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磨料磨具

/abrasives and abrasive products/
条目作者赵燚

赵燚

最后更新 2023-04-04
浏览 200
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磨料和磨具的总称。磨料是在磨削、研磨、抛光、钻切等机械加工过程中起切削作用的颗粒状或粉粒状无机非金属晶体材料。磨具是以磨料为核心切削材料制成的用于磨削、研磨、抛光、钻切等加工的定形或不定形复合材料工具。

英文名称
abrasives and abrasive products
所属学科
材料科学与工程

在新石器时代人类就已经开始使用天然磨料。1891年,美国研制成功碳化硅磨料。1897年,美国诺顿公司研制成功人造刚玉磨料。1954年,美国通用电气公司的H.T.霍尔(Hall)等在1650℃和95000个大气压下成功合成出人造金刚石。1957年,R.H.温托夫(Wentorf)以六方氮化硼为原料,用类似的工艺研制成功立方氮化硼。中国磨料磨具工业从1956年开始快速发展,1963年采用中国自主生产的装备和拥有自主知识产权的工艺技术,在郑州磨料磨具磨削研究所合成出了中国第一颗人造金刚石,1967年立方氮化硼在该研究所研制成功,并于同年研制成功人造金刚石聚晶和立方氮化硼聚晶。据中国磨料磨具行业年鉴统计,中国人造金刚石产量已超过90亿克拉,占全球产量的90%。普通磨料生产已从小功率(1000千瓦)冶炼转向大功率(6300千瓦以上)冶炼生产,已有25 000千伏安的特大功率变压器投入普通磨料的冶炼生产。制粒分级也从生产装备的平铺联动转入立体布置,极大地节约了生产占地面积,提高了粉尘的防治效果。超硬磨料的发展已转入高强度、大单晶化、微晶化、超细化、多晶化等专用化方向。大吨位压机和大合成腔体生产装备的应用促进了超硬磨料的大规模化生产进程。

历史上最早的磨具是选取自然界中高硬度石头打磨制成。1877年,美国的一个陶瓷作坊用天然矿料制成陶瓷砂轮。因天然磨料质量不高,制成的砂轮只是初具磨具的形式。现代磨具的磨削性能主要由磨料种类、磨料粒度、结合剂种类、磨具硬度、磨具组织或磨料浓度5个主要因素决定,其发展向特色专用、高速高效、精密和超精密磨削方向转变,砂轮的最高使用线速度已超过160米/秒,工业制件的加工效率得以极大提高,CMP(化学机械抛光)研磨液可将工件研磨至纳米级精度。多工位磨具成型装备及在线检测系统的使用,使得磨具的生产效率、产品质量得以很大提高。

磨料按材料来源分为天然磨料和人造磨料;按晶体硬度分为普通磨料和超硬磨料,普通磨料的旧莫氏硬度约为9,超硬磨料的旧莫氏硬度为10。普通磨料主要有碳化硅磨料、刚玉磨料、碳化硼磨料3类。碳化硅磨料中的黑碳化硅、绿碳化硅和刚玉磨料中的棕刚玉、白刚玉占普通磨料使用量的绝大部分,被称为“四大金刚”,其他均为小品种磨料。超硬磨料有人造金刚石超硬磨料、立方氮化硼超硬磨料两类。金刚石微粉通常指代粒径不大于56.7微米的金刚石磨料微粉;微晶立方氮化硼通常指代具有微晶结构的立方氮化硼磨料。按磨粒粗细分为粗磨粒和微粉,粒度号为F4(P12)~F220(P220)的普通磨料和16/18~325/400的超硬磨料是粗磨粒,粒度号为F230(P240)~F1200(P2500)、#240~#8000的普通磨料和M36/54~M0/0.5的超硬磨料是微粉。

具体磨料产品的称谓通常包含磨料品名、粒度特性、磨粒的晶体结构特征等要素,如“绿碳化硅F80”表示用于固结磨具的#80绿碳化硅粗磨粒;“棕刚玉P150” 表示用于涂附磨具的#150棕刚玉粗磨粒。

磨具种类极其繁杂,按结合剂对磨粒的把持方式和磨具组成材料特性分为固结磨具、涂附磨具、研磨剂类磨具3大类;按所使用磨料的种类分为普通磨料磨具(通常简称为普通磨具)和超硬磨料磨具(通常简称为超硬磨具)。普通磨具按形状和使用方式分为砂轮、砂瓦、砂页轮、砂页盘、砂带、砂纸、砂盘、砂套、磨头、磨石(油石)、珩磨条、研磨液、研磨膏、抛光蜡等。

具体磨具产品的称谓包含结合剂种类、磨料品名、磨具应用特性等要素,如陶瓷碳化硅砂轮、锆刚玉砂带、金刚石切割锯片、立方氮化硼珩磨油石等。

各类磨料均为无机非金属晶体材料,其性质取决于磨料的种类、形状、大小及其物理化学特性。表征其特性的物理性质包括硬度、抗压强度、球磨韧性或冲击韧性、颗粒密度、堆积密度、振实密度、亲水性、磁性物含量或磁化率、粒度组成等;表征其特性的化学性质包括化学成分、高温抗氧化性和化学活性。

其基本的磨削性能要求为:①具有很高的硬度。磨料硬度比工件硬度高是实现磨削加工的重要条件。②具有适当的抗破碎能力和自锐性。磨粒尖角磨钝后能局部破碎,露出新的尖角作为切削刃保证加工过程的持续进行。③具有良好的高温特性。即能在高温下保持一定的硬度和强度,以承受来自磨削加工所产生的磨削热和冲击力。④化学性能稳定。在磨削加工过程中能够避免同工件、冷却液之间发生化学反应。

