普通磨料磨具pdf
第一篇磨料第一章磨料通论磨料的种类及粒度序论什么是磨具凡是在加工工序中起磨削研磨抛光作用的工具都被称为磨具磨具是伴随着人类使用工具就产生了在新石器时代开始使用经过打磨过的石斧石针我国秦汉时期铜镜磨亮都是采用天然的磨料磨具进行的根据一些资料证明外国制造人工磨料磨具是在多年前年法国出现用天然磨料制造砂纸的作坊年印度出现用虫胶做结合剂制造磨具年美国出现第一块用于外圆磨床的砂轮是用天然矿石做成的年比利时用天然橡胶为结合剂做成砂轮年美国用粘土做结合剂做成天然磨料的陶瓷砂轮年美国用树脂为结合剂制成树脂砂轮但
第一篇 磨料 第一章 磨料通论 §1-1 磨料的种类及粒度 1．序论 什么是磨具？凡是在加工工序中起磨削、 研磨、抛光作用的工具， 都被称为 磨具。磨具是伴随着人类使用工具就产生了， 在新石器时代， 开始使用经过打磨 过的石斧、石针，我国秦汉时期铜镜磨亮，都是采用天然的磨料、磨具进行的。 根据一些资料证明，外国制造人工磨料磨具是在 100 多年前： 1760 年，法国出 现用天然磨料制造砂纸的作坊； 1825 年，印度出现用虫胶做结合剂制造磨具； 1846 年，美国出现第一块用于外圆磨床的砂轮是用天然矿石做成的； 1857 年， 比利时用天然橡胶为结合剂做成砂轮； 1877 年美国用粘土做结合剂做成天然磨 料的陶瓷砂轮； 1880 年，美国用树脂为结合剂制成树脂砂轮；但是，在 1891 年 之前，人们还是以天然磨料做制造磨具的主要原材料。 1891 年，在磨料磨具制造方面出现了较大的变革，这一变革的标志就是出现了 人造磨料。美国卡普伦登公司（ Carborundum Co. ）生产出碳化硅； 1897 年，美 国诺顿公司（ Norton Co. ）生产出刚玉磨料； 1900 年磨床已进入普通加工车间， 磨具应用日益广泛。 1901 年电弧炉冶炼棕刚玉成功，达到批量生产水平，也标 志着人造磨料真正进入工业化生产阶段。 1901 年，生产出了白刚玉，使磨料品种日趋完善。此时，内园磨床、外园 磨床、轧辊磨床、万能工具磨床都已相继出现。 1920 年，磨床的液压传动已基 本成熟， 螺纹磨床出现， 用陶瓷结合剂制成的磨螺纹砂轮使丝锥、 塞规等螺纹工 具精度大大提高。 1924 年，绿色碳化硅在卡普伦登公司研开云科技制成功，为硬质合金 的磨加工初奠基础。 1925 年，第一台磨齿机制成，出现马克（ MAAG）齿轮磨床。 1930 年磨具生产开始控制组织，特别是陶瓷磨具开始了组织号的使用选择，同 年还生产了天然金刚石的树脂砂轮，并且出现了无心磨床。 1934 年美国生产了 硬度高于碳化硅的碳化硼（ B4C），1936 年制成天然金刚石的金属结合剂磨具， 1940 年出现砂带磨床和陶瓷金刚石砂轮， 1946 年美国研制成功单晶刚玉，使含 有钒、钛、钨、铝等元素的合金钢材磨加工效率得到提高。此时，陶瓷磨具占磨 具生产的主要地位。 1948 年生产加强纤维树脂砂轮，树脂磨具在打毛刺、修理 焊缝等工序上得到广泛应用。 1953－1954 年瑞士和美国分别研制成功人造金刚 石， 1957 年，美国首先工业性生产人造金刚石，同年还研制成立方氮化硼，超 硬磨料进入磨加工领域。 1962 年出现铬刚玉和烧结刚玉。 1963 年制成锆刚玉 ， 到 1970 年生产三种不同 ZrO2 含量的锆刚玉系列 ，钢铁行业的钢坯修磨逐步发展 采用高速高负荷树脂磨具， 1976 年已经使用锆刚玉制成 80 米/ 秒，负荷达 500 公斤的树脂磨钢坯砂轮 。七十年代，陶瓷磨具与树脂磨具产量比例达 1:1 ，七十 年代苏联发展钛刚玉， 我国生产镨钕刚玉， 八十年代初期， 陶瓷磨具最高使用速 度达 125 米/ 秒并用于轴承工业。 