邊華英 王學(xué)濤 李鄭輝 王艷麗 李 靜

1河南建筑材料研究設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司（450002）2河南省科學(xué)院質(zhì)量檢驗(yàn)與分析測(cè)試研究中心（450002） 3白鴿磨料磨具有限公司（450199）

在氧化鋁基微晶陶瓷磨料的研究中，采用國(guó)產(chǎn)原料制備試驗(yàn)?zāi)チ?，遇到了一些?wèn)題，如磨粒的微晶晶粒度與顯微硬度的關(guān)系具有一定的制約性，當(dāng)晶粒度偏小時(shí)顯微硬度值也低，晶粒度在1 μm左右時(shí)顯微硬度可以達(dá)到20 GPa，此時(shí)硬度值接近進(jìn)口磨料產(chǎn)品，但晶粒尺寸不符合標(biāo)準(zhǔn)JB/T 12205—2015《普通磨料陶瓷剛玉》[1]中規(guī)定的應(yīng)不大于300 nm的規(guī)定。所以，重新對(duì)相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行歸集和分析，特別是對(duì)早期的譯文類資料進(jìn)行梳理和總結(jié)很有必要。

1 宣傳資訊類文獻(xiàn)

在有限搜索的情況下，得到的較早關(guān)注燒結(jié)法氧化鋁基微晶陶瓷磨料的資訊是呂新民[2]在1981年第10期《機(jī)械制造》雜志上發(fā)布的《一種新的合成磨料》，摘譯自 1981年第 1期的 《Tooling&Production》和《Manufacturing Engineering》，主要在于介紹美國(guó)3M公司研制成功的一種新磨料-Regal,以氧化鋁為主要原料，是磨料界繼立方氮化硼技術(shù)之外的又一大突破，新型磨料具有高韌性、高耐磨性、多孔性和抗咬焊防堵塞性，努普硬度高出傳統(tǒng)剛玉磨料2.3倍，加工鑄鐵件時(shí)壽命是傳統(tǒng)剛玉磨料的3倍，并且磨粒被加工為具有若干尖齒狀，可牢固地被結(jié)合劑黏結(jié)在基體上，不易脫落。然后是蔡錫璋[3]在1984年《機(jī)械制造》雜志上發(fā)布的資訊《新陶瓷粘結(jié)法 加倍延長(zhǎng)砂輪壽命》，摘譯自1983年第9期 《The Prodution Engineer》， 稱美國(guó)Norton公司歷經(jīng)7年研發(fā)后推出了一種新型Normax砂輪，磨削材料范圍廣，切削溫度低，不易燒傷工件，可以大進(jìn)給量切入，切除率加倍，磨粒可以長(zhǎng)久保持鋒利，修整次數(shù)少，砂輪壽命是普通砂輪的2倍。在1993年第1期的《磨料磨具與磨削》上刊登了楊榮祖[4]編譯的《陶瓷氧化鋁磨料及其應(yīng)用》，申明陶瓷氧化鋁磨料即SG磨料，是一種高效磨料，磨粒中不存在像普通剛玉磨料中的那種顯微裂紋，適用于重負(fù)荷磨削，具有較高的韌性，耐磨，可制作高速砂輪。容易通過(guò)改變配方中SG磨料的濃度改變砂輪性能，適用于不同的被磨削工件，特別是SG磨料還具有比鋯剛玉磨料耐溫的特性適用于以高溫結(jié)合劑?；驘Y(jié)的砂輪，具有普遍適用于以陶瓷結(jié)合劑、玻璃結(jié)合劑、橡膠結(jié)合劑、酚醛樹脂和環(huán)氧樹脂結(jié)合劑制作砂輪的特點(diǎn)。

