陶瓷刚玉磨料与磨具的特点分析

1.前言

　　在机械加工技术不断向着高速、高效、高精方向发展的同时，钛合金、高温合金不锈钢、高强度钢与超高强度钢、复合材料、工程陶瓷等难加工材料的应用也越来越多。这两方面的高技术需求使得磨削加工领域传统的刚玉砂轮和碳化硅砂轮有时难以满足生产需要，须用新型磨料的砂轮来满足需求。刚玉、碳化硅、金刚石和立方氮化硼四种磨料的砂轮相比，金刚石逐渐替代碳化硅，立方氮化硼逐渐替代刚玉已成为必然趋势。但是对于难加工材料而言，由于其脆性、韧性和延展性大、硬度很高（或在硬度不高的基体中存在有大量硬质点）、化学活性大、高温强度高的特点，使得在磨削加工时难度增大，出现磨削力大、磨削温度高、磨具磨损快、磨削效率低、加工硬化严重等现象，以至于金刚石和CBN磨具自身的优点并不能满足这类磨削加工需要。有些新型磨料由于具备韧性高、自锐性好的优点，使其在难加工材料磨削中发挥了重要作用，其中陶瓷刚玉磨料（又称微晶刚玉磨料）的出现成为磨削加工中的亮点。

　　2.陶瓷刚玉磨料的特点及应用

　　陶瓷刚玉磨料(也称为微晶刚玉磨料)是一种新型的氧化铝磨料，它保持了白刚玉及棕刚玉的高硬度及耐磨的特征，同时又具有很高的韧性，改变了刚玉易碎的缺点，即具有增韧氧化铝陶瓷的特性，因而可被广泛用于制造各种固结磨具及涂附磨具。

　　陶瓷刚玉磨料的制备工艺如图1所示。与电熔刚玉磨料相比不同之处在于原料不同和制备工艺不同。这种方法采用一水氧化铝为原料，通过溶胶-凝胶工艺合成晶粒为亚微米级（0.1μm～0.2μm）的刚玉晶体，然后通过烧结技术制备出陶瓷结构的微晶刚玉。与普通刚玉磨料相比，陶瓷刚玉磨料不但硬度高，而且因磨粒是微晶结构，它有很多晶解面。在磨削或修锐、修整时，普通电熔刚玉磨料沿晶面穿晶破裂，呈宏观破碎；陶瓷刚玉磨料沿晶界破裂，呈微观破碎，不断产生锋利的切削刃，自锐性好且剥落较少。用其制作的砂轮具有抗堵塞、耐磨性高、磨削热少、使用寿命长、切除率高、磨削比大和磨削质量好等优点。

　　1981年3M公司首次研制出牌号为“Cubitron”的烧结刚玉磨料，1986年Norton公司推出牌号为“SG”系列的陶瓷刚玉磨料。在激烈的市场竞争中，1997年Norton公司又推出了SG磨料的第二代产品TG（Targa）磨料。它保留了SG的优点，在磨料形状上有了新突破，有很细的棒状晶态结构，适用于缓进给磨削及加工铬镍铁合金、高温合金等难加工材料。TG磨料的磨具在磨削时材料切除率为刚玉的2倍，寿命为刚玉的7倍。

图1 陶瓷刚玉磨料的制备流程

　　微晶氧化铝磨料可以和金刚石、立方氮化硼等价格昂贵的高档次磨料相结合，在不降低使用性能的前提下，大幅度降低成本，它也可以和白刚玉、棕刚玉等低档次磨料相结合，从而大幅度的提高其使用性能。因此微晶刚玉磨料是一种应用前景非常好的磨料，目前由微晶刚玉磨料所制备的各种磨具在航空航天、汽车、机械、光学、轴承、刀具、模具等领域都有广泛的应用。

