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1、普通磨料磨具制造,第一篇 磨料第一章 磨料通论,磨料磨料通论,1.1磨料的种类及粒度 1.1.1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200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
2、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。,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。,1920年，螺纹磨床出现。,1924年，绿色碳化硅在卡普伦登公司研制成功。,1925年，第一台磨齿机制成。,1930年，磨具生产开始控制组织,出现了无心磨床。,1934年，美国生产了硬度高于碳化
3、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。,19531954年，瑞士和美国分别研制成功人造金刚石。,1957年，美国首先工业化生产人造金刚石，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。,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
4、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。目前磨具使用速度最高达250m/s,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
5、仍为2535左右，而其间又大量发展了涂覆磨具-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。,我国解放前只有一个由日本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，首先在东北苏家屯原有的砂轮旧厂上扩建了第一砂轮厂。,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，建成第二砂轮厂。,在第一个五年计划期间，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。,1958年，第一
6、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。,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料磨具品种已能满足国内需要，且由进口转为出口。,1985年，由机械工业部机床工具司提议，国家教委批准，在燕山大学设立磨料磨具专业，使本行业拥有了本科、硕士研究生及后来的博士研究生的培养基地。90年代形成了磨料磨具方面完整的教学、科研和生产体系。,1.1.2 磨料的种类及代号1.碳化物类,表1-1 碳化物类磨料,2.刚玉类,表1-2 刚玉类磨料,3.其它天然磨料主要包括石榴石、天然刚玉、石英。,4.主要厂家国内主要有第一、二、三、四、五、六、七砂轮厂，其中七砂产量最大；国外
7、厂家：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；,1.1.3磨料的粒度,1.重要性决定了加工的精度和效率，是磨料的最基本指标。,2.意义即磨料的颗粒尺寸。,3.表示方法筛分法：40m，以筛号表示，如80#，还可称“目”；水选法：40 m，以直接的颗粒尺寸标以“W”表示，如W5，表示5 m；,注意：粒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、w25w1、w0.5等；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,表1-4各国磨料尺寸对照表
8、,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: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,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，W63W0.5用显微镜分
9、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,1.2.1磨料必须具备的基本性质,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；,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；,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：高温条件下的高硬度、高强度；高温下不发生反应和分解；不与工件发生化学反应；,关于的讨论：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+SiCFeSi+Fe3C(高温条件下)但可以加工磨削铸铁，原因是其高的Si、C
10、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：3Al2O3+2SiO23Al2O32SiO2(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；表1-6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,1.2.2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.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Al2O3都形成-Al2O3，即物理刚玉；,1.指标见表1-7。以上
11、均有国家标准限定；,表1-7普通磨料化学成分,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,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。
12、,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。,1.3.1硬度及测定方法,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。,1.3.1硬度及测定方法,1.3.1硬度及测定方法,表1-11 莫氏硬度值与部分矿物对应关系,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、洛氏、维氏等；,2.磨料的硬度不同晶面上硬度不同；硬度随温度升高而下降；,杂质对磨料硬度有
