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毕业设计（论文）11引言陶瓷磨具自1877年诞生以来，就被广泛应用于食品、日用化工、机械制造、电子、建筑等各个行业领域，成为我国经济建设中不可缺少的工具。在磨料磨具行业中陶瓷磨具占有相当大的比例，用量占50%以上。是磨具中占主导地位的产品之一。陶瓷磨具具有磨削锋利，自锐性好，耐热性好，使用寿命长，修整容易，耐油，耐水，耐酸，耐碱，耐老化，适合不同冷却液条件下的粗磨、精磨和超精磨削等的应用，是磨具产品中最重要的一类。陶瓷结合剂磨具是以陶瓷原料为结合剂,将松散的磨料粘结起来,固结成一定形状，具有磨削性能的陶瓷砂轮，广泛应用于机械制造行业，如喷气发动机，水压汽轮机，轴承部件等。随着我国机械工业的迅速发展，陶瓷磨具行业的竞争趋于激烈，价格、使用性能等是企业竞争和在市场中赖以生存的必然条件。因此，我国大多数生产厂家采用传统的生产方式制作陶瓷结合剂磨具，所用磨料为单一粒度，采用一般的粘土、长石类烧结结合剂，采用这种简单的制作工艺可降低磨具的生产成本，但磨具的使用性能却较差，尤其是结合剂把持磨料的强度低，磨料过早脱落而不能充分展现其自锐性。解决这一问题的方法国内不少学者作过一些研究，如在结合剂中加入金属粉末，利用金属的延展性来缓解磨料周围应力现象，防止产生裂纹。但这种方法对普通陶瓷结合剂磨具来说生产成本太高。如何在传统生产工艺条件不变、产品成本也基本保持不变的情况下，生产出性能优良的产品是我们本课题研究的主要目的。从无机材料的长期研究结果知道，材料的工艺参数、结构、性能之间有密切的关系。在一定的工艺条件下，原材料的选择对磨具的性能有直接的关系。材料选择合适时制品中会形成针状的二次莫来石晶相，二次莫来石具有较低的膨胀系数和较高的抗蠕变性，它构成陶瓷中玻璃基质的骨架，骨架的强度可以明显改变玻璃相基质的强度，从而提高陶瓷制品力学性能，通常希望陶瓷制品中莫来石晶相的晶粒大小均匀或有较多的网状莫来石；可减小玻璃体和磨料膨胀系数存在的差异，从而减少微裂纹，达到提高结合剂强度的目的。本文根据以上思路主要针对不同原材料对普通陶瓷结合剂磨具性能的影响作了一系列实验研究。高温陶瓷磨具主要是用粘土、长石为结合剂，在1300℃左右烧结而成。磨具的微观结构中主要有磨料、玻璃相、晶相和气相，其中，脆性较大的玻璃体中总存在有热应力，在磨料周围产生大量的微裂纹，裂纹使磨具在使用过程中磨料过旱的脱落而不毕业设计（论文）2能充分展现其自锐性，这是国内磨具与国外磨具相比使用性能差的主要原因。磨具产生裂纹主要发生在两个阶段：一是低温加热干状态阶段，如果坯体收缩较大，尤其是对大规格磨具很容易使坯体内产生热应力而导致开裂；另一是缓冷阶段，结合剂已有塑性转变成了脆性，如果玻璃体的膨胀系数大，与磨料的膨胀系数匹配性差，更容易在坯体内产热应力而引发微裂纹，降低结合剂把持磨料的强度。传统粘土、长石为结合剂的磨具中，由于粘土含有较高的结晶水，在低温加热过程中脱水较快，坯体尺寸收缩也较大，低温加热干状态阶段磨料周围已产生微裂纹。在传统陶瓷原料中，叶腊石硬度低，质软而富于脂肪感，含有较少的结晶水，加热过程中脱水缓慢，且膨胀系数较小，是制造要求尺寸准确或热稳定性好的制品的优良原料。白云石在陶瓷坯料中可降低陶瓷制品的烧成温度，促进石英的溶解和莫来石的生成，尤其是在烧结后冷却时玻璃体中会析出一定量的针状莫来石。莫来石具有较低的热膨胀系数，玻璃体中如能生成一定量的莫来石晶相，一方面可以缩小结合剂和磨料膨胀系数之间的差距，同时还可提高结合剂本身的强度。根据以上思路，本文针对就如何减少由热应力而导致磨具使用性能差这一问题，在结合剂原料选择和工艺上进行了调整，研究了在粘土、长石质结合剂中引入叶腊石和白云石对碳化硅磨具微观结构和性能的影响。本次研究是在现行的工艺条件下，逐次改变原有结合剂的成分，再分别引入叶腊石和白云，得到实验用结合剂。改变后的各结合剂与原结合剂在相同条件下，先对各组成结合剂本身性能进行实验评价。