天然磨料應用促進石材加工機械業發展
http://www.xibaipo.cc 2009-01-07 15:38 中企顧問網
本文導讀：磨料是一種具有高硬度和一定機械強度的顆粒材料，用于制造磨具或直接用于研磨和拋光。
磨料是一種具有高硬度和一定機械強度的顆粒材料，用于制造磨具或直接用于研磨和拋光。作為磨料必須具備以下五個方面的條件：較高的硬度，適度的抗破碎性及自銳性，良好的熱穩定性，一定的化學穩定性，便于加工成不同大小的顆粒。磨料分為天然磨料和人造磨料兩大類。自然界一切可以用于磨削或研磨的材料統稱為天然磨料。好的天然磨料不光要硬，還要有韌性和鋒利，資源豐富或分布廣，還要有一定的純度。雖然人造磨料的制備越來越精細，但天然磨料目前仍有一定的地位。
1、天然金剛石
金剛石(C)是目前已知最硬的物質，摩氏硬度為10。常見金剛石的晶體結構屬于等軸晶系，立方面心結構，典型的原子晶體。金剛石還有六方晶系2H型的多型現象即六方金剛石，系隕石撞擊地表時所形成，還發現有四面體晶形的金剛石。
天然金剛石多為8面體形態，還有菱形12面體，較少呈立方體。在天然金剛石的{111}面上有明顯的生長層，生長層厚度小于10A，而{110}、{100}仍面上不會產生這樣的生長層。天然金剛石大多數呈單晶產出，呈圓粒狀或碎粒狀。純凈的金剛石無色，但比較少見，多呈不同顏色，如黃色、綠色、棕色、玫瑰色、藍色、灰色、黑色等。寶石級金剛石即鉆石僅限于無色的、近無色的、淺黃色、粉紅色、藍色、綠色等。除此之外，其他顏色的金剛石只能在工業上使用。金剛石密度為3.50~3.52g/cm3，導熱性良好。天然金剛石的產地、礦床類型、顏色不同，其硬度也不同。金剛石脆性較大，具有平行{11}的中等解理，即在外力作用下，易沿晶體中{111}結晶面裂開。金剛石的脆性還與晶體的內應力、裂縫及其他缺陷有關。晶體的內應力愈大，具有裂縫和其他缺陷也多，在較低的沖擊下就能被劈開。
天然金剛石的形成分兩大礦系，即原生礦和砂礦。原生礦主要為金伯利巖型原生礦，礦床少，質量不好，多數做工業用。砂礦是生產鉆石的最主要礦床，寶石級鉆石主要出產于沖擊砂礦。世界最聞名的金剛石產地有南非的金伯利地區、扎伊爾、澳大利亞西部、俄羅斯的雅庫特、美國的阿拉斯加和巴西的西納斯吉拉斯等地。我國的遼寧、山東、湖南和貴州有金剛石礦，以原生礦為主，但儲量不大。
天然金剛石作為磨料主要用途有兩個方面，即修整砂輪、磨削和研磨難加工材料(如硬質合金、寶石、玻璃、石料等)。主要工具有天然金剛石砂輪刀，天然金剛石修整器，天然金剛石金剛筆，天然金剛石刀頭，天然金剛石車刀，金剛石銼刀及玻璃加工工具等。不同用途的金剛石有不同的技術要求，如用于玻璃加工工具的天然金剛石要求晶體完整，外形為12面體、8面體和過渡型晶體；顏色不限；透明或半透明；不答應有裂紋，晶體內部答應有微小包裹體。
2、天然剛玉
