磨料磨具基本知識
　　 一、 磨削加工的發展歷史
　　 （一） 第一階段
　　 我國是采用磨削加工方法的最古老的國家之一，如在古代科學巨著《天工開物》中就有“切、磋、琢、磨”的成語，而其中“磨”就是指的磨削加工。
　　 其實人類最早使用磨削要追溯到原始社會，在母系社會，人們就已經開始使用最簡單的石器，而這些最簡單的石器是用簡單的石頭之間互相摩擦得來的。人們用這些最簡單的工具捕獵，耕種。那時人們的衣著雖然簡單，但仍然要有刃器的輔助，這也離不開磨削。
　　 北魏時一個叫崔亮的創造了水磨，用來加工糧食，晉代劉景宣創造了可同時運行八盤天然巖石磨盤的石磨；唐朝時又出現了陶磨及磨碾，這些磨具均在山西長治縣 “王琛”墓中出土。經過專家考察在宋朝也早存在九轉速的磨；十三世紀時即在元朝時候，中國人已開始用天然樹膠將貝殼粉粘在羊皮紙上制成摩擦工具，這是世界上已知的最早的涂附磨具，幾乎與此同時，在地中海沿岸的意大利人也開始使用簡單的涂附磨具。說起指南針，誰都知道，可誰又能想到，那也是磨削得來的產品呢！以上所敘不僅說明了我國是最早制造陶瓷材料、機械傳動的古國，而且也是最早采用對金屬及非金屬材料進行磨削加工的國家之一，從最原始一直持續到十九世紀的初期，可視為磨削加工歷史發展的第一階段。這一階段的特點是利用的磨料磨具及機械都較簡單。
　　 （二） 磨削加工發展的第二階段（1840---1900年前后）
　　 這一階段出現了新的特點，即隨著工業的發展、被加工材料的硬度越來越高，原來簡單的磨料磨具滿足不了發展的需要，于是人們就開始尋求硬度更高的物質來做磨料，先后找到了天然剛玉、黃寶石、天然金剛石等材料人們把這些天然材料破碎后和陶土混合后，燒成具有一定形狀的磨具，以此來進行加工。
　　 可以說，開始使用硬度較高的天然磨料是這一時期的普遍特點。
　　 但是所有天然磨料的產量都不集中，而數量又有限質量不統一，很難保持穩定這一切局限性和飛速猛進的工業越來越不適應。
　　 （三） 磨削加工歷史發展的第三階段（十九世紀的后期到二十世紀初）這一時期的主要特點是出現并使用人造磨料。
　　 1893年美國卡不倫登公司的E.G艾奇遜利用電阻爐發明了SiC人造磨料這是人類歷史上最早出現的人造磨料，以后又有人用電弧爐發明了人造剛玉磨料，這些人工合成磨料的出現，意義是重大的，結束了人類只能利用天然磨料而不能利用人造磨料的歷史，從此，工業方面開始到得了大批比較低廉而質量又比較穩定的、產量又穩步增加的人造磨料的磨削工具，從而推動了被磨材料加工迅速增長，當然另一方面從磨削加工的發展也促進了磨料磨具的迅速發展。本階段又可分為以下幾個時期：
　　 1、1900年-1920年左右：
　　 這一時期，出現了除無心磨床以外的所有磨床，這促使汽車、軍工、電極工業有了 很大的發展。
　　 2、1920年-1949年前后：
　　 在20年代以后，磨床機械開始由機械傳動發展到液壓傳動，還在磨削過程中部分的實現了自動化，，在這一時期，無心磨床設計成功，開始投入使用，這一時期一個非常重要的現象就是對于磨削過程的研究，由開始的經驗方法轉入理論分析。即開始了對磨削理論的研究。
　　 3、1950年至1980年前后：
　　 在國際上，英、法、美、德、意以及前蘇聯對人造磨料進行了普遍的研究，并進行了工業性生產，因而磨料及磨具較前一時期有了很大的提高，工業發達國家磨床所占的比重已達機床總量的10%，而且還在不斷的上升。
