磨料的种类

磨料的种类
一、天然磨料
自然界一切可以用于磨削或研磨的材料统称为天然磨料.常用的天然磨料有以下几种：1．金刚石
金刚石是目前已知最硬的物质,其显微硬度为98.59Gpa.金刚石是碳的同素异型体,主要成份是碳,另外还含有0.02~4.8%的杂质,比重为 3.15~3.53g/cm3.其产地非常有限,不但价格昂贵,而且极为缺乏.
金刚石因含杂质的不同而呈黑色、黑褐色、灰黑色等,脆性较大,易沿结晶面裂开,结晶越大抵抗外力的作用越强,金刚石的计量单位是克拉,1克拉=0.2g.
天然金刚石作为磨料主要用途有两个方面：
（1）用于修整砂轮；
（2）磨削和研磨难加工材料（如硬质合金、宝石、玻璃、石料等）.
2．天然刚玉
天然刚玉的主要矿物成份为α——Al2O3,其显微硬度为20.58Gpa,比重为3.93~4.00g/cm3.自然界存在的天然刚玉主要有以下三种：
（1）优质刚玉（俗称宝石）有蓝宝石（含钛）、红宝石（含铬）等；
（2）普通刚玉,呈黑色或棕红色；
（3）金刚砂,可分为绿宝石金刚砂和褐铁矿金刚砂,它是一种集合晶体,硬度较低.
在上述三种天然刚玉中,第一种主要用于首饰,而后二种可以作为磨料,用来制造砂轮、油石、砂纸、砂布或微粉、研磨膏等.
3．石榴石
石榴石的晶形较好,显微硬度为13.33Gpa.属于石榴石的矿物种类很多,但适合于作磨料的仅有铁铝石榴石一种,其矿物组成这：3FeO.Al2O3.3SiO2,含量不低于85~90%.
4.石英
石英的化学成份为SiO2,常夹杂有Al2O3、Fe2O3、 CaO MgO Fe2O3等.显微硬度为8.04 Gpa,可用作磨料的石英矿有脉石英、石英岩及石英砂等.
随着科学技术的发展,人造磨料的品种已达几十种之多,天然磨料由于自身的缺陷,已被越来越多的人造磨料所取代,目前除了天然金刚石、石榴石外,其它种类的天然磨料用量甚微.
二、人造磨料
人造磨料分刚玉系列、碳化物系列、超硬系列等几大类.现将各类磨料的简要制造方法、特性及磨削对象分别叙述如下.
1．刚玉系列人造磨料
属于刚玉系的人造磨料有棕刚玉、白刚玉、锆刚玉、微晶刚玉、单晶刚玉、铬刚玉、镨钕刚玉、黑刚玉及矾土烧结刚玉等.
（1）棕刚玉（A）
棕刚玉是以铝矾土、无烟煤和铁屑为原料,在电弧炉内经高温冶炼而成.在冶炼过程中,无烟煤中的碳将矾土中的氧化硅、氧化铁和氧化钛等杂质还原成金属,为些金属结合在一起成为铁合金,由于其比重较刚玉熔液大而沉降至炉底与刚玉熔液分离.仅有少量的杂质夹杂在刚玉熔快中.
棕刚玉的主要矿物成份为物理刚玉,三方晶系,少量的矿物杂质有：硅酸钙、钙斜长石、富铝红柱石（又称莫来石）、钛化物、玻璃体及少量铁合金等.
棕刚玉的抗破碎能力较强,抗氧化、抗腐蚀,具有良好的化学稳定性,是一种用途广泛的磨料.适用于磨削抗张强度高的金属材料,如普通碳素钢、硬青铜、合金钢的细磨和精磨,磨加工螺纹和齿轮等,白刚玉还可用于精密铸造及高级耐火材料.
（3）铬刚玉（PA）
铬刚玉中由于引入Cr3+改善了磨料的韧性,其韧性较白刚玉高,而硬度与白刚玉相近,用于加工韧性较大的材料时,其加工效率比白刚玉高,并且工件表面的光洁度也较好,铬刚玉适应于加工韧性高的淬火钢、合金钢、精密量具及仪表零件等光洁度要求较高的工件.
（4）微晶刚玉（MA）
微晶刚玉所采用的原材料及冶炼方法与棕刚玉基本相同,在停炉后立即把熔液通过流放或倾倒的方法倒入枝模子内急速冷却（一般在30分钏以内）,因而得到微细结晶的集合体.
微晶刚玉在冶炼过程中,杂质的还原程度较差,Al2O3含量为94~96%,晶体尺寸一般在80~300微米,晶体占57~85%,最大晶体尺寸不超过400~600微米.它具有强度高,韧性较大的特点.适用于重负荷磨削,可以磨削不锈钢、碳素钢、轴承钢以及特种球墨铸铁等材料,由于磨粒在磨削过程中呈微刃破碎状态,也被用于精密磨削甚至镜面磨削.
