裂紋是金剛石陶瓷砂輪坯體主要廢品現(xiàn)象之一。在以往的工藝實(shí)踐中, 解決坯體裂紋, 特別是細(xì)粒度、高厚度、高硬度砂輪裂紋問(wèn)題, 主要側(cè)重于干燥工藝, 延緩干燥曲線等措施, 但還難以較好地解決這一問(wèn)題, 且往往延長(zhǎng)了生產(chǎn)周期。因此, 我們?cè)噺奶接懪黧w裂紋產(chǎn)生機(jī)理入手, 解決坯體裂紋問(wèn)題。
本文主要論述:
( 1 ) 金剛石陶瓷砂輪成型后坯體缺陷及裂紋產(chǎn)生機(jī)理;
( 2 ) 成型后砂輪坯體各類缺陷;
( 3 ) 減少成型后砂輪缺陷及預(yù)防砂輪坯體缺陷產(chǎn)生裂紋的工藝措施。
 
一    砂輪成型后坯體缺陷及裂紋產(chǎn)生機(jī)理
 
根據(jù)材料力學(xué)的觀點(diǎn),陶瓷材料所受應(yīng)力大于材料強(qiáng)度所承受負(fù)荷極限應(yīng)力時(shí), 材料將發(fā)生破壞。
但材料實(shí)際強(qiáng)度遠(yuǎn)小于理論強(qiáng)度, 這是因?yàn)榇嬖趹?yīng)力集中因素. 由于這一因素, 盡管外加負(fù)荷較小, 但在材料的局部區(qū)域, 應(yīng)力可以達(dá)到理論上的極限應(yīng)力a 。.( 應(yīng)力集中因素可以是材料內(nèi)或表面的空隙式裂縫, 也可能是材料在制造過(guò)程中形成的不連續(xù)性。) 按照格里菲斯的微裂紋理論. 由于材料內(nèi)存在微裂紋, 應(yīng)力集中于微裂紋, 使其擴(kuò)展直至斷裂。對(duì)于長(zhǎng)度為C 的表面裂縫, 斷裂應(yīng)力az.f可用下式表示
對(duì)比( 1 )、( 2) 兩式, 由于C 遠(yuǎn)大于r a, 即材料受到較小應(yīng)力時(shí)即會(huì)發(fā)生破壞。
 
金剛石陶瓷砂輪坯體在干燥過(guò)程中產(chǎn)生裂紋的過(guò)程也是如此, 即坯體在干燥過(guò)程中所受熱應(yīng)力大于砂輪坯體強(qiáng)度時(shí), 產(chǎn)生裂紋。砂輪坯體存在缺陷時(shí), 如微裂紋、材料的不連續(xù)性組織不均等, 將產(chǎn)生應(yīng)力集中, 在較小的應(yīng)力條件下發(fā)生破壞, 裂紋也將首先在缺陷處產(chǎn)生。
 
坯體在干燥過(guò)程中所受熱應(yīng)力有兩大類: 一類是由于坯體內(nèi)熱膨脹系數(shù)和干澡收縮不一致造成的, 這里主要考慮因組織不均造成的收縮不一致; 另一類是由于坯體內(nèi)溫度分布不均造成的。在正常工藝條件下, 我們可以認(rèn)為坯體在干燥過(guò)程中所受熱應(yīng)力一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于坯體本身強(qiáng)度, 根據(jù)格里菲斯斷裂理論的觀點(diǎn). 坯體裂紋必然是由于內(nèi)部存在缺陷造成的。我們知道, 熱應(yīng)力不同于機(jī)械力, 具有一定的方向性, 它作用于坯體的各個(gè)方向. 而砂輪坯體在前道工序造成的缺陷, 如攤料、攪料嚴(yán)重不均造成的組織不均, 外傷、震動(dòng)造成的內(nèi)裂紋等, 一般都具有隨機(jī)性和偶然性。因而干燥裂紋應(yīng)表現(xiàn)為無(wú)序性和無(wú)規(guī)則性. 但事實(shí)上, 干燥后坯體裂紋有相當(dāng)大一部分表現(xiàn)為規(guī)律性的批量出現(xiàn)。因此我們可以推斷: ( 1 ) 一般來(lái)講, 干燥裂紋的產(chǎn)生是由于坯體內(nèi)部存在缺陷造成熱應(yīng)力集中產(chǎn)生的。( 2 ) 規(guī)律性批量干燥裂紋廢品的產(chǎn)生, 必然存在坯體內(nèi)規(guī)律性缺陷, 當(dāng)干操熱應(yīng)力較大時(shí), 即在缺陷處產(chǎn)生裂紋。
 
