超微晶刚玉磨料的生产技术及应用

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。

金刚石等超硬磨料知识1. 超硬磨料概述超硬磨料是指磨料颗粒硬度超过10000克法力的磨料，具有高硬度、高熔点、耐磨损等特点。

目前市场上比较常用的超硬磨料主要包括金刚石、CBN（立方氮化硼）等。

2. 金刚石磨料金刚石磨料，即人工合成金刚石微粉。

它具有高硬度、高热稳定性和化学稳定性，是目前公认的最优秀的超硬磨料之一。

2.1 金刚石磨料的制备方法金刚石磨料的制备方法主要包括高温高压法和高温热解法两种。

2.1.1 高温高压法高温高压法是指在高温高压下，使用金属催化剂和碳源催化石墨向金刚石转变而制备金刚石磨料的方法。

这种方法能够制备出质量优异、颗粒分布均匀、成本较低的金刚石磨料。

2.1.2 高温热解法高温热解法是指将经过粉碎和筛分的金刚砂或钻粉，置于高温下放置一定时间后热解成金刚石微粉的方法。

这种方法制备的金刚石微粉颗粒形态较好，但成本较高。

2.2 金刚石磨料的应用金刚石磨料主要应用于硬质合金、陶瓷、玻璃、石英等硬度较高的材料的加工中，特别是在轴承、气动元件等领域有广泛的应用。

3. CBN磨料CBN磨料（立方氮化硼）是一种以氮化硼为主要结构的超硬磨料，由于其与金刚石类似的物理特性和更优越的化学稳定性，被誉为“第二种金刚石”。

3.1 CBN磨料的制备方法CBN磨料的制备方法主要包括静压法和热解法两种。

3.1.1 静压法静压法是指将CBN微粉与金属粉末均匀混合，放入模具中，在1200℃左右温度下，通过机械、静压等方式，使之热成型成块状，再通过高温处理成为CBN磨料。

这种方法可以制备出大块状和块状的CBN磨料。

3.1.2 热解法热解法是指将硝酸钨和氮化硼等材料充分混合后，在气氛下热解成立方氮化硼的方法。

这种方法可以制备出细粒、均匀分布的CBN磨料。

3.2 CBN磨料的应用CBN磨料主要针对加工难度较高的材料进行加工，如高速钢、冷却硬化工具钢、航空发动机的叶片等。

由于CBN磨料对钢铁材料的切削性能较好，因此在制造航空、航天、汽车、工具等领域都有着广泛的应用。

刚玉的分类及应用大全
随着太阳能硅晶片切割行业的兴起，传统超硬、耐高温材料之一的碳化硅顿时成为超级磨料明星。

因为金刚石微分生产的切割、磨削工具广泛的应用到五金、建筑陶瓷石材切割抛光等领域，也使得金刚石粉体被普通百姓所熟知。

而刚玉作为一种非常重要的磨料、耐高温粉体材料在普通人眼中却显得有些默默无闻甚至是有些陌生。

其实刚玉作为使用历史悠久的超硬、耐高温材料，至今仍然广泛的应用在各种工业领域中，发挥着重要的作用。

本文将简要的向读者介绍刚玉的种类及其特点，以期能够加深大家对刚玉家族各成员的认识。

 α型氧化铝晶体叫做刚玉，常因含有不同的杂质而呈现不同的颜色．刚玉一般呈带蓝或带黄的灰色，有玻璃或金刚光泽，硬度仅次于金刚石和碳化硅，能耐高温。

自然界存在天然的刚玉，红宝石、蓝宝石就是天然刚玉。

工业生产使用的刚玉多数是人工合成的，随着加工工艺和参杂的其它元素成分的不同，刚玉可分为白刚玉、棕刚玉等多种类型。

下文将向大家介绍几种常见的刚玉种类及其特性。

 1、白刚玉
 白刚玉是以优质铝氧化粉为原料，白刚玉经电熔提炼结晶而成，纯度高、自锐性好、耐酸碱腐蚀、耐高温、热态性能稳定。

白刚玉硬度略高于棕刚玉，韧性稍低，纯度高、自锐性好、磨削能力强、发热量小、效率高、耐酸碱腐蚀、耐高温热稳定性好。

用白刚玉粒度砂制成磨具，适用于磨削高碳钢、高速钢及不锈钢等细粒度磨料，白刚玉还可以用于精密铸造和高级耐火材料。

磨料及砂轮的适用范围(刚玉系与碳化系)在节省成本的前提下，用最低的成本取得较好的磨削效果是磨削时必须考虑的。

而各种磨料不同，砂轮磨具的成本也就不同。

下面介绍几种磨料的大致适用范围，当然，这也视实际情况而定，本人的观点仅供参考吧。

棕刚玉砂轮(A)--磨抗张强度较高的金属，如碳素钢、合金钢、可锻铸铁、硬青铜等白刚玉砂轮(WA)--磨淬火钢、合金钢、高速钢、高碳钢、薄壁零件等单晶刚玉砂轮(SA)-- 磨不锈钢等韧性大、硬度高的材料及易变形烧伤的工件微晶刚玉砂轮(MA)--磨轴承钢和特种球墨铸铁等。

