（材料学专业论文）陶瓷刚玉磨料的造粒与形状控制研究.pdf

摘要 本实验对陶瓷刚玉干凝胶颗粒使用行星球磨机、普通卧式球磨机、振动磨、 搅拌磨和对辊破碎机以及利用锤击破碎方式进行了造粒与形状控制研究。利用金 刚石单颗粒抗压强度测定仪，研究了以不同造粒方式得到的磨料的单颗粒强度。 并利用扫描电镜、颗粒图象处理仪、标准筛网等测试设备，研究了不同造粒粉碎 设备的工艺参数对磨料颗粒形状及粒度分布的影响。 实验结果表明，不同的造粒方式对磨料的单颗粒强度有很大的影响；不同造 粒粉碎设备的工艺参数对磨料颗粒形状及粒度分布也有着重要影响。选取合适的 行星球磨机的料球比、磨介形状及大小级配和球磨转速能够有效地控制干凝胶颗 粒的形状和粒度分布；选取合理的普通卧式球磨机的磨机转速、球磨时间、料球 比和磨介形状及大小级配既控制了颗粒形状的规则，又能够使粒度分布集中；选 取适宜的振动磨的振动时间、料球比和磨介形状及大小级配，有效控制了干凝胶 颗粒的形状和粒度分布；选取合适的搅拌磨的搅拌时间、料球比和磨介形状及大 小级配，可获得规则的颗粒形状，并且使粒度分布集中。使用对辊破碎机和锤击 破碎方式进行造粒实验，获得了针状陶瓷刚玉干凝胶颗粒。 关键词：陶瓷刚玉磨料造粒形状控制 a b s t r a c t t h e g r a n u l a t i o na n ds h a p e c o n t r o lo fc e r a m i cc o r u n d u ma b r a s i v e sw e r e i n v e s t i g a t e db yu s i n gp l a n e t a r yb a l lm i l l ，b a l lm i l l ，v i b r a t i o nm i l l ，s t i r r e dm i l l ，d o u b l e r o l l e rc r u s h e ra n da d o p t i n gh a m m e r i n gb r e a k i n gm e t h o d t h es i n g l ep a r t i c l e c o m p r e s s i v es t r e n g t h o fa b r a s i v e s g r i t s w h i c hw e r eg r a n u l a t e db yd i f f e r e n t g r a n u l a t i o nm e t h o d sw e r ea n a l y z e ds y s t e m a t i c a l l yb yu s i n gd i a m o n ds i n g l ep a r t i c l e c o m p r e s s i v es t r e n g t ht e s t e r t h ed i f f e r e n tb r e a k i n gm a c h i n e sm a i np a r a m e t e r sw h i c h i n f l u e n c et h eg r a i ns h a p ea n ds i z ed i s t r i b u t i o no f a b r a s i v eg r i t sw e r ea n a l y z e db ys e m ， p a r t i c l ei m a g ep r o c e s s o ra n ds c r e e nm e s h t h er e s u l t ss h o w e dt h a ts i n g l ep a r t i c l ec o m p r e s s i v es t r e n g t ho fa b r a s i v ep a r t i c l e s w a si n f l u e n c e di n t e n s e l yb yg r a n u l a t i o nm e t h o d s t h eg r a i ns h a p ea n ds i z e d i s t r i b u t i o no f a b r a s i v e g r i t s w e r ea f f e c t e dr e m a r k a b l yb yd i f f e r e n tb r e a k i n g m a c h i n e sm a i np a r a m e t e r s t h eg r a i ns h a p ea n ds i z ed i s t r i b u t i o no fd r yg e l a t u m p a r t i c l e sw e r ec o n t r o l l e de f f e c t i v e l yb ya d o p t i n gp r o p e rr a t i oo fm a t e r i a lt og r i n d i n g m e d i a ，s h a p e sa n ds i z e so fg r i n d i n gm e