我們可以把干燥裂紋產(chǎn)生過(guò)程中砂輪坯體強(qiáng)度〔a〕、熱應(yīng)力a及坯體缺陷產(chǎn)生應(yīng)力集中的共同作用近似地表述為:
即坯體強(qiáng)度低, 熱應(yīng)力，坯體缺陷嚴(yán)重時(shí)易產(chǎn)生裂紋, 其中坯體缺陷影響較前兩者大。
 
在以往的工藝實(shí)踐中, 我們主要從降低熱應(yīng)力和提高坯體強(qiáng)度兩方面解決干燥裂紋問(wèn)題。根據(jù)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(shù)條件下, 坯體強(qiáng)度是在一定的數(shù)值范圍內(nèi), 其可調(diào)性很小。這必然導(dǎo)致我們將解決坯體干燥裂紋的重點(diǎn)放在減小熱應(yīng)力, 即調(diào)整干燥工藝方面。在現(xiàn)有技術(shù)、設(shè)備條件下, 通常的辦法是降低干操速度( 主要是低溫階段), 延長(zhǎng)千燥時(shí)間。但實(shí)際效果如何呢? 一方面, 部分規(guī)格砂輪甚至在最平緩、周期很長(zhǎng)的干燥工藝條件下, 仍然無(wú)法解決一些批量裂紋現(xiàn)象的產(chǎn)生; 另一方面, 受生產(chǎn)的限制, 過(guò)分延緩干燥速度和延長(zhǎng)干燥周期是不經(jīng)濟(jì)的, 有時(shí)是難以實(shí)現(xiàn)的,而從長(zhǎng)遠(yuǎn)的觀點(diǎn)看, 縮短干燥周期才是未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì). 因此, 我們應(yīng)該分析造成坯體強(qiáng)度成倍下降的坯體缺陷的存在形式及在千燥過(guò)程中受應(yīng)力作用的悄況, 以采取相應(yīng)的工藝措施, 從而減少甚至消滅此類裂紋的產(chǎn)生。
 
二、成過(guò)后砂輪坯體缺陷的形態(tài)分布
 
我們認(rèn)為坯體缺陷可分為結(jié)構(gòu)性缺陷和附加性缺陷兩大類：
 
( 一) 結(jié)構(gòu)性缺陷( 固有缺陷)
 
結(jié)構(gòu)性缺陷主要是指現(xiàn)有工藝技術(shù)條件下不可避免的、非人為的內(nèi)在缺陷, 其形式主要有:( 1 ) 成型料中原材料本身的物理、化學(xué)性能造成的缺陷。( 2 ) 成型工藝、設(shè)備等造成的坯體缺陷。現(xiàn)分述如下:
 
1. 原材料物化性能造成的缺陷
 
①潤(rùn)濕劑
一般潤(rùn)濕劑兼有潤(rùn)濕和粘結(jié)磨粒的性能。它使坯體具有一定的干、濕強(qiáng)度; 同時(shí), 在干燥過(guò)程中, 應(yīng)力主要是排除潤(rùn)濕劑引入的水份造成的. 這兩個(gè)因素的此消彼長(zhǎng)決定著坯體在干燥中是否會(huì)產(chǎn)生裂紋。無(wú)疑, 潤(rùn)濕劑是影響是否產(chǎn)生干燥裂紋的主要因素之一, 下面主要討論常用潤(rùn)濕劑-— 水玻璃、糊精液及一種新型潤(rùn)濕劑A 液。
 
a . 干燥收縮
b. 不同潤(rùn)濕劑坯體千強(qiáng)度隨放置時(shí)間的變化.
從圖1看出, 采用水玻璃潤(rùn)濕劑的磨具坯體雖然強(qiáng)度較高, 但由于相對(duì)水份含量高, 干燥收縮大, 因而干燥過(guò)程中產(chǎn)生應(yīng)力較大. 特別是由于水玻璃有吸潮作用, 坯體隨放置時(shí)間延長(zhǎng). 強(qiáng)度大大降低( 見圖1)?？諝鉂穸却髸r(shí)影響更大, 而干燥過(guò)程中產(chǎn)生的較大應(yīng)力釋放過(guò)程中將產(chǎn)生裂紋廢品。特別是在生產(chǎn)周期長(zhǎng)、干燥困難的墩子砂輪中較為常見。糊精液雖無(wú)吸潮現(xiàn)象, 但強(qiáng)度較低, 干燥收縮也較大。
② 磨料粒度及結(jié)合劑量
細(xì)粒度、結(jié)合劑量大的砂輪坯體, 由于水份排除困難, 干燥收縮大. 雖然坯體強(qiáng)度較高, 但由于熱應(yīng)力大大增加, 易在缺陷處產(chǎn)生裂紋, 典型的如磨鋼球砂輪. 該缺陷無(wú)法消除。
 
