普通磨料磨具2

普通磨料磨具制造第一篇

磨料第一章

磨料通论

磨料－磨料通论1.1磨料的种类及粒度

1.1.1序论

什么是磨具？凡是在加工工序中起磨削、研磨、抛光作用的工具，都被称为磨具。磨具是伴随着人类使用工具就产生了，在新石器时代，开始使用经过打磨过的石斧、石针，我国秦汉时期铜镜磨亮，都是采用天然的磨料、磨具进行的。根据一些资料证明，外国制造人工磨料磨具是在200多年前：1760年，法国出现用天然磨料制造砂纸的作坊；1825年，印度出现用虫胶做结合剂制造磨具；1846年，美国出现第一块用于外圆磨床的砂轮是用天然矿石做成的；1857年，比利时用天然橡胶为结合剂做成砂轮；1877年美国用粘土做结合剂做成天然磨料的陶瓷砂轮；1880年，美国用树脂为结合剂制成树脂砂轮；但是，在1891年之前，人们还是以天然磨料做制造磨具的主要原材料。1897年，美国诺顿公司（NortonCo.）生产出刚玉磨料；1900年磨床已进入普通加工车间，磨具应用日益广泛。1901年电弧炉冶炼棕刚玉成功，达到批量生产水平，也标志着人造磨料真正进入工业化生产阶段。1901年，生产出了白刚玉，使磨料品种日趋完善。1920年，螺纹磨床出现。1924年，绿色碳化硅在卡普伦登公司研制成功。1925年，第一台磨齿机制成。1930年，磨具生产开始控制组织,出现了无心磨床。1934年，美国生产了硬度高于碳化硅的碳化硼（B4C）。1936年，制成天然金刚石的金属结合剂磨具。1940年出现砂带磨床和陶瓷金刚石砂轮。1946年，美国研制成功单晶刚玉，使含有钒、钛、钨、铝等元素的合金钢材磨加工效率得到提高。此时，陶瓷磨具占磨具生产的主要地位。1948年，生产加强纤维树脂砂轮，树脂磨具在打毛刺、修理焊缝等工序上得到广泛应用。1953－1954年，瑞士和美国分别研制成功人造金刚石。1957年，美国首先工业化生产人造金刚石，同年还研制成立方氮化硼，超硬磨料进入磨加工领域。1962年，出现铬刚玉和烧结刚玉。1963年，制成锆刚玉。1970年，生产三种不同ZrO2含量的锆刚玉系列，钢铁行业的钢坯修磨逐步发展采用高速高负荷树脂磨具。1976年，已经使用锆刚玉制成80米/秒，负荷达500公斤的树脂磨钢坯砂轮。七十年代，陶瓷磨具与树脂磨具产量比例达1:1，七十年代苏联发展钛刚玉，我国生产镨钕刚玉，八十年代初期，陶瓷磨具最高使用速度达125米/秒并用于轴承工业。目前磨具使用速度最高达250m/s磨料磨具的发展，促使一系列磨削加工的迅猛发展，而磨削加工在各个工业领域的广泛应用，又反过来促使磨料磨具品种和质量的不断扩大与提高。二十世纪五十年代是磨料磨具与磨加工工艺发展最快并达到比较完整的年代，磨床约占金属切削机床20％；六十年代美国约占38％，苏联为25％左右，七十年代期间，磨床占金属切削加工机床仍为25~35％左右，而其间又大量发展了涂覆磨具-砂带、磨片、磨圈等，到八十年代初期、美国平均每三台磨床就有一台砂带磨床或砂带抛光机。我国解放前只有一个由日本制砥所在东北苏家屯遗留下来的砂轮生产作坊。新中国成立后，首先在东北苏家屯原有的砂轮旧厂上扩建了第一砂轮厂。1953年，我国筹建综合性的磨料磨具企业，由德意志民主共和国提供成套设备与工艺。1956年，厂址在郑州破土动工。1964年，建成第二砂轮厂。在第一个五年计划期间，还在山东建成第四砂轮厂，以后在贵州新建第三砂轮厂、第七砂轮厂和第六砂轮厂。1958年，由第二砂轮厂的中心实验室改为第一机械工业部磨料磨具磨削研究所。1958年，第一机械工业部建立了郑州机械专科学校磨料磨具班培养中专人才。1982年，全国除西藏外，各省都建有省、市、县级的磨料或磨具工厂磨料磨具品种已能满足国内需要，且由进口转为出口。1985年，由机械工业部机床工具司提议，国家教委批准，在燕山大学设立磨料磨具专业，使本行业拥有了本科、硕士研究生及后来的博士研究生的培养基地。90年代形成了磨料磨具方面完整的教学、科研和生产体系。1.1.2磨料的种类及代号1.碳化物类

表1-1碳化物类磨料序号品种旧标准代号新标准代号1黑碳化硅THβ-SiCα-SiC(C)2绿碳化硅TLGC3碳化硼TPDC4立方碳化硅TFSC2.刚玉类表1-2刚玉类磨料序号品种旧标准代号新标准代号1棕刚玉GZA2白刚玉GBWA3铬刚玉

GGPA4锆刚玉

ZAZA5单晶刚玉

GDSA6微晶刚玉

GWMA7新品种

SG3.其它天然磨料主要包括石榴石、天然刚玉、石英。4.主要厂家国内主要有第一、二、三、四、五、六、七砂轮厂，其中七砂产量最大；国外厂家：美国的诺顿公司，日本的昭和电工株式会社，美国的卡普伦登公司等；1.1.3磨料的粒度1.重要性决定了加工的精度和效率，是磨料的最基本指标。2.意义即磨料的颗粒尺寸。3.表示方法⑴．筛分法：＞40m，以筛号表示，如80#，还可称“目”；⑵．水选法：＜40m，以直接的颗粒尺寸标以“W”表示，如W5，表示5m；注意：①．粒度号不是随意划分的，一般有一定的标准，如我国国家标准有41个粒度号，记作：4#、5#、6#、7#、8#、10#、12#、……220#、240#等，微粉记作：w63、w50、w25……w1、w0.5等；②．各国的粒度划分不是完全一致的；表1-3各国磨料尺寸对照表粒度号国际标准ISO中国GB2477－83美国ANSI（74）日本JIS（76）原苏联гост3647-71基本粒尺寸,m基本粒尺寸,m基本粒尺寸,m基本粒尺寸,m粒度号基本粒尺寸,m8#2800～23602800～23602830～23802830～23802503150～250010#2360～20002360～20002380～20002380～20002002500～200012#2000～17002000～17002000～16802000～16801602000～160014#1700～14001700～14001680～14101680125016#1400～11801400～11801410～11901410～11901001250～100020#1180～10001180～10001190～10001190～1000801000～80022#

1000～850

24#850～710850～710841～707840～71063800～63030#710～600710～600707～595710～59050630～50036#600～500600～500595～500590～50040500～40040#

500～425

46#425～355425～355420～354420～35032400～31554#355～300355～300354～297350～297

60#300～250300～250297～250297～25025315～25070#250～212250～212250～210250～21020250～20080#212～180212～180210～177210～17716200～16090#180～150180～150177～149177～149

100#150～125150～125149～125149～12512160～125120#125～106125～106125～105125～10510125～100150#106～75106～75105～74105～748100～80180#90～6390～6388～6388～63680～63220#75～5375～5374～5374～53

240#75～5375～5374～53

563～50表1-4各国磨料尺寸对照表

中国GB2477-83日本JIS（76）美国USAS（67）原苏联（71）德国DIN粒度号基本粒尺寸m粒度号基本粒尺寸m粒度号基本粒尺寸m粒度号基本粒尺寸m粒度号基本粒尺寸m粒度号基本粒尺寸m