d i a ，r o t a t i o n a ls p e e do fp l a n e t a r yb a l lm i l l n o t o n l yr e g u l a rg r a i ns h a p eb u ta l s oc e n t r a l i z e dd i s t r i b u t i o n so fg r i t ss i z ew e r ec o n t r o l l e d a v a i l a b l yb ye m p l o y i n gp r o p e rc y l i n d e rr o t a t i o n a ls p e e d ，b a l lm i l l i n gt i m e ，r a t i oo f m a t e r i a lt og r i n d i n gm e d i a ，s h a p e sa n ds i z e so fg r i n d i n gm e d i ao fb a l lm i l l t h eg r a i n s h a p ea n ds i z ed i s t r i b u t i o no fd r yg e l a t u mp a r t i c l e sw e r ec o n t r o l l e de f f e c t i v e l yb y a d o p t i n gp r o p e rv i b r a t i o nm i l l i n gt i m e ，r a t i oo f m a t e r i a lt og r i n d i n gm e d i aa n ds h a p e s a n ds i z e so fg r i n d i n gm e d i ao fv i b r a t i o nm i l l r e g u l a rg r a i ns h a p ea n dg o o ds i z e d i s t r i b u t i o no fa b r a s i v eg r i t sw e r ep r o d u c e db ya d o p t i n gp r o p e rs t i r r e dm i l l i n gt i m e ， r a t i oo fm a t e r i a lt og r i n d i n gm e d i aa n ds h a p e sa n ds i z e so fg r i n d i n gm e d i ao fs t i r r e d m i l l t h ea c i c u l a rc e r a m i cc o r u n d u mp a r t i c l e sw e r ep r o d u c e db yc h o o s i n gd o u b l e r o l l e rc r u s h e ra n dh a m m e r i n gb r e a k i n gm e t h o d k e yw o r d s ：c e r a m i c sc o r u n d u m ，a b r a s i v e s ，g r a n u l a t i o n ，s h a p ec o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得醴太堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者妣孝创 签字日期：刀口7 年多月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解醴太堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丞婆太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 夸创 导师签名： 签字目期：叩年6 月“日 哲磁 签字目期：历矽年月么歹目 第一章前言 第一章前言 以磨料磨具为工具的磨削加工，是机械加工方法中非常重要的一类方法，而 且是精密加工和超精；b n - r 最基本的和首选的加工方法，在工业上得到广泛的应 用。研究表明，在磨削加工的众多影响因素中，磨料仍是影响磨削质量的重要因 素【1 2 ，3 j 。现在使用最广泛的是人造磨料，主要包括普通磨料一刚玉、碳化硅以及超 硬磨料金刚石、立方氮化硼等。随着国内外对陶瓷刚玉磨料研究和关注的增多， 大家越来越看好这种新型磨料良好的应用前景。陶瓷刚玉磨料有着优良的韧性、 自锐性，并且其价格低于超硬磨料立方氮化硼( c b n ) 、另外不需要特殊的磨削 设备及修整装置【4 ，可以这样说，陶瓷刚玉磨料由于上述的原因而填补了超硬磨 料和普通磨料之间的空档 5 , 6 1 ，而且在普通电熔刚玉磨料、碳化硅磨料积极转向 非磨削用途的今天，有专家预言，未来普通电熔刚玉磨料将被c b n 和陶瓷刚玉 磨料所替代。 正是由于陶瓷刚玉磨料这么多优异的性能，其用途十分广泛，在磨具形式上， 它可以被做成砂轮、砂布、砂带、砂盘、磨石等多种磨具形式【7 】。 