磨料磨具 氣孔和造孔劑

主講人：郭森林

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磨具三要素，磨料、結(jié)合劑我們都已經(jīng)學(xué)習(xí)過了，今天我們來學(xué)習(xí)下最后一個(gè)——?dú)饪住?/p>

氣孔也是砂輪很重要的一個(gè)組織特征，陶瓷砂輪正是由于其獨(dú)特的開氣孔結(jié)構(gòu)，自銳性、可修整性、磨削效率等較優(yōu)，而樹脂砂輪、金屬砂輪，由于氣孔較少或沒有，磨削熱、自銳性等問題成為影響砂輪性能發(fā)揮的因素?？梢哉f，正是陶瓷結(jié)合劑的天然氣孔結(jié)構(gòu)賦予其許多獨(dú)特的性能，但由于磨削應(yīng)用環(huán)境多樣，僅靠自身的空隙難以滿足磨削所有需求，造孔劑的選取及應(yīng)用也是頗為重要的。

今天這節(jié)課，我們從砂輪組織結(jié)構(gòu)開講，然后和大家聊聊常用的造孔劑，以及與砂輪造孔相關(guān)的“那些事”。

1、普通砂輪的組織

砂輪的組織，也稱為“磨粒率”，是以磨粒體積占砂輪體積的百分比來表示的，其反映了磨料在砂輪組織結(jié)構(gòu)內(nèi)分布的疏密情況。我們常說的“組織號(hào)”也就是劃分砂輪組織疏密的一種方法，但要注意，組織號(hào)是針對(duì)普通砂輪來說的，超硬砂輪沒有組織號(hào)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

普通砂輪的組織號(hào)（N）與磨粒率（Vg）的關(guān)系為：Vg=62-2N，也就是說磨粒率62%為組織號(hào)“0”，磨粒率34%為組織號(hào)“14”。圖1是普通陶瓷磨具內(nèi)磨粒K、結(jié)合劑b、氣孔P的體積百分?jǐn)?shù)相圖。

圖1 陶瓷磨具內(nèi)磨粒K、結(jié)合劑b、氣孔P的體積百分?jǐn)?shù)相圖[1]

圖1的P區(qū)是普通磨料的陶瓷結(jié)合劑砂輪組織范圍，其結(jié)合劑用量范圍為5～25（vol%），磨粒所占體積比為40～68（vol%），氣孔所占比例為17～55（vol%）。圖中P區(qū)的AE線是磨料最低填充密度極限，BC線是磨料最高填充密度極限，AB線是最小結(jié)合劑當(dāng)量，DE是最大結(jié)合劑當(dāng)量。圖中的S區(qū)為CBN陶瓷砂輪組織范圍，其結(jié)合劑用量范圍為25～70（vol%）、CBN用量為14～58（vol%）、氣孔為17～34（vol%），制造CBN陶瓷砂輪常用的結(jié)合劑量為20～40（vol%）。[2]

這個(gè)相圖對(duì)超硬陶瓷磨具也是有指導(dǎo)意義，大家可以多多領(lǐng)悟。在實(shí)際生產(chǎn)制造中，通常等磨粒百分?jǐn)?shù)線（代表磨粒比例固定而結(jié)合劑、氣孔變化）決定普通磨料砂輪的組織或超硬磨料砂輪的濃度。等氣孔百分?jǐn)?shù)線有時(shí)也可反映普通磨料砂輪的硬度。

2、氣孔的分類及常用造孔劑

了解了砂輪組織，大家也對(duì)氣孔在砂輪組織結(jié)構(gòu)中的地位有所認(rèn)識(shí)了吧，那氣孔到底有什么作用，生產(chǎn)中又該如何獲得需要的氣孔呢？下面我們來講講這些內(nèi)容。

氣孔在砂輪中存在形式有兩種，如圖2所示。一種是存在于結(jié)合劑中，不影響磨粒之間形成結(jié)合劑橋；另一種是存在于磨粒之間，會(huì)嚴(yán)重弱化結(jié)合劑橋的強(qiáng)度，導(dǎo)致磨粒在磨削過程中容易脫落。

