CC BY
21
МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621.922.02
Ю.С. Багайсков
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В КОНТАКТЕ «АБРАЗИВ - СВЯЗКА» В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИНСТРУМЕНТА
Рассмотрены особенности взаимодействия в структуре материала абразивных инструментов основных компонентов: частиц абразива и связки. Показаны процессы контакта одноименных частиц «связка - связка» и разноименных «абразив - связка». Сделан анализ разновидностей форм спекания - в твердой и жидкой фазах, условий растворимости, образования переходной зоны, факторов активирования процесса.
Инструмент, структура, контакт частиц, связка, абразив, спекание, твердая и жидкая фазы, растворимость, переходная зона, активирование.
Yu.S. Bagayskov
INTERACTION REGULARITIES RESEARCH WITHIN THE CONTACT «ABRASIVE - LINK» DEPENDING ON A TOOL CHARACTERISTIC
The article considers the peculiarities of interaction in the structure of the material of abrasive tools of the main components: the fractions of abrasive and link. The processes of the contact of the same names of fractions «link - link» and of not the same names «abrasive - link» are shown here. The analysis of varieties of forms of coagulation in the solid and liquid phases, conditions of dissolving of phases, forming of a transitional zone, facts of activating of the process is made.
Tool, structure, contact of fractions, link, abrasive, cohesion, solid and liquid phases, dissolubility, transitional zone, activating.
Структура материала абразивного инструмента состоит из частиц абразивного материала, связки и пор, представляет собой дисперсную гетерогенную систему [1]. В этой системе абразивные частицы являются наполнителем, в наименьшей мере подверженной изменениям на всех стадиях технологии. Связующее, в частности, керамическое, наоборот, участвует активно во всех структурных процессах. Чем выше дисперсности компонентов системы и, прежде всего, связки, то есть, чем меньше величина частиц, тем выше активность, больше свободной поверхностной энергии. Значительная часть энергии находится на меж-
фазных поверхностях. При наличии избытка энергии появляется термодинамическая неустойчивость. Для устойчивости необходимы процессы уменьшения дисперсности, в частности для керамических связок, спекание, то есть переход в термодинамически более устойчивое состояние за счет уменьшения свободной поверхностной энергии.
Межфазные границы в данной композиционной системе на разных стадиях структу-рообразования имеют искривленную форму, что приводит к капиллярным явлениям. Давления с двух сторон искривленной поверхности разные. С вогнутой стороны - больше.
В абразивном композите взаимодействие происходит в контактах частиц «связка -связка» и «абразив - связка». Рассмотрим подробнее контакт «связка - связка». По физико-механической природе это контакт одноименных тел.
В зависимости от температуры плавления связки в таком контакте может быть диффузионное спекание в твердой фазе или диффузионное вязкотекучее спекание с наличием жидкой фазы [2]. Первый случай характеризует процессы спекания стандартной спекающейся связки (типа К33), применяемой для инструмента из карбида кремния, второй подходит для наиболее распространенных при изготовлении инструментов из электрокорундов так называемых плавящихся керамических связок (К5, К5С, К38, К2ОПГ).
На рис. 1 приведена схема контакта двух одноименных частиц керамической связки (в форме сфер).
На рисунке стрелками показаны направления массопереноса из тела частиц в район образующейся шейки. Расстояние А уменьшается, шейка утолщается. При этом происходит
постоянное слияние частиц с уплотнением, уменьшением объема пор. Усадка М обратно
пропорциональна вязкости и радиусу частиц:
М 3 а-Т
1 4 ' (1) 1 4 г
где Т - время спекания; ^ - вязкость; а - свободная поверхностная энергия; г - радиус кривизны.
Отличие жидкофазного спекания от твердофазного в более активном массопереносе, ускорении уплотнения.
Причины образования жидкой фазы:
- плавление низкотемпературных добавок, чаще всего, плавней (полевой шпат);
- плавление тонкодисперсных составляющих композиции;
- образование легкоплавких низкотемпературных эвтектик вследствие сдвига по диаграмме состояния (например, тальк с глиной).
В жидкой фазе процессы могут идти за счет поверхностной диффузии или растекания.
