陶瓷磨料性能的三大支柱（上篇）

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发表时间：2021-12-02

CERAMIC ABRASIVE GRAIN

陶瓷磨料性能的支柱

The three pillars of ceramic abrasive grain performance

背景介绍

磨料磨具加工的起源可以追溯到数千年前，用于各种粮食生产面粉以及磨削金属工具和刀具武器。尽管天然石材制作的砂轮已经存在几千年，但今天我们所知道的人造砂轮发明发生在19世纪后期。基于橡胶和粘土的砂轮存在了很短一段时间，但是那个时代技术的最大飞跃发生在1873年，Sven Pulson发明了陶瓷结合剂砂轮。Pulson先生是 Frank Norton公司的雇员，他为此产品申请了专利，后来成为了诺顿磨料磨具公司的创始人。

尽管砂轮的结合剂技术有了飞跃，但是砂轮的起磨削作用的成分仍仅限于例如金刚砂之类的天然磨料领域。直到碳化硅（1891年）和棕刚玉（1905年）的发明，砂轮和砂纸（涂附磨具）才使用经过加工的磨料来提高其性能。最早的磨料及其相继迭代的产品均采用电熔工艺，可在高达2000°C的温度下生产。人造磨料的优势在于结合了硬度，韧性以及磨料在使用过程中被完全消耗掉之前具有更好的自锐性。几十年来，电熔工艺一直被用来满足全世界的磨料需求。

现在最新及性能最佳的普通磨料是通过烧结氧化铝基的陶瓷生产的。这个较近期的发展，以拉尔夫·鲍尔（Ralph Bauer）在1984年发明了陶瓷磨料，并通过诺顿公司向市场推广为标志。从可以用手指轻易压碎的生坯陶瓷，烧结成比电熔磨料更加坚韧且耐用的陶瓷磨料。此外，陶瓷磨料具有良好的微观结构，让其能够在受压时通过微破碎不断产生数以千计的切割刃。而同样情况下电熔磨料仅有几个断裂面。陶瓷磨料的自锐能力比电熔磨料高出很多倍，并将传统的固结和涂附磨具产品提高到各自最高性能水平。

近年来，客户向我们咨询特殊形状颗粒或者了解特殊颗粒形状如何影响陶瓷磨料的性能。圣戈班对磨料形状的控制的确是改变磨料性能的关键因素，但这只是其中一个因素。通过大量的研究和经验，我们总结了三个不同因素（或称为“支柱”），这些因素可以单独或组合提供最适合特定应用范围的磨料性能。

摘要

微观结构

宏观结构

化学成分

应用案例

微观结构

晶种凝胶-陶瓷磨料XTL

纯度 >99.6% Al2O3

密度 – 3.9 g/cc

气孔 <1.5%

硬度 – 21.6 gPa

α-Al2O3 xtal – <0.2um

1984年诺顿推广至市场的陶瓷磨料具有非常精细的微观结构，高纯度和高强度。晶体尺寸约为0.2um,这个原创的陶瓷磨料又名Cerpass XTL，由于其高强度和韧性，相比于其他脆性高的竞争磨料更适用于不同的应用范围。Cerpass XTL性能更适用于硬质材料的深切应用，而脆性高的竞争产品显然更为适合涂附磨具的应用。

将磨料加工成非常精细和坚固的微观结构的能力是圣戈班陶瓷磨料性能的主要支柱。根据不同需求，往后几代的磨料可以具有不同的微观结构和晶体尺寸。

宏观结构

第一代圣戈班陶瓷磨料具体精细和坚固的微观结构，并且以两种机械破碎形式，钝形和尖形向市场推广。虽然在硬质材料的高压应用（增加功率，进给和横向力）下取得成功，但仍然存在一些应用和材料需要适用于低压工况的磨料。通过内部研究和实际工况验证，圣戈班研发了一种超尖形陶瓷磨料，不仅性能上超过了常规形状的陶瓷磨料，还超越了使用其他化学元素掺杂的具有更高脆性的竞品陶瓷磨料。

DGE陶瓷磨料

纯度 >99.6% Al2O3

密度 – 3.9 g/cc

孔隙率 <1.5%

硬度 – 21.6 gPa 硬度

α-Al2O3 xtal – <0.2um

长径比 – 2.5:1

DGE

Delta陶瓷磨料(DGE)由最初一代陶瓷磨料相同的纯氧化铝化学成分和微观结构构成，但具有超尖形的特点。DGE具有更高的长径比，尖锐点和锋利刃。这种磨料可应用于低压研磨或者较软的材料，例如不锈钢用涂附磨具及内圆磨等应用。

TGE陶瓷磨料

纯度 >99.6% Al2O3

密度 – 3.9 g/cc

孔隙率 <1.5%

硬度 – 21 gPa

α-Al2O3 xtal – <0.2um

长径比 – ~4:1

TGE

Targa陶瓷磨料（TGE）也是根据最初一代陶瓷磨料的原始化学成分和微观结构构成，但其形状特殊，具有极高的长径比~4:1。Targa磨料的形状提供了低磨削力下出众的切削效果，并且在固结磨具应用时有助于创造大气孔结构。在深切削应用例如缓进给或者齿轮磨削，该磨料被证明优于常规形状磨料的性能，并且在很多情况下可与其他特殊形状磨料（如三角形）分庭抗礼。

化学成分

1 化学成分

圣戈班陶瓷磨料性能的第三支柱是改变磨料的化学成分以增强某些特性，例如耐高温陶瓷结合剂工艺或专门设计的易碎性以优化各种应用中的性能。通过专有工艺，可以改变磨料的化学成分，以优化磨料内的晶界或促进不同的晶相。

HTB陶瓷磨料

纯度 >95% Al2O3

密度 – 3.9 g/cc

孔隙率 <1.5%

硬度 – <20 gPa 硬度

α-Al2O3 xtal – <0.22um

HTB陶瓷磨料

Cerpass HTB陶瓷磨料就是一个非常成功的例子。这种特殊的磨料可以在广泛应用中增强性能且适用于高温陶瓷结合剂系统。推动这一性能的主要原因是化学改性，以便在使用陶瓷结合剂时既能抵抗对晶体结构的破坏，同时又能在陶瓷和树脂结合剂系统中提供最佳脆性。

应用案例

无论是测试新开发的磨料，还是与现有或竞争磨料进行基准对比，都必须在受控环境中完成研磨试验。圣戈班开发了一种磨削试验方法，该方法可以控制尽可能多的变量，同时允许在一系列操作参数范围内对各种材料进行实际磨削。对晶粒的尺寸、数量和间距进行标准化处理，以获得更显著的结果。可以调整参数，以模拟各种现场条件，例如低压涂附磨具应用或高压粗磨固结磨具应用。

一旦通过这些测试证明该磨料是有可能成功的，就要进行现场测试以确定其在应用中的性能。以下信息提供了陶瓷磨料的“三大支柱”如何影响性能的示例，以及内部基准测试结果和一些相关案例。

案例1

超尖形及微观结构对性能的影响

案例2

尖锐外形对性能的影响

案例3

HTB成功案例分享

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