然后，再按照磨具配比要求分别制备不同种试样，最后测定各磨具试样的性能指标。从而研究了在粘土、长石质结合剂中引入叶腊石和白云石对磨具的微观结构和性能的影响。毕业设计（论文）32实验条件2．1主要实验设备及仪器表1实验过程中的仪器名称、型号及用途仪器设备名称型号主要用途分析天平TG328A(S)精确称量原料电子天平HC-TP11-10原料准确称量测温三角锥模具标准锥模制作测温锥用耐火度测定炉常用炉测定耐火度万能拉力实验机550KN测抗折强度冲击强度实验机小型测抗冲击强度增力电动搅拌器JJ-1原料混合分散鼓风电热恒温干燥箱FN101-2A干燥胚体马弗炉SRJX-4-13烧结坯体压机RVJ-15压制烧结产品差热膨胀仪Lcp-1测定线膨胀系数电子显微镜XL300philips显微结构分析2．2厂家配方及砂轮性能表2厂家配方及磨具性能磨料/100%结合剂组成磨具性能粘土/%长石/%滑石/%烧结温度/℃抗折强度/MPa抗冲击强度/MPa外观GCF46455322．2811618.8N5.8032KN黑心明显毕业设计（论文）4我国的许多工厂都是使用单一密度的磨料生产砂轮，单一密度的磨料生产砂轮可以使砂轮具有较高的强度，但硬度较低，自锐性差，磨削效果较差。厂家砂轮陶瓷结合剂砂轮的裂纹可能出现的原因有两种:(1)砂轮受热不均或冷却快慢不一,出现温差,因而产生拉伸应力存在的主要问题是结合剂强度低，磨削性能差。结合剂强度低的主要原因是磨料膨胀系数小而结合剂的膨胀系数大，二者膨胀系数不匹配，导致磨料周围易产生应力集中，产生微裂纹；导致裂纹。裂纹的大小随着温差和应力大小值的大小而异。(2)由于结合剂性能不理想,结合剂同磨粒的热膨胀系数相差较大而引起裂纹。砂轮在加热和冷却的磨削性能差过程中,由于的主要原因一方面是结合剂配比不合理，另一方面，润湿剂的种类和比例对磨具性能也有非常重要的影响。根据这种情况，研究润湿剂对磨具的性能的影响是非常必要的。本文研究糊精液做湿润剂,对陶瓷磨具气孔率,磨削强度等方面的影响。3实验过程3．1实验方案设计1、原材料的选择及表征：选用郑州二砂生产的磨料，用校办工厂里的粘土、长石、滑石、叶腊石、白云石、糊精液等作结合剂。2、现有结合剂组分的改变与设计：制定合适的组分改变程度，设计出各对比项的组成。3、不同测温三角锥的制作及耐火度的测定分析。4、结合剂试样的制备。5、磨具试样的制备及烧结工艺的制定。6、性能检测和结构分析。7、数据处理。3.1.1实验主要内容：主要研究了如何在传统生产工艺条件不变、产品成本也基本保持不变的情况下，毕业设计（论文）5通过对原有结合剂成分的改变，再引入叶腊石、白云石后，各结合剂性能的变化及对陶瓷磨具性能的影响，探究叶腊石、白云石对陶瓷结合剂磨具显微结构和性能的影响。这是我们本课题研究的主要内容。此项研究的实用性主要在于生产出性能优良的产品。在国外生产陶瓷磨具的相关行业中已经成功使用糊精液来代替传统的水玻璃作湿润剂。传统的水玻璃在烧成的时间会遗留在在陶瓷磨具中，从而影响陶瓷磨具的气孔率和磨削性能。糊精液作湿润剂则不然，糊精液在烧成时会充分氧化而脱离制品，形成充足的气孔率,更好的起到磨削加工,抛光的作用。所以我们要解决的问题是在特定的陶瓷磨具硬度的情况下,如何调整配方(包括原材料的种类、结合剂的种类、砂结比、外加剂量、结合剂量烧成制度及温度等)。3．1．2磨料选择本次试验用磨料选用郑州二砂生产的GCF46、GCF40、GCF60磨料。实验在生产厂家GCF46磨具生产的基础上采用GC磨料F40、F46、F60混合粒度，即GCF46占50%，GCF40和GCF60各占25%。混合粒度的磨具由于含有多种直径的磨粒，较细的磨粒能填充到较粗的磨粒间隙中，因而缩小了磨粒间的空隙，增大了磨料的比表面积。磨具是靠结合剂粘结起来的，在相同的砂结比时，混合粒度的切割砂轮结合剂桥短而粗，磨料的粘结面积大，因此混合粒度能有效地提高磨具的使用性能。3．1．