含草酸磨具在大理石抛光中的作用.pdf

第10卷第3期1996年9月山东建材学院学报JOURNAL O F SHANDONG I NSTITUTE O F BUI LD I NG MATERI ALSVol110 No13Sep.1996收稿日期:1995112128修改稿收到日期:1996103130含草酸磨具在大理石抛光中的作用郭 柏 林(武汉工业大学机械工程系,武汉,430070)摘要用扫描电镜、电子探针、化学分析等方法对含草酸磨具在抛光大理石中的作用进行了研究,分析了抛光作用机理。关键词含草酸磨具;抛光;作用中图法分类号TU 564在含草酸磨具中,磨料为白刚玉,草酸以固态掺杂于磨具中。这种含草酸抛光磨具最先国外引进,在抛光大理石中,比其它抛光方法效率高,板面质量好,光泽度大为提高,是一种较理想的抛光磨具。本文对其抛光作用机理进行了分析探讨。1磨粒的机械研磨作用由于磨粒硬度(白刚玉摩氏硬度为9,显微硬度为1196101021551010Pa)大于大理石板面硬度(方解石摩代硬度为3,实测被试验板材显微硬度为11081091157109Pa),因而在抛光过程中,硬的磨粒对软的板面存在机械研磨作用。大理石在精磨之后再施行抛光,精磨后其表面已初显平整,但微观上仍呈凹凸不平。含草酸磨具中的磨粒在磨具上处于固结状态,磨粒在磨具表面上的分布高度不一致。抛光时,磨具平面始终紧贴加工面。由于抛光时被加工材料去除量很小,其机械研磨作用主要表现为冲撞、剪切和滑擦。冲撞作用主要发生在抛光的初始阶段。当磨粒在板面上作滑擦运动,遇到板面高凸峰时发生冲撞、剪切,高凸峰材料沿解理面或微裂隙处脆性断裂而去除。这种过程的持续,使高凸峰变小,粗糙度降低。滑擦在整个抛光过程中都存在,只是随着板面趋向于平滑,磨粒变细,其作用越来表1大理石抛光前后重量表大理石品名秋景秋景雪浪雪花白抛前光泽度16232419抛后光泽度9010496105抛前重?g10251239801251059102932132抛后重?g10251099801141058194932121重量差?mg14011080110注:称重前均经80恒温干燥1小时越弱,擦痕越来越细。图1是抛光过程中(光泽度为75度)板面上呈现的擦痕,图2是抛光至120度时,板面的微细擦痕。由于存在机械研磨作用,对抛光前后的板材经干燥后精密称量,发现抛光后板材重量有所减轻,见表1。1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/图1抛光面(光泽度75度)上的擦痕(扫描电镜1511K)图2抛光面(光泽度120度)上的擦痕和熔融磨粒(扫描电镜1513K)2温度作用211抛光时的热现象及物理现象抛光过程中,在摩擦点处几乎所有的能量,通过材料的变形或是磨料和工件的摩擦,转变成热能1。由于石材导热性能差,摩擦面间的热能不能迅速传导出去,因而在接触处产生较高的温度。经过对抛光面电子扫描图象研究,发现有呈熔融态的磨粒(图2),这证明接触点处的瞬时温度是很高的(白刚玉主要成分为氧化铝,而氧化铝熔点是2045)。根据资料,这种局部高热点情况,也是可能出现的2。对抛光前后表面作X能谱分析时,发现局部抛光面铝元素含量(25139%)高于抛光前含量(2147%)。铝元素含量增高,是由于留在板面上的白刚玉涂斑(图3右边)和少量粘附或嵌压磨粒(图3左图3抛光面(光泽度75度)上的磨粒涂斑和嵌压磨粒(扫描电镜013K)边)所致。白刚玉涂斑的产生是由于发生磨粒熔融或由于塑性变形粘附在板面所引起的,而白刚玉由于只有一个滑移面(001),两个滑移方向,滑移数目少,其塑性变形受到严格限制,在900以下不能发生塑性变形,只有在高温时才能发生,从而也说明高热点的出现是存在的。在高温下,板材强度下降。布莱隆等研究了压缩的方解石单晶的变形,当温度升高时,临界分剪应力减少,从25时2116108Pa减到600时的7135106Pa3。因此,板面摩擦热点在磨具磨粒的较高压力作用下(图3左边显示嵌压在板面内的磨粒被压碎,这53第3期郭柏林:含草酸磨具在大理石抛光中的作用 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/说明作用在磨粒上的压力是较高的),产生塑性变形,使微细的凹坑被凸出部分的塑性变形移动所填平。