24087.5～73.5

28073.5～62

P24058.5±2W6363～5032062～52.5240＃53.5～50

OS5353±3P28052.2±2W5050～4036052.4～44

4#50～40OS4544.5±2P32046.2±1.5

40044～37280＃44～40

P36040.5±1.5W4040～2850037～31320＃36～32.53#40～28OS3736.5±1.5P40035.0±1.5

60031～26360＃28.8～25.8

OS2929.2±1.5P50030.2±1.5W2828～2070026～22400＃23.6～20.6M2828`20OS2322.8±1.5P60025.8±1

80022～18500＃19.7～16.7

OS1717.5±1P80021.8±1W2020～14100018～14.5600＃16～13M2020~14OS1312.8±1P100018.3±1W1414～10120014.5～11.5

M1414~10

P120015.3±1W1010～7150011.5～8.9800＃12.3～9.8M1010~7OS99.3±1

20008.9～7.11000＃9.3～8.6

OS78.5±1

W77～525007.1～5.9

M77~5OS54.5±0.8

W55～3.530005.9～4.71200＃6.5～4.5M55~3.5OS33±0.5

通用通用通用通用磨具用砂布（纸）用4.粒度组成及测定方法由于事实上实际的粒度是连续分布的，而粒度号是分立的，所以每个粒度号所对应的磨粒不只是一个同样的尺寸，而是一个粒度群，而且由于实际生产上的原因，这个粒度群的最粗粒和最细粒可能超出相邻的粒度号，如70#，其最粗粒可能通不过60#筛，最细粒可能通过80#筛。但是要限制粒度分布的比率，一个粒度号的粒群可以分成5个粒度群:即:最粗粒、粗粒、基本粒、混合粒、细粒，列表举例（见表1-5）表1-5粒度群组合

粒度最粗粒粗粒基本粒混合粒细粒100%通过下列筛号不通过筛号重量不大于％不通过筛号重量不少于%不通过筛号重量不少于%通过下列筛号重量最多3%70#45#60#25704070/806510080#60#70#25804080/10065120磨料粒度的组成要符合国家标准的规定，现行标准为：GB2477-83；粒度的检查要按国家标准规定的“磨料粒度测定方法”进行检验。8目～240目用筛分法，W63～W0.5用显微镜分析法，目前又有激光粒度分析仪可用；

1.2磨料的基本性质和化学性质

1.2.1磨料必须具备的基本性质1.高硬度、高耐磨性一般认为，只有硬的东西才能磨削软的东西，越硬效率越高；2.有适当的抗破碎性和自锐性寿命与磨刃更新；决定于韧性，两者是矛盾的，应取适当值；3.高温稳定性和化学稳定性由于工作区磨削温度高、压力大、所以要求磨料：⑴．高温条件下的高硬度、高强度；⑵．高温下不发生反应和分解；⑶．不与工件发生化学反应；关于⑶的讨论：磨削不单纯是机械过程，磨削材料与工件可能发生化学反应：例1：碳化硅不能磨削钢材，从下列反应证实：Fe+SiC→FeSi+Fe3C(高温条件下)但可以加工磨削铸铁，原因是其高的Si、C含量；例2：刚玉不适于磨削玻璃、陶瓷等硅酸盐材料，有如下反应：3Al2O3+2SiO2→3Al2O3•2SiO2(莫来石)因此，对不同的加工材料，应选择合适的磨料，避免两者之间较大的化学亲和力，避免形成化学反应使磨料磨具的磨削性能下降；表1-6列出了普通磨料与被加工材料之间的反应情况:表1-6磨料与被加工材料之间化学反应情况

刚玉系列碳化硅系列反应粘着磨耗反应粘着磨耗低合金钢无无小大有小镍无无小大有特大不锈钢无无中中有特大铸铁小小小中无小钛大大大大大中1.2.2化学成分化学成分是反应磨料质量、性质的主要指标，一般认为，磨料纯度越高越好，杂质越少其硬度耐磨性越好；2.意义化学成分分析可以判定磨料质量的好坏，对刚玉最有意义的是矿物分析，因为并非所有的Al2O3都形成α-Al2O3，即物理刚玉；

1.指标见表1-7。以上均有国家标准限定；表1-7普通磨料化学成分

3.化学成分的变化规律磨料的化学成分将随磨料的粒度而改变，粒度细，则杂质上升；国家标准也反应了这一特点；

表1-8棕刚玉化学成分随粒度变化情况

表1-9白刚玉化学成分随粒度变化情况

1.3磨料的物理性质我国目前测定的磨料物理性能有十几项，包括颗粒组成、颗粒密度、抗压强度、亲水性、堆积密度、磁性物含量、显微硬度、pH值、研磨能力、单颗粒强度、线膨胀系数、颗粒形状等的测定和磨粒显微结构分析以及岩相分析等；其中颗粒组成、颗粒密度、磁性物、堆积密度、亲水性及pH值六个项目已作为磨料技术条件的必检项目列入国家标准，下面分别介绍各项指标的意义及测定方法。1.基本概念对于硬度，物理上没有明确一致的定义，通常指物体对外来物体侵入的抵抗能力；主要有刻划法、压入法两大类。1.3.1硬度及测定方法

⑴刻划法莫氏硬度（见表1-11），以后一种物质对前一种物质刻划能产生划痕为依据；随着新的人造硬质材料的研究应用，在某些标准物之间插入一些物质，使莫氏硬度细化。1.3.1硬度及测定方法

1.3.1硬度及测定方法

表1-11莫氏硬度值与部分矿物对应关系矿物名称滑石石膏方解石萤石磷灰石正长石石英水晶黄玉石榴石氧化锆刚玉碳化硅碳化硼金刚石莫氏硬度12345678910新莫氏硬度123456789101112131415⑵压入法表征物体发生弹塑性变形的抗力，是综合机械性能指标。随不同的压头材质、形状、表示方法不同，有不同的硬度，如布氏、洛氏、维氏等；2.磨料的硬度⑴．不同晶面上硬度不同；⑵．硬度随温度升高而下降；⑶．杂质对磨料硬度有影响，一般随杂质含量增加而降低，但刚玉中的TiO2在一定范围内可提高硬度，刚玉中加入Cr2O3可同时提高硬度与韧性；一般用显微硬度测量磨料的硬度；HV＝1854.4P/d2其中，p为硬度计载荷，单位为g，d为硬度计压痕对角线长度，单位为mm；表1-12温度对磨料显微硬度的影响温度（℃）500600700800900100011001200显微硬度（MPa）230002200020100181001460012300960056003.常用磨料的显微硬度值表1-13常用磨料的显微硬度值磨料品种显微硬度（MPa）磨料品种显微硬度（MPa）棕刚玉17640～21600微晶刚玉19600～21600白刚玉21600～22600钒土烧结刚玉16700铬刚玉21600～22600锆刚玉14700单晶刚玉21600～23500

11.3.2磨料的韧性磨料的韧性是指磨粒在磨削力的作用下抵抗破碎的能力。1.物理本质物质抵抗冲击，吸收能量的能力。反意是脆性；2.对磨粒的作用⑴．一定的韧性，能保证使用寿命；⑵．影响自锐性，韧性大，不易碎，易钝化；

