聚晶金剛石研磨工藝及機(jī)理研究
聚晶金剛石(PCD)具有接近天然金剛石的硬度、耐磨性以及與硬質(zhì)合金相當(dāng)?shù)目箾_擊性，是一種被廣泛應(yīng)用于有色金屬和非金屬材料精密加工的新型刀具材料。為充分發(fā)揮PCD刀具的優(yōu)良性能，提高加工零件的表面質(zhì)量，刀具前刀面(PCD表面)需加工成鏡面。目前，PCD鏡面通常采用樹脂基金剛石砂輪進(jìn)行研磨加工，但由于PCD與所用的金剛石磨料硬度、性質(zhì)相近，因而與傳統(tǒng)的研磨加工有著很大的不同，其研磨機(jī)理、研磨工藝具有自身的變化規(guī)律。本文對(duì)PcD研磨工藝進(jìn)行了較系統(tǒng)的研究，并對(duì)其研磨機(jī)理進(jìn)行了較深入的分析。 　　1試驗(yàn)條件　　試驗(yàn)在BDJP-902聚晶金剛石研磨機(jī)上進(jìn)行；金剛石砂輪的類型、規(guī)格、尺寸為6A2250×36×50×5120B100，砂輪速度為18.3m/s、；試件為美國GE公司生產(chǎn)的三角形1600PCD90T5/1.6標(biāo)準(zhǔn)刀坯。為提高試驗(yàn)精度，減小試驗(yàn)誤差，在一個(gè)夾頭上同時(shí)研磨3個(gè)尺寸相同的PCD刀坯，用光較儀測量每片刀坯的去除厚度，取其平均值作為去除量。用干涉儀觀察、測量PCD研磨表面形態(tài)及粗糙度Rz值，采用JSM-5600LV掃描儀觀察PCD研磨表面微觀形貌。　　2試驗(yàn)結(jié)果　　1)冷卻液對(duì)去除率及表面粗糙度的影響　　PCD干研磨(研磨前砂輪修整10秒鐘，冷卻液未加在研磨區(qū))和濕研磨(研磨前砂輪修整10秒鐘，冷卻液加在研磨區(qū))兩種條件下材料去除量隨研磨時(shí)間的變化情況。試驗(yàn)時(shí)作用在試件夾頭上的法向載荷為20N?！　CD材料去除量與研磨時(shí)間的關(guān)系　　干研磨材料去除率Q干與濕研磨材料去除率Q濕的關(guān)系為：研磨初期Q干=2.54Q濕；中期Q干=1.6Q濕；穩(wěn)態(tài)期Q干=1.68µm/min，Q濕≈O。用干涉儀觀察、測量PCD表面形態(tài)及粗糙度：濕研磨時(shí)PCD表面上存在許多深凹坑，研磨130分鐘后其表面干涉條紋仍呈斷續(xù)狀態(tài)，即Rz>0.3µm，達(dá)不到鏡面要求；干研磨時(shí)表面粗糙度Rz隨研磨時(shí)間的延長而降低，其關(guān)系曲線如圖2所示。由圖2可知，研磨20分鐘時(shí)，PCD表面達(dá)鏡面(Rz≯0.05µm),且再延長研磨時(shí)間表面粗糙度基本無變化，但根據(jù)表面形態(tài)觀察結(jié)果可知，其平面度有所提高。因此，PCD鏡面加工應(yīng)采用干研磨工藝，在試驗(yàn)條件下，研磨20～30分鐘其表面可達(dá)鏡面；若對(duì)研磨表面的平面度要求較高，可適當(dāng)延長研磨時(shí)間?！　?)法向載荷對(duì)去除率的影響　　PCD干研磨時(shí)作用在試件夾頭上的法向載荷F與材料去除率Q的關(guān)系。由圖3可知，材料去除率Q隨著法向載荷F的增大而增加，且存在一個(gè)折點(diǎn)A(F=15N)，當(dāng)≤15N時(shí)，其去除率Q以較小的幅度隨著F的增大而增加，當(dāng)F>15N時(shí)，其去除率O隨著F的增大而大幅度增加?！　