13、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；HV1854.4P/d2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,3.常用磨料的显微硬度值,表1-13常用磨料的显微硬度值,1,1.3.2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。,1.物理本质物质抵抗冲击，吸收能量的能力。反意是脆性；,2.对磨粒的作用一定的韧性，能保证使用寿命；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
14、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。,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
15、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。,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；,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10
16、00g，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,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。,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,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,从图中可见，MgO、CaO、TiO2
17、、SiO2均使韧性下降，脆性增加；Fe3O4、Cr2O3适量可使韧性上升；,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,煅烧的影响,表1-17 煅烧对刚玉韧性的影响,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。,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；,1.3.3磨料的抗压强度,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
18、。对磨料的应用有重要意义；,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，一般测量40粒，取平均值，即磨料的单颗粒抗压强度。,3.几种刚玉磨料的单颗粒抗压强度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,4.SiC与刚玉抗压强度的对比 一般认为SiC的抗压强度高于刚玉，如：SiC抗压强度224Kg/mm2，刚玉为75.7Kg/mm2，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。,1.3.4磨料的研磨性能,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-
19、4研磨能力测定仪来测量。,2.影响研磨能力的因素 研磨能力取决于两方面:磨料本身的性质；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，涂覆磨具用尖角形颗粒。,1.3.5磨料的颗粒密度及测定方法,1.概念磨料的颗粒密度是指单位体积(排除开口气孔的体积)内所含磨料的质量，单位是gcm3。,2.测量方法见GB30483普通磨料颗粒密度测定方法,颗粒密度是反映磨料结晶完善程度和纯度的重要指标。刚玉磨料的颗粒密度通常在3.904gcm3范围内，随磨料粒度变化而略有波动。按照有关标准规定，各种磨料的颗粒密度是以46#作为
20、代表号进行检验。具体指标见表1-19。颗粒密度是指排除开口气孔，不排除闭口气孔的密度；,测定方法：颗粒密度D颗粒重量/颗粒体积先称量磨料在空气中的重量G，再称量磨料在介质中的重量M对于磨粒，介质用水或煤油；对于微粉，介质用煤油；,表1-19 部分磨料的颗粒密度,1.3.6磨料的堆积密度及测量方法,1.基本概念磨料的堆积密度是指磨料在自然堆积情况下，空气中单位体积内磨料的质量，g/cm3，是磨具制造的重要工艺参数，涉及制品的强度、气孔率、磨削性能。,2.测量方法磨料自规定高度下落，充满一定体积的容器，称量即可。采用PDM-1型普通磨料堆积密度测定仪测量。,表1-20部分磨料的堆积密度,3.影响堆
21、积密度的因素磨料种类，如上表；颗粒形状，其堆积密度从等积形片杆状依次减小；粒度号，越细，堆积密度越小，如图1-3。,1.基本概念磨料的亲水性是指磨粒与水分子间的亲和力，润湿性；一般认为离子鍵、原子键的物质亲水，如刚玉，碳化硅等；分子键物质则疏水；因而，测定磨料亲水性的意义在于：决定磨料与结合剂结合的牢固程度，直接影响砂轮强度；在微粉的生产过程中影响分级沉淀。,1.3.7磨料的亲水性及测定方法,2.测定方法,利用毛细原理，用毛细现象测定仪，如图示:,以一定时间内玻璃管内水的上升高度表示，越高则亲水性越好。,表1-21 部分磨料亲水性数值,3.影响因素磨料的品种；磨料表面的清洁程度，如经酸、碱洗，
22、煅烧等，由于表面净化而使亲水性升高；颗粒形状影响亲水性，一般对辊加工的磨料亲水性球磨加工的磨料；,刚玉(Al2O3)熔点为2323K；刚玉在298K的标准生成热：H298=-1673.6Jmol刚玉在298K的热容CP79.04J(mol.K),1.3.8磨料的热学性能,磨料的热学性能包括:热膨胀、导热性、熔点/比热、热稳定性；其中磨料的物理性能相对于普通磨料主要测定线膨胀系数，对超硬磨料，测热稳定性。,1.膨胀意义主要影响制造过程中磨粒与结合剂的连接；,一般要求 为使磨粒与结合剂良好粘结，磨料与结合剂原则上应满足如下要求：磨料与结合剂有相近的膨胀系数；两者的膨胀曲线一致；SiC的热膨胀小于刚
23、玉:SiC 平均251400=4.410-6/刚玉 平均251400=7.810-6/,表1-22 刚玉的线膨胀系数,2.导热性意义：单位温度梯度下单位时间内通过单位垂直面积的热量；磨料的导热性=W/M.S.K(焦耳/米.秒.开),SiC的导热性比刚玉大的多，如下制品:一般结合的 低硅电熔刚玉 耐火粘土 SiC制品 13.5 3.0 1.4,表1-23 刚玉的导热系数,3.热稳定性意义指材料经剧烈的温度变化而不破坏的性能；表示方法,其中：K，热稳定性；R，材料抗拉强度；，热膨胀系数；E，弹性模量；，导热系数；c，比热；d，密度；由于SiC低的和高的，热应力小，特别耐热震；,4.熔点及分解温度刚
24、玉于18502050熔融；SiC于22002500分解，无通常意义的熔点；,1.3.9磁性物及其测定,1.意义由于杂质含有铁磁性物质，尽管磁选，仍难以除尽，有必要检定；铁磁性物质有下列害处:使磨具产生斑点；影响烧结过程；影响磨削过程；,刚玉磨料中含有的磁性物质，其成分和来源较为复杂，有冶炼中残存于刚玉中的硅铁、铁合金或包裹体及制粒加工过程中设备磨损的纯铁、铁台金等。虽然磨料要经过磁选工序处理仍难免混有磁性物，这将使陶瓷磨具产生斑点，尤其影响白刚玉磨具的外观。因此磨料中的磁性物含量要严格进行控制。,2.磁性物的测定用标准规定的马蹄铁，于100g物料中吸出的物料的百分比；用磁性物测定仪；,1.3.
