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陕西徳谦科技有限责任公司   黄曦

　　前言

磨料是一种具有高硬度和一定机械强度的颗粒材料，用于制造磨具或直接用于研磨和抛光。磨料分天然和人造两大类。天然磨料是自然矿物开采经过加工而制成的磨料。目前，天然矿石的磨料已趋于淘汰之势，已不用于制作磨具，即或使用已经不多。人造磨料是人工通过用有关矿物材料加上必须的材料进行加工而成的磨料。自人们发明的第一种人造磨料开始到现在至少已发明发展了近百种之多，应用范围愈来愈广泛，其性能愈来愈优越于天然磨料，随着人造磨料不断的发展和进步，磨削加工也得到了迅速的发展和提高，由于磨具的不断发展和性能的不断提高，磨削加工的水平也得到了发展和提高。当然从另一方面而言，今天磨削加工已走上专用、精密、强力高效以及节能、低碳、可持续发展的道路，磨料磨具要适应这种发展要求，就必须具有与之相适应的材料、工艺、理论、研发能力等方面各项工作的相辅相成、互相依赖、互相促进、互相提高。

无机高分子结合剂烧结、堆积磨料的制造不仅是在对国内外烧结磨料、磨削机理上的深入研究、对比的基础上，同时有别于国外烧结磨料，提出无机高分子结合剂烧结、堆积磨料自己的应用磨削观，即人造磨料向高韧性和广泛性两个方向发展的趋势。它能为我国磨料磨具制品的质量大幅提升，提供一种节能、高效、低碳与经济性的应用方法与前沿方向。

　　国外烧结、堆积磨料的发展及特点：

1981年美国3M公司工业磨料部推出了一种牌号为“Cubitron”的陶瓷刚玉磨料。其韧性是普通刚玉的2倍以上，磨削性能优于大多数普通磨料，并且它不是像其它刚玉磨料在电弧炉中熔炼而成，而是在一定温度下烧结而成。八十年代中期，诺顿公司开发出了一种SG（商标名）磨料，它也是一种陶瓷刚玉磨科，性能与Cubitron磨料相似，其实，这两种磨料都是采用一种俗称为溶胶–凝胶（Sol–gel，简称SG）工艺的化学陶瓷工艺制造的。SG磨料也因此得名，其工艺过程是：配制A1₃O₂·H₂O的水溶胶体，经凝胶化后，干燥固化，再破碎成颗粒，最后烧结成磨料。由于在溶胶-凝胶化过程中常使用引晶剂（或称晶种），SG工艺也常称作“引晶凝胶工艺”（Seeded ge1）。SG作为一种工艺并不是八十年代才出现的，在1963年，Bugosh就获得了用SG工艺制造致密的Al₂O₃的专利，用溶胶–凝胶（SG）工艺制造氧化物陶瓷在陶瓷工业上也是很普遍的，只是到了80年代，SG工艺才被用于磨料生产，SG磨料磨具也开始用于工业加工领域。

由于SG磨料颗粒是由大量亚微米级的A1₂O₃晶体烧结而成，在磨削时能不断破裂并暴露出新的切削，因此其自锐性特别好。其磨削性能明显优于普通刚玉，主要表现为它自身就像一个小的陶瓷磨具，耐磨、自锐性好、磨除率高、磨削比大等优点；但是，在高速磨削中，由于速度高导致磨削力下降，而SG磨料恰恰在低磨削力情况下无法发生晶面分解，也就是说，其在自锐性方面的优势无法体现出来。为此，圣戈班又推出一种NQ磨料(NORTON QUANTUM)，它克服了SG磨料不适用低磨削力的弱点，在内圆磨、齿轮磨等应用上具有明显的优势。在先进磨料的发展的过程中，还有重要的一点是，1994年德国Junker公司Erwin Junker先生开发并取得专利的一种先进的高速磨削技术快速点磨削(Quick–point Grinding)的理论出现，就使得人们在通过在对SG磨料颗粒性能了解、认识的基础之上，提出通过把多层小磨料颗粒粘在一起形成一个磨粒团磨料（这些磨粒主要是氧化铝（棕刚玉）或碳化硅）的点式磨削，通过试验，这些磨粒集团磨料在磨具磨削的过程当中颗粒就一点一点磨损，形成的多层磨料，大大提高了使用寿命，施工件表面达到一致的光洁度，同时提供稳定的磨削，与SG相同，这些磨料团本身也属于陶瓷烧结刚玉，唯一不同在于磨料颗粒形状的存在形式-这种独特的形式不仅能解决在高磨削力的情况下使用，还能在较小磨削力情况下产生较好的自锐性，当磨料受到磨削力作用时，它的钝化部分会沿着晶面分解，新的锋口随即出现并参与到切削作用中，自锐性的功效得以体现。这些就是现在所谓堆积磨料、陶瓷磨料产品的最重要的特点。