2 技術(shù)性譯文

在宣傳性資訊的影響下，國(guó)內(nèi)磨料磨具和機(jī)械加工行業(yè)界也在密切關(guān)注SG磨料的相關(guān)技術(shù)進(jìn)展，跟隨研發(fā)的基礎(chǔ)是先要認(rèn)識(shí)事物，所以感謝業(yè)界前輩以嚴(yán)謹(jǐn)認(rèn)真的態(tài)度地對(duì)國(guó)外技術(shù)文獻(xiàn)進(jìn)行翻譯和發(fā)表?，F(xiàn)搜索到的較早較完整地介紹SG磨料的文獻(xiàn)是黎壽呈[5]在1989年第3期的《磨料磨具磨削》上發(fā)表的譯文《SG磨料的選擇》，譯自1988年5 月的《Tooling&Production》,文中介紹美國(guó) Norton公司成功研制了一種SG新型陶瓷氧化鋁磨料，正確選用SG砂輪可達(dá)到非超硬磨料前所未有的性能。SG磨料采用燒結(jié)而非熔融方法制備，每個(gè)磨粒都由成千上萬(wàn)個(gè)微晶體組成，在制成磨具磨削工件時(shí)，每個(gè)磨粒都類似于一小片的砂輪組織具有自銳性，在微晶體被磨鈍后沿晶界碎裂從磨粒上脫落，露出新的微晶體切削刃，充分發(fā)揮磨粒的磨削性而增加砂輪的耐用性，基于SG磨粒的特性，SG砂輪自銳性好、不易堵塞，磨削熱低不易燒傷工件，進(jìn)給量大、生產(chǎn)效率高、壽命長(zhǎng)、有利于批量磨削工件，能優(yōu)化精密數(shù)控機(jī)床磨削工藝，可操作性強(qiáng)，對(duì)于難磨削的高速合金鋼、高硬度的黑色和有色金屬、宇航工業(yè)的高溫合金和含有碳化物生成物補(bǔ)強(qiáng)介質(zhì)的韌性不銹鋼等具有廣泛的適用性。之后在1991年第1期的《國(guó)外機(jī)車車輛工藝》上鄒穩(wěn)根[6]發(fā)表了譯自1989年第10期《Engineering》文章《精密磨削新磨料》,介紹了Norton公司開發(fā)涂附用SG磨料的背景和技術(shù)要求以及SG涂附磨具的應(yīng)用領(lǐng)域。吳元昌[7]在1991年第8期《工具技術(shù)》上發(fā)表了譯文《剛玉磨料的新品種——SG磨料》，再次詳細(xì)介紹了Norton公司的SG砂輪和SG磨料，稱SG砂輪的推出是磨削難磨削材料和精密磨削的一大進(jìn)展，每一個(gè)SG磨料顆粒是由幾十萬(wàn)個(gè)亞微米級(jí)Al2O3晶體燒結(jié)而成的，磨削工件時(shí)磨粒本身具有自利性,可持續(xù)不斷地暴露出新的鋒銳尖角形刃口，是用于高磨削壓力、高生產(chǎn)率下難磨削材料磨削的最佳磨料之一。較詳細(xì)地介紹了SG磨料區(qū)別于普通電熔剛玉磨料的主要特征在于磨料本身的自銳性，SG砂輪的特征、優(yōu)點(diǎn)與應(yīng)用領(lǐng)域，以SG砂輪的應(yīng)用實(shí)例證明了其磨出率高、性價(jià)比高、適用于成型磨削、應(yīng)用范圍廣的優(yōu)越特性，給出了砂輪濃度選擇、粒度選擇、硬度選擇的原則以及砂輪使用注意事項(xiàng)。

1992年杭州機(jī)床廠的姚峻[8]在《磨床與磨削》上發(fā)表了概述性文章《SG磨料——一種新穎的高效磨料》，對(duì)Norton公司的SG磨料進(jìn)行了介紹，談到諾頓公司聲稱SG砂輪每行程進(jìn)給量可達(dá)0.25 mm，談到日本磨削專家在第十屆日本機(jī)床博覽會(huì)上對(duì)砂輪和磨料發(fā)展趨勢(shì)的預(yù)測(cè)“將來(lái)普通電熔剛玉磨料市場(chǎng)的2/3將被CBN磨料代替，1/3將被SG磨料代替”，并以英國(guó)某鎳鉻鈦合金難磨渦輪葉片公司和美國(guó)哈德遜拉刀公司的應(yīng)用實(shí)例證明SG磨具的通用性好、適用范圍廣、磨削效率高、批量工件生產(chǎn)成本低的特點(diǎn)，具有磨削熱少、不燒傷工件、適用于干磨的優(yōu)異性能。

