涂附磨具磨料及粒度詳談

1、涂附磨具磨料及粒度雜談-趙新立加入收藏字號：大中小 【打印】 2011-05-26 來源：中國涂附磨具 2010 第1期隨著中國經(jīng)濟的高速發(fā)展，涂附磨具在我國的發(fā)展是迅猛的。從手工使用的、品種單一的張頁式砂布砂紙，到現(xiàn)在使用的紙、布、復合基、鋼紙、無紡布等基材，到砂頁、砂卷、砂帶、異型制品的砂盤、砂頁盤、砂頁輪等等，眾多的品種構成現(xiàn)代的、完善齊全的涂附磨具加工體系。這一發(fā)展過程僅僅用了不到三十年的時間，特別是近十幾年來，涂附磨具生產(chǎn)企業(yè)更是蓬勃發(fā)展，在市場強勁需求的帶動下，現(xiàn)在用于轉換為砂帶的全樹脂涂附磨具產(chǎn)品的產(chǎn)量已經(jīng)超過三千萬平方米。涂附磨具的高速發(fā)展形勢是客觀的，在涂

2、附磨具的磨削主體磨料上也進入了新的發(fā)展時期。過去涂附磨具常用的磨料如棕剛玉、白剛玉、黑碳化硅等“煥發(fā)青春”，新品種磨料層出不窮，如鋯剛玉、陶瓷剛玉、煅燒剛玉、半脆剛玉乃至CBN、人造金剛石等，還有空心球磨料、堆積磨料、軟木磨料、混合磨料等新的組合，等等這些，都為涂附磨具注入新的活力。可以這樣講，磨料是涂附磨具的靈魂?；仡櫷扛侥ゾ叩亩x：涂附磨具是用粘結劑將磨料粘附在可撓曲的基材上制成的磨具。從涂附磨具的定義就可以確定涂附磨具的結構：由圖看出，涂附磨具在絕大多數(shù)情況下是一種單層磨料的磨具，其性能是由各個部分綜合決定的?，F(xiàn)代涂附磨具生產(chǎn)工藝除了對于磨料、植砂密度的要求外，對基材、粘結劑的要求是極為

3、嚴格的。從涂附磨具的結構上得出：涂附磨具可以理解為具有眾多磨粒構成的多刀多刃的刀具。涂附磨具的磨粒是均勻的分布在基材表面的，基本上是單層分布。涂附磨具表面的磨粒有很好的等高排列，特別是現(xiàn)代化的涂附磨具生產(chǎn)采用靜電植砂工藝，保證了磨料的尖角朝外，磨料定向排列。涂附磨具表面磨粒的定向排列和等高性，是涂附磨具保持磨削的高效率和冷態(tài)磨削的重要因素。涂附磨具的磨削具有彈性的、高效的、冷切削的磨削特點，廣泛應用于：大型的平面厚、薄板材，包括金屬帶材的加工；大批量生產(chǎn)的各種金屬、非金屬工件的加工；復雜型面工件的成型磨削與拋光；各種直徑的金屬管、棒、輥材的外圓磨削、彎曲面磨削、內圓磨削等；利用頁輪或筒型砂套可

4、以替代拋光輪的拋光；盤狀產(chǎn)品用于大型殼體、箱體、船體、橋梁等的磨焊縫、去毛刺、大面積除銹等方面，高效、方便、安全。針對涂附磨具使用的廣泛性和發(fā)展的趨勢，下面我們對涂附磨具用磨料及粒度組成進行一些探討。棕剛玉我們知道固定爐冶煉的棕剛玉適用于涂附磨具，-Al2O3晶體粗大，適用于涂附磨具，而傾倒爐生產(chǎn)的棕剛玉適用于固結磨具，-Al2O3晶體細小，適用于固結磨具。傳統(tǒng)觀念認為固定爐冶煉的磨料用于涂附磨具，傾倒爐冶煉的磨料用于固結磨具較好。根據(jù)對不同晶體大小和結構在不同應用中的研究，固定爐生產(chǎn)的棕剛玉冷卻緩慢，棕剛玉晶體大，得到多為球狀晶體，晶體尺寸大約為10002000m；傾倒爐生產(chǎn)的棕剛玉快速冷卻

