CONSIDERATII PRIVIND UZURA DISCURILOR DIAMANTATE LA RECTIFICAREA OXIDULUI DE ZIRCONIU

CONSIDERATII PRIVIND UZURA DISCURILOR DIAMANTATE LA RECTIFICAREA OXIDULUI DE ZIRCONIU

Introducere

Dezvoltarea rapida a ceramicii de performanta, ale carei excelente proprietati electrice, mecanice, chimice si termice o impun in mai toate domeniile de varf ale industriilor, a condus la o crestere exponentiala a volumului pe piata mondiala. Pentru executarea pieselor ceramice se intreprind cercetari in scopul reducerii operatiilor de executie si a costurilor prelucrarii.

Pentru usurarea studierii proceselor care intervin in timpul uzarii, s-au propus diferite clasificari a tipurilor de uzura in raport cu alte fenomene care au loc in timpul rectificarii materialelor ceramice. O clasificare generala, aplicabila in cazul granulelor extradure din stratul activ al sculelor aschiea toare cuprinde urmatoarele tipuri de uzura:

-uzura abraziva (sau prin microaschiere). Uzarea de abraziune nu se limiteaza numai la diamant, ci se extinde si la stratul de liant invecinat, ceea ce are drept rezultat desprinderea granulelor.

-uzura de adeziune. Mecanismul uzarii de adeziune a diamantului actioneaza la solicitari mecanice si temperaturi ridicate si se caracterizeaza prin aparitia taisului de depunere pe muchiile si suprafetele aschietoare, precum si prin 'craterizarea' acestora.

-uzura de coroziune. Uzura de coroziune a diamantului se recunoaste la microscop prin netezirea si respectiv rotunjirea fetelor si muchiilor granulelor datorita fenomenelor de oxidare, grafitizare si difuzie, fenomene care insotesc solicitarile mecanice. Aparitia uzurii de coroziune este favorizata de temperaturile relativ mari din zona de lucru, temperaturi care apar la viteze periferice mari ale discului diamantat

-uzura de oboseala (a structurii cristaline a grauntilor de diamant). Acest tip de uzura, apare datorita solicitarilor ciclice la care este supusa granula de diamant (microsocuri) si se manifesta prin spargerea granulei de diamant, mecanism ce poate imbunatati procesul de aschiere (prin aparitia de noi muchii aschietoare; autoascutire)

Intr-un proces de rectificare se intalnesc majoritatea acestor tipuri principale de uzura, insa la un moment dat, actiunea unuia poate deveni preponderenta, viteza acestuia depasind pe cea a celorlalte procese de uzare.

Lucrarea isi propune sa analizeze principalele tipuri de uzura care pot sa apara la prelucrarea unui material ceramic pe baza de oxid de zirconiu.

Caracteristicile materialului prelucrat

Epruvetele de prelucrat sunt obtinute utilizand pulbere ceramica de oxid de zirconiu (ZrO₂), pulbere produsa de Céramique Industrielles-Saint Gobain, Franta. Caracteristicile sale fizico-chimice sunt urmatoarele:

• umiditate la 100 °C
• pierderea la foc intre 100 si 1000°C
• suprafata specifica m²/g
• granulometrie d10(µm) - 0.22    d50- 0.54 d90 - 1.05

Analiza chimica % in greutate

• SiO₂-0.05; Na₂O-0.02; CaO-0.02; MgO-0.06
• Fe₂O₃-0.023;    TiO₂-0.06; Al₂O₃-0.18; Y₂O₃-8.0

Pulberile sunt compactate prin presare biaxiala la o presiune de 400 MPa sub forma unor placute paralelipipedice. Acestea sunt    ulterior sinterizate la o temperatura de 1600 °C timp de 5 ore. In urma tratamentului termic se obtin placute paralelipipedice avand dimensiunile 80 x 80 x 10 [mm]. Ele sunt lipite cu ajutorul unui chit termoplastic pe o placa suport de otel, placa care va fi fixata pe masa magnetica a masinii de rectificat. Forma si dimensiunile placii suport de otel au fost alese astfel incat pe acestea sa poata fi lipite 8 placute de ZrO₂

Metodologia experimentarii

Partea principala a instalatiei utilizate la studierea procesului de rectificare a materialelor ceramice cu ajutorul discurilor diamantate, consta dintr-o masina universala de rectificat tip Tacchella Machine 6 AP.