显然韧性与自锐性是矛盾的，对磨料一般要求适当的韧性值；在磨削过程中，磨料的磨损与磨料的硬度、抗热震能力、抗冲击、抗震动、抗压以及抗磨蚀能力密切相关，所有这些性能综合在一起可用“韧性”来表达。因此韧性这个概念体现了多项理化性质，对它确切定义是很难的，主要是通过试验进行。—般来说，磨料的韧性愈高，金属的单位磨下量也越多，但韧性过高会影响磨料的自锐性。磨料行业检定的韧性，实际上是脆性。即磨粒在外力作用下的抗破碎能力。具体测定方法有静压法和球磨法两种。静压法的测定值比较稳定。球磨法测定，磨粒的受力方式更接近于磨粒磨削时的受力情况，不少国家已将球磨法列入国家标准中。3.韧性的测定磨料的韧性值是一个相对值，用百分率表示。模压法测定韧性是用一定粒度、规格、规定重量的磨粒在压模内承受一定的静压后，以其未破碎颗粒的重量百分数作为磨料的韧性值；球磨法测定韧性是以一定重量、粒度规格的磨料于一定转速的球磨机中(内装一定规格、重量的钢球)转至规定的总转数后，以未经破碎颗粒的重量与回收样总重之比，作为磨料的韧性值。⑴．模压法、静压法取一定重量的20目或46目待测磨料，于压模内承受一定的静压力，其大小以未破碎颗粒的重量百分数表示；⑵．球磨法以一定重量的16目磨粒装入一定转速的磨机内，机内置一定规格、质量的磨球，开动设备至规定转数后，筛分，未破碎质量与破碎质量之比，表示球磨韧性值；一般磨机要求容积5升，转数75/min，转动20min，装入3/4"磨球1000g，装入样品100g；下表为各类磨料的球磨韧性值：表1-14各类磨料的球磨韧性值磨料名称棕刚玉白刚玉单晶刚玉含Ti刚玉TLTH韧性值%56.560.070.062.061.072.04.影响磨料韧性的因素影响磨料韧性的因素有：磨料的颗粒形状和尺寸、磨料的显微结构等因素都会影响其韧性，如单晶体磨粒的韧性较集合体磨粒的韧性高。煅烧处理可弥合磨粒的表面缺陷以及破碎过程产生的应力，因而煅烧处理可提高磨料的韧性。另外磨料的化学成分及矿物组成也影响其韧性值。⑴．磨料本身化学成分、矿物组成、晶体结构是根本因素，即磨料的品种不同，决定了它的韧性值，如上表；表1-15磨料颗粒形状对其韧性的影响磨料颗粒形状韧性（％）等积形64短柱状53针、片状44⑵．杂质对韧性的影响很复杂，如下图，表明了刚玉磨料的杂质对其韧性的影响

脆性含量MgOCaOTiO2SiO2Fe3O4Cr2O3图1-1磨料中杂质对其韧性的影响从图中可见，MgO、CaO、TiO2、SiO2均使韧性下降，脆性增加；Fe3O4、Cr2O3适量可使韧性上升；⑶．磨料晶体大小、形状的影响晶体大小与形状对磨料韧性影响很大，等积形的韧性高于杆状、片状的颗粒，颗粒形状与磨料破碎方法有关，因此不同的破碎方法所得的磨粒韧性不同；表1-16不同破碎方法对其韧性的影响球磨机等轴晶粒多对滚机、颚式破碎机片状多韧性好韧性差⑷．煅烧的影响表1-17煅烧对刚玉韧性的影响下表列出了棕刚玉、白刚玉煅烧前后的模压韧性，从中可见煅烧对其韧性的影响。

棕刚玉白刚玉未煅烧1000℃1350℃未煅烧1000℃1350℃24目46637336445030目566774386677关于煅烧提高韧性的原因：a．消除了制粒过程的应力；b．弥合磨粒微裂纹和晶体缺陷；1.3.3磨料的抗压强度1.定义磨料对承受外来压力发生破裂的抵抗能力，即发生破裂时的临界应力。注意：是静态的，与韧性的区别。对磨料的应用有重要意义；2.测定方法用单颗粒抗压强度测定仪测定磨料的单颗粒抗压强度，一般测量40粒，取平均值，即磨料的单颗粒抗压强度。3.几种刚玉磨料的单颗粒抗压强度几种刚玉磨料的单颗粒抗压强度值列于表1-18：

表1-18部分刚玉单颗粒抗压强度磨料名称代号单颗粒抗压强度（N）棕刚玉（30目）A11.4白刚玉WA7.2微晶刚玉MA2.2单晶刚玉SA12.0铬刚玉PA13.44.SiC与刚玉抗压强度的对比一般认为SiC的抗压强度高于刚玉，如：SiC抗压强度224Kg/mm2，刚玉为75.7Kg/mm2，但粗颗粒时可以发现SiC的强度低于刚玉，主要是SiC的缺陷多，尺寸大时更为明显。1.3.4磨料的研磨性能1.概念在研磨条件固定的条件下，以一定粒度和重量的磨料，磨去被磨对象重量的多少来衡量，国内多采用AC3-4研磨能力测定仪来测量。

2.影响研磨能力的因素研磨能力取决于两方面:⑴．磨料本身的性质；⑵．磨料颗粒形状；如图1-2所示，不同粉碎设备制得的磨粒的研磨能力、强度的关系。注意：不同的形状有不同的使用性能，对固结磨具用等积形，涂覆磨具用尖角形颗粒。％辊式碎机棒磨机轮碾机研磨能力强度片状→等积形图1-2磨料研磨能力、抗压强度与加工方式的关系1.3.5磨料的颗粒密度及测定方法1.概念磨料的颗粒密度是指单位体积(排除开口气孔的体积)内所含磨料的质量，单位是g／cm3。2.测量方法见GB304—83《普通磨料颗粒密度测定方法》颗粒密度是反映磨料结晶完善程度和纯度的重要指标。刚玉磨料的颗粒密度通常在3.90～4g／cm3范围内，随磨料粒度变化而略有波动。按照有关标准规定，各种磨料的颗粒密度是以46#作为代表号进行检验。具体指标见表1-19。颗粒密度是指排除开口气孔，不排除闭口气孔的密度；

测定方法：颗粒密度D＝颗粒重量/颗粒体积先称量磨料在空气中的重量G，再称量磨料在介质中的重量M对于磨粒，介质用水或煤油；对于微粉，介质用煤油；表1-19部分磨料的颗粒密度磨料名称代号颗粒密度(g/cm3)棕刚玉A3.97白刚玉WA3.98单晶刚玉SA3.98微晶刚玉MA3.94铬刚玉PA3.98锆刚玉ZA3.98黑碳化硅TH3.20绿碳化硅TL3.201.3.6磨料的堆积密度及测量方法1.基本概念磨料的堆积密度是指磨料在自然堆积情况下，空气中单位体积内磨料的质量，g/cm3，是磨具制造的重要工艺参数，涉及制品的强度、气孔率、磨削性能。2.测量方法磨料自规定高度下落，充满一定体积的容器，称量即可。采用PDM-1型普通磨料堆积密度测定仪测量。

堆积密度粒度号图1-3粒度对磨料堆积密度的影响表1-20部分磨料的堆积密度磨料名称代号堆积密度(g/cm3)棕刚玉A1.68~1.95白刚玉WA1.75~1.95单晶刚玉SA1.85~1.91微晶刚玉MA1.64~1.72铬刚玉PA1.79~1.88黑碳化硅TH1.30~1.56绿碳化硅TL1.45~1.563.影响堆积密度的因素⑴．磨料种类，如上表；⑵．颗粒形状，其堆积密度从等积形→片杆状依次减小；⑶．粒度号，越细，堆积密度越小，如图1-3。1.基本概念磨料的亲水性是指磨粒与水分子间的亲和力，润湿性；一般认为离子鍵、原子键的物质亲水，如刚玉，碳化硅等；分子键物质则疏水；因而，测定磨料亲水性的意义在于：⑴决定磨料与结合剂结合的牢固程度，直接影响砂轮强度；⑵在微粉的生产过程中影响分级沉淀。1.3.7磨料的亲水性及测定方法2.测定方法利用毛细原理，用毛细现象测定仪，如图示:图1-4磨料亲水性测定示意图以一定时间内玻璃管内水的上升高度表示，越高则亲水性越好。表1-21部分磨料亲水性数值磨料名称代号亲水性棕刚玉A155白刚玉WA220黑碳化硅TH160绿碳化硅TL1503.影响因素⑴．磨料的品种；⑵．磨料表面的清洁程度，如经酸、碱洗，煅烧等，由于表面净化而使亲水性升高；⑶．颗粒形状影响亲水性，一般对辊加工的磨料亲水性＜球磨加工的磨料；

刚玉(α—Al2O3)熔点为2323K；刚玉在298K的标准生成热：ΔH298=-1673.6J／mol刚玉在298K的热容CP＝79.04J／(mol.K)1.3.8磨料的热学性能磨料的热学性能包括:热膨胀、导热性、熔点/比热、热稳定性；其中磨料的物理性能相对于普通磨料主要测定线膨胀系数，对超硬磨料，测热稳定性。

