磨削硬質(zhì)合金刀具時(shí)鈷浸出機(jī)理的研究

1、    磨削硬質(zhì)合金刀具時(shí)鈷浸出機(jī)理的研究                         更新時(shí)間：2009-08-11 14:24:01               

2、             1 引言磨削液在磨削硬質(zhì)合金刀具的過(guò)程中不僅可以降低磨削溫度，而且可起到提高磨削質(zhì)量和磨削效率的作用，因此在加工中得到廣泛使用。但據(jù)近期國(guó)外文獻(xiàn)報(bào)道，在磨削硬質(zhì)合金刀具時(shí)采用磨削液有可能使硬質(zhì)合金中的鈷浸出。鈷是硬質(zhì)合金材料中的粘結(jié)劑，它的浸出將大大降低硬質(zhì)合金刀具的使用壽命；同時(shí)，磨削廢液中鈷含量過(guò)高會(huì)污染環(huán)境，對(duì)工人身體健康造成危害。因此，研究磨削硬質(zhì)合金刀具時(shí)的鈷浸出機(jī)理，尋找減少或避免刀具中鈷浸出的有效方法，具有十分重要的意義。目前

3、國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)報(bào)道這方面的研究成果。為此，我們模擬硬質(zhì)合金刀具的磨削過(guò)程設(shè)計(jì)了一系列機(jī)械試驗(yàn)，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析測(cè)定，采用微乳液介質(zhì)分光光度法測(cè)定硬質(zhì)合金刀具磨削前后磨削液中的鈷含量，用掃描電子顯微鏡對(duì)硬質(zhì)合金刀具進(jìn)行測(cè)試分析，最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果綜合推導(dǎo)了鈷浸出機(jī)理，并提出了解決問(wèn)題的初步方案。 2 模擬試驗(yàn)與分析1. 機(jī)械試驗(yàn) 通過(guò)模擬硬質(zhì)合金刀具的實(shí)際磨削過(guò)程，分別進(jìn)行了磨削試驗(yàn)、摩擦試驗(yàn)和浸泡試驗(yàn)。 a. 磨削試驗(yàn) 刀具：YG6硬質(zhì)合金刀具；砂輪：直徑?150mm，綠色碳化硅磨料，粒度46#；機(jī)床：CA6140型車(chē)床，轉(zhuǎn)速1120r/min。 試驗(yàn)時(shí)，將砂輪裝在自制芯軸上，芯軸一端卡在三爪

4、卡盤(pán)上，另一端用頂尖頂住；硬質(zhì)合金刀具固定在刀架上。磨削過(guò)程中分別使用600ml 蒸餾水、油酸三乙醇胺和三乙醇胺三種磨削液。樣品編號(hào)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。 表1 磨削試驗(yàn)數(shù)據(jù)磨削液種類(lèi)硬質(zhì)合金刀具磨削液(磨削后)磨削時(shí)間(min)磨削前磨削后試樣質(zhì)量(g)試樣質(zhì)量(g)試樣體積蒸餾水C0113.3C1113.0L1200(ml)25油酸三乙醇胺13.7C1213.3L2三乙醇胺13.0C1312.4L3由表1 可知，在相同的加工條件和磨削時(shí)間下，分別使用蒸餾水(L1)、油酸三乙醇胺(L2)、三乙醇胺(L3)為磨削液時(shí)，刀具磨損量依次增加(分別為0.3g、0.4g 和0.6g)，可見(jiàn)以三乙醇胺為添加

5、劑的磨削液磨削效率較高。磨削前、后磨削液的體積由于水分蒸發(fā)而發(fā)生變化，但不影響鈷浸出量測(cè)定。用于試驗(yàn)的三種磨削液體積相同，因此其鈷含量與浸出能力成正比。 b. 摩擦試驗(yàn) 將砂輪換成直徑?105mm、厚度30mm的鋼套，在與磨削試驗(yàn)相同的試驗(yàn)條件下，以油酸三乙醇胺為潤(rùn)滑液，用YT硬質(zhì)合金刀具與鋼套平面部分進(jìn)行摩擦。樣品編號(hào)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。表2 摩擦試驗(yàn)數(shù)據(jù) 摩擦前摩擦后摩擦?xí)r間(min)硬質(zhì)合金刀具試樣C02C1415質(zhì)量(g)80.080.0鋼片試樣F0F1磨削液試樣L4體積(ml)500150c. 浸泡試驗(yàn) 用200ml油酸三乙醇胺磨削液浸泡YG8硬質(zhì)合金刀具：經(jīng)90100水浴3

6、小時(shí)后，在常溫下浸泡15天。浸泡后溶液體積為25ml，液體樣品編號(hào)為L(zhǎng)5。經(jīng)分光光度分析，L5中鈷含量為110g/ml。2. 微乳液介質(zhì)分光光度分析 a. 儀器與試劑 儀器：721 型分光光度計(jì)。 試劑：Co(II)標(biāo)準(zhǔn)溶液：取CoCl2. 6H2O配成1g/L貯備液，再稀釋為0.1mg/ml鈷工作液；微乳液：先配制SDS(十二烷基硫酸鈉)：正丁醇：正庚烷=63:27:10(重量比)的原液，然后配成含水85%的微乳液；0.2%PAN的乙醇溶液；pH=5的HAc-NaAc緩沖溶液(上述試劑中除SDS為化學(xué)純外，均為分析純)。 b. 試驗(yàn)方法 取0.1ml鈷工作液于容量為25ml的瓶中，依次加入p

