第二章 第二节 磨料的种类(2008-08-03 09:34:24)
磨料可以分为天然磨料和人造磨料两大类。
一、天然磨料
一 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98．59
GPa。金刚石是碳的同素异型体，主要成分是碳，另外还含有0．02％～4．8％的杂质，密度为3．15～3．53
g／cm。。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((Carat)，1克拉=O.2 g。
天然金剐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分为a—Al2O3，其显微硬度为20．58 GPa，密度为3.93～4.OO
g／cm。。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13．33
GPa。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，其矿物组成为：3FeO·Al2O3·3SiO2，含量不低于85％～90％。
4．石英
石英的化学成分为SiO2，常夹杂有Al203、Fe2O3,CaO、MgO、Ti02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
人造磨料分剐玉系列、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(SiO2)、氧化铁和氧化钛等杂质还原成金属，这些金属结合在一起成为铁合金，由于其密度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块中。棕刚玉的主要矿物成分为物理刚玉(a—Al2O3)，三方晶系，少量的矿物杂质有：硅酸钙(CaO·6Sio2
)、钙斜长石(CaO、A1203、2SiO2
)、富铝红柱石(又称莫来石3A1203·2Si02)、钛化物(黑钛石Ti203·2SiO2 、Ti203、Ti305、TiN、
TiC等)、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、可锻铸铁等。
(2)白刚玉(WA)
白刚玉(a—Al2o3是以铝氧粉为原料在电弧炉中加热熔融再结晶而成的磨料。在冶炼过程中并没有排除原材料中的杂质，因此，白刚玉的质量与原材料的纯度密切相关。
白刚玉中A12O3的含量应在97％以上，其硬度高于棕刚玉，但脆性较大。它具有很好的切削，抗氧化及气体腐蚀的性能，并有良好的绝缘性。主要用于淬火钢、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(Cr2O3)，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，并且工件表面的粗糙度也较好。铬刚玉适应于磨削韧性高的淬火钢、合金钢、精密量具及仪表零件等粗糙度要求较高的工件。
(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模子内急速冷却(一般在30
min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／tm，晶体占57%
～85％，最大晶体尺寸不超过400～600μm。它具有强度高、韧性较大等特点。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(FeS)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(Al2S3)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22～38
kg，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、高钒钢等韧性大、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α—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Pr6O11、氧化钕Nd2O3、氧化镧La2O3)。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，经熔炼而成，其耗电量约为棕刚玉的三分之二。呈黑色，主要化学成分：Al203不低于77％、SiO2
含量为10％～12％、Fe203含量为7％～10％、 TiO2约3％，密度不小于3．61 g／cm3。
黑刚玉具有很好的自锐性，磨削时发热量少，加工件的粗糙度较好，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,um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分是：Al2O3(85％～88％)、SiO2
(3％～4％)、TiO2(3．5％～4．5％)、Fe2O3(5．6％～6．5％)。它具有a—Al3O5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6
mm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)碳化硅(C、GC)
碳化硅是以石英、石油焦炭为主料，木粉、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、玻璃石料等硬质脆性材料。
绿色碳化硅与黑色碳化硅相比，其纯度、硬度、脆性稍高，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，在耐火材料方面用于制作各种高级耐火制品，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(CeO。)冶炼出来的，其夕}
观和绿碳化硅相似，显微硬度为36．29 GPa。与绿碳化硅相比，其铈碳化硅的显微硬度、单颗
粒压强度、韧性等均比绿碳化硅高。
由于铈碳化硅的物理性能有所改变，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．Ol mm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0．02 mm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
磨削铸铁进刀量大时，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,磨削耐磨高速钢，其效果与单晶刚玉相似。
(3)碳化硼(Bc)
碳化硼(B4c)是以硼酸(HsBO3)和炭素材料为原料，在电弧炉内经1 700~2 300~c的高
簟冶炼，由碳直接还原熔融的硼酐(B203)而制得。
碳化硼是一种具有金属光泽的灰黑色粉未，是一种超硬材料。在空气中加热至500~C
时,碳化硼开始被氧化，当温度达到800~900~C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
金剐石是以石墨为原料，以某些金属或合金为触媒，在高温(1 000 - 2
000℃)、高压(557
--608 MPa)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。参照GB/
T 6405--1994，金刚石的分类及推荐用途见表2—1。
(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(CeO。)冶炼出来的，其夕}
观和绿碳化硅相似，显微硬度为36．29 GPa。与绿碳化硅相比，其铈碳化硅的显微硬度、单颗
粒压强度、韧性等均比绿碳化硅高。
由于铈碳化硅的物理性能有所改变，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．Ol mm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0．02 mm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
磨削铸铁进刀量大时，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,磨削耐磨高速钢，其效果与单晶刚玉相似。
(3)碳化硼(Bc)
碳化硼(B4c)是以硼酸(HsBO3)和炭素材料为原料，在电弧炉内经1 700~2 300~c的高
簟冶炼，由碳直接还原熔融的硼酐(B203)而制得。
碳化硼是一种具有金属光泽的灰黑色粉未，是一种超硬材料。在空气中加热至500~C
时,碳化硼开始被氧化，当温度达到800~900~C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
金剐石是以石墨为原料，以某些金属或合金为触媒，在高温(1 000 - 2
000℃)、高压(557
--608 MPa)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。参照GB/
T 6405--1994，金刚石的分类及推荐用途见表2—1。
表2-1金刚石的分类及推荐用途
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品种
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适用 范
围
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粒
度
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窄 范
围
宽 范 围
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推荐
用途
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