2.2　陶瓷结合剂磨具

陶瓷结合剂磨具是由多种原材料组成的复杂物系，其原材料有磨料、结合剂、润湿剂、着色剂、成孔剂等材料。所使用的磨料有刚玉系磨料、碳化硅系磨料、超硬磨料。根据磨料不同，主要分为如图2-3所示的种类。

陶瓷磨具用途广泛，品种类型和规格众多。本节主要叙述陶瓷磨具的原材料及配方设计，以及陶瓷磨具制造工艺等问题。

2.2.1　陶瓷磨具的原材料

（1）磨料

关于刚玉系磨料、碳化硅系磨料、超硬磨料的结构、粒度、性能及制造工艺已在第1章述及。

用于磨削加工的砂轮所使用的磨料应具备以下性能。

①磨料的硬度应高于磨削加工工件材料的硬度。这是实现磨削加工的首要条件。为使磨削过程顺利进行，磨料的硬度H磨与工件硬度H工之间应满足以下关系，即

②磨料应有足够的抗压强度、抗弯强度、抗冲击强度和适当的自锐性。

③在高温下磨料应能保持一定的硬度和强度。磨削加工常产生大量的磨削热，磨具在磨削区局部达到400～1000℃的温度。磨料在高温下应具有热稳定性，具有必要的物理力学性能，保持微刃的锋利性。

④磨料应具有化学稳定性。磨料不与被加工材料起化学反应，避免产生黏附或扩散作用，造成磨具的堵塞及钝化，丧失切削能力。

（2）结合剂原材料

陶瓷结合剂原料的主要成分有黏土、长石、石英等，次要成分有滑石、硼砂和硼玻璃。

①黏土　它是一种含水铝硅酸盐类矿物，是长石类岩石经过长期风化与地质作用而形成的。黏土的主要矿物组成有高岭石类、伊利石类、水铝英石、叶蜡石类等。黏土具有良好的可塑性及收缩率、烧结温度、烧结范围等工艺性质。

黏土在结合剂中所起作用是：利用黏土可塑性使磨具成形料具有一定的成形性能和一定的干湿强度；提高结合剂的耐火度，增加高温黏度，并扩大结合剂的烧结温度范围。

黏土与适量的水混匀后形成泥团，泥团在外力作用下产生变形而不开裂，外力去掉后，其形状不变，这种性质称为黏土的可塑性。泥团在干燥后排出颗粒间疏松结合的水分后，颗粒互相靠拢，产生体积收缩，称为干燥收缩。黏土干燥块在焙烧时，排除结构水，并产生一系列物理、化学反应又引起坯体体积收缩，称为烧成收缩。一般黏土颗粒越细可塑性越好，可塑性越高，其收缩率越大。过大的收缩率易使产品开裂。黏土没有固定的熔点，在相当大的温度范围内逐渐软化。当温度超过800℃，黏土试样体积开始剧烈收缩，气孔率明显减少。这种明显开始剧烈变化的温度称为开始烧结温度（T1）。温度继续升高，收缩率达最大，气孔率降至最低，致密度最高，此时温度称为烧结温度（T2）。若温度继续升高，试样开始软化，液相量不断增多，原有试样形状变形，这时温度称为软化温度（T3）。通常把完全烧结与开始软化之间的温度间隔称为烧结范围（T2～T3）。生产中常用吸水率来反映原料的烧结程度。优质高岭石的烧结范围为200℃，即T3-T2=200℃。黏土抵抗高温作用而不熔化的能力，称为耐火度。高岭石的耐火度达1700～1770℃。耐火度主要取决于其组成。常用Al2O3/SiO2的比值来判断其耐火度。其比值越大，耐火度越高，烧结范围也越宽。干燥后黏土泥团吸收大气中水分的性能，称为吸水性。可塑性越大，吸水性也大，吸水性大，容易导致配料不准及干坯返潮。黏土因含有有机物质及杂质矿物，烧结后，呈灰、浅灰、黄、褐、紫、绿、黑等色，对颜色影响最大的是铁钛化合物（Fe2O3·TiO2）。