磨料磨具的发展， 促使一系列磨削加工的迅猛发展， 而磨削加工在各个工业 领域的广泛应用， 又反过来促使磨料磨具品种和质量的不断扩大与提高。 二十世 纪五十年代是磨料磨具与磨加工工艺发展最快并达到比较完整的年代， 磨床约占 金属切削机床 20 ％，六十年代美国约占 38％，苏联为 25％左右，七十年代期间， 磨床占金属切削加工机床仍为 25－35％左右，而其间又大量发展了涂层磨具— —砂带、磨片、磨圈等，到八十年代初期、美国平均每三台磨床就有一台砂带磨 床或砂带抛光机。 我国解放前， 没有磨料磨具工业， 只有一个由日本吴制砥所在东北苏家屯遗 留下来的砂轮生产作坊。 新中国成立后， 磨料磨具随着我国工业的迅速发展而发 展起来，首先在东北苏家屯原有的砂轮旧厂上扩建了第一砂轮厂， 自行研制并生 产了棕刚玉和碳化硅， 以后在苏联专家的帮助下陶瓷磨具由水浇铸成型改为半干 法机压成型生产，大大提高了生产效率。 1953 年，我国筹建综合性的磨料磨具 企业，由德意志民主共和国提供成套设备与工艺， 1956 年厂址在郑州破土动工， 1964 年建成，是我国规模最大的砂轮厂，命名为第二砂轮厂。它生产棕刚玉、 白刚玉、绿碳化硅、黑炭化硅、陶瓷磨具、树脂磨具、橡胶磨具、涂附磨具、研 磨膏，以及后来自行建设并生产的人造金刚石及其制品。 在第一个五年计划期中， 还在山东建成第四砂轮厂， 以后在贵州新建第三砂轮厂、 第七砂轮厂和人造金刚 石及其制品的专业化工厂——第六砂轮厂， 1958 年由第二砂轮厂的中心实验室 改为第一机械工业部磨料磨具磨削研究所， 同时，第一机械工业部建立了郑州机 械专科学校磨料磨具班培养中专人才， 到 1982 年全国除西藏外， 各省都建有省、 市、县级的磨料或磨具工厂， 磨具全国总产量在六万五千吨左右。 磨料磨具品种 已能满足国内需要， 且由进口转为出口。 陶瓷磨具品种中除通用磨具外， 高速砂 轮，大气孔砂轮、磨钢球砂轮、磨螺纹砂轮，缓进给强力磨砂轮等均经过我国第 一个五年计划成长起来的磨料磨具工程技术人员自行研制成功并达到批量生产， 促进了各种专用磨加工工艺的发展。 七十年代末， 我国已具备了完整的磨料磨具 生产体系。 2 ．磨料的种类及代号 2 ．1．碳化物类： 见表 1-1 。 表 1-1 碳化物类磨料 序号 品种 旧标准代号 新标准代号 1 黑碳化硅 TH β-SiC α-SiC (C) 2 绿碳化硅 TL GC 3 碳化硼 DC 4 铈碳化硅 CD 2 ．2 ．刚玉类 : 见表 1-2 。 表 1-2 刚玉类磨料 序号 品种 旧标准代号 新标准代号 1 棕刚玉 GZ A 2 白刚玉 GB WA 3 铬刚玉 PA 4 锆刚玉 ZA 5 单晶刚玉 SA 6 微晶刚玉 MA 7 新品种 SG 2 ．3．其它天然磨料 主要包括石榴石、天然刚玉、石英； 2 ．4 ．主要厂家 1、2、3、4 、5、7 砂轮厂，其中七砂产量最大； 国外厂家的人造磨料品种代号杂乱，一般是生产厂家和公司自行规定，如美 国的诺顿公司，日本的昭和电工株式会社，美国的卡普伦登公司等； 3．磨料的粒度 3．1．重要性 决定了加工的精度和效率，是磨料的最基本指标； 3．2 ．意义 即磨料的颗粒尺寸； 3．3．表示方法 ＃ ⑴．筛分法：＞ 40 μm，以筛号表示，如 80 ，还可称“目”； ⑵．水选法：＜ 40 μm，以直接的颗粒尺寸标以“ W”表示，如 W5，表示 5 μm； 注意： ①．