?結(jié)果分析及機(jī)理探討　　為了弄清產(chǎn)生上述試驗(yàn)結(jié)果的原因，需對(duì)PCD材料去除機(jī)理進(jìn)行探討。　　1)濕研磨去除機(jī)理　　濕研磨表面雖也凹凸不平，但與未研磨表面凹凸?fàn)顟B(tài)完全不同，明顯存在大量的剝落坑。這種現(xiàn)象說明PCD表面發(fā)生了脆性去除。筆者認(rèn)為其脆性去除方式是動(dòng)載脆性去除(即疲勞脆性去除)而不是靜載脆性去除。這是因?yàn)檠心顟B(tài)下法向載荷F較小(20N)，作用在PDD表面上的應(yīng)力大大低于靜載荷下產(chǎn)生裂紋的極限應(yīng)力值，因此基本不會(huì)發(fā)生靜載脆性去除。但英國學(xué)者coopr曾通過試驗(yàn)指出：金剛石在沖擊載荷的循環(huán)作用下，產(chǎn)生裂紋的應(yīng)力值大大低于所需的靜應(yīng)力。而研磨過程中PCD片承受的是交變沖擊載荷，因此將會(huì)產(chǎn)生疲勞脆性去除。濕研磨時(shí)PCD材料的脆性去除方式正是這種疲勞脆性去除。在圖5中同時(shí)還可觀察到局部平滑區(qū)，這是PCD局部發(fā)生熱化學(xué)去除的結(jié)果。因濕研磨時(shí)雖然冷卻液加在研磨區(qū)內(nèi)，PCD表面與砂輪間產(chǎn)生的摩擦熱大部分被冷卻液帶走，研磨區(qū)平均溫度較低，但仍會(huì)產(chǎn)生局部高溫接觸點(diǎn)，使此處PCD材料產(chǎn)生氧化、石墨化的熱化學(xué)去除。由此可見，PCD材料濕研磨時(shí)，其去除機(jī)理以疲勞脆性去除為主，同時(shí)存在局部的熱化學(xué)去除。　　2)干研磨去除機(jī)理　　其表面呈平滑形貌，基本無剝落坑，說明干研磨時(shí)PCD材料基本不發(fā)生疲勞脆性去除。干研磨時(shí)PCD材料去除機(jī)理應(yīng)以熱化學(xué)去除為主。這是因?yàn)楦裳心r(shí)冷卻液未加在研磨區(qū)，PCD材料表面與砂輪中金剛石磨粒間產(chǎn)生的摩擦熱只能通過PCD片和砂輪擴(kuò)散出去，所以研磨區(qū)平均溫度較高。另外，在高溫非高壓條件下，石墨或無定形碳是熱力學(xué)上碳的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，金剛石的硬度隨著溫度的升高(T>350℃)而降低，且研磨是在空氣氛圍下進(jìn)行，PCD材料表面將會(huì)發(fā)生氧化、石墨化，同時(shí)表面還會(huì)產(chǎn)生一定的硬度軟化層。同時(shí)砂輪中金剛石磨粒也將發(fā)生氧化、石墨化，產(chǎn)生硬度軟化層，但程度較輕，且磨粒硬度PCD軟化層硬度。因?yàn)楦裳心r(shí)冷卻液加在砂輪非工作層的基體上，砂輪中金剛石磨粒初始溫度較低，因此磨粒工作溫度比PCD片低；另外，磨粒瞬時(shí)通過研磨區(qū)，其保溫時(shí)間比PCD片短，有研究表明：溫度不變，金剛石燒失率隨著保溫時(shí)間呈線性增加；而且PCD材料中殘存觸媒鉆等，在高溫非高壓條件下又進(jìn)一步促使其產(chǎn)生氧化、石墨化和硬度軟化。所以，干研磨時(shí)PCD材料的熱化學(xué)去除包括PCD表面氧化、石墨化去除以及因磨粒硬度PCD軟化層硬度而產(chǎn)生一定的機(jī)械去除，由于產(chǎn)生機(jī)械去除的原因是熱作用的結(jié)果，所以在此稱為機(jī)械熱去除?！　