②石英（硅石）　SiO2以硅酸盐化合物状态存在，构成矿物岩石。SiO2的主要矿物类型有水晶、脉石英、石英岩、砂岩。石英在陶瓷结合剂中的作用主要是：作为瘠性材料，降低结合剂坯干燥的收缩率，石英可促进结合剂和磨料之间形成硅酸盐层，减少SiC分解，防止SiC磨具“黑心”，并增加结合剂在高温下的黏度。

③长石　它是一种熔剂材料，起助熔作用。长石是不含水的碱金属与碱土金属的铝硅酸盐，常见的有钠长石（NaAlSi3O8）、钾长石（KAlSi3O8）、钙长石（CaAl2Si3O4）、钡长石（BaAl2Si3O4）。结合剂中常用钾长石，其原因是钾长石开始熔融温度低（约1130℃），熔融温度范围大（1130～1450℃），熔融体积度随温度变化慢，有利于烧成。钾长石在结合剂中含量多，制成的磨具强度、硬度也高。长石作为瘠性材料，可缩短结合剂的干燥时间，减少干燥收缩。

④滑石　它是天然的含水硅酸镁盐，其化学通式为3MgO·SiO2·H2O，颜色呈白、灰白、浅黄、浅绿。硬度小，密度为2.7～2.8g/cm3，有脂肪光泽及滑腻度。

对于刚玉类磨具，滑石的作用是：可降低耐火度，促使结合剂中玻璃相含量增多，提高磨具的强度；结合剂中滑石含量大，磨具的热稳定性好，滑石在1000℃开始有液相，至1557℃才完全熔融，故可提高结合剂的高温黏度。对于SiC磨具，滑石能吸收SiC晶格中FeO粒子，防止磨具发红。但滑石易使SiC分解，产生“黑心”废品。

⑤硼砂及硼玻璃　硼砂是硼酸钠（Na2O·2B2O3·H2O）。硼酸易溶于水，在磨具制造中常与长石粉一起熔炼成硼玻璃使用。结合剂中引入硼玻璃能提高结合剂与磨粒的反应能力，生成强度较高的硼酸玻璃，从而提高磨具的机械强度。硼玻璃的主要化学成分为SiO2和B2O3，在结合剂中的作用是：硼玻璃有催熔作用，能降低结合剂的耐火度，促进形成玻璃体，增加结合剂的流动性、湿润性，使结合剂在磨料周围分布均匀，较大地提高磨具强度，减少结合剂收缩。

（3）辅料

辅料主要有如下几种。

润湿剂：有水玻璃、糊精、纸浆废液、聚乙烯醇等。

着色剂：有氧化铁（棕红—橘红）、氧化铬（橙黄—紫色）、氧化钴（浅蓝—蓝色）。

成孔剂：木炭、焦炭、核桃壳、塑料球等固体成孔剂。

浸渍剂：充填于磨具气孔中的物质，如油酸、硬脂酸、石蜡、石墨、松香等。

2.2.2　陶瓷结合剂的主要性能

为满足磨削加工的要求，国内外已开发出种类繁多的结合剂，每类结合剂都是针对一定的被磨削加工的材料和磨削工艺而设计的。结合剂的性能与烧成条件、最终烧成温度有关。在相同烧成条件下，一种性能良好的结合剂应能保证磨具的产品质量。在相同磨具成形密度时，用较少的结合剂可获得较高的机械强度与硬度，成形性能好，湿、干坯温度高，烧结时不变形，不易产生烧成裂纹，且抗“黑心”能力强，磨具色泽好，磨具硬度对烧成温度不敏感。结合剂的主要性能包括热学、化学、力学等方面的性能。

（1）耐火度

耐火度是结合剂在高温下软化时的温度。它是结合剂的主要性能之一，是结合剂抵抗高温作用而不熔融的性能。结合剂耐火度过高或过低，都直接影响磨具的烧成质量。黏土15％、长石25％、黄土60％的细粒度结合剂的耐火度为1320～1360℃；黏土35％、长石65％的结合剂的耐火度为1360～1390℃；黏土45％、长石45％、滑石10％的结合剂的耐火度为1160～1220℃。结合剂中Al2O3含量增加，能明显提高耐火度，碱及碱土金属氧化物（K2O、Li2O、CaO、MgO等）是溶剂，随其含量增加，耐火度降低。化学反应的还原气氛存在可降低耐火度。结合剂粒度细，有较大的表面积，故耐火度低。

