SG磨料是美國諾頓（Norton）公司開發出來的一種新穎高效磨料，它由晶粒為亞微米級（尺寸小于1μm）的剛玉（Al?O?）晶體，采用溶膠-凝膠（Sol-Gel）工藝合成并經燒結制成的一種陶瓷氧化鋁磨料。它既保持了白剛玉及棕剛玉的高硬度及耐磨的特征，同時又具有很高的韌性，改變了剛玉的脆而易碎的缺點，即具有增韌氧化鋁陶瓷的特性。和普通剛玉磨具相比，SG磨具韌性好、自銳性高、磨損少、砂輪形狀保持好，用于精密磨削和成形磨削時容易獲得較高的尺寸精度和尺寸形狀一致性，且價格遠低于立方氧化硼砂輪(CBN)和金剛石磨具。因而其具有很高的性價比，被廣泛用于制造各種固結磨具及涂附磨具。

來源：礪風科技

一、SG磨料的制備工藝

一般意義上的SG磨料制備工藝都是首先將一水氧化鋁（Al?O?·H?O）微粉和水混合制成懸浮體，在其中加入膠溶劑（如硝酸或鹽酸溶液）使其成為穩定的水溶膠或膠狀懸浮體；然后向其中加入改良劑（一般是金屬氧化物或其前身物，如Mg(NO?)?等），使溶膠體凝膠化；將形成的凝膠體干燥固化，再破碎（或切割）成所需形狀和尺寸的顆粒，經煅燒后成為磨料。具體制造工藝如下∶

SG磨料制造工藝流程圖

1、Al?O?·H?O水溶膠的制作

這一過程主要是將一水氧化鋁微粉和水混合均勻制成懸浮體。為了保持懸浮體的穩定，往往要加入適量的膠溶劑（如硝酸或鹽酸溶液）使其變成穩定的水溶膠或膠狀懸浮體。

用于制成懸浮體的原料可以是Al?O?·H?O微粉，也可以是純Al?O?微粉。在制成的水溶膠中，Al?O?·H?O含量一般宜選在15～30%。

來源：雨榮研磨

在該過程中所用的膠溶劑是一種揮發性的一元酸，如硝酸、鹽酸、醋酸等，但以硝酸的效果最佳。一般來說，加入酸量要適當，加入酸后生成的水溶膠體的PH值為1～2。酸量不足可能影響膠體的均勻性；過量則會使加入改良劑時，凝膠化速度過猛，難以混合均勻，影響磨料質量。

2、凝膠化過程

向上述Al?O?·H?O水溶膠中加入改良劑來促使其凝膠化。改良劑一般是一種金屬氧化物。如MgO、ZnO、ZrO?、HfO?、TiO?等，最常用的是MgO，但通常直接加入的并不是MgO，而是Mg(NO?)?溶液。Mg(NO?)?在之后的干燥、煅燒和燒結過程中會分解成MgO，因此其作用和MgO是一樣的。另一常用的改良劑是ZrO?，它是以氧鋯基醋酸鹽溶液的形式加入的，鹽在之后的工序中會分解成ZrO?。向配制好的Al?O?·H?O水溶膠中加入改良劑的前身物（指Mg(NO?)?或氧鋯基醋酸鹽或其他）的水溶液并攪拌混合，凝膠體馬上產生。

3、干燥固化

將生的凝膠體干燥固化。溫度一般在80～120℃，應注意不要使溫度高于凝膠體起泡沫時的溫度，以免最終燒結成的磨料氣孔率高、硬度降低。

經干燥過程除去凝膠體中90%的自由狀態水，干燥后凝膠體成玻璃狀的塊狀物，雖然看起來結構致密，但很脆弱，手指一捏就會破碎。

4、預破碎

為了燒結出一定形狀和尺寸的磨料，在煅燒和燒結工序前需把干燥后的塊狀固體破碎成一定大小的顆粒，或者用切割、擠壓、模壓等方法加工成需要的形狀和尺寸。破碎后篩分選出可燒結成磨料的有用顆粒，以便進行下一步工序。由于顆粒在燒結過程中體積往往收縮20%～40%，因此破碎出的顆粒應比所要求的成品磨料粒度稍大。篩分出的太大的顆粒應重新破碎，太小的顆粒則可以重新制成水溶膠體。

5、煅燒

在將破碎后顆粒加熱到400～800℃進行煅燒時，應緩慢升溫，保證生成的揮發性物質充分揮發出去，同時又不會使顆粒內部生成過高的內應力。在加熱到250～300℃時，溶膠-凝膠過程留下的酸殘留物基本上全部揮發掉，在300～600℃時，顆粒內的結合水也大部分蒸發掉。同時，凝膠化時加入的改良劑的前身物（Mg(NO?)?或氧鋯基醋酸鹽等）也分解生成金屬氧化物改良劑（MgO、ZrO?等）。

6、燒結成磨料

煅燒后迅速加熱使顆粒溫度達到1200℃以上。再持續加熱一段時間，使溫度保持在1300～1400℃，促使顆粒燒結成磨料。

SG磨料 來源： 嵩山特材集團

SG磨料工藝的改進∶引晶劑的使用

SG磨料是用溶膠凝膠法制備的，制備時的主要影響因素有溶膠的酸度pH值，凝膠改良劑及引晶劑Fe?O?的加入量等。而反映該種磨料優劣的主要指標之一是磨料的體積密度，有研究人員通過分別改變溶膠的酸度pH值，凝膠改良劑及引晶劑Fe?O?的加入量來觀察此三種因素對SG磨料的體積密度影響程度，以此來尋找改進制備SG磨料的工藝方法。實驗結果表明，引晶劑的加入量對SG磨料的密度影響最大，且磨料的硬度、韌性等均明顯增加，因此可以通過調整引晶劑的加入量來制備效果更好的磨料。這可能是因為制備時樣品在高溫煅燒的時間比較短，就要求有一定量的引晶劑才能取得好的效果，使制得的磨料性可以與進口樣品相媲美。