其它如結(jié)合劑原材料— 粘土、長(zhǎng)石性能的影響等因素本文不再一一詳述。
 
2.成型工藝、設(shè)備等造成的密度不連續(xù)性缺陷
 
目前國(guó)內(nèi)使用的成型壓機(jī)基本屬單面壓機(jī)。成型時(shí), 由于成型料之間及成型料與模具之間的摩擦力作用, 壓力遞減, 造成組織上緊下松, 密度不均. 尤其是高厚度砂輪較明顯.成型時(shí), 砂輪壓力與厚度理論關(guān)系如下式：
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(xiàn)象也明顯。圖2 所示為磨具單面受壓后等密度分布狀況.
 
為改善成型中造成的密度不均現(xiàn)象,生產(chǎn)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(dòng), 坯體相對(duì)上移實(shí)現(xiàn)雙面受壓, 雙面施壓等, 密度分布示意圖如圖3。從圖中可以看出, 雙面施壓雖改善了密度分布, 仍存在著兩端密度大, 中間組織松的缺陷。
嚴(yán)格地講, 使用墊鐵模套浮動(dòng)只是一種不完全的雙面施壓. 使用墊鐵后, 模套懸空, 坯體相對(duì)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, 近似于雙面受壓。但在芯棒處, 由于芯棒固定未浮動(dòng), 靠芯棒處坯體所受摩擦力只是向上摩擦力, 相當(dāng)于單向壓制. 因此, 沿壁厚方向, 由外圓到內(nèi)孔, 應(yīng)是由雙向壓制向單向壓制的逐漸過(guò)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(diǎn)的曲線。
因此, 目前高厚度砂輪成型的工藝方法只能說(shuō)是一種不完全的雙面施壓。實(shí)際上, 由于壓制過(guò)程中坯體基本處于可塑變形狀態(tài), 使用固定墊鐵時(shí), 受墊鐵厚度及預(yù)壓力大小的影響, 即使是靠模環(huán)處也只是近似雙向壓制。
 
圖5 是我們?nèi)∩a(chǎn)中500x400x305砂輪干燥后坯體,根據(jù)噴砂硬度砂坑深度值推測(cè)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(hào)內(nèi)為實(shí)測(cè)密度值。由于實(shí)驗(yàn)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(gè)點(diǎn)實(shí)測(cè)密度值來(lái)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(yuǎn)未達(dá)到雙面施壓的理論效果。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松, 這可能是由于砂輪H / ( D 一d ) 太大, 墊鐵厚度小的影響. 且內(nèi)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(xiàn)有壓制設(shè)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(xù)性缺陷是造成砂輪坯體干燥后起層、耍圈的主要內(nèi)在因素。
 
結(jié)構(gòu)性缺陷是現(xiàn)有成型工藝。設(shè)備造成的先天性缺陷. 由于缺陷處應(yīng)力集中的作用, 即使采用較長(zhǎng)的干燥曲線, 對(duì)減少由此產(chǎn)生的坯體干燥裂紋, 效果也是不理想的。
 
( 二) 附加性缺陷
 
附加性缺陷是指由于工模具、設(shè)備不良及人為原因造成的坯體成型后的缺陷。
 
1 . 工模具磨損或帶毛刺造成的劃痕, 干燥時(shí)產(chǎn)生應(yīng)力集中造成裂紋。
2．帶底板干燥, 由于使用金屬底板, 水份難于排除, 且熱傳導(dǎo)快于坯體, 造成局部熱應(yīng)力集中。
3 . 人為原因: 如成型中操作不當(dāng), 造成坯體組織嚴(yán)重不均, 有暗紋; 運(yùn)輸或搬運(yùn)中的震動(dòng)暗紋, 千燥升溫不當(dāng)?shù)取?br />  
附加性缺陷屬后天造成, 具有隨機(jī)性和偶然性, 雖無(wú)法徹底消除, 但只要采取措施, 嚴(yán)格執(zhí)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(yù)防獵施
 
上面我們分析了成型后砂輪坯體的各種缺陷。坯體裂紋的產(chǎn)生, 原因悄況不同, 可能是一種缺陷造成的( 如運(yùn)輸震裂) ; 更多情況下則是數(shù)種缺陷共同作用的結(jié)果, 如起層、耍圈多見于細(xì)粒度、高硬度墩子砂輪; 而磨鋼球砂輪由于粒度細(xì), 結(jié)合劑量極大, 易劃傷, 干澡后易在劃痕處產(chǎn)生裂紋。因此, 我們應(yīng)通過(guò)對(duì)干燥后裂紋分析, 找出產(chǎn)生裂紋的主要缺陷, 在現(xiàn)有條件下, 采取相應(yīng)的工藝措施, 使坯體缺陷造成裂紋減少到最低程度. 下面我們結(jié)合兩種典型產(chǎn)品所存在的缺陷進(jìn)行分析, 并討論相應(yīng)的工藝預(yù)防措施。
 
