磨料的分类及用途等基础知识

磨料的分类及用途等基础知识

2021-11-03 16:11:34 0

磨料可以分为天然磨料和人造磨料两大类。



一、 天然磨料


自然界一切可以用于磨削或研磨材料统称为天然磨料。常用天然磨料有以下几种:


1、金刚石


金刚石目前已知最硬物质,其显微硬度为98.59Gpa。金刚石碳同素异型体,主要成份碳,另外还含有0.02——4.8%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,结晶越大抵抗外力作用越强,金刚石计量单位克拉,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


石榴石晶形较好,显微硬度为13.33Gpa。属于石榴石矿物种类很多,但适合于作磨料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,可用作磨料石英矿有脉石英、石英岩及石英砂等。


随着科学技术发展,人造磨料品种已达几十种之多,天然磨料由于自身缺陷,已被越来越多人造磨料所取代,目前除了天然金刚石、石榴石外,其它种类天然磨料用量甚微。



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,无烟煤中碳将矾土中氧化硅、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。仅有少量杂质夹杂在刚玉熔快中。


棕刚玉主要矿物成份为物理刚玉,三方晶系,少量矿物杂质有: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。


棕刚玉抗破碎能力较强,抗氧化、抗腐蚀,具有良好化学稳定性,一种用途广泛磨料。


(2)白刚玉(WA)


白刚玉是以氧化铝粉为原料,经高温熔炼而成。白刚玉呈白色、硬度比棕刚工略高,韧性稍低。用白刚玉制造的磨具适应高碳钢、高速钢和淬火钢等的磨削。可作研磨抛光刷料。白刚玉还可作精密铸造型砂、喷涂材料、化工触媒载体、特种陶瓷、高级耐火材料等


(3)铬刚玉(PA)


铬刚玉冶炼工艺与白刚玉相同,只在冶炼过程中加入一定量氧化铬,呈浅紫色或玫瑰色。 铬刚玉中由于引入Cr3+改善了磨料韧性,其韧性较白刚玉高,而硬度与白刚玉相近,用于加工韧性较大材料时,其加工效率比白刚玉高,并且工件表面光洁度也较好,铬刚玉适应于加工韧性高淬火钢、合金钢、精密量具及仪表零件等光洁度要求较高工件。


(4)微晶刚玉(MA)


微晶刚玉所采用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),因而得到微细结晶集合体。 微晶刚玉在冶炼过程中,杂质还原程度较差,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,而被硫化铝隔开单晶刚玉即可分散开成为自然粒度磨料。


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,具有多棱角切削刃,在同样磨削力作用下,所形成力矩小于其它磨料,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、硬度高难磨材料。


(6)锆刚玉(ZA)


锆刚玉以铝氧粉和锆英石为原料,在电弧炉内经高温冶炼而成,整个过程基本上一个熔化再结晶过程。它一种由α——Al2O3,与ZrO2组成共晶集合体,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、不锈钢磨加工。


(7)镨钕刚玉(NA)


镨钕刚玉制造工艺与白刚玉相似,其差异在冶炼过程中加入约0.175%镨钕富集物(氧化镨、氧化钕、氧化镧)。大量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)


黑刚玉冶炼方法与棕刚玉相同,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.


黑刚玉具有很好自锐性,磨削时发热量少,加工件光洁度较好,适用于零件电镀前底面抛光,铝制品和不锈钢抛光,也可用于抛光光学玻璃、加工木材等。由于它亲水性好,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


矾土烧结刚玉唯一不用电炉冶炼刚玉,它用优质熟矾土(Al2O3含量85%以上)经湿法球磨至3微米微粒料浆(球磨时应加粘结剂),再经压滤成型为各种几何形状磨粒,在1500℃下烧结。


矾土烧结刚玉主要化学成份: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,可承受较大磨削压力而不至于破碎,并能切削较厚金属层,横向进给可高达6mm以上。磨料形状可制成各种柱形体,这所有磨料中唯一特例,适用于重负荷荒磨。


2、碳化物系列人造磨料


(1)碳化硅


碳化硅以石英、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人造磨料。


碳化硅分黑绿两种:黑碳化硅(C)呈黑色或蓝黑色,绿碳化硅(GC)呈绿色或蓝绿色。在制造过程中,生产绿色碳化硅特点在于采用较纯原材料,炉料中加入食盐,它可促进产品呈绿色。绿色碳化硅纯度要高于黑色碳化硅。


碳化硅不与任何酸起反应,但碱性氧化物熔体能促使碳化硅分解。


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,适用于加工硬而脆材料,如硬质合金、玻璃、玛瑙等,也广泛用于量具、刃具、模具精磨及飞机、汽车、船舶等发动机气缸珩磨。


随着工业发展和科学技术进步,碳化硅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)


铈碳化硅在碳化硅炉料内不加食盐而添加微量氧化铈(CeO2)冶炼出来,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。


由于铈碳化硅物理性能有所改弯,因此,其磨削效果也得到了一定改善。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更显著。磨硬质合金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)以硼酸(H3BO3)和炭素材料为原料,在电弧炉内经1700——2300℃高温冶炼,由碳直接还原熔融硼酐(B2O3)而制得。


碳化硼一种具有金属光泽灰黑色粉末,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


材料加工。


3、超硬系列人造磨料


(1)金刚石(JR)


金刚石以石黑为原料,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。金刚石已知最硬物质,具有较高抗压强度、良好导热性、化学稳定性、耐磨性,以及较强切削能力。


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


立方氮化硼以六方氮化硼为原料,减金属或碱土金属或它们氮化物作触媒,在高压高温下转变为立方晶体氮化硼。这一转变与石墨转变为金刚石相似。


立方氮化硼一种新型超硬磨料,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,特别对铁族金属化学惰性好,不易与钢材起反应,磨既硬又韧钢材时具有独特优点,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工作能力。亦可作为磨加工硬质合金及非金属材料使用。



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