5、，晶體小，得到微晶化的晶體，晶體尺寸大約為300500m。對于過去的經(jīng)驗和認識，我們總結如下：固定爐冶煉的棕剛玉晶體大，堅固而難以壓碎，更適合于涂附磨具，因為壽命相對更長；同理，固定爐冶煉的棕剛玉更適合于粗砂，因為它可以抗更高的磨削壓力。傾倒爐生產(chǎn)的棕剛玉晶體細化，更適合于生產(chǎn)固結磨具，易于破碎自銳；適合于做細砂，因為容易破碎，避免刮痕。隨著我們對涂附磨具磨削過程的深入認識，我們認識到輕型涂附磨具多使用晶型大的磨料，磨料的自銳性不突出，產(chǎn)品耐用；而重負荷涂附磨具則恰恰相反，磨料易于微晶處破碎自銳，形成微脫落，磨削效率高，產(chǎn)品壽命長，不易燒傷工件。涂附磨具使用的棕剛玉主要成分是Al2O3，還含有

6、TiO2、MgO、SiO2、Fe2O3等成分，外觀呈棕色或棕褐色，硬度較高，韌性好。但是棕剛玉中的TiO2存在顯得尤為關鍵，TiO2能使晶型細化，增加磨料韌性，一般用途的涂附磨具其磨料中TiO2含量為1.51.7%，而重負荷涂附磨具所使用磨料其TiO2含量為2.53.0%。TiO2含量可以在棕剛玉煅燒后進行粗略判斷。TiO2在1100以下是棕色，而在1200以上是蘭色，通過煅燒后顏色來判斷TiO2含量：淺蘭色為1.5%左右，一般蘭色為2.22.4%，深蘭色為2.7%以上。煅燒磨料現(xiàn)在在涂附磨具用磨料上有一個發(fā)展是煅燒處理。磨料的煅燒處理是將磨料放置在窯爐內，以一定溫度加熱適當?shù)臅r間，以達到提高

7、磨料的機械物理性能的過程。溫度一般為8001300，溫度如超過1300，強度反而會降低。煅燒處理對剛玉磨料有較明顯效果。煅燒處理的目的是：消除磨料顆粒存在的微裂紋和磨料的反常膨脹，煅燒溫度500600；清除磨料中的雜質；消除磨料顆粒在加工過程中產(chǎn)生的靜電感應，煅燒溫度1000以下；使磨料晶型細化，要求溫度1200左右。煅燒處理的作用之一是消除磨料的反常膨脹。什么叫磨料的反常膨脹呢？棕剛玉磨料在冶煉過程中，大多數(shù)的雜質可以分離，少量雜質仍然分布在剛玉熔塊中，其中有低價的氧化鈦（Ti2O3、TiO）和鈦的非氧化物（TiC、TiN），它們在400600下會進一步氧化，體積相應增大，使磨料的體積變化超

8、過了它本身的正常膨脹，這稱為磨料的反常膨脹。磨料的反常膨脹會使棕剛玉陶瓷砂輪在燒成時，表面出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋，造成廢品。煅燒處理是清除反常膨脹的最有效的手段，這是由于鈦的低價氧化物和非氧化物在煅燒時會氧化成穩(wěn)定的高價氧化物金紅石（TiO2）。提高磨料韌性是煅燒處理的另一個作用。一般認為這首先由于固熔于剛玉晶體內的Ti+3氧化而引起晶格收縮，TiO2能使晶型細化，從而提高了磨粒的抗壓強度；煅燒還會彌補加工過程中產(chǎn)生的微裂紋及晶體內的微小缺陷；同時消除了磨拉在加工過程中所造成的內應力。另外煅燒還會去除表面雜質。有文獻指出，磨料經(jīng)煅燒后，顯微硬度將提高10左右，韌性提高10。試驗表明，棕剛玉磨料經(jīng)煅燒處理