1.墩子砂輪因固有缺陷產(chǎn)生起層、耍圈廢品。
 
( l ) 起層
 
起層多見于細(xì)粒度、高硬度墩子砂輪的內(nèi)孔沿高度約3 / 5 處. 其產(chǎn)生原因以前已有很多論述, 一般認(rèn)為: 芯棒磨損大, 光潔度不高; 成型料混料時(shí)間短, 成型性能不好; 中間加搗時(shí)接頭沒有刮松等是造成起層的主要原因. 但其難說(shuō)明采取措施消除上述因素后, 并且干燥時(shí)采取預(yù)干、常溫下自然干燥措施后為什么仍產(chǎn)生批量廢品? 為什么起層批量廢品多見于雨季? 為什么起層發(fā)生在內(nèi)徑沿高度3 / 5 處? 我們認(rèn)為, 墩子砂輪起層廢品產(chǎn)生的主要原因在于其兩種固有缺陷:① 細(xì)粒度、高硬度墩子砂輪一般使用水玻璃做濕潤(rùn)劑; ② 高厚度砂輪的密度不連續(xù)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(rùn)濕劑, 收縮大, 干燥后易吸潮, 強(qiáng)度下降, 應(yīng)力集中, 即在沿高度約3 / 5 處產(chǎn)生起層。由于密度不連續(xù)性受機(jī)壓成型工藝的限制難以解決, 因而我們主要從另一缺陷入手, 根據(jù)砂輪結(jié)合劑量大、壓力大的特點(diǎn), 使用前述無(wú)吸濕性、干燥收縮小的新型潤(rùn)濕劑, 找到與之相適應(yīng)的干燥制度, 較好地解決了墩子砂輪批量起層問(wèn)題。
 
( 2 ) 耍圈
 
對(duì)墩子砂輪耍圈產(chǎn)生的原因均難以較好地解釋, 為什么產(chǎn)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(chǎn)生的主要原因, 干燥時(shí), 該缺陷處水份蒸發(fā)快( 密度小, 且靠?jī)?nèi)孔邊緣), 排濕方向同外徑相反, 收縮大, 產(chǎn)生應(yīng)力集中, 導(dǎo)致環(huán)狀裂紋。針對(duì)其缺陷特點(diǎn), 采取內(nèi)孔灌少量濕鋸末蓋蓋板的工藝措施, 使干燥時(shí)水份燕發(fā)方向一致, 減緩缺陷處水份燕發(fā)速率, 從而有效地控制了耍圈廢品。
 
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(xì)、結(jié)合劑量大的固有缺陷, 是干燥中易產(chǎn)生裂紋的一種產(chǎn)品. 同時(shí)還存在著成型時(shí)易劃傷, 帶較厚的金屬底板干燥等附加性缺陷. 因應(yīng)力集中, 干燥后在劃痕處和底部產(chǎn)生裂紋. 針對(duì)其附加性缺陷, 采用( l ) 外徑、孔徑刮皮或打磨, 消除劃痕等應(yīng)力集中點(diǎn), 有效地控制了此類裂紋的產(chǎn)生; ( 2 ) 底板撤砂, 減少底部熱應(yīng)力, 對(duì)控側(cè)底部小裂紋起到一定作用。
 
總之, 由于技術(shù)、設(shè)備條件所限, 消除磨具坯體成型后所產(chǎn)生的固有缺陷( 如采用等靜壓成型法可消除密度不連續(xù)性缺陷), 在較長(zhǎng)一段時(shí)間里還難于解決. 但我們從分析干燥前坯體缺陷出發(fā), 采取相應(yīng)的預(yù)防措施, 在現(xiàn)有條件下是解決砂輪坯體干燥裂紋的有效途徑.實(shí)踐中也取得了一些成功經(jīng)驗(yàn). 另外, 本文雖是主要論述砂輪坯體干燥裂紋的產(chǎn)生, 但由于燒成應(yīng)力遠(yuǎn)大于干燥應(yīng)力, 因而干燥時(shí)缺陷處未出現(xiàn)的裂紋, 也可能出現(xiàn)在燒成階段, 因而對(duì)燒成裂紋產(chǎn)生機(jī)理的探討也有一定參考價(jià)值。