第1章　磨料

1.1　概述

1.1.1　磨料定義

磨料的概念是隨著科學技術的發展，在不同階段有不同含義。1982年出版的《科學技術百科詞典》的解釋是磨料是用于打磨或磨削其他材料的硬度極高的材料，磨料可以單獨使用，也可以制備制成砂輪或涂附在紙或布上使用。1992年國際生產工程研究會編寫的《機械制造技術詞典》將磨料定義為：“磨料是具有顆粒形狀的和切削能力的天然或人造材料”。2006年5月中國標準出版社出版的《機械工程標準磨料與磨具》中規定的磨料的概念是：磨料是在磨削、研磨和拋光中起作用的材料；磨粒是用人工方法制成特定粒度，用以制造切除材料余量的磨削、拋光和研磨工具的顆粒材料；粗磨粒是4～220粒度的磨料；微粒是不粗于240粒度的普通磨料或細于36μm/54μm的超硬磨料；在自由狀態下直接進行研磨或拋光的磨粒。

磨料已成為制造業、國防工業、現代高新技術產業中應用的重要材料。用磨料可以制成各種不同類型或不同形狀的磨具或砂輪。磨料是磨具能夠進行磨削加工的主體材料，可直接使用磨料對工件進行研磨或拋光。對于磨料用于材料及電工制品等非磨削加工領域，本書不再述及。

1.1.2　磨料分類及代號

磨料分為普通磨料與超硬磨料兩大類，在這兩大類中又分為天然磨料與人造磨料。依據磨料的磨削性能，磨料的分類如圖1-1所示。

天然普通磨料，在古代使用較多。由于天然普通磨料硬度較低，組織不均勻，含雜質多，其磨削性能較差，現已很少應用，現代工業中主要使用人造普通磨料，我國使用的人造普通磨料的品種及代號，已列入國家標準。表1-1所示為我國普通磨料的名稱及代號（摘自GB/T 2476—1994）。

天然金剛石（又名鉆石）是罕見的礦物質，寶石級金剛石晶瑩剔透，顯現特有的光澤，熠熠生輝。古代便開始用它制作美麗的裝飾品，近代對金剛石的特殊性能及使用價值的開發，使金剛石昔日的裝飾變成現代工業和科學技術的瑰寶，1954年人造金剛玉問世，1957年立方氮化硼研制成功，超硬磨料得到迅速發展。人造金剛石和立方氮化硼的品種代號及適用范圍列于表1-2中。

1.1.3　磨料應具有的基本性能

磨料是構成磨具的主要原料且可以直接用于研磨和拋光。磨料是磨具能夠磨削工件的主體材料。為能適應各種工件材料加工的需要，磨料應具備以下基本性能：硬度、韌性、強度、熱穩定性、化學穩定性。

（1）磨料應具有很高的硬度

硬度是磨料的基本性能。磨削作用是通過磨料刻劃工件表面完成。為此，磨料要能夠切入工件，其硬度必須高于工件的硬度。磨料和硬質合金的顯微硬度比較如下：

棕剛玉　　　　　　　19600～21600MPa

鋯剛玉　　　　　　　14700MPa

鉻剛玉　　　　　　　21600～22600MPa

綠碳化硅　　　　　　31000～34000MPa

碳化硼　　　　　　　40000～45000MPa

立方碳化硼　　　　　73000～100000MPa

人造金剛石　　　　　86000～106000MPa

鎢鈷類硬質合金　　　16500～17500MPa

鎢鈷鈦類硬質合金　　28000～30000MPa

磨料的硬度是與磨料的化學成分、結晶構造的完整程度、熔合在結晶中的雜質等有關。由于各種磨料的化學成分、雜質的含量及結晶構造都不同，所以每一類磨料部分地適合于某一特定用途。

（2）磨料必須具有一定的韌性

韌性是指磨料的磨粒在受力或沖擊作用時抵抗破裂的能力。適當的韌性能保證磨粒微刃的切削作用，并在鈍化后能夠破裂面產生新的切削微刃，以繼續保持其鋒利狀態。如果磨料脆性較大，就會在尚未充分發揮切削作用之前就被破損。磨料的韌性在很大程度上決定于它的結晶狀態（包括結晶中存在的裂紋、孔隙等缺陷）、晶體的大小和磨料宏觀幾何形狀及制粒方法等因素。例如，在棕剛玉磨料的成分中，隨著TiO2含量的增加，集合體相應增加，而單晶體和緊密集合體將相應減少。由于集合體中玻璃（非晶體）含量多，從而降低了棕剛玉的韌性。磨粒形狀也影響其韌性。等體積形磨粒比片狀或針狀磨粒的韌性要高。

（3）磨粒應具有一定的機械強度

磨粒在磨削過程中要反復受到磨削力的作用，并在接觸工作時要受到沖擊載荷及磨削溫度的影響，磨粒還會產生熱應力。因此，磨粒必須有一定的機械強度，才能保證磨粒發揮切削作用。磨粒的強度與材質及結晶有直接關系。一般來說，剛玉系磨粒的強度高于碳化物系的磨粒。在剛玉系磨粒中，鋯剛玉的強度最高，棕剛玉的強度高于白剛玉。在碳化物系磨粒中，黑碳化硅的強度高于綠碳化硅。對于金剛石磨料更是一項重要的性能指標，它以金剛石的抗壓能力來表示。磨料呈單晶狀態晶形完整的磨粒強度較高。