　　无机高分子结合剂在烧结、堆积磨料中的制造工艺：

无机高分子结合剂烧结、堆积磨料的制造工艺中总的指导原则是用无机高分子结合剂和刚玉或碳化硅微粉，再按照设计的组织结构做成磨料团（参考新型、高效、专用、重负荷强力和精密无机高分子磨具的制作中无机高分子结合剂制作磨具的设计原则和方法），然后再由这些磨料团应用在固结磨具或涂附磨具上。无机高分子结合剂在烧结、堆积磨料制造工艺是首先将无机高分子结合剂和刚玉或碳化硅微粉混合、混炼、造粒、干燥、烧结固化或将无机高分子结合剂和刚玉或碳化硅微粉混合、混炼、干燥、烧结固化再破碎成为磨料。差别是前一种方法不存在浪费，材料可回收利用，具体制造工艺如下：

　　1、无机高分子结合剂和刚玉或碳化硅微粉混合、混炼：

　　无机高分子结合剂和刚玉或碳化硅微粉混合、混炼，这一过程主要是将无机高分子结合剂和刚玉或碳化硅微粉混合均匀制成悬浮体。因为无机高分子结合剂和刚玉或碳化硅微粉混合时，刚玉或碳化硅微粉比表面积很大，无机高分子结合剂和刚玉或碳化硅微粉不宜混合均匀，故而，按照设计的组织结构做成的无机高分子结合剂和刚玉或碳化硅微粉混合体，往往要加入适量的水形成糊状，使得无机高分子结合剂和刚玉或碳化硅微粉亲润充分，之后加热风活化混炼。

　　2、预破碎：

　　为了烧结出一定形状和尺寸的磨料，在烧结工序前需把混炼后的块状固体破碎成一定大小的颗粒，或者用切割、挤压 模压等方法加工成需要的形状和尺寸（如用压面机条挤压、切割或用高速分散机在加热风条件下造成粒状）。成粒后筛分选出可烧结成磨料的有用颗粒，筛分出的太大的颗粒应重新成粒，太小的颗粒则可以重新制成水化再生产。

　　3、干燥固化：

将切割、挤压 模压等方法加工成的颗粒干燥。热风温度一般在50～70℃，应注意不要使温度高于起蒸汽时的温度，以免最终烧结成的磨料气孔率高、硬度降低。经干燥过程除去无机高分子结合剂中90％以上的自由状态水，干燥后颗粒结构致密，强度很高。

　　4、烧结固化成磨料：

　　把干燥固化后的磨料颗粒在以下温控点保温：90℃、95℃、100℃、120℃、150～180℃在每个温控点的控温时间以颗粒内的结合水也大部分蒸发掉为基准。

　　无机高分子结合剂在烧结、堆积磨料的物理化学性质：

无机高分子结合剂在烧结、堆积磨料的韧性特别好，是普通刚玉的2倍以上，其硬度范围很宽。实际上，按照设计的组织结构各异和制造过程中的细微差异，它没有一个准确的而是系列的韧性和硬度值。表1是无机高分子结合剂在烧结、堆积磨料（此处简称为无机磨料）与其它磨料所作的对比。表l 磨科的硬度和韧性比较

另外，由于无机高分子结合剂烧结、堆积磨料颗粒是由大量亚微米级的刚玉晶体和无机高分子结合剂低温烧结而成，在磨削时能不断破裂并暴露出新的切削，因此其自锐性特别好。其磨削性能明显优于普通刚玉，主要表现为耐磨、自锐性好、磨除率高、磨削比大等优点；同时，通过改变无机高分子结合剂的型号、用量以及刚玉（或碳化硅）的种类，就能得到一系列的韧性和硬度值的磨料，就能很好的解决磨削过程中遇到的不同问题。

