【特稿】磨料的使用性能与破碎强度测定

 一、前 言
       磨料（刚玉、碳化硅、人造金刚石）在当前的工业生产中正被广泛在机械加工、耐火材料和工程陶瓷领域采用。它们的主要特性表现是：硬度高、耐高温性能好，特别是Sic的高耐蚀和正温度特性（即与金属相反，在1600℃以下，温度越高抗折强度越高），在工程陶瓷和高温耐火材料领域起着不可替代的作用。
       也正因为如此，最近20年中国的磨料工业突飞猛进、高速发展，其产能已远远大于国内需求。在当前国家对过剩产能企业进行结构调整的时期，磨料行业能够维持生存与发展的唯一途径就是参入质量竞争。
       现在市场的形势是：好料不愁卖。那么，什么是好料呢？
       1、内部结晶完整的
       不论是刚玉还是碳化硅，它们都是在高温下结晶而成，从而得到高硬度等物理性能。因此原材料的品质和冶炼过程的完善是决定其内在质量的关键，如在原材料中加入添加某种元素，则会引起性能的变化，如锆刚玉、镨铷刚玉......。
       同时，冶炼过程也是结晶过程，当晶型成为“自形晶”时，则抗折强度很高，这种磨料也会成为优质磨料；当晶型成为“半自形晶”或“它形晶”时，抗折强度会大幅下降，人们常说它“没炼熟”或“炼过了”。
       2、体表征特性
       磨料表面的清洁度和颗粒形状是影响使用性能的重要指标。磨料的清洁度与它的亲水性密切相关，亲水性好的做成制品时结合强度高，水洗砂的清洁度一般96%左右，清吹砂的清洁度在98%左右，根据1999年第七砂轮厂的试验结果，清吹砂的亲水性是水洗砂的2倍。
磨料的颗粒形状根据用途不同而有不同要求，提供做耐材的磨料要求颗粒形状接近球形，堆积密度高，以获得较高的生坯强度，目前多数企业采用巴马克或球磨机破碎。F砂主要作为磨削用途，要求磨粒成等积形，以求保持锋利的切削刃和耐磨性，提高磨削效率，加工时一般采用多级对辊，现列表简述如下：

不同用途对磨料形状的要求（表一）

       根据当前行业的现状，解决磨粒体表质量的办法已经基本成熟，而评价磨料内部质量的生产检测办法却相对缺乏。
       由此，磨料的内在质量成了各生产企业之间产生质量差异的主要因素。磨料破碎强度高的结晶完整，内部微裂纹小，使用性能呈现锋利而且耐用，对磨粒内部结构的分析可以采用的物理方法很多，如光谱法、岩相分析法......。
       但是这些方法需要相应的精密仪器和相当技术水平的操作人员，因此探求一种直观的性能检测仪器成为人们关注的焦点。
       本文提出的磨料破碎强度测定仪经过笔者多年探讨与试验，取得一定心得，现介绍如下：
       二、测 量 原 理
       材料的强度是指材料在外力作用下抵抗破坏（永久变形和断裂）的能力称为强度。它是一个应力值。
       材料的硬度是指固体材料抗永久形变的特性，是一个物体侵入另一个物体的能力。
       硬度和强度是两个概念，虽然一般硬度高的材料强度就大，但不是完全如此，如碳化硅的硬度比刚玉高，但不论其屈服强度和剪切强度都比刚玉低。
       但对同一种材料而言，材料的破碎强度（即产生永久变形的力）与存在材料内部的微裂纹密切相关，其屈服强度的计算公式是：
       σ=F/S
       F--材料发生塑性变形量为原长的0.2%时所受的力
       S--受力材料的横截面积
       根据上述公式，要做出相应的生产用测量仪器会有一定复杂程度。但材料强度与其内部的微裂纹有关，内部微裂纹多的势必容易被击碎，反映在使用性能方面就是：抗破碎性能很差，做成磨具会呈现不耐用，做成耐火材料会反映不结实。
       因此，本仪器的设计思想就是：采用同一个力量对不同试样进行同样次数的撞击，比较不同材料被击碎的情况，依据所得参数评价材料的抗破碎性能。
       本仪器采用一个φ12mm的硬质合金球以一定的速度和行程对试样进行打击，根据其试样破碎的程度来评价和比较其破碎强度的。
       三、仪 器 描 述 
       见附图1，外形图