【C上所述，由于干、濕研磨時(shí)PCD材料去除機(jī)理不同，從而導(dǎo)致干、濕研磨時(shí)材料去除率明顯不同，即Q干＞Q濕。濕研磨時(shí)材料去除機(jī)理以疲勞脆性去除為主，而干研磨時(shí)材料去除機(jī)理以熱化學(xué)去除為主，基本不發(fā)生疲勞脆性去除，所以濕研磨不能使PCD表面達(dá)到鏡面，而干研磨當(dāng)砂輪磨損到一定程度時(shí)將會(huì)使PCD表面達(dá)到鏡面。干研磨時(shí)，隨著法向載荷F的增大，研磨區(qū)溫度將升高，PCD材料更易產(chǎn)生熱化學(xué)去除，所以其去除率口隨著法向載荷F的增大而增加(見圖3)。由耶格爾的觀點(diǎn)可知：溫升與載荷F成正比。因此，材料去除率Q應(yīng)與F基本成正比，但圖3中卻存在折點(diǎn)A(F=15N)，這與耶格爾的觀點(diǎn)并不矛盾，只是以折點(diǎn)A為分界點(diǎn)，PCD材料的熱化學(xué)去除方式發(fā)生變化而已。當(dāng)F≤15N時(shí)，由于法向載荷F較小，研磨區(qū)平均溫度T＜750℃，因此其熱化學(xué)去除將以機(jī)械熱去除方式為主，以局部氧化、石墨化去除方式為輔；當(dāng)F＞15N時(shí)，研磨區(qū)平均溫度T＞750℃，其熱化學(xué)去除將同時(shí)以PCD表面氧化、石墨化及機(jī)械熱去除方式進(jìn)行，因此材料去除率遠(yuǎn)大于F≤15N時(shí)的去除率?！　纳鲜龇治隹芍褐挥懈裳心ゲ拍苁筆CD表面達(dá)到鏡面，而PCD干研磨時(shí)材料的去除機(jī)理是熱化學(xué)去除，因此可以嘗試采用價(jià)格低廉、熔點(diǎn)較高的非金剛石磨粒的砂輪進(jìn)行研磨加工，以降低PCD刀具的加工成本；干研磨時(shí)，高材料去除率必然帶來研磨后PCD表面硬度軟化加劇，這將在一定程度上影響PCD刀具的使用壽命，因此PCD表面的鏡面加工應(yīng)采用逐漸減載的干研磨工藝，既可保持較高的研磨效率，又可降低研磨后表面硬度的軟化程度。石材

科學(xué)家設(shè)計(jì)出超硬新材料
圖注：加州大學(xué)洛杉磯分?？茖W(xué)家制造出“超硬材料”二硼化錸。圖中展示的是二硼化錸的粉未形態(tài)。這些粉未是通過加熱熔爐中的元素?zé)捴贫桑涑绦蚺c電弧熔化煉丹法類似?！　?jù)報(bào)道，超硬材料的用途非常廣泛，無論是鉆探石油和修公路用的鉆頭，還是精密儀器和手表表面的抗摩涂層，都需要使用超硬材料。加州大學(xué)洛杉磯分?？茖W(xué)家開發(fā)出一種制造超硬材料的新方法，他們制造的超硬材料具有的耐摩性和抗裂性。他們的發(fā)現(xiàn)已經(jīng)刊登在4月20日出版的《科學(xué)雜志》上?！　∵@項(xiàng)研究的合著者查德·B·凱恩是加州大學(xué)洛杉磯分校無機(jī)化學(xué)、材料科學(xué)和工程學(xué)教授。他認(rèn)為，金剛石之所以是世界上硬的材料，是因?yàn)榻饎偸奶荚娱g具有極短的共價(jià)鍵。實(shí)事上，世界上所用的大多數(shù)金剛石都是人工合成的，而且價(jià)格非常昂貴。金剛石粉未可用于制造石油鉆頭、筑路機(jī)和挖山洞用的挖穴機(jī)。