（2）收缩率

结合剂在干燥过程中，坯体长度和体积缩小称干燥收缩，在烧结过程中，产生的长度和体积的收缩现象称为烧成收缩。确定测定干燥收缩与烧成收缩，对于制定合理的干燥及烧成曲线、减少裂纹废品、选择合理的结合剂有重要的作用。

（3）反应能力

刚玉磨料在烧成过程中和结合剂相互作用，刚玉磨料表面的Al2O3溶解扩散到结合剂中，结合剂中的SiO2等也会溶解到刚玉中，在刚玉磨料与结合剂接触处生成厚为10～100μm的过渡层。反应能力测定以氧化铝为基准。结合剂在高温下溶解磨粒表面氧化铝的能力（A）为

式中　A——结合剂反应能力，％；

A1——烧前结合剂中氧化铝含量，％；

A2——烧后结合剂中氧化铝含量，％。

在SiC磨具中，SiC不会溶入结合剂中，仅在SiC表面形成很薄的SiO2膜与结合剂反应，故反应能力仅对刚玉磨具而言。

（4）弹性模量

陶瓷磨具是由结合剂、磨料、气孔、辅料等多项材料组成的，磨具的弹性模量也是由多项材料的弹性模量决定的，由下式确定：

E=E1V1+E2V2+…+EiVi

式中　E——磨具复合材料的弹性模量；

Ei——组分的弹性模量；

Vi——组分的体积分数。

结合剂弹性模量大，磨具的弹性模量也大。结合剂的弹性模量影响到磨具在烧成过程中产生的热应力大小。磨具热应力是磨具在加热或冷却时产生的应力。模具的弹性模量大，热应力也大，当其超过抗拉强度时，磨具便产生裂纹。为降低热应力，应选择弹性模量较小的结合剂。影响结合剂弹性模量的因素主要与结合剂的化学成分、结合剂组成内部质点间化学键强度有关。键力越强，变形越小，则E值大。磨具中气孔率增多，则弹性模量与强度均下降。磨具硬度高，E值也高。

（5）高温润湿性

结合剂的高温润湿性是指高温状态下结合剂熔体对磨料的润湿能力。结合剂熔体对磨料的润湿性好，结合剂对磨料的结合牢固，则磨具强度高，磨料不易脱落，否则出现相反情况。

2.2.3　结合剂的选择

结合剂在焙烧过程中，各种矿物成分相互作用。在相同的焙烧温度、气氛、压力条件下，有的只有少部分熔融。熔融的结合剂冷却后成为玻璃体，均匀地分布在磨粒周围，将磨粒固结。对于耐火度低于焙烧温度的结合剂称为烧熔结合剂；耐火度高于焙烧温度的称为烧结结合剂；耐火度接近或等于烧成温度的结合剂称为半烧结结合剂。

（1）刚玉类磨具用结合剂

焙烧结合剂主要用于刚玉类磨具，其种类繁多，主要常用黏土-长石类（K2O·Al2O3·SiO2）和黏土-长石-硼玻璃类（K2O·Al2O3·B2O3·SiO2）。

黏土-长石类结合剂配料配比范围为黏土20％～50％、长石50％～80％。其中黏土含量在30％以下为烧熔结合剂，含量高的为烧结结合剂。结合剂的耐火度随结合剂中的黏土含量增加而提高，随长石含量增加而降低。黏土-长石类结合剂成本低，能满足通用刚玉磨具性能要求，但不能制造粗粒度和软级硬度的磨具。

黏土-长石-硼玻璃类结合剂中的硼玻璃耐火度为640～690℃，是一种强催熔剂。含硼结合剂均为烧熔结合剂，它的流动性大，高温湿润性好，反应能力强，有利于提高磨具的强度，多用于提高磨具强度及结合剂用量少的粗粒度和软级硬度磨具、高速砂轮、超硬磨料磨具。

