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陶瓷剛玉磨料是何物?
2021年01月22日    閱讀量:824    新聞來源:中國建材網 cnprofit.com  |  投稿

磨料是精密加工時必不可少的工具,最早人們使用的都是天然磨料,不過隨著對磨料研究的深入,人們發現幾乎所有的天然磨料中都含有剛玉成分。在此認知上,人們開始嘗試人工合成剛玉磨料,最終在十九世紀末首次研制成功,并發現它具有比天然磨料更好的研磨性能。

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人造剛玉磨料


經過多年的發展,目前剛玉磨料已經成為國民經濟中不可缺少的一類重要工業產品,它與碳化硅占據了全部工業用磨料用量的三分之二以上中國建材網cnprofit.com。不過隨著現代材料科學技術的飛速發展,通過傳統熔融法制備的大單晶剛玉磨料由于晶粒粗大,磨削性能差,很多時候難以滿足現代加工的需要,因此迫切需要有適應不同磨削需求的新型磨料。


陶瓷剛玉磨料的問世


為了獲得更好的磨削效果,1981年時美國3M公司率先推出了一種商標名為“Cubitron”的剛玉磨料,其采用了溶膠-凝膠法(Sol-Gel)與燒結相結合的工藝,稱為化學瓷化技術(chemicalceramic technology),性能遠遠優于傳統的剛玉磨料。隨后在1986年美國Norton公司(現屬于法國圣戈班集團)推出了商標名為“SG”的新型剛玉磨料,也是采用了溶膠-凝膠法與燒結結合的工藝。這種改進了制備工藝,與傳統剛玉磨料相比顯微結構上具有明顯不同的磨料,一出世便以優異性能得到廣泛關注,人們后來將它們統稱為SG磨料或陶瓷剛玉磨料。

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α-Al2O3的晶體結構示意圖


一般而言,傳統剛玉磨料都是采用電熔,冷卻結晶,破碎的工藝得到,因此晶粒粗大,磨粒通常只由一個或幾個晶粒組成,而陶瓷剛玉則是由燒結工藝制備,晶粒尺寸均勻且細小,通常為微米或亞微米級,磨粒由成千上萬的晶粒組成。


顯微結構的不同,使得磨料的磨削性能也有明顯區別,以下就是陶瓷剛玉磨料的一些顯著優點:


①顯微結構均勻致密。陶瓷剛玉磨料主要由亞微米級的α-Al2O3晶粒構成,結構致密。通過對添加劑的量進行控制,可以引入第二相,形成α-Al2O3包裹第二相晶粒結構,或者第二相分布在晶界上包裹α-Al2O3晶粒的結構。


②硬度高。陶瓷剛玉磨料結構致密,與傳統的熔融剛玉磨料硬度相近。


③韌性高。陶瓷剛玉磨料的韌性比傳統剛玉磨料的韌性高1~2倍以上。傳統剛玉磨料晶粒粗大,破壞時通常發生穿晶斷裂;陶瓷剛玉磨料的晶粒尺寸小,晶界比例高,對裂紋擴展有顯著的偏折作用,破壞機理通常為沿晶斷裂。


④自銳性好。陶瓷剛玉磨料晶粒細小,每一個晶粒都是鋒利的切削刃。在磨削力的作用下,磨鈍的細小晶??梢詮哪チ1砻嬷饾u脫落,暴露出新的晶粒,從而保持鋒利狀態。


⑤使用壽命長。陶瓷剛玉磨料的晶粒尺寸小,磨粒磨損后在磨削力作用下發生沿晶斷裂,脫落的是細小的晶粒,屬于微觀破壞,損失的磨料數量少。試驗證明陶瓷剛玉砂輪的使用壽命比白剛玉砂輪的長5倍以上。


⑥磨削效率高。陶瓷剛玉磨料的自銳性好,磨粒鋒利,磨削產熱少,可進行大切深、大進給和高負荷磨削,且停機修整的次數少,加工效率高(比白剛玉磨具的效率可高達10倍)。


⑦磨削精度高。陶瓷剛玉磨料磨損量少,砂輪的形狀保持性好,工件加工精度高,一致性好。


⑧砂輪修整容易。陶瓷剛玉磨料硬度與普通電熔剛玉磨料接近,因此陶瓷剛玉磨料砂輪比CBN砂輪容易修整,且不需要采用特殊的磨削設備及修整裝置。


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陶瓷剛玉磨料


總而言之,陶瓷剛玉磨料作為高端磨料的典型代表,可以有效提高磨具產品的切削效率及使用壽命,在諸多高端加工領域顯示出良好的應用前景。


陶瓷剛玉磨料的制備及難點


不過磨料性能雖好,但也不是那么好做的。據悉,陶瓷剛玉磨料的制備工藝主要包括前驅體的合成和燒結兩個步驟。


①陶瓷前驅體的合成主要采用液相法,是制備陶瓷所使用最廣泛的方法之一。液相法是從原料溶液出發,通過物理和化學反應過程,形成均勻的前驅體。合成陶瓷剛玉前驅體的液相法主要包括溶膠-凝膠法、共沉淀法和水熱法等。


②燒結主要是通過一定的燒結制度,將前驅體轉變為所需的晶相并使其致密化的過程。陶瓷剛玉燒結所采用的燒結方式通常有以下幾種:常壓燒結、熱壓燒結、熱等靜壓燒結、微波燒結、等離子體燒結。


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陶瓷剛玉燒結過程中氧化鋁水合物相變過程


在以上制備過程中,最主要的難點是剛玉磨料的燒結和顯微結構的控制。氧化鋁由于其本身具有較大的晶格能和較穩定的晶格狀態,質點遷移需較高活化能,因此其自身較難以燒結。通過引入添加劑促進氧化鋁的燒結和控制其顯微結構成為制備陶瓷剛玉磨料的研究熱點。研究表明添加劑加入可以降低氧化鋁的燒結溫度并影響其微觀結構。


總而言之,剛玉磨料被認為是世界上磨削加工領域的一大技術成就。目前隨著科學技術的進步和新材料的不斷涌現,陶瓷剛玉磨料正向著具有高硬度、高韌性及細晶結構的方向發展,以滿足高速、重負荷、強力磨削和精密磨削的工藝要求。


資料來源:

陶瓷剛玉磨料顯微結構及其控制研究,楊濤。

納米晶陶瓷剛玉磨料制備及其形貌可控性研究,李娜。


標簽:今日頭條,建材應用,技術中心,建筑基材,建筑材料,橡膠塑料
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