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涂附磨具用新一代锆刚玉磨料的设计与应用
     

  摘要:在2011年郑州磨料磨具展上,来自圣戈班公司的 Reitz先生谈及了圣戈班磨料的生产和发展状况,并详细介绍了新一代锆刚玉产品:NV。除了在原理上说明高韧性的锆刚玉在磨削中的优势,Reitz先生还分享了该产品的技术特点,展望了新一代产品在砂带磨削上的前景。

今天我第一次来参加中国举办的磨料磨具展会,想花一点时间,利用这个国际技术讲座机会,首先介绍一下圣戈班公司生产工厂和磨料生产制造过程,然后着重介绍圣戈班对锆刚玉新产品的设计和在涂附磨具行业的应用情况。
昨天看了报纸,了解到一些相关信息,知道中国经济在恢复,产品出口价格在增长;同时也聆听了李志宏先生的演讲,了解到随着中国进口国外产品量也在增长,刺激和促使国内制造商要提高技术水平和改进产品性能,以与国外产品展开竞争。所以感觉到这个涂附磨具国际技术讲座很有必要、很及时。
1、圣戈班公司的磨料生产
现在很多产品都用锆刚玉来替代棕刚玉,以提高自己产品的性能。
图1 圣戈班公司磨料工厂的地理位置分布
图1是圣戈班公司磨料工厂的地理位置分布图。圣戈班在美国、加拿大和中国生产制造锆刚玉,中国的工厂在河南省登封市。登封市的工厂除生产AZ40锆刚玉外,还生产AZ25锆刚玉。美国的工厂只生产AZ40锆刚玉,在加拿大的工厂生产AZ25锆刚玉。
2、磨料的发展过程
图2   各种磨料的硬度和韧性比较示意图
 
图2给出了各种不同品种磨料的硬度和韧性比较示意图。
我们现在应用的磨料,除了金刚石和CBN外,最硬的应该还是绿碳化硅和黑碳化硅。对于采用碳化硅磨料的涂附磨具产品只适宜磨削木材、打磨玻璃等,白刚玉只有少量用于涂附磨具,涂附磨具大量使用的则是棕刚玉和锆刚玉。                    
锆刚玉系列产品包括AZ25和AZ40两个品种。AZ25韧性很高,不适合制作涂附磨具。AZ40比较适合制作涂附磨具。
图3   锆刚玉发展进程图
 
图3 展示了刚玉系磨料的锆刚玉发展进程,现在为大家介绍一下:首先是电熔棕刚玉,在1905年就发明成功;相隔很长时间,到 1965年才研制出比棕刚玉韧性大的专利产品——ZrO2含量在25%左右的锆刚玉AZ25,但AZ25(牌号有ZF、ZS)只用于固结磨具;为涂附磨具而研发、也可用于固结磨具的切削更锋利、韧性依然很大的AZ40锆刚玉是1975年开发成功的;1983年对第一代AZ40锆刚玉产品进行升级(韧性进一步提高,用于固结磨具也进一步稳定),形成了目前市场流通的AZ40产品类型;新一代锆刚玉NV将于明年(2012年)上市,它应用在涂附磨具领域将发挥优越的磨削性能,对一些固结磨具领域也将发挥优异作用。
4 锆刚玉主要生产设备示意图
锆刚玉生产用倾倒式电弧炉,熔炼后经过冷却,然后将块加工破碎,再按一定的标准筛分成粒度砂,破碎方式有多种,对于涂附磨具来说,则需要锆刚玉的形状要尖锐些的。粒度方面现在比较流行的是FEPA(P)标准(欧洲磨料生产者协会标准)。图4展示了锆刚玉生产过程的一系列主要设备。
下面介绍AZ40产品的一些性能。
图5    AZ40相图
图6   AZ40显微图像
图7   氧化锆(ZrO2)相变图
前面已经介绍到AZ40韧性比较高,原因是什么?我们通过几幅图片来观察一下AZ40 的化学成分和显微结构(图5为AZ40的相图,图6为AZ40晶体的显微照片,图7为ZrO2相变图),AZ40锆刚玉中的ZrO2含量在40%左右,这样的化学成分刚好能够形成Al203-ZrO2共晶体,但仔细观察AZ40显微照片,会发现其晶体尺寸很细、很小,并呈现一层白一层黑交替的层片状结构,氧化铝为黑色,氧化锆为白色的,正是由于氧化铝和氧化锆的晶格是不一样的,因此并不是真正意义的Al203-ZrO2共晶体。
氧化锆有单斜相、四方相、立方相三种物相,随着温度升高,沿着单斜相→四方相→立方相路径转变,在温度降低条件下则会产生逆向相变转化,四方相向单斜相转变时大约产生体积膨胀5~10%(大约7%)。在磨削过程中,由磨削力和磨削热产生的能量向氧化锆传递,从而诱导了氧化锆的相变过程,导致磨粒出现的裂纹正好被体积变化的ZrO2堵死,从而对磨料起到增韧作用。                                       
诱导氧化锆相变的根本原因是能量,热量是能量的一种方式。在磨削过程中,磨削力和磨削热都是诱导相变,从而产生增韧的因素。这就是锆刚玉韧性为什么这么高的机理所在。
3、在涂附磨具中的应用
如果锆刚玉在涂附磨具中得到恰当运用,对比棕刚玉,锆刚玉会发挥提升30~100%甚至更高的产品质量性能的功效。锆刚玉适用范围广,适合于磨削所有黑色金属(如:钢、铁、不锈钢等),通过专门设计开发,锆刚玉对于有色金属(铝、青铜、镍、钛、特殊镍合金等),也会有一个很好的磨削效果,同时也适合磨削木材。
锆刚玉比棕刚玉质量性能高,不只是寿命比棕刚玉长,更重要的是其磨削生产效率高。考虑到今后生产的人力成本会越来越高,磨削生产效率高对于砂带客户来说是很有吸引力的,这也体现了锆刚玉的真正价值所在。
锆刚玉AZ40新产品在整个寿命周期内,对打磨工件的表面质量(前后一致性、稳定性)都会很好。因其晶体尺寸细小,导致其自锐性好,不会产生烧伤,而且耐用,稳定。
AZ40锆刚玉新产品在市场中的需求和使用量越来越大。设计开发这款新产品,其目的是满足在低负荷研磨条件使用的砂带,当然也使其能够也用于固结磨具类似打磨效果场所。
下面介绍我们对这一款锆刚玉新产品的研究途径和方法。
首先我们要消除/克服老款产品的显微结构缺陷,这种缺陷会使磨粒产生大裂纹、长裂纹,我们选择的方法要做的则是要细化晶粒,增强脆性,使其自锐性好,不仅保持锋利性,而且能产生细微结构,使晶体一点一点脱落,不断产生更多切削刃,延长寿命。
 