在天然礦物中，剛玉硬度僅次于金剛石。剛玉(Al2O3)屬三方晶系，晶體具有離子鍵向共價鍵過渡的性質，結構較緊密。單晶體通常呈腰鼓狀、柱狀，集合體呈粒狀或致密塊狀。一般為藍灰、黃灰色，含鐵者呈黑色。玻璃光澤，摩氏硬度9，無解理。常因聚片雙晶產生{0001}或{101}的裂理。密度為3.95-4.10g/cm3，化學性質穩定。含鉻而呈紅色的剛玉稱紅寶石，而含鈦呈藍色者稱藍寶石。
天然剛玉礦中，當含有磁鐵礦、赤鐵礦、石英等雜質，并呈鐵礦一樣外觀的粒狀集合塊時，稱為剛玉砂(也可稱天然金剛砂)。
剛玉砂一般情況下約含60%的剛玉，多呈青灰色和黑色，密度2.7-4.3g/cm3，摩氏硬度為7--9。剛玉可以形成于巖漿作用、接觸變質作用和區域變質作用過程中。各種成因的含剛玉礦床或巖石，遭受風化作用時，剛玉往往轉入砂礦中。我國主要產地有江蘇六合、湖北英山等地。這種礦物原料在世界上許多地方的蘊藏量都很豐富。作為磨料，剛玉砂常用來制造砂輪、油石、砂紙、砂布或微粉、研磨膏等。
3、石榴石
石榴石是指一類硅酸鹽礦物，其化學成分通式為A3B2[SiO4]。其中A代表二價陽離子Mg2＋、Fe2＋、Mn2＋、Ca2＋等，B代表三價陽離子A13＋、Fe3＋、Cr3＋、V3＋等。常見的有鐵鋁石榴石、鎂鋁石榴石、錳鋁石榴石等。石榴石結構緊密，常呈完好晶形，如菱形十二面體、四角三八面體或兩者的聚形。集合體常為致密粒狀或致密塊狀，摩氏硬度6.5-7.5，密度3.5-4.2g/cm3，無解理。石榴石的礦物種類很多，幾乎所有的石榴石都可用于磨料，常用的是鐵鋁石榴石。
作為一種天然磨料，由于石榴石的工業銷售價格低，且在某些特定用途時有人們所需求的一些品質，在很多國家都得到了一定的應用。石榴石磨料呈粒狀，有次貝狀或參差狀斷口，硬度適中，韌性好，邊角鋒利，自銳性好，可在不斷粉碎分級中形成棱角和邊刃，使其研磨能力優于其他磨料。石榴石經高溫鍛燒處理后，其韌性增加，研磨效果很好，尤其在木材的研磨加工方面，耐久性還高于氧化鋁磨料。
在樹脂磨具中，石榴石可作填充劑替代20%-30%的棕剛玉，效果理想。由于無游離二氧化硅，石榴石還是理想的環保型噴砂材料。石榴石也可制成固結砂輪，用以磨削鏡頭和鏡片，主要是樹脂結合劑磨具。以石榴石磨料作切割介質，依靠高壓水力射流進行水刀切割，應用于石油(天然氣)管道、鋼材等部件的切割，是一種新型、環保、安全的切割方式。石榴石對印刷版、玻璃、陶瓷制品、皮革、石料等的加工，均可獲得良好的效果。
四川省阿壩州墳川縣石榴石礦區是中國最重要的石榴石礦區，此處的石榴石屬于鐵鋁石榴石。由于硬度低，熔點低(石榴石族熔點1000一1200℃)，不適宜磨削硬度高的材料(如黑色金屬)，也不適宜作型砂、耐火材料和燒結磨具。但它在磨削諸如硅片和光學玻璃這類材料時，卻很少產生擦傷和劃痕的現象，這種獨特的優良性質，是同規格的人造磨料所不可比的。墳川縣的石榴石磨料主要用于研磨顯像管、示波管、單晶硅，研磨鏡頭、鏡片、眼鏡、研磨平板磨砂玻璃、工藝玻璃杯瓶、研磨金屬印版及倒玻璃版的棱等。河北的邢臺、內蒙古烏拉特后旗明星礦、陜西丹風礦、吉林通化光華礦、湖北棗陽等地也產石榴石。
