黑刚玉及其应用——河南烨达新材科技股份有限公司刘海松
黑刚玉显微结构决定了它是具有特色的耐磨材料；纯黑刚玉在不锈钢抛光时，发热较轻，不易烧伤，光洁度高，色变很小；在兼顾切磨抛功能时，和其它磨料复合，能显著提高锋利性、光洁度、降色差，有很高的性价优势。本文将从黑刚玉及生产制造、特性机理、实际应用做一介绍。
黑刚玉主要原料是：高铁铝矾土，高铝矾土加高铁铝矾土、高铝耐材下脚料、棕刚玉原料下脚料，加上其它辅助材料，以合适比例在电弧炉里经过高温熔炼，从而制得的一种以α-Al2O3、铁铝尖晶石、钛铁矿为主矿相，含有玻璃体的黑色微晶多晶块状黑刚玉。其主要化学成分为氧化铝、氧化铁、氧化硅、氧化钛。其简要生产工艺流程是将各种原料破碎到适当的粒径，以合适比例混合后在倾倒式电弧炉熔炼得到的液态黑刚玉，用合适的降温曲线冷却得到固态的块状黑刚玉，再经破碎、除杂、清洗、分选，制得主要用于各种工件切磨抛处理的耐磨材料。黑刚玉具有硬度适中、韧性好、自锐性强的特点，使用黑刚玉进行各种工件的表面处理时，工件表面集聚的磨削热量较少，不容易烧伤工件表面，光洁度高，色变轻微，是一种节能环保的柔性磨料。
图1和图2为将黑刚玉磨料颗粒磨平抛光后，在100倍、200倍电子显微镜下拍摄的显微结构。
图中深灰色部分为氧化铝结晶，浅灰色区域为玻璃体，玻璃体中间的白线为钛铁矿和铁铝尖晶石；中图黑色部分为氧化铝结晶，浅灰色为玻璃体，玻璃体中间的粗白线为钛铁矿，细白线为铁铝尖晶石；由黑刚玉显微结构图可以看出：起主要磨削作用的氧化铝微粒尺寸在10μm-100+μm左右，被强度较弱的玻璃体包围着粘结在一起，非常类似于堆积磨料结构；钛铁矿和铁铝尖晶石是以网片状存在于玻璃体中间，增强了玻璃体强度作用；由黑刚玉的显微结构图可以得出：黑刚玉磨料具有锋利性好、不易烧伤工件、表面光洁度高。
黒刚玉是一种刚玉系列磨料，下面将黑刚玉和棕刚玉磨料作比较，介绍黑刚玉磨料具有的特点。
黑刚玉用原料为高铁铝矾土、高铁铝矾土+高铝矾土、棕刚玉原料下脚料、高铝耐火材料回收料；
棕刚玉生产过程需要加入还原剂，主要通过还原反应，除去原料中的氧化硅、氧化铁等杂质，精炼使三氧化二铝含量达到 95%以上，形成合适的结晶状态；
图3为棕刚玉100倍显微镜下显微结构，α-Al2O3晶粒尺寸多在500-2000μm；图4为黑刚玉100倍显微镜下显微结构，α-Al2O3晶粒尺寸多在10-100μm；棕刚玉结晶尺寸是黑刚玉的几十~几百倍。
结合图2、图3可以看出，棕刚玉三氧化二铝结晶尺寸远大于黑刚玉；以大部分粒径为650μm左右F30粒度为例，棕刚玉的一个颗粒几乎全是一个三氧化二铝结晶体，黑刚玉的一个颗粒是几十个至几百个三氧化二铝结晶体通过强度较低的玻璃体粘结在一起构成的。
磨料对工件开始磨削以后，随着磨削的进行，刃口会逐渐圆滑变钝，摩擦力增加，磨粒将会部分或整体脱落，形成新的刃口，体现出磨料磨具的自锐性；显然，棕刚玉的磨粒是由单一结晶构成，其脱落会是几分之一或整体脱落；黑刚玉磨料的多晶微晶状态，相对于棕刚玉，氧化铝微粒会从强度较低的玻璃体部分高频次脱落，因而具有更好自锐性和散热性能；晶体尺寸是常规棕刚玉晶体尺寸的几十至几百分之一，使得黑刚玉表面处理后划痕更浅光洁度更高。
