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-- 3M第二代陶瓷氧化铝CubitronTM II在金属铸件粗加工上的应用

3M中国有限公司 林明亮 朱云刚

1   铸件典型打磨工艺

　　在金属铸造行业，铸件的打磨可以说是铸件加工的重要形式之一。相当一部份的金属铸件，比如高尔夫球头、工具、刀具、锁具、建筑五金、卫浴五金，汽车零配件等，从切断浇冒口开始就有了研磨的应用，直至整个工件加工完毕。这类铸件典型的打磨工艺为：

　　2  铸件粗加工及磨料的选用

在粗加工环节，如图1中的工序（1）和（2），受铸造和浇冒口切割工艺的影响，往往工件表面状况恶劣，带有严重的毛刺且金属去除量大。客户在这些环节最讲求的是效率，高磨削率的砂带无疑是最合适的磨具形式。同时，客户又希望所使用的砂带能满足以下的要求：

（1） 切削力强

（2） 耐磨

这就要求磨料本身据有一定的硬度和韧性（抗冲击能力或抗破碎性能）。常见几种磨料的硬度和韧性系数见表1，表中磨料的硬度越高表示切削能力越强，韧性系数越小反映磨料越容易破碎，可以说硬度和韧性系数共同影响磨料的耐磨性。

碳化硅磨料开始大规模工业使用是1895年，1897年氧化铝磨料从铝矾土中提炼出来并迅速被运用于研磨目的。刚玉和碳化硅磨料虽然硬度较高但韧性较差，并不适用于大磨削量、工况恶劣的打磨。20世纪60年代锆刚玉磨料诞生, 它有较高的韧性，抗破碎性能好，其产品使用寿命是普通氧化铝磨料产品的2倍以上。锆刚玉磨料的弱点是硬度较低，所以它的耐磨性还是有限。1981年，美国3M公司利用溶胶-凝胶法发明了陶瓷氧化铝磨料（CubitronTM，酷切I代），它是一种同时具有高硬度和高韧性的磨料。如图2所示，这种溶胶-凝胶法生成的磨料颗粒由大量的氧化铝微细晶体烧结而成，在磨削时会不断破裂并产生出新的切削刃，因此自锐性特别好。陶瓷氧化铝磨料耐磨、自锐性好、磨削率高，因而比锆刚玉磨料更适合大磨削量的打磨。

3   使用微复制技术、具有精确外形的第二代陶瓷氧化铝磨料

　　常规的溶胶-凝胶法是在锻烧和烧结工序前把干燥固化的凝胶体破碎成一定大小的颗粒，经过筛分后再进行锻烧和最终烧结得到陶瓷氧化铝磨料颗粒，这种工艺制造出来的陶瓷氧化铝颗粒外形是不规则的。使用这种磨料颗粒的磨具，比如砂带，粘附在其表面的每个磨料颗粒呈露的切削刃也是不规则的，而且高低不一（如图3所示），在磨削工件时主要以刨削（gouging）或耕犁（plowing）的方式来进行（如图4所示），这种方式摩擦力大，发热量高，很容易使工件产生的热裂及烧伤。

　　如何改善这种磨削状况呢？结合3M先进的微复制技术和溶胶-凝胶工艺，3M发明了创新性的、具有精确等边三角形外形的第二代陶瓷氧化铝磨料（CubitronTM II，酷切二代）。

　　利用3M独特的植砂技术，涂附时可以使这些具有精确外形的陶瓷氧化铝矿砂尖角一致朝上（如图5所示），就像是无数把锋利的三角型刀片，所以它的打磨过程更像是在切削，轻松把金属切除（如图6所示），随金属屑带走热量。这种方式可以防止热量在工件里面聚集，从而有效地减少因热应力而产生的裂纹及烧伤工件的情况。而且，这种三角形结构的陶瓷氧化铝颗粒同样是由大量的氧化铝微晶体烧结而成，在一定的磨削压力下能不断破裂并形成新的尖角和锋利刃边，磨削力可以得到很好的保持。这种保持“冷切削”和持续锋利的研磨状态也可以使磨具拥有更高的打磨效率和更长的使用寿命，使得打磨过程变得更加轻松。

　　4  3M第二代陶瓷氧化铝磨料CubitronTM II的性能对比

　　图7为使用CubitronTM II矿砂的砂带（3M 984F 36+）跟普通的陶瓷氧化铝矿带、锆刚玉砂带和普通氧化铝砂带相同状态下磨削率的对比实验，结果显示同等时间内CubitronTM II砂带的磨削率比普通的陶瓷氧化铝矿带、锆刚玉砂带都要快30%以上。

图8 为使用CubitronTM II矿砂的砂带（3M 984F 36+）跟其它两款传统陶瓷氧化铝砂带打磨寿命的对比实验，结果表明CubitronTM II砂带与传统的陶瓷氧化铝砂带相比，具有2倍以上的使用寿命。图9为相同打磨时间内打磨表面氧化烧伤情况对比，CubitronTM II砂带打磨表面基本保持金属原有色泽，另外两款传统陶瓷氧化铝砂带打磨的表面则氧化烧伤严重，说明CubitronTM II砂带的打磨温度比传统的陶瓷氧化铝砂带更低。

图8   3M第二代陶瓷氧化铝（CubitronTM II）砂带与传统陶瓷氧化铝砂带打磨寿命的比较

5    3M第二代陶瓷氧化铝（CubitronTM II）砂带在铸件粗加工上的应用

　　综上所述，3M第二代陶瓷氧化铝（CubitronTM II）砂带完全可以替代锆刚玉砂带、普通陶瓷氧化铝砂带在铸件粗打磨上的应用，比如去除铸件浇冒口的打磨，可以说对打磨效率要求越高的场合优势就越明显。对于一些难加工金属材料、对打磨发热敏感的材料，如不锈钢铸件、钛合金铸件、镍合金及钴铬合金等，3M第二代陶瓷氧化铝（CubitronTM II）磨料也能够充分发挥出快速打磨、“冷”打磨的性能。针对不同的铸件材料，选取合适的打磨速度、打磨压力，配合砂带接触轮硬度、接触轮的齿槽比等参数，可以最大限度地发挥出第二代陶瓷氧化铝（CubitronTM II）磨料的性能。

　　6    结束语

　　3M第二代陶瓷氧化铝CubitronTM II具有精确的等边三角外形，硬度高韧性好，自锐性强，刃口锋利，可以使打磨过程变得更轻松、更持久和更安全，不容易于产生热应力裂纹和烧伤工件，非常适合铸件浇冒口的打磨、焊缝打磨等有大金属去除量的打磨应用。可以使客户提高产能和产出，从而达到降低生产成本的目的。

　　参考文献

　　1 D.D. Erickson, Historical Development of Abrasive Grain, Ceramic Transactions, Vol.95, 1998

　　2 W.Konig, Sol-Gel Aluminas Provide New Performance Potentials, wt-Production and Management 85, pp.22-27 (1995)