（2）碳化硅磨具用结合剂

SiC磨具常用烧结结合剂。SiC在高温时分解生成C和Si，随结合剂液相增加分解加剧。当氧气不足时就会产生“黑心”废品。烧结结合剂的耐火度高于烧成温度，结合剂只产生少量液相而烧结。磨粒分解的少量的C被氧化，并在SiC磨粒表面形成一层SiC薄膜阻止SiC进一步分解。烧结结合剂的流动性、反应能力、高温湿润性都较差，其磨具气孔率少，磨削效率较差，并易烧伤工件，多用于硬度较高的SiC磨具。

SiC磨具通常采用的结合剂有黏土-长石-石英类、黏土-长石-石英-滑石类、黏土-长石-硼玻璃类等。黏土-长石-石英类结合剂原料配比范围为石英15％～30％、长石40％～65％、黏土20％～35％，多为烧结结合剂。结合剂脆性较大，磨具适合于磨削较硬的工件。黏土-长石-石英-滑石类结合剂属烧结结合剂，主要用于制造中硬度级别以上的SiC磨具，酸碱比大，具有较强的抗“黑心”能力及防止磨具发红。黏土-长石-硼玻璃类结合剂强度较高，适于制造60m/s的高速SiC砂轮。这类结合剂属烧熔性结合剂，酸碱比大，制品不易产生“黑心”现象。

（3）金刚石、立方氮化硼磨具用结合剂

由于金刚石、立方氮化硼热稳定性较差，超硬磨粒结合剂磨具必须采用低温烧成。低熔结合剂的低温烧成具有以下特点。

①低熔结合剂的低温烧成可以节约燃料成本，降低烧成周期。

②可以改善磨具质量，减少废品。低温烧成可以避开金刚石、立方氮化硼高温热稳定性差的问题。

③常用的低熔结合剂有黏土-长石-硼玻璃-萤石类、硼玻璃-石英-刚玉粉-固体水玻璃类、黏土-含硼针瓶玻璃类、黏土-长石-窗玻璃类。

金刚石磨具结合剂常用的玻璃料有SiO2·ZnO·B2O3系玻璃、NaO·Al2O3·B2O3·SiO2系玻璃，SiO2·Al2O3·TiO2·BaO·B2O3系玻璃，立方氮化硼磨具常用的玻璃料有SiO2·B2O3·Na2O·PbO·ZnO系玻璃。由于钠硼硅酸盐玻璃的软化温度低、强度高、化学稳定性好，所以常选为金刚石与立方氮化硼陶瓷结合剂的基础系玻璃，再根据结合剂低熔点、低膨胀、高强度、良好润湿性等要求进行其他成分的添加调整。现在，开始运用微晶玻璃作为陶瓷结合剂的玻璃料，用于制造金刚石与立方氮化硼磨具。微晶玻璃有硅酸盐、铝硅酸盐、氟硅酸盐、硼酸盐等微晶玻璃。其中常用氟硅酸盐微晶玻璃作为结合剂，它是在MgO·Al2O3·SiO2系统基础上，加入强助熔剂氟和钾，降低氟硅酸盐微晶玻璃的熔制温度和析晶温度，使其达到超硬材料结合剂所需的低熔点。

2.2.4　陶瓷结合剂原料配方设计

（1）配方的基本概念

陶瓷结合剂磨具原料的主要成分有磨料、结合剂和辅料。在磨具制造时，各种原料用量、磨具坯体的质量、成形密度（或成形压力与坯体厚度）必须符合技术要求的规定，为设定性的磨具确定磨料、结合剂和辅料之间的比例关系，称为磨具配方。磨具配方的内容包括磨料、结合剂的种类、性能和用量，润湿剂、成孔剂、着色剂等原料的性能和用量，磨具坯体的成形密度（或成形压力、厚度）、磨具组织的确定。配方是根据磨削技术要求、磨具制造工艺条件和已积累的生产经验及试验验证来确定的。配方一经确定就是制造磨具的重要技术文件，是制造磨具的工艺依据，它对磨具的使用有决定性作用。各个磨具生产厂家，都根据自身的优势（材料、设备、能源等）制定出具有特色的磨具配方。配方种类繁多，按磨削应用方法可分为通用磨具配方和专用磨具配方。按磨具坯体成形工艺的不同分为压制磨具配方、水浇注磨具配方和热蜡浇注磨具配方等。配方与所制造出的磨具成分不同。配方中的物料在磨具制造过程中可有三种情况发生：基本上不发生变化，如磨料本身有化学惰性，与其他物料不发生化学反应，且不受温度影响；发生化学变化，如结合剂在温度等因素作用下将发生化学反应，并有小分子逸出；在磨具制造过程中全部挥发，如成孔剂的精萘等。

