CC BY
134
УДК 621.546.541.67-31
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОКОРУНДОВЫХ ПЛАСТИН, ЗАКРИСТАЛЛИЗОВАННЫХ В ВАЛКАХ-КРИСТАЛЛИЗАТОРАХ
В.Е. Гпадкое1, В.М. Березин2, Г.М. Купершляк-Юзефович3
Представлены результаты исследования статических характеристик физико-механических свойств, полученных из диаграмм о= $(е) при испытании пластин белого (» 98 мас.% а-Л120з) и циркониевого (75 мас.% Л12Оз -25 мас.% ZrO2) электрокорунда, закристаллизованных в валках-кристаллизаторах. Проведено обсуждение по влиянию пористости, химического и фазового состава ZrO2 на физико-механические свойства материала пластин и шлифовального зерна, получаемого при их дроблении.
Ключевые слова: электрокорунд, валки-кристаллизаторы, абразивные материалы, силовое обдирочное шлифование, тензометрия, диаграмма а-е, показатели механических свойств.
Введение
Основным материалом при получении шлифовального зерна для абразивных кругов силового обдирочного шлифования является циркониевый электрокорунд - сплавы Л120з с 10-40 мас.% 2г02. Процесс силового обдирочного шлифования характеризуется высокими скоростями резания 60-80 м/с, большими усилиями прижатия абразивного круга к обрабатываемой поверхности 5-10 кН, что обеспечивает съём металла до 250 кг/ч при зачистке стальных слитков и до 400 кг/ч
- чугунных. Температура в зоне резания достигает температуры обрабатываемого материала. Отношение массы снятого металла тме к массе израсходованного рабочего слоя абразивного круга тк при силовом шлифовании тме/тк > 60.
Отходы шлифования (рис. 1, а) при использовании кругов с зерном нормального электрокорунда представляют собой металлическую пыль, загрязненную материалом от абразивного круга, практически не пригодную для переплава и, как правило, идущую в отвал, что приводит к значительной потере дорогостоящих легирующих металлов (N1, Со, ', Мо и др.) при обработке высоколегированных сталей. Отходы шлифования при обработке кругами на базе зерна из циркониевого электрокорунда (рис. 1, б) позволяют их использовать в качестве вторичного сырья.
Исходя из условий работы в качестве требования, предъявляемого к физико-механическим свойствам абразивного зерна для силового шлифования, можно отметить следующее. При работе абразивное зерно испытывает в основном два вида нагружения. Первое — радиальные силы инерции, вызывающие нормальные напряжения растяжения, допустимый предел которых ограничен пределом прочности на растяжение композиционного материала из зерна и связки. Второй вид нагружения - связан непосредственно с процессом шлифования, при котором зерно, расположенное на рабочей поверхности круга, можно рас- а) б)
сматривать как резец произво- Рис- 1- Отходы шлифования при абразивной обработке слитков из стай ( ’ 1 б) ли 12Х18Н10Т шлифовальными кругами, изготовленными на базе абра-
дящий стружку (рис. 1 б), за- зивного зерна из нормального (а) и циркониевого электрокорунда (б)
1 Гладков Владимир Евгеньевич - кандидат химических наук, доцент, кафедра технологии приборостроения, Южно-Уральский государственный университет.
2 Березин Владимир Михайлович - доктор физико-математических наук, профессор, кафедра технологии приборостроения, ЮжноУральский государственный университет.
E-mail: bvm@susu.ac.ru
3 Купершляк-Юзефович Георгий Марьянович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, кафедра сопротивления материалов, Южно-Уральский государственный университет.
крепленный консольно в связке и работающий в условиях совместного действия изгибающих и сжимающих сил. С учетом того, что у твердых материалов прочность на сжатие значительно выше, чем на растяжение и изгиб, то существенный интерес при аттестации материала по его физико-механическим свойствам представляет определение прочности на изгиб и растяжение.
В ряде работ отмечено [1-3], что технологические показатели (разрушаемость абразивного зерна по ГОСТ 28924-91 и суммарный выход крупных номеров после дробления), характеризующие прочность пластин закристаллизованных в валках-кристаллизаторах, зависят от фазового состава 2г02.
