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    天然磨料有其独特的作用,在某些加工领域,天然磨料甚至具有比人造磨料更优越的性能。本文介绍了天然金刚石、天然刚玉、石榴石、石英、燧石、浮岩、硅藻土、赤铁矿、珍珠岩等天然磨料的性能特点和其应用。

  磨料是一种具有高硬度和一定机械强度的颗粒材料,用于制造磨具或直接用于研磨和抛光。作为磨料必须具备以下五个方面的条件:较高的硬度,适度的抗破碎性及自锐性,良好的热稳定性,一定的化学稳定性,便于加工成不同大小的颗粒。磨料分为天然磨料和人造磨料两大类。自然界一切可以用于磨削或研磨的材料统称为天然磨料。好的天然磨料不光要硬,还要有韧性和锋利,资源丰富或分布广,还要有一定的纯度。虽然人造磨料的制备越来越精细,但天然磨料目前仍有一定的地位。 

  1天然金刚石

  金刚石(C)是目前已知最硬的物质,摩氏硬度为10。常见金刚石的晶体结构属于等轴晶系,立方面心结构,典型的原子晶体。金刚石还有六方晶系2H型的多型现象即六方金刚石,系陨石撞击地表时所形成,还发现有四面体晶形的金刚石。

  天然金刚石多为8面体形态,还有菱形12面体,较少呈立方体。在天然金刚石的{111}面上有明显的生长层,生长层厚度小于10A,而{110}、{100}仍面上不会产生这样的生长层。天然金刚石大多数呈单晶产出,呈圆粒状或碎粒状。纯净的金刚石无色,但比较少见,多呈不同颜色,如黄色、绿色、棕色、玫瑰色、蓝色、灰色、黑色等。宝石级金刚石即钻石仅限于无色的、近无色的、浅黄色、粉红色、蓝色、绿色等。除此之外,其他颜色的金刚石只能在工业上使用。金刚石密度为3.50~3.52g/cm3,导热性良好。天然金刚石的产地、矿床类型、颜色不同,其硬度也不同。金刚石脆性较大,具有平行{11}的中等解理,即在外力作用下,易沿晶体中{111}结晶面裂开。金刚石的脆性还与晶体的内应力、裂缝及其他缺陷有关。晶体的内应力愈大,具有裂缝和其他缺陷也多,在较低的冲击下就能被劈开。

  天然金刚石的形成分两大矿系,即原生矿和砂矿。原生矿主要为金伯利岩型原生矿,矿床少,质量不好,多数做工业用。砂矿是生产钻石的最主要矿床,宝石级钻石主要出产于冲击砂矿。世界最著名的金刚石产地有南非的金伯利地区、扎伊尔、澳大利亚西部、俄罗斯的雅库特、美国的阿拉斯加和巴西的西纳斯吉拉斯等地。我国的辽宁、山东、湖南和贵州有金刚石矿,以原生矿为主,但储量不大。

  天然金刚石作为磨料主要用途有两个方面,即修整砂轮、磨削和研磨难加工材料(如硬质合金、宝石、玻璃、石料等)。主要工具有天然金刚石砂轮刀,天然金刚石修整器,天然金刚石金刚笔,天然金刚石刀头,天然金刚石车刀,金刚石锉刀及玻璃加工工具等。不同用途的金刚石有不同的技术要求,如用于玻璃加工工具的天然金刚石要求晶体完整,形状为12面体、8面体和过渡型晶体;颜色不限;透明或半透明;不允许有裂纹,晶体内部允许有微小包裹体。 

  2天然刚玉

  在天然矿物中,刚玉硬度仅次于金刚石。刚玉(Al2O3)属三方晶系,晶体具有离子键向共价键过渡的性质,结构较紧密。单晶体通常呈腰鼓状、柱状,集合体呈粒状或致密块状。一般为蓝灰、黄灰色,含铁者呈黑色。玻璃光泽,摩氏硬度9,无解理。常因聚片双晶产生{0001}或{101}的裂理。密度为3.95-4.10g/cm3,化学性质稳定。含铬而呈红色的刚玉称红宝石,而含钛呈蓝色者称蓝宝石。

