涂料磨具基础知识

涂附磨具制造技术基础知识涂附磨具制造技术基础知识 第一节 概 述 磨料是一种具有高硬度和一定机械强度的颗粒材料 是用于制造磨具或直接用于研 磨和抛光 作为一种磨料必须具备的基本特性 一般来说 应满足以下五个方面的要求 1 较高的硬度 磨料的硬度必须高于被加工对象的硬度 否则 无法实现磨削加工的要求 2 适度的抗破碎性及自锐性 磨料要有适当的抗破碎性及自锐性 在磨削过程中 磨粒承爱以着抗压 抗折 抗冲 击等应力 如其抗破碎性太低 磨削时磨粒很快破裂 难以进行有效的磨削 反之 磨 粒变钝后也不破碎 不能出现新刃 使磨削无法继续进行 因此 要求磨粒磨钝后 在 磨削应力的作用下 自行破碎 露出新的锋利刀刃 使磨削过程持续进行 3 磨料应具有良好的热稳定性 磨具工作时 常常会产生大量的热 局部可以达到较高的温度作为一种磨料在高温 状态下应能保持一定的硬度和强度 例如 金刚石的常温硬度最高 但超过 800 就会 碳化变为石墨 其硬度和强度急剧下降 这就在一定程度上 限制了金刚石的应用 4 磨料应具有一定的化学稳定性 磨料与被加工对象不易产生化学反应 长期的实践表明 磨削并不是单纯的机械过 程 其中存在一定的化学反应 例如用碳化硅磨料加工钢材时 会发生下列反应 SiC 固 4Fe 液 FeSi 固 Fe3C 固 由于磨料与被加工对象发生化学反应 使磨料固有的机械性能发生变化 从而影响 了磨削效果 5 便于加工成不同大小的颗粒 由于磨削加工是利用磨具表面许多颗粒所构成的切削刃来进行的 因此 要把磨料 加工成所需要的粒度 有些物质 如硬质合金 虽然硬度高 但由于它的韧性较大 与 磨料相比难以加工成颗粒状 因此 不适宜制造磨料 下面就磨料的种类 制造方法 性能及特殊的处理方法作一简要介绍 第二节 磨料的种类 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 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 铬刚玉的冶炼工艺与白刚玉相同 只是在冶炼过程中加入一定量的氧化铬 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 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 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 金刚石是以石墨为原料金属或合金为触媒 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 第三节 磨料的性质 磨料的性质 并不是简单的指磨料的物理 化学性质 这里介绍磨料的性质是限于与 制造 使用有关的性质 主要偏重于实际生产上的应用 一 化学成分 磨料的化学成分对磨料的物理 化学 机械性能有决定性的作用 即使化学成分有微 小的变化 可能会造成其性能产生较大的差异 因此对各种磨料的化学成分均有严格的规 定 化学成分对磨料的性质影响较大 对碳化硅磨料而言 碳化硅的含量越高 其硬度与磨 削性能就越好 一级品的碳化硅结晶块通常含有 98 左右的 SiC 杂质 主要有二氧化硅 硅 碳 铁 铝 钙 镁 约占 2 刚玉中的化学成分同样对磨料的性质有较大的影响 白刚玉由于比棕刚玉中 Al2O3 的含量高 因而其硬度高于棕刚玉 性脆 具有良好的切削 性能 黑刚玉因 Al2O3 含量较低 故其硬度较低 而韧性较好 适用于制作涂附磨具 其 它化学成分的存在及含量多少 对刚玉的性质也有较大的影响 棕刚玉中 TiO2 的含量增 加 能使刚玉的韧性增加 白刚玉中 Na2O 是一种有害成分 由于它的存在使得生成的 