1.膨胀⑴．意义主要影响制造过程中磨粒与结合剂的连接；升温降温温度伸长量⑵．一般要求为使磨粒与结合剂良好粘结，磨料与结合剂原则上应满足如下要求：①．磨料与结合剂有相近的膨胀系数；②．两者的膨胀曲线一致；SiC的热膨胀小于刚玉:SiC平均25~1400℃α=4.4×10-6/℃刚玉平均25~1400℃α=7.8×10-6/℃表1-22刚玉的线膨胀系数温度（K）57367377387397310731273线膨胀系数（10-6K-1）3.344.465.105.756.026.286.632.导热性意义：单位温度梯度下单位时间内通过单位垂直面积的热量；磨料的导热性λ=W/M.S.K(焦耳/米.秒.开)SiC的导热性比刚玉大的多，如下制品:一般结合的低硅电熔刚玉耐火粘土SiC制品13.53.01.4表1-23刚玉的导热系数温度（K）29347367377310731273热导率[W/(Km)]0.10.090.040.040.030.023.热稳定性⑴．意义指材料经剧烈的温度变化而不破坏的性能；⑵．表示方法其中：K，热稳定性；R，材料抗拉强度；α，热膨胀系数；E，弹性模量；λ，导热系数；c，比热；d，密度；由于SiC低的α和高的λ，热应力小，特别耐热震；4.熔点及分解温度刚玉于1850~2050℃熔融；SiC于2200~2500℃分解，无通常意义的熔点；

1.3.9磁性物及其测定1.意义由于杂质含有铁磁性物质，尽管磁选，仍难以除尽，有必要检定；铁磁性物质有下列害处:⑴．使磨具产生斑点；⑵．影响烧结过程；⑶．影响磨削过程；刚玉磨料中含有的磁性物质，其成分和来源较为复杂，有冶炼中残存于刚玉中的硅铁、铁合金或包裹体及制粒加工过程中设备磨损的纯铁、铁台金等。虽然磨料要经过磁选工序处理仍难免混有磁性物，这将使陶瓷磨具产生斑点，尤其影响白刚玉磨具的外观。因此磨料中的磁性物含量要严格进行控制。2.磁性物的测定⑴．用标准规定的马蹄铁，于100g物料中吸出的物料的百分比；⑵．用磁性物测定仪；

1.3.10pH值的测定1.意义磨料的pH值指用中性水浸取后得到的浸液中氢离子的浓度，磨料的pH值为6.0～8.0(用户要求时提供)。磨料的酸碱性将影响磨具的制造，包括以下3方面:⑴．与结合剂之间的反应；⑵．陶瓷坯料的性能；⑶．最终产品的性能；2.测定方法磨料在105℃±5℃烘干lh，取出放入干燥器内冷却至室温。取试样25g倒人锥形烧瓶中，加煮沸的蒸馏水100ml，在1000w电炉上继续加热煮沸3min。取下，迅速用流水冷却到25℃±2℃，在20min内移取上层澄清液于干烧杯内，用pH计测定其pH值。第二章刚玉磨料制造2.1棕刚玉制造2.1.1棕刚玉生产工艺简介棕刚玉的生成过程是用碳质材料把矾土中的主要杂质还原，被还原的杂质与铁生成硅铁合金、并与刚玉熔液分离，熔液冷却生成刚玉结晶。前两部分属棕刚玉冶炼，最后一部分属冶却过程。31.原料主要有矾土、无烟煤、铁屑。矾土，主要含氧化铝，氧化铁，氧化硅，氧化钛，氧化钙，氧化镁等杂质。无烟煤，提供了碳。铁屑，提供了铁合金生成条件。2.冶炼方法三相电弧炉内高温熔炼；

3.冶炼原理无烟煤主要含C，做还原剂，使Fe2O3、SiO2、TiO2还原成金属，铁屑则与还原出来的金属形成铁合金沉淀，与氧化铝分离，经熔炼后的被清除了大部分杂质的Al2O3冷却、再结晶即可形成棕刚玉。

4.基本成分棕刚玉的成分：物理刚玉（α-Al2O3）91～97％，TiO21.5~3.3%，呈棕色；铁合金的成分：Fe，82~83%；Si，14~16%；Ti，2~3%；Al，1.5~3.0%；5.工艺方法一般按冷凝方式分类，有3类:⑴．熔块法，熔炼后在炉内冷却，然后扒炉；⑵．倾倒法，冶炼后倾倒于另一容器中(接包车)冷却；⑶．流放法，沿一定尺寸的冷却槽流放，可加速冷却；

6.简单工艺流程棕刚玉冶炼工艺流程如下：图2-2熔块法棕刚玉冶炼流程图2.1.2棕刚玉冶炼的物理化学原理1.主要目的从矾土原料中冶炼出较纯的氧化铝，再结晶成α-Al2O3--物理刚玉；其中，冶炼部分是达到成分要求，再结晶部分是达到结构要求；各种金属氧化物生成反应的ΔFT线随温度升高而向上倾斜，表明氧化物的稳定性随之下降，上图表明了矾土中各金属氧化物的生成自由能(ΔFT)曲线与COΔFT曲线随温度变化的情况:2.热力学分析Fe3O4+O2→Fe2O3FeO+O2→Fe3O4Fe+O2→FeOCr+O2→Cr2O3Si+O2→SiO2

Ti+O2→TiO2Al+O2→Al2O3Mg+O2→MgO2Ca+O2→2CaOC+O→COΔFTT图2-3金属氧化物的生成自由能(ΔFT)曲线与COΔFT曲线随温度变化趋势只有CO的生成自由能曲线例外，是随温度升高而下降，即更加稳定；一个基本原理是:ΔFT低的物质可以在同一温度下得到ΔFT高的氧化物中的O，使其还原，由此可以从热力学上得到下列结论:⑴．在高温CO的ΔFT可以低于Fe、Si、Cr、Ti，因此可以从矾土中经过熔炼去除其中的Fe2O3SiO2TiO2等杂质；⑵．Ca/Mg的ΔFT低于Al氧化物的ΔFT，因而，若还原出Ca/Mg，则氧化铝先被还原，与棕刚玉的熔炼相违，所以在棕刚玉熔炼中，CaO/MgO不能还原成金属得到去除；⑶．热力学分析的还原次序为Fe、Si、Ti、Al。注意:以上是指100%氧化物而言，实际上矾土中的氧化物杂质不多，必须考虑ΔFT随浓度的变化，实际上随棕刚玉熔炼的进行，氧化物浓度越来越低，使还原反应很难进行，必将有少量的残余。2.1.3棕刚玉熔炼的基本过程及原理1.氧化铁的还原⑴．和从矿石中炼铁不一样，熔炼生铁在固态就可以进行了，但由于氧化铁在矾土中浓度低，矾土结晶水分解，阻碍了氧化铁还原，因而固态不能还原氧化铁，只能在熔融后才能进行；⑵．Fe2O3→1430℃→FeOFeO不能自由存在，则FeO+SiO2→2FeO·SiO2(铁橄榄石)即氧化铁在还原前已是矿物形式存在，使Fe2O3更难还原；⑶．得到结论：棕刚玉冶炼中，矾土中氧化铁不能在固态下还原，实际上是炉料熔化后，C从熔体中还原铁橄榄石，反应如下：1/2(2FeO·SiO2)+C=Fe+1/2SiO2+CO2.SiO2的还原⑴．还原反应理论上，用碳还原自由态的SiO2，不生成硅，而是SiC，如同SiC冶炼炉中一样：SiO2+3C→SiC+2CO但棕刚玉中未见到SiC，原因在于存在金属铁(铁先于SiO2被还原)；一方面：Fe+Si→FeSi另方面：SiC+Fe→FeSi因而，SiO2还原靠融解在铁中的C，将C从铁中排除出去，反应如下：SiO2+Fe+2C→FeSi+2CO⑵．SiO2的其它存在形式以上认为SiO2是自由态的，实际上还可与矾土原料中的其它成分形成几种矿物，如下：铁橄榄石(2FeO·SiO2)铁被还原时已分解；莫来石(3Al2O3·2SiO2)钙斜长石(Ca.Al2O3·2SiO2)熔融时不分解，很难还原，关键取决于CaO含量，如果熔体中CaO含量较多，也不希望SiO2过度还原，留有一部分，使之形成钙长石，如下反应:CaO+Al2O3+2SiO2→CaO·Al2O3·2SiO2否则，CaO将与Al2O3形成冷却时的六铝酸钙(CaO·6Al2O3)，大量消耗Al2O3，降低刚玉的产量与质量；3.TiO2的还原