国外从上世纪8 0 年代就研究成功了陶瓷刚玉磨料，并形成产业化生产和应 用 8 , 9 1 ，具有代表性的有n o r t o n 公司的s g 系列产品和3 m 公司的c u b i t r o n 系列， 然而陶瓷刚玉磨料造粒的生产技术则被西方国家垄断着，相关文献中也未见说 明。近些年，我国在陶瓷刚玉磨料制备方面已取得一些成果，但国内相关造粒研 究还未见报道。 在磨削加工中，需要根据所加工材料及其表面精度要求来选择磨料种类、磨 具形式，并且不同的磨具对磨料的形状和粒度都有特殊的要求。对于固结磨具， 通过整形工艺对磨料颗粒形状的控制，可提高等积形含量和磨料机械强度、韧性、 耐磨性，改善制品成型密度及制品强度【l0 1 。而对于涂附磨具，通过造粒整形工艺 尽可能多的提高针状磨料颗粒的含量，则有利于后续工艺中的植砂工艺。 另外，磨料对粒度有着严格的要求，不同粒度的磨料用途不同，因此，磨料 在作为最终产品使用前，必须经过破碎和分级。普通磨料一般都是在烧结后破碎 和分级，如白刚玉、棕刚玉等。而陶瓷刚玉磨料由于采用溶胶一凝胶工艺制造， 为最大限度的利用原料，同时可以合理的控制产品粒度，陶瓷刚玉磨料采用烧结 前破碎【1 1 1 。 对磨料的制粒阶段的处理无论是破碎或是颗粒形状的控制，目前主要依靠机 械方法。超硬材料的磨料产品主要应用的粉碎方式有轮碾粉碎、高压辊磨粉碎、 第章前言 球磨机粉碎、振动机磨粉碎等，主要的设备为球磨机、搅拌磨机和振动磨机。而 普通氧化铝磨料的粉碎设备有锤磨机、球磨机、气流粉碎机、振动磨机和搅拌磨 机f 1 2 j 。 鉴于上述情况，本文选择对陶瓷刚玉磨料进行形状控制造粒，研究选择适合 不同磨削要求的磨粒的造粒设备，确定造粒工艺参数，期望运用合适的造粒设备， 实现陶瓷刚玉磨料的粒度、形状可控。对于陶瓷刚玉磨料，若能根据不同磨具的 使用要求，很好的控制陶瓷刚玉磨料的颗粒形状，将会使这种新型磨料优良的性 能在现实中应用变得更有意义。 2 第二章文献综述 2 1 磨料的概念 第二章文献综述 磨料的概念是随着科学技术发展的，在不同的阶段有不同的含义。早先的概 念强调磨料的用途，如：“磨料是用于磨削、打磨、抛光等工作的物质。” “磨料是一种用于打磨或磨削物件表面的物质，例如：砂子、金刚砂、碳化硅。” “磨料是一种用于打磨或磨削其他材料的硬度极高的材料，既可单独应用，也 可制成砂轮或涂附在纸或布上应用。”后来的概念补充了磨料的形状，如；“磨料 是具有颗粒形状的和切削能力的天然或人造材料。”【l 3 】 2 2 磨料的类型 磨料可分为天然磨料和人造磨料两大类。依据磨料的磨削性能，又可将金刚 石等高硬度材料称为超硬磨料，其他的为普通磨料。普通磨料包括刚玉和碳化硅 两大系列的各种磨料品种。超硬磨料包括金刚石和c b n 的各种品种，磨料的分 类见图2 1 ： 磨料 天然磨料二三三二二 号玉 图2 1 磨料的分类 f i g 2 1t h et y p e so fa b r a s i v e s 石 硼 刚 化 金 氮 造 方 人 立 ( 料 料 磨 磨 通 硬 沓 超 一 一 一 料摩- l造人 第一章文献综述 近年来，为适应高精密磨削、高生产率磨削、难加工材料磨削等先进磨削工 艺的发展，又出现了一些新型磨料，突出的代表如陶瓷刚玉磨料。 2 3 磨料的基本性能 ( 1 ) 硬度 磨料首先应当具有相当高的硬度。磨料的硬度要高于被：j - v 的工件。一般， 磨料硬度越高，切削能力越好，耐腐蚀性能也越好。 ( 2 ) 韧性 磨料要有一定的韧性，以保持磨料的切削刃。磨料的韧性就是在磨削加工过 程中抵抗破碎的能力。在磨削过程中，磨料的磨损与磨料的硬度、抗热震能力、 抗冲击、抗振动、抗压以及抗磨蚀能力密切相关。所有这些性能综合在一起可用 “韧性”来表达。韧性这个概念体现了多项理化性质。磨料韧性太低在磨削时很 快就碎裂难以进行有效的磨削。磨料韧性过高，磨料变钝后也不碎裂，就会降低 磨削效率。因此，磨料既要有一定的韧性，又要有一定程度的自锐性，使磨料变 钝后在一定的工作压力作用下碎裂，露出新的锐利的切削刃继续进行有效的磨 削。而影响磨料韧性的因素也是多方面的，主要的影响因素是矿物组成、晶体结 构、颗粒形状与尺寸等。 ( 3 ) 颗粒形状及尺寸 磨料应该是一种能够被制粒加工成尺寸范围广泛并且颗粒形状和尺寸整齐 均匀的材料。对磨削加工而言，为了获得要求的加工精度和效率，磨料必须制粒 加工成具有定粒度的多角状均匀整齐的颗粒。因此，难以加工成颗粒状的材料 就不宜作磨料。磨料有许多种颗粒形状，根据其外观轮廓，通常被归纳为以下四 种： ( 1 ) 等积形h ( 高) ：l ( 长) ：b ( 宽) = 1 ：1 ：1 ( 2 ) 片状形h ( 高) ：l ( 长) ：b ( 宽) = l ：l ：1 3 ( 3 ) 针状形 h ( 高) ：l ( 长) ：b ( 宽) = 1 3 ：1 ：1 3 等积形的磨料韧性最好，片状形其次，针状形最差。 由于磨料的韧性受颗粒形状的影响，因此采取整形和选形工艺可提高磨料的 韧性值。整形就是把磨料放入球磨机里，将筒内钢球减少后慢速转动球磨机。把 磨粒的棱角修整掉。