9、后涂附磨具磨削能力提高20%30。磨料經(jīng)煅燒處理，還能提高其親水性。這是由于磨粒表面雜質被清除，低熔點物質被燒掉，磨粒表面毛細管現(xiàn)象增加的緣故。磨料經(jīng)煅燒后，親水性現(xiàn)象將提高約3.5倍。表1是很早前二砂測試磨料經(jīng)650700煅燒15分鐘后，親水性高度增加的情況。由于煅燒磨料親水性增加，粘結劑的粘結強度會增加，由煅燒磨料制成的涂附磨具使用壽命也提高。表1    煅燒對磨料親水性的影響磨料A120#A46#時間min3510203035102030親水性高度mm未煅燒5064851051264648484950煅燒1181492002563001191391

10、57167167煅燒處理還會使磨料色澤發(fā)生變化，棕剛玉由棕色變?yōu)樯钏{色；同時由于一部分鐵質與剛玉混合粒脹裂，易被磁選掉，從而提高了磁選效果。棕剛玉磨料煅燒時會使磨粒燒結為“結合粒”，帶來麻煩，必須重新破碎和整形。這是由于磨粒表面低熔雜質熔融的緣故。磨料的煅燒處理可以在1000以下，磨料的磨削性能也能得到較大的提高。煅燒溫度在1200以上，得到藍化剛玉，TiO2在高溫下轉化成藍色。與棕剛玉相比，煅燒剛玉強度高，磨削性能好，部分替代鋯剛玉。半脆剛玉化學成分是決定磨料性能的主要指標之一，磨料的化學成分對磨料的物理、化學、機械性能有決定的作用，即使化學成分有微小的變化，其性能可能會產(chǎn)生很大的差異。剛玉

11、也不例外，化學成分的不同極大地影響了磨料的性質。白剛玉由于比棕剛玉含Al2O3成分高，硬度高于棕剛玉，性脆，具有良好的切削性能，適于磨削如淬火鋼、合金鋼、工具鋼等。其它化學成分的存在和數(shù)量也極大地影響剛玉的性質。棕剛玉中TiO2含量增加，將使剛玉韌性增加。白剛玉中Na2O含量是極為有害的，因生成的ßAl2O3結晶硬度低，切削性能差，易破碎，應嚴格控制其含量。如在白剛玉冶煉過程中加入Cr2O3、ZrO2等，即制成鉻剛玉、鋯剛玉等，可以改善白剛玉的性能，提高其韌性。半脆剛玉實際上應理解為半不脆的剛玉。半脆剛玉的化學成分：Al2O3 96.5%97.5%，還對TiO2、SiO2、

12、Fe2O3、MgO等成份有要求。半脆剛玉在晶形上、晶體尺寸有區(qū)別，固定爐冶煉的磨料晶形較大，傾倒爐冶煉的磨料晶形較小。固定爐冶煉的磨料晶體尺寸400m，傾倒爐冶煉的磨料晶體尺寸200400m，實際上在一萬五千倍的顯微鏡下面其晶形也是不同的。TiO2 、MgO會使晶形細化，韌性增加，半脆剛玉中含量在1.51.7%之間，重磨削在2.53.0%之間。這應是半脆剛玉的核心。鋯剛玉與陶瓷磨料鋯剛玉的主要成分是Al2O3和Al2O3ZrO2共晶體，ZrO2含量25%和40%二種，硬度高，具有很好的韌性和耐磨性，外觀呈灰白色或灰褐色，有油性光澤，適于高速重負荷磨削和難磨金屬材料的加工。鋯剛玉的Zr

