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

1河南建筑材料研究设计院有限责任公司（450002）2河南省科学院质量检验与分析测试研究中心（450002） 3白鸽磨料磨具有限公司（450199）

在氧化铝基微晶陶瓷磨料的研究中，采用国产原料制备试验磨料，遇到了一些问题，如磨粒的微晶晶粒度与显微硬度的关系具有一定的制约性，当晶粒度偏小时显微硬度值也低，晶粒度在1 μm左右时显微硬度可以达到20 GPa，此时硬度值接近进口磨料产品，但晶粒尺寸不符合标准JB/T 12205—2015《普通磨料陶瓷刚玉》[1]中规定的应不大于300 nm的规定。所以，重新对相关文献进行归集和分析，特别是对早期的译文类资料进行梳理和总结很有必要。

1 宣传资讯类文献

在有限搜索的情况下，得到的较早关注烧结法氧化铝基微晶陶瓷磨料的资讯是吕新民[2]在1981年第10期《机械制造》杂志上发布的《一种新的合成磨料》，摘译自 1981年第 1期的 《Tooling&Production》和《Manufacturing Engineering》，主要在于介绍美国3M公司研制成功的一种新磨料-Regal,以氧化铝为主要原料，是磨料界继立方氮化硼技术之外的又一大突破，新型磨料具有高韧性、高耐磨性、多孔性和抗咬焊防堵塞性，努普硬度高出传统刚玉磨料2.3倍，加工铸铁件时寿命是传统刚玉磨料的3倍，并且磨粒被加工为具有若干尖齿状，可牢固地被结合剂黏结在基体上，不易脱落。然后是蔡锡璋[3]在1984年《机械制造》杂志上发布的资讯《新陶瓷粘结法 加倍延长砂轮寿命》，摘译自1983年第9期 《The Prodution Engineer》， 称美国Norton公司历经7年研发后推出了一种新型Normax砂轮，磨削材料范围广，切削温度低，不易烧伤工件，可以大进给量切入，切除率加倍，磨粒可以长久保持锋利，修整次数少，砂轮寿命是普通砂轮的2倍。在1993年第1期的《磨料磨具与磨削》上刊登了杨荣祖[4]编译的《陶瓷氧化铝磨料及其应用》，申明陶瓷氧化铝磨料即SG磨料，是一种高效磨料，磨粒中不存在像普通刚玉磨料中的那种显微裂纹，适用于重负荷磨削，具有较高的韧性，耐磨，可制作高速砂轮。容易通过改变配方中SG磨料的浓度改变砂轮性能，适用于不同的被磨削工件，特别是SG磨料还具有比锆刚玉磨料耐温的特性适用于以高温结合剂玻化或烧结的砂轮，具有普遍适用于以陶瓷结合剂、玻璃结合剂、橡胶结合剂、酚醛树脂和环氧树脂结合剂制作砂轮的特点。

2 技术性译文

在宣传性资讯的影响下，国内磨料磨具和机械加工行业界也在密切关注SG磨料的相关技术进展，跟随研发的基础是先要认识事物，所以感谢业界前辈以严谨认真的态度地对国外技术文献进行翻译和发表。现搜索到的较早较完整地介绍SG磨料的文献是黎寿呈[5]在1989年第3期的《磨料磨具磨削》上发表的译文《SG磨料的选择》，译自1988年5 月的《Tooling&Production》,文中介绍美国 Norton公司成功研制了一种SG新型陶瓷氧化铝磨料，正确选用SG砂轮可达到非超硬磨料前所未有的性能。SG磨料采用烧结而非熔融方法制备，每个磨粒都由成千上万个微晶体组成，在制成磨具磨削工件时，每个磨粒都类似于一小片的砂轮组织具有自锐性，在微晶体被磨钝后沿晶界碎裂从磨粒上脱落，露出新的微晶体切削刃，充分发挥磨粒的磨削性而增加砂轮的耐用性，基于SG磨粒的特性，SG砂轮自锐性好、不易堵塞，磨削热低不易烧伤工件，进给量大、生产效率高、寿命长、有利于批量磨削工件，能优化精密数控机床磨削工艺，可操作性强，对于难磨削的高速合金钢、高硬度的黑色和有色金属、宇航工业的高温合金和含有碳化物生成物补强介质的韧性不锈钢等具有广泛的适用性。之后在1991年第1期的《国外机车车辆工艺》上邹稳根[6]发表了译自1989年第10期《Engineering》文章《精密磨削新磨料》,介绍了Norton公司开发涂附用SG磨料的背景和技术要求以及SG涂附磨具的应用领域。吴元昌[7]在1991年第8期《工具技术》上发表了译文《刚玉磨料的新品种——SG磨料》，再次详细介绍了Norton公司的SG砂轮和SG磨料，称SG砂轮的推出是磨削难磨削材料和精密磨削的一大进展，每一个SG磨料颗粒是由几十万个亚微米级Al2O3晶体烧结而成的，磨削工件时磨粒本身具有自利性,可持续不断地暴露出新的锋锐尖角形刃口，是用于高磨削压力、高生产率下难磨削材料磨削的最佳磨料之一。较详细地介绍了SG磨料区别于普通电熔刚玉磨料的主要特征在于磨料本身的自锐性，SG砂轮的特征、优点与应用领域，以SG砂轮的应用实例证明了其磨出率高、性价比高、适用于成型磨削、应用范围广的优越特性，给出了砂轮浓度选择、粒度选择、硬度选择的原则以及砂轮使用注意事项。

