磨料磨具 气孔和造孔剂

主讲人：郭森林

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磨具三要素，磨料、结合剂我们都已经学习过了，今天我们来学习下最后一个——气孔。

气孔也是砂轮很重要的一个组织特征，陶瓷砂轮正是由于其独特的开气孔结构，自锐性、可修整性、磨削效率等较优，而树脂砂轮、金属砂轮，由于气孔较少或没有，磨削热、自锐性等问题成为影响砂轮性能发挥的因素。可以说，正是陶瓷结合剂的天然气孔结构赋予其许多独特的性能，但由于磨削应用环境多样，仅靠自身的空隙难以满足磨削所有需求，造孔剂的选取及应用也是颇为重要的。

今天这节课，我们从砂轮组织结构开讲，然后和大家聊聊常用的造孔剂，以及与砂轮造孔相关的“那些事”。

1、普通砂轮的组织

砂轮的组织，也称为“磨粒率”，是以磨粒体积占砂轮体积的百分比来表示的，其反映了磨料在砂轮组织结构内分布的疏密情况。我们常说的“组织号”也就是划分砂轮组织疏密的一种方法，但要注意，组织号是针对普通砂轮来说的，超硬砂轮没有组织号的相关标准。

普通砂轮的组织号（N）与磨粒率（Vg）的关系为：Vg=62-2N，也就是说磨粒率62%为组织号“0”，磨粒率34%为组织号“14”。图1是普通陶瓷磨具内磨粒K、结合剂b、气孔P的体积百分数相图。

图1 陶瓷磨具内磨粒K、结合剂b、气孔P的体积百分数相图[1]

图1的P区是普通磨料的陶瓷结合剂砂轮组织范围，其结合剂用量范围为5～25（vol%），磨粒所占体积比为40～68（vol%），气孔所占比例为17～55（vol%）。图中P区的AE线是磨料最低填充密度极限，BC线是磨料最高填充密度极限，AB线是最小结合剂当量，DE是最大结合剂当量。图中的S区为CBN陶瓷砂轮组织范围，其结合剂用量范围为25～70（vol%）、CBN用量为14～58（vol%）、气孔为17～34（vol%），制造CBN陶瓷砂轮常用的结合剂量为20～40（vol%）。[2]

这个相图对超硬陶瓷磨具也是有指导意义，大家可以多多领悟。在实际生产制造中，通常等磨粒百分数线（代表磨粒比例固定而结合剂、气孔变化）决定普通磨料砂轮的组织或超硬磨料砂轮的浓度。等气孔百分数线有时也可反映普通磨料砂轮的硬度。

2、气孔的分类及常用造孔剂

了解了砂轮组织，大家也对气孔在砂轮组织结构中的地位有所认识了吧，那气孔到底有什么作用，生产中又该如何获得需要的气孔呢？下面我们来讲讲这些内容。

气孔在砂轮中存在形式有两种，如图2所示。一种是存在于结合剂中，不影响磨粒之间形成结合剂桥；另一种是存在于磨粒之间，会严重弱化结合剂桥的强度，导致磨粒在磨削过程中容易脱落。

（a）位于结合剂中

（b）位于磨粒之间

图2 气孔在砂轮中的分布

气孔具有容屑、排屑、散热、冷却等作用。树脂砂轮和金属砂轮属于密实型结构，气孔很少或没有，陶瓷砂轮具有自然生成的气孔。下面，我们主要讲一讲陶瓷砂轮的造孔。

陶瓷砂轮烧结自然形成的气孔一般不超过0.02mm，气孔率有限，不能提供足够的空间容纳较大切除下的金属屑，所以造孔在陶瓷CBN砂轮中的应用非常广泛。

陶瓷CBN砂轮造孔方式主要有利用颗粒级配造孔和添加造孔剂造孔两种。颗粒级配造孔是通过调节磨具配方中粉体的颗粒度的比例来控制气孔，但对于精磨和高精密磨具，其粉体要求细，颗粒级配方法很难满足要求，所以，添加造孔剂成为陶瓷结合剂CBN砂轮比较适合的造孔方法，并已有很多研究报道和应用经验。

已见报道的造孔材料主要有：萘、锯末、核桃壳粉、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、无机铵盐等。它们的造孔机制不同，成孔效果也不一样。具体来说：

1.萘主要靠燃烧过程中物质升华、挥发或分解达到造孔的目的，萘的成孔效果好，是一种传统的造孔材料。但是，萘挥发、分解产生的物质具有毒性，威胁环境和人体健康，国家已经明令禁止生产、销售和使用。

