第1章 磨料
1.1 概述
1.1.1 磨料定义
磨料的概念是随着科学技术的发展，在不同阶段有不同含义。1982年出版的《科学技术百科词典》的解释是磨料是用于打磨或磨削其他材料的硬度极高的材料，磨料可以单独使用，也可以制备制成砂轮或涂附在纸或布上使用。1992年国际生产工程研究会编写的《机械制造技术词典》将磨料定义为：“磨料是具有颗粒形状的和切削能力的天然或人造材料”。2006年5月中国标准出版社出版的《机械工程标准磨料与磨具》中规定的磨料的概念是：磨料是在磨削、研磨和抛光中起作用的材料；磨粒是用人工方法制成特定粒度，用以制造切除材料余量的磨削、抛光和研磨工具的颗粒材料；粗磨粒是4～220粒度的磨料；微粒是不粗于240粒度的普通磨料或细于36μm/54μm的超硬磨料；在自由状态下直接进行研磨或抛光的磨粒。
磨料已成为制造业、国防工业、现代高新技术产业中应用的重要材料。用磨料可以制成各种不同类型或不同形状的磨具或砂轮。磨料是磨具能够进行磨削加工的主体材料，可直接使用磨料对工件进行研磨或抛光。对于磨料用于材料及电工制品等非磨削加工领域，本书不再述及。
1.1.2 磨料分类及代号
磨料分为普通磨料与超硬磨料两大类，在这两大类中又分为天然磨料与人造磨料。依据磨料的磨削性能，磨料的分类如图1-1所示。
图1-1 磨料的分类
天然普通磨料，在古代使用较多。由于天然普通磨料硬度较低，组织不均匀，含杂质多，其磨削性能较差，现已很少应用，现代工业中主要使用人造普通磨料，我国使用的人造普通磨料的品种及代号，已列入国家标准。表1-1所示为我国普通磨料的名称及代号（摘自GB/T 2476—1994）。
表1-1 普通磨料代号（摘自GB/T 2476—1994）
天然金刚石（又名钻石）是罕见的矿物质，宝石级金刚石晶莹剔透，显现特有的光泽，熠熠生辉。古代便开始用它制作美丽的装饰品，近代对金刚石的特殊性能及使用价值的开发，使金刚石昔日的装饰变成现代工业和科学技术的瑰宝，1954年人造金刚玉问世，1957年立方氮化硼研制成功，超硬磨料得到迅速发展。人造金刚石和立方氮化硼的品种代号及适用范围列于表1-2中。
表1-2 人造金刚石、立方氮化硼的品种代号及适用范围（摘自GB/T 6405—1994）
1.1.3 磨料应具有的基本性能
磨料是构成磨具的主要原料且可以直接用于研磨和抛光。磨料是磨具能够磨削工件的主体材料。为能适应各种工件材料加工的需要，磨料应具备以下基本性能：硬度、韧性、强度、热稳定性、化学稳定性。
（1）磨料应具有很高的硬度
硬度是磨料的基本性能。磨削作用是通过磨料刻划工件表面完成。为此，磨料要能够切入工件，其硬度必须高于工件的硬度。磨料和硬质合金的显微硬度比较如下：
棕刚玉 19600～21600MPa
锆刚玉 14700MPa
铬刚玉 21600～22600MPa
绿碳化硅 31000～34000MPa
碳化硼 40000～45000MPa
立方碳化硼 73000～100000MPa
人造金刚石 86000～106000MPa
钨钴类硬质合金 16500～17500MPa
钨钴钛类硬质合金 28000～30000MPa
磨料的硬度是与磨料的化学成分、结晶构造的完整程度、熔合在结晶中的杂质等有关。由于各种磨料的化学成分、杂质的含量及结晶构造都不同，所以每一类磨料部分地适合于某一特定用途。
（2）磨料必须具有一定的韧性
韧性是指磨料的磨粒在受力或冲击作用时抵抗破裂的能力。适当的韧性能保证磨粒微刃的切削作用，并在钝化后能够破裂面产生新的切削微刃，以继续保持其锋利状态。如果磨料脆性较大，就会在尚未充分发挥切削作用之前就被破损。磨料的韧性在很大程度上决定于它的结晶状态（包括结晶中存在的裂纹、孔隙等缺陷）、晶体的大小和磨料宏观几何形状及制粒方法等因素。例如，在棕刚玉磨料的成分中，随着TiO2含量的增加，集合体相应增加，而单晶体和紧密集合体将相应减少。由于集合体中玻璃（非晶体）含量多，从而降低了棕刚玉的韧性。磨粒形状也影响其韧性。等体积形磨粒比片状或针状磨粒的韧性要高。
（3）磨粒应具有一定的机械强度
磨粒在磨削过程中要反复受到磨削力的作用，并在接触工作时要受到冲击载荷及磨削温度的影响，磨粒还会产生热应力。因此，磨粒必须有一定的机械强度，才能保证磨粒发挥切削作用。磨粒的强度与材质及结晶有直接关系。一般来说，刚玉系磨粒的强度高于碳化物系的磨粒。在刚玉系磨粒中，锆刚玉的强度最高，棕刚玉的强度高于白刚玉。在碳化物系磨粒中，黑碳化硅的强度高于绿碳化硅。对于金刚石磨料更是一项重要的性能指标，它以金刚石的抗压能力来表示。磨料呈单晶状态晶形完整的磨粒强度较高。
（4）磨料应具有热稳定性（红硬性）
由于磨削区的温度很高（为400～1000℃），因此要求磨粒在高温下仍能具有必要的物理力学性能，以继续保持其锋利的切削刃。