磨具配方的表示方法是以磨料质量为100，其他组分以此为基础所占磨料的质量分数。将所有配方数、磨具组织号、成形密度、磨具硬度级别，均列于同一表内，某厂WA60配方表列于表2-5中。

配方设计是一个反复试验逐步完善的过程，配方设计应满足以下要求。

①应满足磨削应用的需要。

②必须与磨具制造工艺相结合。

③必须符合相关标准和具有规律性。

④要求符合经济性原则。

⑤要符合安全与环保要求。

（2）配方的主要内容与规律

①磨料与结合剂用量关系（磨料结合剂比例关系——砂结比）　在确定砂轮磨粒种类、粒度、硬度、结合剂种类的基础上，确定配方结合剂的用量。调整结合剂用量是调整配方硬度的有效方法。一般增加结合剂用量1％～4％，磨具硬度增加一级。当磨料种类相同时，同样硬度，磨粒细粒度时结合剂用量多于粗粒度。在粒度和成形密度相同条件下，要制成相同强度等级的磨具，碳化硅磨料所用结合剂用量比刚玉磨料用量多。

②成形密度（或压强）与磨具硬度的关系　陶瓷磨具在机压（压制）成形磨具配方中有定模法（定体积）和定压法两种配方形式。在定模成形配方中常用成形密度表示。成形密度是用成形湿磨具坯体的质量除以湿磨具坯体的体积。在定模成形配方中，按设定磨具的组织号（磨粒率）来确定成形密度，再根据成形密度调整配方硬度及计算成形料。在定压成形配方中，成形压强及成形密度是重要的技术参数，成形压强为预定值，成形密度为实测值。成形密度（压强）增大，磨具的硬度和强度提高。

定压成形的成形压强提高，所压出的坯体比较致密，即成形密度大。当成形压强不变，结合剂用量超过3％时，硬度仍不能提高一个小级，则必须提高成形压强，尤其对高硬度磨具，提高成形压强比增加结合剂用量更有效。提高（或降低）成形压强5.0MPa，磨具硬度均会变化一个小级。

③磨具的组织与结合剂用量的关系　当磨具硬度不变时，通过调整配方结合剂用量、成形密度或压强，可使磨具的磨粒率（组织号）变化达8％～10％（即4～5个组织号）。

④配方的调整　同一等级的硬度（或强度）配方的调整可以通过采用较多的结合剂、较小的成形密度以及较少的结合剂、较大的成形密度来实现。制定配方应遵循：随着硬度或强度的提高，结合剂量和成形密度也依次递增的规律。

（3）配方设计方法和步骤

配方设计的一般顺序如下。

①选定具有代表性的磨料粒度，设定成形密度、结合剂、辅料用量。

②制作硬度块试样。

③测试硬度块的硬度。

④根据硬度块测试数据进行处理，调整配方。

⑤检验低硬度磨具及高硬度磨具配方的可靠性。

⑥进行生产验证，对生产全过程进行跟踪监控，及时进行改进。

⑦对磨具产品进行磨削试验和检验。

2.2.5　陶瓷磨具的成形

在磨具制造过程中，以一定的成形方法将配好的成形料转变成一定形状和强度的磨具坯体，称为磨具成形。陶瓷磨具成形方法有压制成形、水浇注成形、热蜡浇注成形。

（1）成形料的配制与混料

配料是根据所确定的配方，将所需的磨料、结合剂、辅料等按要求称取，分袋集中存放。混料是将磨具所需的原料按一定程序通过机械搅拌或人工混合，使润滑剂、结合剂和辅料均匀地黏附在磨粒上的过程。经混料所得到的混合料送往成形工序，故称为成形料。成形料的计算过程如下。