用于成型磨、切入磨、镜面磨等铬刚玉砂轮(PA)--磨刀具、量具、仪表螺纹等工件表面粗糙度值要求低的工件锆刚玉砂轮(ZA)--磨钛合金、耐热合金等镨钕刚玉(NA)--磨合金工具钢、超硬高速钢、高温合金钢等黑刚玉(BA)--适用于电镀底面抛光、铝制品和不锈钢的抛光黑碳化硅(C)--磨铸铁、黄铜、铅、锌、皮革、塑料、木材、矿石等绿碳化硅(GC)--磨硬质合金、光学玻璃、陶瓷等硬脆材料立方碳化硅(SC)--不锈钢及轴承钢的大、小、微型轴承沟道的超精加工碳化硼(BC)--适于对硬质合金和宝石等材料的研磨抛光铈碳化硅(CC)--磨硬质合金、钛合金、超硬高速钢等砂轮的选择及诺顿砂轮介绍砂轮选择及诺顿砂轮介绍砂轮选择及诺顿砂轮介绍砂轮选择在磨削中的重要性磨削加工一般作为工件加工的终工序，其任务就是要保证产品零件能达到图纸上所要求的精度和表面质量。

磨削表面粗糙度与零件精度有密切关系，一定的精度应有相应的表面粗糙度。

一般情况下，对尺寸要进行有效的控制，则粗糙度Ra值应不超过尺寸公差的八分之一，磨削表面粗糙度对零件使用性能的影响是：表面粗糙度值越小，则零件的耐磨性，耐蚀性，耐疲劳性越好。

反之则相反。

因此，在磨削加工中，必须注意降低表面粗糙度。

影响磨削加工表面粗糙度的主要工艺因素中砂轮粒度对其有显著影响，砂轮粒度越细，同时参与磨削的磨粒就越多，则磨削表面粗糙度就越低。

平面磨床磨削砂轮的选择砂轮磨具是磨削加工不可缺少的一种工具，砂轮选择合适与否，是影响磨削质量，磨削成本的重要条件。

本公司生产一系列的平面磨床，需配置不同的砂轮来适应各种工件的平面加工。

为方便用户及本公司设计、工艺人员选择，本文针对平面磨床磨削砂轮的选择，常用不同工件材料的砂轮选择进行汇总，以供大家使用参考（见附表）。

砂轮的种类很多，并有各种形状和尺寸，由于砂轮的磨料、结合剂材料以及砂轮的制造工艺不同，各种砂轮就具有不同的工作性能。

每一种砂轮根据其本身的特性，都有一定的适用范围。

因此，磨削加工时，必须根据具体情况（如所磨工件的材料性质、热处理方法、工件形状、尺寸及加工形式和技术要求等），选用合适的砂轮。

否则会因砂轮选择不当而直接影响加工精度、表面粗糙度及生产效率。

下面列出砂轮选择的基本原则以供参考。

一、普通砂轮的选择1. 磨料的选择磨料选择主要取决于工件材料及热处理方法。

a. 磨抗张强度高的材料时，选用韧性大的磨料。

b. 磨硬度低，延伸率大的材料时，选用较脆的磨料。

c. 磨硬度高的材料时，选用硬度更高的磨料。

d. 选用不易被加工材料发生化学反应的磨料。

最常用的磨料是棕刚玉（A）和白刚玉（WA），其次是黑碳化硅（C）和绿碳化硅（GC），其余常用的还有铬刚玉（PA）、单晶刚玉（SA）、微晶刚玉（MA）、锆刚玉（ZA）。

棕刚玉砂轮：棕刚玉的硬度高，韧性大，适宜磨削抗拉强度较高的金属，如碳钢、合金钢、可锻铸铁、硬青铜等，这种磨料的磨削性能好，适应性广，常用于切除较大余量的粗磨，价格便宜，可以广泛使用。

白刚玉砂轮：白刚玉的硬度略高于棕刚玉，韧性则比棕刚玉低，在磨削时，磨粒容易碎裂，因此，磨削热量小，适宜制造精磨淬火钢、高碳钢、高速钢以及磨削薄壁零件用的砂轮，成本比棕刚玉高。