25、10 pH值的测定,1.意义磨料的pH值指用中性水浸取后得到的浸液中氢离子的浓度，磨料的pH值为6.08.0(用户要求时提供)。磨料的酸碱性将影响磨具的制造，包括以下3方面:与结合剂之间的反应；陶瓷坯料的性能；最终产品的性能；,2.测定方法 磨料在1055烘干lh，取出放入干燥器内冷却至室温。取试样25g倒人锥形烧瓶中，加煮沸的蒸馏水100 ml，在1000w电炉上继续加热煮沸3min。取下，迅速用流水冷却到252，在20 min内移取上层澄清液于干烧杯内，用pH计测定其pH值。,第二章 刚玉磨料制造,2.1棕刚玉制造,2.1.1棕刚玉生产工艺简介,棕刚玉的生成过程是用碳质材料把矾土中的主要杂
26、质还原，被还原的杂质与铁生成硅铁合金、并与刚玉熔液分离，熔液冷却生成刚玉结晶。前两部分属棕刚玉冶炼，最后一部分属冶却过程。,3,1.原料主要有矾土、无烟煤、铁屑。矾土，主要含氧化铝，氧化铁，氧化硅，氧化钛，氧化钙，氧化镁等杂质。无烟煤，提供了碳。铁屑，提供了铁合金生成条件。,2.冶炼方法 三相电弧炉内高温熔炼；,3.冶炼原理无烟煤主要含C，做还原剂，使Fe2O3、SiO2、TiO2还原成金属，铁屑则与还原出来的金属形成铁合金沉淀，与氧化铝分离，经熔炼后的被清除了大部分杂质的Al2O3冷却、再结晶即可形成棕刚玉。,4.基本成分棕刚玉的成分：物理刚玉（-Al2O3）9197，TiO2 1.53.3
27、%，呈棕色；铁合金的成分：Fe，8283%；Si，1416%；Ti，23%；Al，1.53.0%；,5.工艺方法一般按冷凝方式分类，有3类:熔块法，熔炼后在炉内冷却，然后扒炉；倾倒法，冶炼后倾倒于另一容器中(接包车)冷却；流放法，沿一定尺寸的冷却槽流放，可加速冷却；,6.简单工艺流程,棕刚玉冶炼工艺流程如下：,图2-2 熔块法棕刚玉冶炼流程图,2.1.2棕刚玉冶炼的物理化学原理,1.主要目的从矾土原料中冶炼出较纯的氧化铝，再结晶成-Al2O3-物理刚玉；其中，冶炼部分是达到成分要求，再结晶部分是达到结构要求；,各种金属氧化物生成反应的FT线随温度升高而向上倾斜，表明氧化物的稳定性随之下降，上图
28、表明了矾土中各金属氧化物的生成自由能(FT)曲线与COFT曲线随温度变化的情况:,2.热力学分析,图2-3 金属氧化物的生成自由能(FT)曲线与COFT 曲线随温 度变化趋势,只有CO的生成自由能曲线例外，是随温度升高而下降，即更加稳定；一个基本原理是:FT低的物质可以在同一温度下得到FT高的氧化物中的O，使其还原，由此可以从热力学上得到下列结论:,在高温CO的FT可以低于Fe、Si、Cr、Ti，因此可以从矾土中经过熔炼去除其中的Fe2O3 SiO2 TiO2等杂质；Ca/Mg的FT低于Al氧化物的FT，因而，若还原出Ca/Mg，则氧化铝先被还原，与棕刚玉的熔炼相违，所以在棕刚玉熔炼中，CaO
