Физико-механические свойства электрокорундовых пластин, закристаллизованных в валках-кристаллизаторах

Основным материалом при получении шлифовального зерна для абразивных кругов силового обдирочного шлифования является циркониевый электрокорунд – сплавы Al₂O₃ c 10–40 мас.% ZrO 2 . Процесс силового обдирочного шлифования характеризуется высокими скоростями резания 60–80 м/c, 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 m _ме к массе израсходованного рабочего слоя абразивного круга m _к при силовом шлифовании m _ме/ m _к >  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 (Ni, Co, W, Mo 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 инер- ции, 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 рассматривать как резец, производящий стружку (рис. 1, б ), за-

а)                                        б)

Рис. 1. Отходы шлифования при абразивной обработке слитков из стали 12Х18Н10Т шлифовальными кругами, изготовленными на базе абра зивного зерна из нормального ( а ) и циркониевого электрокорунда ( б )

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 ZrO 2 .

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 ZrO 2 в объёме эвтектики и состояния макро и микроструктуры.

Аттестация образцов и методика исследований

Объектом исследования были пластины белого ( ≈ 99 мас.% α -Al₂O₃) и сплава (75 мас.% Al₂0₃ - 25 мас. % ZrO₂) циркониевого электрокорунда закристаллизованные в валках-кристаллизаторах. Состав шихты: технический глинозем ( γ -Al 2 O 3 ) и технический диоксид циркония. Степень превращения ( β -ZrO 2 → α -ZrO 2 ) 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 b(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 L_п ≥ 2 С . Длину образца L получали путем соответствующего удлинителя, с которым пластинку соединяли через резиновые прокладки. Относительные напряжения в рабочей части образца σ / σ 1 (при σ 1 = σ ( х/L = 1)) с размерами ( b min ( х ) = 14, L = 150, С = 40) мм показаны на (рис. 2, б ). Данный тип образцов применяли при испытаниях электрокорундовых пластин толщиной h = 1,5–4,5 мм. Поверхность разрушения образцов была локализована в пределах зоны (0,87 ≤ х/L ≤ 0,9, рис. 2, а , б ). Изменения напряжений в этой зоне составляло не более 2 %.

б                                     в

Рис. 2. Геометрическая форма образца для статических испытаний при консольном изгибе (а). Распределение относительных напряжений σ в 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 F ) в точке х = 0 (рис. 2, а ). Такая система обеспечивала медленное, «статическое» нагружение с постоянной скоростью. Напряжения разрушения определяли из равенства σ р = 6 Fх / b р h ² р ,                                             (1)

Физика

где h р – толщина и b р – ширина образца в разрушенном сечении.

Для определения зависимости напряжение – деформация в контрольной точке (рис. 2, а ) наклеивали тензорезистор ε _х с активной длиной (базой) 2 мм. Показания тензодинамометра и тен-зорезистора записывали двухкоординатным потенциометром для регистрации зависимости ( ε у – ε х ). Полученные при испытании пластин типичные зависимости σ = ϕ ( ε ) представлены на (рис. 3, в ).

Механические показатели электрокорундовых пластин, закристаллизованных в валках-кристаллизаторах

s Он cd	№ образцов	Размер образцов, мм		Механические показатели, МПа			Коэффициенты
		h р	b р	σ р	σ пц	E × 105	µ	σ р /σ mах
i ч Г) 1S В « ц м о >> Ю Он §н 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	O,23	0,94
	2	3,4	14,2	70	48	2,70	0,21	1,0
	Среднее	–	–	62	42	2.53	0,21	–
cd g m § N С 2	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 S Ч cd С 5	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 ZrO 2 , представлены в таблице. Для образцов такого же химического состава, но изготовленных из других пластин с различной толщиной и фазовым составом, определяли только напряжение разрушения σ р в зависимости от содержания β -ZrO 2 в их составе (рис. 3).

Обсуждение результатов

Механические характеристики ( σ = ϕ ( ε ), 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 σ = ϕ ( ε ) 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 ( α -Al₂O₃) и природой межкристаллитной фазы. При замене межкристаллитной фазы в белом электрокорунде на эвтектику (Al 2 O 3 –ZrO 2 ) секущий модуль упругости увеличивается, а среднее значение напряжения разрушения σ р возрастает с увеличением содержания β -ZrO 2 в ее составе (см. таблицу и рис. 3).

Разрушение всех образцов происходило хрупко. При этом широкий диапазон значений напряжений разрушения (σр 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

О = о [ 1 - (12/ bh) £ у ² S , ] ,

Рис. 3.

где S i – площадь дефекта, 0 ≤ y ≤ h /2 – расстояние от нейтральной оси до центра тяжести площади дефекта.

с фиксированным фазовым составом β-ZrO 2 . Пластина 1 – белый электрокорунд (а)

В связи с этим за прочность материала σ в , с фиксированном химическим и фазовым составом, можно принять максимальные значения напряжений разрушения в серии испытания образцов ( σ в = σ p maх , см. таблицу, рис. 3), вырезанных из одной пластины. В этом случае величину (1 - σ р / σ в ) можно рассматривать как параметр, характеризующий дефектность материала в области сечения поверхностью разрушения. Влияние содержания ( β -ZrO 2 ) в составе эвтектики на относительную прочность материала можно оценить по величине соотношения σ в / σ вА (рис. 3); где σ в = σ р,maх для пластин с фиксированным фазовым составом, а σ вА = σ р maх для пластины, обозначенной буквой А (рис. 3), с максимальным содержанием 60 мас. % β -ZrO 2 .

Влияние степени развития полиморфного превращения β -ZrO 2 →α -ZrO 2 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 ( β -ZrO 2 ) подвергали измельчению и последующему рассеву для определения суммарного выхода фракций (2000, 1600, 1250) мкм. При содержании β -ZrO 2 ≤ 20 мас. % после измельчения суммарное содержание фракции 1000–2000 мкм составляло 33–38 мас. %. С увеличением содержания β -ZrO 2 ≥ 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. % β -ZrO 2 до ≈ 11% при 30 мас. % β -ZrO 2 . Дальнейшее увеличение β -ZrO 2 до ≤ 70 мас. % не влияло на показатель разрушаемости.

Таким образом, установленная зависимость прочности на изгиб (см. таблицу, рис. 3) от содержания β -ZrO 2 хорошо коррелирует с технологическими показателями: суммарным выходом крупных номеров шлифовального зерна и его разрушаемостью в зависимости от содержания β -ZrO 2 .

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 σ р с из диапазона (0,95…1) σ р / σ maх представленного в таблице и на рис. 3.

Высокотемпературная модификация β -ZrO₂ 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 β -ZrO₂ →α -ZrO₂ зависит от времени выдержки, и существенно ниже температурного интервала пластичности корунда. При этом пластины и абразивное зерно с исходным содержанием β -ZrO 2 ≥ 50 % при охлаждении самопроизвольно растрескиваются, а показатель разрушаемости возрастает тем больше, чем больше было метастабильной модификации в исходном фазовом составе.

Выводы

Полиморфное превращение β -ZrO 2 ⇒ α -ZrO 2 в составе эвтектических колоний сплава 75 мас.% Al₂O₃ - 25 мас. % ZrO₂ 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.