黑碳化硅砂轮：黑碳化硅性脆而锋利，硬度比白刚玉高，适于磨削机械强度较低的材料，如铸铁、黄铜、铝和耐火材料等。

绿碳化硅砂轮：绿碳化硅硬度脆性较黑碳化硅高，磨粒锋利，导热性好，适合于磨削硬质合金、光学玻璃、陶瓷等硬脆材料。

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聚集体金刚石磨料研磨加工性能研究*方伟松1， 阎秋生1， 潘继生1， 路家斌1， 陈海阳2（1. 广东工业大学 机电工程学院， 广州 510006）（2. 广东纳诺格莱科技有限公司, 广东 佛山 528200）摘要　为实现蓝宝石等硬脆材料的高效率、低表面粗糙度研磨加工，提出利用陶瓷结合剂和微细金刚石磨料（粒径3 μm ）烧结制成聚集体金刚石磨料（平均粒径30 μm ）进行研磨加工新工艺。

通过与3 μm 和30 μm 等2种单晶金刚石磨料对蓝宝石基片进行研磨加工对比实验，系统研究聚集体金刚石磨料的研磨性能。

结果表明：聚集体金刚石磨料具有较高的材料去除率，相同条件下聚集体金刚石磨料加工15 min 时材料去除率为1.127 μm/min ；聚集体金刚石磨料具有较好的加工稳定性，研磨120 min 时材料去除率为0.483 μm/min ，相比于加工15 min 时下降57.14%，而3 μm 单晶金刚石磨料则下降78.02%；聚集体金刚石磨料与3 μm 单晶金刚石磨料研磨蓝宝石的表面粗糙度相近，分别为R a 9.45 nm 和R a 8.75 nm ，远低于30 μm 单晶金刚石磨料的R a 246 nm 。

聚集体金刚石磨料能实现低加工表面粗糙度和高材料去除率的机理可以归纳为：多磨粒微刃产生去除作用可以获得低表面粗糙度，同时具有自锐性，提高材料去除效率并保证加工过程的稳定。

关键词　聚集体金刚石；多刃切削；自锐特性；研磨机理中图分类号　TG732; TH162　文献标志码　A 文章编号　1006-852X(2023)06-0684-09DOI 码　10.13394/ki.jgszz.2022.0218收稿日期　2022-12-14　修回日期　2023-01-16研磨加工是目前实现蓝宝石等硬脆材料高效减薄、平坦化加工的超精密加工方法之一。

通常选用金刚石、碳化硼等超硬磨料或者二氧化硅等软磨料作为游离磨料，进行从粗到精的研磨加工[1]。

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棕刚玉（A）是以矾土、无烟煤和铁屑为原料，在电弧炉中熔化而成。

在冶炼过程中，无烟煤的碳素将矾土中的氧化铁、二氧化硅、氧化钛还原成金属，它们与加入的铁屑Al2O3结合在一起成为铁合金。

铁合金熔液的密度较刚玉熔液大，所以沉降在炉底而与刚玉熔液相分离。

刚玉熔液冷却后成为晶体，由于含有杂质，因而呈棕褐色。

棕刚玉的主要化学成分为94.5%~97%的Al2O3以及少量的氧化钛、氧化硅、氧化铁、氧化钙、氧化镁。

棕刚玉有较高的韧性，能承受较大压力，磨削中抗破碎能力较强，加之价格比较便宜，在磨粒中用量最大。

黑刚玉（BA）又名人造金刚砂，用铁矾土及焦炭烧结而成。

它的主要成分是：Al2O3占70~85%，Fe2O3占7%~9%，少量的SO2与杂质。

其硬度较低，切削性能较差，但价格低廉。

白刚玉（WA）用含Al2O398%以上的铝氧粉熔融结晶而成。

因此，白刚玉中含Al2O3更高，一般在98.5%以上，含Na2O在10.6%以下。

由于白刚玉中Al2O3的纯度高及晶体中存在有气孔（这主要是Al2O3粉中的Na2O受热后蒸发而成的），所以白刚玉硬而脆。

单晶刚玉（SA）以矾土、无烟煤、铁屑、黄铁矿为原料，在电弧炉中熔合而成，熔炼过程的特点是：矾土中的杂质除了被无烟煤中的碳还原成金属结合体——铁合金，沉于炉底之外，矾土中的一部分铝与硫化合成硫化铝夹杂在刚玉之间，由于硫化铝能溶于水，所以将冷却结晶好的熔块水解后，其Al2O3的含量在98%以上，颗粒形状多为等体积形，是完整的单晶体，具有良好的多角多棱切削刃，切削能力强。

微晶刚玉（MA）是以矾土、无烟煤、铁屑为原料，在电炉中冶炼。

其冶炼过程与冶炼棕刚玉基本相同，所不同的是将电炉种熔化还原的熔液，采用流放措施，使之急速冷却而成。

微晶刚玉的主要成分为：Al2O394%~96%，TiO2小于3%，还有少量的氧化硅、氧化铁、氧化镁。

其晶体尺寸小，90~280μm的Al2O3晶体占75%~85%，大Al2O3晶体不超过4 00~800μm。