Al2O3 的结晶硬度降低 切削性能差 易破碎 如果在白刚玉冶炼过程中加入 Cr2O3 ZrO2 等化学成分 可以制造成铬刚玉 锆刚玉 使白刚玉的性能得到改善 提高其韧性 二 粒度 人造磨料冶炼出来以后 如果用于制造磨具或研磨材料 就必需加工成粗细不同的颗 粒 并将大小相近的颗粒按一定范围分级 由大到小用规定的数字来表示 称为粒度号 换言之 磨料粒度是表示磨料颗粒大小的 由于磨粒形状不规则 磨粒的尺寸实际上是以 宽度来表示的 GB2477 83 将磨料按颗粒大小分为 41 个粒度号 即 4 5 7 8 10 12 14 16 20 22 24 40 46 54 60 70 80 90 100 120 150 180 220 240 W63 W50 W40 W28 W20 W14 W10 W7 W5 W3 5 W2 5 W1 5 W1 0 W 0 5 磨料的粒度主要是用来标识磨粒大小的 实际上要筛分出单一磨粒尺寸的磨料是不可 能的 所以上述磨料各粒度的尺寸范围是其基本粒的尺寸范围 我国磨料粒度组成的标准 与其他国家或协会组织的标准有一定的差异 但这些标准与国际标准 ISO 基本上是一 致的 三 磨粒形状 磨粒本身的形状是不规则的 为了使其具有形状的概念 根据其外观轮廓 通常把磨 料的形状分为以下四种 1 等积形或标准形 H 高 L 长 B 宽 1 1 1 2 片状形 H L B 1 1 1 3 或 1 3 1 1 3 剑状形 H L B 1 3 1 1 3 4 混合形 磨粒的最佳形状是等积形 这种磨粒具有较高的抗压 抗折及抗冲击强度 这类磨粒 制造的磨具有较强的磨削能力 但就涂附磨具的制造而言 则希望使用片状和剑状形的磨 粒 使得涂附磨具具有锋利性 影响磨粒形状的因素主要是磨料的化学成分 制造方法和破碎方法 长期的生产实践 证明 用球磨机加工的磨粒 其形状多为等积形 而用对辊机加工的磨粒 绝大多数为片 状和剑状 四 堆积密度 单位体积磨料的重量称为磨料的堆积密度 其单位习惯上用 g cm3 来表示 磨料的堆积 密度对磨具的强度 硬度及切削性能都有一定的影响 另外 它对磨料的其它性质也有一 定的影响 影响磨料堆积密度的因素主要包括磨料的种类 粒度和磨料的破碎方法 一般来说 在相同的条件下 刚玉的堆积密度比碳化硅的大 粗粒度比细粒度的堆积密度大 等积形 磨料的堆积密度比片状 剑状的大 用球磨机加工的磨料的堆积密度比对辊机 鄂式破碎 机加工的大 就磨具的生产而言 用于生产固结磨具的磨料 其堆积密度应尽可能的大 从而使得 磨具具有较高的强度 硬度以及良好的切削性能 用于生产涂附磨具的磨料 其堆积密度 应尽可能的小 这样可以保证磨具的锋利性 磨料的堆积密度可以通过整形来改变 用球磨机整形可提高磨料的堆积密度 用对辊 机或鄂式破碎机整形能降低磨料的堆积密度 另外 采用混合磨粒可以提高磨料的堆积密 度 如果粗细粒度搭配适当 能使磨料的堆积密度达到最大值 国标对磨料堆积密度的测定方法有特别的规定 普通磨料 超硬磨料堆积密度的测定 可分别参照国标 GB3603 83 部标 JB3584 84 机械部标准 进行 五 亲水性 固体物质表面由于带有极性基团的分子 对水有较大的亲和能力 可以吸引水分子 易被水所润湿 这种属性称为亲水性 普通磨料都具有亲水性 磨料的亲水性是以磨料在 一定直径的玻璃管内紧密堆积 下端浸入水中 在规定的时间内水在管中上升的高度来表 示的 在规定时间内水上升的高度愈高 表明磨料的亲水性越好 亲水性的测定可参照国 标 GB3605 83 进行 亲水性的好坏对磨料与结合剂结合的程度有较大的影响 一般来说 亲水性好的磨料 与结合剂结合的程度越牢固 反之 结合的程度就差 不同种类 不同粒度的磨料 其亲水性有一定的差异 同一种磨料 如采用不同的