陳兆奇,韓 平,趙夢潔,王 照,白國巨

(河南工業(yè)大學 材料科學與工程學院,河南 鄭州 450001)

0 引言

陶瓷磨具因其具有自銳性好、磨削精度高以及良好的耐高溫性等特點,廣泛應用于硬質(zhì)合金、半導體材料以及難加工材料的磨削加工[1-2]。陶瓷磨具的使用性能很大程度上取決于陶瓷結合劑[3]。低溫陶瓷結合劑玻璃料通常由多種氧化物(如SiO2、B2O3、Al2O3及Na2O等)經(jīng)過混料、熔煉、淬火、研磨得到[4-7]。該過程可以制備高性能的低溫陶瓷結合劑,但制作過程繁瑣并且有高溫危險。如果可以直接采取廢棄玻璃經(jīng)過球磨粉碎作為陶瓷結合劑,這對推動我國“十四五”規(guī)劃、提高資源再生利用、推動可持續(xù)發(fā)展有著重要的影響[8]。

近年來,球磨法在金屬、合金粉體以及陶瓷結合劑的制備研究中得到廣泛應用[9-11]。通過球磨,粉體的粒度可以顯著減小。經(jīng)過長時間的球磨,粉體基本上可以達到納米級別。粉體粒徑的減小不僅增加了其反應活性,還提高了燒結驅動力,從而降低了燒結溫度,提高了試樣的性能。球磨法的研究和應用具有重要意義,對于推動材料科學的發(fā)展和實現(xiàn)新材料的創(chuàng)新具有積極影響[12]。

本文采用球磨法破碎廢棄玻璃管,獲得高性能陶瓷結合劑。主要探索最優(yōu)球磨工藝,對廢棄玻璃管(硼硅玻璃)采用控制變量法,通過改變球磨時間、轉速、球料比和球的級配,探究球磨工藝對陶瓷結合劑粒徑的影響。改變原料目數(shù)、燒結溫度、原料構成,探究影響陶瓷結合劑和陶瓷磨具力學性能的影響因素。

1 試驗

1.1 原料

如圖1所示,為本實驗所用的原材料為廢棄玻璃管(密度2.23 g/cm3,鄭州千磨材料科技有限公司)、黏土(D50= 45 μm,密度1.7 g/cm3,鄭州千磨材料科技有限公司)、長石(D50=45 μm,密度2.6 g/cm3,鄭州千磨材料科技有限公司)、SG磨料(D50=45 μm,密度3.9 g/cm3,鄭州千磨材料科技有限公司)。表1為實驗中所用儀器設備。

表1 實驗中所用的儀器設備

圖1 廢棄玻璃管

1.2 球磨試驗

使用真空球磨機,通過改變球磨時間、轉速、球料比和球的級配,探究球磨工藝對陶瓷結合劑粒徑的影響。其中大球用來配重與砸碎樣品以及分散小球,中球和小球用來混和及研磨樣品。

1.2.1 球料比試驗

保證其他條件不變的情況下,初始選擇球的級配為大球∶中球∶小球為6∶4∶1,轉速為300 r/min。改變球料比為1∶1、2∶1、3∶1和4∶1。球磨0.5 h、1 h和2 h。將粉體置入過濾機,選用200目和325目篩網(wǎng)振動篩分15 min,計算過篩率,選出最佳球料比。

1.2.2 球的級配試驗

保證其他條件不變的情況下,選擇最佳球料比,轉速為300 r/min。改變球的級配為大球∶中球∶小球為6∶4∶1、4∶4∶1、2∶4∶1和1∶4∶1。球磨0.5 h、1 h和2 h。將粉體置入過濾機,選用200目和325目篩網(wǎng)振動篩分15 min,計算過篩率,選出最佳球的級配。

1.2.3 轉速試驗

保證其他條件不變的情況下,選擇最佳球料比、球的級配。改變轉速為150 r/min、300 r/min和450 r/min。球磨0.5 h。將粉體置入過濾機,選用200目和325目篩網(wǎng)振動篩分15 min,計算過篩率,選出最佳轉速。

1.3 陶瓷磨具試驗

改變廢玻璃管粉末目數(shù)、燒結溫度、原料構成,探究影響陶瓷磨具力學性能的因素。表2為試驗設計的陶瓷磨具體積分數(shù)配方,主要改變廢玻璃管粉末和長石含量,探究對陶瓷磨具性能的影響,為便于配料和國內(nèi)工業(yè)配方對比,轉換為原料質(zhì)量分數(shù)配比(表3)。

