涂附磨具磨料及粒度详谈

涂附磨具磨料及粒度杂谈--赵新立

加入收藏 字号：大 中 小 【打印】 2011-05-26 来源：《中国涂附磨具》 2010 第1期

随着中国经济的高速发展，涂附磨具在我国的发展是迅猛的。从手工使用的、品种单一的张页式砂布砂纸，到现在使用的纸、布、复合基、钢纸、无纺布等基材，到砂页、砂卷、砂带、异型制品的砂盘、砂页盘、砂页轮等等，众多的品种构成现代的、完善齐全的涂附磨具加工体系。这一发展过程仅仅用了不到三十年的时间，特别是近十几年来，涂附磨具生产企业更是蓬勃发展，在市场强劲需求的带动下，现在用于转换为砂带的全树脂涂附磨具产品的产量已经超过三千万平方米。

涂附磨具的高速发展形势是客观的，在涂附磨具的磨削主体——磨料上也进入了新的发展时期。过去涂附磨具常用的磨料如棕刚玉、白刚玉、黑碳化硅等“焕发青春”，新品种磨料层出不穷，如锆刚玉、陶瓷刚玉、煅烧刚玉、半脆刚玉乃至CBN、人造金刚石等，还有空心球磨料、堆积磨料、软木磨料、混合磨料等新的组合，等等这些，都为涂附磨具注入新的活力。

可以这样讲，磨料是涂附磨具的灵魂。

回顾涂附磨具的定义：涂附磨具是用粘结剂将磨料粘附在可挠曲的基材上制成的磨具。

从涂附磨具的定义就可以确定涂附磨具的结构：

由图看出，涂附磨具在绝大多数情况下是一种单层磨料的磨具，其性能是由各个部分综合决定的。现代涂附磨具生产工艺除了对于磨料、植砂密度的要求外，对基材、粘结剂的要求是极为严格的。

从涂附磨具的结构上得出：涂附磨具可以理解为具有众多磨粒构成的多刀多刃的刀具。

涂附磨具的磨粒是均匀的分布在基材表面的，基本上是单层分布。涂附磨具表面的磨粒有很好的等高排列，特别是现代化的涂附磨具生产采用静电植砂工艺，保证了磨料的尖角朝外，磨料定向排列。涂附磨具表面磨粒的定向排列和等高性，是涂附磨具保持磨削的高效率和冷态磨削的重要因素。

涂附磨具的磨削具有弹性的、高效的、冷切削的磨削特点，广泛应用于：

①大型的平面厚、薄板材，包括金属带材的加工；

②大批量生产的各种金属、非金属工件的加工；

③复杂型面工件的成型磨削与抛光；

④各种直径的金属管、棒、辊材的外圆磨削、弯曲面磨削、内圆磨削等；

⑤利用页轮或筒型砂套可以替代抛光轮的抛光； ⑥盘状产品用于大型壳体、箱体、船体、桥梁等的磨焊缝、去毛刺、大面积除锈等方面，高效、方便、安全。

针对涂附磨具使用的广泛性和发展的趋势，下面我们对涂附磨具用磨料及粒度组成进行一些探讨。

——棕刚玉

我们知道固定炉冶炼的棕刚玉适用于涂附磨具，α-Al2O3晶体粗大，适用于涂附磨具，而倾倒炉生产的棕刚玉适用于固结磨具，α-Al2O3晶体细小，适用于固结磨具。

传统观念认为固定炉冶炼的磨料用于涂附磨具，倾倒炉冶炼的磨料用于固结磨具较好。根据对不同晶体大小和结构在不同应用中的研究，固定炉生产的棕刚玉冷却缓慢，棕刚玉晶体大，得到多为球状晶体，晶体尺寸大约为1000—2000μm；倾倒炉生产的棕刚玉快速冷却，晶体小，得到微晶化的晶体，晶体尺寸大约为300—500μm。对于过去的经验和认识，我们总结如下：固定炉冶炼的棕刚玉晶体大，坚固而难以压碎，更适合于涂附磨具，因为寿命相对更长；同理，固定炉冶炼的棕刚玉更适合于粗砂，因为它可以抗更高的磨削压力。倾倒炉生产的棕刚玉晶体细化，更适合于生产固结磨具，易于破碎自锐；适合于做细砂，因为容易破碎，避免刮痕。

随着我们对涂附磨具磨削过程的深入认识，我们认识到轻型涂附磨具多使用晶型大的磨料，磨料的自锐性不突出，产品耐用；而重负荷涂附磨具则恰恰相反，磨料易于微晶处破碎自锐，形成微脱落，磨削效率高，产品寿命长，不易烧伤工件。

