軟磨料對(duì)電積鈷表面油污去除機(jī)制研究

(蘭州理工大學(xué)有色金屬先進(jìn)加工與再利用省部共建國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甘肅蘭州 730050)

鈷是一種重要的戰(zhàn)略金屬資源，是制造高溫合金、硬質(zhì)合金、磁性合金和含鈷化合物的重要原料，被廣泛用于原子能、航天、電子等工業(yè)領(lǐng)域[1-2]。此外，鈷在化學(xué)工業(yè)中還可用作催化劑、油漆和油墨的干燥劑、陶瓷底漆、油漆和塑料的顏料等。

目前，國內(nèi)鈷的制備一般采用從溶液中沉積到陰極上的電積鈷的方式。電積鈷在后期成型階段，通過機(jī)械剪裁形成40 mm × 40 mm × 7 mm的鈷塊，因剪板機(jī)剪裁過程中需采用切削油，切削油在剪裁過程中會(huì)接觸鈷塊造成產(chǎn)品的污染，造成產(chǎn)品合格率下降[3]。針對(duì)鈷塊表面切削油的清洗，主要采用乳液溶解或復(fù)合有機(jī)清洗液溶解。乳液溶解指使用復(fù)配含有兩親性物質(zhì)的水基或油基型乳液對(duì)樣品進(jìn)行處理。復(fù)合有機(jī)清洗液指使用不同復(fù)配的有機(jī)溶液對(duì)切削油組分依次溶解。然而采用以上化學(xué)清洗方法會(huì)導(dǎo)致鈷表面的二次污染。

為實(shí)現(xiàn)鈷表面油污染的有效清除，同時(shí)避免鈷塊表面的二次污染，可基于研磨或拋光的原理[4]，采用軟磨料摩擦鈷塊表面的物理方法清除鈷表面的油污。本文作者以鋸末或稻殼為磨料，在滾筒攪拌清洗機(jī)上對(duì)帶有油污染的鈷塊進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)；通過觀察金相組織以及摩擦磨損后鈷塊表面的微觀結(jié)構(gòu)和表面形貌，考察鋸末或稻殼對(duì)油污染鈷塊磨損性能的影響，揭示軟磨料磨損的本質(zhì)，為鈷塊表面油污的無污染去除提供一種新方法。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試樣和磨料的制備

試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)剪裁的電積鈷試樣，規(guī)格為40 mm×40 mm×7 mm，其質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.8%。污染鈷塊表面沾有切削油，其表面形貌如圖1所示。試驗(yàn)彩的磨料分別為干燥的原生態(tài)鋸末和經(jīng)過清洗曬干后的稻殼，其中鋸末原料經(jīng)自然風(fēng)干、曝曬 1天后，經(jīng)過人工挑揀和風(fēng)選的方式剔除大木塊、小石塊等雜質(zhì)。稻殼主要由有機(jī)成分組成，其中主要有22%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)木質(zhì)素、35%纖維素、20%粗灰分。

圖1 油污染電積鈷塊Fig 1 Oil contaminated cobalt bulk

1.2 試驗(yàn)設(shè)備和方法

選用與滾筒清洗機(jī)工況相似的HJW-30型攪拌式磨料磨損試驗(yàn)機(jī)，工作原理如圖2所示。影響材料清洗的因素有許多，如壓力、溫度、速度、比例及性質(zhì)[5]。為考察轉(zhuǎn)速的影響，對(duì)該磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行改造，增加變頻器來調(diào)節(jié)試驗(yàn)機(jī)轉(zhuǎn)速。將鋸末或稻殼與被污染的鈷塊按不同體積比通過入料口倒入筒體內(nèi)，通過變頻電機(jī)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，考察在不同體積比和不同轉(zhuǎn)速下鈷表面油污被去除干凈的時(shí)間。采用精度為0.1 mg的分析天平稱量鈷塊磨損前后的質(zhì)量，計(jì)算磨損量。

圖2 磨料磨損試驗(yàn)機(jī)原理圖Fig 2 Principle diagram of wear test machine

試驗(yàn)首先分別測量不同磨料在不同體積比例和不同轉(zhuǎn)速下對(duì)油污染鈷塊清除效果的影響，并分析確定出最佳試驗(yàn)條件。然后，在最佳試驗(yàn)條件對(duì)油污染鈷塊進(jìn)行清洗試驗(yàn)，用精度為0.1 mg的分析天平測量清洗前后鈷塊的質(zhì)量損失[6]，并用掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)觀察清洗后鈷表面形貌。

