碳化硅技术详解-3硅碳化物陶瓷结合砂轮简介

日期：2024-02-01 浏览：1005

3.1 硅碳化物玻璃结合和砂轮的简史

在100多年的时间里，砂轮以其旋转的几何形态（盘、轮、圆柱、锥、杯、毛刺、球）被证明是金属加工行业不可或缺的消耗品。然而，在19世纪的大部分时间里，随着工业革命的发展，人们花了很多年才开发出一种可靠的金属加工砂轮，实际上直到1870年代才有。

在19世纪初，砂轮通常是由砂岩制成的。砂岩是一种易于塑造成砂轮的材料，它具有粗糙的磨料纹理。然而，由于砂的软度和砂岩的脆性，砂岩的研磨力非常差。在19世纪，随着工业革命的兴起，人们对高质量的金属加工砂轮的需求日益增长。人们需要比砂岩砂轮更好的东西。

刚玉是氧化铝的矿物形式，通常来源于相对纯净的形式，最为人所知的是宝石红宝石（红色刚玉）和蓝宝石（其他所有颜色，但最珍贵的是蓝色）。用于磨料的刚玉晶体不是宝石级别的，但它们仍然是相对昂贵的资源。刚玉的硬度远超过砂岩，但与砂岩不同的是，砂岩通常存在于厚厚的地层中，可以切割和塑造成砂轮，而刚玉晶体必须从矿石中分离出来，破碎，分级成磨料等级，然后形成和粘合成砂轮

刚玉的第二个问题是，刚玉砂轮需要以一种能够承受持续工业金属研磨的机械严酷和高温的方式进行粘合。在19世纪初到中期，人们尝试了许多不令人满意的创新，包括

• 1857年，Deplangue在英国首次申请了硫化橡胶粘合砂轮的专利，1859年，Mayall在美国申请了专利，1872年，Mayall申请了后来的专利。
• 一个软铜金属轮，涂有油和砂轮。
• 一个木制轮子，覆盖着皮革，涂有胶水，其中嵌入了砂轮。
• 用胶或壳光树脂粘合的砂轮。这些在研磨过程中加热时会变软并变得油腻。

这些系统都没有证明是金属加工行业迫切寻找的解决方案。到了19世纪中期，人们普遍认为，缺乏可靠的砂轮正在阻碍金属制造业的工业进步。

1842年，Barclay（英国）首次探索了玻璃粘合刚玉。他将粘土和砂轮混合，从混合物中制成砂轮，然后在陶瓷窑中烧制。然而，他无法解决开裂和变形的问题。1857年，Ransome（英国）尝试将砂轮与长石混合。尽管这比Barclay的创新更成功，但它并没有解决问题。1872年，Hart（美国）尝试了同样的方法，将砂轮与长石混合在窑中烧制。独立测试证明，它的研磨效果比砂岩高50倍。1875年，Van Baerle（德国）生产了一种由砂轮磨料和水玻璃粘合的砂轮。它可以以高达2000 rpm的速度运转，研磨钢时不会加热，也不会影响钢的回火。

1873年，诺顿陶瓷公司（马萨诸塞州伍斯特）的员工Sven Pulson制造了第一种有效的粘土粘合砂轮。Franklin Norton为Pulson的发明申请了专利并开始生产，Nortons迅速崛起，成为砂轮技术的世界领导者。因此，由于开发了第一种可靠的粘土粘合砂轮，诺顿公司，始于1858年，由Franklin Norton和他的堂兄Frederick Hancock创立的陶瓷工作室，发展成为大型跨国磨料公司诺顿磨料，闻名于整个20世纪。诺顿在1990年被圣戈班收购。

Edward Acheson开发了一种通过电加热粘土-碳混合物到极端温度，在还原条件下合成SiC的过程。他的SiC合成专利在1893年被授予。这项发明出现在一个时代，当时的天然磨料，砂轮和刚玉，无法满足工业的需求。在Acheson发明了SiC的大规模生产过程后，人们很快发现SiC作为工业磨料在金属部件制造中的有效性。精密研磨、可互换的金属部件的大规模生产很快就高度依赖SiC磨料。那时的SiC是最硬的工业磨料，比它所取代的磨料刚玉（砂轮）硬两倍，而且重要的是，它的价格大大降低。因此，Acheson的SiC发明对当时的金属制造行业来说是一个重大突破。

在19世纪90年代初，Acheson成立了他的公司，名为Carborundum，在宾夕法尼亚州Monongahela为Carborundum设立了一个SiC制造厂，离他的家乡华盛顿宾夕法尼亚州十英里。然而，需求很快超过了供应，所以Acheson在1895年在尼亚加拉瀑布建立了一个更大的工厂。一个世纪后，即1995年，Carborundum被法国的Compagnie de Saint-Gobain S.A.收购，并继续以Carborundum的名义经营，作为Saint Gobain的一个部门。

有些年头，SiC作为全球领先的磨料一直占据主导地位。合成刚玉在20世纪初进入市场，由焙烧后的铝土矿生产，这是Bayer氧化铝工艺的副产品——Bayer的铝土矿精炼工艺在世纪之交彻底改变了铝冶炼行业。

自19世纪末以来，砂轮通常使用玻璃粘合剂或有机粘合剂。多年来常见的有机粘合剂包括壳光树脂和其他树脂，以及橡胶。玻璃粘合通常是用粘土进行的，尽管也可以使用长石和玻璃熔块。玻璃粘合砂轮通常是通过在30-40 MPa左右的压力下冷压，然后在950C-1250C左右的温度下烧结，具体取决于使用的陶瓷粘合添加剂和磨料粒度。完成（后加工）和平衡（对于较大的砂轮）完成了制造过程。

SiC的硬度为24-33 GPa，而刚玉的硬度为9-16 GPa，具体取决于纯度。然而，由于金属比这些磨料软得多，硬度并不是关键问题。易碎性也很重要，研磨器-金属的相互作用也很重要。所有这些因素决定了特定金属的最佳研磨器。例如，刚玉更适合铁和钢，SiC更适合有色金属。

硼碳化物逐渐在磨料行业中出现为一个利基玩家，工业钻石和立方氮化硼也是如此，但这些磨料来得更晚。合成钻石磨料在20世纪50年代中期开发出来。合成超级钻石（纳米晶钻石），它首次在2003年合成，具有极高的硬度，超过300 GPa。天然钻石的硬度在40-80 GPa的范围内，Borazon（立方氮化硼），它在结构上与钻石相同，约为40 GPa。硬质合金机床，主要是钨碳化物，通常不是作为粘合磨料制成，而是作为烧结组件。它们的硬度值在10-20 GPa的范围内。包含硼碳化物、钻石、Borazon、钨碳化物、钛碳化物和。