图1的擦痕底面平滑,边缘规则,无崩碎现象,显示出塑性变形状态。图3板面的压坑形状与磨粒轮廓啮合,说明磨粒是在板面塑性变形状态下嵌入的。板面表层产生的塑性变形,使位错密度增大,从而使抛光后表层硬度提高。对抛光前后板面同一点进行显微硬度测量,其数据如表2所示。表2 板面显微硬度值单位:Pa大理石品名雪 花 白雪 花 白秋景雪浪雪浪抛光前硬度1108109112110911341091157109113109抛光后硬度11311091148109114710911771091156109从表2可知,抛光后表层 显 微 硬 度 平 均 提 高 了2137108Pa。212抛光中在板面上产生的吸附效应在固体表面上,原子和分子处于不平衡状态,这就导致固体表面与周围介质(气体、液体或固体)的原子或分子相互间迅速起反应4。当两相物质在界面上接触时,发生吸附。在高温下,主要发生化学吸附,吸附分子与吸附剂之间发生电子交换,被吸附原子的电子壳层改变,固体表层的电子密度也明显改变5。在摩擦热点上,原子或分子处于活化作用特别大的不稳定状态,化学吸附最易在摩擦热点处产生。由于化学吸附一方面使表层电子密度改变,有效载流子数目亦改变;另一方面表层吸附有吸附分子,使得表面性质改变,从而引起表层电导变化。对无草酸磨具抛光法、毛毡一草酸介质抛光法及含草酸磨具抛光法三种抛光方式,检测相应抛光前后大理石同一表面的表面电阻率,其数据如表3所示。表3表面电阻率(8)大理石品名秋景秋景雪浪抛光方式无草酸磨具含草酸磨具毛毡草酸表面电阻率抛光前516110811561096179109抛光后光泽度100光泽度100光泽度100719210911981094116109注:测试环境条件:温度25,湿度80%,电压(DC)100V,实验所用大理石中矿物经X衍射分析主要为碳酸钙,抛光磨块结合剂为酚醛树脂在周围环境条件一定的情况下,影响表面电阻率的因素有表面性质、表面形貌。对测试结果分析,可知不同抛光方法,电阻率改变趋势并不一致,从而可知表面形貌在这里只起次要作用,主要因素是表面性质的改变。对于无草酸磨具抛光法,抛光后的表面电阻率比抛光前要大出一个数量级。这是由于抛光面上吸附有磨具中的高分子有机物,由于高分子内部没有自由电子和离子,不具有离子性和电子性的导电能力。对于直流电来说,高分子化合物是优良的绝缘体6,从而对表面电阻率改变的趋势起了主要作用。对于毛毡草酸抛光,由于表层吸附有草酸根离子以及草酸钙(见312部分),这些吸咐物与大理石物理性质有差异,从表面电阻率。而对于含草酸磨具抛光,则是上述两类抛光现象的组合。63山东建材学院学报第10卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/3草酸介质的作用311化学溶解作用抛光大理石时,草酸主要与方解石、白云石发生化学反应。方解石在草酸溶液中分解生成白色草酸钙结晶沉淀,其反应方程式为:CaCO3+H2C2O4=CaC2O4+CO2+H2O生成的草酸钙是最不溶解的草酸盐,在草酸溶液中仅微溶。白云石在草酸溶液中生成胶凝状镁盐和草酸钙,其反应方程式为:H2C2O4+M gCO3CaCO3M gC2O4+CaC2O4+CO2+H2O草酸镁在酸性溶液中易溶解,形成络离子7M gC2O4+C2O2-4=M g(C2O4)22+对含草酸磨具抛光液作化学分析,溶液中钙、镁离子含量如表4所示。表4 抛光液中钙、镁离子含量mg?L大理石品名雪浪离子Ca2+M g2+含量22182015抛光过程中,板面由于摩擦发热,促进了反应的进行。化学反应最易在板面微凸体峰尖上进行,因为峰尖上的微粒相当于晶体的顶角或棱边,具有较大的活化能。此外凸峰部分酸的浓溶液更新较凹谷部分更容易,使CaCO3等以离子形式进入溶液的速度,凸峰部分大于凹谷部分。从而凸峰部分比凹谷部分溶解得更快更多些,使凸峰高度降低,板面趋于平整。312吸附效应对同一板材的抛前和抛后表面作X能谱分析,其钙、镁元素含量如表5。表5 表层化学元素含量(W t%)大理石品名雪浪元素Ca2+M g2+抛光前861947142抛光后951393166该板材经X衍射分析,主要矿物为方解石、白云石。