能。它使坯体具有一定的干、湿强度; 同时, 在干燥过程中, 应力主要是排除润湿剂引入的水份造成的. 这两个因素的此消彼长决定着坯体在干燥中是否会产生裂纹。无疑, 润湿剂是影响是否产生干燥裂纹的主要因素之一, 下面主要讨论常用润湿剂-— 水玻璃、糊精液及一种新型润湿剂A 液。
 
a . 干燥收缩

b. 不同润湿剂坯体千强度随放置时间的变化.
从图1看出, 采用水玻璃润湿剂的磨具坯体虽然强度较高, 但由于相对水份含量高, 干燥收缩大, 因而干燥过程中产生应力较大. 特别是由于水玻璃有吸潮作用, 坯体随放置时间延长. 强度大大降低( 见图1)。空气湿度大时影响更大, 而干燥过程中产生的较大应力释放过程中将产生裂纹废品。特别是在生产周期长、干燥困难的墩子砂轮中较为常见。糊精液虽无吸潮现象, 但强度较低, 干燥收缩也较大。

② 磨料粒度及结合剂量
细粒度、结合剂量大的砂轮坯体, 由于水份排除困难, 干燥收缩大. 虽然坯体强度较高, 但由于热应力大大增加, 易在缺陷处产生裂纹, 典型的如磨钢球砂轮. 该缺陷无法消除。
 
其它如结合剂原材料— 粘土、长石性能的影响等因素本文不再一一详述。
 
2.成型工艺、设备等造成的密度不连续性缺陷
 
目前国内使用的成型压机基本属单面压机。成型时, 由于成型料之间及成型料与模具之间的摩擦力作用, 压力递减, 造成组织上紧下松, 密度不均. 尤其是高厚度砂轮较明显.成型时, 砂轮压力与厚度理论关系如下式:

从式中可看出,H / ( D 一d ) 越大, P越小, 砂轮压力下降越明显. 因此, 高厚砂轮、筒形砂轮沿厚度方向密度不均现象也明显。图2 所示为磨具单面受压后等密度分布状况.
 
为改善成型中造成的密度不均现象,生产中使用弹簧垫铁, 固定垫铁, 两次施压等工艺措施,利用模套浮动, 坯体相对上移实现双面受压, 双面施压等, 密度分布示意图如图3。从图中可以看出, 双面施压虽改善了密度分布, 仍存在着两端密度大, 中间组织松的缺陷。

严格地讲, 使用垫铁模套浮动只是一种不完全的双面施压. 使用垫铁后, 模套悬空, 坯体相对上移, 靠模套处坯体受到向下摩擦力, 与坯体下压所受向上摩擦力部分相抵消, 近似于双面受压。但在芯棒处, 由于芯棒固定未浮动, 靠芯棒处坯体所受摩擦力只是向上摩擦力, 相当于单向压制. 因此, 沿壁厚方向, 由外圆到内孔, 应是由双向压制向单向压制的逐渐过渡, 即靠模套处中间密度最小; 靠芯棒处, 下端密度最低. 见图4。图中曲线a 一a1为沿壁厚方向各密度最小点的曲线。

因此, 目前高厚度砂轮成型的工艺方法只能说是一种不完全的双面施压。实际上, 由于压制过程中坯体基本处于可塑变形状态, 使用固定垫铁时, 受垫铁厚度及预压力大小的影响, 即使是靠模环处也只是近似双向压制。
 
图5 是我们取生产中500x400x305砂轮干燥后坯体,根据喷砂硬度砂坑深度值推测等密度线分布示意图。图中“ · ”表示喷砂硬度深度值, “x”表示推算值; 括号内为实测密度值。由于实验条件所限, 该法不能直接反映密度值分布情况, 但仍能较好地反映密度变化分布情况. 从所选十个点实测密度值来看. 符合情况也较好。从图5 可以看出,虽然采用加垫铁、加捣等工艺措施, 密度分布远未达到双面施压的理论效果。从图4 中可看到靠芯棒坯体底部密度最小,而且变化也较大, 沿高度方向密度分布虽有所改善但仍是上紧下松, 这可能是由于砂轮H / ( D 一d ) 太大, 垫铁厚度小的影响. 且内孔处沿厚度方向距底部的3 / 5 处, 密度变化最大。

总之, 使用现有压制设备及工艺成型的墩子砂轮, 存在上部密度大, 中部密度变化大,底部靠芯棒处密度小, 变化大的组织缺陷, 这种密度不连续性缺陷是造成砂轮坯体干燥后起层、耍圈的主要内在因素。
 