涂附磨具使用的棕刚玉主要成分是α—Al2O3，还含有TiO2、MgO、SiO2、Fe2O3等成分，外观呈棕色或棕褐色，硬度较高，韧性好。但是棕刚玉中的TiO2存在显得尤为关键，TiO2能使晶型细化，增加磨料韧性，一般用途的涂附磨具其磨料中TiO2含量为1.5~1.7%，而重负荷涂附磨具所使用磨料其TiO2含量为2.5~3.0%。

TiO2含量可以在棕刚玉煅烧后进行粗略判断。TiO2在1100℃以下是棕色，而在1200℃以上是兰色，通过煅烧后颜色来判断TiO2含量：浅兰色为1.5%左右，一般兰色为2.2~2.4%，深兰色为2.7%以上。

——煅烧磨料

现在在涂附磨具用磨料上有一个发展是煅烧处理。磨料的煅烧处理是将磨料放置在窑炉内，以一定温度加热适当的时间，以达到提高磨料的机械物理性能的过程。温度一般为800——1300℃，温度如超过1300℃，强度反而会降低。

煅烧处理对刚玉磨料有较明显效果。煅烧处理的目的是：消除磨料颗粒存在的微裂纹和磨料的反常膨胀，煅烧温度500~600℃；清除磨料中的杂质；消除磨料颗粒在加工过程中产生的静电感应，煅烧温度1000℃以下；使磨料晶型细化，要求温度1200℃左右。

煅烧处理的作用之一是消除磨料的反常膨胀。什么叫磨料的反常膨胀呢？棕刚玉磨料在冶炼过程中，大多数的杂质可以分离，少量杂质仍然分布在刚玉熔块中，其中有低价的氧化钛（Ti2O3、TiO）和钛的非氧化物（TiC、TiN），它们在400～600℃下会进一步氧化，体积相应增大，使磨料的体积变化超过了它本身的正常膨胀，这称为磨料的反常膨胀。磨料的反常膨胀会使棕刚玉陶瓷砂轮在烧成时，表面出现网状裂纹，造成废品。煅烧处理是清除反常膨胀的最有效的手段，这是由于钛的低价氧化物和非氧化物在煅烧时会氧化成稳定的高价氧化物——金红石（TiO2）。

提高磨料韧性是煅烧处理的另一个作用。一般认为这首先由于固熔于刚玉晶体内的Ti+3氧化而引起晶格收缩，TiO2能使晶型细化，从而提高了磨粒的抗压强度；

煅烧还会弥补加工过程中产生的微裂纹及晶体内的微小缺陷；同时消除了磨拉在加工过程中所造成的内应力。

另外煅烧还会去除表面杂质。 有文献指出，磨料经煅烧后，显微硬度将提高10％左右，韧性提高10％。试验表明，棕刚玉磨料经煅烧处理后涂附磨具磨削能力提高20%——30％。

磨料经煅烧处理，还能提高其亲水性。这是由于磨粒表面杂质被清除，低熔点物质被烧掉，磨粒表面毛细管现象增加的缘故。

磨料经煅烧后，亲水性现象将提高约3.5倍。表1是很早前二砂测试磨料经650～700℃煅烧15分钟后，亲水性高度增加的情况。由于煅烧磨料亲水性增加，粘结剂的粘结强度会增加，由煅烧磨料制成的涂附磨具使用寿命也提高。

表1 煅烧对磨料亲水性的影响

磨料 A120# A46#

时间min 3 5 10 20 30 3 5 10 20 30

亲水性高度

mm 未煅烧 50 64 85 105 126 46 48 48 49 50

煅烧 118 149 200 256 300 119 139 157 167 167

煅烧处理还会使磨料色泽发生变化，棕刚玉由棕色变为深蓝色；同时由于一部分铁质与刚玉混合粒胀裂，易被磁选掉，从而提高了磁选效果。

棕刚玉磨料煅烧时会使磨粒烧结为“结合粒”，带来麻烦，必须重新破碎和整形。这是由于磨粒表面低熔杂质熔融的缘故。

磨料的煅烧处理可以在1000℃以下，磨料的磨削性能也能得到较大的提高。煅烧温度在1200℃以上，得到蓝化刚玉，TiO2在高温下转化成蓝色。与棕刚玉相比，煅烧刚玉强度高，磨削性能好，部分替代锆刚玉。