从表5可以看出,抛光后表层钙含量增高,镁含量下降。这是因为草酸钙是最不溶解的草酸盐,其溶解度小于草酸镁。因为固体在溶液中较易吸附溶解度小的溶质8,从而草酸钙易于被板面吸附。而草酸镁在酸性溶液中溶解成络离子,随冷却水带走,从而出现了抛光后钙、镁元素之间量的差异。从抛光液化学分析表4中可知,尽管每升溶液中钙离子的绝对量比镁离子略多,但从表5知所试验大理石中钙元素数量占绝大多数,故钙离子的相对量比镁离子要少,从而也证明了前述论点。Paneth Hahn和Fajans在研究吸附现象时发现,若离子能晶体点阵中符号相反的离子形成难溶解或弱离解的化合物,则此种离子易为此种晶体强烈吸附8。已知草酸根离子(C2O2-4)能与碳酸钙晶体中的Ca2+离子形成难溶的草酸盐,从而草酸根离子也易被板面吸附。草酸钙和草酸根离子最易在摩擦热点处(凸峰及邻近的凹谷处)吸附,凸峰处的吸附物处于不断去和形成的交替过程,而凹谷处的吸附物则处于不断形成增厚的过程,因而对改善板面的平整度也起了一定的作用,提高了抛光质量。另一方面由于吸附物的性73第3期郭柏林:含草酸磨具在大理石抛光中的作用 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/质与板面性质不同,使板面的物理性质也发生了变化。从表3可知,当用草酸作为唯一抛光介质时,抛光后表面电阻率下降。313缓蚀剂作用大理石板材中的Fe2O3在板面受到风化时,易生成锈斑,影响装饰板外观质量。抛光时,草酸与Fe2O3反应,形成易溶于水的铁盐,其反应式为9:6H2C2O4+Fe2O3=2H3Fe(C2O4)3+3H2O在冷却水的冲洗下,生成的铁盐被带走,从而减少了板面Fe2O3含量,提高了板面质量的耐久性。4结论含草酸磨具对大理石抛光的作用为:(1)磨粒的机械研磨作用和磨粒作用下的塑性变形作用。机械研磨作用主要表现为对微凸体的冲撞、剪切和滑擦。塑性变形作用是在摩擦点处的高温和局部高压作用下,板面微凸体产生塑性变形,使凹凸部分趋向平整。(2)化学溶解及吸附作用。草酸溶液使大理石表层微凸体溶解,加速了抛光过程。而生成物草酸钙及磨具中的高分子化合物被吸附在大理石表面,起到了部分填充作用,增加了板面的平滑度。(3)草酸还充当缓蚀剂,增强了板面质量的耐久性。参考文献1M.C Shaw.New Developments in Grinding.Carnegie Press19722浙江大学编 硅酸盐物理化学 北京 中国建筑出版社19803 法A1 尼可拉斯 变质岩的晶质塑性和固态流变 林传勇译 北京 科学出版社19854 苏 1B克拉盖尔斯基 摩擦磨损计算原理 汪一麟译 北京 机械工业出版社19865 美A1W亚当森著 表面的物理化学 顾场人译 北京 科学出版社19856浙大普化教研室编 普通化学 北京 人民教育出版社19787张彀编 岩石矿物分析 北京 地质出版社19848李世丰编 物理化学 北京 高教出版社19849陈寿椿编 重要无机化学反应 上海 上海科技出版社1982ACTI ON OF ABRASIVE TOOL W ITH OXAL ICACI DES IN POL ISHINGMARBLEGuo B ailin(Dept.ofM echanical Engineering,W uhan U niversity of Technology)AbstractThe action of the abrasive toolw ith oxalic acides in polishing marble hasbeen studied bymeans of scanning electron m icroscope,electron probe,chem ical analysisand so on.The mechanism of polishing has been discussed.Key wordsabrasive toolw ith oxalic acides;polishing;action83山东建材学院学报第10卷 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.All rights reserved.http:/