29、/MgO不能还原成金属得到去除；热力学分析的还原次序为Fe、Si、Ti、Al。,注意:以上是指100%氧化物而言，实际上矾土中的氧化物杂质不多，必须考虑FT随浓度的变化，实际上随棕刚玉熔炼的进行，氧化物浓度越来越低，使还原反应很难进行，必将有少量的残余。,2.1.3棕刚玉熔炼的基本过程及原理,1.氧化铁的还原和从矿石中炼铁不一样，熔炼生铁在固态就可以进行了，但由于氧化铁在矾土中浓度低，矾土结晶水分解，阻碍了氧化铁还原，因而固态不能还原氧化铁，只能在熔融后才能进行；,Fe2O31430FeO FeO不能自由存在，则FeO+SiO22FeOSiO2(铁橄榄石)即氧化铁在还原前已是矿物形式存在，使F
30、e2O3更难还原；得到结论：棕刚玉冶炼中，矾土中氧化铁不能在固态下还原，实际上是炉料熔化后，C从熔体中还原铁橄榄石，反应如下：1/2(2FeOSiO2)+C=Fe+1/2SiO2+CO,2.SiO2的还原还原反应理论上，用碳还原自由态的SiO2，不生成硅，而是SiC，如同SiC冶炼炉中一样：SiO2+3CSiC+2CO但棕刚玉中未见到SiC，原因在于存在金属铁(铁先于SiO2被还原)；一方面：Fe+SiFeSi另方面：SiC+FeFeSi因而，SiO2还原靠融解在铁中的C，将C从铁中排除出去，反应如下：SiO2+Fe+2CFeSi+2CO,SiO2的其它存在形式以上认为SiO2是自由态的，实际
31、上还可与矾土原料中的其它成分形成几种矿物，如下：铁橄榄石(2FeOSiO2)铁被还原时已分解；莫来石(3Al2O32SiO2),钙斜长石(Ca.Al2O32SiO2)熔融时不分解，很难还原，关键取决于CaO含量，如果熔体中CaO含量较多，也不希望SiO2过度还原，留有一部分，使之形成钙长石，如下反应:CaO+Al2O3+2SiO2CaOAl2O32SiO2否则，CaO将与Al2O3形成冷却时的六铝酸钙(CaO6Al2O3)，大量消耗Al2O3，降低刚玉的产量与质量；,3.TiO2的还原,反应原理TiO2+2C+3FeFe3Ti+2COTi2O3+3C+6Fe2Fe3Ti+3CO分离Fe3Ti混
32、合于铁合金中下沉；,4.Al2O3的还原还原过程当熔体的温度较高，而Fe、Si、Ti已基本还原时，可以发生Al2O3的还原：Al2O3+3C2Al+3CO当有铁存在时，形成铁铝合金，促进了Al2O3的还原，在1920就可进行：Al2O3+Fe+3CAlFe+3CO通常在电弧区域内Al2O3才可能被还原；,还原次序综上所述，可以认为，在棕刚玉的冶炼过程中：各杂质氧化物的还原有一定的次序；各杂质氧化物不可能完全还原；一般工艺要求各氧化物的还原程度为：Fe2O3 98%，SiO290%，TiO250%；,5.铁合金与熔体中杂质的反应在电极附近(如下图所示)形成的铁合金颗粒含有Fe/Si/Al/Ti，
33、下沉时，与熔体中杂质氧化物作用，活性大的金属可以将活性小的金属还原，反应如下：2FeO+Si2Fe+SiO22FeO+TiTiO2+2Fe3FeO+2Al3Fe+Al2O3SiO2+TiSi+TiO23SiO2+4Al3Si+2Al2O33TiO2+4Al3Ti+2Al2O3,这些反应在反应过程中伴随反应热，因而也称之为“硅、铝、钛热还原反应”，是上部电弧区域剧烈还原所得铁合金下沉过程中所发生的；,6.粘度及其影响粘度对冶炼过程及质量的影响对于棕刚玉冶炼过程的影响主要从下面情况来看：粘度小，反应充分；粘度小，铁合金颗粒易于集成大的颗粒下沉，则刚玉结晶块纯净；粘度大，则铁合金颗粒细小分散，难以从
