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普通磨料材料特性解析
閱讀：973 發布時間：2015-9-21作為砂輪磨削刃的磨粒通常是硬度比被加工材料高許多的天然或人造材料。zui主要磨料的一些物理性質列于表1中。
表1 磨料的一些性質
材 料 | ||||
氧化鋁（Al2O3） | 碳化硅（SiC） | 立方氮化硼（CBN） | 金剛石（C） | |
結晶組織 | 六邊形 | 六邊形 | 立方 | 立方 |
密度（g/cm2） | 3.98 | 3.22 | 3.48 | 3.52 |
熔點/0C | 2400 | ≈ 2830 | ≈ 3200 （三相點105KPa時) | ≈ 3700 (三相點130KPa時) |
努氏硬度 （kg/mm2） | 2100 | 2400 | 4700 | 8000 |
* 近似值——取決于結晶方向和純度
現在用于砂輪的普通磨料都是基于氧化鋁（Al2O3 ）和碳化硅（SiC）的人造材料。除Al2O3 之外，人造氧化鋁中還作為添加成分或雜質含有一些金屬氧化物。碳化硅有多種形態，通常分為具有六邊形或菱形結晶組織的α類碳化硅，和具有立方結晶組織的β類碳化硅。碳化硅磨料基本是α- SiC。對磨料的基本要求是它要硬于被磨材料。磨料硬度通常用努氏（Knoop）硬度試驗確定的靜態壓痕硬度表示。磨料的另一個重要特性是它的動態強度或韌性。高的韌性使磨粒每次侵入和沖擊工件時不易開裂和破碎。但另一方面，較脆的磨料在使用中變鈍時容易形成鋒銳的新切刃。
努氏硬度試驗原理是：將頂部兩棱之間的α角為172.5°和β角為130°的棱錐體金剛石壓頭用規定的試驗力壓入試樣表面，經一定的保持時間后卸除試驗力。試驗力除以試樣表面的壓痕投影面積之商即為努氏硬度。努氏硬度試驗適用于表層硬度和薄件的硬度測試。它特別適于測試硬而脆的材料，常被用于測試琺瑯、玻璃、人造金剛石、金屬陶瓷及礦物等材料。
普通磨料的相對脆性一般用較粗（12＃粒度）磨粒樣品在規定條件下進行球磨的標準粉碎實驗來評價。磨料的“脆性指數"表明引起破碎的程度，用球磨后的12＃粒度磨粒樣品通過16＃篩的百分數來定義。這一粉碎實驗也可以用于確定相同或不同磨料不同粒度磨粒的相對脆性。通常，同種磨料較細的磨粒的脆性較小，這是因為他們一般由較粗的材料破碎制成的。許多普通氧化鋁和碳化硅磨料的硬度和脆性指數列于表2中。
表2 氧化鋁和碳化硅12#粒度磨料的硬度和脆性指數
磨粒種類 | 努氏硬度（kg/mm2） | 脆性指數 |
氧化鋁 | ||
改良剛玉（3%Cr） | 2260 | 65.0 |
白剛玉 | 2120 | 56.6 |
單晶剛玉 | 2280 | 47.7 |
棕剛玉 | 2040 | 35.6 |
微晶剛玉 | 1950 | 10.9 |
10%鋯剛玉 | 1960 | 10.9 |
40%鋯剛玉 | 1460 | 7.9 |
燒結剛玉 | 1370 | 6.5 |
碳化硅 | ||
綠色碳化硅 | 2840 | 62.5 |
黑色碳化硅 | 2680 | 57.2 |
硬度高的磨料通常更脆些，這在圖1的脆性指數和硬度關系中也可看出。碳化硅磨料的硬度比氧化鋁的要高，幾乎達到脆性區域的上限。較硬和較脆的磨料通常用于精密磨削作業。粗粒度韌性磨料則更適合于重磨削。