结构性缺陷是现有成型工艺。设备造成的先天性缺陷. 由于缺陷处应力集中的作用, 即使采用较长的干燥曲线, 对减少由此产生的坯体干燥裂纹, 效果也是不理想的。
 
( 二) 附加性缺陷
 
附加性缺陷是指由于工模具、设备不良及人为原因造成的坯体成型后的缺陷。
 
1 . 工模具磨损或带毛刺造成的划痕, 干燥时产生应力集中造成裂纹。
2.带底板干燥, 由于使用金属底板, 水份难于排除, 且热传导快于坯体, 造成局部热应力集中。
3 . 人为原因: 如成型中操作不当, 造成坯体组织严重不均, 有暗纹; 运输或搬运中的震动暗纹, 千燥升温不当等。
 
附加性缺陷属后天造成, 具有随机性和偶然性, 虽无法彻底消除, 但只要采取措施, 严格执行工艺, 一般均能有效地消灭批量坯体裂纹废品。
 
三、坯体裂纹废品分析及预防猎施
 
上面我们分析了成型后砂轮坯体的各种缺陷。坯体裂纹的产生, 原因悄况不同, 可能是一种缺陷造成的( 如运输震裂) ; 更多情况下则是数种缺陷共同作用的结果, 如起层、耍圈多见于细粒度、高硬度墩子砂轮; 而磨钢球砂轮由于粒度细, 结合剂量极大, 易划伤, 干澡后易在划痕处产生裂纹。因此, 我们应通过对干燥后裂纹分析, 找出产生裂纹的主要缺陷, 在现有条件下, 采取相应的工艺措施, 使坯体缺陷造成裂纹减少到最低程度. 下面我们结合两种典型产品所存在的缺陷进行分析, 并讨论相应的工艺预防措施。

 
1.墩子砂轮因固有缺陷产生起层、耍圈废品。
 
( l ) 起层
 
起层多见于细粒度、高硬度墩子砂轮的内孔沿高度约3 / 5 处. 其产生原因以前已有很多论述, 一般认为: 芯棒磨损大, 光洁度不高; 成型料混料时间短, 成型性能不好; 中间加捣时接头没有刮松等是造成起层的主要原因. 但其难说明采取措施消除上述因素后, 并且干燥时采取预干、常温下自然干燥措施后为什么仍产生批量废品? 为什么起层批量废品多见于雨季? 为什么起层发生在内径沿高度3 / 5 处? 我们认为, 墩子砂轮起层废品产生的主要原因在于其两种固有缺陷:① 细粒度、高硬度墩子砂轮一般使用水玻璃做湿润剂; ② 高厚度砂轮的密度不连续性. 如前所述, 高厚砂轮沿高度的3 / 5 处密度变化最大, 收缩不一致,加之使用水玻璃作润湿剂, 收缩大, 干燥后易吸潮, 强度下降, 应力集中, 即在沿高度约3 / 5 处产生起层。由于密度不连续性受机压成型工艺的限制难以解决, 因而我们主要从另一缺陷入手, 根据砂轮结合剂量大、压力大的特点, 使用前述无吸湿性、干燥收缩小的新型润湿剂, 找到与之相适应的干燥制度, 较好地解决了墩子砂轮批量起层问题。
 
( 2 ) 耍圈
 
对墩子砂轮耍圈产生的原因均难以较好地解释, 为什么产生在底部距芯棒20~30mm处. 从前文可以看出, 墩子砂轮底部靠芯棒处密度最小, 变化率最大. 该固有缺陷是耍圈产生的主要原因, 干燥时, 该缺陷处水份蒸发快( 密度小, 且靠内孔边缘), 排湿方向同外径相反, 收缩大, 产生应力集中, 导致环状裂纹。针对其缺陷特点, 采取内孔灌少量湿锯末盖盖板的工艺措施, 使干燥时水份燕发方向一致, 减缓缺陷处水份燕发速率, 从而有效地控制了耍圈废品。
 
2.磨钢球砂轮因附加性缺陷引起的坯体裂纹。

 
磨钢球砂轮存在粒度细、结合剂量大的固有缺陷, 是干燥中易产生裂纹的一种产品. 同时还存在着成型时易划伤, 带较厚的金属底板干燥等附加性缺陷. 因应力集中, 干燥后在划痕处和底部产生裂纹. 针对其附加性缺陷, 采用( l ) 外径、孔径刮皮或打磨, 消除划痕等应力集中点, 有效地控制了此类裂纹的产生; ( 2 ) 底板撤砂, 减少底部热应力, 对控侧底部小裂纹起到一定作用。
 
总之, 由于技术、设备条件所限, 消除磨具坯体成型后所产生的固有缺陷( 如采用等静压成型法可消除密度不连续性缺陷), 在较长一段时间里还难于解决. 但我们从分析干燥前坯体缺陷出发, 采取相应的预防措施, 在现有条件下是解决砂轮坯体干燥裂纹的有效途径.实践中也取得了一些成功经验. 另外, 本文虽是主要论述砂轮坯体干燥裂纹的产生, 但由于烧成应力远大于干燥应力, 因而干燥时缺陷处未出现的裂纹, 也可能出现在烧成阶段, 因而对烧成裂纹产生机理的探讨也有一定参考价值。

(编辑:etalin)
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