  天然刚玉矿中,当含有磁铁矿、赤铁矿、石英等杂质,并呈铁矿一样外观的粒状集合块时,称为刚玉砂(也可称天然金刚砂)。刚玉砂一般情况下约含60%的刚玉,多呈青灰色和黑色,密度2.7-4.3g/cm3,摩氏硬度为7一9。刚玉可以形成于岩浆作用、接触变质作用和区域变质作用过程中。各种成因的含刚玉矿床或岩石,遭受风化作用时,刚玉往往转入砂矿中。我国主要产地有江苏六合、湖北英山等地。这种矿物原料在世界上许多地方的蕴藏量都很丰富。作为磨料,刚玉砂常用来制造砂轮、油石、砂纸、砂布或微粉、研磨膏等。

  3石榴石

  石榴石是指一类硅酸盐矿物,其化学成分通式为A3B2[SiO4]。其中A代表二价阳离子Mg2+、Fe2+、Mn2+、Ca2+等,B代表三价阳离子A13+、Fe3+、Cr3+、V3+等。常见的有铁铝石榴石、镁铝石榴石、锰铝石榴石等。石榴石结构紧密,常呈完好晶形,如菱形十二面体、四角三八面体或两者的聚形。集合体常为致密粒状或致密块状,摩氏硬度6.5一7.5,密度3.5一4.2g/cm3,无解理。石榴石的矿物种类很多,几乎所有的石榴石都可用于磨料,常用的是铁铝石榴石。

  作为一种天然磨料,由于石榴石的工业销售价格低,且在某些特定用途时有人们所需求的一些品质,在很多国家都得到了一定的应用。石榴石磨料呈粒状,有次贝状或参差状断口,硬度适中,韧性好,边角锋利,自锐性好,可在不断粉碎分级中形成棱角和边刃,使其研磨能力优于其他磨料。石榴石经高温锻烧处理后,其韧性增加,研磨效果很好,尤其在木材的研磨加工方面,耐久性还高于氧化铝磨料。 

  在树脂磨具中,石榴石可作填充剂替代20%-30%的棕刚玉,效果理想。由于无游离二氧化硅,石榴石还是理想的“环保”型喷砂材料。石榴石也可制成固结砂轮,用以磨削镜头和镜片,主要是树脂结合剂磨具。以石榴石磨料作切割介质,依靠高压水力射流进行水刀切割,应用于石油(天然气)管道、钢材等部件的切割,是一种新型、环保、安全的切割方式。石榴石对印刷版、玻璃、陶瓷制品、皮革、石料等的加工,均可获得良好的效果。 

  四川省阿坝州坟川县石榴石矿区是中国最重要的石榴石矿区,此处的石榴石属于铁铝石榴石。由于硬度低,熔点低(石榴石族熔点1000一1200℃),不适宜磨削硬度高的材料(如黑色金属),也不适宜作型砂、耐火材料和烧结磨具。但它在磨削诸如硅片和光学玻璃这类材料时,却很少产生擦伤和划痕的现象,这种独特的优良性质,是同规格的人造磨料所不可比的。坟川县的石榴石磨料主要用于研磨显像管、示波管、单晶硅,研磨镜头、镜片、眼镜、研磨平板磨砂玻璃、工艺玻璃杯瓶、研磨金属印版及倒玻璃版的棱等。河北的邢台、内蒙古乌拉特后旗明星矿、陕西丹风矿、吉林通化光华矿、湖北枣阳等地也产石榴石。

  4石英、燧石 

  石英砂是一种坚硬、耐磨、化学性能稳定的硅酸盐矿物,其主要成份是SiO2,颜色多为乳白色、无色半透明状,还有其他各种颜色。摩氏硬度为7,性脆、无解理、贝壳状断口、油脂光泽,密度2.65g/cm3。其化学、热学和机械性能具有明显的异向性,不溶于酸,熔点1750℃。用作磨料的石英矿有脉石英、石英岩及石英砂等。 

