氧化鋁基微晶陶瓷磨料的早期文獻(xiàn)回顧

邊華英 王學(xué)濤 李鄭輝 王艷麗 李 靜

1河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）2河南省科學(xué)院質(zhì)量檢驗(yàn)與分析測試研究中心（450002） 3白鴿磨料磨具有限公司（450199）

在氧化鋁基微晶陶瓷磨料的研究中，采用國產(chǎn)原料制備試驗(yàn)?zāi)チ?，遇到了一些問題，如磨粒的微晶晶粒度與顯微硬度的關(guān)系具有一定的制約性，當(dāng)晶粒度偏小時(shí)顯微硬度值也低，晶粒度在1 μm左右時(shí)顯微硬度可以達(dá)到20 GPa，此時(shí)硬度值接近進(jìn)口磨料產(chǎn)品，但晶粒尺寸不符合標(biāo)準(zhǔn)JB/T 12205—2015《普通磨料陶瓷剛玉》[1]中規(guī)定的應(yīng)不大于300 nm的規(guī)定。所以，重新對相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行歸集和分析，特別是對早期的譯文類資料進(jìn)行梳理和總結(jié)很有必要。

1 宣傳資訊類文獻(xiàn)

在有限搜索的情況下，得到的較早關(guān)注燒結(jié)法氧化鋁基微晶陶瓷磨料的資訊是呂新民[2]在1981年第10期《機(jī)械制造》雜志上發(fā)布的《一種新的合成磨料》，摘譯自 1981年第 1期的 《Tooling&Production》和《Manufacturing Engineering》，主要在于介紹美國3M公司研制成功的一種新磨料-Regal,以氧化鋁為主要原料，是磨料界繼立方氮化硼技術(shù)之外的又一大突破，新型磨料具有高韌性、高耐磨性、多孔性和抗咬焊防堵塞性，努普硬度高出傳統(tǒng)剛玉磨料2.3倍，加工鑄鐵件時(shí)壽命是傳統(tǒng)剛玉磨料的3倍，并且磨粒被加工為具有若干尖齒狀，可牢固地被結(jié)合劑黏結(jié)在基體上，不易脫落。然后是蔡錫璋[3]在1984年《機(jī)械制造》雜志上發(fā)布的資訊《新陶瓷粘結(jié)法 加倍延長砂輪壽命》，摘譯自1983年第9期 《The Prodution Engineer》， 稱美國Norton公司歷經(jīng)7年研發(fā)后推出了一種新型Normax砂輪，磨削材料范圍廣，切削溫度低，不易燒傷工件，可以大進(jìn)給量切入，切除率加倍，磨?？梢蚤L久保持鋒利，修整次數(shù)少，砂輪壽命是普通砂輪的2倍。在1993年第1期的《磨料磨具與磨削》上刊登了楊榮祖[4]編譯的《陶瓷氧化鋁磨料及其應(yīng)用》，申明陶瓷氧化鋁磨料即SG磨料，是一種高效磨料，磨粒中不存在像普通剛玉磨料中的那種顯微裂紋，適用于重負(fù)荷磨削，具有較高的韌性，耐磨，可制作高速砂輪。容易通過改變配方中SG磨料的濃度改變砂輪性能，適用于不同的被磨削工件，特別是SG磨料還具有比鋯剛玉磨料耐溫的特性適用于以高溫結(jié)合劑玻化或燒結(jié)的砂輪，具有普遍適用于以陶瓷結(jié)合劑、玻璃結(jié)合劑、橡膠結(jié)合劑、酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂結(jié)合劑制作砂輪的特點(diǎn)。

