Процессы, протекающие в изделиях во время обжига и охлаждения

Процессы, происходящие в кругах в результате нагрева и охлаждения, вызывающие расширение и сжатие последних, принято называть термомеханическими процессами.

Если рассматривать абразивный круг как твердое тело, в котором возникает разность температур, то вследствие различного термического расширения в нем будут возникать напряжения, вызывающие упругие деформации. Более нагретые участки при этом будут испытывать сжатие, так как близкие к ним холодные участки не дадут нагретым расширяться при подъеме температуры.

Предельные скорости нагрева и охлаждения, «С/ч, и время выдержки, ч, для кругов различных типоразмеров Таблица 3. 2 8.

Холодные участки, наоборот, оказываются растянутыми под влиянием расширения соседних, более горячих участков.

При нагревании или охлаждении тела снаружи (передача тепла от горячего к холодному), что имеет место при обжиге и остывании абразивных кругов, внешние слои круга будут нагреты больше, чем внутренние, а при остывании внутренние слои будут остывать медленнее наружных, разность температур при этом будет тем меньше, чем выше температуропроводность круга.

Вследствие разности температур между внешними и внутренними частями тела (круга) в последнем возникают напряжения, значение которых зависит от целого ряда термомеханических свойств абразивно-керамической смеси, из которой изготовлен круг.

Если напряжения по их величине превзойдут прочность черепка круга, то в этом месте черепок разрушится — образуется трещина.

К числу основных термических характеристик абразивно-керамических смесей следует отнести: коэффициент термического расширения, модуль упругости, температуропроводность и другие характеристики, значения которых не могут не влиять на образование внутренних напряжений, возникающих в нагреваемом или охлаждаемом изделии — круге.

Значения указанных характеристик и методы их определения приведены в гл. 4.

Здесь следует остановиться лишь на вопросе изменения этих показателей с изменением температуры. Характер изменения коэффициента линейного расширения с изменением температуры образца из белого электрокорунда зернистости 46, твердости С1 и структуры 6, заформованного из смеси, приготовленной на одной из плавящихся связок с увлажнителем растворимым стеклом, показан на рис. 3.50.

Изменение модуля упругости с повышением температуры представлено на рис. 3.51. Из графика видно, что модуль упругости образцов абразивно-керамических смесей падает с возрастанием температуры. Такое явление имеет весьма существенное значение для выбора скорости подъема температуры при термообработке изделий (кругов). Скорость обжига (нагрева) изделий в связи с этим может увеличиваться с повышением температуры, не влияя при этом на величину напряжений. При понижении температуры (остывании) наблюдается обратная картина — модуль упругости возрастает и, следовательно, возрастают термические напряжения в круге. Температуропроводность абразивно-керамических смесей падает с повышением температуры. Теплопроводность мелкозернистых смесей (№ 220) значительно меньше крупнозернистых (№ 46), поэтому нагрев и охлаждение мелкозернистых изделий (кругов) всегда должны.

Рис. 3.50. Характер изменения коэффициента линейного расширения с температурой образца из абразивно-керамической смеси:

I — а при подъеме температуры; 2— а при охлаждении.

Рис. 3.51. Характер изменения модуля упругости абразивно-керамических образцов, изготовленных на различных связках, в зависимости от температуры:

1 — обожженные образцы; 2— высушенные образцы проходить медленнее крупнозернистых, чтобы избежать больших перепадов температур между внешними и внутренними слоями изделия.

Однако не только указанные характеристики влияют на величину внутренних напряжений. Существенное влияние оказывают также скорость нагревания и размеры изделия. Чем скорость нагревания или охлаждения будет больше, тем больше будут и разности температур между внутренними и внешними его слоями, следовательно, тем больше величина напряжений.

При нагревании, а также при охлаждении абразивных кругов возникают радиальные напряжения G_r, расположенные вдоль радиуса круга, и тангенциальные ((/,), расположенные перпендикулярно радиусу. Радиальные напряжения сравнительно невелики и не имеют такого значения, как тангенциальные. Большие по значению тангенциальные напряжения могут привести к образованию у периферии и у центра круга трещин, располагающихся в зоне действия этих напряжений.

На рис. 3.52 показан характер распределения напряжений в круге при одностороннем нагревании. По оси ординат отложены значения К, а по оси абсцисс отложен радиус нагретого круга {К — некоторая постоянная величина, зависящая от формы, размеров изделия и местоположения в нем точки, в которой определяются напряжения). Как видно из графика, характер распределения тангенциальных и радиальных напряжений различен, а абсолютные значения тангенциальных напряжений больше, чем радиальных.