2 結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)條件對(duì)去油效果的影響

2.1.1 鈷塊與磨料體積比的影響

磨料鋸末或稻殼與油污染鈷塊的體積比分別采用2∶1、3∶1、4∶1及5∶1，在固定轉(zhuǎn)速為42 r/min條件下進(jìn)行磨料磨損試驗(yàn)，測得油污染鈷塊被清洗干凈的時(shí)間，結(jié)果如表1所示。

表1 磨料與油污染鈷塊體積比對(duì)鈷塊磨損試驗(yàn)時(shí)間的影響Table 1 Effect on wear test time of cobalt block by the volume ratio of abrasives and oil contaminated cobalt block

由表1可以看出:在相同的轉(zhuǎn)速下，不同磨料體積比時(shí)完成清洗油污染鈷塊的時(shí)間存在差異，磨料鋸末或稻殼所占的比例越大，清洗時(shí)間越短；磨料比例為4∶1與5∶1時(shí)清除油污所用的時(shí)間相差不大，故磨料比例為4∶1時(shí)去油效果已達(dá)到最佳；在相同比例下，稻殼去油污染時(shí)間比鋸末少。

2.1.2 轉(zhuǎn)速的影響

取磨料與油污染鈷塊的體積比為4∶1，在不同轉(zhuǎn)速下進(jìn)行磨料磨損試驗(yàn)，測得油污染鈷塊被清洗干凈的時(shí)間，結(jié)果如表2所示。

表2 轉(zhuǎn)速對(duì)油污染鈷塊磨損試驗(yàn)時(shí)間的影響Table 2 Effect on wear test time of oil contaminated cobalt block by rotation speed

由表2可以看出:磨料與油污染鈷塊的體積比為4∶1時(shí)，轉(zhuǎn)速越小，油污染鈷塊清洗速度越快，當(dāng)轉(zhuǎn)速小到某一值時(shí)，去油污效果基本不變；相同轉(zhuǎn)速下，稻殼去油污染時(shí)間明顯比鋸末少。

2.1.3 磨料的影響

從清洗試驗(yàn)結(jié)果表1和表2可以看出：轉(zhuǎn)速為17 r/min，磨料與油污染鈷塊的體積比為4∶1時(shí)，對(duì)油污染鈷塊清洗效果最好，用時(shí)最少。采用該優(yōu)化試驗(yàn)條件，考察不同磨損試驗(yàn)時(shí)間下2種磨料對(duì)油污染鈷塊的磨損質(zhì)量損失如表3所示。可知，在相同時(shí)間下，稻殼作為磨料比鋸末作為磨料有更好的去鈷表面油污染的效果。

表3 不同試驗(yàn)時(shí)間下2種磨料的磨損試驗(yàn)結(jié)果Table 3 Results of wear tests for two abrasives at different test time

2.2 磨損形貌及磨損機(jī)制分析

圖3所示為油污染鈷塊分別被鋸末和稻殼清洗去油時(shí)表面磨損形貌SEM照片。2種磨料對(duì)鈷塊表面磨損的形貌基本相同，都出現(xiàn)了不同深度的犁溝，并在犁溝周圍出現(xiàn)一定量由疲勞造成的剝落碎片。可見，鋸末和稻殼對(duì)鈷塊表面油污的去除是顯微切削和疲勞磨損2種磨損機(jī)制共同作用的結(jié)果，但2種磨料所呈現(xiàn)的磨損程度不同，其形貌與摩擦損失的質(zhì)量相符合。

圖3 2種磨料對(duì)鈷磨損后的表面磨損形貌SEM照片F(xiàn)ig 3 SEM morphology of cobalt surface after wear by two abrasives(a)sawdust;(b)rice hull

由圖3(b)可以明顯看到：以稻殼為磨料時(shí)，鈷表面的犁溝現(xiàn)象比較明顯，因疲勞而剝落的凹坑少，表明此時(shí)主要以顯微切削為主，伴有疲勞磨損機(jī)制。這是因?yàn)榈練ぷ陨磔^硬，并且形狀相對(duì)規(guī)則，有較強(qiáng)的耐磨性，在磨料磨損的過程中，稻殼的尖角部分更容易刺入材料表面進(jìn)行切削，因此鈷塊磨損表面磨痕均勻明顯。