①确定成形料的投料量

a.根据磨具规格及加工余量，计算磨具坯体体积。砂轮的体积为

式中　D——坯体外径；

d——坯体内孔直径；

H——坯体厚度。

b.根据配方成形密度γ计算坯体成形单重W为

W=Vγ

c.根据磨料生产纲领计算必需的投料量为

总投料量=磨具的总数量×单重+投料量×（1+附加消耗百分数）

d.计算总投料量中磨料、结合剂、辅料的总质量。

e.计算每次混料的原料量及混料批数。混料批数是磨料总质量与每批磨料量的比值。

f.计算原料各自的质量和确定配料单。

②混料工艺　成形料的混合是磨具制造中的重要工序。根据磨料粒度的粗细，混料工艺有干法与湿法两种。磨料粒度细，结合剂量多，不易混合，多用干法混料；磨料粒度粗，结合剂量少，易混合均匀，多用湿法混料。

干法混料的工艺流程（以F180细磨粒为例）：

湿法混料的工艺流程（以F150粗磨粒为例）：

磨粒→加湿润剂→混匀→加结合剂→混匀→过筛

混料常用设备有桨叶式混料机、滚筒式混料机及碾压式混料机。

（2）压制成形

陶瓷磨具的成形是用压力机将成形料装入成形模具中分布均匀后，经压制成形而得到一定密度、一定形状尺寸的磨具坯体。压制成形过程中成形料粉体受到外力的挤压作用，颗粒本身发生移动和变形，当外力与粉体粒子之间的摩擦力平衡时，粒子处于平衡状态，坯料结构发生变化，孔隙率减少，粒子靠拢，坯料被压实。压制力大时，成形料的黏结性强，成形坯料的密度大，坯体的湿强度大。压制中常会出现压力分布不均匀，导致坯体各部分的密度出现差别，其原因是成形料颗粒移动和重新排列时，颗粒之间内摩擦力及颗粒与模壁之间的摩擦力妨碍压力的传递。

①压制成形设备　模具成形所使用的设备主要是二柱、三柱、四柱油压机。压制模具有模位固定式、模位往复式、模位回转运动式（多工位转台）。选择压力机的原则是由磨具受压面积所需最大压力，计算出需要的压力总吨位，进而来选择压力机的吨位。

压制成形用模具要根据磨具形状、尺寸大小、余量、成形密度、硬度等因素来设计模具结构。如平形砂轮的平形磨具主要由模套（模圈、模环）、底盘、模盖（下压板、上压板）、心棒（压头、压环）及垫铁等构成。

②压制成形工艺　陶瓷模具机压成形工艺流程如下：

压制成形工艺应保证成形坯体的尺寸、组织、硬度、均匀性、强度等性能要求。

（3）水浇注成形

水浇注成形主要用于细于F150的精密磨具的成形。它是用水将成形原料调配成流体的成形料，注入模具内，胶凝后成为磨具坯体。

用水将原料浸泡成均匀的浆料并过筛，向浸泡好的浆料注入淀粉溶液并混匀，倒入混料缸内并加入磨料，搅拌均匀，并用水调整料浆的黏稠度。

水浇注成形工艺流程如图2-4所示。

（4）热蜡浇注成形工艺

热蜡浇注成形采用熔化的石蜡作为浆料介质，混料均匀，造坯迅速。将浆料用压缩空气喷注，可造成复杂形状的磨具。热蜡浇注的辅料有石蜡、油酸、硬脂酸和蜂蜡。

热蜡浇注成形工艺流程如图2-5所示。

2.2.6　磨具坯体干燥与粗加工

磨具坯体干燥是利用热能将坯体物料中的水分汽化并排除所生成的水分，提高机械强度并减少成品收缩。在实际生产中干燥后的坯体中仍有0.4％～1％的水分。磨具坯体干燥过程分为四个阶段：升速干燥阶段、等速干燥阶段、降速干燥阶段和平和阶段。干燥速度是坯体在各个干燥阶段中所规定的干燥时间。干燥速度过快易使坯体变形开裂，所以，干燥速度不宜太快。不同的坯体、不同的干燥条件，其干燥速度不同。