34、结晶块中分选，使质量下降；,采取的措施从以上可见，粘度小对棕刚玉最终产品质量有好的影响，为使粘度小，采取措施如下：采用较纯的矾土原料，提高熔点；提高冶炼温度，高温下粘度小；,7.棕刚玉冶炼过程综述 熔化后，氧化铁最易还原，与C粒起作用，氧化铁得到一定程度的还原后，碳粒和SiO2以及含碳的铁合金与SiO2作用，形成FeSi，然后是TiO2的还原，与SiO2类似，最后可能将Al2O3还原，因此形成了含有Fe、Si、Ti、Al金属的铁合金，并开始下沉。,C+FeOFe,SiO2+Fe(C),SiO2+C,形成铁合金下沉,图2-11 铁合金反应、下沉示意图,下沉过程中，铁合金中的Ti、Si、Al将与熔
35、体中杂质氧化物发生“硅-钛-铝热还原反应”，即开始交换氧的反应；其结果，随下沉的进行，铁合金中Fe、Si量上升，Ti、Al量下降，造成了熔体中的Fe2O3大部分还原，TiO2较少还原；,2.1.4棕刚玉结晶块,图2-10棕刚玉结晶块示意图,正常的棕刚玉结晶块由于其外观、结构和矿物成分的不同，划分为5个部分：帽盖，缩孔，中心，边部，底部；如图示：,1.帽盖刚玉为散状/片状/等轴状，细小晶体，150350m，呈灰色；主要杂质：晶内的TiC/TiO-TiN/TiN-TiC；晶间：晶间夹杂玻璃体，钙斜长石，Ti2O3，尖晶石，TiN等；,2.缩孔刚玉呈等轴状，500600m；杂质有：晶间夹杂玻璃体，含
36、Ti的各种氧化物；,3.中心部是结晶块最纯洁的部分，呈紫褐色，即棕色，刚玉是中等粗大的晶体，5001750m；杂质：晶间玻璃体细块，可见含有钙长石，六铝酸钙，Ti2O3等；,4.边部由等轴和长板状的中等尺寸的刚玉组成，500750m，呈褐色至兰黑色；杂质：晶间夹杂有玻璃夹层，有钙长石，Ti2O3，黑钛石等；,5.底部刚玉晶粒由细小到粗大，分布很广，7002000m，呈淡灰褐色；杂质：大部分是铁合金，以及六铝酸钙，钙长石，及含Ti矿物；,2.1.5杂质对棕刚玉性能的影响,1.棕刚玉磨粒的杂质情况经分选制粒后，磨粒仍含有一定的杂质，分布如下：,约8085%是刚玉的单晶体；15%是一定数量的玻璃体粘
37、结的细小刚玉结晶；5%是刚玉与六铝酸钙，钙长石的晶体；,2.杂质的影响 刚玉良好的磨削性能来源于其主要成分-Al2O3，即物理刚玉，因而杂质对刚玉性能的影响主要是脆性和磨削性能方面，下面图2-12说明了杂质对刚玉性能影响：,表2-3 氧化铝变体性能,图2-12 刚玉中杂质对其脆性及磨削性能的影响,注：以白刚玉脆性为1对比,上图是以白刚玉的脆性及磨削性能定为1，作出棕刚玉中杂质的影响；SiO2：含量低时影响不大，4%则影响显著；CaO：大大提高脆性，含量少时对磨削影响不大，2.5%时影响显著；MgO：对磨料的韧性和磨削性能严重影响；Cr2O3：23%时，可在不降低韧性的前提下增加磨削性能；,表2
