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粒形分析用于磨料切削刃的质量控制

美国康塔仪器公司北京代表处  杨正红  张哲泠

前言

磨料是用于打磨另一种材料的坚硬材料。这种材料必须非常坚硬、锋利，这样才可以当两种材料受压接触并相对移动时对另一材料进行修饰。氧化铝（Al2O3）、碳化硅（SiC）、SG、CBN、金刚石等各类材料都可以生产磨料，这些材料除了本身硬度高以外，锋利的颗粒形状才使其具有研磨作用，因此颗粒形状是磨料生产质量控制的不可或缺的环节。很少有哪个领域像磨料行业一样需要这样的质量控制：无论是对冲击韧性（impact toughness）、热稳定性，还是对颗粒大小和形貌的影响，磨料性能其中的任何变化都会影响工艺过程控制的效能并引起额外的生产成本。因此，在送往末端应用之前，对磨料适时地分类和选择是必不可少的。

颗粒的形状对其需要的切割功率及刀具的寿命具有决定性的影响。计算可知严格筛选磨料的重要性：形状、粒径均一的颗粒才是产品*理想的品质。控制制造参数当然可以使磨料品质在可控范围内，但是这些却不能带来品质出众的产品。为此，需要发展一种可以控制、分类颗粒的技术。

主要的磨料粉碎技术通常包括冲击粉碎、压力粉碎、研磨粉碎或者上述三种技术的结合。

磨粒的生产商可以通过采用不同的粉碎方法影响磨粒的形状，但迄今为止，控制粒形仍比较困难。根据客户的偏好和*终用途，对粒形要求存在巨大差异。因此，对于超硬材料制造来说，能够根据*终用途精确地选择、分类其产品显得非常重要。但是目前商业化的大多数质控技术都不足以全面满足超硬材料质控的需求。

    磨料行业对磨粒粒径的表述是以筛分直径（目数）为标准的。它反映了筛网上单位英寸内磨粒可以通过的*小孔眼数目，范围可能为4目到2500目。粒度（Dv₅₀）可能为几毫米到小于2 微米不等。当这些磨粒材料融入适合的基质时，可以用于各种不同用途；例如砂纸、砂轮、抛光液、钢丝锯、镗磨、油石、喷砂等。

不同的用途可能要求不同的颗粒形状，而这对磨料性能具有显著影响。磨料生产的标准是通过对容积密度的测定方法进行描述的。容积密度可以说明粒形，但多项其它产品特征也会影响容积密度，如粒度分布、流动性以及表面条件。

传统方法对颗粒进行分类只能通过人眼借助显微镜再结合图像分析 －－－－ 只有专家级的操作人员才能通过观察对颗粒形状进行分类。这项分析极其繁琐，每份样品可能需要2-3 小时并且不客观。同时，该方法无法对颗粒粒径和粒形进行定量，更不可能提供颗粒形貌的统计结果。因此，收集、分析颗粒的数字图像目前已成为质量控制领域重点发展的一项新技术。

对颗粒数字形貌的捕捉和分析是现今在质量控制领域中的实现的一种真正技术突破。大多数激光粒度分析仪的生产制造商也开始制造图像法粒度仪或在原有激光粒度仪的基础上加装CCD相机。它的所生成的主要形状指数是圆度（Circularity），颗粒的等效圆面积周长（circle circumference）与颗粒本身周长（perimeter）的比值。颗粒越圆，其圆度就越接近1。颗粒越长，圆度就越低。这一概念如图1所示。

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然而，如果从像素转换成为磨料的质量标志，则不仅仅只是对颗粒圆度的统计和形状因子，而是要求在常规ISO标准之外，根据磨料领域的质控的特别需要，采用特殊的高精度成像技术和对图像数据建立新的分析算法，进行精确的处理及分析统计。

自上世纪90年代起，专业从事图像处理及其统计分析的比利时欧奇奥（Occhio）公司开始专门从事图像法粒度和粒形分析仪的制造，目前已经形成四大系列产品。这个由法国，意大利和比利时科学家组成的团队继承在原料质量控制和数字成像处理

12.00Normal07.8 磅02falsefalsefalseEN-USZH-CNX-NONE的丰富经验，已经将一种无敌的解决方案在Occhio 500 Nano型粒度粒形分析仪（图2）上实现。通过这种新型仪器快速测定所有样品的粒度和粒形，可以更加精确地分析不同的粒形以及相似产品之间的粒形差异，成为全球的质控技术。

具有6.6百万像素高精度照相机的500Nano 可以在几分钟内测量成千上万的自动分散的磨料颗粒。通过特殊设计的形貌参数，500Nano将为磨料的质量控制提供一种真正全新的方法。

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技术简介

促成欧奇奥公司成立的早期产品ALPAGA粒度粒形分析仪即可同时满足颗粒形貌分析的三大要求：高速、准确和灵活。与传统的显微镜不同，ALPAGA系统的样品传输是基于的透明传送带，它使样品能够形态稳定地无障碍高速通过有背光的光学系统。配合高速成像系统，ALPAGA可以高速、清晰地聚焦所有通过的颗粒。对于要求颗粒形状的质控来说，清晰的聚焦每一颗粒才能实现对颗粒边界模糊的零容忍。ALPAGA的样品传输系统还包括气动系统，可在颗粒分析完成之后自动清洁传送带并收集颗粒。这一设计即保证了分析的高速连续性，又可将样品回收再利用，降低企业的制造成本。

500 Nano 的特点在继承了ALPAGA的优势基础上，采用动态分散静态测量方法，设计更加简洁，操作更加方便，体积更加小巧，保养更加容易，样品更加节省，分辨率更加卓越。

分析仪所捕捉到的所有图像均传输至欧奇奥引以为傲的CALLISTO（骄子）软件进行统计、处理。CALLISTO软件能识别独立颗粒的边界，并将所有颗粒轮廓、图像信息全部独立保存，用于后期的统计处理。使用家用计算机CALLISTO软件即可实现每分钟6000颗粒的实时分析工作，记录颗粒的粒径、粒形以及轮廓信息。

自2001年以来，OCCHIO正式开始通过图像分析技术开发革命性的系统用于研究所有颗粒类型（粉末，悬浮液，乳液和泡沫）。结合功能强大的CALLISTO（骄子）软件，这些新的系统可以进行粒度测量，粒形分析和粒子计数。现在，可以提供超过43个参数的有关粒度粒形信息。

新型粒度粒形分析仪的应用

磨料的制造和传统质量控制方式

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