圖1 表2給出的氧化鋁和碳化硅磨料的硬度和脆性指數關系
對于氧化鋁磨粒，其性能的明顯差異是由化學成分、組織特征在制造過程中的不同引起的。大部分氧化鋁磨料由鋁礬土作為主要生料開始以三種不同方法制得。經煅燒脫水的鋁礬土直接用焦炭和鐵在電爐中熔化，先被處理成較純的氧化鋁，然后再后部工序中熔煉。
棕剛玉可以用*種方法即用脫水的鋁礬土加入一定量的焦炭和鐵熔化制得。棕剛玉包含有大約2.7%的在鋁礬土中殘留的氧化鈦，它能導致棕剛玉材料硬度和脆性較低。這種半脆性磨料用于從重磨削到粗磨和半精磨的廣泛作業之中。這一磨料的更韌的變種是由在更小鑄錠模中更快冷卻而獲得的結晶尺寸很細的微晶剛玉（見表2），它主要用于重磨削。
單晶剛玉可以用相似的熔融過程獲得，但要添加鐵的硫化物和堿性成分，以清除其中的鈦。zui后得到可分解的硫化物基體中含有剛玉磨粒的鑄錠，再破碎鑄錠和用水處理分離出磨粒。它比棕剛玉純得多，只含有少量氧化物雜質。單晶剛玉有相當鋒銳切刃的階梯狀表面，主要用于精磨作業。
白剛玉和改良剛玉磨料是在Hall-Heroult電弧爐中對預提純過的剛玉進行熔煉得到的。它幾乎100%是Al2O3 。改良剛玉是在剛玉中添加少量的可溶金屬氧化物形成固熔體，以增加材料的硬度和韌性。白剛玉磨粒具有鋒銳的破碎表面，和觀察到的單晶剛玉相似。通常用來進行精磨加工。
燒結剛玉是用*不同的方法，即先通過壓制或擠壓用焙燒過的鋁礬土細粉（1-5um）制成糊狀物，得到的致密材料經破碎或切斷制成粒，再在低于熔化溫度下煅燒制得的。鋁礬土中的雜質作為燒結劑使之得到非常細的晶粒和特別高的韌性。zui后得到的磨料產品通常是圓刃，沒有鋒銳的角。這種磨料用來進行重磨削。
鋯剛玉（氧化鋁和氧化鋯的混合物）的出現深刻地影響了重磨削技術。氧化鋁和氧化鋯有非常相似的互溶性，能形成純凈的大約42%氧化鋯（ZrO2）的共晶體。盡管它的硬度值大約是氧化鋁（Al2O3） 的一半，但該共晶體結構韌性非常好，因為軟的氧化鋯能阻止裂紋的擴展，使磨粒在很高的負載下不破碎，從而能用于更苛刻的條件和更長的壽命。鋯剛玉對重磨削的另一個貢獻是有更高的化學穩定性。分別含有硬的氧化鋁和氧化鋯的共晶體（Al2O3-ZrO2）中富含氧化鋁的混合磨料，是用達到共晶含量經煅燒的鋁礬土、鋯英砂、焦炭和鐵在電爐中冶煉得到的。熔融液在水冷的鋼板上被倒成一薄層，使之迅速淬火和固化成細樹枝狀組織，再經破碎成磨粒。不同的氧化鋯（ZrO2）含量使磨料的機械性質不同。磨料中Al2O3含量越多則越硬和越脆，而含量越接近共晶含量則磨料越韌和脆性降低。
碳化硅是在電爐中2000°C溫度下用焦炭中的碳還原SiO2砂而制得的，根據：
SiO2+3C SiC+2CO
理想產品是六方形碳化硅（α-SiC），它的顏色是綠到黑色。綠色碳化硅比黑色碳化硅要純，是一種半導體。黑色碳化硅雖然硬度較低，基于成本考慮則主要用于磨削。
碳化硅的這兩種材料都明顯比剛玉硬度高，比zui硬的氧化鋁磨料還要脆，由物理性質決定了它更適合于精磨，對于非金屬和大多數陶瓷也確實是這樣，但對鐵族金屬應用卻表現不佳，因為它與鐵和鋼合金有化學反應，導致其抗磨損性差。但是，碳化硅對硬鑄鐵表現很好，因為其中高的碳含量減弱了與砂輪的化學反應。