Условие растекания:
<1 > 012 + <2 или Оц >> 012 , (2)
где о1 и о2 - поверхностное натяжение твердого тела и жидкого тела; о12 и о11 - межфазное натяжение на границе «твердое - жидкое тело» и «твердое - твердое тело».
Растекание облегчается, если твердое тело частично растворено в жидком. Возникает жидкая прослойка. В ней образуется две силы, действующие на частицы: ¥1 - от кривизны поверхности жидкости вследствие давления, которая стягивает частицы, и ¥2 - обусловленная действием сил, вызванных стремлением к сокращению поверхности жидкости, раздвигающая частицы (рис. 2).
Рис. 2. Схема воздействия сил и Р2 на контакт частиц керамической связки
Суммирующая сила = ¥х + ¥2 зависит от соотношения ¥1 и ¥2, связано это прежде всего с количеством образующейся жидкости. С увеличением объема жидкости сила ¥1 уменьшается, так как кривизна снижается. Сила ¥2 при этом возрастает вследствие увеличения площади поверхности жидкости. Чтобы капиллярные силы преобладали, теоретически надо, чтобы количество жидкости было менее 50% объема, минимум - 5%.
Кинетику спекания в присутствии жидкой фазы принято оценивать следующим образом. Можно наблюдать три стадии процесса. В первой стадии идет перегруппировка твердых частиц, так как жидкость имеет искривленную поверхность, возникает избыточное давление, уменьшаются площади поверхности пор, и возрастает плотность. Во второй стадии идет перераспределение вещества по механизму «растворение - осаждение», могут быть обволакивание жидкой фазой твердых частиц, увеличение площади контакта, дальнейшая усадка. Третья стадия - консолидация отдельных частиц в единое твердое пористое тело без жидкости, с преобладанием замкнутых пор. Образуется жесткий «скелет» с уплотнением уже в твердой фазе.
Взаимодействие частиц абразива и связки можно назвать контактом разноименных тел, достаточно значительно отличающихся по физическим и химическим характеристикам. Но и при этом взаимодействии могут быть диффузионное спекание в твердой фазе (для спекающихся связок и карбида кремния) и спекание с наличием жидкой фазы (плавящаяся связка - электрокорунд). В первом случае происходит контакт взаимонерастворимых твердых тел, во втором - наличие взаимной растворимости связки и частиц.
В контакте нерастворимых тел происходит обволакивание фазой с меньшей поверхностной энергией, то есть керамической связкой, фазы с большей, то есть абразивного зерна. Такой процесс показан на рис. 3.
Толщина и степень неразрывности слоя связки зависят от объемного содержания связки и абразива, то есть плотности компоновки структуры.
В контакте частиц электрокорунда и плавящейся связки при температуре обжига абразивных инструментов (более 1200°С) происходит частичное образование жидкой фазы связки. Процесс происходит как у одноименных частиц. Образуется шейка, куда идет массо-перенос материала связки, происходит сближение за счет усадки. Особенностью является образование третьей, промежуточной зоны с химическим составом, отличным от исходных двух. Происходит смещение границы в сторону вещества, атомы которого более подвижны. В нашем случае данная переходная зона с увеличенным содержанием оксида алюминия (А1203) находится в пределах керамической связки.
Рис. 3. Стадии взаимодействия частиц абразива (А) и связки (С) в условиях нерастворимости
На рис. 4 показано наличие такой зоны в контакте «электрокорунд - плавящаяся связка». Контакт «абразив - связка» в условиях растворимости характеризуется повышенной реактивной диффузией, даже с учетом меньшего объемного содержания плавящейся связки, большая часть которой находится во взаимодействии с абразивом.
Процесс спекания композиционного материала абразивных инструментов можно дополнительно активировать технологическими методами: механическим, термическим и химическим.
Для этого применяется механическое измельчение частиц связки (повышение дисперсности). Возрастают удельная поверхность, пластичность поверхностного слоя и избыточная поверхностная энергия, уменьшаются размеры частиц связки, возрастает действие капиллярных сил. Также при возможности надо оптимизировать температурный режим обжига, регулировать газовую среду. Химический способ заключается во введении активных добавок.