上海刃具研究所的翁心鈞[9]在研究了大量國(guó)外文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，在1992年第2期《刃具研究》中發(fā)表了文章《國(guó)外陶瓷氧化鋁磨料的新進(jìn)展》，在對(duì)SG磨料的性能介紹之外觸及到了深入的制備技術(shù)，闡明SG磨料是一種陶瓷氧化鋁，在磨削工件時(shí)不是整粒脫落而是不斷地碎裂發(fā)生微晶脫落從而產(chǎn)生出更多的尖刃；SG磨料的制造方法稱為Sol-Gel或Seeded Gel工藝，是首先使純鋁在水中與改性劑如硝酸鎂組合成大塊凝膠，隨后干燥成為脆性固體、破碎成需要的粒度并在1 300℃～1 400℃溫度下焙燒制成品磨料。其與電熔剛玉的后破碎成磨粒的方法相比，具有無(wú)破碎應(yīng)力產(chǎn)生的微小裂隙致使磨料在磨削時(shí)因磨削壓力過(guò)早破裂的不足，這種新型磨料的優(yōu)點(diǎn)是韌性好，但其抗裂強(qiáng)度并不比電熔剛玉高；這種新型磨料特別適合于制作陶瓷磨具，在各種磨削情況下燒結(jié)法陶瓷SG磨具的性能都優(yōu)于普通電熔剛玉磨料的產(chǎn)品，并且燒成溫度可以高達(dá)這種磨料的焙燒溫度（如1 300℃～1 400℃）而不致砂輪破裂，這也是SG磨料性能優(yōu)于鋯剛玉磨料的方面。文章在參考明尼蘇達(dá)礦業(yè)與制造公司（3M）專利的基礎(chǔ)上給出了Sol-Gel氧化鋁磨料的生產(chǎn)工藝流程圖，如圖1所示，并且概述了該工藝的特點(diǎn):①由于采用溶膠—凝膠工藝，采用的原料中氧化鋁微粒需小于1 μm，并能以單個(gè)微粒的方式均勻分散在介質(zhì)中，而且每個(gè)微粒處于晶體生長(zhǎng)抑制助劑的包圍之中。②燒結(jié)溫度遠(yuǎn)低于熔融溫度，生成的a-Al2O3晶體為尺寸均勻的微晶；③因?yàn)槭菍⒛z體干燥后破碎制粒，燒結(jié)后的a-Al2O3晶體為沒(méi)有微裂紋的完整晶體；④這種新型磨料制備工藝節(jié)能，特別是燒結(jié)和破碎工序能耗遠(yuǎn)低于電熔剛玉磨料。

圖1 Sol-Gel氧化鋁磨料制造工藝流程圖

文章談及諾頓公司將以上述工藝生產(chǎn)的磨料稱為微晶氧化鋁或MCA（microcrystalline alumina），通過(guò)配方和焙燒溫度保溫時(shí)間等調(diào)整控制，對(duì)試驗(yàn)?zāi)チ线M(jìn)行金相分析和物理性能試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)這種微晶體是由許多細(xì)小的a-Al2O3和尖晶石的晶體緊密聚集在一起組成的，晶體尺寸小于1 μm，多數(shù)介于0.2～0.7 μm，晶體形狀不固定，多為等軸晶體(長(zhǎng)軸和短軸的比不大于2，多數(shù)在1.5以下)。磨粒組織致密，500倍顯微鏡下看不到孔隙，相對(duì)密度在90%以上。以500 g重在維氏硬度計(jì)上測(cè)量顯微硬度值均大于16 GPa，多數(shù)達(dá)到18～19 GPa。將試驗(yàn)?zāi)チ现瞥缮拜喕蛏皫нM(jìn)行磨削試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)一些結(jié)果顯示出新型磨料的顯著優(yōu)越性，磨削比提高了數(shù)十倍，而另外一些試驗(yàn)優(yōu)越性不明顯，對(duì)于進(jìn)一步提高新型磨料的性能和確定其使用條件和范圍還有待繼續(xù)研究。

文章作者對(duì)20世紀(jì)50年代后諾頓公司的近800項(xiàng)專利題錄進(jìn)行了對(duì)比分析，歸納為以下幾點(diǎn):

1）自20世紀(jì)50年代中期至60年代初諾頓公司主要致力于燒結(jié)氧化鋁磨料的開發(fā)，其一是堆積磨料（abrasive agglomorate）的研發(fā)，將電熔剛玉微粉和燒結(jié)材料一起于1 600℃～1 750℃燒結(jié)后再磨細(xì)過(guò)篩制成磨料；其二是將鋁礬土磨細(xì)后燒結(jié)制成磨料，這些燒結(jié)磨料的韌性優(yōu)于電熔剛玉磨料，適用于重型荒磨。

2）在20世紀(jì)60年代，著重進(jìn)行氧化鋁合金磨料的研究，并于1968年推出了ZS系列鋯剛玉磨料，能取代昂貴的氧切割和氣鑿工藝用于高水準(zhǔn)的鋼材修整和鑄件磨光作業(yè)。在70年代繼續(xù)鋯剛玉的研究，通過(guò)配方調(diào)整和快速冷卻Al3O2-ZrO2熔體的工藝，獲得在低共熔體基體上均勻分布直徑約為0.3 μm的棒狀或片狀ZrO2晶體組織的性能進(jìn)一步優(yōu)化的磨料。