4、石英、燧石
石英砂是一種堅硬、耐磨、化學性能穩定的硅酸鹽礦物，其主要成份是SiO2，顏色多為乳白色、無色半透明狀，還有其他各種顏色。摩氏硬度為7，性脆、無解理、貝殼狀斷口、油脂光澤，密度2.65g/cm3。其化學、熱學和機械性能具有明顯的異向性，不溶于酸，熔點1750℃。用作磨料的石英礦有脈石英、石英巖及石英砂等。
砂紙最初用的砂子即為細粒的石英砂。石英砂的硬度可用于木材加工，但韌性不是很高，也不夠鋒利。石英砂生產的砂布或砂紙以低于用人造磨料所生產的砂布或砂紙的價格，銷售于廣大農村和鄉鎮企業，雖質量低劣，但價格低廉，也有一定的市場。細木工有時用隧石砂紙。隧石是一種微晶石英的巖石，含雜質較多，硬度不及石英，但韌性好，其鋒利刃邊可保持較長時間。隧石還用于皮革、毛氈等的拋光加工。
石英也多用于噴砂。噴砂機的工作原理是利用壓縮空氣帶動磨料噴射到工件表面，對工件表面進行微觀切削或沖擊，以實現對工件的除銹、除漆、除表面雜質、表面強化及各種裝飾性處理。石英的顆粒形態接近于圓形和橢圓形，在一定的機械外力沖擊和一定的潤滑劑存在條件下對金屬表面的沖擊不會造成劃痕、凹坑等現象，細小顆粒可以有效地到達所需清洗材料表面。石英摩氏硬度為7，在礦物原料中屬于中等偏上，可以有效地將金屬表面的凸出毛刺、鐵銹等去除。由于石英砂對人體有害，比較安全的是用橄欖石、石榴石和十字石等礦物砂。
5、浮巖、硅藻土、長石、赤鐵礦
這些礦物或巖石常用于對金屬、琺瑯、珠寶、塑料和瓷器拋光。
浮石是一種玻璃質火山巖巖石，具多孔構造，氣孔的體積大大超過了玻璃質的體積，因此巖石極輕，可浮于水面。浮石的玻璃質中布滿雛晶和微晶，主要成分是二氧化硅，顆粒很細。它比石英砂紙柔和。比浮石還柔和的是長石，多用于居家清潔。長石是一種鋁硅酸鹽，摩氏硬度為6。最好的用于拋光和清潔珠寶及細瓷的是硅藻土。硅藻土主要是由硅藻的殼體組成，礦物成分主要是蛋白石，具有亞顯微晶質結構，化學成分中二氧化硅一般在70%以上，優質的達90%。赤鐵礦即氧化鐵(紫紅鐵粉)，由于質地比較柔和，主要用于工件清理和拋光目的，如部分光學玻璃的研磨或拋光用紫紅鐵粉進行加工。氧化鐵類磨料由于顏色處理十分麻煩，對環境污染程度大，應用越來越少。
6、珍珠巖
珍珠巖是一種玻璃質酸性噴出巖，SiO2含量高，超過65%，一般為65%一78%。堿質(K2O十Na2O)含量較高，約為7%一8%。珍珠巖中含水量一般為2%一6%，水是在巖漿快速冷凝時，其中的水蒸氣來不及逸出而包裹在其中的。珍珠巖呈無色、淡灰、蘭綠等顏色，玻璃光澤，一般發育有同心圓狀的珍珠裂理。珍珠裂理是珍珠巖冷凝收縮時形成的，是珍珠巖發育的特征。河南信陽上天梯珍珠巖礦床、黑龍江穆棱珍珠巖礦床、浙江絡云珍珠巖礦等都是大型的珍珠巖礦床，儲量相當豐富。