Задача настоящей работы - разработка методики и определение физико-механических свойств электрокорундовых материалов, закристаллизованных в валках-кристаллизаторах в виде пластин в зависимости от их химического состава, фазового состава 2г02 в объёме эвтектики и состояния макро и микроструктуры.
Аттестация образцов и методика исследований
Объектом исследования были пластины белого (» 99 мас.% а-А1203) и сплава (75 мас.% А1203
— 25 мас. % Zr02) циркониевого электрокорунда закристаллизованные в валках-
кристаллизаторах. Состав шихты: технический глинозем (у-А1203) и технический диоксид циркония. Степень превращения ф-2г02 ® а-2г02) изменяли добавками порошка металлического алюминия в расплав при его сливе на валки-кристаллизаторы [1-4]. Фазовый анализ полученных материалов проводили на установке ДРОН-2.
Физико-механические свойства пластин определяли по методике испытаний хрупких материалов при консольном изгибе. Геометрическая форма образца для статических испытаний на изгиб представлена на (рис. 2, а). Зону (ширину образца Ь(х)), в которой происходило разрушение, делали меньше, чем у соответствующей балки равного сопротивления изгибу, контур которой показан штриховой линией (рис. 2, а). Фактическая длина пластинки Ьп >2С. Длину образца Ь получали путем соответствующего удлинителя, с которым пластинку соединяли через резиновые прокладки. Относительные напряжения в рабочей части образца о/о1 (при а1 = о(х/Ь = 1)) с размерами (&тт(х) = 14, Ь = 150, С = 40) мм показаны на (рис. 2, б). Данный тип образцов применяли при испытаниях электрокорундовых пластин толщиной И = 1,5—4,5 мм. Поверхность разрушения образцов была локализована в пределах зоны (0,87 < х/Ь < 0,9, рис. 2, а, б). Изменения напряжений в этой зоне составляло не более 2 %.
\ * ' с >
'V
г- а
0,2
0,4
0,6
0,8
б
Рис. 2. Геометрическая форма образца для статических испытаний при консольном изгибе (а). Распределение относительных напряжений ав рабочей части образца (б). Типичный вид диаграмм «напряжение-относительная деформация» при консольном изгибе (в) для образцов: 1, 2 - белого и 3 - циркониевого электрокорундов
Консоль нагружали путем наполнения водой емкости, подвешенной к тензодинамометру (для измерения силы Р) в точке х = 0 (рис. 2, а). Такая система обеспечивала медленное, «статическое» нагружение с постоянной скоростью. Напряжения разрушения определяли из равенства
а = бРх/ьрл2р, (1)
Физика
где Нр - толщина и Ьр - ширина образца в разрушенном сечении.
Для определения зависимости напряжение - деформация в контрольной точке (рис. 2, а) наклеивали тензорезистор е с активной длиной (базой) 2 мм. Показания тензодинамометра и тен-зорезистора записывали двухкоординатным потенциометром для регистрации зависимости (еу-е). Полученные при испытании пластин типичные зависимости <г= ре) представлены на (рис. 3, в).
Механические показатели электрокорундовых пластин, закристаллизованных в валках-кристаллизаторах
Матери- ал № образцов Размер образцов, мм Механические показатели, МПа Коэффициенты
Ир Ьр °р 0пц Бх105 т 0р/0тах
1 Ч СП Ж Я 3 4 5 ю л , о -н » ** о В н к н о сЗ ч с 11 4,1 14,7 55 36 2,17 0,23 0,79
5 4,3 14,1 56 40 2,54 0,21 0,8
8 5,2 15,0 57 42 2,52 0,21 0,81
6 4,7 13,5 60 43 2,64 0,18 0,86
12 3,8 15,7 64 42 2,46 0,22 0,91
4 4,0 14,1 65 46 2,74 0,22 0,93
7 4,2 13,6 66 38 2,50 0,23 0,94
2 3,4 14,2 70 48 2,70 0,21 1,0
Среднее - - 62 42 2.53 0,21 -
СЗ ч© X о4 Г 3 ^ § N 4 3,1 15,1 106 - 2,51 0,25 0,82
3 2,6 15,4 123 - 2,78 0,26 0,95
5 3,6 14,8 129 - 2,72 0,26 1,0
Среднее - - 119 — 2,67 0,26 -
О ^ N К .о Н 0х О . сЗ о Ч сЗ с £ о <N1 4,а 1,7 14,4 152 - 2,64 0,26 0,79
1 1,6 15,0 156 - 2,42 0,25 0,81
4 1,8 14,0 160 - 2,45 - 0,83
3* 1,9 17,0 169 - 2,52 - 0,88
5,а 1,9 15,6 183 - 2,64 0,25 0.95
2 2,0 14,0 186 - 2,55 0,26 0,96
5 1,8 14,8 193 - 2,52 0,25 1,0
Среднее - - 171 - 2,53 0,25 -
Механические характеристики, определенные по этим зависимостям для пластин (1, 3, 4) с фиксированным химическим и фазовым составом 2г02, представлены в таблице. Для образцов такого же химического состава, но изготовленных из других пластин с различной толщиной и фазовым составом, определяли только напряжение разрушения ор в зависимости от содержания Р-2г02 в их составе (рис. 3).