2 技術(shù)性譯文

在宣傳性資訊的影響下，國內(nèi)磨料磨具和機(jī)械加工行業(yè)界也在密切關(guān)注SG磨料的相關(guān)技術(shù)進(jìn)展，跟隨研發(fā)的基礎(chǔ)是先要認(rèn)識事物，所以感謝業(yè)界前輩以嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度地對國外技術(shù)文獻(xiàn)進(jìn)行翻譯和發(fā)表?，F(xiàn)搜索到的較早較完整地介紹SG磨料的文獻(xiàn)是黎壽呈[5]在1989年第3期的《磨料磨具磨削》上發(fā)表的譯文《SG磨料的選擇》，譯自1988年5 月的《Tooling&Production》,文中介紹美國 Norton公司成功研制了一種SG新型陶瓷氧化鋁磨料，正確選用SG砂輪可達(dá)到非超硬磨料前所未有的性能。SG磨料采用燒結(jié)而非熔融方法制備，每個(gè)磨粒都由成千上萬個(gè)微晶體組成，在制成磨具磨削工件時(shí)，每個(gè)磨粒都類似于一小片的砂輪組織具有自銳性，在微晶體被磨鈍后沿晶界碎裂從磨粒上脫落，露出新的微晶體切削刃，充分發(fā)揮磨粒的磨削性而增加砂輪的耐用性，基于SG磨粒的特性，SG砂輪自銳性好、不易堵塞，磨削熱低不易燒傷工件，進(jìn)給量大、生產(chǎn)效率高、壽命長、有利于批量磨削工件，能優(yōu)化精密數(shù)控機(jī)床磨削工藝，可操作性強(qiáng)，對于難磨削的高速合金鋼、高硬度的黑色和有色金屬、宇航工業(yè)的高溫合金和含有碳化物生成物補(bǔ)強(qiáng)介質(zhì)的韌性不銹鋼等具有廣泛的適用性。之后在1991年第1期的《國外機(jī)車車輛工藝》上鄒穩(wěn)根[6]發(fā)表了譯自1989年第10期《Engineering》文章《精密磨削新磨料》,介紹了Norton公司開發(fā)涂附用SG磨料的背景和技術(shù)要求以及SG涂附磨具的應(yīng)用領(lǐng)域。吳元昌[7]在1991年第8期《工具技術(shù)》上發(fā)表了譯文《剛玉磨料的新品種——SG磨料》，再次詳細(xì)介紹了Norton公司的SG砂輪和SG磨料，稱SG砂輪的推出是磨削難磨削材料和精密磨削的一大進(jìn)展，每一個(gè)SG磨料顆粒是由幾十萬個(gè)亞微米級Al2O3晶體燒結(jié)而成的，磨削工件時(shí)磨粒本身具有自利性,可持續(xù)不斷地暴露出新的鋒銳尖角形刃口，是用于高磨削壓力、高生產(chǎn)率下難磨削材料磨削的最佳磨料之一。較詳細(xì)地介紹了SG磨料區(qū)別于普通電熔剛玉磨料的主要特征在于磨料本身的自銳性，SG砂輪的特征、優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域，以SG砂輪的應(yīng)用實(shí)例證明了其磨出率高、性價(jià)比高、適用于成型磨削、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)越特性，給出了砂輪濃度選擇、粒度選擇、硬度選擇的原則以及砂輪使用注意事項(xiàng)。

1992年杭州機(jī)床廠的姚峻[8]在《磨床與磨削》上發(fā)表了概述性文章《SG磨料——一種新穎的高效磨料》，對Norton公司的SG磨料進(jìn)行了介紹，談到諾頓公司聲稱SG砂輪每行程進(jìn)給量可達(dá)0.25 mm，談到日本磨削專家在第十屆日本機(jī)床博覽會(huì)上對砂輪和磨料發(fā)展趨勢的預(yù)測“將來普通電熔剛玉磨料市場的2/3將被CBN磨料代替，1/3將被SG磨料代替”，并以英國某鎳鉻鈦合金難磨渦輪葉片公司和美國哈德遜拉刀公司的應(yīng)用實(shí)例證明SG磨具的通用性好、適用范圍廣、磨削效率高、批量工件生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)，具有磨削熱少、不燒傷工件、適用于干磨的優(yōu)異性能。