珍珠巖經過粉碎、篩分等工藝流程，即可成為拋光磨料。珍珠巖磨料主要用于電視機玻殼、電腦顯示屏、光學玻璃儀器及玻璃工藝飾品的拋光。在某些計算機顯示屏生產中，為了降低顯示屏表面的反光度，保護操作人員的視力，需要對顯示屏玻殼表面進行打磨。電腦顯示屏玻殼的摩氏硬度一般在6.8--7.0之間，珍珠巖的摩氏硬度為5--6，硬度中等，非常適于玻殼的研磨。將珍珠巖磨料加到玻屏表面在打磨機上施加一定的壓力，與砂紙一起對玻屏表面進行機械打磨，使玻殼表面的光澤度達到適當的程度。
1、天然金剛石
金剛石(C)是目前已知最硬的物質，摩氏硬度為10。常見金剛石的晶體結構屬于等軸晶系，立方面心結構，典型的原子晶體。金剛石還有六方晶系2H型的多型現象即六方金剛石，系隕石撞擊地表時所形成，還發現有四面體晶形的金剛石。
天然金剛石多為8面體形態，還有菱形12面體，較少呈立方體。在天然金剛石的{111}面上有明顯的生長層，生長層厚度小于10A，而{110}、{100}仍面上不會產生這樣的生長層。天然金剛石大多數呈單晶產出，呈圓粒狀或碎粒狀。純凈的金剛石無色，但比較少見，多呈不同顏色，如黃色、綠色、棕色、玫瑰色、藍色、灰色、黑色等。寶石級金剛石即鉆石僅限于無色的、近無色的、淺黃色、粉紅色、藍色、綠色等。除此之外，其他顏色的金剛石只能在工業上使用。金剛石密度為3.50~3.52g/cm3，導熱性良好。天然金剛石的產地、礦床類型、顏色不同，其硬度也不同。金剛石脆性較大，具有平行{11}的中等解理，即在外力作用下，易沿晶體中{111}結晶面裂開。金剛石的脆性還與晶體的內應力、裂縫及其他缺陷有關。晶體的內應力愈大，具有裂縫和其他缺陷也多，在較低的沖擊下就能被劈開。
天然金剛石的形成分兩大礦系，即原生礦和砂礦。原生礦主要為金伯利巖型原生礦，礦床少，質量不好，多數做工業用。砂礦是生產鉆石的最主要礦床，寶石級鉆石主要出產于沖擊砂礦。世界最聞名的金剛石產地有南非的金伯利地區、扎伊爾、澳大利亞西部、俄羅斯的雅庫特、美國的阿拉斯加和巴西的西納斯吉拉斯等地。我國的遼寧、山東、湖南和貴州有金剛石礦，以原生礦為主，但儲量不大。
天然金剛石作為磨料主要用途有兩個方面，即修整砂輪、磨削和研磨難加工材料(如硬質合金、寶石、玻璃、石料等)。主要工具有天然金剛石砂輪刀，天然金剛石修整器，天然金剛石金剛筆，天然金剛石刀頭，天然金剛石車刀，金剛石銼刀及玻璃加工工具等。不同用途的金剛石有不同的技術要求，如用于玻璃加工工具的天然金剛石要求晶體完整，外形為12面體、8面體和過渡型晶體；顏色不限；透明或半透明；不答應有裂紋，晶體內部答應有微小包裹體。
2、天然剛玉
在天然礦物中，剛玉硬度僅次于金剛石。剛玉(Al2O3)屬三方晶系，晶體具有離子鍵向共價鍵過渡的性質，結構較緊密。單晶體通常呈腰鼓狀、柱狀，集合體呈粒狀或致密塊狀。一般為藍灰、黃灰色，含鐵者呈黑色。玻璃光澤，摩氏硬度9，無解理。常因聚片雙晶產生{0001}或{101}的裂理。密度為3.95-4.10g/cm3，化學性質穩定。含鉻而呈紅色的剛玉稱紅寶石，而含鈦呈藍色者稱藍寶石。