　　无机高分子结合剂烧结、堆积磨料磨削制品：

用无机高分子结合剂烧结、堆积磨料可以制成各种固结和涂附磨具，它们的性能都明显优于同类普通刚玉磨具。

　　（1）无机高分子结合剂烧结、堆积磨料砂轮

无机高分子结合剂烧结、堆积磨料（以一种型号无机高分子结合剂和煅烧棕刚玉微粉制成的烧结、堆积磨料为例）制成的砂轮，经过实践验证，低显微硬度的无机高分子结合剂烧结、堆积磨料与普通陶瓷烧结棕刚玉砂轮相比，寿命提高幅度在100～133％之间，在磨削效率（进刀量）上的提高幅度则在30％左右。同时磨削功率可降低15％，进一步改善了工件的精度。而且，无论是陶瓷还是树脂砂轮，无机高分子结合剂烧结、堆积磨料都能在高速磨削中发挥低磨削力，高磨削效率的优势；高显微硬度无机高分子结合剂烧结、堆积磨料与普通陶瓷烧结棕刚玉砂轮相比，适合各种材料工件的磨削，极高的材料去除率和砂轮的使用寿命，极大降低了工件的烧伤，有效的提高了加工精度和工件表面品质，缩短了砂轮修整时间和减少砂轮更换频率，提高了生产效率。

另外按照组织结构设计做成的磨料团，然后再由这些磨料团制成砂轮。将使得砂轮组织的透气性更好，气孔大小也可根据实际应用调整，从而使得冷却液更充分地进入到磨料区域，确保磨削时进给量更大，同时也不会引致工件烧伤。

　　（2）无机高分子结合剂烧结、堆积磨料涂附磨具

用无机高分子结合剂烧结、堆积磨料制成的涂附磨具品种可以有砂带、砂盘、砂布、高级无纺布磨具等，主要是砂带。经过磨削试验，其性能明显优于普通刚玉砂带，无机高分子结合剂烧结、堆积磨料是多层磨料粘贴在一起形成一个磨料颗粒制造的，这些磨料主要是氧化铝（棕刚玉）或碳化硅。在磨削的过程当中颗粒就一点一点的磨损，这种堆积磨料还可以提高寿命，在有些情况下甚至可以提高10倍以上的使用寿命。堆积磨料是利用–磨料团磨料颗粒，就象在下图1看到的一样，在磨削的过程中不断地破损产生新的磨削刃，这样可以稳定地磨削，而不象图2所示的传统磨料。形成的多层磨料大大提高了使用寿命，施工件表面达到一致的光洁度，同时提供稳定的磨削。

图1                                             图2

　　通过试验，和传统磨料产品相比，具有长时间稳定磨削的能力，使用寿命也比传统产品长，这样可以减少频繁更换砂带后对砂光机的调整。堆积磨料产品在使用过程中可以提供稳定一致的磨削量，传统磨料产品在开始磨削的时候具有很高的磨削量，但随着时间的推移，磨削量就开始降低了，很快就失去了磨削的能力。而堆积磨料产品就会提供更稳定的磨削，使用寿命更长。

　　无机高分子结合剂烧结、堆积磨料的发展前景：

无机高分子结合剂烧结、堆积磨料是一种新型陶瓷刚玉磨料，它的出现使人造磨料向高韧性和广泛性两个方向发展的趋势。但是，无机高分子结合剂烧结、堆积磨料的重要性并不局限干磨削加工领域，它作为一种新型的陶瓷材料将具有十分广阔的应用前景。目前，我国的磨料制造绝大多数采用的是传统的电熔工艺，烧结法制造的刚玉磨料种类特别是高档磨料很少；同时，面对中国制造业的迅猛发展和磨料磨具良好的应用市场前景，陕西徳谦公司希望无机高分子结合剂烧结、堆积磨料出现，能够对中国磨料磨具磨削加工及其关键技术的提升有所裨益，为我国的磨料磨具磨削的产业化升级进程有所帮助。