⑴反应原理TiO2+2C+3Fe→Fe3Ti+2COTi2O3+3C+6Fe→2Fe3Ti+3CO⑵．分离Fe3Ti混合于铁合金中下沉；

4.Al2O3的还原⑴．还原过程当熔体的温度较高，而Fe、Si、Ti已基本还原时，可以发生Al2O3的还原：Al2O3+3C→2Al+3CO当有铁存在时，形成铁铝合金，促进了Al2O3的还原，在1920℃就可进行：Al2O3+Fe+3C→AlFe+3CO通常在电弧区域内Al2O3才可能被还原；⑵．还原次序综上所述，可以认为，在棕刚玉的冶炼过程中：①．各杂质氧化物的还原有一定的次序；②．各杂质氧化物不可能完全还原；③．一般工艺要求各氧化物的还原程度为：Fe2O398%，SiO290%，TiO250%；5.铁合金与熔体中杂质的反应在电极附近(如下图所示)形成的铁合金颗粒含有Fe/Si/Al/Ti，下沉时，与熔体中杂质氧化物作用，活性大的金属可以将活性小的金属还原，反应如下：2FeO+Si→2Fe+SiO22FeO+Ti→TiO2+2Fe3FeO+2Al→3Fe+Al2O3SiO2+Ti→Si+TiO23SiO2+4Al→3Si+2Al2O33TiO2+4Al→3Ti+2Al2O3

图2-9电极附近冶炼示意图这些反应在反应过程中伴随反应热，因而也称之为“硅、铝、钛热还原反应”，是上部电弧区域剧烈还原所得铁合金下沉过程中所发生的；

6.粘度及其影响⑴．粘度对冶炼过程及质量的影响对于棕刚玉冶炼过程的影响主要从下面情况来看：①．粘度小，反应充分；②．粘度小，铁合金颗粒易于集成大的颗粒下沉，则刚玉结晶块纯净；③．粘度大，则铁合金颗粒细小分散，难以从结晶块中分选，使质量下降；⑵．采取的措施从以上可见，粘度小对棕刚玉最终产品质量有好的影响，为使粘度小，采取措施如下：①．采用较纯的矾土原料，提高熔点；②．提高冶炼温度，高温下粘度小；7.棕刚玉冶炼过程综述

熔化后，氧化铁最易还原，与C粒起作用，氧化铁得到一定程度的还原后，碳粒和SiO2以及含碳的铁合金与SiO2作用，形成FeSi，然后是TiO2的还原，与SiO2类似，最后可能将Al2O3还原，因此形成了含有Fe、Si、Ti、Al金属的铁合金，并开始下沉。C+FeO→FeSiO2+Fe(C)SiO2+C形成铁合金下沉图2-11铁合金反应、下沉示意图下沉过程中，铁合金中的Ti、Si、Al将与熔体中杂质氧化物发生“硅-钛-铝热还原反应”，即开始交换氧的反应；其结果，随下沉的进行，铁合金中Fe、Si量上升，Ti、Al量下降，造成了熔体中的Fe2O3大部分还原，TiO2较少还原；2.1.4棕刚玉结晶块

图2-10棕刚玉结晶块示意图边部帽盖中心缩孔底部正常的棕刚玉结晶块由于其外观、结构和矿物成分的不同，划分为5个部分：帽盖，缩孔，中心，边部，底部；如图示：1.帽盖刚玉为散状/片状/等轴状，细小晶体，150~350μm，呈灰色；主要杂质：晶内的TiC/TiO-TiN/TiN-TiC；晶间：晶间夹杂玻璃体，钙斜长石，Ti2O3，尖晶石，TiN等；2.缩孔刚玉呈等轴状，500~600μm；杂质有：晶间夹杂玻璃体，含Ti的各种氧化物；

3.中心部是结晶块最纯洁的部分，呈紫褐色，即棕色，刚玉是中等粗大的晶体，500~1750μm；杂质：晶间玻璃体细块，可见含有钙长石，六铝酸钙，Ti2O3等；4.边部由等轴和长板状的中等尺寸的刚玉组成，500~750μm，呈褐色至兰黑色；杂质：晶间夹杂有玻璃夹层，有钙长石，Ti2O3，黑钛石等；5.底部刚玉晶粒由细小到粗大，分布很广，700~2000μm，呈淡灰褐色；杂质：大部分是铁合金，以及六铝酸钙，钙长石，及含Ti矿物；

2.1.5杂质对棕刚玉性能的影响1.棕刚玉磨粒的杂质情况经分选制粒后，磨粒仍含有一定的杂质，分布如下：⑴．约80~85%是刚玉的单晶体；⑵．15%是一定数量的玻璃体粘结的细小刚玉结晶；⑶．5%是刚玉与六铝酸钙，钙长石的晶体；2.杂质的影响刚玉良好的磨削性能来源于其主要成分—α-Al2O3，即物理刚玉，因而杂质对刚玉性能的影响主要是脆性和磨削性能方面，下面图2-12说明了杂质对刚玉性能影响：

表2-3氧化铝变体性能氧化铝变体晶系晶形加热时的变化硬度（莫氏）密度（g/cm3）-Al2O3三斜柱状2050℃熔化93.98-Al2O3(Na2O11Al2O3)六方片状加热到1600℃转变为-Al2O35.5～63.3～3.4-Al2O3立方八面体加热到1200℃转变为-Al2O3，体积收缩率为14.3％83.6图2-12刚玉中杂质对其脆性及磨削性能的影响注：以白刚玉脆性为1对比上图是以白刚玉的脆性及磨削性能定为1，作出棕刚玉中杂质的影响；SiO2：含量低时影响不大，＞4%则影响显著；CaO：大大提高脆性，含量少时对磨削影响不大，＞2.5%时影响显著；MgO：对磨料的韧性和磨削性能严重影响；Cr2O3：2~3%时，可在不降低韧性的前提下增加磨削性能；

表2-5杂质对消耗刚玉中氧化铝含量的影响

表2-7棕刚玉冶炼工艺特点及方法

表2-8不同CaO含量对物理刚玉生成量的影响CaO（％）0.250.50.751.001.251.501.752.00-Al2O396.895.093.291.990.989.987.986.5表2-2刚玉冶炼时铁台金的产量和所用矾土质量的关系钒土中SiO2含量％3581012铝硅比Al2O3/SiO220116.554每吨刚玉所产生的铁合金（kg）90～100200～220380～400500～550600～7002.2其它刚玉磨料2.2.1白刚玉1.成分，性能，特点一般白刚玉氧化铝含量大于98%，Na2O小于0.8%，磁性物含量小于0.004%；由于Na2O对其最终产品性能及产量均有大幅度影响，故严格控制；磨料的硬度较棕刚玉为高；韧性稍差于棕刚玉；

42.制造原理用工业铝氧粉作原料，熔化成氧化铝熔液，冷却再结晶即成；其中没有还原过程，原料中的杂质全部留在熔体中，因此，产品质量与原材料关系极大；铝氧粉是氧化铝粉的通称，是矾土经化学提纯制成的工业产品。铝氧粉呈白色粉状，含A12O3＞98％，熔点＞2000℃，也是电解铝和制造铬刚玉、镨钕刚玉的主要原料。我国制造白刚玉磨料都采用三级以上的铝氧粉。铝氧粉分类级别铝氧粉成分:要求Al2O3≥98%，Na2O≤0.6%，Fe2O3等铁磁性物质≤0.004%，对SiO2、CaO都有一定要求，其中Na2O可与Al2O3形成Na2O.11Al2O3，即高铝酸钠，有以下有害作用：⑴．大量消耗氧化铝，降低刚玉产量；⑵．夹杂于刚玉内，使性能下降；⑶．高铝酸钠存在于结晶块的上部；为了消除或减弱氧化钠的危害，在白刚玉冶炼中采取了三种办法：加石英砂，加氟化铝，铝酸钠冷却偏析。加石英砂法：加石英砂的目的是形成三斜霞石或霞石(Na2O．A12O3·2SiO2)，限制铝酸钠的生成。加氟化铝法：氟化铝进入熔炉后，首先与氧化钠反应，生成氟化钠：铝酸钠冷却偏析法：因为铝酸钠的熔点为1900℃，较氧化铝的熔点低，所以冷却时刚玉最先结晶出来，而把含铝酸钠较多的熔液留在尚处于液态的中上部位。铝酸钠晶体与刚玉晶体的外观构造不一样，很容易识别，可在出炉后分选除掉。3.熔炼工艺流程⑴．倾倒炉白刚玉冶炼工艺流程倾倒炉工艺是白刚玉生产过程中常用的工艺方法之一，图2-13是其工艺流程图：