顯微切削類似于刀刃器具在金屬材料表面的切削加工，鋸末及稻殼磨料類似于鋸齒，反復(fù)作用于鈷表面，逐層切削[7-8]，最終使得鈷塊表面油污得以清除，并在鈷表面形成犁溝。因?yàn)榈練ぶ杏休^高的硅含量，故其較為堅(jiān)硬，耐磨性能好，這是其發(fā)生切削的主要原因。如圖4所示，在磨料摩擦磨損過程中，作用在磨粒上的力pz可分為解為切向力px和法向力py[9]。在py作用下，鋸末或稻殼的小顆粒刺入鈷表面的油中；與此同時(shí)，切向力px使磨粒沿表面向前推進(jìn)，隨著磨粒的姿態(tài)和取向與前進(jìn)方向適當(dāng)，磨粒就會(huì)出現(xiàn)類似刀具的前角向前滑行[10]，如此隨機(jī)反復(fù)對(duì)鈷表面油污進(jìn)行微切削，最后直至對(duì)鈷表面也進(jìn)行顯微切削形成犁溝。

圖4 顯微切削模型Fig 4 Micro-cutting model

由圖3(a)可以明顯看到：以鋸末為磨料時(shí)，鈷塊表面由于疲勞剝落形成的凹坑比較明顯，而犁溝不是很明顯，表明此時(shí)主要以疲勞磨損為主，伴有顯微切削作用。

由于磨料與鈷表面的接觸是不連續(xù)的，在彈性限度內(nèi)，每次產(chǎn)生微小的應(yīng)力，作用物體內(nèi)部會(huì)留下劃痕，這種痕跡積累起來就變?yōu)槠谀p的本源[11]。也就是說，由于摩擦而作用于鈷表面油污的摩擦應(yīng)力，反復(fù)作用，使鈷表面的油污因疲勞而脫落[12]。疲勞磨損的應(yīng)力狀態(tài)較為復(fù)雜，其磨損過程中產(chǎn)生裂紋或表面破壞，如圖5所示。稻殼或鋸末與油污染鈷塊之間的實(shí)際接觸面積只占很小部分，在滾筒摩擦的過程中磨料產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫作用與鈷表面粗糙峰介于塑性狀況，黏著與滑動(dòng)摩擦交替進(jìn)行，黏著點(diǎn)經(jīng)過反復(fù)作用逐漸脫落[13-14]。另一方面，當(dāng)磨料沿鈷表面運(yùn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)?shù)練せ蜾從┑睦饨遣粔蜾J利或者前進(jìn)方向有偏差時(shí)，磨粒就會(huì)對(duì)鈷表面油污進(jìn)行推擠而使油污逐層脫落[15]。在此機(jī)制作用下，待鈷表面油污完全去除后，因循環(huán)變化的接觸應(yīng)力的作用，會(huì)留下由于材料疲勞剝落而形成的凹坑。由于鋸末材料自身硬度不高，對(duì)材料表面的切削效果不明顯，因而此時(shí)鈷表面油污的脫落實(shí)際上是材料的疲勞機(jī)制。

圖5 2種磨料對(duì)鈷表面摩擦產(chǎn)生的破壞Fig 5 Surface damage produced by different abrasives (a)sawdust;(b)rice hull

3 結(jié)論

(1)相同轉(zhuǎn)速時(shí)，磨料與油污染鈷塊的體積比越大，除去鈷表面油污染的效果越好；相同磨料與油污染鈷塊的體積比時(shí)，轉(zhuǎn)速越小，除去鈷表面油污染的效果越好；相同轉(zhuǎn)速和磨料體積比下，稻殼去除油污染的效果比鋸末好。

(2)影響鈷表面油污染去除效果的外部因素由大到小依次為轉(zhuǎn)速、磨料類型和磨料與油污染鈷塊體積比。轉(zhuǎn)速為17 r/min，磨料與油污染鈷塊體積比為4∶1，磨料采用稻殼時(shí)，鈷塊油污去除效果最好。

(3)鋸末對(duì)鈷表面油污的磨料磨損去除是以多周期重復(fù)疲勞機(jī)制為主，并伴隨有顯微切削機(jī)制；而稻殼對(duì)鈷表面油污的去除是以顯微切削機(jī)制為主，伴有疲勞磨損機(jī)制。