摘要： 黑剛玉是利用礦物邊角料或尾礦制備而成的，制備過程節能減耗，磨削性能優良。本文首先介紹了黑剛玉的理化性能及化學成分，并詳細介紹了黑剛玉的磨削應用范圍及發展過程。
       關鍵詞： 黑剛玉； 理化性能； 應用范圍；市場展望
       一、黑剛玉簡介
       黑剛玉是以高鐵鋁礬土或者高鋁礬土加高鋁鐵礦，在電弧爐里經過高溫熔融冶煉然后冷卻，從而制得的一種以α- Al2O3 和鐵尖晶石為主礦相的灰黑色結晶體，其特點是Al2O3 含量適中。黑剛玉生產能耗約為棕剛玉的二分之一，冶煉過程中不需要還原氣氛，極少有CO2排放，是一種節能環保的耐磨材料。因而具有硬度適中、韌性好、自銳性好、使用中產生的磨削熱低，不易燒傷工件表面等特點。
       黑剛玉磨料的基本粒集中，磨料中Al2O3 含量較低，并有一定量的Fe2O3（10%左右）、SiO2存在，因而磨料的硬度適中、韌性高、耐高溫、熱態性能穩定，用于磨削加工時，切削能力強，耐磨性好，黑剛玉具有很好的自銳性，磨削時發熱量少，所以加工效率高，加工工件的表面質量好。
       二、黑剛玉的制備
       黑剛玉是以高鐵鋁礬土或者高鋁礬土加高鋁鐵礦為主要原料，在電弧爐里經過高溫熔融冶煉然后冷卻，從而制得的一種以α- Al2O3 和鐵尖晶石為主礦相的灰黑色結晶體，其特點是Al2O3 含量適中。
       因為黑剛玉使用的是棕剛玉生產的所用的原料鋁礬土的下腳料，煉鋼廠、煉鐵廠保溫材料的回收料，也使用氧化鐵含量較高的鋁礬土，煉鐵行業原料鐵礦石的下腳料，原料屬于廢物再利用，屬于循環經濟，可持續發展。因為黑剛玉生產的能耗只有棕剛玉能耗的二分之一左右，能耗低，冶煉過程中不需要還原氣氛，極少有CO2排放，所以黑剛玉是一種節能環保的耐磨材料。
       資料顯示，中國現有的鋁礬土礦儲量中，含Al2O360%～70%的一級礦石，Al/Si≥12，只占1.5%；含Al2O351%～71%的二級礦石，Al/Si≥9，占17%；含Al2O362%～69%三級礦石，Al/Si≥7，占11.3%；含Al2O3>62%的四級礦石，Al/Si≥5，占27.9%；含Al2O3>58%的五級礦石，Al/Si≥4，占18%；含Al2O3>54%的六級礦石，Al/Si≥3，占8.3%；含Al2O3>48%的七級礦石，Al/Si≥6，占1.5%；其余為品級不明的礦石。鋁礬土的主要化學成分為：Al2O3、SiO2、H2O、Fe2O3、TiO2，這五種成分占總成分的95%以上，除此以外還有少量的K2O、Na2O、MgO、CaO、S、碳質、有機質等，以及微量的Cr、Ni、及稀土元素化合物等。中國鋁礬土礦的質量普遍較差，加工困難、耗能大的一水硬鋁石型礦石占全國總儲量的98%以上。鑒于此，我國每年大量進口鋁礬土，尤其是2015年以來進口量和國內當年產量相當。
       目前用于冶煉研磨材料棕剛玉的鋁礬土礦，要求Al2O3含量較高、鐵和鈦含量低，一般要求Al2O3≥70%，Fe2O3≤5%，TiO2≤4.5%， CaO+MgO≤1.0%，Al2O3/SiO2≥12。同時棕剛玉磨料的冶煉溫度近2300℃，耗能量很大。
       由于國內礦產資源日益匱乏、面臨的能源危機等問題，開發低品級鋁礬土礦的綠色、環保、節能、高效的創新領域應用，合理綜合利用，是目前我國鋁礬土礦及相關產業所面臨的重要問題。
       三、 黑剛玉理化指標及化學成分
       黑剛玉的理化性能指標如表1所示。
       粒度組成：常見規格為國標F4-F1200，P12-P2500，亦可根據需要生產其它規格。
       化學成份 根據其等級不同，化學成分不同，如表2所示
       四、黑鋼玉主要用途
       現階段黑剛玉主要用于以下幾個方面：
       1. 鋪設耐磨防滑路面
       黑剛玉主要是以 α- Al2O3 和鐵尖晶石為主礦相的灰黑色結晶體，其特點是Al2O3 含量較低，并含有一定量的Fe2O3（10%左右），因而具有硬底適中、韌性高、耐高溫、熱態性能溫定的特點。鄭州燁達公司生產的黑剛玉磨料基本粒集中，切削力強，韌性大，剛柔相濟，耐磨性好。使用3-5mm、1-3mm、1-2mm、0.4-1mm段砂，來鋪設耐磨防滑路面、橋面、停車場的的急彎陡坡處，用作塑膠類地板的耐磨骨料，具有很好的耐磨防滑性能，與原先使用高檔骨料鋪設相比具有極高的性價比優勢。現在歐洲國家、香港地區、國內經濟發達地區等，黑剛玉都有經常性的使用。