表2 陶瓷磨具原料體積分數(shù)

表3 陶瓷磨具原料質(zhì)量分數(shù)

1.4 性能檢測

將陶瓷磨具冷壓成15 mm×15 mm的流動塊和5 mm×6 mm×30 mm的待燒結試樣條,在80℃時干燥12 h得到5組試樣。將流動塊和抗折條放入箱式爐中在不同溫度下進行燒結。采用平面流淌法測定其流動性,確定樣條最佳燒結溫度,采用電子萬能試驗機、運用三點彎曲法測定陶瓷磨具試樣的抗折強度,采用電子固體密度計精確測量樣條的密度,使用洛氏硬度計檢測5組樣品的洛氏硬度。

2 結果與討論

2.1 球磨工藝

圖2為當球的級配為6∶4∶1、轉速為300 r/min時不同球料比過篩率。由圖2a可以看出,球磨時間一定,隨著球料比的增大,粉料在篩分15 min后、過200目篩的比例逐步增加,在球料比為4∶1、球磨時間1 h時,取得最大過篩率為96.51%。這是由于隨著球料比增加,球的質(zhì)量增加,玻璃的質(zhì)量減少,玻璃可以充分地被大球破碎、被小球研磨。隨著球磨時間的增加,過篩率略微降低,在誤差范圍之內(nèi)。在球磨1 h時,球料比3∶1和4∶1已經(jīng)達到95%以上,在此條件下球磨1 h最佳。圖2b為球磨2 h后、過325目篩網(wǎng)情況,可以看出,在球料比為3∶1時取得最大過篩率,為95.23%。綜合經(jīng)濟效益和過篩率選擇球料比為3∶1。

圖2 不同球料比過篩率

圖3為當球料比為3∶1、轉速為300 r/min時不同球的級配過篩率。由圖3a可以看出,球磨0.5 h時,隨著球料比的增大,粉料在篩分15 min后、過200目篩的比例呈減小—增加—減小的趨勢,在球的級配為2∶4∶1時,取到最大值為83.81%。這是由于隨著大球數(shù)量的減少,玻璃破碎效率下降,中球、小球數(shù)量增加,不能充分研磨未經(jīng)破碎的玻璃。隨著球磨時間的增加,過篩率趨于穩(wěn)定,均達到94%以上,在此條件下球磨1 h最佳。圖3b為球磨2 h后、過325目篩網(wǎng)情況,可以看出,過篩率先減小后增加最后趨于平穩(wěn),由過篩率不能選出最佳球的級配,需要進行球的級配為2∶4∶1和1∶4∶1的對比實驗。

圖3 不同球的級配過篩率

圖4a為當球料比為3∶1、球磨0.5 h時的不同轉速的過篩率。由圖4a可以看出,球磨0.5 h時,隨著轉速的增大,粉料在篩分15 min后、過200目篩的比例呈增加的趨勢,在轉速為150 r/min時,球的級配為2∶4∶1取得過篩率最小為0.48%。隨著轉速的增加,球的級配為2∶4∶1表現(xiàn)出更佳的過篩率,在450 r/min時達到最大值,為97.55%。一方面,這是由于隨著轉速的增加,球運動更為劇烈,大球破碎玻璃,中小球研磨效率大大提高;另一方面,表現(xiàn)出球的級配為2∶4∶1大中小球數(shù)量更合理。在轉速為450 r/min球磨0.5 h,過篩率均達到95%以上,滿足后續(xù)實驗要求,在該條件下球磨0.5 h最佳。圖4b為球磨0.5 h后,球的級配為2∶4∶1和1∶4∶1、過200目和325目篩對比圖。由圖4b可以看出,球的級配為2∶4∶1表現(xiàn)出更優(yōu)的過篩率,在該條件下球磨0.5 h后、過325目篩的過篩率均達到82%以上,大大提高了球磨效率,為科研節(jié)省時間。結合圖3和圖4,過篩率選擇球的級配為2∶4∶1。