度号不是随意划分的， 一般有一定的标准， 如我国国家标准有 41 个粒度号， # # # # # # # # # 记作： 4 、5 、6 、7 、8 、10 、12 、,, 220 、240 等，微粉记作： w63、w50、 w25,, w1、w0.5 等； ②．各国的粒度划分不是完全一致的； 表 1-3 各国磨料尺寸对照表 1 3．4 ．粒度组成及测定方法 由于事实上实际的粒度是连续分布的， 而粒度号是分立的， 所以每个粒度号 所对应的磨粒不只是一个同样的尺寸， 而是一个粒度群， 而且由于实际生产上的 # 原因，这个粒度群的最粗粒和最细粒可能超出相邻的粒度号，如 70 ，其最粗粒 # # 可能通不过 60 筛，最细粒可能通过 80 筛，但是要限制粒度分布的比率， 一个粒 度号的粒群可以分成 5 个粒度群 : 表 1-4 各国磨料尺寸对照表 2 即: 最粗粒、粗粒、基本粒、混合粒、细粒，列表举例（见表 1-5 ）： 表 1-5 粒度群组合 最粗粒 粗粒 基本粒 混合粒 细粒 不通 重量 重量 通过下列筛 粒度 100%通过下 不通过 重量不大 不通过 过筛 不少 不少 号重量最多 列筛号 筛号 于％ 筛号 号 于 % 于 % 3% # # # 70 45 60 25 70 40 70/80 65 100 # # # 80 50 70 25 80 40 80/100 65 120 磨料粒度的组成要符合国家标准的规定，现行标准为 :GB2477-83； 粒度的检查要按国家标准规定的“磨料粒度测定方法”进行检验。 8 目～240 目用筛分法， w63～w0.5 用显微镜分析法，目前又有激光粒度分析仪 可用； §1-2 磨料的基本性质和化学性质 1．磨料必须具备的基本性质 1．1．高硬度、高耐磨性 一般认为，只有硬的东西才能磨削软的东西，越硬效率越高； 1．2 ．有适当的抗破碎性和自锐性 寿命与磨刃更新；决定于韧性，两者是矛盾的，应取适当值 ； 1．3．高温稳定性和化学稳定性 由于工作区磨削温度高、压力大、所以要求磨料： ⑴．高温条件下的高硬度、高强度； ⑵．高温下不发生反应和分解； ⑶．不与工件发生化学反应； 关于⑶的讨论： 磨削不单纯是机械过程，磨削材料与工件可能发生化学反应： 例 1：碳化硅不能磨削钢材 ，从下列反应证实： Fe+SiC 高温→ FeSi+Fe3C 但可以加工磨削铸铁 ，原因是其高的 Si 、C含量； 例 2 ：刚玉不适于磨削玻璃、陶瓷等硅酸盐材料，有如下反应： 3Al O+2SiO 3Al O?2SiO 2 3 2 → 2 3 2 ( 莫来石 ) 因此，对不同的加工材料，应选择合适的磨料，避免两者之间较大的化学亲 和力，避免形成化学反应使磨料磨具的磨削性能下降； 下表列出了普通磨料与被加工材料之间的反应情况 : 表 1-6 磨料与被加工材料之间化学反应情况 刚玉系列 碳化硅系列 反应 粘着 磨耗 反应 粘着 磨耗 低合金钢 无 无 小 大 有 小 镍 无 无 小 大 有 特大 不锈钢 无 无 中 中 有 特大 铸铁 小 小 小 中 无 小 钛 大 大 大 大 大 中 2 ．化学成分 表 1-7 普通磨料化学成分 化学成分是反应磨料质量、 性质的主要指标， 一般认为，磨料纯度越高越好， 杂质越少其硬度耐磨性越好； 2 ．1．指标： 见表 1-7 。 以上均有国家标准限定； 2 ．2 ．意义： 化学成分分析可以判定磨料质量的好坏，对刚玉最有意义的是矿物分析，因 为并非所有的 Al 2O3 都形成 α－刚玉，即物理刚玉； 2 ．3．