传统的抛光办法是在图7的布轮外圆涂上粘结剂，然后在装有磨料的砂盘里滚动，将磨料粘结到布轮上，粘结过磨料的布轮固化后装到图8的抛光机上，抛光机轴带动抛光轮旋转，工件接触抛光轮实现抛光。现在的自动化抛光设备基本原理也是如此。
由黑刚玉的晶体结构可以明白，黑刚玉磨料特别适用于各种工件的表面抛光处理。实际中黑刚玉常用于对竹木、玻璃、铜铝合金、五金工具，特别是不锈钢工件抛光；用黑刚玉抛光不锈钢，不易烧伤表面，抛后工件表面呈现与不锈钢本质均匀一致的色泽，没有较大结晶磨料磨抛后容易出现某些部位发暗发黄变蓝的烧伤倾向，使得整个工件表面与内在色泽极为接近；有色差的工件使用一段时间磨损程度的不同就会有出现色差，显得陈旧，黑刚玉能抛出极接近不锈钢本质的光泽，极大程度地避免了陈旧现象的出现，所以外观颜值要求较高的不锈钢工件，常用纯黑刚玉磨料进行表面处理。实际中，不仅局限于布轮粘砂抛光方式，也常用纯黑刚玉做成不同的磨具用于不锈钢工件的研磨抛光。
黑刚玉制作树脂磨具用于磨削切割时，一般是复合棕刚玉、煅烧棕刚玉、白刚玉、碳化硅、锆刚玉等。经常用15%-45%的黑刚玉与其他磨料复合，复合比例主要根据被切磨的工件材质以及切磨机械性能优化确定，也有用100%黑刚玉制作树脂磨具，黑刚玉的微晶多晶显微结构，使得复合黑刚玉以后，可明显提高树脂磨具的锋利性，切口光洁度更高，不易烧伤，变色更轻微，切割时手感更加平稳柔和，能显着提升性价比，但耐用性会稍有下降。国际国内著名树脂磨具生产厂家如圣戈班等，在世界各地十几个国家已持续使用十多年。
中细粒度纯黑刚玉，或者和棕刚玉、煅烧棕刚玉、白刚玉、碳化硅、锆刚玉等磨料复合，用于制作砂布，进而转换为千叶轮、砂带用于抛光；黑刚玉磨料也用于制作海绵块。黑刚玉磨料用于涂附类磨具，特点是能提高锋利性，加工后工件表面光洁度高、色变轻微，但耐用性稍有下降。
实验表明，当黑刚玉用于尼龙砂带、尼龙卷紧轮、层叠轮等多孔隙长纤维类磨具时，锋利性明显提高、工件表面光洁度提高、色变轻微的同时，耐用性也会增加。
黑刚玉亚光黑不反光的外观，良好的耐磨性，亦适用做耐磨防滑路面骨料等；在需要高耐磨防滑性能的路段，停车场急弯陡坡处，桥面、地坪等场景会使用黑刚玉进行耐磨防滑层的铺设。
黑刚玉用于制作耐磨地坪里面桥面时，国内一般是将水泥基面清除干净，再用树脂类粘结剂将合适大小的黑刚玉颗粒粘结一层或多层，待结合剂固化以后即完成黑刚玉耐磨防滑层的铺装。
黑刚玉是一种具有自身特点的耐磨材料，原料来源宽泛、制造能耗低，是环保友好型产品。
黑刚玉应用的关键在于：细粒度纯黑刚玉在抛光方面有独特优势；在兼顾切磨抛功能时，和其它磨料如棕刚玉、煅烧棕刚玉、白刚玉、碳化硅等复合，能达到更优的性能，更高的性价比，具有极大的实际应用拓展空间；现在树脂磨具、层叠尼龙轮、海绵块上的应用已经非常成熟，尼龙纤维类磨具产品上锋利性明显提高，耐用性也有增加；随着大家对黑刚玉特点的进一步了解，黑刚玉的优势一定会进一步发挥，应用领域也会有更广阔的拓展。
刘海松，1980年毕业于河南大学数学物理专业。现任河南烨达新材科技股份有限公司副总经理。主管公司技术检测、产品研发工作；主导研发公司主要产品黑刚玉内在性能提升40%左右。
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