　　陶瓷刚玉磨料与其它磨料相比在性能上的差异及国外主要生产厂家如图2和表1、表2、表3所示。

图2 CBN、SG、电熔刚玉三种磨料在磨粒磨损与材料切除率的性能

　　3.SG磨具的特点与应用

　　目前常用陶瓷刚玉与WA（白刚玉）或A（棕刚玉）的混合磨料制备砂轮，也用陶瓷刚玉磨料和CBN混合制备的磨具。根据微晶含量的多少，美国Norton（现为法国Saint Gobain公司）将其陶瓷刚玉磨粒分为SG、5SG、3SG、1SG等品种，分别表示微晶刚玉含量为100％、50％、30％、10％等。纯SG磨料砂轮用于粗磨，5SG、3SG、1SG磨料砂轮用于精磨。陶瓷刚玉砂轮已在我国工厂及企业推广应用，如在汽车行业中使用的φ1080mm磨曲轴砂轮就是陶瓷刚玉磨料砂轮。国外一些性能优异的砂轮制品，如奥地利Tyrolit公司生产的CSS砂轮、瑞士Winter公司的93A陶瓷砂轮、德国Hermes磨料公司开发的CB宝石蓝砂轮、日本Noritake株式会社的CX陶瓷砂轮和美国Cincinnati Milacron公司生产的MSB砂轮，都是类似陶瓷刚玉的微晶烧结刚玉产品，陶瓷刚玉砂轮在我国已开发成功，第七砂轮集团公司已进行了该砂轮的工业性应用。

　　陶瓷刚玉砂轮的磨削性能介于普通刚玉砂轮与立方氮化硼（CBN）砂轮之间，其加工性能和使用寿命要远高于刚玉砂轮，且价格适中，和CBN砂轮相比其对磨床没有较高的要求，因此得到了广大用户的青睐，使用面日益扩大。陶瓷刚玉砂轮的磨削效果除与其选用的磨料品种有关外，还与其使用条件有关。美国Cincinnati Milacron公司研究证实，若用该公司生产的MSB微晶烧结刚玉砂轮与具有润滑特性的量子润滑油（Quanta lube）270组合使用，可使钢件磨削最佳化（试验时磨削的工件材料为52100钢，硬度为60HRC～62HRC，砂轮的尺寸为508mm×152.4mm×304.8mm）。将常规的普通刚玉砂轮换用微晶含量为30％的MSB砂轮后，就可使磨削比增加一倍；如再将磨削液改用Quantalube270量子润滑油，则磨削比又可增加一倍。此外，目前还有一种称之为CVSG磨料砂轮，它是S与CBN混合磨料的砂轮，兼有上述两种磨料的优点，并已在工业发达国家中使用。

　　陶瓷刚玉磨料磨具具有如下特点：

　　(1) 韧性好

　　陶瓷刚玉比普通白刚玉磨料韧性高一倍以上，砂轮磨损少、形状保持好，用于精密磨削和成型磨削，容易获得较高的尺寸精度及尺寸形状一致性。

　　(2) 自锐性好

　　陶瓷刚玉使用时磨粒沿晶面破裂，而非白刚玉的穿晶破裂，产生磨削热少，磨削温度低，不烧伤工件。

　　(3) 磨粒锋利，切削能力强

　　陶瓷刚玉磨具磨削效率高，可进行大切深、大进给、重负荷和高效磨削。

　　(4) 砂轮耐用性好

　　陶瓷刚玉磨具使用寿命长、更换频次少，减少了辅助加工时间和停机时间，有利于使用数控自动机床和实现自动化。

　　(5) 性价比较高

　　陶瓷刚玉价格远低于CBN和金刚石磨料，但性能远优于普通刚玉磨料。

　　(6) 修整简便

　　陶瓷刚玉磨具在修整时可使用白刚玉砂轮的修整装置，而不必使用价格昂贵的修整设备。

　　陶瓷刚玉磨具由于具有以上优点现已广泛用于航空航天、汽车和摩托车、轴承、模具、仪器仪表等领域的精磨和成形磨等方面的加工。陶瓷刚玉磨料的问世顺应了人造磨料向高韧性和高强度两个方向发展的趋势，陶瓷刚玉磨具代表了陶瓷磨具的发展方向，作为一种新型的陶瓷材料，它的重要性不局限于磨削加工领域，其发展前景非常广阔。

　　4.结语

　　随着新型磨料技术的发展与进步，陶瓷刚玉磨料制品目前有陶瓷、树脂结合剂固结磨具、涂附磨具等类型。在世界上也出现了几家著名的生产厂家，通过市场竞争与技术开发，这些厂家都有了著名品牌。我国目前的陶瓷刚玉磨料主要依赖进口，其价格大约在20万元/吨左右，外国的陶瓷刚玉磨具已经进入我国市场。目前山东大学、河南工业大学、山东鲁信高新技术产业有限公司等一些高校、企业已经开展了这方面研究，国家也在科技项目方面给与了大力资助，取得了一定的成果。随着高能耗、高污染、劳动密集型产品的电熔刚玉、碳化硅磨料的逐渐限制生产，难加工材料的广泛应用，以及高效、高精、高速、绿色磨削加工技术的发展，3-5年内陶瓷刚玉磨料磨具将会在我国成为成熟的技术和产品，得到广泛的应用