第1章　磨料

1.1　概述

1.1.1　磨料定義

磨料的概念是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，在不同階段有不同含義。1982年出版的《科學(xué)技術(shù)百科詞典》的解釋是磨料是用于打磨或磨削其他材料的硬度極高的材料，磨料可以單獨(dú)使用，也可以制備制成砂輪或涂附在紙或布上使用。1992年國(guó)際生產(chǎn)工程研究會(huì)編寫的《機(jī)械制造技術(shù)詞典》將磨料定義為：“磨料是具有顆粒形狀的和切削能力的天然或人造材料”。2006年5月中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社出版的《機(jī)械工程標(biāo)準(zhǔn)磨料與磨具》中規(guī)定的磨料的概念是：磨料是在磨削、研磨和拋光中起作用的材料；磨粒是用人工方法制成特定粒度，用以制造切除材料余量的磨削、拋光和研磨工具的顆粒材料；粗磨粒是4～220粒度的磨料；微粒是不粗于240粒度的普通磨料或細(xì)于36μm/54μm的超硬磨料；在自由狀態(tài)下直接進(jìn)行研磨或拋光的磨粒。

磨料已成為制造業(yè)、國(guó)防工業(yè)、現(xiàn)代高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用的重要材料。用磨料可以制成各種不同類型或不同形狀的磨具或砂輪。磨料是磨具能夠進(jìn)行磨削加工的主體材料，可直接使用磨料對(duì)工件進(jìn)行研磨或拋光。對(duì)于磨料用于材料及電工制品等非磨削加工領(lǐng)域，本書不再述及。

1.1.2　磨料分類及代號(hào)

磨料分為普通磨料與超硬磨料兩大類，在這兩大類中又分為天然磨料與人造磨料。依據(jù)磨料的磨削性能，磨料的分類如圖1-1所示。

天然普通磨料，在古代使用較多。由于天然普通磨料硬度較低，組織不均勻，含雜質(zhì)多，其磨削性能較差，現(xiàn)已很少應(yīng)用，現(xiàn)代工業(yè)中主要使用人造普通磨料，我國(guó)使用的人造普通磨料的品種及代號(hào)，已列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。表1-1所示為我國(guó)普通磨料的名稱及代號(hào)（摘自GB/T 2476—1994）。

天然金剛石（又名鉆石）是罕見的礦物質(zhì)，寶石級(jí)金剛石晶瑩剔透，顯現(xiàn)特有的光澤，熠熠生輝。古代便開始用它制作美麗的裝飾品，近代對(duì)金剛石的特殊性能及使用價(jià)值的開發(fā)，使金剛石昔日的裝飾變成現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的瑰寶，1954年人造金剛玉問世，1957年立方氮化硼研制成功，超硬磨料得到迅速發(fā)展。人造金剛石和立方氮化硼的品種代號(hào)及適用范圍列于表1-2中。

1.1.3　磨料應(yīng)具有的基本性能

磨料是構(gòu)成磨具的主要原料且可以直接用于研磨和拋光。磨料是磨具能夠磨削工件的主體材料。為能適應(yīng)各種工件材料加工的需要，磨料應(yīng)具備以下基本性能：硬度、韌性、強(qiáng)度、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性。

（1）磨料應(yīng)具有很高的硬度

硬度是磨料的基本性能。磨削作用是通過磨料刻劃工件表面完成。為此，磨料要能夠切入工件，其硬度必須高于工件的硬度。磨料和硬質(zhì)合金的顯微硬度比較如下：

棕剛玉　　　　　　　19600～21600MPa

鋯剛玉　　　　　　　14700MPa

鉻剛玉　　　　　　　21600～22600MPa

綠碳化硅　　　　　　31000～34000MPa

碳化硼　　　　　　　40000～45000MPa

立方碳化硼　　　　　73000～100000MPa

人造金剛石　　　　　86000～106000MPa

鎢鈷類硬質(zhì)合金　　　16500～17500MPa

鎢鈷鈦類硬質(zhì)合金　　28000～30000MPa

磨料的硬度是與磨料的化學(xué)成分、結(jié)晶構(gòu)造的完整程度、熔合在結(jié)晶中的雜質(zhì)等有關(guān)。由于各種磨料的化學(xué)成分、雜質(zhì)的含量及結(jié)晶構(gòu)造都不同，所以每一類磨料部分地適合于某一特定用途。