坯体干燥后，为焙烧工序做准备，应对干燥体进行粗加工和挑选，以获得近似成品形状和尺寸的坯体。

2.2.7　磨具的焙烧

磨具坯体焙烧是决定磨具成品质量的关键工序。磨具坯体经过高温焙烧，结合剂玻化或瓷化，并与磨料一起发生一系列物理化学变化，使磨具达到所要求的硬度、强度和其他性能。

焙烧在焙烧窑内进行。常用的窑炉有隧道窑、全自动燃气抽屉窑等。隧道窑工作系统如图2-6所示，其工作原理是：装满坯体的窑车在轨道上由推车机推动，缓慢行驶，与窑内气流方向相遇，逐步穿过室内余热带、烧成带、冷却带，分别进行坯体预热、烧出及冷却。在烧成带两端设有烧嘴和燃烧室。隧道设有排烟系统、透风系统及热空气循环系统，使窑体内气体流动，加速烟气与产品的热交换，使窑内气体压力制度和气氛符合要求。

在焙烧过程中，随着温度的变化，分为低温阶段、分解与氧化阶段、高温阶段、冷却阶段。现以刚玉磨具为例说明各阶段的物理化学变化。

①低温阶段（常温～300℃）　这一阶段主要是排除干燥后的残余水分。随着水分排除，固体颗粒紧密靠拢，发生少量收缩。当温度超过120℃以上时，坯体内部发生强烈汽化。

②分解与氧化阶段（300～800℃）　这个阶段的主要变化如下。

a.排除结晶水。黏土及其他矿物的氧化铁系在不同温度下脱除结晶水。脱去结晶水后，结合剂变得比较松散。

b.结合剂中硫化物、硫酸盐、碳酸盐和有机物的分解与氧化。

c.石英的多晶转化和少量液相形成。在573℃发生β-石英转化为α-石英，体积略有增加。结合剂中糊精在400℃左右焦化，碳酸钠在700℃熔融。各种盐类分解，可使坯体疏松，强度降低。

③高温阶段（800℃～烧成温度）　磨具坯体达到800℃以上后，分解氧化继续进行，固相熔化，形成液相并形成新晶相和晶相长大，温度为950℃时是长石、石英、高岭石的共熔点。脱水高岭石在950℃左右转化为硅铝尖晶石，继续转化为莫来石，莫来石在1000℃转化为方石英。

各组分形成液相，结合剂桥形成，较均匀地分布在磨粒周围，气孔减少，结合剂是光滑的玻璃相，形成不规则的网状结构。在温度达到烧成温度1300℃左右，经保温，使坯体制品各部分温度均匀一致，能充分进行物理化学变化。保温时间一般为4～8h，过长易造成成品过烧。

④冷却阶段　冷却过程分为：最高烧成温度至900℃阶段，使温度迅速下降。900～400℃缓冷阶段，坯体由塑性状态变为脆性状态。400℃～出窑（80～60℃）阶段，降温速度与磨具规格、尺寸、形状有很大关系。

SiC磨具的烧成变化与刚玉磨具不完全相同，SiC磨粒表面有一层SiO2涂膜包裹着SiC磨粒，使其不被分解，烧成过程中SiC的分解过程有两个分解阶段，即SiC本身的分解和分解物的氧化。若氧化过程落后于分解过程，则磨具会产生“黑心”现象。故应在充分氧化条件下烧成。由于SiC磨料热性能好，线胀系数小，升温和冷却过程中产生内应力小，故升温、降温速度可比刚玉磨具略快些。

陶瓷磨具的烧成规范包括烧成曲线、窑内气氛制度及窑内压力制度，磨具规格对升温速度影响很大，烧成时受热不均，易产生热应力。升温速度与热应力的关系为

式中　ve——升温速度；

σ1——受热状态下切向应力；

η——线胀系数；

E——弹性模量；

R——单面受热时为砂轮孔半径，双面受热时为砂轮半径与孔半径之差的一半；

K——常数；

α——传热系数。

窑内气氛为中性或弱氧化气氛。如为强氧化气氛，则棕刚玉色泽变浅及出现铁斑。而SiC磨具宜为强氧化气氛，可防止“黑心”产生。

窑内压力状况与窑内气体流动速度、热交换、温度均匀性、窑内气氛有关。对于隧道窑内压力过大或过小均不能保证烧成曲线形成，窑内压力过大形成还原气氛，会造成SiC磨具“黑心”。