  砂纸最初用的砂子即为细粒的石英砂。石英砂的硬度可用于木材加工,但韧性不是很高,也不够锋利。石英砂生产的砂布或砂纸以低于用人造磨料所生产的砂布或砂纸的价格,销售于广大农村和乡镇企业,虽质量低劣,但价格低廉,也有一定的市场。细木工有时用隧石砂纸。隧石是一种微晶石英的岩石,含杂质较多,硬度不及石英,但韧性好,其锋利刃边可保持较长时间。隧石还用于皮革、毛毡等的抛光加工。

  石英也多用于喷砂。喷砂机的工作原理是利用压缩空气带动磨料喷射到工件表面,对工件表面进行微观切削或冲击,以实现对工件的除锈、除漆、除表面杂质、表面强化及各种装饰性处理。石英的颗粒形态接近于圆形和椭圆形,在一定的机械外力冲击和一定的润滑剂存在条件下对金属表面的冲击不会造成划痕、凹坑等现象,细小颗粒可以有效地到达所需清洗材料表面。石英摩氏硬度为7,在矿物原料中属于中等偏上,可以有效地将金属表面的凸出毛刺、铁锈等去除。由于石英砂对人体有害,比较安全的是用橄榄石、石榴石和十字石等矿物砂。

  5浮岩、硅藻土、长石、赤铁矿

  这些矿物或岩石常用于对金属、珐琅、珠宝、塑料和瓷器抛光。

  浮石是一种玻璃质火山岩岩石,具多孔构造,气孔的体积大大超过了玻璃质的体积,因此岩石极轻,可浮于水面。浮石的玻璃质中充满雏晶和微晶,主要成分是二氧化硅,颗粒很细。它比石英砂纸柔和。比浮石还柔和的是长石,多用于居家清洁。长石是一种铝硅酸盐,摩氏硬度为6。最好的用于抛光和清洁珠宝及细瓷的是硅藻土。硅藻土主要是由硅藻的壳体组成,矿物成分主要是蛋白石,具有亚显微晶质结构,化学成分中二氧化硅一般在70%以上,优质的达90%。赤铁矿即氧化铁(紫红铁粉),由于质地比较柔和,主要用于工件清理和抛光目的,如部分光学玻璃的研磨或抛光用紫红铁粉进行加工。氧化铁类磨料由于颜色处理十分麻烦,对环境污染程度大,应用越来越少。

  6珍珠岩

  珍珠岩是一种玻璃质酸性喷出岩,SiO2含量高,超过65%,一般为65%一78%。碱质(K2O十Na2O)含量较高,约为7%一8%。珍珠岩中含水量一般为2%一6%,水是在岩浆快速冷凝时,其中的水蒸气来不及逸出而包裹在其中的。珍珠岩呈无色、淡灰、兰绿等颜色,玻璃光泽,一般发育有同心圆状的珍珠裂理。珍珠裂理是珍珠岩冷凝收缩时形成的,是珍珠岩发育的特征。河南信阳上天梯珍珠岩矿床、黑龙江穆棱珍珠岩矿床、浙江络云珍珠岩矿等都是大型的珍珠岩矿床,储量相当丰富。

  珍珠岩经过粉碎、筛分等工艺流程,即可成为抛光磨料。珍珠岩磨料主要用于电视机玻壳、电脑显示屏、光学玻璃仪器及玻璃工艺饰品的抛光。在某些计算机显示屏生产中,为了降低显示屏表面的反光度,保护操作人员的视力,需要对显示屏玻壳表面进行打磨。电脑显示屏玻壳的摩氏硬度一般在6.8一7.0之间,珍珠岩的摩氏硬度为5一6,硬度中等,非常适于玻壳的研磨。将珍珠岩磨料加到玻屏表面在打磨机上施加一定的压力,与砂纸一起对玻屏表面进行机械打磨,使玻壳表面的光泽度达到适当的程度。


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