（5）单晶刚玉（SA）
单晶刚玉是以矾土、无烟煤、铁屑和黄铁矿为原材料,在电弧炉内共熔,矾土中的氧化铁、二氧化硅和氧化钛先后被还原并组成铁合金从熔液中沉降至炉底.一小部分氧化铝与碳、硫化亚铁起复分解反应,生成少量的硫化铝填充在单晶颗粒之间,当熔块冷却后放入水中时,硫
化铝被溶解,而被硫化铝隔开的单晶刚玉即可分散开成为自然粒度的磨料.
单晶刚玉呈灰白色,其颗粒形状多为等积形,晶体内不含杂质,具有多棱角的切削刃,在同样的磨削力作用下,所形成的力矩小于其它磨料,因此它不易折碎,机械强度较高,单颗粒抗压强度为22~38kg,而棕刚玉仅为10~20kg.单晶刚玉由于有较高的硬度和韧性,所以切削能力较强,可用来加工工具钢、合金钢、不锈钢、高钡钢等韧性大、硬度高的难磨材料.
(6)锆刚玉（ZA）
锆刚玉是以铝氧粉和锆英石为原料,在电弧炉内经高温冶炼而成,整个过程基本上是一个熔化再结晶的过程.它是一种由α——Al2O3,与ZrO2组成的共晶集合体,在冶炼过程中应尽可能使两种结晶相互交错构成微晶型晶体.
锆刚玉适用于高速重负荷磨削,可荒磨铸铁、铸钢、合金钢和高速钢等,特别适合于钛合金、耐热合金、高钒钢、不锈钢的磨加工.
（7）镨钕刚玉（NA）
镨钕刚玉的制造工艺与白刚玉相似,其差异是在冶炼过程中加入约0.175%的镨钕富集物（氧化镨、氧化钕、氧化镧）.大量的磨削试验证明其磨削性能优于白刚玉,适用磨削不锈钢、高速钢、球磨铸铁、高锰铸钢及某些耐热合金等.
（8）黑刚玉（BA）
黑刚玉的冶炼方法与棕刚玉相同,是以三水铝矾土为原料,加少量还原剂,经溶炼而成,其耗电量约为棕刚玉的三分之二.呈黑色,主要化学成分：Al2O3不低于77%,SiO2含量为10~12%,
Fe2O3含量为7~10%,TiO2约为3%,比重不小于3.61.
黑刚玉具有很好的自锐性,磨削时发热量少,加工件的光洁度较好,适用于零件电镀前底面抛光,铝制品和不锈钢的抛光,也可用于抛光光学玻璃、加工木材等.由于它的亲水性好,可用在制造砂纸、砂布和树脂磨具,还可以作研磨膏和抛光粉.黑刚玉由于铁含量高,因而不宜用于制造陶瓷磨具.
（9）矾土烧结刚玉
矾土烧结刚玉是唯一不用电炉冶炼的刚玉,它是用优质熟矾土（Al2O3含量85%以上）经湿法球磨至3微米的微粒料浆（球磨时应加粘结剂）,再经压滤成型为各种几何形状的磨粒,在1500℃下烧结.
矾土烧结刚玉的主要化学成份是：Al2O3（85~88%）、SiO2（3~4%）、TiO2（3.5~4.5%）、Fe2O3（5.6~6.5%）.它具有α——Al2O3微晶结构,韧性高,可承受较大的磨削压力而不至于
破碎,并能切削较厚的金属层,横向进给可高达6mm以上.磨料的形状可制成各种柱形体,这是所有磨料中唯一的特例,适用于重负荷荒磨.
2．碳化物系列人造磨料
（1）碳化桂
碳化硅是以石英、石油焦炭为主料,水粉、食盐为辅料按一定比例混匀后装入电阻炉内,通过高温冶炼而制成的人造磨料.
碳化硅分黑绿两种：黑碳化硅呈黑色或蓝黑色,绿碳化硅呈绿色或蓝绿色.在制造过程中,生产绿色碳化硅的特点在于采用较纯的原材料,炉料中加入食盐,它可促进产品呈绿色.绿色碳化硅的纯度要高于黑色碳化硅.
碳化硅不与任何酸起反应,但碱性氧化物的熔体能促使碳化硅的分解.
黑色碳化硅与刚玉系人造磨料相比,硬度较高、脆性较大,适用于加工抗张强度较低的金属及非金属材料,如灰铸铁、黄铜、铅等有色金属,以及陶瓷、玻璃厂料等硬质脆性材料.
绿色碳化硅与黑色碳化硅相比,其纯度、硬度、脆性稍大,适用于加工硬而脆的材料,如硬质合金、玻璃、玛瑙等,也广泛用于量具、刃具、模具的精磨及飞机、汽车、船舶等发动机气缸的珩磨.