磨具性质取决于磨料的品种、结合剂的种类以及结合剂与磨粒的结合特性。固结磨具是由结合剂将磨粒固结成具有一定形状和强度的刚性固体磨具,所有磨粒之间的相对位置在三维空间内几乎没有变化,结合剂对磨粒呈固态包裹状态,对磨粒把持力最强,在3类磨具中最耐用。涂附磨具是由黏结剂把磨粒黏附在可挠曲基材上而制成的可挠曲固体磨具,磨削时磨粒之间的间距随可挠曲基材的变化而变化,其黏结剂对磨粒呈固态半包裹状态,对磨粒把持力较强,磨粒的出刃高度最高,在3类磨具中磨削效率最高。研磨剂类磨具是由磨粒、分散剂和辅助材料制成的软质磨具,有蜡状、膏状或液状之分,使用时磨粒处于游离状态,参与磨削的磨粒之间的距离有明显变化,其载体对磨粒具有黏附能力,在3类磨具中使用的磨粒最细,并整体参与磨削,加工工件的表面粗糙度最低。

固结磨具的物理特征是指磨具的硬度、强度、组织或磨料浓度、动平衡量、静不平衡量、形位公差、磨料品种、基体的种类与结构等,其基本的性能要求有:①具有一定的硬度,以满足被加工工件的不同材质的磨削要求。②具有合适的磨具组织或磨料浓度,以利于磨削过程中磨屑的排除。③具有与磨削条件相匹配的回转强度,以免磨削过程中发生磨具破裂。④具有与磨削条件相匹配的动平衡量和静不平衡量,以免磨削系统产生过大的振动。

磨料磨具的基本原料分为自然矿物和人造原料(见表)。

磨料磨具用基本原料

产品类别

自然矿物

人造原料

磨料

普通磨料

碳化硅磨料

石英砂、无烟煤

石油焦、食盐等

刚玉磨料

高铝矾土

碳素材料、铁屑、铝氧粉等

碳化硼磨料

硼酸

碳素材料

超硬磨料

人造金刚石

叶蜡石

超纯石墨粉、金属触媒、石墨碳片

立方氮化硼

叶蜡石

六方氮化硼、金属触媒

磨具

普通磨具

固结磨具

有机磨具

-

树脂粉、树脂液、橡胶、PVA、普通磨料等

陶瓷磨具

黏土、高岭土、长石、锂辉石、萤石、菱苦土等

硼玻璃、糊精、水玻璃、精萘、普通磨料等

超硬磨具

金属超硬磨具

-

金属粉末、有色金属板材、银焊剂、钎焊剂、超硬磨料、基体材料等

树脂超硬磨具

-

树脂粉、树脂液、超硬磨料、基体材料等

陶瓷超硬磨具

-

专用陶瓷结合剂、超硬磨料、基体材料等

涂附磨具

虫胶

树脂液、可挠曲材料(原布、原纸)、普通磨料、超硬磨料、其他辅料等

研磨剂类磨具

-

分散剂、蜡类、脂类、普通磨料、超硬磨料等

20世纪后期,超纯石墨粉在人造金刚石合成上得到广泛应用,促进了人造金刚石产业向大规模生产方式转变,使得质优价廉的超硬磨具可以批量供应市场,促进了难加工材料(如精细陶瓷、晶体材料等)行业的发展。人造金刚石大单晶的工业化生产,使得人造金刚石单晶体的车刀替代了天然金刚石车刀;低温陶瓷结合剂及高性能树脂(如双马来聚酰亚胺)的应用为提高超硬磨具性能、降低使用成本提供了契机;高强度黏结剂及高抗拉强度的复合基体材料的应用促进了高速、高效、高精超硬磨具技术的发展。

普通磨料原块通过三相电弧炉、电阻炉或高温炉进行磨料结晶原块的冶炼或烧结煅烧生产,再进行结晶原块的破碎、分级、磁选、筛分等物理加工及化学处理,制成具有不同形状特性、不同粒度号的普通磨料粗磨粒。超硬磨料是在两面顶或六面顶压机上通过高温高压合成,再进行合成棒料的破碎、提纯、选型、筛分等物理加工及化学处理,制成各种牌号、品种的超硬磨料粗磨粒。使用水力分选或风力分级方法制造普通和超硬磨料微粉。经过原料处理、混配料、成型、干燥、固化或烧结、后加工及检验等工序,将结合剂、磨料及其他材料结合在一起制成普通磨具和超硬磨具。

磨料磨具被称为“工业的牙齿”,应用领域极其广泛。磨料的磨削特性各异,应用领域各不相同。刚玉类磨料及立方氮化硼磨料适用于黑色金属加工;碳化硅类磨料和人造金刚石磨料通常用于有色金属及其他材料加工;低硬度的黑刚玉磨料和易氧化的碳化硼磨料多用于研磨抛光。磨料是制造磨具的基础原料,亦可作为散状成品直接应用于各类制件的研磨、抛光、切割。普通磨料也被大量应用于非磨削用途,如高档耐火材料、精细陶瓷和结构陶瓷用原材料、炼钢脱氧剂等。磨具种类成千上万,皆是磨削、研磨、抛光、钻切、切割等加工用工具。

  • 谢有赞,刘槐清,赵纯能,等.金刚石理论与合成技术.长沙:湖南科学技术出版社,1993.
  • 万隆,陈石林,刘小磐,等.超硬材料与工具.北京:化学工业出版社,2006.

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