       2. 研磨拋光材料
       上世紀70年代，隨著對黑剛玉磨料性能的逐步了解，大家嘗試著黑剛玉在拋光研磨其它更多領域的應用，比如拋光不銹鋼、普通鋼、竹木、玻璃等工件， 金屬零件電鍍前底面拋光, 銅鋁制品和不銹鋼拋光的理想磨料, 適用于自行車縫紉機電風扇、鐘表零件和五金工具的拋光, 也適于制造砂布砂紙等。黑剛玉拋磨不銹鋼具有獨特的優勢，使用棕剛玉、白剛玉等磨料拋光不銹鋼，拋后不銹鋼表面色澤不一致，有的地方會出現發烏發暗變色，而用黑剛玉拋后表面色澤均勻，透出不銹鋼本質的均勻范青色，外觀效果極佳。上世紀70年代末，國內開始生產黑剛玉產品。
       不銹鋼具有較高的耐磨性、獨特的強度、優越的防腐性能及不易生銹等優良特性而得到廣泛應用。尤其是在精密零部件、食品機械、機電行業、家用電器行業及家庭裝潢，精飾行業得到廣泛的普及與推廣。不銹鋼的運用發展前景會越來越好，但不銹鋼的運用與發展很大程度上決定于它的表面處理技術發展水平，過去處理方法中存在的問題是劃痕難除去，酸洗鈍化處理，對面積較大的工件，很難達到均勻一致處理效果，人為因素造成的劃傷比較嚴重等，且酸洗處理對環境污染嚴重。用黑剛玉磨料磨具進行表面拋光加工壓力小，避免了在鋼板表面留下很細的紋路，拋光工件一致性好，工件不會產生燒傷，且加工效率高。
       在不銹鋼拋光方面，F14-F1000黑剛玉產品常用于各種工件的研磨拋光，特別是不銹鋼工件的研磨拋光。F14-F80常用于噴砂，對工件表面進行除銹除雜清理；常將黑剛玉F80-F320粒度砂粘接在布輪上對工件進行研磨拋光，或者制成纖維拋光輪進行拋光；F320-F1000常用于制作拋光蠟、樹脂磨塊等磨具對工件進行精細拋光。
       3. 制作樹脂磨具
       近十年來，F14-F80黑剛玉粒度砂與棕剛玉復合，用于制作樹脂砂輪、樹脂切割片、樹脂磨片、超薄片等樹脂磨具，現已成為黑剛玉產品的主要應用領域。多家國際、國內知名樹脂磨具公司都在使用30%-50%的黑剛玉與棕剛玉復合，制作樹脂磨具，這種復合磨料制作的樹脂磨具與傳統的的樹脂磨具相比鋒利性明顯提高，切口或者磨口光潔度更高，色變更小。由于黑剛玉的成本低，使用復合磨料制作的樹脂磨具具有很高的性價比。
       4. 制作涂附磨具
       近年來，國際著名磨料磨具集團有些工廠一直用黑剛玉磨料制作涂附磨具。鄭州燁達公司技術研發中心也在黑剛玉用于涂附磨具領域進行了探索研究。經過幾萬次的試驗，探索出了黑剛玉與棕剛玉復合磨料制作的砂帶其磨削能力優于其他材料，現在國內處于逐步使用階段。
       鄭州燁達公司的黑剛玉產品在樹脂磨具、涂附磨具領域的應用是替代部分其他磨料，黑剛玉部分替代其他磨料制成磨具在某些材質的工件上使用性能更優良，某些材質上使用性能跟其它高成本的磨料相當，但都會降低磨具的生產成本，大幅提高性價比，具有良好的發展前景。
       5. 其他應用
       黑剛玉的性能特質，成本優勢，使得黑剛玉的應用領域不斷擴大。如細粒度黑剛玉用于耐磨防火涂料的添加劑；牛仔服噴砂做舊；制鞋業用于鞋底后跟外側添加的耐磨防滑材料；制作不定形耐火材料，用于中低溫部位的防火隔熱；隨著更多人對黑剛玉性能的進一步理解，綠色環保，循環再生利用，成本低廉的黑剛玉產品應用領域一定會不斷的拓展。
       五、黑剛玉的發展
       日本是核電發展比較早的國家，核電站的蒸汽輪機工作一定時間后，水蒸氣中的雜質會在汽輪機復雜的曲面葉片上結垢，雜質會很牢固的粘附在汽輪機葉片上面。隨著粘附雜質的逐漸增多，會明顯降低汽輪機的出力。所以，汽輪機運行半年至一年，就需要將汽輪機停下來清除葉片上面的結垢。用硬度高的材料，以噴砂的方式除垢，極大地提高了效率，但是由于材料硬度太高，常會對葉片造成損傷。為了解決這個問題，上世紀50年代，日本一家公司制作了主要成分為三氧化二鋁，含有三氧化二鐵、二氧化硅、二氧化鈦的柔性耐磨材料（黑剛玉），這種材料軟硬適中，韌性好。用于汽輪機葉片噴砂除垢具有效率很高，除垢徹底，又不損傷汽輪機葉片的優異性能。該產品的出現，完美地解決了汽輪機葉片除垢的難題。到上世紀70年代，隨著軍工企業解禁，這種材料進入了民用領域。
