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          陶瓷磨料生产工艺

          2021-11-13 16:03:01??????点击:
          1 SG磨料的问世
          1981年美国3M公司工业磨料部推出 了一种牌号为“Cubitron”的陶瓷刚玉磨料, 其韧性是普通刚玉的2倍以上,磨削性能优 于大多数普通磨料。八十年代中期,诺顿公司 开发出了一种SG(商标名)磨料,它也是一种陶瓷刚玉磨料,性能与Cubiteon磨料相似。其实,这两种磨料都是采用一种俗称为溶胶一凝胶(Sol —gel,简称SG)工艺的化学陶瓷工艺制造的,SG磨料也因此得名。

          其工艺过程是:
          配制Al2O3 ? H2O的水溶胶体,经凝胶化后,干燥固化,再破碎成颗粒,最后烧结成磨料。由于在溶胶一凝胶化过程中常使用引晶剂(或称晶种),SG工艺也常称作“引 晶凝胶工艺”(Seeded gel)。
          SG怍为一种工艺并不是八十年代才出现的。早在1963年,Bugosh就获得了用SG 工艺制造致密的Al2O3的专利。用溶胶一凝 胶(SG)工艺制造氧化物陶瓷在陶瓷工业上也是很普遍的。只是到了80年代,SG工艺才 被用于磨料生产,SG磨料磨具也开始用于工业加工领域。
          除了美国的3M公司和诺顿公司外,还有德力等其他公司用SG工艺生产磨料。因此本文 的“SG磨料”泛指用溶胶一凝胶(SG)工艺生产的刚玉磨料,并不是仅仅指诺顿的产品。


          2 SG磨料的制造工艺

          一般意义上的SG磨料制造工艺都是首先将一水氧化铝(Al2O3 ? H2O)微粉和水混合制成悬浮体,在其中加入胶溶剂(如硝酸或盐酸溶液)使其成为稳定的水溶胶或胶状悬浮体;然后向其中加入改良剂(一般是金属氧化物或其前身物,如Mg(NO3)2等使溶胶体凝胶化;将形成的凝胶体干燥固化,再破碎 (或切割)成所需形状和尺寸的颗粒;经煅烧后成为磨料。具体制造工艺如下:

          2. 1  Al2O3 . H20水溶胶的制作

          这一过程主要是将一水氧化铝微粉和水混合均匀制成悬浮体。为了保持悬浮体的稳定,往往要加入适量的胶溶剂(如硝酸或盐酸溶液)使其变成稳定的水溶胶或胶状悬浮体。
          用于制成悬浮体的原料可以是Al2O3 ? H2O微粉,也可以是纯Al2O3微粉。在制成的水溶胶中,Al2O3 ? H3O含量一般宜选在15% ?30%。
          在该过程中所用的胶溶剂是一种挥发性的一元酸,如硝酸、盐酸、醋酸等,但以硝酸的效果最佳。一般来说,加入酸量要适当,加入酸后生成的水溶胶体的PH值为1-2。酸量不足可能影响胶体的均匀性;过量则会使加入改良剂时,凝胶化速度过猛,难以混合均匀,影响磨料质量。

          2.2 凝胶化过程

          向上述Al2O3 ? H2O水溶胶中加入改良剂来促使其凝胶化。改良剂一般是一种金属氧化物,如 MgO、ZnO、ZrO2、HfO2、TiO2 等。最常用的是MgO,,但通常直接加入的并不是MgO,而是 Mg(NO3)2 溶液。Mg(NO3)2 在以后的干燥、锻烧和烧结过程中会分解成MgO,因此其作用和MgO是一样的。另一常用的改良剂是ZrO2,它是以氧锆基醋酸盐溶液的形式加入的。该盐在以后的工序中分解成ZrO2。向配制好的Al2O3 . H2O水溶胶中加入改良剂的前身物(指Mg(NO3)2或氧锆 )基醋酸盐或其他)的水溶液并搅拌混合,凝胶体马上产生。

          2.3干燥固化

          将生的凝胶体干燥固化。温度一般在80-120°C, 应注意不要使温度高于凝胶体起泡沫时的温度,以免最终烧结成的磨料气孔率高、硬度降低。
          经干燥过程除去凝胶体中90%的自由状态水,干燥后凝胶体成玻璃状的块状物,虽然看起来结构致密,但很脆弱,手指一捏就会破碎。

          2.4预破碎

          为了烧结出一定形状和尺寸的磨料,在煅烧和烧结工序前需把干燥后的块状固体破碎成一定大小的颗粒,或者用切割、挤压、模压等方法加工成需要的形状和尺寸。破碎后筛分选出可烧结成磨料的有用颗粒,以便进行下一步工序。由于颗粒在烧结过程中体积往往收缩20%?40%,因此破碎出的颗粒应比所要求的成品磨料粒度稍大。筛分出的太大的颗粒应重新破碎,太小的颗粒则可以重新制成水溶胶体。

          2.5锻烧

          在将破碎后颗粒加热到400?800°C进行煅烧时应缓慢升温,保证生成的挥发性物质充分挥发出去,同时又不会使颗粒内部生成过高的内应力。在加热到250?300°C时, 溶胶一凝胶过程留下的酸残留物基本上全部挥发掉,在300?600°C时,颗粒内的结合水也大部分蒸发掉。同时,凝胶化时加入的改良剂的前身物(Mg(NO3)2或氧锆基醋酸盐等) 也分解生成金属氧化物改良剂(MgO、ZrO2 等)。

