中國粉體網訊 在磨削、研磨和拋光中起切削作用的材料統稱為磨料。人們最早使用的磨料都是天然磨料，隨著對磨料研究的深入，人們發現幾乎所有的天然磨料中都含有剛玉成分。經過嘗試人工合成，人們發現人造剛玉磨料比天然的磨料具有更好的性能。
剛玉磨料的發展歷史
1981年，美國3M公司首次推出名為“Cubitron”的新型磨料，具有十分均勻地微晶結構，其韌性比普通剛玉高2.3倍，磨削能力則依據工件的不同，比普通剛玉高1~3倍，易保持切削尖刃的鋒利。之后，由Norton公司開發的名為SG的磨料進入了人們的視野。
陶瓷剛玉磨料（SG磨料）的特點
α-Al2O3是剛玉結構，在氧化鋁的所有物相中其結構最為穩定，屬于三方晶系。與普通剛玉磨料相比，陶瓷剛玉磨料具有更突出的特性。
部分磨料物理性能
晶粒細小，結構均勻。陶瓷剛玉磨料因其采用溶膠-凝膠法工藝，制備過程中，原料分布均勻，反應完全，雜質少，所需燒結溫度低，因此制得的磨料顯微結構均勻，晶粒細小。
韌性好，使用壽命長。陶瓷剛玉磨料韌性明顯高于普通電熔剛玉磨料，是后者的1.5~2倍，磨削熱小，磨削溫度低，砂輪形狀保持性好，耐用度高，在應用于精密磨削時易獲得較高的精度和尺寸形狀一致性。
自銳性好，磨削效率高。陶瓷剛玉磨料在切削過程中能夠不斷地暴露出新的微切削刃，磨粒始終處在鋒利的狀態，因此能夠保持穩定的磨削性能，可進行大切深、大進給、重負荷磨削。砂輪修整頻次少，在有效提高生產效率的同時大大降低了生產成本。
具通用性好，性價比高。可用于干式磨削和濕式磨削，用水或油冷卻，可用于黑色或有色金屬的磨削加工，彌補了CBN和金剛石在磨削方面的不足，價格遠低于兩者，且維修簡便，不需要特殊設備，維修頻次少，因此易于實現自動化生產。
陶瓷剛玉磨料前驅體合成工藝
陶瓷剛玉磨料一般由氫氧化鋁或擬薄水鋁石等氧化鋁的前驅體經過干燥、造粒、燒結得到。其中，前驅體的合成方法主要包括固相法和液相法兩種。
液相法因制備過程簡單，能耗小，環境污染小等一系列優點，成為目前應用最廣的陶瓷剛玉磨料制備方法之一，其中的溶膠-凝膠法最受研究者青睞。
首次把溶膠-凝膠工藝應用到剛玉磨料合成工藝中的美國3M公司在專利US4314827中介紹了該技術：采用Al2O3•H2O微粉（Boehmite）為鋁原料，先將原料和水混合制成懸浮液，再加入膠溶劑（如HNO3、HCl或醋酸溶液等）使其成為穩定的水溶膠；然后加入改良劑以促使其凝膠化，改良劑一般選用金屬氧化物或其鹽溶液（如MgO，ZnO，ZrO2，TiO2等），將形成的凝膠體干燥固化，再破碎造粒成所需形狀和粒度的顆粒，經煅燒（體積收縮率20~40%）后成為磨料。
3M公司剛玉磨料制備工藝流程圖
此外，根據使用原料的種類可以將溶膠-凝膠法分為有機金屬鹽溶膠-凝膠法和無機鹽溶膠-凝膠法。采用金屬醇鹽溶膠-凝膠法制備氧化鋁材料，突出的優點是容易實現摻雜，制備的納米材料均勻度好、純度高。但由于采用金屬醇鹽為原料，使該合成工藝成本較高。同時，醇鹽凝膠化過程較慢，合成周期長，不利于實現工業化生產。而以無機鹽為原料的溶膠-凝膠技術，一方面原料價格較低，對人體傷害小，另一方面制備過程簡單，對設備要求不如金屬醇鹽的高，反應多在常溫下即可進行，大大降低了生產成本，便于推廣，但同時純度較低，溶膠的穩定性較差，常需加入添加劑來提高其穩定性。
陶瓷剛玉磨料的燒結