然而，金剛石不能用于切割鋼鐵，因?yàn)榍懈钿撹F將毀壞金剛石刀片。凱恩說，立方結(jié)構(gòu)的氮化硼是金剛石的替代品，可以用來用來切割鋼鐵，但它是在非常高的溫度和壓力條件上合成的，其價(jià)格比金剛石還要昂貴。　　超硬材料具有“超級(jí)不可壓縮性”，意思是它們具有抵抗外形變化的抗性，這正是產(chǎn)生硬度的必要條件。制造超硬材料的方法有兩種：一種是通過使用碳元素并將其與硼或氮合成在一起來仿制金剛石，從而保持較短的共價(jià)鍵；另一種是尋找具有“不可壓縮性”的金屬并設(shè)法使其堅(jiān)硬。凱恩和他的同事正在發(fā)展第二種方法。凱恩說：“我們的設(shè)想是合成一種‘不可壓縮的’金屬，這種金屬碰巧是低硬度的，但它具有可以使其變硬的短共價(jià)鍵?！眲P恩是加州大學(xué)洛杉磯分校加州納米系統(tǒng)研究院成員，該研究院鼓勵(lì)通過跨學(xué)科合作來解決納米科學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域的相關(guān)問題?！　′~是一種相對(duì)柔軟的金屬元素，是目前所知道的具“不可壓縮性”的金屬，2005年，凱恩的研究團(tuán)隊(duì)把鋨元素與短共價(jià)鍵原子合成在一起，制造出一種幾乎與金剛石同樣“不可壓縮的”材料。它是如此堅(jiān)硬，甚至可以在硬度達(dá)9級(jí)的藍(lán)寶石上劃出痕跡（硬度的劃分級(jí)別為1－10級(jí)）?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，如果我們把硼和鋨結(jié)合在一起，我們只能使鋨金屬中鋨原子的分隔距離擴(kuò)大10%，這已經(jīng)非常不錯(cuò)了；如果你想盡可能地縮小原子之間的分隔距離，就需要尋找更好的過渡金屬?！眲P恩說：“于是我們仔細(xì)搜索了所有過渡金屬以確認(rèn)是否有比鋨更好的過渡金屬，從而使膨脹系數(shù)少于10%。我們發(fā)現(xiàn)只有錸具有這種潛力，因此，我們制造出二硼化錸?！薄　″n是一種高密度、低硬度的金屬，它在元素周期表中剛好排在鋨元素的后面。“我們合成出了短共價(jià)鍵，我們只能使錸金屬中錸原子的分隔距離擴(kuò)大5%，從而使其既具有‘不可壓縮性’又非常堅(jiān)硬。錸金屬中的錸原子之間的距離僅膨脹了5%——這是這篇科學(xué)論文的關(guān)鍵。在某個(gè)方向上，二硼化錸的‘不可壓縮性’與金剛石相同，在另一個(gè)方向上，二硼化錸的‘可壓縮性’僅比金剛石稍高?！痹诘妥饔昧ο拢鸹n的硬度與立方結(jié)構(gòu)的氮化硼相等，而氮化硼是第二硬的材料。在更高的作用力下，二硼化錸的硬度僅比氮化硼稍低。凱恩稱：“我們的材料非常堅(jiān)硬，足以劃破金剛石，比二硼化鋨要硬得多?！薄　《移渌膊牧?，包括金剛石和立方結(jié)構(gòu)的氮化硼都是在昂貴的高壓條件下制造出來的。凱恩說，“我們的材料只需要通過一種簡單的程序就可以制造出來，不需要使用壓力。”在談到合作時(shí)，凱恩說，“我之所以來到加州大學(xué)洛杉磯分校，之所以喜歡這個(gè)地方，是因?yàn)闊o論你做什么，比如，以我個(gè)人來說，無論你何時(shí)想要制造一種新材料，你經(jīng)常需要你自己不具有的設(shè)備和技能。而加州大學(xué)洛杉磯分校擁有材料制造領(lǐng)域的和相應(yīng)的設(shè)備，每次我有疑問時(shí)，所有人都樂于幫助我進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并積極地與我合作?！眲P恩認(rèn)為，盡管新超硬材料有的潛力，但它們還不可能在短時(shí)間內(nèi)取代金剛石。石材

