正交試驗(yàn)分析稀土對陶瓷砂輪磨削性能的影響①

梁蕓亭，趙干生，栗正新

（1.河南工業(yè)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450007；2.白鴿集團(tuán)，河南 鄭州 450007）

1 前言

稀土元素由于具有特殊的電子層結(jié)構(gòu)，因而在性能上有其特殊性，是良好的表面活性元素，可以改善材料的潤濕性能，可以降低陶瓷材料的熔點(diǎn)，提高砂輪的硬度［1］。本文主要研究了三種稀土氧化物對砂輪磨削比和噴砂硬度的影響，確定三種稀土氧化物合適的添加配比，為砂輪添加稀土提供一定的依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)方法

結(jié)合劑基礎(chǔ)配方為粘土40%、長石45%和硼玻璃15%。稀土氧化物的添加采用正交試驗(yàn)法，因素水平表見表1。制作的磨具特征標(biāo)記為：1A1100×20×20WA F46。另外對不添加任何稀土氧化物的砂輪，與添加稀土氧化物的砂輪進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比和研究［2］。

將經(jīng)過修整后的陶瓷磨具，安裝在MA6025型萬能工具磨床上進(jìn)行磨削試驗(yàn)，加工對象為45號鋼，進(jìn)行斷續(xù)平面磨削。砂輪轉(zhuǎn)速為29m／s，計算磨除的工件體積和砂輪的損耗體積來計算砂輪的磨削比。砂輪的磨削比越大，表明砂輪的耐磨削性越好，砂輪的磨削效率也就越高［3］。

表1 因素水平表Table 1 Factor－level table

在砂輪噴砂硬度機(jī)上測量磨具的噴砂硬度，用凹坑的深度來表示磨具的硬度。凹坑越深，則表示磨具硬度越低，凹坑越淺則表示硬度越高。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

陶瓷結(jié)合劑中正交法添加的稀土氧化物對砂輪性能的好壞，本實(shí)驗(yàn)通過雙指標(biāo)進(jìn)行評定，即綜合平衡法。綜合平衡法是，先對每個指標(biāo)分別進(jìn)行單指標(biāo)的直觀分析，得到每個指標(biāo)影響因素的主次順序和最佳水平組合，然后根據(jù)理論知識和實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對各指標(biāo)的分析結(jié)果進(jìn)行綜合比較和分析，得出較優(yōu)方案［4］。

砂輪磨削比和噴砂坑深雙指標(biāo)正交分析見表2。

表2 試驗(yàn)結(jié)果分析Table 2 Analysis of test results

3.1 正交趨勢圖

與單指標(biāo)實(shí)驗(yàn)的分析方法相同，先對各指標(biāo)分別進(jìn)行直觀分析，得出因素的主次和較優(yōu)方案如上表2。依據(jù)表2畫出各因素與各指標(biāo)的趨勢圖，如圖1～圖6。

圖1 氧化鑭對磨削比的影響Fig.1 Influence of La2O3on grinding ratio

圖2 氧化鈰對磨削比的影響Fig.2 Influence of CeO2on grinding ratio

圖3 氧化釔對磨削比的影響Fig.3 Influence of Y2O3on grinding ratio

圖4 氧化鑭對噴砂坑深的影響Fig.4 Influence of La2O3on depth of the sandblasting pit

圖5 氧化鈰對噴砂坑深的影響Fig.5 Influence of CeO2on depth of the sandblasting pit

圖6 氧化釔對噴砂坑深的影響Fig.6 Influence of Y2O3on depth of the sandblasting pit

從圖1～圖3看出稀土氧化物的含量對磨具磨削比的影響并非越多越好。三種稀土氧化物在1%到5%之間都存在一個最大值，即3%。

從圖4～圖6看出噴砂硬度隨氧化鑭含量的增加而減小；氧化鈰含量在3%時硬度最低，在1%和5%時相差不大；氧化釔含量在3%噴砂硬度最大，5%時硬度比1%時大。

3.2 優(yōu)方案的確定

正交試驗(yàn)的目的在于分析各因素、各水平對實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響，從而挑選最優(yōu)的實(shí)驗(yàn)方案。對于不同的指標(biāo)而言，不同因素的影響程度不一樣；而不同指標(biāo)所對應(yīng)的優(yōu)方案也是不同的，下面通過綜合平衡法進(jìn)行分析，以得到最優(yōu)方案。具體平衡過程如下。

La2O3因素：對于兩指標(biāo)來說，La2O3都是最主要的因素，磨削比的優(yōu)方案需要的水平數(shù)為3%，而噴砂深度則為1%，但La2O3取1%、3%相差不大，并且磨削比是較重要指標(biāo)，所以可以確定該因素的水平數(shù)為3%。