上海刃具研究所的翁心鈞[9]在研究了大量國外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，在1992年第2期《刃具研究》中發(fā)表了文章《國外陶瓷氧化鋁磨料的新進(jìn)展》，在對SG磨料的性能介紹之外觸及到了深入的制備技術(shù)，闡明SG磨料是一種陶瓷氧化鋁，在磨削工件時(shí)不是整粒脫落而是不斷地碎裂發(fā)生微晶脫落從而產(chǎn)生出更多的尖刃；SG磨料的制造方法稱為Sol-Gel或Seeded Gel工藝，是首先使純鋁在水中與改性劑如硝酸鎂組合成大塊凝膠，隨后干燥成為脆性固體、破碎成需要的粒度并在1 300℃～1 400℃溫度下焙燒制成品磨料。其與電熔剛玉的后破碎成磨粒的方法相比，具有無破碎應(yīng)力產(chǎn)生的微小裂隙致使磨料在磨削時(shí)因磨削壓力過早破裂的不足，這種新型磨料的優(yōu)點(diǎn)是韌性好，但其抗裂強(qiáng)度并不比電熔剛玉高；這種新型磨料特別適合于制作陶瓷磨具，在各種磨削情況下燒結(jié)法陶瓷SG磨具的性能都優(yōu)于普通電熔剛玉磨料的產(chǎn)品，并且燒成溫度可以高達(dá)這種磨料的焙燒溫度（如1 300℃～1 400℃）而不致砂輪破裂，這也是SG磨料性能優(yōu)于鋯剛玉磨料的方面。文章在參考明尼蘇達(dá)礦業(yè)與制造公司（3M）專利的基礎(chǔ)上給出了Sol-Gel氧化鋁磨料的生產(chǎn)工藝流程圖，如圖1所示，并且概述了該工藝的特點(diǎn):①由于采用溶膠—凝膠工藝，采用的原料中氧化鋁微粒需小于1 μm，并能以單個(gè)微粒的方式均勻分散在介質(zhì)中，而且每個(gè)微粒處于晶體生長抑制助劑的包圍之中。②燒結(jié)溫度遠(yuǎn)低于熔融溫度，生成的a-Al2O3晶體為尺寸均勻的微晶；③因?yàn)槭菍⒛z體干燥后破碎制粒，燒結(jié)后的a-Al2O3晶體為沒有微裂紋的完整晶體；④這種新型磨料制備工藝節(jié)能，特別是燒結(jié)和破碎工序能耗遠(yuǎn)低于電熔剛玉磨料。

圖1 Sol-Gel氧化鋁磨料制造工藝流程圖

文章談及諾頓公司將以上述工藝生產(chǎn)的磨料稱為微晶氧化鋁或MCA（microcrystalline alumina），通過配方和焙燒溫度保溫時(shí)間等調(diào)整控制，對試驗(yàn)?zāi)チ线M(jìn)行金相分析和物理性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這種微晶體是由許多細(xì)小的a-Al2O3和尖晶石的晶體緊密聚集在一起組成的，晶體尺寸小于1 μm，多數(shù)介于0.2～0.7 μm，晶體形狀不固定，多為等軸晶體(長軸和短軸的比不大于2，多數(shù)在1.5以下)。磨粒組織致密，500倍顯微鏡下看不到孔隙，相對密度在90%以上。以500 g重在維氏硬度計(jì)上測量顯微硬度值均大于16 GPa，多數(shù)達(dá)到18～19 GPa。將試驗(yàn)?zāi)チ现瞥缮拜喕蛏皫нM(jìn)行磨削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)一些結(jié)果顯示出新型磨料的顯著優(yōu)越性，磨削比提高了數(shù)十倍，而另外一些試驗(yàn)優(yōu)越性不明顯，對于進(jìn)一步提高新型磨料的性能和確定其使用條件和范圍還有待繼續(xù)研究。

文章作者對20世紀(jì)50年代后諾頓公司的近800項(xiàng)專利題錄進(jìn)行了對比分析，歸納為以下幾點(diǎn):

1）自20世紀(jì)50年代中期至60年代初諾頓公司主要致力于燒結(jié)氧化鋁磨料的開發(fā)，其一是堆積磨料（abrasive agglomorate）的研發(fā)，將電熔剛玉微粉和燒結(jié)材料一起于1 600℃～1 750℃燒結(jié)后再磨細(xì)過篩制成磨料；其二是將鋁礬土磨細(xì)后燒結(jié)制成磨料，這些燒結(jié)磨料的韌性優(yōu)于電熔剛玉磨料，適用于重型荒磨。

2）在20世紀(jì)60年代，著重進(jìn)行氧化鋁合金磨料的研究，并于1968年推出了ZS系列鋯剛玉磨料，能取代昂貴的氧切割和氣鑿工藝用于高水準(zhǔn)的鋼材修整和鑄件磨光作業(yè)。在70年代繼續(xù)鋯剛玉的研究，通過配方調(diào)整和快速冷卻Al3O2-ZrO2熔體的工藝，獲得在低共熔體基體上均勻分布直徑約為0.3 μm的棒狀或片狀ZrO2晶體組織的性能進(jìn)一步優(yōu)化的磨料。