1992年杭州机床厂的姚峻[8]在《磨床与磨削》上发表了概述性文章《SG磨料——一种新颖的高效磨料》，对Norton公司的SG磨料进行了介绍，谈到诺顿公司声称SG砂轮每行程进给量可达0.25 mm，谈到日本磨削专家在第十届日本机床博览会上对砂轮和磨料发展趋势的预测“将来普通电熔刚玉磨料市场的2/3将被CBN磨料代替，1/3将被SG磨料代替”，并以英国某镍铬钛合金难磨涡轮叶片公司和美国哈德逊拉刀公司的应用实例证明SG磨具的通用性好、适用范围广、磨削效率高、批量工件生产成本低的特点，具有磨削热少、不烧伤工件、适用于干磨的优异性能。

上海刃具研究所的翁心钧[9]在研究了大量国外文献的基础上，在1992年第2期《刃具研究》中发表了文章《国外陶瓷氧化铝磨料的新进展》，在对SG磨料的性能介绍之外触及到了深入的制备技术，阐明SG磨料是一种陶瓷氧化铝，在磨削工件时不是整粒脱落而是不断地碎裂发生微晶脱落从而产生出更多的尖刃；SG磨料的制造方法称为Sol-Gel或Seeded Gel工艺，是首先使纯铝在水中与改性剂如硝酸镁组合成大块凝胶，随后干燥成为脆性固体、破碎成需要的粒度并在1 300℃～1 400℃温度下焙烧制成品磨料。其与电熔刚玉的后破碎成磨粒的方法相比，具有无破碎应力产生的微小裂隙致使磨料在磨削时因磨削压力过早破裂的不足，这种新型磨料的优点是韧性好，但其抗裂强度并不比电熔刚玉高；这种新型磨料特别适合于制作陶瓷磨具，在各种磨削情况下烧结法陶瓷SG磨具的性能都优于普通电熔刚玉磨料的产品，并且烧成温度可以高达这种磨料的焙烧温度（如1 300℃～1 400℃）而不致砂轮破裂，这也是SG磨料性能优于锆刚玉磨料的方面。文章在参考明尼苏达矿业与制造公司（3M）专利的基础上给出了Sol-Gel氧化铝磨料的生产工艺流程图，如图1所示，并且概述了该工艺的特点:①由于采用溶胶—凝胶工艺，采用的原料中氧化铝微粒需小于1 μm，并能以单个微粒的方式均匀分散在介质中，而且每个微粒处于晶体生长抑制助剂的包围之中。②烧结温度远低于熔融温度，生成的a-Al2O3晶体为尺寸均匀的微晶；③因为是将胶体干燥后破碎制粒，烧结后的a-Al2O3晶体为没有微裂纹的完整晶体；④这种新型磨料制备工艺节能，特别是烧结和破碎工序能耗远低于电熔刚玉磨料。

图1 Sol-Gel氧化铝磨料制造工艺流程图

文章谈及诺顿公司将以上述工艺生产的磨料称为微晶氧化铝或MCA（microcrystalline alumina），通过配方和焙烧温度保温时间等调整控制，对试验磨料进行金相分析和物理性能试验，发现这种微晶体是由许多细小的a-Al2O3和尖晶石的晶体紧密聚集在一起组成的，晶体尺寸小于1 μm，多数介于0.2～0.7 μm，晶体形状不固定，多为等轴晶体(长轴和短轴的比不大于2，多数在1.5以下)。磨粒组织致密，500倍显微镜下看不到孔隙，相对密度在90%以上。以500 g重在维氏硬度计上测量显微硬度值均大于16 GPa，多数达到18～19 GPa。将试验磨料制成砂轮或砂带进行磨削试验，发现一些结果显示出新型磨料的显著优越性，磨削比提高了数十倍，而另外一些试验优越性不明显，对于进一步提高新型磨料的性能和确定其使用条件和范围还有待继续研究。