Discul diamantat de tipul 1A1 175-10-3 (conform STAS 12034-81 sau standardizarea Federatiei Europene a Producatorilor de Abrazivi, este montat pe axul capului de rectificat prin intermediul unor flanse speciale, fiind in continuare echilibrat, indreptat si dezvelit. Pentru realizarea discurilor de rectificare au fost utilizate diamante sintetice cu granulatii diferite (D64, D107 si D181), tipul mediu friabil (DSD-M), diamante neacoperite. Concentratia de diamante utilizata a fost C75. Diamantele au fost inglobate intr-un liant metalic de tipul Bz 335.

Programele experimentale P1,P2 si P3 in care : X1=Vd, X2=Vp, X3=t,cu valorile naturale :

• Vd=16/24.7/32 [m/s]
• Vp=9/11/13 [m/min]
• t=0.05/0.075/0.11 [mm].

Asupra esantioanelor studiate s-au facut observatii cu microscopul electronic si optic. Acestea au fost realizate cu ajutorul cercetatorilor de la Institutul de Cercetari Nucleare Pitesti.

Discurile diamantate au fost supuse unor observatii microscopice atat inaintea inceperii prelucrarilor cat si dupa fiecare prelucrare, astfel incat au fost puse in evidenta principalele tipuri de uzura atat asupra granulelor abrazive cat si asupra liantului.

Rezulatele experimentarii

Pentru elucidarea problemelor referitoare la mecanismele de uzura care se manifesta asupra discurilor diamantate, au fost realizate cercetari asupra stratutului activ al discului, cu ajutorul microscopului optic cu diferite mariri.

In figura 1 este prezentata o imagine de suprafata de liant si o imagine de granula de diamant incastrata in alveola respectiva. Din figura se observa forma poligonala a granulei de diamant, cu fete bine formate, fara neregularitati pronuntate. Forma poligonala a granulei, determina prezenta mai multor suprafete si taisuri, orientate dupa diferite unghiuri, ceea ce conduce la o foarte buna retentie a granulei de diamant in masa de liant metalic in timpul prelucrarii materialelor ceramice studiate.

De asemenea, din analiza figurii, poate fi identificata usor directia de rectificare si existenta in fata granulei a unei zone a liantului care este mai puternic uzata decat cea din spatele granulei (aparitia unui con de liant asemanator din punct de vedere grafic cu coada unei comete). Acest lucru se datoreaza faptului ca zona de liant din spatele granulei este protejata impotriva uzarii in procesul de rectificare de catre aceasta.

In figura 2 sunt supuse atentiei imagini de granula pentru identificarea fenomenelor ce se produc la rectificarea materialelor ceramice.

Figura 2.a) si 2.b), prezinta imagini ale aceleiasi granule, obtinute prin focalizari diferite: figura 2.a) prin focalizare la nivelul varfului granulei de diamant, iar figura 2.b) prin focalizare la nivelul stratului de liant. Astfel se pot observa doua mecanisme diferite de uzura. In figura 2.b), se poate observa ca liantul din jurul granulei abrazive s-a uzat, aceasta uzura avand drept urmare, slabirea legaturilor de retentie ale granulei in masa de liant si deci pierderea granulei prin smulgere in timpul procesului de rectificare.

Daca observam suprafata granulei (figura 2.a), remarcam uzarea abraziva a muchiilor aschietoare ale granulei de diamant, fenomen manifestat prin tocirea (rotunjirea) muchiilor granulei. Cele doua fenomene de uzura se observa foarte bine si in imaginile prezentate in figura 2. c) si d).

Un alt mecanism de uzura observat asupra discurilor diamantate utilizate, este uzura de oboseala (figura 3.), fenomen care se manifesta prin fragmentarea granulei de diamant. Acest fenomen apare mai rar, si se manifesta cu precadere la utilizarea unor regimuri de aschiere mai intense. Uzura de oboseala apare datorita solicitarilor ciclice ale granulei (microsocuri) care actioneaza asupra granulelor care sunt bine fixate in masa de liant. In aceste situatii, datorita regimurilor de lucru mai intense, solicitarile cresc foarte mult, ceea ce va conduce la spargerea ei.