3）在20世紀(jì)80年代的中期，諾頓公司取得了Sol-Gel法磨料的專利并在90年代初使之商品化，之后又申請了一系列關(guān)于Sol-Gel工藝方法和用該法生產(chǎn)磨料的應(yīng)用方面的專利。作者通過文章強(qiáng)調(diào)Sol-Gel法磨料技術(shù)方興未艾，值得我國砂輪制造業(yè)和整個(gè)機(jī)械制造業(yè)予以密切關(guān)注。

到1993年，鄭州三磨所的陳德春[10]在參考了美國專利、Cutting Tool Engineering等19項(xiàng)資料的基礎(chǔ)上撰寫了《SG磨料磨具制造工藝綜述》一文發(fā)表在第6期的《磨料磨具與磨削》雜志上，文章介紹了20世紀(jì)80年代初美國開發(fā)的SG磨料、SG磨具的情況，重點(diǎn)描述了這種磨料的制造工藝和物理化學(xué)性質(zhì),特別是對磨料的生產(chǎn)工藝按流程分工序進(jìn)行介紹，并給出了一些工藝技術(shù)參數(shù)，在磨具制品方面分別對SG磨料砂輪、SG/CBN砂輪、SG磨料涂附磨具進(jìn)行了簡單介紹，與翁心鈞的文章相比部分重合部分是補(bǔ)充。對國內(nèi)開發(fā)SG磨料及磨具產(chǎn)品具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)語

一定程度上來說，這些早期文獻(xiàn)具有教科書一般的意義，通過對相應(yīng)的早期翻譯文獻(xiàn)進(jìn)行梳理和分析，有助于較準(zhǔn)確地把握國外主要是美國3M或諾頓公司氧化鋁基微晶陶瓷磨料（SG磨料）的技術(shù)性能、技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程，對于指導(dǎo)我國相應(yīng)磨料的技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化具有積極作用。

綜上所述新型SG磨料具有許多對比電熔剛玉磨料優(yōu)越的性能，如磨粒本身具有自銳性、不易堵塞砂輪、磨削熱低，不易燒傷工件，進(jìn)給量大、生產(chǎn)效率高、壽命長、砂輪耐用、修整次數(shù)少，有利于批量磨削，能優(yōu)化精密數(shù)控機(jī)床磨削工藝，可操作性強(qiáng)，特別是對于難磨削的高速合金鋼、高硬度的黑色和有色金屬、宇航工業(yè)的高溫合金比如鎳鉻鈦合金和含有碳化物生成物補(bǔ)強(qiáng)介質(zhì)的韌性不銹鋼等具有廣泛的適用性，可用于重負(fù)荷磨削領(lǐng)域、成型磨削領(lǐng)域等，新型燒結(jié)氧化鋁基微晶陶瓷磨料的晶粒尺寸不局限于標(biāo)準(zhǔn)JB/T 12205—2015《普通磨料陶瓷剛玉》中規(guī)定的應(yīng)不大于300 nm的規(guī)定。

雖然，國內(nèi)早在1998年第9期的《機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程》上就發(fā)布了葉偉昌[11]采寫的短訊《新一代陶瓷剛玉SG磨料》，宣稱“一種性能優(yōu)異、被譽(yù)為新一代磨料的新型陶瓷剛玉（代號SG）磨料已由我國七砂集團(tuán)公司開發(fā)成功”，但是，我國氧化鋁基微晶陶瓷磨料產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化起始于2010年前后，截至當(dāng)前仍然為小規(guī)模自用性生產(chǎn)，產(chǎn)品性能和產(chǎn)量都有待提高，對于系列燒結(jié)磨料和新型磨料制成磨具的技術(shù)研究應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)，國內(nèi)企業(yè)特別是河南省的磨料磨具企業(yè)應(yīng)抓住當(dāng)前制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級和高質(zhì)量發(fā)展的機(jī)遇，促進(jìn)新型高性能氧化鋁基微晶陶瓷磨料和相應(yīng)磨具技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)應(yīng)用。