磨削硬質(zhì)合金刀具時鈷浸出機理的研究

發(fā)布日期：2012-08-29    蘭生客服中心    瀏覽：3343


1 引言


磨削液在磨削硬質(zhì)合金刀具的過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)近期國外文獻報道，在磨削硬質(zhì)合金刀具時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，磨削廢液中鈷含量過高會污染環(huán)境，對工人身體健康造成危害。因此，研究磨削硬質(zhì)合金刀具時的鈷浸出機理，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。目前國內(nèi)尚未見報道這方面的研究成果。為此，我們模擬硬質(zhì)合金刀具的磨削過程設(shè)計了一系列機械試驗，并對試驗結(jié)果進行了分析測定，采用微乳液介質(zhì)—分光光度法測定硬質(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硬質(zhì)合金刀具進行測試分析，最后根據(jù)試驗結(jié)果綜合推導(dǎo)了鈷浸出機理，并提出了解決問題的初步方案。

2 模擬試驗與分析



  1. 機械試驗
    通過模擬硬質(zhì)合金刀具的實際磨削過程，分別進行了磨削試驗、摩擦試驗和浸泡試驗。

    1. 磨削試驗
      刀具：YG6硬質(zhì)合金刀具；砂輪：直徑Ø150mm，綠色碳化硅磨料，粒度46#；機床：CA6140型車床，轉(zhuǎn)速1120r/min。
      試驗時，將砂輪裝在自制芯軸上，芯軸一端卡在三爪卡盤上，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。樣品編號及試驗數(shù)據(jù)見表1。






































      表1 磨削試驗數(shù)據(jù)
      磨削液種類 硬質(zhì)合金刀具 磨削液
      (磨削后)      		 磨削
      時間
      (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 C01 13.3 C11 13.0 L1 200
      (ml)      		 25
      油酸三乙醇胺 13.7 C12 13.3 L2
      三乙醇胺 13.0 C13 12.4 L3

      由表1 可知，在相同的加工條件和磨削時間下，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，刀具磨損量依次增加(分別為0.3g、0.4g 和0.6g)，可見以三乙醇胺為添加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定。用于試驗的三種磨削液體積相同，因此其鈷含量與浸出能力成正比。

    2. 摩擦試驗
      將砂輪換成直徑Ø105mm、厚度30mm的鋼套，在與磨削試驗相同的試驗條件下，以油酸三乙醇胺為潤滑液，用YT硬質(zhì)合金刀具與鋼套平面部分進行摩擦。樣品編號及試驗數(shù)據(jù)見表2。
































      表2 摩擦試驗數(shù)據(jù)
        摩擦前 摩擦后 摩擦時間(min)
      硬質(zhì)合金刀具 試樣 C02 C14 15
      質(zhì)量(g) 80.0 80.0
      鋼片 試樣 F0 F1
      磨削液 試樣 — L4
      體積(ml) 500 150

    3. 浸泡試驗
      用200ml油酸三乙醇胺磨削液浸泡YG8硬質(zhì)合金刀具：經(jīng)90～100℃水浴3小時后，在常溫下浸泡15天。浸泡后溶液體積為25ml，液體樣品編號為L5。經(jīng)分光光度分析，L5中鈷含量為110µg/ml。

  2. 微乳液介質(zhì)—分光光度分析

    1. 儀器與試劑
      儀器：721 型分光光度計。
      試劑：①Co(II)標準溶液：取CoCl2. 6H2O配成1g/L貯備液，再稀釋為0.1mg/ml鈷工作液；②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；③0.2%PAN的乙醇溶液；④pH=5的HAc-NaAc緩沖溶液(上述試劑中除SDS為化學純外，均為分析純)。

    2. 試驗方法
      取0.1ml鈷工作液于容量為25ml的瓶中，依次加入pH=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型分光光度計于波長586nm處，用1cm比色皿，以試劑空白為參比測定溶液的吸光度，作出工作曲線。
      分別取0.1～1ml磨削后的蒸餾水(L1)、油酸三乙醇胺(L2)和三乙醇胺(L3)，按上述方法測定鈷含量，測量結(jié)果列入表3。

















      表3 分光光度分析結(jié)果
      試樣 L1 L2 L3 L4 L5
      鈷含量(µg/ml) 9.30 14.50 23.70 0.70 110

    3. 分析結(jié)果
      分光光度分析結(jié)果見表3。
      光度分析結(jié)果表明，在磨削硬質(zhì)合金刀具的過程中，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23.70µg/ml)、油酸三乙醇胺(鈷含量14.50µg/ml)、蒸餾水(鈷含量9.30µg/ml)。
      光度分析結(jié)果還表明，當硬質(zhì)合金刀具與鋼片摩擦時，使用的油酸三乙醇胺潤滑液鈷浸出量較少(L4中鈷含量僅為0.70µg/ml，遠小于L2中的鈷含量)；而用油酸三乙醇胺長時間浸泡刀具，在常溫下即可使鈷大量浸出(L5中鈷含量達110µg/ml)。

  3. 掃描電鏡分析
    用KYKY2800 型掃描電子顯微鏡對硬質(zhì)合金刀具及鋼套表面進行測試分析，分析結(jié)果見表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(%)
    C01 Co 5.49 15.34
    W 94.51 84.66
    C11 Co 3.01 8.82
    W 96.99 91.18
    C12 Co 2.67 7.92
    W 97.33 92.08
    C13 Co 2.00 5.87
    W 98.00 94.13
    C02 Co 5.13 12.86
    W 90.05 72.31
    Ti 4.81 14.83
    C14 Co 1.43 2.54
    Fe 24.99 46.73
    W 68.02 38.63
    Ti 5.55 12.10
    F0 Fe 98.53 97.41
    Mn 0.35 0.36
    Al 0.59 1.20
    Si 0.53 1.04
    F1 Co 0.64 0.63
    Fe 91.58 95.05
    Mn 0.55 0.58
    Al 0.80 1.71
    W 6.44 2.03

    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%)，表明三種磨削液對鈷的浸出能力依次遞增并以三乙醇胺最強，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，刀具中部分鈷元素擴散到鋼中(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%)，同時鋼套中部分鐵元素擴散到刀具中(C14中Fe增至24.99%)，這驗證了擴散磨損的存在。

3 鈷浸出機理探討


根據(jù)試驗及分析結(jié)果可作如下推論：磨削硬質(zhì)合金刀具時，刀具中鈷原子首先被空氣氧化為二價鈷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-濃度遠大于蒸餾水，因此二者對鈷的浸出能力均強于蒸餾水。同時，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鈷的浸出能力強于油酸三乙醇胺。
另外，硬質(zhì)合金刀具與鋼摩擦時，硬質(zhì)合金中的部分W、Co元素會向鋼中擴散，而鋼中部分Fe元素也會向硬質(zhì)合金中擴散。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。浸出機理為

    1

    式中，Co(TEA)和Co(OH)指Co 與TEA 或OH-形成的配合物，并非具體化學式。
  2. 常溫下，用含三乙醇胺的磨削液長時間浸泡硬質(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，避免刀具中鈷元素的浸出，減少環(huán)境污染，實現(xiàn)綠色制造，作者建議：①研制三乙醇胺的替代品以抑制磨削液對鈷的浸出作用。②使用含三乙醇胺的磨削液磨削硬質(zhì)合金后，應(yīng)及時將硬質(zhì)合金碎屑從磨削廢液中分離，避免長時間浸泡而使鈷浸出。

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