38、-5 杂质对消耗刚玉中氧化铝含量的影响,表2-7 棕刚玉冶炼工艺特点及方法,表2-8 不同CaO含量对物理刚玉生成量的影响,表2-2 刚玉冶炼时铁台金的产量和所用矾土质量的关系,2.2其它刚玉磨料,2.2.1白刚玉,1.成分，性能，特点 一般白刚玉氧化铝含量大于98%，Na2O小于0.8%，磁性物含量小于0.004%；由于Na2O对其最终产品性能及产量均有大幅度影响，故严格控制；磨料的硬度较棕刚玉为高；韧性稍差于棕刚玉；,4,2.制造原理用工业铝氧粉作原料，熔化成氧化铝熔液，冷却再结晶即成；其中没有还原过程，原料中的杂质全部留在熔体中，因此，产品质量与原材料关系极大；,铝氧粉是氧化铝粉的通称，
39、是矾土经化学提纯制成的工业产品。铝氧粉呈白色粉状，含A12O 398，熔点2000，也是电解铝和制造铬刚玉、镨钕刚玉的主要原料。我国制造白刚玉磨料都采用三级以上的铝氧粉。,铝氧粉分类级别,铝氧粉成分:要求Al2O398%，Na2O0.6%，Fe2O3等铁磁性物质0.004%，对SiO2、CaO都有一定要求，其中Na2O可与Al2O3形成 Na2O.11Al2O3，即高铝酸钠，有以下有害作用：大量消耗氧化铝，降低刚玉产量；夹杂于刚玉内，使性能下降；高铝酸钠存在于结晶块的上部；,为了消除或减弱氧化钠的危害，在白刚玉冶炼中采取了三种办法：加石英砂，加氟化铝，铝酸钠冷却偏析。加石英砂法：加石英砂的目的
40、是形成三斜霞石或霞石(Na2OA12O32SiO2)，限制铝酸钠的生成。加氟化铝法：氟化铝进入熔炉后，首先与氧化钠反应，生成氟化钠：,铝酸钠冷却偏析法：因为铝酸钠的熔点为1900，较氧化铝的熔点低，所以冷却时刚玉最先结晶出来，而把含铝酸钠较多的熔液留在尚处于液态的中上部位。铝酸钠晶体与刚玉晶体的外观构造不一样，很容易识别，可在出炉后分选除掉。,3.熔炼工艺流程倾倒炉白刚玉冶炼工艺流程倾倒炉工艺是白刚玉生产过程中常用的工艺方法之一，图2-13是其工艺流程图：,图2-13倾倒炉白刚玉冶炼工艺流程,熔块炉白刚玉冶炼工艺流程熔块炉白刚玉冶炼工艺是白刚玉另一主要冶炼工艺之一，其流程图见图2-14：,图2
41、-14 熔块炉白刚玉冶炼工艺流程,熔炼特点不需还原，可快速熔化，所以二次电压比熔炼棕刚玉的高；允许炉下部先凝固，可以使杂质排除(利用偏析)；电极、炉衬要求高，防止杂质混入；,熔块与棕刚玉不同，主要是上下分布，上下构造、成分差别显著：上部疏松、杂质含量高；中、下部一般致密、杂质含量少；缺陷大片结晶不集中，主要原因：原料内Na2O含量高；熔液温度低、粘度大，不利于杂质的偏析；颜色发黑或灰，主要原因：主要是由电极的碳引入而又未能挥发；对策：精选电极，充分精练；,表2-10 常见质量问题及解决措施,表2-10 常见质量问题及解决措施,表2-10 常见质量问题及解决措施,2.2.2微晶刚玉,1.成分、结