礦山原料破碎機(jī)脈沖布袋除塵器原理
選礦廠在生產(chǎn)過程中很多工藝設(shè)備上都會(huì)有粉塵產(chǎn)生，要想使選礦廠各產(chǎn)塵點(diǎn)達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)條件及排放的廢氣達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)產(chǎn)塵點(diǎn)產(chǎn)生的粉塵進(jìn)行控制，根據(jù)礦山粉塵的特點(diǎn)及性質(zhì)，當(dāng)然氣箱式脈沖布袋除塵器是理想的選擇，氣箱式脈沖布袋除塵器現(xiàn)已在全國大范圍推廣使用，均達(dá)到比較理想的運(yùn)行效果。下面我們介紹下選礦廠幾處常見產(chǎn)塵點(diǎn)粉塵治理措施及除塵設(shè)備的選擇?！　?、礦山原料破碎系統(tǒng)除塵器對(duì)原料礦、塊礦以及石灰石、白云石、鋁土、原煤等原料的破碎機(jī)或粉碎機(jī)的投料口﹑出料口、振動(dòng)篩上部以及帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)等部位設(shè)密閉裝置或集塵罩，轉(zhuǎn)運(yùn)點(diǎn)受料處宜設(shè)雙層密閉罩?！　a(chǎn)塵設(shè)備用密閉罩罩起來，或制作收塵小室，使罩內(nèi)形成均勻負(fù)壓，避免粉塵外逸，或用敞口吸氣罩形成吸捕氣流，將暴露的塵化區(qū)控制在狹小范圍內(nèi)，使攜塵氣流被吸捕抽走，通過除塵器凈化后經(jīng)排氣筒(或煙囪)排入大氣?！　?、混勻配料槽的槽上卸料車和槽下定量給料工位應(yīng)采取除塵措施。槽上卸料車產(chǎn)生的粉塵可采用移動(dòng)風(fēng)口通風(fēng)槽或車載式除塵器，或設(shè)大容積密閉罩。對(duì)槽下定量卸料裝置產(chǎn)生的粉塵宜設(shè)雙層密閉罩。對(duì)混勻配料槽揚(yáng)塵，宜設(shè)立的干式除塵系統(tǒng)，采用袋式除塵器。　　3、原煤破碎輸送除塵系統(tǒng)應(yīng)采取措施。除塵器選用袋式除塵器，除塵布袋應(yīng)具有防靜電功能;系統(tǒng)和設(shè)備應(yīng)靜電接地，并設(shè)泄爆裝置。灰斗宜采取保溫或伴熱措施。　　4、原料堆場的抽風(fēng)除塵系統(tǒng)包括礦石破碎、篩分除塵系統(tǒng)，石灰石破碎、篩分除塵系統(tǒng)，鋁礦石破碎除塵系統(tǒng)，以及煤破碎除塵系統(tǒng)等。對(duì)于產(chǎn)塵設(shè)備集中、粉塵性質(zhì)相同和工作制度相同的產(chǎn)塵點(diǎn)，盡量采用大的集中除塵系統(tǒng)，便于管理，如石灰石破碎、篩分除塵系統(tǒng)多達(dá)幾十個(gè)產(chǎn)塵點(diǎn)集中在一個(gè)大系統(tǒng)中。否則可以采用小型的分散系統(tǒng)。各種除塵系統(tǒng)中多采用干式袋式除塵器。石材