　　 在國內，一批具有影響力的重要項目的建成投產，如第二砂輪廠、第三砂輪廠、第四砂輪廠、第五砂輪廠、第六砂輪廠、第七砂輪廠的建成投產。說明了我國的磨料磨具行業也在不斷的發展壯大。
　　 4、改革開放前后：
　　 我國的磨料磨具為了和世界同步，在以下幾個方面進行了研究或改進
　　 ① 提高磨床的精度， ②提高磨削的自動化程度，③高速研磨，④高精度和高光潔度，⑤強力磨削，⑥寬砂輪和多砂輪的磨削，⑦提高磨床的加工生產率，⑧試制發展了特殊磨削或成型磨削，⑨超硬磨料磨具。超硬材料如人造金剛石和立方氮化硼目前被稱為世界上最硬的物質，莫氏硬度為10。
　　 金剛石的用量，每加工百萬噸鋼鐵所用的金剛石的量來表示這個國家的工業發展水平，美日及主要西方國家的用量均超過了18-20萬克拉每百萬噸鋼，美國是世界上金剛石用量最大的國家。而我國則是2.4萬克拉每百萬噸鋼，這差距是顯而易見的。
　　 六十年代天然金剛石約2500萬克拉，數量不是很大，這是因為金剛石的生產成本太大，一般的金剛石礦中，須處理6-8噸礦石才能得到一克拉的金剛石，有的甚至250噸的礦石才能得到一克拉的金剛石，可見金剛石為什么如此的昂貴。天然金剛石的低產量及高成本促使人們走上了發展人造金剛石之路。
　　 我國是在六十年代中期開始試制與發展人造金剛石。六十年代世界人造金剛石的產量為1000萬克拉，今天，中國人造金剛石的產量就已達5000萬克拉（約合 1萬噸），而全世界人造金剛石的產量就無法估計了，這些人造金剛石主要用于工業。人造金剛石及其制品的發展大大地促進了特殊用途的磨削加工的要求，人造金剛石不受資源限制，制造成本從發明的那天起就不斷下降，品種在逐漸增多，質量在不斷的提高，這樣就極大的開辟了人造金剛石磨料的使用前景。不僅在固結磨具上，而且普遍地使用在涂附磨具上，如牙科用金剛石砂帶，精密儀器上用金剛石砂帶等等。
　　 立方氮化硼是超硬磨料另一種類型，其性能與人造金剛石磨料相似，還具有比人造金剛石一些獨特的優點，如耐熱方面優于人造金剛石。立方氮化硼比人造金剛石發展稍后，系70年代前后試制研究的，也可以說后起之秀。立方氮化硼到九十年代初期全世界工業生產大國有了較大的發展，如前蘇聯立方氮化硼的產量已發展到 5000多萬克拉。我國立方氮化硼也是在八十年代末期或九十年代初期試制和發展的新型產品，但速度較慢，其原因在于工藝與技術還遠遠落后于其它工業發達的國家，因而它的推廣和使用還受到一定的限制。
　　 人造金剛石和立方氮化硼的磨具。在發展人造金剛石磨具和立方氮化硼超硬磨料的同時，這兩種超硬磨料的磨具也得到相應的發展，人造金剛石磨具發展更快。到目前，人造金剛石磨具發展成為一個較為完整、成熟和自成體系的加工技術領域。人造金剛石磨具制品如電鍍金剛石內圓切割鋸片、什錦銼、磨頭，人造金剛石圓鋸片、框架鋸片，人造金剛石修整筆，石材用金剛石磨具，金剛石筒形砂輪，加工鐵氧使用金剛石磨具，
　　 金剛石修整滾輪和金剛石或立方氮化硼與硬質合金復合片磨具等等品種系列，而且繼續完善補充與提高。
　　 （四） 磨削加工發展的第四階段（九十年代后期）