图8 锆刚玉新、旧产品显微结构模型图
 
 
图8展示了新、旧锆刚玉的微晶结构模型图。左侧的为以前的锆刚玉产品,其显微结构粗大,打磨过程脱落颗粒粗,右侧的为新款锆刚玉产品,其显微结构细小,打磨过程脱落颗粒细小,磨削过程自锐性好,使用寿命长。
图9 不同锆刚玉的磨削实验图
 
选择不同的锆刚玉产品在实验室进行磨削性能对比,具体结果如图9所示。纵坐标为机床功率,横坐标为磨削时间,打磨工件材质为304不锈钢。图中有三条曲线:其中一条为市场上的其他一种锆刚玉(是竞争对手的),另两条为我们圣戈班公司的锆刚玉,绿色曲线为新型锆刚玉NV。随着磨削时间提高,机床功率越来越高,随着磨粒不断磨削,到了一定时间界限,机床功率开始下降。新产品在整个磨削过程中,消耗能量低,机床功率低,磨削时间长,烧伤低,烧伤也不太容易发生。设计和推出这款新产品是为最大程度上满足客户的低烧伤要求。
圣戈班公司磨料牌号、型号见下表。
图10展示了AZ40在涂附磨具行业的应用。AZ40比较适合窄砂带、高强度打磨、百叶片(过去两年市场上比较流行,应用量大)、手持打磨片、切削工具零部件、精密磨削、木材磨削等领域。
图10 AZ40在涂附磨具行业的应用
 
现在与大家分享一下锆刚玉在涂附磨具领域的相关应用技巧知识和经验。
AZ40锆刚玉产品价格高,性能高,要实现其最大价值,一定要注意以下几点:
a)应采用静电植砂方式;
b)一般使用FEPA(P)标准磨料,也有一些客户根据自身偏好和用户特殊需求使用混合磨料;
c)在制造砂带时推荐使用涂层,尤其是对于比较粗的磨料,这对梳理磨料取向性好,对提高上砂率有很大好处;
d)在磨削过程中避免砂带上的砂粒整颗从砂带上脱落下来;
e)推荐使用高品质磨料,不要有灰尘,静电植砂车间也需要是一个无尘的环境;
f)在静电植砂过程中还要控制树脂和磨料的温度、湿度;为使树脂与磨料性能匹配,也需要选择性能好的树脂品种;
g)在砂带结构中,包括布基、底胶、复胶,布基与底胶的结合非常重要,复胶的厚度也很重要(首先复胶应能够把持住磨料,其次在把持磨料的同时要露出充分磨粒,以便充分发挥其切削刃作用);很多应用AZ40做砂带时候,在复胶基础上还需要一个超涂层,有些领域应用超涂层是没有意义的,但是对于不锈钢、钛合金、镍合金的磨削,超涂层则是非常有必要的;
h)控制每平方米上的磨料量是很重要的,但并不是说每平方米磨料量越多产品性能就会越好;如果单位面积上的磨料量过多,是不利于锆刚玉发挥其自锐性效果的,当然还有其他一些非磨料方面因素,如树脂应用、砂带柔曲(常规柔曲为900)、砂带使用参数(如压力、磨削工件材料的材质等),也会影响到整个砂带使用性能的。
AZ40是一种对整体升级砂带质量非常有用的磨料,AZ40砂带是一种有前途有前景的产品。
非常荣幸能够有机会与中国的砂带制造企业进行合作,也很高兴与大家继续保持良好关系,以便围绕砂带质量改进开展相关交流并取得更多实用效果。
作者简介:Ed.Reitz先生是圣戈班公司负责电熔磨料和SG磨料全球市场的经理,在磨料磨具行业有很多年的工作经验,他很高兴与大家进行交流。
 
(本文系圣戈班美国公司Ed.Reitz先生在2011年11月12日中国涂附磨具国际技术讲座上的技术演讲,由白鸽磨料磨具有限公司高级工程师陈德光、英语翻译史新宇根据录音整理,并经原现场中文翻译张云浩先生协助Ed.Reitz先生进行审核确认)。

 

 

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