Обсуждение результатов
Механические характеристики (о = ре), см. рис. 2, таблицу) позволяют отметить следующее. Вне зависимости от химического и фазового состава все анализируемые электрокорундовые материалы имеют сопоставимые средние значения модуля упругости и коэффициента Пуассона.
Зависимости о = р(е) для образцов белого электрокорунда перед разрушением характеризуются наличием нелинейного участка деформирования (рис. 2, в), подобного участку упрочнения пластичных материалов. Физико-химическая природа такой зависимости неоднозначна и может быть связана с состоянием структуры границ между кристаллами корунда (а-А1203) и природой межкристаллитной фазы. При замене межкристаллитной фазы в белом электрокорунде на эвтектику (А1203-2г02) секущий модуль упругости увеличивается, а среднее значение напряжения разрушения ор возрастает с увеличением содержания Р-2г02 в ее составе (см. таблицу и рис. 3).
Разрушение всех образцов происходило хрупко. При этом широкий диапазон значений напряжений разрушения (ор в таблице) образцов из различных пластин с фиксированным фазовым составом связан не со свойствами материала, а с состоянием макроструктуры пластин в разрушенном сечении. Локальные раковины, пористость и другие макроскопические дефекты струк-
туры [2, 4], особенно вблизи поверхности, существенно уменьшают момент сопротивления сечения. Поэтому напряжения разрушения с учетом данного фактора должны определяться из равенства
Ор =(7в [1 -(12/Мр3)£/Я,], (2)
где - площадь дефекта, 0 £ у £ И/2 - расстояние от нейтральной оси до центра тяжести площади дефекта.
Ов/С?вЛ
300
200 -
0,0 10 20 40 60 Масс°/С
Содержание высокотемпературной модификации, р-гю2
Рис. 3. Зависимость напряжения разрушения электрокорундовых пластин различной толщины с фиксированным фазовым составом Ь-^г02. Пластина 1 - белый электрокорунд (а)
В связи с этим за прочность материала <7в, с фиксированном химическим и фазовым составом, можно принять максимальные значения напряжений разрушения в серии испытания образцов (ав = ар тах, см. таблицу, рис. 3), вырезанных из одной пластины. В этом случае величину (1-ор/ов) можно рассматривать как параметр, характеризующий дефектность материала в области сечения поверхностью разрушения. Влияние содержания (Ь -2г02) в составе эвтектики на относительную прочность материала можно оценить по величине соотношения ов/овА (рис. 3); где 0в = ор,тах для пластин с фиксированным фазовым составом, а авА = ор тах для пластины, обозначенной буквой А (рис. 3), с максимальным содержанием 60 мас. % Ь -2г02.