　　 進入九十年代，磨料磨具行業的生產與銷售、科研都起著很大很大的變化，主要表現為品種日趨多樣化，專業化，競爭也前所未有的日趨激烈，科研與銷售成為每個廠家的重中之重，而我們做為砂帶的專業生產廠家，也是如此。，但與國際上涂附磨具尤其是砂帶產品，無論是品種或者是質量上差距是很大的。因此，當務之急加大科技力量投入迅速提高我國涂附磨具尤其是砂帶高檔產品的品種及質量水平，以面臨高品質、多品種需求的浪潮。如果目前全國高檔次的涂附磨具產量在400萬平方米左右，予計到2000年初期將達到700萬至1000萬平方米用量的需求。這就希望我們共同努力去開拓這個有廣闊前途的市場。
　　 二、 磨料磨具的簡明知識
　　 磨料磨具素有工業牙齒的美稱。在磨削時常用磨料或磨具作為磨削工具對需加工的零件進行機械加工，而達到一定的技術要求。
　　 （一） 磨料
　　 磨削材料簡稱磨料，即一種具有一定硬度及一定磨削能力可作磨削用途的磨削材料。磨料分天然和人造兩大類。
　　 （A） 天然磨料
　　 天然磨料是自然礦物開采經過加工而制成的磨料。用于磨削加工先后已有如下種類：
　　 1、 燧石：化學成分主要是SiO2，莫氏硬度7。
　　 燧石易斷裂，韌性差，莫氏硬度不高，主要用來制造張頁式砂紙，主要用來加工皮革、毛氈等的拋光加工。
　　 2、石英砂：類似燧石，比燧石的純度又高了一層，主要化學成分為SiO2，莫氏硬度7，理化性能如燧石。石英砂來源于石英礦或從河砂中篩選加工，其用途類似燧石，迄今國內有些小砂布砂紙廠還在用石英砂作為生產的原料進行生產，其目的在于生產的砂布或砂紙以低于用人造磨料所生產的砂布或砂紙的價格，銷售于廣大農村、鄉鎮企業加工使用，質量下乘，但也有一定的市場。
　　 3、 紫紅鐵粉即氧化鐵：多用于天然的、也可以經過人工制造的。由于質地比較柔和，主要用于工件的清理和拋光的目的加工，如部分光學玻璃的研磨或拋光也用紫紅鐵粉進行加工。
　　 4、柘榴石：系一種天然礦物材料，如采用這種柘榴石在高溫條件下進行熱處理，可使這種材料的硬度和韌性增強。柘榴石容易沿其材料的結晶體的斷裂面而斷裂，這樣可使柘榴石具有較好的切削刃提高磨削效率。用柘榴石制成的涂附磨具可用于材料如木材或金屬材料進行磨削加工，在國內或國外已不多用于生產涂附磨具，更極少用于制造固結磨具，已趨于淘汰的局面。
　　 5、金剛砂（Emery）： 系自然界中剛玉（Al2O3）氧化鐵的混合物。這種
　　 礦物原料在世界上許多地方的蘊藏量都很豐富，礦石的質地與晶位各異，這種礦物材料的切削性能較差，一般只作為拋光使用。現在用這種天然礦物制造磨具已經不多，屬于淘汰的趨勢。
　　 6、氧化鍶（Sr2O3）：拋光性能甚好，適用于作拋光材料，并制成氧化鍶粉加磨削劑直接做為拋光材料，在國內一些光學玻璃廠還在使用如上海光學儀器廠等。
　　 07、金剛石：天然金剛石又稱金剛鉆，系自然界最硬的物質，莫氏硬度為10，天然金剛石產于南非、剛果，中國也有，價格十分昂貴，常用于作手飾及裝飾品，自人類發明人造金剛石之后，在制造磨具上就多用人造金剛石作磨具，在極個別的應用范圍內才采用天然金剛石。
　　 總之，天然礦石的磨料已趨于淘汰之勢，已不用于制作磨具，即或使用已經不多。
　　 （B） 人造磨料