7、H=5的緩沖溶液2.0ml、PAN溶液0.7ml，用微乳液定容，搖勻。靜置210分鐘后，用721型分光光度計(jì)于波長(zhǎng)586nm處，用1cm比色皿，以試劑空白為參比測(cè)定溶液的吸光度，作出工作曲線(xiàn)。 分別取0.11ml磨削后的蒸餾水(L1)、油酸三乙醇胺(L2)和三乙醇胺(L3)，按上述方法測(cè)定鈷含量，測(cè)量結(jié)果列入表3。表3 分光光度分析結(jié)果試樣L1L2L3L4L5鈷含量(g/ml)9.3014.5023.700.70110c. 分析結(jié)果 分光光度分析結(jié)果見(jiàn)表3。 光度分析結(jié)果表明，在磨削硬質(zhì)合金刀具的過(guò)程中，三種磨削液均可使刀具中部分鈷浸出，浸出能力按由大到小順序排列分別為三乙醇胺(鈷含量23.7

8、0g/ml)、油酸三乙醇胺(鈷含量14.50g/ml)、蒸餾水(鈷含量9.30g/ml)。 光度分析結(jié)果還表明，當(dāng)硬質(zhì)合金刀具與鋼片摩擦?xí)r，使用的油酸三乙醇胺潤(rùn)滑液鈷浸出量較少(L4中鈷含量?jī)H為0.70g/ml，遠(yuǎn)小于L2中的鈷含量)；而用油酸三乙醇胺長(zhǎng)時(shí)間浸泡刀具，在常溫下即可使鈷大量浸出(L5中鈷含量達(dá)110g/ml)。3. 掃描電鏡分析 用KYKY2800 型掃描電子顯微鏡對(duì)硬質(zhì)合金刀具及鋼套表面進(jìn)行測(cè)試分析，分析結(jié)果見(jiàn)表4。表4 掃描電鏡分析結(jié)果試樣元素重量百分比(%) 原子百分比(%)C01Co5.4915.34W94.5184.66C11Co3.018.82W96.9991.18C

9、12Co2.677.92W97.3392.08C13Co2.005.87W98.0094.13C02Co5.1312.86W90.0572.31Ti4.8114.83C14Co1.432.54Fe24.9946.73W68.0238.63Ti5.5512.10F0Fe98.5397.41Mn0.350.36Al0.591.20Si0.531.04F1Co0.640.63Fe91.5895.05Mn0.550.58Al0.801.71W6.442.03由表4可知，硬質(zhì)合金刀具經(jīng)磨削后，刀具中的鈷含量減少，且采用不同磨削液時(shí)其鈷含量按蒸餾水、油酸三乙醇胺、三乙醇胺的順序遞減(由磨削前Co元素占試樣

10、重量的5.49%分別減少為3.01%、2.67%和2.00%)，表明三種磨削液對(duì)鈷的浸出能力依次遞增并以三乙醇胺最強(qiáng)，這與分光光度分析結(jié)果是一致的。此外，刀具與鋼套摩擦后，刀具中部分鈷元素?cái)U(kuò)散到鋼中(Co元素重量比由試樣C02的5.13%減少為C14的1.43%，F(xiàn)1中Co增加到0.60%)，同時(shí)鋼套中部分鐵元素?cái)U(kuò)散到刀具中(C14中Fe增至24.99%)，這驗(yàn)證了擴(kuò)散磨損的存在。3 鈷浸出機(jī)理探討根據(jù)試驗(yàn)及分析結(jié)果可作如下推論：磨削硬質(zhì)合金刀具時(shí)，刀具中鈷原子首先被空氣氧化為二價(jià)鈷Co(II)，Co(II)可與磨削液中的OH-或三乙醇胺(TEA)反應(yīng)生成配合物使鈷從刀具中浸出。由于油酸三乙醇

11、胺和三乙醇胺磨削液中TEA可與Co(II)配位，且其中的OH-濃度遠(yuǎn)大于蒸餾水，因此二者對(duì)鈷的浸出能力均強(qiáng)于蒸餾水。同時(shí)，在油酸三乙醇胺磨削液中，三乙醇胺與油酸反應(yīng)，配位能力降低，且其OH-濃度低于三乙醇胺磨削液，因此三乙醇胺磨削液對(duì)鈷的浸出能力強(qiáng)于油酸三乙醇胺。 另外，硬質(zhì)合金刀具與鋼摩擦?xí)r，硬質(zhì)合金中的部分W、Co元素會(huì)向鋼中擴(kuò)散，而鋼中部分Fe元素也會(huì)向硬質(zhì)合金中擴(kuò)散。因此磨削液中鈷含量較少。綜上所述，可得出如下結(jié)論： 1. 磨削時(shí)使用水、油酸三乙醇胺、三乙醇胺作為磨削液，均可使硬質(zhì)合金刀具中的鈷浸出，且浸出能力依次增強(qiáng)。浸出機(jī)理為 式中，Co(TEA)和Co(OH)指Co 與TEA 或OH-形成的配合物，并非具體化學(xué)式。 2. 常溫下，用含三乙醇胺的磨削液長(zhǎng)時(shí)間浸泡硬質(zhì)合金刀具可使刀具中的鈷元素浸出。 3. 硬質(zhì)合金刀具與鋼摩擦，刀具中鈷的損失形式主要為擴(kuò)散磨損。根據(jù)上述結(jié)論，為減少硬質(zhì)合金刀具磨損，避免