          2. 6烧结成磨料

          煅烧后迅速加热使颗粒温度达到 1200°C以上。再持续加热一段时间.使温度保 持在1300?1400°C,促使颗粒烧结成磨料。
          迅速加热过程和保温烧结过程,实际上是两个紧密相连的过程。迅速加热过程最好是在1分钟内完成,颗粒温度从煅烧时的温度(≤ 800°C)迅速上升到1200°C以上。工业上一般是将煅烧后的颗粒置于预热至 1300 °C以上的高温炉里,来达到快速加热的目的。从800°C上升到1200°C所用的时间直接影响到烧结磨料的性能。保温烧结一般在 1300°C以上的温度下进行,所需的时间一般为5?30分钟。
          但是,在很高温度下持续烧结过久是不可取的,因为它往往使α-Al2O3晶体长得过大,降低磨料的硬度和韧性。
          在烧结过程中,改良剂(MgO、ZrO2等)不仅降低了烧结所需要的温度,促进其它形态的 Al2O3(如 γ-Al2O3)向 α-Al2O3 的转变, 而且还抑制了α-Al2O3晶体的过分长大,从而使烧结成的磨料主要由α-Al2O3微晶或亚微晶组成,提高了磨料的硬度和韧性。


          3 SG磨料工艺的改进:引晶剂的使用

          在SG工艺中,向溶胶或凝胶体中加入 α-Al2O3微晶或α-Fe2O3微晶,可以使凝胶体内部变得更致密。烧结时,这些加入的α-Al2O3或α-Fe2O3微晶作为引晶成份(或称晶种)促使α-Al2O3微晶在其周围形成,从而加快了烧结过程,烧结出的磨料内部结构更致密,磨料性能也因此提高,这就是所谓的引晶作用。
          作用引晶剂可以降低烧结时所需要的温度。据一些专利介绍,烧结时有α-Al2O3微晶作晶种时,Al2O3凝胶体(经干燥破碎)在 1090°C转变成α-Al2O3晶体,若无α-Al2O3微晶作晶种,则在1190°C下转变。
          加入引晶剂的方法,可以直接将α-Al2O3或α-Fe2O3微粉加入配制的溶胶或凝胶体中,也可以把凝胶体在用α-Al2O3块作研磨介质的球磨机里研磨,α-Al2O3块被研磨成粉后混入凝胶体内。所使用的α-Al2O3或α-Fe2O3引晶剂粒径最好是30?70nm。


          4 SG磨料的物理化学性质

          SG磨料的韧性特别好,是普通刚玉的2倍以上,其硬度和普通刚玉相近。实际上,由于其化学成分各异和制造过程中的细微差 异,它没有一个准确的韧性和硬度值。
          另外由于SG磨料颗粒是由大量亚微米级的Al2O3晶体烧结而成,在削时能不断破裂并暴露出新的切削刃,因此其自锐性特别好。其磨削性能明显优于普通刚玉,主要表现为耐磨、自锐性好、磨除率高、磨削比大等优点。


          5 SG磨削制品

          用SG磨料可以制成各种固结和涂附磨具,它们的性能都明显优于同类普通刚玉磨具。一般来说,由于SG磨料制造成本较高, 工业上常用其和普通磨料混合制造磨具,单纯用SG磨料制成的磨具是很少的。

          5. 1 SG磨料砂轮

          诺顿公司是SG磨料砂轮的主要生产商,80年代末它在美、日、法等地的工厂已开始生产这种砂轮,并向全世界推销。由于这种砂轮的优越性能,它受到了极大的重视,越来越多的用户开始使用这种砂轮。在航空、汽 车、刀具、模具和轴承等工业领域,SG磨料砂轮都受到了青睐。德力公司于2007年在国内率先开发了SG磨具产品并推向市场,打破了以往国内企业在高端磨具制品对中国市场的垄断,降低了我国机械装备制造业生产成本。
          诺顿的SG磨料砂轮通常是将SG磨料与该公司的38A磨料混合而制成的,其中SG磨料所占的比例有4种:100% , 50% , 30%和10%,由此砂轮也分别命名为SG、 5SG、3SG和1SG砂轮。所用的结合剂一般为陶瓷结合剂,代号为V5,但也有树脂结合剂的,代号为B。
          除了 38A磨料外,SG磨料也可和棕刚 玉、锆刚玉、碳化硅,甚至CBN和金刚石等混合制成砂轮。

          5.2 SG/CBN 砂轮

          在所有用SG磨料制成的砂轮中,最引人注目的是诺顿的SG/CBN #轮(注册商标为CVSG)。它是用一种新型陶瓷结含剂和SG磨料及CBN磨料,混合烧结而成的,具有SG磨料的韧性、自锐性和cBN的超硬性等优点,耐磨、寿命长、磨除率高、加工精度高, 特别适于航空、汽车、刀具等工业的精密磨削加工。

          5.3 SG磨料涂附磨具

          用SQ磨料制成的涂附磨具品种有砂带、砂盘、砂布、高级无纺布磨具等,主要是砂带。3M公司用其Cubitron磨料制成砂带,注册商标为MulTicut,经过磨削试验,其性能明显优于普通刚玉砂带,。诺顿公司也生产这类砂带,其注册商标为VUlcanSG。


           6 SG磨料的发展前景

          SG磨料是一种新型陶瓷刚玉磨料,它的问世正顺应了人造磨料向高韧性和髙硬度两个方向发展的趋势。但是,SG磨料的重要性并不局限于磨削加工领域,它作为一种新型的陶瓷材料将具有十分广阔的应用前景。


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