CeO2因素：該因素為最次要的因素，對指標(biāo)的影響最小。雖然兩指標(biāo)中水平數(shù)不相同，但本著降低實(shí)驗(yàn)成本原則，確定1%為該因素的水平。

Y2O3因素：該因素為較次要因素，對兩指標(biāo)來說，都以3%為最佳水平，所以取3%。

綜合以上的分析，優(yōu)方案為3%La2O33%Y2O31%CeO2，即為6號配方砂輪。

本正交試驗(yàn)不考慮各因素間的交互作用，但從數(shù)據(jù)分析可知，交互作用對噴砂硬度影響最小，但對磨削比影響最大，看來各因素、各水平間存在不可忽略的交互作用，需要做進(jìn)一步的研究，可能還有提升實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的潛能。

4 結(jié)果討論

未添加稀土氧化物的砂輪其磨削比為16.51，噴砂坑深為2.86mm。與正交實(shí)驗(yàn)的砂輪對比看，除1、3和9號配方的砂輪的磨削比低于未加稀土砂輪外，其它配方的砂輪均高于未添加稀土砂輪，4號配方的磨削比比未添加稀土砂輪高一倍以上。而添加稀土氧化物結(jié)合劑砂輪的噴砂坑深都要比未添加稀土砂輪小，即添加稀土氧化物后的砂輪硬度要高于沒有添加的砂輪。添加稀土氧化物的砂輪的磨削比有較大的提高。

加入陶瓷結(jié)合劑中的稀土氧化物Y2O3、CeO2和La2O3可以促進(jìn)Al2O3與SiO2、CaO等的化學(xué)反應(yīng)，稀土氧化物傾向于分布在基體顆粒的表面，并且易于形成低熔點(diǎn)液相，加上顆粒之間的毛細(xì)作用，促使顆粒間的物質(zhì)向孔隙處填充，從而降低孔率，提高致密度，使磨粒和結(jié)合劑的結(jié)合更緊密，從而提高砂輪的硬度。所以砂輪的磨削性能得到一定改善［5］～［6］。

但磨具的硬度并非與磨具的磨削比成正比的關(guān)系。磨具的磨削性不僅與磨具硬度有關(guān)系，它還與磨具組織，磨粒粒度，結(jié)合劑種類和磨削液等有很大的關(guān)系。如磨具組織越緊密，磨具中的氣孔越少，干磨時磨削熱不易排散，容易造成堵塞和熱損傷降低磨具的磨削比。因?yàn)橄⊥裂趸锏奶砑訉?dǎo)致氣孔率的減少，所以出現(xiàn)了1、3和9號配方磨削比小于未添加稀土砂輪。而未添加稀土砂輪的噴砂坑深較大，即磨具噴砂硬度較低，但其磨削比并不是很低。所以磨具磨削比的影響因素較多，磨具的磨削比和噴砂硬度之間并非線性關(guān)系，正像試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示的結(jié)果一樣。

從正交試驗(yàn)表中，發(fā)現(xiàn)空列的極差大于三種稀土氧化物的影響作用，這可能是實(shí)驗(yàn)過程中的誤差或稀土氧化物間的交互作用造成的，所以需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)才能確定空列極差大的緣由。

5 結(jié)論

1.添加稀土氧化物能顯著提高砂輪的磨削比和噴砂硬度，但從經(jīng)濟(jì)效益考慮，6號配方即3%La2O33%Y2O31%CeO2為砂輪的最優(yōu)添加配方。

2.磨具的磨削性不僅與磨具硬度有關(guān)系，它還與磨具組織，磨粒粒度，結(jié)合劑種類，氣孔率有很大關(guān)系。所以硬度高的砂輪磨削比不一定高，磨具的磨削比和噴砂硬度之間并非線性關(guān)系。

［1］李長龍，李國彬，吳玉會.稀土對切玻璃金剛石鋸片切削性能的影響［J］.金剛石與磨料磨具工程，2003（6）.

［2］劉炳基.陶瓷磨具制造［M］.中國磨料磨具工業(yè)總公司.

［3］陳劍飛，邱家修，鄒文俊.磨削加工學(xué)［M］.鄭州：河南科學(xué)技術(shù)出版社，1994.11.

［4］張鐵茅，丁建國.試驗(yàn)設(shè)計與數(shù)據(jù)處理［M］.兵器工業(yè)出版社，1990.

［5］郭瑞松，郭多力，齊海濤，陳玉如，楊正方，袁啟明.添加稀土氧化物對氧化鋁復(fù)相陶瓷性能的影響［J］.硅酸鹽學(xué)報，2002，30（1）.

［6］K.Sato，H.Yugami，T.Hashida.Effect of rare earth oxides on fracture properties of ceria ceramics［J］.Journal of Materials Science，2004，39（18）：5765－5770.