（a）位于結(jié)合劑中

（b）位于磨粒之間

圖2 氣孔在砂輪中的分布

氣孔具有容屑、排屑、散熱、冷卻等作用。樹脂砂輪和金屬砂輪屬于密實(shí)型結(jié)構(gòu)，氣孔很少或沒有，陶瓷砂輪具有自然生成的氣孔。下面，我們主要講一講陶瓷砂輪的造孔。

陶瓷砂輪燒結(jié)自然形成的氣孔一般不超過0.02mm，氣孔率有限，不能提供足夠的空間容納較大切除下的金屬屑，所以造孔在陶瓷CBN砂輪中的應(yīng)用非常廣泛。

陶瓷CBN砂輪造孔方式主要有利用顆粒級(jí)配造孔和添加造孔劑造孔兩種。顆粒級(jí)配造孔是通過調(diào)節(jié)磨具配方中粉體的顆粒度的比例來控制氣孔，但對(duì)于精磨和高精密磨具，其粉體要求細(xì)，顆粒級(jí)配方法很難滿足要求，所以，添加造孔劑成為陶瓷結(jié)合劑CBN砂輪比較適合的造孔方法，并已有很多研究報(bào)道和應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。

已見報(bào)道的造孔材料主要有：萘、鋸末、核桃殼粉、碳粒、砂糖粒、PS微球（聚苯乙烯微球）、PMMA微球（聚甲基丙烯酸甲酯微球）、塑料粒、無機(jī)銨鹽等。它們的造孔機(jī)制不同，成孔效果也不一樣。具體來說：

1.萘主要靠燃燒過程中物質(zhì)升華、揮發(fā)或分解達(dá)到造孔的目的，萘的成孔效果好，是一種傳統(tǒng)的造孔材料。但是，萘揮發(fā)、分解產(chǎn)生的物質(zhì)具有毒性，威脅環(huán)境和人體健康，國(guó)家已經(jīng)明令禁止生產(chǎn)、銷售和使用。

2.鋸末、核桃殼粉、碳粒等。也是一種傳統(tǒng)的造孔材料，在普通陶瓷磨具中應(yīng)用較多，它們?cè)谀ゾ邏褐瞥尚瓦^程中自身占有一定的空間，然后在燒結(jié)的高溫條件下逐漸碳化、縮小，并形成一定的氣體，起到造孔的作用。這種造孔劑一個(gè)顯著的缺陷是氣孔大小、均勻性難以控制，而且它們與結(jié)合劑不親和，對(duì)砂輪強(qiáng)度下降較大，所以在陶瓷CBN砂輪中很少使用。

3.塑料粒、PS微珠、PMMA微珠等。它們也是利用高溫下?lián)]發(fā)或燃盡而達(dá)到造孔效果，劉振等在Al?O?多孔陶瓷中引入PS微珠、PMMA微珠作為造孔劑，并與炭黑的造孔效果進(jìn)行了對(duì)比，其對(duì)多孔陶瓷的強(qiáng)度下降作用大，而且這些有機(jī)物在分解過程中會(huì)產(chǎn)生有毒物質(zhì)，難以在生產(chǎn)中使用。

4.無機(jī)銨鹽。劉一波等比較系統(tǒng)地研究了NH4F、NH4Cl、(NH4)2SO4和NH4HCO3四種無機(jī)銨鹽的造孔效果，其中，NH4F、NH4Cl不能造孔，(NH4)2SO4造孔皆為小孔，氣孔可調(diào)性差，NH4HCO3造孔有一定的大孔徑氣孔，但要真正控制氣孔孔徑，還是很難實(shí)現(xiàn)。

5.Al?O?空心球。剛玉空心球做造孔填料，在超硬磨具的生產(chǎn)中已有較廣的應(yīng)用，相關(guān)研究報(bào)道也有很多。剛玉空心球粒度可控，形狀均勻，強(qiáng)度高，而且在燒成溫度下不會(huì)燒蝕變形，是一種較理想的造孔材料。