选形就是利用选形机，依靠振动将颗粒形状规则整齐的与不 整齐的磨粒分开。整形后的磨粒韧性值比整形前有明显地提高。如表2 1 所示。 4 第二章文献综述 表2 j 磨粒形状与韧性值 t a b l e2 1a b r a s i v e ss h a p ea n dt o u g h n e s s 磨粒形状球磨韧性值 十分规则的颗粒( 等积形)6 4 短面粗的颗粒5 3 片状和针状形颗粒 1 1 ( 4 ) 堆积密度 磨料的堆积密度是指颗粒状磨料在自然堆积状况下，单位体积内所含磨料的 质量，其单位也是e g c m 3 。堆积密度是磨料颗粒密度、颗粒形状、粒度组成等物 理性质的综合反映，因此是重要的工艺参数，直接影响到磨具的磨削性能。 磨料堆积密度的波动主要取决于粒度、粒度组成和颗粒形状等因素。颗粒形 状接近球形的磨料堆积密度就大一些。因此，等积形颗粒含量越高，磨料的堆积 密度越大。 ( 5 ) 亲水性 磨料易被水湿润的性质称为磨料的亲水性。因为亲水性是决定磨料和结合剂 结合牢固程度的重要因素，会影响磨具的强度；尤其对于涂附磨具，会直接影响 其粘接强度、胶液用量及使用性能；还影响微粉生产过程中的分级和沉淀。 磨料亲水性除由晶体表面键能特性所决定外，还与磨料的品种、粒度组成、 颗粒形状以及表面状况等因素有关【1 4 】，见图2 2 ，图2 3 。同种磨料采用不同的 破碎设备和加工工艺制得的磨粒，其亲水性也有差异。这是因为，被加工制粒的 磨料颗粒形状近于等积形的程度不同以及粒度组成的不同。 l 蓦 盖 科卫强砸田譬i l 舶i 跚l 蝴田 图2 - 2 磨料粒度与亲水性关系 f i g 2 - 2r e l a t i o n sb e t w e e na b r a s i v e sg r i t sa n dh y d r o p h i l i c i t y 第章文献综述 2 5 0 三 三2 0 0 理 翅1 s o * 壤l 卯 5 0 0 4 67 0鲫l 1 2 0i 蚰脚 粒度号r 图2 3 磨料采用不同破碎设备造粒对亲水性的影响 f i g 2 - 3e f f e c to fa b r a s i v e sg r a n u l a t i o nb yd i f f e r e n tb r e a k i n gm a c h i n eo dh y d r o p h i l i c i t y ( 6 ) 高温稳定性 磨料要具有高温稳定性。在磨削加工过程中，磨料与工件的接触区域会产生 大量的热，局部温度可达1 5 0 0 。因此，磨料在磨削产牛的高温下，应能保持 其固有的硬度和优良的机械性能。 ( 7 ) 化学稳定性 磨料应具有化学稳定性。磨料在磨削高温下，与被加工材质之间往往有一定 的化学反应。磨削不是单纯的机械过程，化学反应也在其中起着相当重要的作用。 因此，磨料应该具有化学稳定性，避免与工件、磨具结合剂和磨削冷却液之问发 生化学反应1 15 1 。 总之，磨料的颗粒形状和粒度与多项磨料的重要性能息息相关。而不同用途、 类型的磨料对颗粒形状和粒度有着各自的要求。因此，磨料的造粒十分重要。 2 4 造粒 2 ，4 1 造粒的定义及目的 造粒的定义为：将粉状、块状、溶液、熔融液等状态的物料进行加工，制备 有一定形状与大小的粒状物的操作。 造粒的主要目的有以下几个方面： ( 1 ) 将物料制成理想的大小、形状和结构，如磨料的制粒、粉末冶金成形和 水泥生料滚动制球。 ( 2 ) 为了准确定量配剂和管理，如将药品制成各类片剂。 ( 3 ) 制成不同种类颗粒体系的无偏析混合体j 有效地防止固体混合物各成分 6 第_ 二章文献综述 的离析，如炼铁烧结前的团矿过程。 ( 4 ) 防止某些固相物生产过程中的结块现象，如颗粒状磷胺和尿素的生产。 ( 5 ) 改善粉粒状原料的流动特性，有利于粉体的连续化、自动化操作的顺利 进行，如陶瓷原料喷雾造粒后可显著提高成形料的稳定性。 2 4 2 造粒过程分类 由于各工业部门特点和造粒目的及原料的不同，使这一过程体现为多种多样 的形式。总体上可将其分为突出单个颗粒特性的单个造粒和强调颗粒形状及大小 散体集合特性的集合造粒两类。前者侧重每一个颗粒的大小、形状、成分和密度 等指标，因而产量较低；后者则考虑制成的颗粒群体的粒度大小、分布、形状的 均一性及容重等指标，属于大规模生产过程。磨料行业对磨料的制粒生产就属于 集合造粒过程。 磨料制粒牛产中的粒度是指磨料的粗细程度。磨料的粒度规格是用粒度号来 表示的。根据使用的需要，我国的磨料标准把普通磨料的粒度规格分为二类。一 类是固结磨具用的粒度规格，其粒度号以“f ”打头，以等积形颗粒为主。这是 国产磨料的主要粒度规格，绝大多数磨料是以这种粒度规格牛产、制造和使用的。 另一类是涂附磨具用磨料粒度规格，其粒度号以“p 打头，故称“p 粒度号磨 料”，以针片状颗粒为主。无论是“f ”粒度的磨料，还是“p ”粒度的磨料，目 前主要是由机械破碎的方法制得。