13、O2含量的多少決定其性能。ZrO2含量25%的鋯剛玉分二種：ZS用于固結磨具；ZF用于涂附磨具。ZrO2含量40%的鋯剛玉：NZ全部用于涂附磨具。鋯剛玉Al2O3和Al2O3ZrO2共晶體要求必須形成微晶化的晶體。陶瓷磨料是采用水鋁石凝膠燒結而成，結晶大多都在5m以內，細化的晶形可以使磨料分層次有規(guī)律地脫落，使自銳得到有序，加工效果好。復合磨料涂附磨具的磨粒是均勻的分布在基材表面的，基本上是單層分布。延長涂附磨具的壽命，粗粒度產(chǎn)品可以采用更高強度、具有微晶化的磨料，那么細粒度產(chǎn)品如何延長使用壽命呢？特別是磨削高強度的金屬工件。增加磨料層的厚度可以收到效果，比如采用多層植砂工藝。單純的多層植砂在

14、細粒度產(chǎn)品收效不大。使用復合磨料是解決這個問題的方法之一。所謂復合磨料就是將普通磨料粘結成團粒狀，這樣一顆復合磨?？梢园瑤资畟€甚至數(shù)百個普通磨粒。復合磨料涂附磨具產(chǎn)品外觀看上去很粗，但磨粒切刃同普通磨粒是一樣的，使用時加工的粗糙度基本上也是一樣的。因為復合磨料是團粒狀，在磨削過程中，當一個層次的磨粒切刃磨鈍后，該單顆磨粒因磨削力的增加從復合磨粒上脫落下來，復合磨粒又露出新的磨粒及切刃，繼續(xù)發(fā)揮穩(wěn)定的磨削能力。復合磨料涂附磨具產(chǎn)品能夠有效延長涂附磨具的壽命、降低綜合成本，特別是磨削表面有非常好的、均勻的磨削質量，這種質量狀態(tài)可以持續(xù)很長時間，對于大面積、要求質量均一的磨削面是非常重要的。軟木磨

15、料把軟木粉碎成一定大小的粒子，在軟木粒上粘上磨料，形成軟木磨料。磨料粒在軟木粒上是立體分布的，軟木粒本身又較軟，有很好的緩沖作用，可以保證磨料切刃不會因磨削沖擊突然折斷而喪失磨削能力。軟木磨料涂附磨具產(chǎn)品由于軟木粒緩沖作用，在磨削過程中，磨削表面質量好，同復合磨料一樣具有很長的使用壽命。空心球磨料磨料的剖面最外層是磨粒，磨粒用粘結劑粘結在球殼上。球殼是空心的，由塑性樹脂制成，其壁薄而脆。當附于其上的磨料磨損后，在磨削壓力下，球殼碎裂，露出新的磨粒及切刃?？招那蚰チ贤瑯颖徽J為是非常有效的一種磨料?；旌夏チ蠈⒍N或數(shù)種不同品種的磨料按一定的要求混合在一起使用，使不同的性能得到各自的發(fā)揮。典型的例子

16、就是鋯剛玉涂附磨具產(chǎn)品。鋯剛玉是一種性能非常優(yōu)異的材料，價格較高。為了充分發(fā)揮鋯剛玉的作用，同時降低生產(chǎn)成本，一般的鋯剛玉涂附磨具產(chǎn)品中，鋯剛玉磨料只占總磨料量的25%50%，其它磨料成分是棕剛玉。在一些特殊場合，還有鋯剛玉半脆剛玉棕剛玉的搭配。涂附磨具用磨料粒度用于制造磨具或研磨材料的磨料，需加工成粗細不同的顆粒，并將大小相近的顆粒按一定尺寸范圍分級，由大到小用規(guī)定的數(shù)字來表示，稱為粒度號。也就是說。磨料粒度是表示磨料顆粒大小的。由于磨粒形狀不規(guī)則，因此實際上，磨粒的尺寸是以寬度范圍來表示的。在F砂中，每個粒度實際上是由四組粒度的顆粒組成一個粒群，基本尺寸組的為基本粒，比基本粒粗一個粒度號的