6.碳化硼、碳化硅、氮化硼等填料。這些填料的硬度很高，可以做磨料使用。它們與陶瓷結(jié)合劑的粘結(jié)能力差，在磨削過程中很容易脫落而產(chǎn)生氣孔，而脫落的填料顆粒還對(duì)工件有一定的切削作用。這種方式的造孔還有另外一個(gè)好處：對(duì)砂輪的強(qiáng)度下降作用小。

據(jù)報(bào)道，使用與CBN磨料粒度相近的填料，當(dāng)填料體積與磨料體積比為0.10～0.15時(shí)，砂輪的斷裂強(qiáng)度與無填料時(shí)相同。但是，這種方式的造孔作用有限，而且氣孔率難以控制，適合于對(duì)氣孔率要求不高的場(chǎng)合。

以上是陶瓷磨具常見的造孔劑。剛玉空心球、玻璃微珠由于粒度可控，可以根據(jù)需要造出不同大小和比率的氣孔，應(yīng)用比較多。金屬砂輪中的造孔劑，多是石墨，作用主要是潤(rùn)滑、造孔和產(chǎn)生保護(hù)氣，其它造孔材料還有陶瓷顆粒、剛玉空心球等。樹脂砂輪中使用造孔劑的很少，在此就不多說了。

3、課后語(yǔ)

綜上所述，理想的造孔材料應(yīng)該具有造孔孔徑可控、分布均勻、容屑空間充分，以及與結(jié)合劑親和性好，對(duì)砂輪強(qiáng)度影響小等特點(diǎn)。

造孔劑作為砂輪的填料，其實(shí)也是破壞砂輪組織結(jié)構(gòu)的物質(zhì)，其加入或多或少會(huì)降低砂輪的強(qiáng)度。樹脂砂輪本身對(duì)磨料的把持就弱，造孔劑雖說可以容屑、降低磨削熱，但如對(duì)強(qiáng)度降低作用太大，也是不合適的。另外，郭老師個(gè)人理解，對(duì)金屬砂輪來說磨料磨具，造孔材料更準(zhǔn)確的說應(yīng)該是“弱化填料”（畢竟金屬胎體的弱化也是門“學(xué)問”哦!）。

還有一個(gè)問題，大家需要注意：如何保證造孔均勻？比如，剛玉空心球、金屬結(jié)合劑、磨料，三者密度相差大，若想成型料混配均勻，這是比較難做到的。

以上所說的都是以砂輪填料形式加入的造孔劑，其實(shí)大家還能想想其它思路，比如在陶瓷結(jié)合劑里加入“發(fā)泡劑”等，利用結(jié)合劑熔融時(shí)產(chǎn)生氣孔，我想，這種氣孔應(yīng)該比較均勻吧。拋磚引玉，歡迎大家探討。

為寫這篇文章，郭老師查閱了很多文獻(xiàn)，看到一篇中有用可溶性鹽類成孔劑：“它在磨具成型時(shí)占據(jù)一定的尺寸空間，但在磨具燒成過程中不分解氧化，在磨具的使用過程中，可溶解于水溶性冷卻液中，自身占據(jù)的位置形成氣孔?！蔽恼轮袥]說具體是什么物質(zhì)，但郭老師提醒大家，如果這種造孔劑溶解于冷卻液，會(huì)對(duì)設(shè)備造成腐蝕等破壞的話，千萬不能用！

好了，今天就講這么多。本節(jié)課的部分觀點(diǎn)由王光偉高工、三磨所熊工指點(diǎn)，在此誠(chéng)摯感謝。大家如有疑問或建議磨料磨具，歡迎加郭老師微信“forest1983”，或在愛銳網(wǎng)微信群交流（如需入群，請(qǐng)聯(lián)系小編或加郭森林微信“forest1983”）。好，下課！

參考文獻(xiàn)

[1] 趙玉成，臧建兵，王明智.CBN陶瓷砂輪組織特征[J].金剛石與磨料磨具工程，1999（6）：4—6.

[2] 張習(xí)敏.陶瓷結(jié)合劑立方氮化硼組織及性能的研究[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2003.

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