（2）磨料必須具有一定的韌性

韌性是指磨料的磨粒在受力或沖擊作用時(shí)抵抗破裂的能力。適當(dāng)?shù)捻g性能保證磨粒微刃的切削作用，并在鈍化后能夠破裂面產(chǎn)生新的切削微刃，以繼續(xù)保持其鋒利狀態(tài)。如果磨料脆性較大，就會(huì)在尚未充分發(fā)揮切削作用之前就被破損。磨料的韌性在很大程度上決定于它的結(jié)晶狀態(tài)（包括結(jié)晶中存在的裂紋、孔隙等缺陷）、晶體的大小和磨料宏觀幾何形狀及制粒方法等因素。例如，在棕剛玉磨料的成分中，隨著TiO2含量的增加，集合體相應(yīng)增加，而單晶體和緊密集合體將相應(yīng)減少。由于集合體中玻璃（非晶體）含量多，從而降低了棕剛玉的韌性。磨粒形狀也影響其韌性。等體積形磨粒比片狀或針狀磨粒的韌性要高。

（3）磨粒應(yīng)具有一定的機(jī)械強(qiáng)度

磨粒在磨削過程中要反復(fù)受到磨削力的作用，并在接觸工作時(shí)要受到?jīng)_擊載荷及磨削溫度的影響，磨粒還會(huì)產(chǎn)生熱應(yīng)力。因此，磨粒必須有一定的機(jī)械強(qiáng)度，才能保證磨粒發(fā)揮切削作用。磨粒的強(qiáng)度與材質(zhì)及結(jié)晶有直接關(guān)系。一般來說，剛玉系磨粒的強(qiáng)度高于碳化物系的磨粒。在剛玉系磨粒中，鋯剛玉的強(qiáng)度最高，棕剛玉的強(qiáng)度高于白剛玉。在碳化物系磨粒中，黑碳化硅的強(qiáng)度高于綠碳化硅。對(duì)于金剛石磨料更是一項(xiàng)重要的性能指標(biāo)，它以金剛石的抗壓能力來表示。磨料呈單晶狀態(tài)晶形完整的磨粒強(qiáng)度較高。

（4）磨料應(yīng)具有熱穩(wěn)定性（紅硬性）

由于磨削區(qū)的溫度很高（為400～1000℃），因此要求磨粒在高溫下仍能具有必要的物理力學(xué)性能，以繼續(xù)保持其鋒利的切削刃。

（5）磨料應(yīng)具有熱穩(wěn)定性

磨料與被加工工件材料應(yīng)不易起化學(xué)反應(yīng)，以免產(chǎn)生黏附和擴(kuò)散作用，造成磨具的堵塞或磨粒的鈍化，致使降低或喪失切削能力。

（6）磨料應(yīng)具有較好的制粒工藝性

為適應(yīng)磨削加工，磨料應(yīng)能制成尺寸范圍廣、顆粒形態(tài)較整齊均勻、形狀較規(guī)則的磨粒，難以制成顆粒的硬度、韌性較高的材料，不適宜作磨料，如硬質(zhì)合金粉末。

1.1.4　磨料的粒度

磨料的粒度是指磨料顆粒的粗細(xì)程度。磨料的粒度規(guī)格用粒度號(hào)來表示。磨料的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)把粒度規(guī)格分為兩類：一類是用于固結(jié)磨具、研磨、拋光的磨料粒度規(guī)格，其粒度號(hào)以“F”打頭，稱為“F粒度號(hào)磨料”；另一類是用于涂附磨料的磨料粒度規(guī)格，其粒度號(hào)以“P”打頭，稱為“P粒度號(hào)磨料”。

（1）F粒度號(hào)規(guī)格

GB/T 2481—1998規(guī)定，普通磨料粒度按顆粒尺寸大小，分為37個(gè)粒度號(hào)，其篩比為1.1892，即F4、F5、F6、F7、F8、F10、F12、F14、F16、F20、F22、F24、F30、F36、F40、F46、F54、F60、F70、F80、F90、F100、F120、F150、F180、F220、F230、F240、F280、F320、F360、F400、F500、F600、F800、F1000、F1200。

根據(jù)磨料生產(chǎn)工藝，磨料粒度在F4～F220部分的稱為“粗磨粒”，其磨粒尺寸在63μm以上，多用篩分法生產(chǎn)；磨料粒度在F230～F1200范圍內(nèi)，磨粒尺寸小于63μm的稱為“微粉”，多用水選法生產(chǎn)。