2.锯末、核桃壳粉、碳粒等。也是一种传统的造孔材料，在普通陶瓷磨具中应用较多，它们在磨具压制成型过程中自身占有一定的空间，然后在烧结的高温条件下逐渐碳化、缩小，并形成一定的气体，起到造孔的作用。这种造孔剂一个显著的缺陷是气孔大小、均匀性难以控制，而且它们与结合剂不亲和，对砂轮强度下降较大，所以在陶瓷CBN砂轮中很少使用。

3.塑料粒、PS微珠、PMMA微珠等。它们也是利用高温下挥发或燃尽而达到造孔效果，刘振等在Al₂O₃多孔陶瓷中引入PS微珠、PMMA微珠作为造孔剂，并与炭黑的造孔效果进行了对比，其对多孔陶瓷的强度下降作用大，而且这些有机物在分解过程中会产生有毒物质，难以在生产中使用。

4.无机铵盐。刘一波等比较系统地研究了NH4F、NH4Cl、(NH4)2SO4和NH4HCO3四种无机铵盐的造孔效果，其中，NH4F、NH4Cl不能造孔，(NH4)2SO4造孔皆为小孔，气孔可调性差，NH4HCO3造孔有一定的大孔径气孔，但要真正控制气孔孔径，还是很难实现。

5.Al₂O₃空心球。刚玉空心球做造孔填料，在超硬磨具的生产中已有较广的应用，相关研究报道也有很多。刚玉空心球粒度可控，形状均匀，强度高，而且在烧成温度下不会烧蚀变形，是一种较理想的造孔材料。

6.碳化硼、碳化硅、氮化硼等填料。这些填料的硬度很高，可以做磨料使用。它们与陶瓷结合剂的粘结能力差，在磨削过程中很容易脱落而产生气孔，而脱落的填料颗粒还对工件有一定的切削作用。这种方式的造孔还有另外一个好处：对砂轮的强度下降作用小。

据报道，使用与CBN磨料粒度相近的填料，当填料体积与磨料体积比为0.10～0.15时，砂轮的断裂强度与无填料时相同。但是，这种方式的造孔作用有限，而且气孔率难以控制，适合于对气孔率要求不高的场合。

以上是陶瓷磨具常见的造孔剂。刚玉空心球、玻璃微珠由于粒度可控，可以根据需要造出不同大小和比率的气孔，应用比较多。金属砂轮中的造孔剂，多是石墨，作用主要是润滑、造孔和产生保护气，其它造孔材料还有陶瓷颗粒、刚玉空心球等。树脂砂轮中使用造孔剂的很少，在此就不多说了。

3、课后语

综上所述，理想的造孔材料应该具有造孔孔径可控、分布均匀、容屑空间充分，以及与结合剂亲和性好，对砂轮强度影响小等特点。

造孔剂作为砂轮的填料，其实也是破坏砂轮组织结构的物质，其加入或多或少会降低砂轮的强度。树脂砂轮本身对磨料的把持就弱，造孔剂虽说可以容屑、降低磨削热，但如对强度降低作用太大，也是不合适的。另外，郭老师个人理解，对金属砂轮来说磨料磨具，造孔材料更准确的说应该是“弱化填料”（毕竟金属胎体的弱化也是门“学问”哦!）。

还有一个问题，大家需要注意：如何保证造孔均匀？比如，刚玉空心球、金属结合剂、磨料，三者密度相差大，若想成型料混配均匀，这是比较难做到的。

以上所说的都是以砂轮填料形式加入的造孔剂，其实大家还能想想其它思路，比如在陶瓷结合剂里加入“发泡剂”等，利用结合剂熔融时产生气孔，我想，这种气孔应该比较均匀吧。抛砖引玉，欢迎大家探讨。

为写这篇文章，郭老师查阅了很多文献，看到一篇中有用可溶性盐类成孔剂：“它在磨具成型时占据一定的尺寸空间，但在磨具烧成过程中不分解氧化，在磨具的使用过程中，可溶解于水溶性冷却液中，自身占据的位置形成气孔。”文章中没说具体是什么物质，但郭老师提醒大家，如果这种造孔剂溶解于冷却液，会对设备造成腐蚀等破坏的话，千万不能用！

好了，今天就讲这么多。本节课的部分观点由王光伟高工、三磨所熊工指点，在此诚挚感谢。大家如有疑问或建议磨料磨具，欢迎加郭老师微信“forest1983”，或在爱锐网微信群交流（如需入群，请联系小编或加郭森林微信“forest1983”）。好，下课！

参考文献

[1] 赵玉成，臧建兵，王明智.CBN陶瓷砂轮组织特征[J].金刚石与磨料磨具工程，1999（6）：4—6.

[2] 张习敏.陶瓷结合剂立方氮化硼组织及性能的研究[D].秦皇岛：燕山大学，2003.

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