3）在20世紀(jì)80年代的中期，諾頓公司取得了Sol-Gel法磨料的專利并在90年代初使之商品化，之后又申請(qǐng)了一系列關(guān)于Sol-Gel工藝方法和用該法生產(chǎn)磨料的應(yīng)用方面的專利。作者通過(guò)文章強(qiáng)調(diào)Sol-Gel法磨料技術(shù)方興未艾，值得我國(guó)砂輪制造業(yè)和整個(gè)機(jī)械制造業(yè)予以密切關(guān)注。

到1993年，鄭州三磨所的陳德春[10]在參考了美國(guó)專利、Cutting Tool Engineering等19項(xiàng)資料的基礎(chǔ)上撰寫了《SG磨料磨具制造工藝綜述》一文發(fā)表在第6期的《磨料磨具與磨削》雜志上，文章介紹了20世紀(jì)80年代初美國(guó)開發(fā)的SG磨料、SG磨具的情況，重點(diǎn)描述了這種磨料的制造工藝和物理化學(xué)性質(zhì),特別是對(duì)磨料的生產(chǎn)工藝按流程分工序進(jìn)行介紹，并給出了一些工藝技術(shù)參數(shù)，在磨具制品方面分別對(duì)SG磨料砂輪、SG/CBN砂輪、SG磨料涂附磨具進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，與翁心鈞的文章相比部分重合部分是補(bǔ)充。對(duì)國(guó)內(nèi)開發(fā)SG磨料及磨具產(chǎn)品具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)語(yǔ)

一定程度上來(lái)說(shuō)，這些早期文獻(xiàn)具有教科書一般的意義，通過(guò)對(duì)相應(yīng)的早期翻譯文獻(xiàn)進(jìn)行梳理和分析，有助于較準(zhǔn)確地把握國(guó)外主要是美國(guó)3M或諾頓公司氧化鋁基微晶陶瓷磨料（SG磨料）的技術(shù)性能、技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展進(jìn)程，對(duì)于指導(dǎo)我國(guó)相應(yīng)磨料的技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化具有積極作用。

綜上所述新型SG磨料具有許多對(duì)比電熔剛玉磨料優(yōu)越的性能，如磨粒本身具有自銳性、不易堵塞砂輪、磨削熱低，不易燒傷工件，進(jìn)給量大、生產(chǎn)效率高、壽命長(zhǎng)、砂輪耐用、修整次數(shù)少，有利于批量磨削，能優(yōu)化精密數(shù)控機(jī)床磨削工藝，可操作性強(qiáng)，特別是對(duì)于難磨削的高速合金鋼、高硬度的黑色和有色金屬、宇航工業(yè)的高溫合金比如鎳鉻鈦合金和含有碳化物生成物補(bǔ)強(qiáng)介質(zhì)的韌性不銹鋼等具有廣泛的適用性，可用于重負(fù)荷磨削領(lǐng)域、成型磨削領(lǐng)域等，新型燒結(jié)氧化鋁基微晶陶瓷磨料的晶粒尺寸不局限于標(biāo)準(zhǔn)JB/T 12205—2015《普通磨料陶瓷剛玉》中規(guī)定的應(yīng)不大于300 nm的規(guī)定。

雖然，國(guó)內(nèi)早在1998年第9期的《機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程》上就發(fā)布了葉偉昌[11]采寫的短訊《新一代陶瓷剛玉SG磨料》，宣稱“一種性能優(yōu)異、被譽(yù)為新一代磨料的新型陶瓷剛玉（代號(hào)SG）磨料已由我國(guó)七砂集團(tuán)公司開發(fā)成功”，但是，我國(guó)氧化鋁基微晶陶瓷磨料產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化起始于2010年前后，截至當(dāng)前仍然為小規(guī)模自用性生產(chǎn)，產(chǎn)品性能和產(chǎn)量都有待提高，對(duì)于系列燒結(jié)磨料和新型磨料制成磨具的技術(shù)研究應(yīng)繼續(xù)加強(qiáng)，國(guó)內(nèi)企業(yè)特別是河南省的磨料磨具企業(yè)應(yīng)抓住當(dāng)前制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和高質(zhì)量發(fā)展的機(jī)遇，促進(jìn)新型高性能氧化鋁基微晶陶瓷磨料和相應(yīng)磨具技術(shù)的進(jìn)步和生產(chǎn)應(yīng)用。