F4～F220粗磨粒磨料粒度組成、F230～F1200微粉磨料粒度組成（光電沉降粒度）及F230～F1200微粉磨料粒度組成參見GB/T 2481—1998標(biāo)準(zhǔn)。

（2）P粒度號(hào)規(guī)格

在涂附磨具中使用P粒度號(hào)磨料（P為popular的第一個(gè)字母）。國(guó)標(biāo)規(guī)定磨料有28個(gè)粒度號(hào)，即P12、P16、P20、P24、P30、P36、P40、P50、P60、P80、P100、P120、P150、P180、P220、P240、P280、P320、P360、P400、P500、P600、P800、P1000、P1200、P1500、P2000、P2500。

P12～P220磨料較粗，其篩比為1.892。P240～P2500磨料為粒度較細(xì)及微粉磨料，所用篩比為1.120→1.589→1.196。P12～P220磨料粒度組成與P240～P2500磨料粒度組成參見GB/T 9258—2000標(biāo)準(zhǔn)。

（3）超硬磨料的粒度號(hào)

GB/T 6406—1996等效于ISO6106—1979《超硬磨料制品——金剛石或立方氮化硼顆粒尺寸》，共有25個(gè)粒度號(hào)，其篩比為1.18，其窄范圍20個(gè)，寬范圍5個(gè)。各個(gè)粒度號(hào)的尺寸范圍以本粒度上、下檢查篩的網(wǎng)孔尺寸范圍表示。各粒度號(hào)的顆粒尺寸范圍及粒度組成列于表1-3中。

注：隔離線以上用金屬織篩，其余用電成形篩篩分。

（4）粒度組成

各粒度號(hào)磨料產(chǎn)品不是單一尺寸的粒群，不是尺寸僅限于相鄰兩篩網(wǎng)孔徑之間的立群，而是跨越幾個(gè)篩號(hào)的若干粒群集合，在規(guī)定各粒度號(hào)磨料的尺寸范圍以及每個(gè)粒度號(hào)中各粒群的質(zhì)量比例關(guān)系時(shí)，把各粒度號(hào)磨料的顆粒分為五個(gè)粒群，即最粗粒、粗粒、基本粒、混合粒和細(xì)粒。基本粒是指該粒度對(duì)應(yīng)的篩網(wǎng)與相鄰的粗一號(hào)篩網(wǎng)孔徑尺寸間的粒群；粗粒是與基本粒最鄰近的較粗的一個(gè)粒群；細(xì)粒是與基本粒鄰近的較細(xì)的一個(gè)粒群；最粗粒是比粗粒尺寸更大的粒群；混合粒是基本粒群與相鄰的較細(xì)粒群之和。

以F36磨料為例，說明各粒群的尺寸范圍，如圖1-2所示。磨料粒度組成就是測(cè)量計(jì)算各粒群所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的檢查用篩號(hào)列于表1-4中。

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定微粉粒度號(hào)為F230～F1200，若采用光電沉降儀檢測(cè)，R=21/2≈1.4142為公比數(shù)；若采用沉降管粒度儀檢測(cè)，R從1.173→1.305→1.197，沒有確定的公比數(shù)。

在P系列中，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定磨粒粒度號(hào)為P12～P220的公比數(shù)，R=21/4≈1.1892為主。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定微粉粒度號(hào)為P240～P2500，若采用沉降管粒度儀檢測(cè)，R從1.120→1.589→1.196，沒有確定的公比數(shù)。

1.1.5　普通磨料的化學(xué)成分

磨料的化學(xué)成分是反映磨料質(zhì)量和性能的主要指標(biāo)。磨料的主要成分在其質(zhì)量指標(biāo)規(guī)定范圍內(nèi)含量越高，純度越高，磨料的性質(zhì)越好。各種剛玉磨料品種的主要區(qū)別是氧化鋁含量的不同與雜質(zhì)含量的不同。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了相應(yīng)范圍，并限定了氧化鈦與氧化鐵的含量。碳化硅磨料的主要成分是SiC，含量在95％～99.5％之間，其余為雜質(zhì)。剛玉磨料和碳化硅磨料的化學(xué)成分的具體規(guī)定可查閱國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2475—1996和GB/T 2480—1996。