17、為粗粒，比基本粒細一個粒度號加基本粒一起為混合粒，比混合粒細一個粒度號的為細粒，比粗粒粗一個粒度號的為最粗粒，磨料的粒群不允許有最粗粒存在。粒度組成就是指各個粒度的基本粒、粗粒、混合粒、細粒所構成的重量百分比。粒度組成是決定磨料粒度號在尺寸上的真正性質。在P砂中，磨料的每一個粒度號都有上限和下限值，允許含有比上限值大的粗粒群，也允許含有比下限值小的細粒群。基本粒是以標號相一致的粒群，同時還有粗粒、混合粒和細粒等。而粒度組成中數(shù)量的規(guī)定，很大程度上是為了保證磨料生產(chǎn)的一致性。P砂之間的粒度組成含量是不規(guī)則的，在標準中對粒度組成含量進行放寬，在一定條件下，多出這些磨料粒度的量，是粒度值之間沒有間隔

18、，最大限度便于磨料生產(chǎn)企業(yè)。但是這些規(guī)定是否對涂附磨具的質量有利？換句話說，肯定對這些粒度組成已經(jīng)對產(chǎn)品構成消極的影響。從粒度及其組成來看，涂附磨具用磨料（P砂）與固結磨具用磨料（F砂）有什么不同呢，我認為固結磨具從進入工業(yè)化發(fā)展開始就是一個已尺寸精度為終極目標的機械加工方式，最粗粒是不允許存在的。而涂附磨具從進入工業(yè)化生產(chǎn)卻是首先發(fā)展的手工產(chǎn)品，主要用于大量固結磨具無法加工的木材、皮革等非金屬，以達到表面光潔為主要目的，沒有必要將粒度組成設置那么嚴格；在上世紀五十年代砂帶發(fā)展起來后，由于砂帶彈性磨削的特性，很難做到尺寸精度的終極目標，因此，從1984年起，我國涂附磨具用磨料粒度歷代標準的版本

19、，只是作了微調，沒有從根本上解決問題。表2    一種專用粒度和標準粒度組成比較 第一層篩第二層篩第三層篩第四層篩第五層篩底盤篩下P500< 320326684> 96< 4X50031036528092> 94< 6涂附磨具發(fā)展到現(xiàn)在，其加工體系已經(jīng)形成。隨著涂附磨具制造水平的提高，隨著涂附磨具加工機械裝備的發(fā)展，使用涂附磨具的加工范圍越來越寬，其加工精度和光潔度越來越高。因此對磨料粒度組成提出新的要求。以磨皮革為例，所使用砂紙帶上的磨料顆粒尺寸非常接近，沒有劃傷，磨削效果非常好。又例如磨金屬的涂附磨具，除使用性

20、能更好的磨料外，對粒度組成進行合理的調配，以達到分層次磨削的目的，同時提高磨料的利用率和磨具的壽命。涂附磨具磨料粒度組成的選擇涂附磨具的磨粒是均勻的分布在基材表面的，基本上是單層分布，要求磨粒有了很好的等高性。若磨料顆粒大小不勻，或正常的標準粒度，會出現(xiàn)：細磨位占據(jù)了一定的位置，使有效地起磨削作用的磨粒減少，因而降低了磨削效力；細磨粒首先占據(jù)一定位置，而粗磨粒粘附其上，形成磨料層的重迭，上層磨粒因粘結差，磨削中易脫落，同樣降低其磨削效力。這二種情況在在靜電植砂中這些現(xiàn)象更易形成，因細粒更易被電極吸引，而先粘附于粘結劑表面。因此，對于一些涂附磨具產(chǎn)品，應該對磨料的粒度組成有所選擇。篩選也是選擇磨料粒度組成的辦法之一。篩選的目的是改變磨料的粒度組成。理想的涂附磨具要求磨料顆粒大小應均勻，磨料顆粒在產(chǎn)品的表面排列均勻整齊，有很好的等高性；在使用時，磨削穩(wěn)定，磨削痕跡均勻一致，磨削時各個磨粒受力均勻，不致因磨削力集中于部分磨粒，而過早磨損，造成磨損不均，使用壽命下降。合理選擇粒度組成是我們涂附磨具生產(chǎn)者的責任，這樣可以為市場提供更好的產(chǎn)品，這一點很多國外先進的企業(yè)都在這么做，經(jīng)常反映在他們很多獨有或