磨料制備因素影響對比

二、陶瓷剛玉磨具的優點

由于采用了溶膠-凝膠工藝，從理論上保證了SG磨料物質化學成分的均勻性；而采用了燒結而非熔融的制造工藝，保證了該磨粒是一種陶瓷化的多品燒結體，在保證其硬度的前提下，可大幅度提高其韌性。由溶膠-凝膠工藝制備出來的SG磨料在結構、韌性、磨削性能等方面表現出許多不同于白剛玉、棕剛玉等氧化鋁基磨料的特性，在制備成為磨具以后，也有許多優良的性能。綜合如下：

（1）磨粒鋒利，切削能力強，磨削效率較高，可以進行大切深、大進給和高效磨削；

（2）自銳性好，能夠不斷暴露出新的切削面，可以使砂輪保持較高的磨削穩定性；

（3）韌性高，陶瓷剛玉磨料的韌性是剛玉、碳化硅等普通磨料的2倍以上；

（4）價格遠低于CBN和金剛石等高檔次磨料；

（5）磨具通用性好，可用于于式磨削或濕式磨削，用水或油冷卻，可以用于研磨黑色或有色金屬；

（6）功耗低，發熱量少，不易燒傷工件；

（7）磨具耐用性好，可大量減少非磨削加工時間，大大提高其使用效率。

三、SG磨削制品

用SG磨料可以制成各種固結和涂附磨具，它們的性能都明顯優于同類普通剛玉磨具。一般來說，由于SG磨料制造成本較高，工業上常用其和普通磨料混合制造磨具，單純用SG磨料制成的磨具是很少的。

1、SG磨料砂輪

SG磨料砂輪采用的是低溫結合劑，與普通剛玉磨料相比，不但硬度高，而且因磨粒是微晶結構，它有很多晶解面，在外力作用下或在修銳和修整中僅微晶脫落，不斷產生鋒利的切削刃，自銳性好，且剝落較少，用其制作的砂輪具有耐磨性好、磨削熱少、使用壽命長、切除率高、磨削比G（磨除材料體積與砂輪消耗體積之比）大和磨削質量好等優點，現已廣泛用于航空航天、汽車和摩托車、軸承、模具、儀器儀表等領域的精磨和成形磨等方面的加工中。

微晶剛玉燒結磨粒（SG磨粒）與電熔剛玉磨粒脫落情況的對比

諾頓的SG磨料砂輪通常是將SG磨料與該公司的38AAlundum(相當我國的白玉GB)磨料混合而制成的，分為SG、5SG、3SG、1SG等品種，分別表示其微晶含量為100%、50%、30%、10%等。除了38A磨料外，SG磨料也可和棕剛玉、鋯剛玉、碳化硅，甚至CBN和金剛石等混合制成砂輪。

SG砂輪來源：河南科美

2、SG/CBN砂輪

在所有用SG磨料制成的砂輪中，最引人注目的是諾頓的SG/CBN砂輪（注冊商標為CVSG）。它是用一種新型陶瓷結合劑和SG磨料及CBN磨料混合燒結而成的，具有SG磨料的韌性、自銳性和CHN的超硬性等優點，耐磨、壽命長、磨除率高、加工精度高，特別適于航空、汽車、刀具等工業的精密磨削加工。

3、SG磨料涂附磨具

用SG磨料制成的涂附磨具品種有砂帶、砂盤、砂布、高級無紡布磨具等，主要是砂帶。3M公司用其Cubitron磨料制成砂帶，經過磨削試驗，其性能明顯優于普通剛玉砂帶。

SG磨料砂帶 來源： 嵩山特材集團

四、SG磨料的發展前景

SG磨料作為一種新型陶瓷剛玉磨料，在性能和價格上填補了CBN、金剛石與普通磨料之間的空檔，可代替白剛玉應用于白剛玉所有的磨削應用領域，在某些用途也可以代替超硬材料。因而其既可用于韌性不銹鋼、耐熱合金等難磨削材料方面，也可用于一般材料的精密磨削和高效磨削，在機械制造、汽車、軸承、刀具、模具等許多工業領域有很大的應用潛力。

國外有關專家曾預測這類磨料將會取代三分之一的普通氧化鋁磨料。雖然這類磨料不一定能發展到普通磨料的生產規模，但它的確對現有磨料的品種是一個有益的補充，并且會發揮較顯著的作用。國內目前雖已研制成功這類磨料，但還有大量工作要做：如有機結合劑磨具和砂帶等涂附磨具的制備及應用研究、陶瓷剛玉磨料及磨具的工業化生產及應用研究等。希望不久的將來，這類磨料磨具能在我國機械加工領域中發揮較大的作用。

參考來源：

1、SG磨料磨具制造工藝綜述，陳德春（磨料磨具與磨削）；

2、新型SG磨料砂輪及其正確使用，汪玉祥，葉偉昌（械工程師）；

3、氧化鋁基微晶陶瓷磨料的早期文獻回顧，邊華英，王學濤，李鄭輝，王艷麗，李靜（河南建材）；

4、超微晶陶瓷氧化鋁磨料的研究，徐三魁,趙建昌（金剛石與磨料磨具工程）；

5、陶瓷剛玉磨具制造及其磨削應用，李志宏，夏曉風，陳艷，趙松泉（金剛石與磨料磨具工程）。

粉體圈 芷凌整理

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