　　 顧名思義，人造磨料是人工通過用有關礦物材料加上必須的材料進行加工而成的磨料。人造磨料自人們發明的第一種人造磨料開始至少已發明發展了數十種之多，應用范圍愈來愈廣泛，其性能愈來愈優越于天然磨料，隨著人造磨料不斷的發展和進步，磨削加工也得到了迅速的發展和提高，由于磨具的不斷發展和性能的不斷提高，磨削加工的水平也得到了發展和提高。當然從另一方面而言，今天磨削加工已走上高效、高速和加工件要求質量不斷的提高，又要求磨料磨具適應這種發展要求提高自身的品種、質量、生產加工水平和科研水平等方面的各項工作相輔相成、互相依賴、互相促進、互相提高。
　　 1891年美國卡不倫人登公司的E.G艾奇遜用電阻爐首次用人工發明SiC，于1893年由美國發明制造了電熔剛玉，從此人類進入了采用人造磨料的新篇章，磨削加工進入了嶄新的一頁。發展到現在人造磨料的種類不少數十種，彩人造磨料廣泛用制造固結磨具、涂附磨具和超硬磨具。已知用于制造磨具的人造磨料有以下各種。
　　 1、 棕剛玉：
　　 主要化學成份AL2O3，由鋁礬土、鐵屑和無煙煤在電弧爐中熔煉而成。棕剛玉磨料的色澤為棕色，就其色澤而言，命名為棕剛玉。這種磨料具有一定的硬度和韌性，具為較強的磨削能力，能承受很大的壓力。具有耐高溫、抗氧化、抗腐蝕及化學穩定性好等特點。由于抗張強度高，它適用于磨削抗張強度大的材料，適用于普通鋼、高碳鋼、合金鋼，可用于硬質木材的加工，還可用于其它磨料不足時的代用，有萬能磨料之稱，是使用中最廣泛的一種磨料。
　　 2、 白剛玉：
　　 主要化學成份為AL3O2由鋁氧粉為原料在電弧爐中熔煉而成。色澤為白色，就其色澤而言命名為白剛玉。白剛玉的質地比棕色剛玉更純凈。采用的鋁氧粉原料，系由棕剛玉所用的鋁礬土事先加工制成，主要物理成分為β- AL2O3（無磨削能力），由電弧爐熔煉從β- AL2O3轉換為α- AL2O3 。所轉換的α- AL2O3具有較強的磨削力。
　　 3、 黑碳化硅：
　　 主要化學成份為SiC 。由石油焦碳、石英砂、木屑等為原料在電阻爐中熔煉而成。黑碳化硅的色澤為黑色，就其色澤而言，命名為黑碳化硅。黑碳化硅質地比剛玉磨料性脆，硬度較硬，其韌性也次于剛玉類磨料，對于抗拉強度較底的材料，如非金屬材料（各種板材如木質膠合板、刨花板、高中低密度纖維板、竹質板、硅酸鈣板、皮革、玻璃、陶瓷、石材等）和有色金屬（鋁、銅、鉛等）等材料的加工尤為適宜，對質地堅硬而脆性材料的加工也是比較理想的磨料。
　　 4、 綠色碳化硅：
　　 主要化學成份為SiC,在制造上所采用的原料如黑碳化硅生產大致相同,另加工業食鹽作為反應劑和促進劑在電阻爐內反應而成.就其色澤而言為綠色,故命名為綠碳化硅.綠碳化硅比黑碳化硅的質地更純,硬度比黑碳化硅還要高,其磨削用途與黑碳化硅相同之外,更適合用于材料的精磨如磨螺紋、磨量具等,在磨削材料上更廣泛的用于硬質合金、金剛石制品的工件。由于綠碳化硅在生產制造的成本比黑碳化硅要高，如采用原材料上配比不一樣，另加有食鹽輔助材料以及耗電和加工過程的差異等，所以綠碳化硅的產品售價比黑碳化硅要高。因此綠碳化硅的選用在與黑碳化硅的比較上，在非金屬和有色金屬材料方面一般不選用綠碳化硅，而主要選用綠碳化硅用作硬質合金和精密磨削的磨削，在砂帶和其它涂附磨具上選用綠碳化硅作為磨削材料的就更少。
　　 5、 微晶剛玉：
　　 主要化學成份為AL2O3，所采用的生產原料與棕剛玉相同，唯在冶煉過程中采用急速冷卻的工藝而得到微細結晶的效果。微細結晶的剛玉比普通剛玉的機械強度要高。用微晶剛玉做成的磨具常用于粗磨鑄鋼、高韌性鈦鎳合金鋼等難磨材料，但很少用于制造涂附磨具。
　　 6、 鉻剛玉：