（4）磨料應具有熱穩定性（紅硬性）

由于磨削區的溫度很高（為400～1000℃），因此要求磨粒在高溫下仍能具有必要的物理力學性能，以繼續保持其鋒利的切削刃。

（5）磨料應具有熱穩定性

磨料與被加工工件材料應不易起化學反應，以免產生黏附和擴散作用，造成磨具的堵塞或磨粒的鈍化，致使降低或喪失切削能力。

（6）磨料應具有較好的制粒工藝性

為適應磨削加工，磨料應能制成尺寸范圍廣、顆粒形態較整齊均勻、形狀較規則的磨粒，難以制成顆粒的硬度、韌性較高的材料，不適宜作磨料，如硬質合金粉末。

1.1.4　磨料的粒度

磨料的粒度是指磨料顆粒的粗細程度。磨料的粒度規格用粒度號來表示。磨料的國家標準把粒度規格分為兩類：一類是用于固結磨具、研磨、拋光的磨料粒度規格，其粒度號以“F”打頭，稱為“F粒度號磨料”；另一類是用于涂附磨料的磨料粒度規格，其粒度號以“P”打頭，稱為“P粒度號磨料”。

（1）F粒度號規格

GB/T 2481—1998規定，普通磨料粒度按顆粒尺寸大小，分為37個粒度號，其篩比為1.1892，即F4、F5、F6、F7、F8、F10、F12、F14、F16、F20、F22、F24、F30、F36、F40、F46、F54、F60、F70、F80、F90、F100、F120、F150、F180、F220、F230、F240、F280、F320、F360、F400、F500、F600、F800、F1000、F1200。

根據磨料生產工藝，磨料粒度在F4～F220部分的稱為“粗磨粒”，其磨粒尺寸在63μm以上，多用篩分法生產；磨料粒度在F230～F1200范圍內，磨粒尺寸小于63μm的稱為“微粉”，多用水選法生產。

F4～F220粗磨粒磨料粒度組成、F230～F1200微粉磨料粒度組成（光電沉降粒度）及F230～F1200微粉磨料粒度組成參見GB/T 2481—1998標準。

（2）P粒度號規格

在涂附磨具中使用P粒度號磨料（P為popular的第一個字母）。國標規定磨料有28個粒度號，即P12、P16、P20、P24、P30、P36、P40、P50、P60、P80、P100、P120、P150、P180、P220、P240、P280、P320、P360、P400、P500、P600、P800、P1000、P1200、P1500、P2000、P2500。

P12～P220磨料較粗，其篩比為1.892。P240～P2500磨料為粒度較細及微粉磨料，所用篩比為1.120→1.589→1.196。P12～P220磨料粒度組成與P240～P2500磨料粒度組成參見GB/T 9258—2000標準。

（3）超硬磨料的粒度號

GB/T 6406—1996等效于ISO6106—1979《超硬磨料制品——金剛石或立方氮化硼顆粒尺寸》，共有25個粒度號，其篩比為1.18，其窄范圍20個，寬范圍5個。各個粒度號的尺寸范圍以本粒度上、下檢查篩的網孔尺寸范圍表示。各粒度號的顆粒尺寸范圍及粒度組成列于表1-3中。

注：隔離線以上用金屬織篩，其余用電成形篩篩分。

（4）粒度組成

各粒度號磨料產品不是單一尺寸的粒群，不是尺寸僅限于相鄰兩篩網孔徑之間的立群，而是跨越幾個篩號的若干粒群集合，在規定各粒度號磨料的尺寸范圍以及每個粒度號中各粒群的質量比例關系時，把各粒度號磨料的顆粒分為五個粒群，即最粗粒、粗粒、基本粒、混合粒和細粒。基本粒是指該粒度對應的篩網與相鄰的粗一號篩網孔徑尺寸間的粒群；粗粒是與基本粒最鄰近的較粗的一個粒群；細粒是與基本粒鄰近的較細的一個粒群；最粗粒是比粗粒尺寸更大的粒群；混合粒是基本粒群與相鄰的較細粒群之和。

以F36磨料為例，說明各粒群的尺寸范圍，如圖1-2所示。磨料粒度組成就是測量計算各粒群所占的質量分數。

我國國家標準規定的檢查用篩號列于表1-4中。

國家標準規定微粉粒度號為F230～F1200，若采用光電沉降儀檢測，R=21/2≈1.4142為公比數；若采用沉降管粒度儀檢測，R從1.173→1.305→1.197，沒有確定的公比數。

在P系列中，國家標準規定磨粒粒度號為P12～P220的公比數，R=21/4≈1.1892為主。國家標準規定微粉粒度號為P240～P2500，若采用沉降管粒度儀檢測，R從1.120→1.589→1.196，沒有確定的公比數。

1.1.5　普通磨料的化學成分

磨料的化學成分是反映磨料質量和性能的主要指標。磨料的主要成分在其質量指標規定范圍內含量越高，純度越高，磨料的性質越好。各種剛玉磨料品種的主要區別是氧化鋁含量的不同與雜質含量的不同。國家標準規定了相應范圍，并限定了氧化鈦與氧化鐵的含量。碳化硅磨料的主要成分是SiC，含量在95％～99.5％之間，其余為雜質。剛玉磨料和碳化硅磨料的化學成分的具體規定可查閱國家標準GB/T 2475—1996和GB/T 2480—1996。