“f ”粒度和“p 粒度的规定如下： ( 1 ) “f ”粒度规格 “f ”粒度规格的磨料有3 7 个粒度号，具体如下： f 4f 5f 6f 7 f 8f 1 0f 1 2f 1 4f 1 6f 2 0 f 2 2f 2 4f 3 0 f 3 6 f 4 0 f 4 6 f 5 4 f 6 0f 7 0f 8 0f 9 0f 1 0 0 f 1 2 0 f 1 5 0f 1 8 0 f 2 2 0 f 2 3 0 f 2 4 0 f 2 8 0f 3 2 0f 3 6 0f 4 0 0f 5 0 0f 6 0 0f 8 0 0f 10 0 0f 12 0 0 根据磨料的生产工艺，这种粒度规格分为二部分：粗磨粒、微粉。 a ) 粗磨粒f 4 - - f 2 2 0 颗粒尺寸在6 31 1m 以上的磨料称作“粗磨粒”，多用筛分法生产。 b ) 微粉f 2 3 0 - - f 1 2 0 0 颗粒尺寸在6 3l am 以下的磨料多用水选法制造，制得的各种粒度规格的磨 料被称作“微粉”。 ( 2 ) “p ”粒度规格 涂附磨具由于其制造技术和使用条件具有特殊性，即为了便于静电植砂以及 保持涂附磨具的锋利性，其磨料颗粒形状多采用片状和针状，其对磨料的粒度组 成也有特殊的要求，专用的磨料有1 5 个粒度号，分别表示为：p 1 2p 1 6p 2 0 7 第二章文献综述 p 2 4 p 3 0 p 3 6p 4 0p 5 0t 6 0p 8 0p 1 0 0p 1 2 0p 1 5 0p 1 8 0p 2 2 0 。涂 附磨具专用磨料微粉的粒度有1 0 个粒度号，分别表示为：p 2 4 0p 2 8 0p 3 2 0 p 3 6 0 p 4 0 0p 5 0 0 p 6 0 0 p 8 0 0p 1 0 0 0p 1 2 0 0 16 1 。 2 4 3 造粒方法 常用的造粒方法有如下几种： f 1 ) 破碎造粒法 有干法和湿法两种。先将物料利用破碎之后，再粉碎。湿法可制得0 1 m m 0 3 m m 的颗粒。这里所说的破碎造粒不是单纯的粉碎操作，也不是制造细粉，而 是在所定的粒度范同内的破碎，如磨料的造粒。 ( 2 ) 压缩造粒法 有在两个对辊问压缩和在一定模型中压缩两种。该造粒方法多被制药打锭、 食品造粒、催化剂成型和陶瓷行业等静压制微粒球磨等工艺所采用。 ( 3 ) 凝聚造粒法 含少量液体的粉体，因液体表面张力作用而凝聚。用搅拌、转动、振动或气 流使干粉体流动，若再添加适量的液体做粘结剂，则可像滚雪球似地是制成的粒 子长大。该方法多被用于冶金团矿、立窑水泥成球的生产。 ( 4 ) 喷雾造粒法 将物料溶液或混悬液用雾化器喷雾于干燥室的热气流中，使水分迅速蒸发以 直接获得球状干粉的操作方法。该法多被食品、医药、染料、非金属矿3 n z 等行 业使用。 目前磨料主要采用破碎造粒法进行造粒，以获得要求的颗粒形状和粒度。破 碎造粒法使用机械粉碎设备进行造粒。 2 4 4 粉碎 固体物料在外力作用下，克服内聚力，从而使颗粒的尺寸减小、表面积增加 的过程称为粉碎 1 7 , 1 8 , 1 9 】。 因处理物料的尺寸大小的不同，可大致上将粉碎分为破碎和粉磨两类处理过 程；使大块物料破裂成小块物料的加工过程称为破碎：使小块物料破裂成细粉末 状物料的加工过程称为粉磨。相应的机械设备分别称为破碎机械和粉磨机械【2 引。 通常按物料被处理后的尺寸作如下分类： 第二章文献综述 粗碎一将物料破碎到1 0 0 r a m 左右 中碎一将物料破碎到3 0 m m 左右 细碎一将物料破碎到3 m m 左右 粗磨一将物料粉磨到0 i m m 左右 细磨一将物料粉磨到6 0l an l 左右 超细磨一将物料粉磨到5pm 或更小至弧微米 2 4 4 1 被粉碎物料的基本特性 被粉碎物料的性能对粉碎机械的选型至关重要，物料物性直接影响到物料的 粉碎效果、粉碎机械的能耗、粉碎产品的粒度特性、粉碎机械主要零部件( 齿板、 锤头、衬板及磨介) 的磨耗以及在粉碎时必须采取的特殊措施等。 ( 1 ) 强度 强度是指物料抗破坏的阻力，般用破坏应力表示，即物料破坏时单位面积 上所受的力，用n m 2 或p a 来表示。随破坏时施力方法不同，可分为抗压、抗剪、 和抗拉强度等。 强度高低是物料内部价键结合能的体现，粉碎过程实际上是通过外部作用力 对物料施以能量足以超过其结合能时，物料才发生变形，破坏以致粉碎。1 9 2 0 年g r i f f i t h 提出的硎m t h 强度理论尽管不是以研究颗粒粉碎为背景，但是硎m t h 强度理论完全可应用于颗粒粉碎的研究之中。 ( 2 ) 硬度 硬度表示材料抵抗其他物体刻划或压入其表面的能力，也可以理解为固体表 面产生局部变形的能量，这一能量与材料内部化学键强度以及配位数等有关。硬 度可作为材料耐磨性的间接评价指标，即硬度值越大者，通常其耐磨性能也越好。 由上述可知，强度和硬度两者皆表示物料对外力抵抗能力。尽管尚未确定硬 度与应力之问是否存在某种具体关系，但有人认为，材料抗研磨应力的阻力和拉 力强度之间有一定的关系，并主张用“研磨强度”代替磨蚀强度。事实上，粉碎 愈硬的物料也像粉碎强度愈大的物料一样，需要愈多的能量。 ( 3 ) 易碎性( 易磨性) 物料粉碎的难易程度，称为易碎性。易碎性与物料的强度、硬度、密度、结 构、水分、表面情况和形状等有关。同一粉碎机械在相同操作条件下，粉碎不同 物料时，生产能力是不相同的，这说明物料的易碎性不同。易碎性通常用易碎性 系数表示，又称相对易碎性系数。 