　　 是在白剛玉的生產過程中加入Cr2O3的混合物，使這種剛玉形成白剛玉中α- AL2O3和Cr2O3的共熔體，改變剛玉的性能和結構。鉻剛玉的韌性比白剛玉要高，其硬度與白剛玉大概相同。加入Cr2O3的數量與生產的鉻剛玉的性能也略有不同，而其色澤也有所不同，在鉻剛玉中由于加入Cr2O3的含量不同，其用途又有所不同，因此在鉻剛玉這類磨料中又劃分為根據Cr2O3加入的不同而劃分幾個牌號。鉻剛玉磨削的材料常用于淬火鋼、合金鋼和螺紋鋼的刃磨和儀器儀表零件的精密磨削。鉻剛玉常用于生產固結磨具，很少用于制造涂附磨具。
　　 7、 鍍衣磨料或特殊處理的磨料：
　　 涂附磨具特別是砂帶在磨削加工時基本上是以單層磨料承擔著整個磨削過程,磨粒磨損或脫落后,再沒有后備的磨粒繼續著磨削的作用,所以對這一層有限數量的磨粒顯得特別重要,如何防止磨粒的脫落和提高每個顆粒的磨削作用是當前砂帶研究者和制造者所致力研究探索的重要課題,目前采取了如下幾種方法:
　　 (1)煅燒處理:
　　 將磨料置于800-13000C的高溫下直接煅燒2-4小時,取出冷卻,即可使用.如溫度高,則有部分磨料有少量燒結現象,需進行敲碎過篩方可使用.
　　 磨料煅燒可起兩個作用,一是磨料在制粒過程中由于多次撞擊所形成的微細裂紋在高溫時被燒結,增加了磨料在制造過程中由于燒結而增加了單顆粒的強度.二是增加磨料的毛細管作用,增加了磨料的親水性,提高了磨粒對粘結劑的吸附作用,從而使磨粒借助粘結劑對基體的粘附力.如磨料的煅燒處理后各種效果明顯,棕剛玉磨料經煅燒后顯微硬度可提高10%,韌性提高10%親水性提高3.5倍,磨削量提高3%,耐用度提高30-50%.
　　 (2)堿處理：
　　 將磨料浸泡于2%NaOH溶液中約30分鐘,然后冼凈,烘干后可使用.由于堿對磨料有一定的腐蝕能力,從而增加了磨料表面的粗糙程度,提高了磨粒表面的毛細管作用,有利于磨料與粘結劑的粘結效果,使磨粒不易從砂帶表面脫落下來,從而提高了砂帶的磨削效果與耐用度.由于堿對氧化鋁有一定浸蝕作用,所以這種方法對剛玉系列的磨料效果比較好.
　　 (3)涂金屬鹽的處理:
　　 將磨料浸泡于濃度為0.1%-1.0%的金屬鹽溶液中約30分鐘,然后取出烘干,并將烘干的磨料煅燒至5000約30分鐘,冷卻后即可使用.如用0.5% 硫酸亞鐵處理的棕剛玉,再經800度高溫煅燒處理后,所制成的砂帶,其磨削效率可提高4-20%,常用的金屬鹽有硫酸亞鐵、醋酸鎳、氧化鎳、硫酸銅、硫酸銅-硼砂、硝酸鐵、硝酸鈷等.還有用三氧化二鐵或四氧化三鐵等材料在磨料用粘結劑進行粘附,煅燒至500-8000C半小時,冷卻后即可使用的鍍衣磨料, 也有明顯的磨削效果.
　　 (4)涂陶瓷液的處理:
　　 以長石、粘土、或石灰石等成份的陶瓷液涂于磨料表面，并經高溫燒結（約1000-13000C），使磨料表面包裹了一層薄薄的陶瓷材料，以利于磨料與粘結劑的粘結，從而提高砂帶的耐用度.
　　 (5)涂樹脂液的處理:
　　 以液體酚醛樹脂和少量的金屬氧化物如(3)所敘的三氧化二鐵、四氧化三鐵或氧化鈦組成的樹脂混合液將磨料浸泡在其中，約30分鐘取出烘干即可使用.由于樹脂液浸透性好,可滲入磨料的微小孔隙中,所以增加了磨料對粘結劑的粘結,提高了砂帶的耐用度,又由于樹脂液中加了金屬氧化物,增加了砂帶中磨粒的散熱性, 有利于砂帶效率的提高.