化学成分的变化规律 磨料的化学成分将随磨料的粒度而改变，粒度细，则杂质上升；国家标准也 反应了这一特点 ； 表 1-8 棕刚玉化学成分随粒度变化情况 表 1-9 白刚玉化学成分随粒度变化情况 表 1-10 国外刚玉化学成分 续表 1-10 Al2O3 SiO2 Fe2O3 TiO2 ZrO2 §1-3 磨料的物理性质 我国目前测定的磨料物理性能有十几项，包括颗粒组成、颗粒密度、抗压强 度、亲水性、堆积密度、磁性物含量、显微硬度、 pH值、研磨能力、单颗粒强 度、线膨胀系数、颗粒形状等的测定和磨粒显微结构分析以及岩相分析等； 其中颗粒组成、颗粒密度、磁性物、堆积密度、亲水性及 pH值六个项目已 作为磨料技术条件的必检项目列入国家标准， 下面分别介绍各项指标的意义及测 定方法。 1．硬度及测定方法 表 1-11 莫氏硬度值与部分矿物对应关系 1．1．基本概念 对于硬度， 物理上没有明确一致的定义， 通常指物体对外来物体侵入的抵抗 能力；主要有刻划法、压入法两大类。 ⑴刻划法 莫氏硬度 （见表1-11 ），以后一种物质对前一种物质刻划能产生划痕为依据； 随着新的人造硬质材料的研究应用， 在某些标准物之间插入一些物质， 使莫氏硬 度细化。 ⑵压入法 表征物体发生弹塑性变形的抗力， 是综合机械性能指标。 随不同的压头材质、 形状、表示方法不同，有不同的硬度，如布氏、络氏、维氏等； 1．2 ．磨料的硬度 ⑴．不同晶面上硬度不同； ⑵．硬度随温度升高而下降； ⑶．杂质对磨料硬度有影响，一般随杂质含量增加而降低，但刚玉中的 TiO2 在 一定范围内可提高硬度，刚玉中加入 Cr2O3 可同时提高硬度与韧性； 一般用显微硬度测量磨料的硬度； 2 HV＝1854.4P/d 其中， p 为硬度计载荷，单位为 g，d 为硬度计压痕对角线长度，单位为 mm； 表 1-12 温度对磨料显微硬度的影响 1．3．常用磨料的显微硬度值 表 1-13 常用磨料的显微硬度值 2 ．磨料的韧性 磨料的韧性是指磨粒在磨削力的作用下抵抗破碎的能力。 2 ．1．物理本质 : 物质抵抗冲击，吸收能量的能力 . 反意是脆性； 2 ．2 ．对磨粒的作用 ⑴．一定的韧性，能保证使用寿命； ⑵．影响自锐性，韧性大，不易碎，易钝化 ； 显然韧性与自锐性是矛盾的， 对磨料一般要求适当的韧性值； 在磨削过程中， 磨料的磨损与磨料的硬度、抗热震能力、抗冲击、抗震动、抗压以及抗磨蚀能力 密切相关，所有这些性能综合在一起可用“韧性”来表达。因此韧性这个概念体 现了多项理化性质，对它确切定义是很难的，主要是通过试验进行。 —般来说， 磨料的韧性愈高， 金属的单位磨下量也越多， 但韧性过高会影响 磨料的自锐性。 磨料行业检定的韧性， 实际上是脆性。 即磨粒在外力作用下的抗 破碎能力。 具体测定方法有静压法和球磨法两种。 静压法的测定值比较稳定。 球 磨法测定， 磨粒的受力方式更接近于磨粒磨削时的受力情况， 不少国家已将球磨 法列入国家标准中。 2 ．3．韧性的测定 磨料的韧性值是一个相对值， 用百分率表示。模压法测定韧性是用一定粒度、 规格、规定重量的磨粒在压模内承受一定的静压后， 以其未破碎颗粒的重量百分 数作为磨料的韧性值； 球磨法测定韧性是以一定重量、 粒度规格的磨料于一定转 速的球磨机中 ( 内装一定规格、 重量的钢球 ) 转至规定的总转数后， 以未经破碎颗 粒的重量与回收样总重之比，作为磨料的韧性值。 ⑴．模压法、静压法 取一定重量的 20 目或 46 目待测磨料，于压模内承受一定的静压力， 其大小 以未破碎颗粒的重量百分数表示； ⑵．