9 -lil厂i、ll 碎 涪 贼 粉 厂、l 碎粉 第一章文献综述 2 4 4 2 粉碎方式及粉碎模型 由于物料颗粒的形状是不规则的，而且物料的物性不同，所采用的粉碎方法 也不同。利用机械力对磨料的粉碎方式有以下几种： 萼审霉誉 ( d 图2 - 4 磨料的粉碎方式 f i g 2 - 4b r e a k i n gm e t h o do fa b r a s i v e s a ) 压碎 将物料置于两块工作面之间，施加压力后，物料因压应力达到其抗压强度而 破碎，这种方法一般适用于破碎大块物料，其工作原理见图2 - 4 ( a ) 、( c ) 。 b ) 劈碎 将物料置于一个平面及个带尖棱的工作面之间，带尖棱的工作平面对物料 挤压时，物料将沿压力作用线的方向劈裂。劈裂的原因是由于劈裂平面上的拉应 力达到或超过物料拉伸强度极限。物料的拉伸强度极限比抗压强度极限小很多。 其工作原理见图2 - 4 ( b 1 。 c ) 折碎 物料受弯曲应力作用而破碎。被破碎物料承受集中载荷作用的二支点简支粱 或多支点梁，当物料的弯曲应力达到物料的弯曲强度时，即被折断而破碎。其工 作原理见图2 - 4 ( d ) 、( e ) 。 d ) 冲击破碎 物料受冲击力作用而破碎，见图2 - 4 ( f ) ，它的破碎力量是瞬时作用的，其破 碎效率高、破碎比大、能量消耗小，冲击破碎有如下几种情况： ( i ) 运动的工作体对物料的冲击； 1 0 霉 第_ 章文献综述 ( i i ) 高速运动的物料向固定的工作面冲击； ( i i i ) 高速运动的物料互相冲击： ( i i i i ) 高速运动的工作体向悬空的物料冲击； e ) 磨碎( 研磨) 物料与运动的工作面之间受一定的压力和剪切力作用后，其剪切鹿力达到物 料的剪切强度极限时，物料便粉碎；或者物料彼此之间摩擦时的剪切、磨削作用 而使物料粉碎，见图2 - 4 ( g ) 【2 l 】。 颗粒的破坏与粉碎并非一种破坏形式所致，而是由两种或两种以上破坏作用 所共同构成。以下是几种较为典型的粉碎模型： 体积粉碎模型一一整个颗粒均受到破坏，粉碎后的生成物多为粒度大的中问 颗粒。随着粉碎过程的进行，这些中间颗粒逐渐被粉碎成细粉。冲击粉碎和挤压 粉碎和此模型较为接近。 表面粉碎模型一一在粉碎的某一时刻，仅是颗粒的表面产生破坏，并被磨削 下细微粉成分，这一破坏作用基本不涉及颗粒内部。该情形是典型的磨剥粉碎方 式。 均一粉碎模型一一施加于颗粒上的作用力使颗粒产生分散性破坏，物料直接 被粉碎成细微粉成分。 上述三种模型中，均一粉碎模型仅符合结合不紧密的细颗粒集合体，一般情 况下不考虑这种模型。实际粉碎过程往往是前两种粉碎模型的结合，前者构成粉 碎中的过渡颗粒成分，后者形成最终的稳定颗粒成分。 体积粉碎与表面粉碎所得的产物的粒度分布有所不同，体积粉碎后的粒度分 布较窄，但颗粒所占比例较小；表面粉碎后细粉较多，但粒度分布范围较宽，即 粗颗粒也较多。 2 4 4 3 粉碎机械 磨料常选用的破碎机械有颚式破碎机、搅拌磨机、普通卧式球磨机、行星球 磨机、振动磨机、对辊破碎机、自磨机和反击式破碎机等。各类粉碎机械都不是 使用一种形式粉碎物料。而是几种粉碎形式综合作用。 一般行星球磨机、普通卧式球磨机、振动磨机造粒后的颗粒形状多为近似球 状的等积形颗粒，而对辊破碎机造粒后的颗粒形状多为针状和片状。这四种设备 的工作原理如下： ( 1 ) 行星球磨机工作原理 行星式球磨机是在同一转盘上装有四个球磨罐，球磨罐除了绕自身轴以角速 度6 0 旋转外，还绕固定主轴以角速度q 公转。当转盘转动时，球磨罐作行星式运 第二章文献综述 动。球磨罐内的磨介和物料在公转作用下产生一定的离心力，通过自转，罐中磨 球和物料在高速运动中相互碰撞，研磨和混合，达到粉碎的日的。行星式球磨机 中磨介对物料主要施加研磨、冲击、剪切作用。 ( 2 ) 普通卧式球磨机工作原理 普通卧式球磨机内装有不同规格的研磨介质( 磨介) ，当磨机回转时，研磨 介质由于离心力的作用随简体一起回转，被带到一定的高度时，由于其本身的重 力作用抛落下来，对物料进行冲击；同时，研磨介质在磨内存在有滑动和滚动， 对物料起研磨作用；在研磨介质冲击和研磨的共同作用下，物料被粉碎和磨细。 在球磨机粉碎配合料时，还兼起混合作用。筒体转速与研磨体运动的关系见图 2 5 。 当球磨机以不同转速回转时，简体内的磨介可能出现离心式、泻落式和抛落 式三种基本情况，分别如图2 5 ( a ) 、( b ) 、( c ) 。 图2 - 5 磨机简体转速与研磨体( 磨介) 运动的关系 f i g 2 - 5r e l a t i o n sb e t w e e nc y l i n d e rr o t a t i o n a ls p e e da n dg r i n d i n gm e d i am o v e m e n t 图2 - 5 ( a ) 表示简体转速过高时，磨介受到的惯性离心力超过其重力，不能脱 离简体，而随简体一起转动，称为“离心状态”。图2 - 5 ( b ) 表示简体转速过慢时， 磨介靠摩擦力的作用，随简体沿同心圆轨迹升高，当面层磨介的斜度超过自然休 止角，磨介就沿斜面一层层地泻落下来，称为“泻落状态”，此状态则对物料有 较强的研磨作用，但无冲击作用，对大块物料的粉碎效果不好。