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SG磨料如何制备?其制品可应用于哪些领域?
日期:2022-11-17    浏览次数:
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SG磨料是美国诺顿(Norton)公司开发出来的一种新颖高效磨料,它由晶粒为亚微米级(尺寸小于1μm)的刚玉(Al₂O₃)晶体,采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)工艺合成并经烧结制成的一种陶瓷氧化铝磨料。它既保持了白刚玉及棕刚玉的高硬度及耐磨的特征,同时又具有很高的韧性,改变了刚玉的脆而易碎的缺点,即具有增韧氧化铝陶瓷的特性。和普通刚玉磨具相比,SG磨具韧性好、自锐性高、磨损少、砂轮形状保持好,用于精密磨削和成形磨削时容易获得较高的尺寸精度和尺寸形状一致性,且价格远低于立方氧化硼砂轮(CBN)和金刚石磨具。因而其具有很高的性价比,被广泛用于制造各种固结磨具及涂附磨具。

SG陶瓷磨料

来源:砺风科技

一、SG磨料的制备工艺

一般意义上的SG磨料制备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∶

SG磨料如何制备?其制品可应用于哪些领域?

SG磨料制造工艺流程图

1、Al₂O₃·H₂O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·H₂O含量一般宜选在15~30%。

雨荣研磨

来源:雨荣研磨

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、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在之后的干燥、煅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,盐在之后的工序中会分解成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。

3、干燥固化

将生的凝胶体干燥固化。温度一般在80~120℃,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。

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。

5、煅烧

在将破碎后颗粒加热到400~800℃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℃时,溶胶-凝胶过程留下的酸残留物基本上全部挥发掉,在300~600℃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)。

6、烧结成磨料

煅烧后迅速加热使颗粒温度达到1200℃以上。再持续加热一段时间,使温度保持在1300~1400℃,促使颗粒烧结成磨料。

SG磨料

SG磨料 来源: 嵩山特材集团

SG磨料工艺的改进∶引晶剂的使用

SG磨料是用溶胶凝胶法制备的,制备时的主要影响因素有溶胶的酸度pH值,凝胶改良剂及引晶剂Fe₂O₃的加入量等。而反映该种磨料优劣的主要指标之一是磨料的体积密度,有研究人员通过分别改变溶胶的酸度pH值,凝胶改良剂及引晶剂Fe₂O₃的加入量来观察此三种因素对SG磨料的体积密度影响程度,以此来寻找改进制备SG磨料的工艺方法。实验结果表明,引晶剂的加入量对SG磨料的密度影响最大,且磨料的硬度、韧性等均明显增加,因此可以通过调整引晶剂的加入量来制备效果更好的磨料。这可能是因为制备时样品在高温煅烧的时间比较短,就要求有一定量的引晶剂才能取得好的效果,使制得的磨料性可以与进口样品相媲美。

磨料制备因素影响对比

SG磨料如何制备?其制品可应用于哪些领域?

二、陶瓷刚玉磨具的优点

由于采用了溶胶-凝胶工艺,从理论上保证了SG磨料物质化学成分的均匀性;而采用了烧结而非熔融的制造工艺,保证了该磨粒是一种陶瓷化的多品烧结体,在保证其硬度的前提下,可大幅度提高其韧性。由溶胶-凝胶工艺制备出来的SG磨料在结构、韧性、磨削性能等方面表现出许多不同于白刚玉、棕刚玉等氧化铝基磨料的特性,在制备成为磨具以后,也有许多优良的性能。综合如下:

(1)磨粒锋利,切削能力强,磨削效率较高,可以进行大切深、大进给和高效磨削;

(2)自锐性好,能够不断暴露出新的切削面,可以使砂轮保持较高的磨削稳定性;

(3)韧性高,陶瓷刚玉磨料的韧性是刚玉、碳化硅等普通磨料的2倍以上;

(4)价格远低于CBN和金刚石等高档次磨料;

(5)磨具通用性好,可用于于式磨削或湿式磨削,用水或油冷却,可以用于研磨黑色或有色金属;

(6)功耗低,发热量少,不易烧伤工件;

(7)磨具耐用性好,可大量减少非磨削加工时间,大大提高其使用效率。

三、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。

1、SG磨料砂轮

SG磨料砂轮采用的是低温结合剂,与普通刚玉磨料相比,不但硬度高,而且因磨粒是微晶结构,它有很多晶解面,在外力作用下或在修锐和修整中仅微晶脱落,不断产生锋利的切削刃,自锐性好,且剥落较少,用其制作的砂轮具有耐磨性好、磨削热少、使用寿命长、切除率高、磨削比G(磨除材料体积与砂轮消耗体积之比)大和磨削质量好等优点,现已广泛用于航空航天、汽车和摩托车、轴承、模具、仪器仪表等领域的精磨和成形磨等方面的加工中。

电熔刚玉磨粒

微晶刚玉烧结磨粒(SG磨粒)与电熔刚玉磨粒脱落情况的对比

诺顿的SG磨料砂轮通常是将SG磨料与该公司的38AAlundum(相当我国的白玉GB)磨料混合而制成的,分为SG、5SG、3SG、1SG等品种,分别表示其微晶含量为100%、50%、30%、10%等。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。

SG砂轮

SG砂轮来源:河南科美

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砂轮(注册商标为CVSG)。它是用一种新型陶瓷结合剂和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CHN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。

3、SG磨料涂附磨具

用SG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,经过磨削试验,其性能明显优于普通刚玉砂带。

SG磨料砂带

SG磨料砂带 来源: 嵩山特材集团

四、SG磨料的发展前景

SG磨料作为一种新型陶瓷刚玉磨料,在性能和价格上填补了CBN、金刚石与普通磨料之间的空档,可代替白刚玉应用于白刚玉所有的磨削应用领域,在某些用途也可以代替超硬材料。因而其既可用于韧性不锈钢、耐热合金等难磨削材料方面,也可用于一般材料的精密磨削和高效磨削,在机械制造、汽车、轴承、刀具、模具等许多工业领域有很大的应用潜力。

国外有关专家曾预测这类磨料将会取代三分之一的普通氧化铝磨料。虽然这类磨料不一定能发展到普通磨料的生产规模,但它的确对现有磨料的品种是一个有益的补充,并且会发挥较显著的作用。国内目前虽已研制成功这类磨料,但还有大量工作要做:如有机结合剂磨具和砂带等涂附磨具的制备及应用研究、陶瓷刚玉磨料及磨具的工业化生产及应用研究等。希望不久的将来,这类磨料磨具能在我国机械加工领域中发挥较大的作用。

 

参考来源:

1、SG磨料磨具制造工艺综述,陈德春(磨料磨具与磨削);

2、新型SG磨料砂轮及其正确使用,汪玉祥,叶伟昌(械工程师);

3、氧化铝基微晶陶瓷磨料的早期文献回顾,边华英,王学涛,李郑辉,王艳丽,李静(河南建材);

4、超微晶陶瓷氧化铝磨料的研究,徐三魁,赵建昌(金刚石与磨料磨具工程);

5、陶瓷刚玉磨具制造及其磨削应用,李志宏,夏晓风,陈艳,赵松泉(金刚石与磨料磨具工程)。


粉体圈 芷凌整理

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