       上世紀70年代，上海磨料磨具廠開始試驗生產黑剛玉產品，80年代初浙江省一家磨料磨具開發公司也開始生產黑剛玉產品，同時，中機六院在海南文昌也建了試驗廠，經過多年實踐，取得了很大進展。
       2005年，鄭州燁達公司與日本黑剛玉生產廠家合作并引進技術，由固定爐改為傾倒爐，生產出具有特殊結晶構造，自生發刃，研削力強，耐久性好的黑剛玉產品。
       經過十多年的進一步摸索，用煉鋼煉鐵高爐淘汰的固體廢棄物、鋁礦石和鐵礦石的廢棄物做原料，采用專利技術改進設備及工藝，生產出了與傳統工藝相比內在結晶更加優異的柔性黑剛玉產品。生產能耗僅為棕剛玉的二分之一，成本較低，綠色環保，碳排放少。隨著對黑剛玉性能更深入的了解，必將會不斷拓寬新的應用領域。
       六、黑剛玉產品的市場需量展望
       隨著人們對黑剛玉產品優良性能的深入了解，這種以邊角料、下腳料為主要原料，低能耗，低碳排放生產出的綠色環保，可循環經濟型耐磨材料，應該具有有良好的發展空間。下面依據收集到的現有數據對黑剛玉產品市場需量做一下展望。
       1. 黑剛玉在拋光及耐磨路面方面
       國內最大的黑剛玉生產基地鄭州燁達公司，市場占有率已達70%以上，2016年用于拋光及耐磨防滑路面方面的黑剛玉銷量為0.62萬噸，從2017年上半年的銷售情況看，與去年同期相比，拋光及耐磨防滑路面方面綜合有22%左右的增長率。依此推算，到2020年，黑剛玉用于拋光及耐磨防滑路面方面的市場需量應為1.4萬噸左右。
       2. 樹脂磨具領域黑剛玉用量分析
       2011年-2016年的樹脂磨具總產量是引用中國機床工業協會磨料磨具分會每年對樹脂磨具總產量的測算值，2017-2020年的樹脂磨具總產量是根據近三年增長率的平均值3.03%計算得出；磨料用量是依據樹脂磨具中，磨料重量占磨具重量的典型值80%計算；黑剛玉測算用量是按40%樹脂磨具產品可以使用部分黑剛玉磨料替代其他磨料，用黑剛玉磨料替代其它磨料的比例按照現有成熟技術常用量30%-50%的下限30%計算，可得到樹脂磨具領域到2020年黑剛玉產品的用量為5.19萬噸。具體分析計算如表3.
       3. 涂附磨具領域黑剛玉用量分析
       2011年-2016年規模以上涂附磨具產量數據引用涂附磨具協會每年對規模以上企業的產量統計，2017年及以后的數據根據近三年的平均增長率2.50%計算；推算總產量系根據涂附磨具協會測算出規模以上企業的產量占總產量的80%計算；磨料用量系根據每平米涂附磨具一般使用0.4kg磨料的典型值計算；黑剛玉測算用量系根據涂附磨具有10%的磨料用量可以使用黑剛玉磨料。據此可得到涂附磨具領域到2020年黑剛玉磨料的用量為2.8萬噸。具體分析計算如表4.
       由上述拋光及耐磨路面、樹脂磨具、涂附磨具三個領域黑剛玉的保守需量分析來看，到2020年黑剛玉的需量應該在10萬噸以上。
       參考文獻：
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       [2] 茅福根，唐膺. 拋光用磨料一一黑剛玉及其使用效果，金剛石與磨料磨具工程，1983（3）
       [3] 茅福根. 新穎拋光材料——黑剛玉磨料，今日科技，1982（12）
       [4] 呂順川，梁德康. 黑剛玉磨料在拋光中的應用，金剛石與磨料磨具工程，1985（3）
       [5] 中國機床工具工業協會磨料磨具分會，中國磨料磨具2011,（1），2012（1），2013（1），2014（1），2015（1），2016（1），2017（1）磨料磨具行業經濟運行分析
       [6] 中國機床工具工業協會涂附磨具分會，中國涂附磨具2010（2），2011,（2），2012（2），2013（2），2014（2），2015（2），2016（2），2017（2）中國涂附磨具行業經濟運行情況分析