Исследования показали, что применение связки промышленного производства тонкого помола, например плавящейся связки марки К5С (-40 мкм) все-таки не является предельным для обеспечения высокой прочности материала инструмента. Так, проведение дополнительного помола данной связки на шаровой мельнице в течение 10-12 часов несколько снижает ее зернистость, примерно до 32-36 мкм и также обеспечивает высокую равномерность.
Переходная зона
Рис. 4. Схема контакта «абразив - связка» при наличии переходной зоны
, МПа
30
20
10
Увеличение дисперсности связки влияет на повышение ее реакционноспособности, усиление диффузионных процессов в контакте «зерно - связка». Такое технологическое воздействие приводит к повышению прочности (на 7-10%).
На рис. 5 показана зависимость прочностных свойств материала абразивного инструмента от зернистости керамической связки. Видно, что в пределах возможностей применяемых технологий и оборудования прочность с уменьшением зернистости связки возрастает.
Зависимость на рис. 5 построена для абразивной массы из электрокорунда марки 25А зернистости 25, с заданной твердостью СМ2 и структурой № 7.
Эффективно дополнительное введение в абразивную массу, особенно на основе электрокорунда, активных добавок. Так, введение борного стекла В2О3 в количестве до 15% от массы связки приводит к повышению прочности материала инструмента. Фактически так называемое борное стекло представляет собой борно-силикатную фритту примерно следующего состава: &02 - 69%, А12О3 - 3%, М§О - 5%, СаО - 3,5%, Ш2О+К2О - 3,5%, В2О3 -17%.
Перерасчет показывает, что добавление к связке примерно 15% борного стекла (фритты) дает возрастание содержания В2О3, которое и так имеется в составе связки, на 2-3%, однако и такое изменение влияет на прочностные свойства.
На рис. 6 показана зависимость прочности материала от содержания борного стекла в керамической связке.
Увеличение содержания в керамической связке борного стекла приводит прежде всего к некоторому уменьшению температуры ее плавления. В данном случае - до 1170-1190°С.
Повышается степень растекания связки по поверхности зерна абразива, в частности, электрокорунда, повышаются уровень реакционной способности связки, усиливается активность диффузионного процесса, возрастает содержание А12О3 в приграничной зоне связки. В конечном итоге повышаются прочность удержания зерна связкой и в целом прочность инструмента.
Таким образом, показано, что в структуре композиционного материала абразивных инструментов при спекании происходит взаимодействие в одноименном контакте частиц связки, в разноименном - частиц связки и абразива. Природа контакта, содержание твердой или жидкой фаз, наличие переходной зоны зависят от характеристики инструмента. Эффективно влияют на процесс спекания повышение дисперсности частиц керамической связки, введение активных добавок, в том числе дополнительное введение борно-силикатной фритты.
32
40
63
80 100 Зернистость связки, мкм, менее
Рис. 5. Зависимость прочности на разрыв аразр материала инструмента от зернистости керамической связки
Праз, МПа
30
20
10
15
30 40
Содержание борного стекла, %
Рис. 6. Зависимость прочности на разрыв аразр материала инструмента от содержания борного стекла в керамической связке
ЛИТЕРАТУРА
1. Багайсков Ю.С. Повышение эксплуатационных показателей изделий из абразивных композиционных материалов: монография / Ю.С. Багайсков, В.М. Шумячер. Волгоград: ВолгГАСУ, 2005. 200 с.
2. Любомудров В.Н. Абразивные инструменты и их изготовление / В.Н. Любомудров, Н.Н. Васильев, Б.И. Фальковский. М.-Л.: Машгиз, 1953. 376 с.
Багайсков Юрий Сергеевич -
доктор технических наук, заведующий кафедрой «Материаловедение и механика» Волжского института строительства и технологий
Bagayskov Yuriy Sergeyevich -
Doctor of Technical Sciences,
Head of the Department
of «Material Engineering and Mechanics»
of Volzhsky Institute of Construction and Technology
Статья поступила в редакцию 19.03.09, принята к опубликованию 09.09.09