42、构、性能特点在成分、外观、矿物结构、采用原料、冶炼方法等方面与棕刚玉类似，其特点是：颗粒由许多细小的多晶组成，即微晶；由于微晶，使其有两个特点：强度高，韧性大，可用于重负荷磨削；磨削时呈微刃破碎状态，可用于精密磨削；,2.原理有两项工艺措施来保证获得微晶：熔体中含有一定量的MgO（0.5）；快速冷却；快速冷却结晶使MgO等高熔点杂质以胶体细质点离析，形成非自发形核中心，使结晶细小，从而获得微晶刚玉；,3.工艺要点冶炼的设备、原材料、工艺与棕刚玉基本相同，为保证微晶化，需控制MgO的含量和冷却速度；,表2-12 微晶刚玉与棕刚玉综合对比,使熔体MgO含量0.030.8%，0.03则达不到微晶化要
43、求；0.8%则杂质多而影响质量。主要靠矾土控制，若含量不足可添加MgO；快速冷却，采用倾倒、流放法，控制较小的厚度；在刚玉熔体流过石墨槽时，用滚筒挤压，控制厚度在1.63.2cm的半塑性刚玉，浇水冷却；,表2-13 我国与日本不同及相同工艺方法微晶刚玉尺寸对比,表2-14 不同工艺条件微晶刚玉晶体结构比例,表2-15 棕刚玉与微晶刚玉成分对比,表2-16 棕刚玉与微晶刚玉综合性能对比,从以上可见，不同的工艺方法对微晶刚玉的结构性能影响很大。,2.2.3单晶刚玉,1.成分、结构、性能特点单晶刚玉指整个磨粒是由一个自然结晶的完整晶粒形成的；由此可见，单晶刚玉外形特点是：结构完整，没有晶界、裂纹，因
44、而具有高的强度和韧性；棱角分明，等积的多面体，规整，因而加工精度高；成分与棕刚玉类似；,2.单晶刚玉的工艺原理加入黄铁矿，含有较多的FeS，熔炼时形成Al2S3存在于晶界上，水解即成单晶刚玉，反应式如下：,Al2O3+3C+3FeSAl2S3+3Fe+3CO 熔炼时,Al2S3+6H2O2Al（OH）3+3H2S 水解时,图2-15 Al2S3-Al2O3系统相图,3.工艺过程采用矾土、黄铁矿、无烟煤、铁屑，于电弧炉内冶炼而成。类似于棕刚玉，其工艺流程如图2-16所示。,图2-16 单晶刚玉生产 工艺流程图,4.主要环节的说明熔炼：形成的Al2S3熔化时与Al2O3互溶，冷却时结晶过程中互不融
45、解而分离，存在于多晶的晶界上；熔块中的Al2S3越多越易水解，反之水解性能变坏，但过多时消耗Al2O3增多，产量下降，产品性能由于夹杂多而下降。因此应控制合适的黄铁矿的加入量；冷却时必要自然冷却，以有充分时间使Al2S3充分偏聚到晶界处；,水解时的水温对水解速度影响极大，要求80左右；水洗去除石墨和硫化物；酸洗除铁；煅烧，去除磨粒的热膨胀，还可进一步去除S、C，一般100050；,表217 Al2S3含量对单晶刚玉晶体形状的影响,2.2.4铬刚玉,1.成分、结构、性能在白刚玉熔炼过程中，引入Cr即可，一般以Cr2O3加入，控制在0.53%；颜色为紫红色或玫瑰红色；硬度与白刚玉相仿，但韧性足够，
46、因此可使磨具寿命长、形面保持好、精度高，常用于仪器、仪表部件加工；,2.工艺原理及过程原理下图为Al2O3Cr2O3相图，形成了连续固熔体，Cr2O3以置换方式存在，由于固溶强化作用，使刚玉的性能提高，强度和韧性都大幅度提高。Cr2O3含量不同提高的作用也不同。,图217 Cr2O3Al2O3系统相图,图218 Cr2O3含量与刚玉晶面间距的关系,注意在铬刚玉的冶炼过程中，Cr2O3的损失较大，利用率为4050，主要原因是：部分Cr2O3还原成Cr、飞扬损失、存在于夹杂物中等；一般采取熔炼后期加入、与部分氧化铝粉拌匀加入等方法来减少损失。,表218 铬刚玉和白刚玉部分性能对比,2.2.5锆刚玉