　　 (6)涂硅烷的處理:
　　 硅烷又稱有機硅,它是硅與有機基因經化學反應生成即有無機特性又有有機特性的特殊化合物,因此,涂硅烷后磨料有利于磨料與粘結劑的結合.涂附的方式有兩種:一是將硅烷液直接涂附于涂附磨料的表面,涂層最理想最有效的厚度是單分子厚度,這在操作上是比較困難的;另一種簡單的方法是將硅烷直接加入到粘結的膠液中,這種方法的效果不如前者.
　　 8、 空心球磨料： 所謂空心球磨料是指將磨料均勻地涂附于直經0.05-1mm的塑料制成的空心球表面而組成的一種球狀磨料的集合體,然后將制成的空心球磨料按一般的常規的方法涂附于基體表面后而制成的砂帶.
　　 空心球磨料一般是在制作細粒度產品時被采用.由于磨料很細,如果直接涂附在基體表面上,則磨料層很薄,參與磨削的磨料較少,磨削效率較差,而且磨料很細, 砂帶表面孔隙率很低,在磨削時易阻塞.如果采用空心球磨料,則砂帶表面將形成非常“粗糙”的磨削面，表面孔隙將大大增加，則砂帶表面有利于排除磨削的阻塞，更重要的是砂帶表面參與磨削的磨粒數將數倍或數十倍地的增加，其增加數決定于球徑與粒徑的比例，比例越大，增加的磨粒越大，因而大大提高了磨削效率與耐用度。如空心球磨料的砂帶是德國HERMES公司的專利，對該公司來說這類產品專稱為“HERMESIT”．
　　 9、 微晶結構的新型陶瓷磨料：
　　 它是以凝膠法制造的燒結陶瓷磨料，其晶體尺寸約1-3微米，硬而韌，磨削時微小晶體逐漸脫落露出新的晶體，保持了整個磨粒的鋒利，美國３Ｍ公司于1981 年投入市場，命名為Cubutron以此做成的砂帶,磨錘頭比鋯剛玉砂帶的切削效率高71%,磨包鎳不銹鋼的效率比鋯剛玉砂帶的切削率高150%.相繼投入市場的還有美國NORTON公司的SG磨料,用SG磨料砂帶在400PSI壓強下(砂帶速度為28米/秒)磨削金屬量比棕剛玉高5倍;德國Hermes 公司命名的CB陶瓷砂帶料的砂帶,采用這類磨料制成的涂附磨具特別適用高強壓下加工難磨材料,如航天合金、高鎳合金鋼、含釩工具鋼、含鈷合金鋼等.
　　 除此之外,近期國外工業發達國家還開發人造金剛石和立方氮化硼(CNB)磨料制成的涂附磨料,專門加工硬質合金、石英元件及難加工鋼材.
　　 10、 鋯剛玉磨料：
　　 是加入ZrO2并具有20微米晶體尺寸的高韌性磨料.加入ZrO2有40%和25%兩種.用于涂附磨具應有較尖銳形狀的磨粒,特別適用于加工不銹鋼件、鈦合金零件.在中國市場,日本NCA的鋯剛玉砂帶、美國的NORTON公司的NORZON砂帶和南韓高麗研磨公司的YZ533和YZ633鋯剛玉砂帶等比較流行.據美國的NOTON公司提供的資料,其磨削效率比棕剛玉高254-300%,用NORZON砂帶加工刨花板,砂帶壽命提高了3倍.
　　 但鋯剛玉砂帶不僅用作砂帶,也大量地用在固結磨具之中.
　　 11、 復合磨料：
　　 是指一種磨料與另一種磨料的機械復合而非起化學反應的復合,在制造磨具時將兩種磨料機械地加在成型料中,各種磨料仍保持獨有的理化特性.在使用時取其各長發揮各自的優點,并達到更好效果的目的.為達到磨削的目的,在國外或國內常采用以復合磨料的方式來生產制造磨具用于難加工的材料.這就是所謂巧立名目.另立牌號的一種作法.常見復合磨料有棕剛玉與白剛玉的復合,由剛玉與綠碳化硅的混合,棕剛玉與黑碳化硅的復合等等.
　　 復合磨料常見于固結磨具,極少用于涂附磨具的制造