图2-13倾倒炉白刚玉冶炼工艺流程⑵．熔块炉白刚玉冶炼工艺流程熔块炉白刚玉冶炼工艺是白刚玉另一主要冶炼工艺之一，其流程图见图2-14：

图2-14熔块炉白刚玉冶炼工艺流程⑶．熔炼特点①．不需还原，可快速熔化，所以二次电压比熔炼棕刚玉的高；②．允许炉下部先凝固，可以使杂质排除(利用偏析)；③．电极、炉衬要求高，防止杂质混入；

⑴．熔块与棕刚玉不同，主要是上下分布，上下构造、成分差别显著：①．上部疏松、杂质含量高；②．中、下部一般致密、杂质含量少；⑵．缺陷①．大片结晶不集中，主要原因：原料内Na2O含量高；熔液温度低、粘度大，不利于杂质的偏析；②．颜色发黑或灰，主要原因：主要是由电极的碳引入而又未能挥发；⑶．对策：精选电极，充分精练；表2-10常见质量问题及解决措施

表2-10常见质量问题及解决措施

表2-10常见质量问题及解决措施

2.2.2微晶刚玉1.成分、结构、性能特点在成分、外观、矿物结构、采用原料、冶炼方法等方面与棕刚玉类似，其特点是：颗粒由许多细小的多晶组成，即微晶；由于微晶，使其有两个特点：⑴．强度高，韧性大，可用于重负荷磨削；⑵．磨削时呈微刃破碎状态，可用于精密磨削；2.原理有两项工艺措施来保证获得微晶：⑴．熔体中含有一定量的MgO（0.5％）；⑵．快速冷却；快速冷却结晶使MgO等高熔点杂质以胶体细质点离析，形成非自发形核中心，使结晶细小，从而获得微晶刚玉；

3.工艺要点冶炼的设备、原材料、工艺与棕刚玉基本相同，为保证微晶化，需控制MgO的含量和冷却速度；表2-12微晶刚玉与棕刚玉综合对比⑴．使熔体MgO含量0.03~0.8%，＜0.03％则达不到微晶化要求；＞0.8%则杂质多而影响质量。主要靠矾土控制，若含量不足可添加MgO；⑵．快速冷却，采用倾倒、流放法，控制较小的厚度；在刚玉熔体流过石墨槽时，用滚筒挤压，控制厚度在1.6~3.2cm的半塑性刚玉，浇水冷却；

表2-13我国与日本不同及相同工艺方法微晶刚玉尺寸对比

表2-14不同工艺条件微晶刚玉晶体结构比例

表2-15棕刚玉与微晶刚玉成分对比表2-16棕刚玉与微晶刚玉综合性能对比

从以上可见，不同的工艺方法对微晶刚玉的结构性能影响很大。

2.2.3单晶刚玉

1.成分、结构、性能特点单晶刚玉指整个磨粒是由一个自然结晶的完整晶粒形成的；由此可见，单晶刚玉外形特点是：⑴．结构完整，没有晶界、裂纹，因而具有高的强度和韧性；⑵．棱角分明，等积的多面体，规整，因而加工精度高；⑶．成分与棕刚玉类似；2.单晶刚玉的工艺原理加入黄铁矿，含有较多的FeS，熔炼时形成Al2S3存在于晶界上，水解即成单晶刚玉，反应式如下：Al2O3+3C+3FeS→Al2S3+3Fe+3CO↑熔炼时Al2S3+6H2O→2Al（OH）3+3H2S↑水解时图2-15Al2S3-Al2O3系统相图3.工艺过程采用矾土、黄铁矿、无烟煤、铁屑，于电弧炉内冶炼而成。类似于棕刚玉，其工艺流程如图2-16所示。

图2-16单晶刚玉生产工艺流程图4.主要环节的说明⑴．熔炼：形成的Al2S3熔化时与Al2O3互溶，冷却时结晶过程中互不融解而分离，存在于多晶的晶界上；⑵．熔块中的Al2S3越多越易水解，反之水解性能变坏，但过多时消耗Al2O3增多，产量下降，产品性能由于夹杂多而下降。因此应控制合适的黄铁矿的加入量；⑶．冷却时必要自然冷却，以有充分时间使Al2S3充分偏聚到晶界处；⑷．水解时的水温对水解速度影响极大，要求80℃左右；⑸．水洗去除石墨和硫化物；⑹．酸洗除铁；⑺．煅烧，去除磨粒的热膨胀，还可进一步去除S、C，一般1000℃±50℃；

表2－17Al2S3含量对单晶刚玉晶体形状的影响

2.2.4铬刚玉1.成分、结构、性能⑴．在白刚玉熔炼过程中，引入Cr即可，一般以Cr2O3加入，控制在0.5～3%；⑵．颜色为紫红色或玫瑰红色；⑶．硬度与白刚玉相仿，但韧性足够，因此可使磨具寿命长、形面保持好、精度高，常用于仪器、仪表部件加工；2.工艺原理及过程⑴．原理下图为Al2O3－Cr2O3相图，形成了连续固熔体，Cr2O3以置换方式存在，由于固溶强化作用，使刚玉的性能提高，强度和韧性都大幅度提高。Cr2O3含量不同提高的作用也不同。

图2－17Cr2O3－Al2O3系统相图图2－18Cr2O3含量与刚玉晶面间距的关系⑵．注意在铬刚玉的冶炼过程中，Cr2O3的损失较大，利用率为40～50％，主要原因是：部分Cr2O3还原成Cr、飞扬损失、存在于夹杂物中等；一般采取熔炼后期加入、与部分氧化铝粉拌匀加入等方法来减少损失。表2－18铬刚玉和白刚玉部分性能对比2.2.5锆刚玉1.成分、结构、性能⑴．是Al2O3与ZrO2的复合氧化物，与白刚玉冶炼相同，是熔化、再结晶的过程，不考虑杂质的还原等问题；⑵．品种有含ZrO210％、25％、40％的3个品种；⑶．结构方面：由相图可知，锆刚玉是由Al2O3－ZrO2组成的共晶体所包围的刚玉晶体所构成，分析共晶体结构。在生产上要控制结晶晶体的平均尺寸＜30μm；⑷．性能：由于共晶使其结晶细小，ZrO2的形变塑性，使锆刚玉具有很高的韧性和很高的耐磨性，因而适于强力磨削；2.工艺及原料主要用铝氧粉、锆英砂，与白刚玉类似的方法制得。

42.61710℃2.2.6矾土烧结刚玉1.特点⑴．适用于重负荷荒磨：荒磨不锈钢等工件，需要大粒度（如16目）、大进给，磨粒承受的力很大，如用一般的棕刚玉，砂轮寿命低，加工效率也低，如用矾土烧结刚玉就能胜任这一工作；⑵．高的韧性与特殊结构：矾土烧结刚玉是用特别细碎的矾土颗粒(＜3μm)烧结制成，由于没有杂质的还原，其结构为玻璃体粘结的刚玉及少量的莫来石，呈微晶结构，因此可见，矾土刚玉韧性高、表面粗糙、适于荒磨；2.工艺过程⑴．矾土→煅烧→破碎→湿法球磨至＜3μm→泥浆干燥→破碎→加粘结剂造型→烧结⑵．造型方法①．挤压法：用挤压机，可选不同的模具孔；②．干粉压块，置于6目～16目二层筛上，筛分后，中间部分为成品；⑶．烧结①．于700～800℃预烧；②．于1470～1570℃烧结，可用隧道窑、电阻回转炉等；