（5）磨料应具有热稳定性
磨料与被加工工件材料应不易起化学反应，以免产生黏附和扩散作用，造成磨具的堵塞或磨粒的钝化，致使降低或丧失切削能力。
（6）磨料应具有较好的制粒工艺性
为适应磨削加工，磨料应能制成尺寸范围广、颗粒形态较整齐均匀、形状较规则的磨粒，难以制成颗粒的硬度、韧性较高的材料，不适宜作磨料，如硬质合金粉末。
1.1.4 磨料的粒度
磨料的粒度是指磨料颗粒的粗细程度。磨料的粒度规格用粒度号来表示。磨料的国家标准把粒度规格分为两类：一类是用于固结磨具、研磨、抛光的磨料粒度规格，其粒度号以“F”打头，称为“F粒度号磨料”；另一类是用于涂附磨料的磨料粒度规格，其粒度号以“P”打头，称为“P粒度号磨料”。
（1）F粒度号规格
GB/T 2481—1998规定，普通磨料粒度按颗粒尺寸大小，分为37个粒度号，其筛比为1.1892，即F4、F5、F6、F7、F8、F10、F12、F14、F16、F20、F22、F24、F30、F36、F40、F46、F54、F60、F70、F80、F90、F100、F120、F150、F180、F220、F230、F240、F280、F320、F360、F400、F500、F600、F800、F1000、F1200。
根据磨料生产工艺，磨料粒度在F4～F220部分的称为“粗磨粒”，其磨粒尺寸在63μm以上，多用筛分法生产；磨料粒度在F230～F1200范围内，磨粒尺寸小于63μm的称为“微粉”，多用水选法生产。
F4～F220粗磨粒磨料粒度组成、F230～F1200微粉磨料粒度组成（光电沉降粒度）及F230～F1200微粉磨料粒度组成参见GB/T 2481—1998标准。
（2）P粒度号规格
在涂附磨具中使用P粒度号磨料（P为popular的第一个字母）。国标规定磨料有28个粒度号，即P12、P16、P20、P24、P30、P36、P40、P50、P60、P80、P100、P120、P150、P180、P220、P240、P280、P320、P360、P400、P500、P600、P800、P1000、P1200、P1500、P2000、P2500。
P12～P220磨料较粗，其筛比为1.892。P240～P2500磨料为粒度较细及微粉磨料，所用筛比为1.120→1.589→1.196。P12～P220磨料粒度组成与P240～P2500磨料粒度组成参见GB/T 9258—2000标准。
（3）超硬磨料的粒度号
GB/T 6406—1996等效于ISO6106—1979《超硬磨料制品——金刚石或立方氮化硼颗粒尺寸》，共有25个粒度号，其筛比为1.18，其窄范围20个，宽范围5个。各个粒度号的尺寸范围以本粒度上、下检查筛的网孔尺寸范围表示。各粒度号的颗粒尺寸范围及粒度组成列于表1-3中。
表1-3 超硬磨料的粒度标准（GB/T 6406—1996）
注：隔离线以上用金属织筛，其余用电成形筛筛分。
（4）粒度组成
各粒度号磨料产品不是单一尺寸的粒群，不是尺寸仅限于相邻两筛网孔径之间的立群，而是跨越几个筛号的若干粒群集合，在规定各粒度号磨料的尺寸范围以及每个粒度号中各粒群的质量比例关系时，把各粒度号磨料的颗粒分为五个粒群，即最粗粒、粗粒、基本粒、混合粒和细粒。基本粒是指该粒度对应的筛网与相邻的粗一号筛网孔径尺寸间的粒群；粗粒是与基本粒最邻近的较粗的一个粒群；细粒是与基本粒邻近的较细的一个粒群；最粗粒是比粗粒尺寸更大的粒群；混合粒是基本粒群与相邻的较细粒群之和。
以F36磨料为例，说明各粒群的尺寸范围，如图1-2所示。磨料粒度组成就是测量计算各粒群所占的质量分数。
图1-2 磨料粒群尺寸范围
我国国家标准规定的检查用筛号列于表1-4中。
表1-4 我国国家标准规定的检查用筛号
国家标准规定微粉粒度号为F230～F1200，若采用光电沉降仪检测，R=21/2≈1.4142为公比数；若采用沉降管粒度仪检测，R从1.173→1.305→1.197，没有确定的公比数。
在P系列中，国家标准规定磨粒粒度号为P12～P220的公比数，R=21/4≈1.1892为主。国家标准规定微粉粒度号为P240～P2500，若采用沉降管粒度仪检测，R从1.120→1.589→1.196，没有确定的公比数。
1.1.5 普通磨料的化学成分
磨料的化学成分是反映磨料质量和性能的主要指标。磨料的主要成分在其质量指标规定范围内含量越高，纯度越高，磨料的性质越好。各种刚玉磨料品种的主要区别是氧化铝含量的不同与杂质含量的不同。国家标准规定了相应范围，并限定了氧化钛与氧化铁的含量。碳化硅磨料的主要成分是SiC，含量在95％～99.5％之间，其余为杂质。刚玉磨料和碳化硅磨料的化学成分的具体规定可查阅国家标准GB/T 2475—1996和GB/T 2480—1996。