       仪器共由三部分组成：
       1、主机：仪器由电机带动试管以每分钟180次，行程100mm进行运动，仪器面板上安装有预置电子计数器（预置电子计数器为2000次，也可自行调整），达到预定值自动停机。仪器可同时装两个同样尺寸的不锈钢试管，试管内装有同样规格的硬质合金钢球，用户可根据需要进行比较测量或单个测量。
       2、振筛机：振筛机为标准8411型，振动次数为每分钟1400次，功率120W，配备有φ20mm的不锈钢标准筛，振筛机面板装有可预置电子计时器，精确到秒。（推荐值：60秒）
       3、精密天秤：配有可称500克的精密天秤，精确度为0.01克，数字带背光显示。
       四、试验方法及实验记录
       1、称46#料，2克，2份试样分别装入试管1、试管2。
       2、在主机上振动2000次，自动停机。
       3、将打碎后的料分别在振筛机上筛分，筛网布置，40#、46#、60#。
       4、在精密天秤称60#的筛上物并记录，其试验结果如下表：

不同材质的破碎率（表二）

       注：表中的试样编号是本实验室对来料的编号，如需查询，可提供。
       从表二可以看出各样不同材质的抗破碎率（%）依次是：锆刚玉（63%）＞白刚玉（56%）＞单晶刚玉（55%）＞棕刚玉（46%）＞黑碳化硅（44%）＞铬刚玉（21%）。从各种材料的抗破碎率看来，所呈现的规律与传统的概念基本相符，即：锆刚玉比白刚玉和棕刚玉抗破碎性能好，棕刚玉比碳化硅的抗破碎性能好。
       但是，上述试样的来源都是从企业随机取样的，它不能代表各种材料的完美结晶，如铬刚玉试样的抗破碎率最低就可以说明：虽然预想中的破碎强度铬刚玉值应大于白刚玉，但试验结果则相反，甚至低于黑刚玉，如此大的误差，首先让我们怀疑到测量的准确性， 为了确认是否测量仪器的误差引起，因此对这种料进行重复性试验，见下表（三）：

       根据重复性误差计算公式：

       重复性误差近似0.8%，说明测量结果是准确的。那么这种铬钢玉怎么也能在市场销售呢？难道用户没反应？
为进一步验证行业内同种材质的质量分散情况，从棕刚玉生产比较集中的地区如：山西、三门峡、贵阳等抽样检查，如表（四）结果：
不同产地的棕刚玉性能比较（表四）

       比较不同试样的抗破碎性能：上述试样中的最大差值为13.5，最好的为55.5，与锆刚玉（18#样为63）相差7.5，最差的为42，与黑刚玉（10#样为34）相差8.0，由此可见同样都是棕刚玉，其性能相差却相当悬殊。
       五、结 语
       作为磨削用途和耐火材料的刚玉、碳化硅的突出性能是它的硬度和强度高。但由于原材料和工艺的不同，不同地区，不同企业向市场提供的产品使用性能差别很大。磨料结晶时产生的微裂纹是影响其抗破碎性能的主要因素，本仪器以比较直观的冲击破碎取样法，能够较准确的进行测量。
       笔者认为磨料的抗破碎性能与其硬度、强度、韧性相关，但不一定完全对应，作为一种新的使用性能指标--破碎强度，它可能将在以下几个方面发挥作用：
       1、为磨料使用单位选择需要何种破碎强度的材料用。
       2、为磨料生产企业做为稳定工艺，提高产品质量的检测手段。
       3、对同类产品进行性能比较测试用。
       4、为各单位对磨料制粒加工前，检测熔块质量用。