47、,1.成分、结构、性能是Al2O3与ZrO2的复合氧化物，与白刚玉冶炼相同，是熔化、再结晶的过程，不考虑杂质的还原等问题；品种有含ZrO2 10、25、40的3个品种；,结构方面：由相图可知，锆刚玉是由Al2O3ZrO2组成的共晶体所包围的刚玉晶体所构成，分析共晶体结构。在生产上要控制结晶晶体的平均尺寸30m；性能：由于共晶使其结晶细小，ZrO2的形变塑性，使锆刚玉具有很高的韧性和很高的耐磨性，因而适于强力磨削；,2.工艺及原料主要用铝氧粉、锆英砂，与白刚玉类似的方法制得。,42.6,1710,2.2.6矾土烧结刚玉,1.特点适用于重负荷荒磨：荒磨不锈钢等工件，需要大粒度（如16目）、大进给，
48、磨粒承受的力很大，如用一般的棕刚玉，砂轮寿命低，加工效率也低，如用矾土烧结刚玉就能胜任这一工作；高的韧性与特殊结构：矾土烧结刚玉是用特别细碎的矾土颗粒(3m)烧结制成，由于没有杂质的还原，其结构为玻璃体粘结的刚玉及少量的莫来石，呈微晶结构，因此可见，矾土刚玉韧性高、表面粗糙、适于荒磨；,2.工艺过程矾土煅烧破碎湿法球磨至3m泥浆干燥破碎加粘结剂造型烧结造型方法挤压法：用挤压机，可选不同的模具孔；干粉压块，置于6目16目二层筛上，筛分后，中间部分为成品；烧结于700800预烧；于14701570烧结，可用隧道窑、电阻回转炉等；,第三章 SiC磨料制造,3.1简述,3.1.1历史SiC是最早发明的
49、人造磨料。1824年，Berzellius从硅氯化钾还原出SiC；1891年，Acheson 在粘土和焦炭的混合物中通过电弧炉制得SiC，取名Carborundon（卡普伦登），来源于碳和刚玉二词的复合是误解；,1893年，主要工艺得到完善并获得专利，艾奇逊发表了第一个制造碳化硅的专利；直到目前为止，该工艺方法无原则改变，只是炉子大了，设备先进一些。业已应用的碳化硅是一种人造材料。1925年，卡普伦登公司又宣布研制成功绿碳化硅。,我国碳化硅于1949年6月由赵广和研制成功1951年6月，第一台制造碳化硅的炉在第一砂轮厂建成，从此结束了中国不能生产碳化硅的历史。1952年，第一砂轮厂在东北科学院
50、大连科学研究所曹户让的指导下又试制成功了绿碳化硅。随着国民经济的发展，我国又相继开发了避雷器用碳化硅、立方碳化硅、铈碳化硅及磨料级碳化硅。,3.1.2碳化硅的主要用途工业碳化硅除作磨料外，还有多种非磨削用途。以下分几个方面介绍碳化硅的主要用途。1.磨料目前我国工业碳化硅仅以磨料用途为主。其中绿碳化硅具有较高的硬度和一定的韧性，多用于磨加工光学玻璃、硬质合金、钴合金以及轴承钢的研磨抛光、高速钢刀具的刃磨等；黑碳化硅多用于切割和研磨抗张强度低的材料，如有色金属材料、灰铸铁工件、玻璃、陶瓷、石材和耐火制品等。微粉磨料专用于轴承(材料0Crl5)的超精磨，磨削效率和精度高。,2.耐火材料碳化硅具有很好