Влияние степени развития полиморфного превращения Ь -2г02®а-2г02 в составе эвтектики циркониевого электрокорунда, проходящего (при охлаждении после кристаллизации слитка) с увеличением объёма (на £7 %), существенно сказывается на технологических показателях, характеризующих разрушение материала в процессах его переработки на шлифовальное зерно. В работе [1] пластины циркониевого электрокорунда, закристаллизованные в валках-кристаллизаторах, с различным содержанием тетрагональной модификации (Ь -2г02) подвергали измельчению и последующему рассеву для определения суммарного выхода фракций (2000, 1600, 1250) мкм. При содержании Ь -2г02 £ 20 мас. % после измельчения суммарное содержание фракции 1000-2000 мкм составляло 33-38 мас. %. С увеличением содержания Ь -2г02> 20-50 мас. % суммарное содержание фракции 1000-2000 мкм возрастало до 46-60 мас. %. При этом показатель разрушаемости (технологическая проба по ГОСТ 28924-91) уменьшался с » 21 % при 10 мас. % Ь -2г02 до » 11% при 30 мас. % Ь -2г02. Дальнейшее увеличение Ь -2г02 до £ 70 мас. % не влияло на показатель разрушаемости.
Таким образом, установленная зависимость прочности на изгиб (см. таблицу, рис. 3) от содержания Ь -2г02 хорошо коррелирует с технологическими показателями: суммарным выходом крупных номеров шлифовального зерна и его разрушаемостью в зависимости от содержания Ь -
гю2.
Пластины при их дроблении на шлифовальное зерно в основном разрушаются по дефектным сечениям с минимальной прочностью, а в шлифовальное зерно переходят участки объемов с вы-
Физика
сокой прочностью. При этом пористость и её распределение оказывают существенное влияние на получение качественного абразивного зерна. Усадочные и газовые поры, размер которых и расстояние между ними сравнимы с размером зерна 1250-2500 мкм, при дроблении материала выходят на поверхность. Поэтому их присутствие на физико-механических свойствах шлифовального зерна практически не сказывается. С учетом наличия пор размером £ 100 мкм прочность на изгиб абразивного зерна, получаемого из пластин с фиксированным химическим и фазовым составом, можно оценить средними напряжениями разрушения ср с из диапазона (0,95... 1)ср/стах представленного в таблице и на рис. 3.
Высокотемпературная модификация Р-2г02 в составе эвтектических колоний метастабильна. В связи с этим установленные показатели механических свойств (таблица и рис. 2) будут характеризовать свойства материала только в том случае, если он не подвергался термической обработке. В [3, 5] показано, что после нагрева до температуры Т > 1100 °С интервал полиморфного превращения Р-2г02®а-2г02 зависит от времени выдержки, и существенно ниже температурного интервала пластичности корунда. При этом пластины и абразивное зерно с исходным содержанием Р-2г02 > 50 % при охлаждении самопроизвольно растрескиваются, а показатель разру-шаемости возрастает тем больше, чем больше было метастабильной модификации в исходном фазовом составе.
Выводы
Полиморфное превращение Р-2г02 ^ а-2г02 в составе эвтектических колоний сплава 75 мас.% А1203 — 25 мас. % 2г02 проходящее с увеличением объёма на ~ 7 %, существенно сказывается на прочностных свойствах материала. При подавлении превращения в интервале 0-60 % прочность материала на изгиб возрастает от 100 до 300 МПа.
Литература
1. Гладков, В.Е. Влияние различных модификаций 2г02 на физико-механические свойства циркониевого электрокорунда / В.Е. Гладков, А.А. Фотиев, А.С. Зубов // Неорганические материалы. - 1985. - Т. 21, № 4. - С. 616-619.
2. Гладков, В.Е. Влияние условий охлаждения расплава на формирование структуры и фазового состава в слитках сплавов А1203—2г02 / В.Е. Гладков, В.М. Березин, Н.Б. Жеханова // Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика. Механика. Физика». - 2010. - Вып. 2. - № 9(185). — С. 27-31.
3. Гладков, В.Е. Полиморфное превращение 2г02 в сплаве 75 мас.% А1203 - 25 мас. % 2г02, закристаллизованном в неравновесных условиях / В.Е. Гладков, В.М. Березин, Н.Б. Жеханова // Неорганические материалы. — 2010. — Т. 46, № 7. — С. 838-842.
4. Гладков, В.Е. Условия формирования плотной макроструктуры электрокорундовых пластин в валках-кристаллизаторах / В.Е. Гладков, В.М. Березин, Н.Б. Жеханова // Вестник ЮУрГУ. Серия «Математика. Механика. Физика». - 2011. - Вып. 4. - № 10(227). - С. 67-71.