第三章SiC磨料制造3.1简述3.1.1历史SiC是最早发明的人造磨料。1824年，Berzellius从硅氯化钾还原出SiC；1891年，Acheson在粘土和焦炭的混合物中通过电弧炉制得SiC，取名Carborundon（卡普伦登），来源于碳和刚玉二词的复合是误解；1893年，主要工艺得到完善并获得专利，艾奇逊发表了第一个制造碳化硅的专利；直到目前为止，该工艺方法无原则改变，只是炉子大了，设备先进一些。业已应用的碳化硅是一种人造材料。1925年，卡普伦登公司又宣布研制成功绿碳化硅。我国碳化硅于1949年6月由赵广和研制成功．1951年6月，第一台制造碳化硅的炉在第一砂轮厂建成，从此结束了中国不能生产碳化硅的历史。1952年，第一砂轮厂在东北科学院大连科学研究所曹户让的指导下又试制成功了绿碳化硅。随着国民经济的发展，我国又相继开发了避雷器用碳化硅、立方碳化硅、铈碳化硅及磨料级碳化硅。3.1.2碳化硅的主要用途工业碳化硅除作磨料外，还有多种非磨削用途。以下分几个方面介绍碳化硅的主要用途。1.磨料目前我国工业碳化硅仅以磨料用途为主。其中绿碳化硅具有较高的硬度和一定的韧性，多用于磨加工光学玻璃、硬质合金、钴合金以及轴承钢的研磨抛光、高速钢刀具的刃磨等；黑碳化硅多用于切割和研磨抗张强度低的材料，如有色金属材料、灰铸铁工件、玻璃、陶瓷、石材和耐火制品等。微粉磨料专用于轴承(材料0Crl5)的超精磨，磨削效率和精度高。2.耐火材料碳化硅具有很好的抗热震性能，因此是一种优质耐火材料。按制品的生产工艺不同，可分为再结晶碳化硅、制品，高温热压制品，以氮化硅或粘土为结合剂的制品等。主要产品及用途有：高温炉窑构件、支撑件。如：匣钵、衬板等；在电炉中作加热式炉底、换热器、热电偶套管等；炼铁高炉用于出铁槽、铁水包内衬、或碳化硅耐火砖等；焦化厂使用碳化硅材料衬砌炽热焦碳用流槽，砌筑炭化室炉底等。3.冶金行业除用以各种冶炼炉耐火炉衬外，还用作炼钢脱氧剂、铸铁组织改良剂等。脱氧剂黑碳化硅化学成分要求为：Si＞90％，C＜4％，Fe＜1％。与以焦碳、硅粉进行扩散脱氧的传统炼钢工艺相比，使用SiC脱氧剂具有钢质量好、劳动环境好的优点。4.其他方面特点在电工行业，碳化硅材料还广泛用作电热元件、高温半导体材料、远红外线板、避雷器阀片材料等。在化工行业，利用碳化硅的化学稳定性制作各种化工管道、阀门等。用电镀法将碳化硅微粉涂敷于汽(水)轮机叶轮上，可以大大提高叶轮的耐磨性能。以碳化硅为主要原料的陶瓷体用金属支撑板衬贴后可制成有效的防弹材料。由于碳化硅具有优良的高温强度和抗氧化性能，它已成为高温非氧化物陶瓷的主要原材。3.2SiC的结构和性质3.2.1晶体结构1.结合键特点SiC是C原子、Si原子以共价为主相结合而成的化合物。成键时，发生电子在壳层上的转移，形成SP3杂化轨道，是类金刚石结构，因此具有很高的硬度和熔点；2.晶体结构在碳原子和硅原子的结构中都只有两个未成对的价电子，C2Px1与C2Py1及Si3Px1与Si3Py1．故对外联系只能形成两个共价键。但是，在形成碳化硅分子时有一个激发过程。碳原子把一个2S电子激发到2Pz轨道，使结构变成C，1S22S12PX12PY12PZ1Si原子也把一个3S电子激发到3Pz轨道，变成Si，1S22S22P63S13PX13PY13PZ1

这样就各有四个未成对的价电子，结合成碳化硅时就可以构成四个共用电子对，即形成四个共价键。这种外层四个轨道相互混合重新组成的四个等同的新轨道，称为sP3杂化轨道。碳化硅结晶中存在呈四面体空间排列的sp3混杂键，即碳硅元素形成结晶体时，sp排列趋于稳定化，晶格改变为能量更大的稳定性sp3杂化轨道。键的共价特性和高强度，决定了碳化硅具有一定的能量和机械强度。利用x-射线衍射对碳化硅结构的分析说明了它的两种主要形态：晶体排列致密的六方系的α-SiC和类似于闪锌矿结构的等轴晶系的β-SiC。除了两种主要多晶变体外，碳化硅还会生成大量不同晶系的变体。为了表述各晶系变体、分类命名，人们提出了这样几种方法：⑴．各种六方晶系的碳化硅多型体按发现的先后顺序用相应的罗马数字表示之。如：SiCⅠ、SiCⅡ、SiCⅢ。⑵．拉姆斯德尔命名法：用字母H、R和C表示晶格类型分别为六方晶系结构，菱面体结构和立方晶系结构，并在字母前用数字表示单位晶胞中的碳硅重复层数。如：3C、6H和15R等。⑶．将类似于闪锌矿结构的等轴系碳化硅称为β-SiC，而将排列致密的六方系和菱面体碳化硅称为α-SiC,详见表3-1。表3－1碳化硅命名方法及相互关系各类型变体的形成与碳化硅的生成温度有关。对碳化硅电阻炉内不同区域的晶体结构进行研究证明，由高温炉芯向外延伸，碳化硅晶型的变化规律为：6H→15R→4H→3C高温低温现已发现，氮对β-SiC有明显的稳定化作用。如：在电阻炉内以升华法培育碳化硅晶体时，随着氮的压力的增加，β-SiC的量增大。当氮的压力为0.1-0.2MPa时，生成的α-SiC具有β型特征。而当氮的压力大于0．2MPa时，在生成α-SiC晶体的同时，还生成完全为立方晶系结构的碳化硅晶体，压力再升高(达24.5MPa)，温度为2000-2700℃时，只出现β-SiC。2500℃和氮的气氛下，α-SiC与β-SiC相互转换的条件可表示为：PN2＞200KPa，转化迅速PN2＞66.5KPa，转化缓慢α-SiCβ-SiC由此可见，控制β-SiC的数量，应从制炼的温度和氮的分压入手。杂化轨道的形成，每个C原子与4个Si原子形成共价键，C原子位于4个Si原子为顶点的四面体中心，Si原子亦然，与金刚石类似；⑷．与金刚石的区别SP3杂化轨道的坚固性，决定了SiC的高硬、高强，但由于两个原因，致使SiC的机械性能又不及金刚石，这两个原因是：①．SiC的实际键长18.88nm＞金刚石的15.41nm；②．晶型不全是共价键，有12％的离子鍵（是由Si、C的电负性差异所致）；3.化学性质⑴．碳化硅的化学成分及杂质碳化硅磨料的化学成分是反映其内在质量和性能的主要指标之一。一般地说，碳化硅含量愈高、纯度愈高，则碳化硅磨料的物理性能愈好。我国碳化硅磨料化学成分的标准见GB2480-83。碳化硅磨料的主要成分是碳化硅(SiC)。一级品SiC的结晶块中通常含95％~98％的SiC，其余为各种杂质。①．游离硅(F·Si)：它一部分溶解在碳化硅晶体中，一部分与其它金属杂质（铁、铝、钙等）呈合金状态存在；②．游离二氧化硅(F·SiO2)：通常存在于晶体表面。大都是由于冶炼碳化硅电阻炉冷却过程中碳化硅氧化而形成。正常情况下。绿碳化硅结晶块表面的游离硅、二氧化硅的含量为0．6％左右。当配料中二氧化硅过量时，二氧化硅会蒸发凝聚在碳化硅晶体表面上，至白色绒毛状。③．碳(C)：一部分包裹在碳化硅晶体中，一部分和金属杂质形成碳化物。当配比中碳过量时，可看到明显的游离状态的炭粒。