圖4 球磨0.5 h不同轉速過篩率

2.2 陶瓷結合劑及陶瓷磨具力學性能分析

為了確定最佳燒結溫度,分別在800℃、900℃、950℃和1000℃壓制5個流動塊,測量尺寸算出流動性。流動性在130%～140%之間即為合適燒結溫度區(qū)間。表4為不同溫度下的流動性,可以看出在900℃～1000℃存在最佳燒結溫度。圖5為不同目數(shù)陶瓷結合劑在900℃下燒結的平均抗折強度及平均洛氏硬度,可以看出隨著目數(shù)的增加,抗折強度和洛氏硬度呈現(xiàn)出增加—降低—增加的趨勢,最后在粉末粒徑≤ 43 μm (325目)處取得最大值,抗折強度和洛氏硬度分別為23.96 MPa和25.67 HRB。其原因是粒度更小的陶瓷結合劑具有更高的比表面積,更大的表面能,因此在相同的燒結溫度下具有更高的燒結活性,更易于燒結。選擇粉末粒徑≤43 μm (325目)作為后續(xù)陶瓷磨具研究對象。

表4 不同溫度下的流動性

圖5 900℃下不同目數(shù)結合劑抗折強度和洛氏硬度

圖6為粉末粒徑≤ 43 μm (325目)時不同燒結溫度下陶瓷結合劑強度。由圖6可知,隨著燒結溫度的升高,抗折強度和洛氏硬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在燒結溫度為1000℃處取到最大值為45.42 MPa和48.52 HRB,這是因為樣條強度受最佳燒結溫度影響。低于最佳燒結溫度時,坯體致密度低,氣孔率高,固相燒結反應弱,結合劑相互作用力弱,導致強度不高;高于最佳燒結溫度時,液相增加,流動性增強,留在結合劑內(nèi)部的氣孔無法排出體外,過燒發(fā)泡現(xiàn)象發(fā)生,結合劑收縮率降低,導致強度下降。選擇燒結溫度為1000℃。

圖6 不同燒結溫度下陶瓷結合劑的強度

圖7為1000℃燒結溫度時不同原料陶瓷磨具性能。由圖7a可知,隨著廢玻璃管含量增加,長石的含量減少,抗折強度和洛氏硬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在4#樣條處即廢玻璃管含量為19.28 wt/%,長石含量為17.33 wt/%時取到最大值為48.42 MPa和52.52 HRB。這是因為,長石在磨具體系中起到催熔作用,其含量增加時,可以促進結合劑中玻璃相增加,有助于提高磨具的強度和硬度。當長石的含量增加到25.45 wt/%時,體系中玻璃料含量降低,對磨料把持力不足,使磨具強度下降。圖7b為1000℃燒結溫度時的陶瓷磨具氣孔率和密度,同時在廢玻璃管含量為19.28 wt/%,長石含量為17.33 wt/%時取到密度最大值為2.52 g/cm3和氣孔率最小值為45.62%,這是因為,磨具強度越高時,磨具的密度越高氣孔率越低。

圖7 1000℃燒結溫度時不同原料陶瓷磨具性能

3 結論

本文以資源再生利用為主要研究理念,采用控制變量法,通過改變球磨時間、轉速、球料比和球的級配,探究球磨工藝對廢玻璃管粒徑的影響。改變原料目數(shù)、燒結溫度、原料構成,探究陶瓷結合劑和陶瓷磨具力學性能。并得出以下結論:

(1) 當轉數(shù)為450 r/min、球料比3∶1、球的級配2∶4∶1時,對廢玻璃管球磨0.5 h時,過200目和325目篩率均達到95%和82%以上,滿足后續(xù)實驗要求,效率最高。

(2) 對于陶瓷結合劑體系,在900℃燒結時,隨著玻璃料粒度的減小,陶瓷結合劑抗折強度和洛氏硬度在粉末粒徑≤43 μm (325目)處取得最大值,抗折強度和維氏硬度分別為23.96 MPa和25.67 HRB。在粉末粒徑≤43 μm(325目)時,隨著燒結溫度的升高,抗折強度和洛氏硬度呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢,在燒結溫度為1000℃處取到最大值為45.42 MPa和48.52 HRB。

(3) 對于陶瓷磨具體系,隨著長石含量的增加,磨具的強度和硬度逐漸增加,在廢玻璃管含量為19.28 wt/%、長石含量為17.33 wt/%時,取到最大值為48.42 MPa和52.52 HRB,在此時密度最大為2.52 g/cm3和氣孔率最小為45.62%。