3结合剂的选择配制采用生产厂家原有结合剂配方和原材料，即配方V0：45%粘土+53%长石+2%滑石（200目，与厂家相同）。通过改变结合剂中粘土的含量，再用等量的叶腊石＋白云石（各占50%）来代替粘土分别分析讨论结合剂与磨具的性能。原有的粘土、长石质结合剂配方“V0”为基础结合剂的配方，再选用校工厂的粘土、长石、滑石、叶腊石、白云石、糊精液等作结合剂，进行调配。调配的方法是在“V0”基础结合剂中，分别引入不同量的叶腊石和白云石代替部分粘土，分别配制V1、V2、V3、V4、V5实验结合剂（见表3）。毕业设计（论文）6表3结合剂配比的改变情况结合剂结合剂组成w∕%粘土减少量叶腊石＋白云石V0V0－1010V1V0－2020V2V0－3030V3V0－3535V4V0－4040V5V0－45453．2试样制备制备工艺：称磨料——混料——过筛——装模——压制——卸模——干燥——烧制。3.2.1试样胚体的制备以表1中结合剂的配比，再引入适量的临时粘结剂糊精液（糊精液的用量为30ml/100kg或糊精粉15g/kg）以便于成型。然后，分别先用测温三角锥模具各制备5个以上标准测温三角锥；再制备6×mm6mm×25mm的试条15个以上用于测量结合剂的密度、抗折强度和线膨胀系数；以及制备18mm×17mm×150mm的长方体试条5个以上用于测试结合剂的抗冲击强度。最后，再选择GCF46占50%、GCF40和GCF60各占25%的混合粒为磨料，按磨具配比要求：磨料100%、结合剂15%，制备成6mm×6mm×25mm、18×mm17mm×150mm的长方体试条。每种均制作5个以上用于测试磨具的抗折强度和抗冲击强度。每个试样最终选出5个。试样制作是在RVJ-15型压机上压制成型，在FN101-2A鼓风电热恒温干燥箱内干燥胚体，在SRJX-4-13高温式电阻炉内烧结坯体。毕业设计（论文）73.2.2干燥制度与烧成制度的制定以糊精液为湿润剂的湿胚的最高干燥温度为130℃—140℃。厚度小于50mm的试样干燥曲线为七小时制度（见表4）。表4试样7h干燥制度累计时间/h0——34——7达到温度/℃140140升温速度/（℃/h）自由升温保温试样在加热过程中，试样体积开始剧烈收缩，气孔率开始明显减小时，这种开始剧烈变化的温度称为开始烧结温度。温度继续升高至一定值时，开口气孔率降至最低，收缩率达到最大，试样的致密度最高，与此时相应的温度为完全烧结温度简称烧结温度。若继续升高温度，试样中的液相量不断增多，以至不能维持原有试样的形状而变形，这时的温度成为软化温度。通常把完全烧结与开始软化的温度间隔称为烧结温度范围。在相同的条件下按磨具配比要求制备磨具长方体试样，分别在高于结合剂耐火度30℃的情况下烧结（考虑实际生产情况，最高烧结温度控制在1350℃以内）。此实验的试样为小试样，室温至300℃间的升温速率保持在50℃/h左右是安全的。300℃至烧成温度区间的这一阶段安全升温速率为25℃/h。到达烧成温度以后进入保温阶段，此阶段的保温时间占总加热周期的5%—15%。从保温结束到800℃的急冷区间，最大冷却速率由提供冷空气的能力以及料垛从内到表面的传导能力所决定，此阶段的安全降温速率为180℃/h。800℃—400℃的磨具退火区间以30℃/h的速率降温。400℃以后的冷却速率，与磨具在该温度阶段允许的加热速率是一致的。3.2.3烧成气氛与压力制度磨具试样为绿碳化硅质的，窑内烧成气氛以强氧化气氛为宜，一般保持在8%—10%为最好，这样可防止“黑心”。陶瓷结合剂及磨具试样的烧成压力制度为：在900℃以前时，保持在窑内压力在-5pa至0pa,高温阶段为零压。毕业设计（论文）83．3性能探讨和测试3.3.1结合剂耐火度因素的探讨目前国内磨料磨具行业上，陶瓷磨具大多采用1300℃左右的温度烧成，只有个别小规格(如超精油石)采用低温烧成。低温烧成即采用低熔结合剂在较低的温度(l000℃)对磨具进行烧成。与传统的高温烧成相比较。低温烧成有许多优点：可以节约能源；能加快烧成窑的周转率(对间歇窑更为明显)