图2 - 5 ( c ) 表示转 速比较适中，磨介受到较大的惯性离心力作用，紧贴在筒壁沿圆弧轨迹提升，直 至磨介的重力与惯性离心力平衡时，磨介才从空问抛下，称为“抛落状态”，此 状态磨介对物料有较大的冲击，粉碎效果好。因此，采用“抛落状态”对陶瓷刚 玉干凝胶进行造粒，总的冲击能量最大时的磨机计算转速为： 1 2 第_ 章文献综述 刀；3 7 2 万 在理论上导出合理的工作转速为： 力= ( o 7 6 0 8 8 ) n 其中，d 是磨机简体的有效内径，单位： ( 3 ) 振动磨机工作原理 ( r r a i n )公式( 2 1 ) ( r m i n )公式( 2 - 2 ) m ； 47 、 ； t 图2 - 6 振动磨机的原理示意图 f i g 2 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo f v i b r a t i o nm i l l 1 电动机；2 挠性联轴器；3 主轴；4 偏心重块：5 轴承；6 简体；7 弹簧 振动磨机由粉末简体( 由3 个、2 个或单个圆简体组成) 、激振器、支承弹 簧器和驱动电机等部件组成。驱动电机通过挠性联轴器带动激振器中的偏心重块 旋转，从而产生周期性的激振力，使磨机简体在支承弹簧上产生高频振动，机体 获得了近似于圆的椭圆形运动轨迹。随着磨机简体的振动，使筒体内磨介获得三 种运动：强烈地抛射运动，可将大块物料迅速破碎；高速同向自转运动，对物料 起研磨作用；慢速的公转运动，起均匀物料的作用。磨机简体振动时，粉磨介质 强烈地冲击和旋转，进入简体的物料在磨介的冲击和研磨作用下被磨细【2 2 1 。其原 理示意图如图2 - 6 所示。 ( 4 ) 搅拌磨工作原理 由电动机带动磨筒内的搅拌器回转，在搅拌器的搅动下，磨介和物料做多维 循环运动和自转运动，从而在磨简内不断地上下左右相互置换位置，由研磨介质 重力以及螺旋回转产生的挤压力对物料进行冲击、研磨、剪切作用使其粉碎。 ( 5 ) 对辊破碎机工作原理 对辊破碎机的机构是一对互相平行水平安装在机架上的圆柱形辊子。两辊双 耀型“鬻 第_ 二章文献综述 向旋转，物料落在转辊的上面，物料在辊子表面摩擦力的作用下，被扯进转辊之 间，受到辊子的挤压而破碎。粉碎后的物料被转辊推出，向下卸落。其原理示意 图如图2 7 所示。 图2 7 对辊破碎机的原理示意图 f i g 2 7s c h e m a t i cd i a g r a mo fd o u b l er o l l e rc r u s h e r 2 5 主要磨料的制粒工艺 2 5 1 金刚石及立方氮化硼的破碎、整形和选形工艺 金刚石的破碎有轮碾破碎、高压辊破碎、球磨机破碎、振动机磨破碎等方法。 进而经提纯筛分【2 3 1 、选形、磁选处理后的人造金刚石其中部分晶体为非完整单晶 体或连聚体或无定形晶体或含有大量包裹体的金刚石。这些晶体必须进行适当的 处理以达到理想的形状和表面状况，进而达到按形状划分成不同品级的产品。 连聚晶体的整形处理是指用球磨法或棒磨法，对由几个微小的晶体聚合在一 起的连聚晶或不规则的晶体进行破碎，使之成为单个晶体或接近等积形晶体的处 理过程。 近些年来，国内外在人造金刚石的后处理工序中加强了对晶体的整形处理， 如钝化处理、浑圆处理等，通过处理提高了产品质量、增加了品种。 这步处理与提纯工艺中的球磨破碎是完全不同的。这里主要是改变筒径、改 变球粒比、改变转速等等，以实现破碎和浑圆化两个阶段，有些类似制作微粉的 过程。 这种整形的意义还在于通过整形后的产品在使用中提高了金刚石制品的质 量，据有关资料报道可提高制品使用寿命2 0 - - 3 0 t 2 4 1 ，这是个极为重要的问 1 4 第二章文献综述 题。这样的制粒、整形工艺对其他品种磨料有着很好的借鉴意义。 立方氮化硼的造粒、整形可采用金刚石整形方法。立方氮化硼比金刚石强度 低，整形时的球料比及整形时问应加以调整【2 5 】。 2 5 2 碳化硅制粒工艺 碳化硅磨料粉碎制粒设备主要有搅拌磨机、气流磨机、振动磨机及球磨机等。 其制粒工艺具体的是首先把一级品碳化硅结晶块粗碎至3 0m l l l 以细，再用粉碎 制粒设备细碎至所要求的最大粒度以细，经水洗或酸碱洗除去杂质，干燥后进行 粒度分级，再磁选除去磁性物，精筛至要求粒度组成，检查合格后即为碳化硅磨 料成品。 2 5 3 普通刚玉磨料的制粒工艺 2 5 3 1 刚玉磨料的性能 刚玉的主要成分是0 【a 1 2 0 3 ，0 【a 1 2 0 3 属于三方晶系。在内部结构中，氧离子 作六方最紧密堆积，即a b a b a b 型，由于砧2 0 3 中氧离子和铝离子之比为3 ：2 ， 铝离子只能填隙在2 3 的氧八面体空隙q b l 2 6 ，如图2 8 所示。a a 1 2 0 3 中，正负 离子问键力很强，晶格能较大，达到1 6 7 4 3 k j m o l ，因此宏观上表现为熔点高， 硬度大，结构紧密，机械强度高，难以破碎等特点，被广泛的应用于低档次的磨 削制品【2 7 】。 