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陶瓷刚玉磨料是何物?
2021年01月22日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:577
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磨料是精密加工时必不可少的工具,最早人们使用的都是天然磨料,不过随着对磨料研究的深入,人们发现几乎所有的天然磨料中都含有刚玉成分。在此认知上,人们开始尝试人工合成刚玉磨料,最终在十九世纪末首次研制成功,并发现它具有比天然磨料更好的研磨性能。

刚玉磨料

人造刚玉磨料

经过多年的发展,目前刚玉磨料已经成为国民经济中不可缺少的一类重要工业产品,它与碳化硅占据了全部工业用磨料用量的三分之二以上。不过随着现代材料科学技术的飞速发展,通过传统熔融法制备的大单晶刚玉磨料由于晶粒粗大,磨削性能差,很多时候难以满足现代加工的需要,因此迫切需要有适应不同磨削需求的新型磨料。

陶瓷刚玉磨料的问世

为了获得更好的磨削效果,1981年时美国3M公司率先推出了一种商标名为“Cubitron”的刚玉磨料,其采用了溶胶-凝胶法(Sol-Gel)与烧结相结合的工艺,称为化学瓷化技术(chemical ceramic  technology),性能远远优于传统的刚玉磨料。随后在1986年美国Norton公司(现属于法国圣戈班集团)推出了商标名为“SG”的新型刚玉磨料,也是采用了溶胶-凝胶法与烧结结合的工艺。这种改进了制备工艺,与传统刚玉磨料相比显微结构上具有明显不同的磨料,一出世便以优异性能得到广泛关注,人们后来将它们统称为SG磨料陶瓷刚玉磨料

刚玉磨料

α-Al2O3的晶体结构示意图

一般而言,传统刚玉磨料都是采用电熔,冷却结晶,破碎的工艺得到,因此晶粒粗大,磨粒通常只由一个或几个晶粒组成,而陶瓷刚玉则是由烧结工艺制备,晶粒尺寸均匀且细小,通常为微米或亚微米级,磨粒由成千上万的晶粒组成。

显微结构的不同,使得磨料的磨削性能也有明显区别,以下就是陶瓷刚玉磨料的一些显著优点:

①显微结构均匀致密。陶瓷刚玉磨料主要由亚微米级的α-Al2O3晶粒构成,结构致密。通过对添加剂的量进行控制,可以引入第二相,形成α-Al2O3包裹第二相晶粒结构,或者第二相分布在晶界上包裹α-Al2O3晶粒的结构。

②硬度高。陶瓷刚玉磨料结构致密,与传统的熔融刚玉磨料硬度相近。

③韧性高。陶瓷刚玉磨料的韧性比传统刚玉磨料的韧性高1~2倍以上。传统刚玉磨料晶粒粗大,破坏时通常发生穿晶断裂;陶瓷刚玉磨料的晶粒尺寸小,晶界比例高,对裂纹扩展有显著的偏折作用,破坏机理通常为沿晶断裂。

④自锐性好。陶瓷刚玉磨料晶粒细小,每一个晶粒都是锋利的切削刃。在磨削力的作用下,磨钝的细小晶粒可以从磨粒表面逐渐脱落,暴露出新的晶粒,从而保持锋利状态。

⑤使用寿命长。陶瓷刚玉磨料的晶粒尺寸小,磨粒磨损后在磨削力作用下发生沿晶断裂,脱落的是细小的晶粒,属于微观破坏,损失的磨料数量少。试验证明陶瓷刚玉砂轮的使用寿命比白刚玉砂轮的长5倍以上。

⑥磨削效率高。陶瓷刚玉磨料的自锐性好,磨粒锋利,磨削产热少,可进行大切深、大进给和高负荷磨削,且停机修整的次数少,加工效率高(比白刚玉磨具的效率可高达10倍)。

⑦磨削精度高。陶瓷刚玉磨料磨损量少,砂轮的形状保持性好,工件加工精度高,一致性好。

⑧砂轮修整容易。陶瓷刚玉磨料硬度与普通电熔刚玉磨料接近,因此陶瓷刚玉磨料砂轮比CBN 砂轮容易修整,且不需要采用特殊的磨削设备及修整装置。

刚玉磨料

陶瓷刚玉磨料

总而言之,陶瓷刚玉磨料作为高端磨料的典型代表,可以有效提高磨具产品的切削效率及使用寿命,在诸多高端加工领域显示出良好的应用前景。

陶瓷刚玉磨料的制备及难点

不过磨料性能虽好,但也不是那么好做的。据悉,陶瓷刚玉磨料的制备工艺主要包括前驱体的合成和烧结两个步骤。

①陶瓷前驱体的合成主要采用液相法,是制备陶瓷所使用最广泛的方法之一。液相法是从原料溶液出发,通过物理和化学反应过程,形成均匀的前驱体。合成陶瓷刚玉前驱体的液相法主要包括溶胶-凝胶法、共沉淀法和水热法等。

②烧结主要是通过一定的烧结制度,将前驱体转变为所需的晶相并使其致密化的过程。陶瓷刚玉烧结所采用的烧结方式通常有以下几种:常压烧结、热压烧结、热等静压烧结、微波烧结、等离子体烧结。

刚玉磨料

陶瓷刚玉烧结过程中氧化铝水合物相变过程

在以上制备过程中,最主要的难点是刚玉磨料的烧结和显微结构的控制。氧化铝由于其本身具有较大的晶格能和较稳定的晶格状态,质点迁移需较高活化能,因此其自身较难以烧结。通过引入添加剂促进氧化铝的烧结和控制其显微结构成为制备陶瓷刚玉磨料的研究热点。研究表明添加剂加入可以降低氧化铝的烧结温度并影响其微观结构。

总而言之,刚玉磨料被认为是世界上磨削加工领域的一大技术成就。目前随着科学技术的进步和新材料的不断涌现,陶瓷刚玉磨料正向着具有高硬度、高韧性及细晶结构的方向发展,以满足高速、重负荷、强力磨削和精密磨削的工艺要求。

资料来源:

陶瓷刚玉磨料显微结构及其控制研究,杨涛。

纳米晶陶瓷刚玉磨料制备及其形貌可控性研究,李娜。

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