天然剛玉礦中，當含有磁鐵礦、赤鐵礦、石英等雜質，并呈鐵礦一樣外觀的粒狀集合塊時，稱為剛玉砂(也可稱天然金剛砂)。
剛玉砂一般情況下約含60%的剛玉，多呈青灰色和黑色，密度2.7-4.3g/cm3，摩氏硬度為7--9。剛玉可以形成于巖漿作用、接觸變質作用和區域變質作用過程中。各種成因的含剛玉礦床或巖石，遭受風化作用時，剛玉往往轉入砂礦中。我國主要產地有江蘇六合、湖北英山等地。這種礦物原料在世界上許多地方的蘊藏量都很豐富。作為磨料，剛玉砂常用來制造砂輪、油石、砂紙、砂布或微粉、研磨膏等。
3、石榴石
石榴石是指一類硅酸鹽礦物，其化學成分通式為A3B2[SiO4]。其中A代表二價陽離子Mg2＋、Fe2＋、Mn2＋、Ca2＋等，B代表三價陽離子A13＋、Fe3＋、Cr3＋、V3＋等。常見的有鐵鋁石榴石、鎂鋁石榴石、錳鋁石榴石等。石榴石結構緊密，常呈完好晶形，如菱形十二面體、四角三八面體或兩者的聚形。集合體常為致密粒狀或致密塊狀，摩氏硬度6.5-7.5，密度3.5-4.2g/cm3，無解理。石榴石的礦物種類很多，幾乎所有的石榴石都可用于磨料，常用的是鐵鋁石榴石。
作為一種天然磨料，由于石榴石的工業銷售價格低，且在某些特定用途時有人們所需求的一些品質，在很多國家都得到了一定的應用。石榴石磨料呈粒狀，有次貝狀或參差狀斷口，硬度適中，韌性好，邊角鋒利，自銳性好，可在不斷粉碎分級中形成棱角和邊刃，使其研磨能力優于其他磨料。石榴石經高溫鍛燒處理后，其韌性增加，研磨效果很好，尤其在木材的研磨加工方面，耐久性還高于氧化鋁磨料。
在樹脂磨具中，石榴石可作填充劑替代20%-30%的棕剛玉，效果理想。由于無游離二氧化硅，石榴石還是理想的環保型噴砂材料。石榴石也可制成固結砂輪，用以磨削鏡頭和鏡片，主要是樹脂結合劑磨具。以石榴石磨料作切割介質，依靠高壓水力射流進行水刀切割，應用于石油(天然氣)管道、鋼材等部件的切割，是一種新型、環保、安全的切割方式。石榴石對印刷版、玻璃、陶瓷制品、皮革、石料等的加工，均可獲得良好的效果。
四川省阿壩州墳川縣石榴石礦區是中國最重要的石榴石礦區，此處的石榴石屬于鐵鋁石榴石。由于硬度低，熔點低(石榴石族熔點1000一1200℃)，不適宜磨削硬度高的材料(如黑色金屬)，也不適宜作型砂、耐火材料和燒結磨具。但它在磨削諸如硅片和光學玻璃這類材料時，卻很少產生擦傷和劃痕的現象，這種獨特的優良性質，是同規格的人造磨料所不可比的。墳川縣的石榴石磨料主要用于研磨顯像管、示波管、單晶硅，研磨鏡頭、鏡片、眼鏡、研磨平板磨砂玻璃、工藝玻璃杯瓶、研磨金屬印版及倒玻璃版的棱等。河北的邢臺、內蒙古烏拉特后旗明星礦、陜西丹風礦、吉林通化光華礦、湖北棗陽等地也產石榴石。
4、石英、燧石
石英砂是一種堅硬、耐磨、化學性能穩定的硅酸鹽礦物，其主要成份是SiO2，顏色多為乳白色、無色半透明狀，還有其他各種顏色。摩氏硬度為7，性脆、無解理、貝殼狀斷口、油脂光澤，密度2.65g/cm3。其化學、熱學和機械性能具有明顯的異向性，不溶于酸，熔點1750℃。用作磨料的石英礦有脈石英、石英巖及石英砂等。