De multe ori, acest proces poate fi benefic procesului de rectificare, deoarece prin spargerea granulei avem de-a face cu un mecanism de autoascutire, astfel incat vor rezulta noi muchii aschietoare, care vor usura procesul de rectificare.

Atunci cand stratul de liant din jurul granulei de diamant se uzeaza foarte mult, scade capacitatea de retentie a acestora in stratul de liant. Sub actiunea solicitarilor aparute in procesul de rectificare, granulele abrazive sunt smulse de pe suprafata activa a discului diamantat, proces in urma caruia suprafata activa capata aspectul unei suprafete netede, presarate cu mici cratere (figura 4.).

c)    d)

Figura 2.    Imagini ale suprafetei active a discului diamantat dupa operatia de rectificare

Acest fenomen este specific, discurilor diamantate cu liant metalic la a caror fabricatie au fost utilizate diamante de tipul 'bloc', caracterizate printr-o tenacitate sporita si o friabilitate mai redusa.

Din analiza figurilor prezentate se poate concluziona ca uzura dominanta in cazul discurilor diamantate utilizate la prelucrarea materialelor ceramice studiate este uzura de abraziune a liantului din jurul granulelor abrazive, urmata de smulgerea granulelor de diamant. Aceasta ar putea fi combinata cu uzura abraziune si uzura de coroziune care se manifesta la nivelul granulei de diamant, forme de uzura care se pot usor confunda, intrucat ambele tipuri se manifesta prin netezirea si respectiv rotunjirea fetelor si muchiilor granulelor, datorita fenomenelor de oxidare, grafitizare si difuzie, fenomene care insotesc solicitarile mecanice.

Figura 3. Imagini ale suprafetei active a discului diamantat

Figura 4. Imagini ale suprafetei active a discului diamantat dupa operatia de rectificare

Concluzii

In urma analizei acestor observatii se pot trage urmatoarele concluzii:

-granulele de diamant utilizate la fabricarea discului diamantat, sunt de tip mediu friabil, avand forma poligonala bine conturata, dar exista si unele dintre granulele de diamant care nu au o forma poligonala foarte buna (probabil sunt sparturi de cristale de tip bloc);

-forma principala de uzura care se manifesta in timpul prelucrarii materialelor ceramice studiate, este uzura de abraziune a liatului, fenomen ce conduce la dezvelirea granulelor de diamant pe o inaltime care nu mai asigura retentia acestora in stratul activ, acest fenomen avand drept urmare smulgerea granulelor din masa de liant ;

-uzura de abraziune se manifesta si la nivelul granulelor de diamant, avand drept consecinta rotunjirea muchiilor aschietoare si deci inrautatirea conditiilor de prelucrare;

-in mai mica masura a fost observata si uzura de oboseala, care se datoreaza solicitarilor ciclice la care sunt supuse granulele abrazive si care se manifesta prin sfaramarea granulei de diamant. Uneori, acest fenomen poate fi benefic, intrucat constituie o reascutire a sculei, prin spargere, obtinandu-se noi muchii aschietoare, insa fenomenul nu este specific discurilor abrazive diamantate cu liant metalic.

Bibliografie

1. Marinescu I. D., Aspecte tribologice ale procesului de rectificare cu discuri diamantate, Tehnologii, Calitate, Masini, Materiale, 1988, Nr. 4, pag. 169-178

2. Marinescu I. D., Diamantul si aplicatiile lui, Editura Tehnica, Bucuresti, 1985

3. Rizea A., Contributii la studiul prelucrabilitatii prin aschiere a unor materiale compozite cu matrice ceramica- Cercetari preliminare privind prelucrabilitatea prin aschiere a materialelor compozite cu matrice ceramica, al-II-lea referat al tezei de doctorat, U. P. Bucuresti, 2000

4. Rizea A., Contributii la studiul prelucrabilitatii prin aschiere si a proprietatilor electrice a unor materiale ceramice, teza de doctorat, U. P. Bucuresti, 2002