陶瓷磨具烧成后，易产生：坯体裂纹，裂纹有外径裂纹、孔径裂纹、网状裂纹；磨具黑心；渗碳及色泽变浅或发红；磨具变形；烧成温度低，产生烧损现象，降低硬度、强度等。

2.2.8　磨具制品的加工与检验

焙烧后的磨具坯体需要进行精加工，使磨具几何形状和尺寸精度符合成品质量要求，使磨具表面硬度与内部硬度一致，提高磨具制品的外观质量，降低用户修整砂轮费用。

磨具制品的加工方法有车削加工、磨削加工。车削细粒度砂轮使用金刚石车刀，加工细粒度的石墨砂轮、橡胶砂轮及细粒度的树脂砂轮时，一般使用陶瓷或树脂结合剂的专用磨石进行车削加工。磨削加工砂轮的方法有用金刚砂磨削加工砂轮平面、用磨轮加工砂轮、用磨轮加工砂轮孔径、被加工磨具对磨加工外径、用金刚石锯片加工砂轮平面、用钻头引导磨料加工磨具孔径等。

磨具的孔径是磨具与磨床主轴的重要配合表面，精度要求高。灌孔是孔径加工方法的一种，生产效率高，孔径精度易达到。灌孔方法适用于磨料粒度F120及更粗、厚度较厚、孔径ф10～305mm的磨具。灌孔材料有硫化水泥、铝、硬质塑料注孔或镶孔。硫化水泥由硫磺粉、长石粉、石墨粉及滑石粉配制而成。硬质塑料有聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯及聚酰胺。灌孔用的工具主要有底座、压盖、心棒、隔垫、转盘等。

加工后的磨具还需要进行浸渍处理，改善磨具的磨削性能，提高工作表面质量。浸渍处理有硫磺处理、树脂浸渍、石墨处理。

磨具成品需经过质量检验，保证磨具达到质量标准。检查项目有外观缺陷、外形尺寸、形位公差、硬度、静平衡、回转强度及组织号七项内容。

2.2.9　特种磨具

特种磨具包括高速砂轮、多孔砂轮、磨钢球砂轮等。

（1）高速砂轮

通常将磨削速度超过60m/s以上的磨削称为高速磨削。金刚石砂轮、CBN砂轮的磨削速度已达80～240m/s。高速磨削所使用的砂轮应具有足够的强度、均匀的组织、较小的不平衡度。粒度比普通磨具细1～2个粒度号。磨具制造工艺的每个工序要求更加严格。磨具孔壁处强度要严格保证，在干燥、装窑、焙烧过程中要特别避免出现暗裂纹、微裂纹等缺陷。

（2）多孔磨具（大气孔砂轮）

多孔磨具的总气孔率远高于普通磨具，一般在50％以上，磨具的体积密度小，组织松，组织号一般在8号以上。多孔砂轮的磨削的自冷却作用好，不易烧伤工件。加工工件表面质量高。多用于磨削软金属、橡胶、皮革等非金属材料；加工大平面薄壁工件、易受热变形工件；用于深切缓进给磨削。

在多孔磨具制造中为获得较高的气孔率，常在成形材料中添加一定量的成孔剂，主要是双氧水。通过调控双氧水的用量及分解温度来控制气孔率：温度高，生成的气泡大；温度低，气泡小。

（3）磨钢球砂轮

磨钢球砂轮是用于磨削滚动轴承用的直径在76.20mm以下钢球的专用砂轮。砂轮规格有800mm×100mm×290mm及600mm×100mm×290mm两种。磨钢球砂轮的质量直接影响钢球的质量和产量，要求砂轮硬度高、密度大、粒度细、组织均匀，具有一定韧性。制造磨钢球砂轮的工艺常采用一些特殊措施，如采用混合磨料及混合粒度，采用较大的成形密度，调整结合剂的成分与配比、湿度，增大磨具的收缩率。