砂紙最初用的砂子即為細粒的石英砂。石英砂的硬度可用于木材加工，但韌性不是很高，也不夠鋒利。石英砂生產的砂布或砂紙以低于用人造磨料所生產的砂布或砂紙的價格，銷售于廣大農村和鄉鎮企業，雖質量低劣，但價格低廉，也有一定的市場。細木工有時用隧石砂紙。隧石是一種微晶石英的巖石，含雜質較多，硬度不及石英，但韌性好，其鋒利刃邊可保持較長時間。隧石還用于皮革、毛氈等的拋光加工。
石英也多用于噴砂。噴砂機的工作原理是利用壓縮空氣帶動磨料噴射到工件表面，對工件表面進行微觀切削或沖擊，以實現對工件的除銹、除漆、除表面雜質、表面強化及各種裝飾性處理。石英的顆粒形態接近于圓形和橢圓形，在一定的機械外力沖擊和一定的潤滑劑存在條件下對金屬表面的沖擊不會造成劃痕、凹坑等現象，細小顆粒可以有效地到達所需清洗材料表面。石英摩氏硬度為7，在礦物原料中屬于中等偏上，可以有效地將金屬表面的凸出毛刺、鐵銹等去除。由于石英砂對人體有害，比較安全的是用橄欖石、石榴石和十字石等礦物砂。
5、浮巖、硅藻土、長石、赤鐵礦
這些礦物或巖石常用于對金屬、琺瑯、珠寶、塑料和瓷器拋光。
浮石是一種玻璃質火山巖巖石，具多孔構造，氣孔的體積大大超過了玻璃質的體積，因此巖石極輕，可浮于水面。浮石的玻璃質中布滿雛晶和微晶，主要成分是二氧化硅，顆粒很細。它比石英砂紙柔和。比浮石還柔和的是長石，多用于居家清潔。長石是一種鋁硅酸鹽，摩氏硬度為6。最好的用于拋光和清潔珠寶及細瓷的是硅藻土。硅藻土主要是由硅藻的殼體組成，礦物成分主要是蛋白石，具有亞顯微晶質結構，化學成分中二氧化硅一般在70%以上，優質的達90%。赤鐵礦即氧化鐵(紫紅鐵粉)，由于質地比較柔和，主要用于工件清理和拋光目的，如部分光學玻璃的研磨或拋光用紫紅鐵粉進行加工。氧化鐵類磨料由于顏色處理十分麻煩，對環境污染程度大，應用越來越少。
6、珍珠巖
珍珠巖是一種玻璃質酸性噴出巖，SiO2含量高，超過65%，一般為65%一78%。堿質(K2O十Na2O)含量較高，約為7%一8%。珍珠巖中含水量一般為2%一6%，水是在巖漿快速冷凝時，其中的水蒸氣來不及逸出而包裹在其中的。珍珠巖呈無色、淡灰、蘭綠等顏色，玻璃光澤，一般發育有同心圓狀的珍珠裂理。珍珠裂理是珍珠巖冷凝收縮時形成的，是珍珠巖發育的特征。河南信陽上天梯珍珠巖礦床、黑龍江穆棱珍珠巖礦床、浙江絡云珍珠巖礦等都是大型的珍珠巖礦床，儲量相當豐富。
珍珠巖經過粉碎、篩分等工藝流程，即可成為拋光磨料。珍珠巖磨料主要用于電視機玻殼、電腦顯示屏、光學玻璃儀器及玻璃工藝飾品的拋光。在某些計算機顯示屏生產中，為了降低顯示屏表面的反光度，保護操作人員的視力，需要對顯示屏玻殼表面進行打磨。電腦顯示屏玻殼的摩氏硬度一般在6.8--7.0之間，珍珠巖的摩氏硬度為5--6，硬度中等，非常適于玻殼的研磨。將珍珠巖磨料加到玻屏表面在打磨機上施加一定的壓力，與砂紙一起對玻屏表面進行機械打磨，使玻殼表面的光澤度達到適當的程度。