随着工业的发展和科学技术的进步,碳化硅的非磨削用途在不断扩大,在耐炎材料方面用于制作各种高级耐炎制品,如垫板、出铁槽、坩锅熔池等；在冶金工业上作为炼钢脱氧剂,可以节电,缩短冶炼时间,改善操作环境；在电气工业方面利用碳化硅导电、导热及抗氧化性来制造发热元件——硅碳棒.碳化硅的烧结制品可作固定电阻器,在工程上还可作防滑防腐蚀剂.碳化硅与环氧树脂混合可涂在耐酸容器中、蜗轮机叶片上起防腐耐磨作用.
（2）铈碳化硅（CC）
铈碳化硅是在碳化硅的炉料内不加食盐而添加微量的氧化铈（CeO2）冶炼出来的,其外观和绿碳化硅相似,显微硬度为36.29Gpa.与绿碳化硅相比,其铈碳化硅的显微硬度、单颗粒抗压强度、韧性等均比绿碳化硅高.
由于铈碳化硅的物理性能有所改弯,因此,其磨削效果也得到了一定的改善.试验证明磨钛合金时,铈碳化硅与绿碳化硅相比,切削效率提高近一倍,并且火花较小；磨铸铁时,当进刀量为0.01mm时,铈碳化硅的耐用度比绿碳化硅砂轮提高18.9%,磨削比提高9.6%,当进刀量为0.02mm时,其耐用度提高27.4%,磨削比提高74.1%.由此可见,用铈碳化硅磨削铸铁进刀量时,其效果比绿碳化硅提高的更显著.磨硬质合金的效果与绿碳化硅相近,磨削CO5Si M5Al 5F-6等难磨高速钢,其效果与单晶刚玉相似.
（3）碳化硼（BC）
碳化硼（B4C）是以硼酸（H3BO3）和炭素材料为原料,在电弧炉内经1700~2300℃的高温冶炼,由碳直接还原熔融的硼酐（B2O3）而制得.
碳化硼是一种具有金属光泽的灰黑色粉末,是一种超硬材料.在空气中加热至500℃时,碳化硼开始氧化当温度达到800~900℃时,其氧化作用更为显著.碳化硼曾用来代替金刚石研磨硬质合金刀具.其烧结制品可以代替金刚石作为砂轮的修整工具,适用于精磨碳钨合金、碳钛合金、烧结刚玉、人造宝石和特殊陶瓷等硬质材料制品.
（4）碳硅硼
碳硅硼是以硼酸、石英砂、石墨为原料,在电弧炉内经高温冶炼而成,呈灰黑色,其硬度次于氮化硼高于碳化硼,脆性大,适用于硬质合金、半导师体、人造宝石和特殊陶瓷等硬质材料的加工.
3．超硬系列人造磨料
（1）金刚石（JR）
金刚石是以石黑为原料,以某些金属或合金为触媒,在高温（1000~2000℃）、高压（557~608Mpa）下,使石墨结构转变为金刚石结构而成.金刚石是已知的最硬物质,具有较高的抗压强度、良好的导热性、化学稳定性、耐磨性,以及较强的切削能力.
金刚石可分为JR1、JR2、JR3、JR4、JR5五个牌号,其特点和用途如下：
1．JR1型：晶体多为针片状,晶面粗糙,用于制造树脂结合剂金刚石磨具,主要用于硬质合金、陶瓷、玻璃及难磨材料的精磨工序,加工效果好,表面光漫无边际度高,有时也用于半精磨,但不适于重负荷磨削.
2．JR2型：晶体大部分为等积形,适于制造金属结合剂及陶瓷结合剂金刚石磨具.它可承受较大的负荷,用于粗磨、半精磨硬质合金及非金属材料,也可切割光学玻璃、宝石、高硬岩石等.
3．JR3型：晶体较完整,晶面光滑,抗压强度高,用于制造金属结合剂地质钻头、修整工具和切割工具等.
4．JR4型：晶体完整,抗压强度高于JR3,用于制造地质钻头、修整工具和切割工具等.
5．JR5型：颗粒为浅黄或淡黄绿色,多为透明无杂质的完整八面晶体,强度高,适于制造切割锯片,钻头及修整工具等,用于加工硬脆非金属材料.
（2）立方氮化硼
立方氮化硼是以六方氮化硼为原料,减金属或碱土金属或它们的氮化物作触媒,在高压
高温下转变为立方晶体的氮化硼.这一转变与石墨转变为金刚石相似.
立方氮化硼是一种新型的超硬磨料,其硬度仅次于金刚石,而热稳定性、化学稳定性均优于金刚石,特别是对铁族金属的化学惰性好,不易与钢材起反应,磨既硬又韧的钢材时具有独特的优点,耐磨性比普通磨料高30~40倍,在加工高速钢、合金钢、耐热钢时,其工作能力在大超过金刚石磨具的工作能力.亦可作为磨加工硬质合金及非金属材料使用.。