燒結是制備陶瓷剛玉磨料的最為重要的環節。選擇合理的燒結制度不僅關系到前面產品制備工序的有效與否，而且對磨料的微觀結構及致密度也有重要的影響。進而影響產品的性能，如磨削性、強度、韌性及硬度等。陶瓷剛玉磨料燒結主要有固態常壓燒結，熱壓燒結，熱等靜壓燒結，微波燒結，放電等離子體燒結等。
固態常壓燒結工藝
常壓燒成過程是在沒有外加驅動力情況下進行的，燒結驅動力主要來自陶瓷粉體表面自由能變化，即粉體表面能下降，表面積的減少。由于燒結推動力低，所以常壓燒結速率低，難以達到理論密度。通常常壓固相燒結制的陶瓷剛玉磨料晶粒尺寸較大，燒結溫度較高，燒結周期長，能耗大。
熱壓燒結工藝
熱壓燒結是在高溫下加熱粉體的同時施加單向軸應力，使燒結體的致密化主要依靠外加壓力作用下而完成物質的遷移。熱壓燒結可分為真空熱壓燒結、氣氛熱壓燒結和連續熱壓燒結等。熱壓燒結可以降低燒結溫度，抑制晶粒長大，但是由于是單向施壓，導致坯體中應力分布不均，最終燒結體中密度分布也不均勻，而且熱壓燒結設備昂貴，成本較高。
等靜壓燒結工藝
熱等靜壓的基本原理是燒結材料首先被包封在玻璃中，然后在加熱過程中施加各相均衡的氣體壓力，借助于高溫和高壓共同作用使材料致密化，使材料顯微結構更加均勻。熱等靜壓燒結可以獲得復雜形狀的制品。但熱等靜壓燒結需要對素坯進行包封或者預燒結，壓力條件比較苛刻，因此實際操作比較困難。
微波燒結工藝
微波燒結是利用微波與介質相互作用，因介電損耗而使陶瓷坯體的表面和內部同時加熱的一種燒結方法。與傳統燒結方法相比，微波燒結具有內部加熱、快速燒結、細化材料組織，改進材料性能以及高效節能等優點。是一種很有前途的納米陶瓷材料燒結方法。但微波燒結方法還不能用于所有陶瓷材料的燒結，因為有些陶瓷材料本身性能不適合微波燒結，以及微波燒結后的磨料樣品易發生屈服彎曲和開裂，在燒結過程中的溫度均勻性有待提高。微微波燒結陶瓷剛玉磨料的反應機理有待于進一步深入研究。
放電等離子體燒結
等離子體放電燒結，也被稱為電場輔助燒結，是一種壓力輔助的利用電子直流脈沖放電在粉末顆粒之間瞬間產生高溫的等離子體快速燒結技術。其特點為：通過溫度的嚴格控制，粉末顆粒之間局部等離子體產生的脈沖電子加熱不會導致晶粒粗化，可以保持初始結構的完整性；電能和機械壓力的協同使用可以在不影響粉末初始粒徑的情況下快速整合納米顆粒；粉末顆粒之間產生的脈沖放電等離子體有助于去除表面氧化層，增加表面活性，促進燒結。
小結
陶瓷剛玉磨料的制備采用了溶膠-凝膠工藝，該工藝在理論上確保了體系化學成分的均勻性。并且其采用燒結而有別于傳統剛玉磨料的熔融的制備工藝，這從另一方面確保了磨粒是燒結多晶體，降低燒結溫度，從而可以在其硬度不變的前提下，提高其韌性。由于陶瓷剛玉磨料的制備工藝不同于傳統剛玉磨料，導致其微觀結構和普通的氧化鋁磨料有所不同。因此，陶瓷剛玉磨料在磨削性能方面表現出許多不同于普通氧化鋁基磨料的特性，具有強度高、韌性高、自銳性好、磨削效率高、使用壽命長等優點。陶瓷剛玉磨料的出現受到了機械、汽車和航空航天工業等行業的青睞，填補了普通磨料與超硬磨料之間的空白，被譽為具有革命性的新一代氧化鋁磨料，具有廣闊的發展前景。
參考資料：
游佳麗.陶瓷剛玉磨料形貌的研究
駱苗地.陶瓷剛玉磨料制備工藝的研究
劉會娟.溶膠-凝膠法制備球形剛玉磨料的研究
李子成.納米晶陶瓷剛玉磨料的制備及性能研究
楊濤.陶瓷剛玉磨料顯微結構及其控制研究
（中國粉體網編輯整理/三昧）
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