铁、铝、钙、镁：由于炉内的高温及还原性气氛，结晶块中的这些杂质大都是合金状态或碳化物状态。

表3-2碳化硅中杂质的含量碳化硅磨料的化学成分随磨料粒度的变化略有波动。粒度愈细，纯度愈低。我国磨料工业上，规定碳化硅成分的标准分析方法是酸萃法，即采用混合酸液对试样加热处理，使颗粒表面的杂质溶解，残渣经灼烧后视为碳化硅含量，此法又称为表面分析法。另一种分析法是碱熔法，即把试样与碳酸钠共熔，待试样全熔后分析之。这种分析方法又称为全熔法。显然，同一试样用前一种方法测出的碳化硅含量稍高于后一种测法。硅晶体中，一部分与其它金属杂质(铁、铝、钙等)呈合金状态存在。⑵．碳化硅的抗氧化性碳化硅的化学性质中最重要的是它的抗氧化性能，碳化硅在空气中加热到1000℃以上时，仅在其表面氧化，生成一层二氧化硅薄膜，这样使得碳化硅有较好的抗氧化性能。1300℃时薄膜层二氧化硅开始有方石英析出，晶型的转变引起薄膜层开裂，从而氧化速度有所增加。在1500-1600℃时，由于SiO2层的增厚，限制了氧化作用，这使得碳化硅能在1600℃高温下长期稳定使用。超过1627℃时，将发生如下反应：2SiO2+SiC→3SiO+COSiO2的蒸发，使SiO2保护层受到破坏，这时碳化硅的氧化作用又会迅速进行。因此1627℃是碳化硅材料的最高工作温度。在以水蒸气、二氧化碳作氧化剂时，情况类似于在空气中氧化。但在1627℃以下时，H2O和CO2对SiC的氧化速度要小些。表3-3为这方面的实验数据。表3-3碳化硅在几种介质中的氧化速度注：负号表示重量减轻。3.2.2碳化硅的化学稳定性工业碳化硅晶体表面的SiO2薄膜使得碳化硅在较高温度下不和强酸作用。因此碳化硅的化学稳定性与其氧化特性密切相关，实际上碳化硅的化学稳定性不是由于它固有的性质而是因为当氧化时产生的二氧化硅薄膜的性质。例如：由于浓硝酸与氢氟酸的混合物有溶解二氧化硅的能力，因而可用来溶解碳化硅。碳化硅在空气中能被熔融的强碱或碳酸钠分解：在1300℃时，特别是氧化气氛下，碳化硅可被硅酸钠严重侵蚀。因此，碳化硅陶瓷砂轮不宜用水玻璃作湿润剂。在高温氧化性气氛中，铁、锰等金属氧化物能与碳化硅晶体表面的SiO2薄膜生成低熔化合物，使碳化硅氧化和侵蚀。高温下，碳化硅将受氟、氯和氢气的侵蚀。水蒸气在高温下也能与SiC反应。一些酸、碱及化合物对SiC的作用情况见表3-4。表3-4酸、碱、化合物对碳化硅的作用情况表3-4酸、碱、化合物对碳化硅的作用情况表3-4酸、碱、化合物对碳化硅的作用情况表3-4酸、碱、化合物对碳化硅的作用情况3.2.3碳化硅的物理性能1.碳化硅的硬度与韧性碳化硅的硬度值介于刚玉和金刚石之间。新莫氏硬度为13级，维氏硬度为3100-3400kg．mm-2。实际上碳化硅不同晶面方向上的硬度是不相同的，其差值可达800kg．mm-2以上。碳化硅的硬度也随温度的升高而下降，但各温度下的硬度值仍大于刚玉，见表3-6所示。碳化硅磨料的韧性值反映了颗粒状碳化硅在外力作用下破碎的难易程度。表3-7为黑碳化硅磨料的韧性值。影响碳化硅磨料韧性值的因素主要是磨料化学成分、矿物组成、颗粒形状等。煅烧处理可提高碳化硅磨料的韧性。磨料行业对韧性的测试方法有静压法和球磨法两种，详见刚玉部分。表3-5碳化硅不同晶面方向上的显微硬度值表3-6不同温度下刚玉与碳化硅硬度变化情况碳化硅的机械强度高于刚玉。平均尺寸为0.1mm的高纯度碳化硅颗粒的抗压强度为186kN．cm-2，而普通刚玉磨料为100kN．cm-2；碳化硅磨料愈细其抗破碎强度愈高。粒度尺寸为90-2500μm的碳化硅的平均抗破碎强度为：5800kPa．cm-2，同样尺寸范围的刚玉磨料为5300kPa．cm-2。表3-7黑碳化硅韧性示例2.碳化硅的色泽纯碳化硅为无色晶体。工业碳化硅的色泽取决于晶体中存在的杂质种类和数量，有淡黄色至黑色之间的多种不同的颜色。磨料行业把浅蓝色至黑色的视为黑碳化硅；无色至绿色的为绿碳化硅。碳化硅的呈色原因有多种不同的解释。一般认为是由外来杂质的存在引起的。如：以碳化硼的形式引入硼时，会使晶体呈黑色；当晶体中含氮时则为绿色。碳化硅的外观颜色除与晶体本身的色泽有关外还与自然光在晶体表面薄膜的干涉现象有关。当碳化硅晶体表面的氧化硅薄膜厚度不同时，或对光线的反射角度不同时，碳化硅晶体表面的呈色亦各不相同。因此在自然光下常常看到碳化硅具有绚丽多彩的色泽。3.碳化硅的热导率及线膨胀系数作为一种优质耐火材料，碳化硅具有优越的抗热震性能。这表现在其高的热导率(导热系数)和较低的线膨胀系数上。一般工程计算碳化硅的导势系数为6.28-9.63w．m-1．K-1，此值约为刚玉导热系数的4倍。

4.碳化硅的导电性能工业碳化硅是半导体，其导电性能随晶体中引入杂质的种类和数量的变化而变化。电阻率在10-2～1012Ω.cm之间。其中对碳化硅导电性影响最大的杂质是铝、氮和硼，含铝较多的碳化硅导电性显著增大。碳化硅的导电性随电场强度的增大而迅速提高，且具有非线性变化的特点。碳化硅的电阻率随温度的变化而改变，但在一定温度范围内与金属的电阻温度特性相反。图3-1高纯SiC电阻率与温度关系图3-2工业SiC导电率与温度关系5.碳化硅的其他性质除碳化硅化学成分外，国标还对碳化硅磨料的密度、粒度组成、铁合金粒允许含量、磁性物允许含量作了规定，详见附录及刚玉部分。另外磨料物理性能的一些测定方法已有国标规定，详见《普通磨料pH值测定方法》、《普通磨料堆积密度测定方法入《普通磨料颗粒密度测定方法》和《普通磨料亲水性测定方法》等。

3.2.4冶炼炉内不同结晶类型的分布规律1.SiC不同晶体类型稳定存在的温度范围通过大量的研究，得到各种SiC晶格类型稳定存在的温度范围：⑴．3C的立方型属于低温型，存在于炉内1450-1800℃区间，呈黑色或黄绿色的粉末，粘结成块，以前误认为是无定型物，工业上仍沿用这一名字；⑵．6H型在2500-2600℃的高温区间存在；⑶．在1800-2500℃有其它一系列的晶格类型；2.SiC不同晶体类型在炉内的分布综上所述，易于描述在SiC结晶筒内晶型的分布，这里所说的结晶筒是碳化硅冶炼后，去除表面的培烧料及无定型物之后的剩余部分，呈筒状，故称结晶筒。又根据所产碳化硅颜色特点，将碳化硅结晶筒分为绿炉、黑炉，其分布情况如图3-4：