На рис. 3.53 показан характер распределения напряжений при двухстороннем нагревании круга диаметром 900 мм с отверстием диаметром 305 мм.

При сравнении двух приведенных графиков обращают на себя внимание весьма заниженные абсолютные значения К в круге диаметром 900 мм, обогреваемом одновременно снаружи и из центра. Это обстоятельство указывает на целесообразность применения двухстороннего обогрева, при котором значение напряжений будет всегда меньше, чем при одностороннем нагревании.

При нагревании изделий сначала происходит удаление остатков влаги и разложение клеящих увлажнителей (декстрина). Это приводит к некоторому.

Рис. 3.52. Характер распределения напряжений в круге 400 х Л х 50 при одностороннем нагревании:

• 1— радиальные напряжения G^
• 2— тангенциальные напряжения G,

Рис. 3.53. Характер распределения напряжений в круге 900 х Л х 305 при двухстороннем нагревании:

/— радиальные напряжения <7_Г;

2— тангенциальные напряжения G_t

снижению прочности изделий, особенно в интервале температур 450−750 °С. Указанный период является наиболее опасным участком подъема температуры, так как при быстром подъеме температуры в круге могут возникнуть внутренние напряжения, большие значения которых в малопрочных изделиях могут привести к образованию трещин. Дальнейший подъем температуры вызывает постепенное расплавление жидкого стекла и связки, что приводит изделие в размягченное пластичное состояние. Напряжения, возникающие в круге, при этом не сохраняются, а гаснут за счет перераспределения вещества круга. Быстрый подъем температуры в этом периоде при обжиге любых абразивных кругов (корундовых — благодаря пластичному состоянию, карборундовых — благодаря высокой теплопроводности) не вызывает опасений в отношении внутренних напряжений. Длительность этого периода определяется временем, необходимым для взаимодействия связки с абразивным зерном.

Период повышения температур от 750 °C до конечной температуры обжига характерен тем, что среда в этом периоде должна быть нейтральная или окислительная.

Указанное обстоятельство вызвано необходимостью исключить возможность получения в процессе обжига дефектных изделий — зауглсроженных и с черными пятнами. Проведение обжига изделий в восстановительной среде (газы с большим содержанием СО) не может обеспечить удаления продуктов разложения карбида кремния, которые образуются именно в указанной зоне температур.

По достижении конечной температуры обжига обычно производится выдержка при этой температуре в целях выравнивания ее во всем объеме изделия. При этом происходит, как говорят, «провар связки», т. е. окончание процесса стеклообразования или спекания (в зависимости от того, какая связка применена).

Конечная температура обжига и длительность выдержки при конечной температуре зависят от свойств связки и абразивного зерна и характеризуются такими численными значениями времени, при которых изделия получаются при прочих равных условиях максимально высокой прочности.

После окончания выдержки наступает охлаждение изделий, вызывающее нарастание вязкости связки, приводящее к тому, что масса изделия из пластичного состояния переходит в твердое. Этот переход может вызвать в изделиях возникновение «постоянных» напряжений, образующихся вследствие разности температур между внешними (более холодными) и внутренними (более горячими) частями круга. При этом внешние участки будут стремиться сократиться сильнее внутренних, внутренние же участки будут сжаты и, в свою очередь, будут растягивать внешние.

В отличие от постоянных напряжений, которые остаются в круге, могут возникнуть и так называемые временные, исчезающие при выравнивании температуры.

Если значение постоянных напряжений относительно велико и превосходит прочность круга, то последний при выравнивании в нем температуры дает трещину. Если же постоянные напряжения будут меньше прочности круга, то при выравнивании температуры трещины не возникнет, однако оставшиеся.

Рис. 3.54. Характер распределения напряжений в круге 400 х Л х 50 при одностороннем охлаждении: /— радиальные напряжения С?_г;

2— тангенциальные напряжения G,

напряжения (которые иногда называют остаточными) могут вызвать в остывшем круге его разрушение (разрыв, трещину) под влиянием иногда даже незначительных температурных колебаний окружающей среды или незначительных механических воздействий на него. Таким образом, наличие в круге остаточных напряжений снижает его механическую прочность.

Если охлаждение изделий рассматривать как процесс, противоположный нагреванию, то распределение напряжений в круге, при его охлаждении, графически может выглядеть как зеркальное изображение кривых напряжений при нагревании (см. рис. 3.52 и рис. 3.54).