——半脆刚玉

化学成分是决定磨料性能的主要指标之一，磨料的化学成分对磨料的物理、化学、机械性能有决定的作用，即使化学成分有微小的变化，其性能可能会产生很大的差异。刚玉也不例外，化学成分的不同极大地影响了磨料的性质。白刚玉由于比棕刚玉含Al2O3成分高，硬度高于棕刚玉，性脆，具有良好的切削性能，适于磨削如淬火钢、合金钢、工具钢等。其它化学成分的存在和数量也极大地影响刚玉的性质。棕刚玉中TiO2含量增加，将使刚玉韧性增加。白刚玉中Na2O含量是极为有害的，因生成的ß－Al2O3结晶硬度低，切削性能差，易破碎，应严格控制其含量。如在白刚玉冶炼过程中加入Cr2O3、ZrO2等，即制成铬刚玉、锆刚玉等，可以改善白刚玉的性能，提高其韧性。

半脆刚玉实际上应理解为半不脆的刚玉。半脆刚玉的化学成分：Al2O3 96.5%~97.5%，还对TiO2、SiO2、Fe2O3、MgO等成份有要求。

半脆刚玉在晶形上、晶体尺寸有区别，固定炉冶炼的磨料晶形较大，倾倒炉冶炼的磨料晶形较小。固定炉冶炼的磨料晶体尺寸400μm，倾倒炉冶炼的磨料晶体尺寸200~400μm，实际上在一万五千倍的显微镜下面其晶形也是不同的。TiO2 、MgO会使晶形细化，韧性增加，半脆刚玉中含量在1.5~1.7%之间，重磨削在2.5~3.0%之间。这应是半脆刚玉的核心。

——锆刚玉与陶瓷磨料

锆刚玉的主要成分是α—Al2O3和Al2O3—ZrO2共晶体，ZrO2含量25%和40%二种，硬度高，具有很好的韧性和耐磨性，外观呈灰白色或灰褐色，有油性光泽，适于高速重负荷磨削和难磨金属材料的加工。

锆刚玉的ZrO2含量的多少决定其性能。ZrO2含量25%的锆刚玉分二种：ZS——用于固结磨具；ZF——用于涂附磨具。ZrO2含量40%的锆刚玉：NZ——全部用于涂附磨具。锆刚玉α—Al2O3和Al2O3—ZrO2共晶体要求必须形成微晶化的晶体。 陶瓷磨料是采用水铝石凝胶烧结而成，结晶大多都在5μm以内，细化的晶形可以使磨料分层次有规律地脱落，使自锐得到有序，加工效果好。

——复合磨料

涂附磨具的磨粒是均匀的分布在基材表面的，基本上是单层分布。延长涂附磨具的寿命，粗粒度产品可以采用更高强度、具有微晶化的磨料，那么细粒度产品如何延长使用寿命呢？特别是磨削高强度的金属工件。增加磨料层的厚度可以收到效果，比如采用多层植砂工艺。单纯的多层植砂在细粒度产品收效不大。使用复合磨料是解决这个问题的方法之一。

所谓复合磨料就是将普通磨料粘结成团粒状，这样一颗复合磨粒可以包含几十个甚至数百个普通磨粒。复合磨料涂附磨具产品外观看上去很粗，但磨粒切刃同普通磨粒是一样的，使用时加工的粗糙度基本上也是一样的。

因为复合磨料是团粒状，在磨削过程中，当一个层次的磨粒切刃磨钝后，该单颗磨粒因磨削力的增加从复合磨粒上脱落下来，复合磨粒又露出新的磨粒及切刃，继续发挥稳定的磨削能力。复合磨料涂附磨具产品能够有效延长涂附磨具的寿命、降低综合成本，特别是磨削表面有非常好的、均匀的磨削质量，这种质量状态可以持续很长时间，对于大面积、要求质量均一的磨削面是非常重要的。

——软木磨料

把软木粉碎成一定大小的粒子，在软木粒上粘上磨料，形成软木磨料。磨料粒在软木粒上是立体分布的，软木粒本身又较软，有很好的缓冲作用，可以保证磨料切刃不会因磨削冲击突然折断而丧失磨削能力。

软木磨料涂附磨具产品由于软木粒缓冲作用，在磨削过程中，磨削表面质量好，同复合磨料一样具有很长的使用寿命。

——空心球磨料

磨料的剖面最外层是磨粒，磨粒用粘结剂粘结在球壳上。球壳是空心的，由塑性树脂制成，其壁薄而脆。当附于其上的磨料磨损后，在磨削压力下，球壳碎裂，露出新的磨粒及切刃。空心球磨料同样被认为是非常有效的一种磨料。

——混合磨料