文章作者对20世纪50年代后诺顿公司的近800项专利题录进行了对比分析，归纳为以下几点:

1）自20世纪50年代中期至60年代初诺顿公司主要致力于烧结氧化铝磨料的开发，其一是堆积磨料（abrasive agglomorate）的研发，将电熔刚玉微粉和烧结材料一起于1 600℃～1 750℃烧结后再磨细过筛制成磨料；其二是将铝矾土磨细后烧结制成磨料，这些烧结磨料的韧性优于电熔刚玉磨料，适用于重型荒磨。

2）在20世纪60年代，着重进行氧化铝合金磨料的研究，并于1968年推出了ZS系列锆刚玉磨料，能取代昂贵的氧切割和气凿工艺用于高水准的钢材修整和铸件磨光作业。在70年代继续锆刚玉的研究，通过配方调整和快速冷却Al3O2-ZrO2熔体的工艺，获得在低共熔体基体上均匀分布直径约为0.3 μm的棒状或片状ZrO2晶体组织的性能进一步优化的磨料。

3）在20世纪80年代的中期，诺顿公司取得了Sol-Gel法磨料的专利并在90年代初使之商品化，之后又申请了一系列关于Sol-Gel工艺方法和用该法生产磨料的应用方面的专利。作者通过文章强调Sol-Gel法磨料技术方兴未艾，值得我国砂轮制造业和整个机械制造业予以密切关注。

到1993年，郑州三磨所的陈德春[10]在参考了美国专利、Cutting Tool Engineering等19项资料的基础上撰写了《SG磨料磨具制造工艺综述》一文发表在第6期的《磨料磨具与磨削》杂志上，文章介绍了20世纪80年代初美国开发的SG磨料、SG磨具的情况，重点描述了这种磨料的制造工艺和物理化学性质,特别是对磨料的生产工艺按流程分工序进行介绍，并给出了一些工艺技术参数，在磨具制品方面分别对SG磨料砂轮、SG/CBN砂轮、SG磨料涂附磨具进行了简单介绍，与翁心钧的文章相比部分重合部分是补充。对国内开发SG磨料及磨具产品具有较强的指导意义。

3 结语

一定程度上来说，这些早期文献具有教科书一般的意义，通过对相应的早期翻译文献进行梳理和分析，有助于较准确地把握国外主要是美国3M或诺顿公司氧化铝基微晶陶瓷磨料（SG磨料）的技术性能、技术进步和产业化发展进程，对于指导我国相应磨料的技术研究和产业化具有积极作用。

综上所述新型SG磨料具有许多对比电熔刚玉磨料优越的性能，如磨粒本身具有自锐性、不易堵塞砂轮、磨削热低，不易烧伤工件，进给量大、生产效率高、寿命长、砂轮耐用、修整次数少，有利于批量磨削，能优化精密数控机床磨削工艺，可操作性强，特别是对于难磨削的高速合金钢、高硬度的黑色和有色金属、宇航工业的高温合金比如镍铬钛合金和含有碳化物生成物补强介质的韧性不锈钢等具有广泛的适用性，可用于重负荷磨削领域、成型磨削领域等，新型烧结氧化铝基微晶陶瓷磨料的晶粒尺寸不局限于标准JB/T 12205—2015《普通磨料陶瓷刚玉》中规定的应不大于300 nm的规定。

虽然，国内早在1998年第9期的《机械设计与制造工程》上就发布了叶伟昌[11]采写的短讯《新一代陶瓷刚玉SG磨料》，宣称“一种性能优异、被誉为新一代磨料的新型陶瓷刚玉（代号SG）磨料已由我国七砂集团公司开发成功”，但是，我国氧化铝基微晶陶瓷磨料产品的产业化起始于2010年前后，截至当前仍然为小规模自用性生产，产品性能和产量都有待提高，对于系列烧结磨料和新型磨料制成磨具的技术研究应继续加强，国内企业特别是河南省的磨料磨具企业应抓住当前制造业转型升级和高质量发展的机遇，促进新型高性能氧化铝基微晶陶瓷磨料和相应磨具技术的进步和生产应用。