球磨法 以一定重量的 16 目磨粒装入一定转速的磨机内，机内置一定规格、质量的 磨球，开动设备至规定转数后，筛分，未破开云科技碎质量与破碎质量之比，表示球磨韧 性值；一般磨机要求容积 5 升，转数 75/min ，转动 20min，装入 3/4 ”磨球 1000g， 装入样品 100g；下表为各类磨料的球磨韧性值： 表 1-14 各类磨料的球磨韧性值 磨料名称 棕刚玉 白刚玉 单晶刚玉 含 Ti 刚玉 TL TH 韧性值 % 56.5 60.0 70.0 62.0 61.0 72.0 2 ．4 ．影响磨料韧性的因素 影响磨料韧性的因素有： 磨料的颗粒形状和尺寸、 磨料的显微结构等因素都 会影响其韧性， 如单晶体磨粒的韧性较集合体磨粒的韧性高。 煅烧处理可弥合磨 粒的表面缺陷以及破碎过程产生的应力， 因而煅烧处理可提高磨料的韧性。 另外 磨料的化学成分及矿物组成也影响其韧性值。 ⑴．磨料本身化学成分、矿物组成、晶体结构是根本因素，即磨料的品种不同， 决定了它的韧性值，如上表； 表 1-15 磨料颗粒形状对其韧性的影响 ⑵．杂质对韧性的影响很复杂， 如下图， 表明了刚玉磨料的杂质对其韧性的影响 MgO CaO TiO 2 脆 SiO2 性 Fe3O4 含量 Cr O 2 3 图 1-1 磨料中杂质对其韧性的影响 2 2 从图中可见， MgO、CaO、TiO 、SiO 均使韧性下降，脆性增加； Fe3O4 、Cr2O3 适量可使韧性上升 ； ⑶．磨料晶体大小、形状的影响 晶体大小与形状对磨料韧性影响很大， 等积形的韧性高于杆状、 片状的颗粒， 颗 粒形状与磨料破碎方法有关，因此不同的破碎方法所得的磨粒韧性不同 ； 表 1-16 不同破碎方法对其韧性的影响 球磨机等轴晶粒多 对滚机、颚式破碎机片状多 韧性好 韧性差 ⑷．煅烧的影响 下表列出了棕刚玉、白刚玉煅烧前后的模压韧性，从中可见煅烧对其韧性的 影响。 表 1-17 煅烧对刚玉韧性的影响 棕刚玉 白刚玉 未煅烧 1000℃ 1350℃ 未煅烧 1000℃ 1350℃ 24 目 46 63 73 36 44 50 30 目 56 67 74 38 66 77 关于煅烧提高韧性的原因： a ． 消除了制粒过程的应力； b． 弥合磨粒微裂纹和晶体缺陷； 3．磨料的抗压强度 3．1．定义：磨料对承受外来压力发生破裂的抵抗能力，即发生破裂时的临界应 力。注意：是静态的，与韧性的区别。 简介对磨料的意义； 3．2 ．测定方法：用单颗粒抗压强度测定仪测定磨料的单颗粒抗压强度，简介单 颗粒抗压强度测定仪的结构及工作原理：一般测量 40 粒，取平均值，即磨料的 单颗粒抗压强度。 3．3．几种刚玉磨料的单颗粒抗压强度值列于表 1-18 ： 表 1-18 部分刚玉单颗粒抗压强度 磨料名称 代号 单颗粒抗压强度（ N） 棕刚玉（ 30 目） A 11 ．4 白刚玉 WA 7．2 微晶刚玉 MA 2．2 单晶刚玉 SA 12 铬刚玉 PA 13 ．4 3．4 ．SiC 与刚玉抗压强度的对比 2 一般认为 SiC 的抗压强度高于刚玉，如： SiC 抗压强度 224Kg/mm，刚玉为 2 75.7Kg/mm，但粗颗粒时可以发现 SiC 的强度低于刚玉，主要是 SiC 的缺陷多， 尺寸大时更为明显。 4 ．磨料的研磨性能 4 ．1．概念 在研磨条件固定的条件下， 以一定粒度和重量的磨料， 磨去被磨对象重量的 多少来衡量，国内多采用 AC3-4 研磨能力测定仪来测量。 研磨能力 ％ 强度 4 ．2 ．影响研磨能力的因素 研磨能力取决于两方面 : ⑴．磨料本身的性质； ⑵．磨料颗粒形状； 如图 1-2 所示，不同粉碎设备制得的磨粒的研磨能力、强度的关系： 注意：不同的形状有不同的使用性能， 对固结磨具用等积形， 涂覆磨具用尖 角
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