图2 - 8 - a 1 2 0 3 的晶体结构( 菱面体晶胞) f i g 2 8t h ec r y s t a ls t r u c t u r eo fc t a 1 2 0 3 ( r h o m b ic r y s t a ll a t t i c e ) 第章立献综述 2532 刚玉磨料的制粒工艺 棕刚玉、白h 怔等刚玉磨料产品的制备过程均是采用电能加热电弧炉内的氧 化锚使之达到氧化铝的熔点之上，再经过蹄却、破碎、分级等工艺而得到。h 前，普垤刚玉麝抖的制粒工艺丰要经过粗碎、中碎、细碎三个阶段其丰要设蔷 有颚式破碎机、球磨机、气流粉碎机、振动蘑机和搅掉磨机。加工方法有干法和 湿法两种国内各磨料j 对刚玉加工帮采用干法加工工艺。 2 6 陶瓷刚玉磨料的特点、制备原理及造粒预处理 目前，国外制备陶瓷刚玉磨料丰要应用溶胶一凝胶法( s o i - - g e l ) 制各【耻”“。 丰要有美国3 m 公司e 产的牌号为“c u b i h 一o n “的陶瓷刚玉磨科以及美国n o r t o n 公 司牛产的牌号为“s g ”的陶瓷刚玉磨料。3 m 公司堆近公布了近几年的最新的研 究成粜- - c u b i t r o n 3 2 1 ( 如图2 - 9 所示) 它是在溶胶阶段加入一魑稀有金属氧化物 如l n ，n b 等的氧化物在a h o 品界处形成z m g l 埘d l l 0 1 9 化合物( l n 代表n b 或 l a ) 使其韧性指数明显提高。而n o r 幻a 公司为适麻激烈的市场竞争，近年来义 推出了s g 磨料的第一代产品一t g ( t a r g a ) 磨料( 如图2 1 0 所示) ，它保留了s g 的优 点在蔚料形状上作了新的突破它是一种细小的针状结晶聚台而成的多晶体。 陶瓷刚玉磨科砂轮的加工性能要远高于电熔刚玉磨料砂轮，界于电熔刚玉和c b n 之问( 如图2 1 1 所永) 其价格远低于c b n ，而且可使用白日玉砂轮的修整设备 而不必使用价格昂贵的修整设备，因此填补了普通的刚玉磨料与超硬立方氰化硼 ( c b n ) 磨料之间的空白得到了r 大用户的青睐与欢迎，其使用面日益扩大口“。 蒸一 圉2 - 93 m 公可的c u b i a x m 3 2 1 f i g2 - 93 mc o m p a a y s c u b i t r o a 3 2 鹫2 1 0n o t i o n 公司的t a r g a f i g2 - 1 0 n o r t o nc o m p a n y s t m g a 第二章文献综述 材辩仍除事 图2 - 1 1c b n 、陶瓷刚玉、电熔刚玉三种磨料在磨粒磨损与材料切除率方面性能的对比 f i g 2 11c o m p a r i s o no fe f f e c t so i lg r i ta b r a s i o na n dr e m o v a lr a t i oo fc b n ，c e r a m i c sc o r u n d u m ， f u s e dc o r u n d u m 2 6 1 陶瓷刚玉磨料的特点 ( 1 ) 韧性好。比普通白刚玉磨料高一倍以上，磨损少，砂轮形状保持好，用 于精密磨削和成型磨削容易获得较高的尺寸精度及尺寸形状一致性。 ( 2 ) 自锐性好。沿晶面破裂，而非白刚玉的穿晶破裂，产生磨削热少，磨削 温度低，不烧伤工件。 ( 3 ) 磨粒锋利，切削能力强，磨削效率高。可进行大切深、大进给、重负荷 和高效磨削。 ( 4 ) 砂轮耐用性好。使用寿命长，更换频次少，减少了辅助加工时间和停机 时间，有利于使用数控自动机床和实现自动化。 ( 5 ) 性价比较高。价格远低于c b n 和金刚石磨料。 ( 6 ) 维修简便。在修整时可使用白刚玉砂轮的修整设备，而不必使用价格昂 贵的修整设备。陶瓷刚玉磨料为维持其切削刃的锐利，只要求较少的修整，较少 的修整就会得到最大的砂轮寿命，与氧化铝砂轮相比，陶瓷刚玉磨料砂轮修整次 数可减少8 0 。 2 6 2 陶瓷刚玉磨料的制备原理及特点 8 0 年代以来，溶胶一凝胶技术在玻璃、氧化物涂层、功能陶瓷粉料，尤其 是传统方法难以制备的复合氧化物材料、高临界温度氧化物超导材料的合成中均 得到成功的应用3 3 , 3 4 , 3 5 ，该方法可制得的材料主要分为5 类：块状材料1 3 6 1 、纤维 第二章文献综述 材料3 7 1 、涂层和薄膜材料【3 8 】、超细粉末材料3 9 4 0 4 1 1 及复合材料 4 2 , 4 3 。以下是溶胶 一凝胶法的原理及特点： a ) 溶胶一凝胶过程是陶瓷刚玉磨料最前期的工作，也是陶瓷刚玉磨料的基 础。其原理如下： 不论所用的前驱物( 起始原料) 为无机盐或金属醇盐，其主要反应步骤都是前 驱物溶于溶剂( 水或有机溶剂) 中形成均匀的溶液，溶质与溶剂产生水解或醇解反 应，反应生成物聚集成l n m 左右的粒子并组成溶胶，溶胶经抽滤转变为凝胶 4 4 , 4 5 t ， 再经过干燥和烧结等制成所需材料【矧。其最基本的反应如下。 ( 1 ) 溶剂化 能电离的前驱物一金属盐的金属阳离子m z + 吸引水分子形成溶 剂单元m ( h 2 0 ) z + n ( z 为m 离子的价数) ，为保持它的配位数而具有强烈的释放 h