5. Влияние скорости охлаждения эвтектики системы А1203 - 2г02 на стабильность фазовых составляющих / И.Ю. Волкова, С.С. Семенов, А.Е. Кравчик и др. // Неорганические материалы. — 1987. — Т. 23, № 3. — С. 448-451.
Поступила в редакцию 20 декабря 2011 г.
PHYSICAL AND MECHANICAL PROPERTIES OF ELECTROCORUNDUM PLATES, CRYSTALLIZED IN ROLL-CRYSTALLIZERS
12 9
V.E. Gladkov , V.M. Berezin , G.M. Kupershlyak-Yuzefovich
The results of research of static characteristics of physical and mechanical properties obtained from the diagrams s= fe) during tests of the crystallized in rolls-crystallizers plates of white (» 98 wt.% a-A1203) and zirconium (75 wt.% Al2O3 - 25 wt.% ZrO2) electrocorundum. A discussion on the influence of porosity, chemical and phase composition of ZrO2 on physical and mechanical properties of the plates and grinding of grain received during their shattering.
Keywords: electrocorundum, roll-crystallizers, abrasive, heavy rough-grinding, tensometry, os diagram, mechanical properties.
References
1. Gladkov V.E., Fotiev A.A., Zubov A.S. Vlijanie razlichnykh modifikacijj ZrO2 na fiziko-mekhanicheskie svojjstva cirkonievogo ehlektrokorunda (Influence of different modifications of ZrO2 on the physico-mechanical properties of electrocorundum). Neorganicheskie materialy. 1985. Vol. 21, no. 4. pp. 616-619. (in Russ.).
2. Gladkov V.E., Berezin V.M., Zhekhanova N.B. Vlijanie uslovijj okhlazhdenija rasplava na for-mirovanie struktury i fazovogo sostava v slitkakh splavov Al2O3-ZrO2 (Influence of conditions of melt cooling upon structure formation and phase composition in ingots of Al2O3-ZrO2 alloys). Vestnik JuUrGU. Serija «Matematika. Mekhanika. Fizika». 2010. Issue 2. no. 9(185). pp. 27-31. (in Russ.).
3. Gladkov V.E., Berezin V.M., Zhekhanova N.B. Polimorfnoe prevrashhenie ZrO2 v splave 75 mas. % Al2O3 - 25 mas. % ZrO2 zakristallizovannom v neravnovesnykh uslovijakh (Polymorphic transformation of ZrO2 in the alloy is 75 wt. % Al2O3 - 25 wt. % ZrO2 crystallized under nonequilibrium conditions). Neorganicheskie materialy. 2010. Vol. 46, no. 7. pp. 838-842. (in Russ.).
4. Gladkov V.E., Berezin V.M., Zhekhanova N.B. Uslovija formirovanija plotnojj makrostruktury ehlektrokorundovykh plastin v valkakh kristallizatorakh (Conditions of formation of dense macrostructure of electrocorundum plates in rollers of crystallizers). Vestnik JuUrGU. Serija «Matematika. Mekhanika. Fizika». 2011. Issue 4. no. 10(227). pp. 67-71. (in Russ.).
5. Volkova I.Ju., Semenov S.S., Kravchik A.E. et al. Vlijanie skorosti okhlazhdenija ehvtektiki sis-temy Al2O3-ZrO2 na stabil'nost' fazovykh sostavljajushhikh (Effect of cooling rate of the eutectic Al2O3-ZrO2 phase on the stability of the components). Neorganicheskie materialy. 1987. Vol. 23, no. 3. pp. 448-451. (in Russ.).
1 Gladkov Vladimir Evgenievich is Cand. Sc. (Chemistry), Associate Professor, Instrument Production Technique department, South Ural State University.
2 Berezin Vladimir Mikhailovich is Dr. Sc. (Physics and Mathematics), Professor, Instrument Production Technique department, South Ural State University.
E-mail: bvm@susu.ac.ru
3 Kupershlyak-Yuzefovich George Maryanovich is Cand. Sc. (Engineering), a senior research assistant, Applied Mechanics, Dynamics and
