中國(guó)粉體網(wǎng)訊  在磨削、研磨和拋光中起切削作用的材料統(tǒng)稱(chēng)為磨料。人們最早使用的磨料都是天然磨料，隨著對(duì)磨料研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)幾乎所有的天然磨料中都含有剛玉成分。經(jīng)過(guò)嘗試人工合成，人們發(fā)現(xiàn)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(fā)展歷史

1981年，美國(guó)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(jié)構(gòu)，其韌性比普通剛玉高2.3倍，磨削能力則依據(jù)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(kāi)發(fā)的名為SG的磨料進(jìn)入了人們的視野。

陶瓷剛玉磨料（SG磨料）的特點(diǎn)

α-Al2O3是剛玉結(jié)構(gòu)，在氧化鋁的所有物相中其結(jié)構(gòu)最為穩(wěn)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(xì)小，結(jié)構(gòu)均勻。陶瓷剛玉磨料因其采用溶膠-凝膠法工藝，制備過(guò)程中，原料分布均勻，反應(yīng)完全，雜質(zhì)少，所需燒結(jié)溫度低，因此制得的磨料顯微結(jié)構(gòu)均勻，晶粒細(xì)小。

韌性好，使用壽命長(zhǎng)。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(yīng)用于精密磨削時(shí)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(guò)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(tài)，因此能夠保持穩(wěn)定的磨削性能，可進(jìn)行大切深、大進(jìn)給、重負(fù)荷磨削。砂輪修整頻次少，在有效提高生產(chǎn)效率的同時(shí)大大降低了生產(chǎn)成本。

具通用性好，性?xún)r(jià)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(bǔ)了CBN和金剛石在磨削方面的不足，價(jià)格遠(yuǎn)低于兩者，且維修簡(jiǎn)便，不需要特殊設(shè)備，維修頻次少，因此易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。

陶瓷剛玉磨料前驅(qū)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(qū)體經(jīng)過(guò)干燥、造粒、燒結(jié)得到。其中，前驅(qū)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(guò)程簡(jiǎn)單，能耗小，環(huán)境污染小等一系列優(yōu)點(diǎn)，成為目前應(yīng)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(yīng)用到剛玉磨料合成工藝中的美國(guó)3M公司在專(zhuān)利US4314827中介紹了該技術(shù)：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(wěn)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(jīng)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(jù)使用原料的種類(lèi)可以將溶膠-凝膠法分為有機(jī)金屬鹽溶膠-凝膠法和無(wú)機(jī)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(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)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(shí)，醇鹽凝膠化過(guò)程較慢，合成周期長(zhǎng)，不利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)。而以無(wú)機(jī)鹽為原料的溶膠-凝膠技術(shù)，一方面原料價(jià)格較低，對(duì)人體傷害小，另一方面制備過(guò)程簡(jiǎn)單，對(duì)設(shè)備要求不如金屬醇鹽的高，反應(yīng)多在常溫下即可進(jìn)行，大大降低了生產(chǎn)成本，便于推廣，但同時(shí)純度較低，溶膠的穩(wěn)定性較差，常需加入添加劑來(lái)提高其穩(wěn)定性。

陶瓷剛玉磨料的燒結(jié)

燒結(jié)是制備陶瓷剛玉磨料的最為重要的環(huán)節(jié)。選擇合理的燒結(jié)制度不僅關(guān)系到前面產(chǎn)品制備工序的有效與否，而且對(duì)磨料的微觀結(jié)構(gòu)及致密度也有重要的影響。進(jìn)而影響產(chǎn)品的性能，如磨削性、強(qiáng)度、韌性及硬度等。陶瓷剛玉磨料燒結(jié)主要有固態(tài)常壓燒結(jié)，熱壓燒結(jié)，熱等靜壓燒結(jié)，微波燒結(jié)，放電等離子體燒結(jié)等。

固態(tài)常壓燒結(jié)工藝

常壓燒成過(guò)程是在沒(méi)有外加驅(qū)動(dòng)力情況下進(jìn)行的，燒結(jié)驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)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(jié)推動(dòng)力低，所以常壓燒結(jié)速率低，難以達(dá)到理論密度。通常常壓固相燒結(jié)制的陶瓷剛玉磨料晶粒尺寸較大，燒結(jié)溫度較高，燒結(jié)周期長(zhǎng)，能耗大。

熱壓燒結(jié)工藝

熱壓燒結(jié)是在高溫下加熱粉體的同時(shí)施加單向軸應(yīng)力，使燒結(jié)體的致密化主要依靠外加壓力作用下而完成物質(zhì)的遷移。熱壓燒結(jié)可分為真空熱壓燒結(jié)、氣氛熱壓燒結(jié)和連續(xù)熱壓燒結(jié)等。熱壓燒結(jié)可以降低燒結(jié)溫度，抑制晶粒長(zhǎng)大，但是由于是單向施壓，導(dǎo)致坯體中應(yīng)力分布不均，最終燒結(jié)體中密度分布也不均勻，而且熱壓燒結(jié)設(shè)備昂貴，成本較高。

等靜壓燒結(jié)工藝

熱等靜壓的基本原理是燒結(jié)材料首先被包封在玻璃中，然后在加熱過(guò)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(jié)構(gòu)更加均勻。熱等靜壓燒結(jié)可以獲得復(fù)雜形狀的制品。但熱等靜壓燒結(jié)需要對(duì)素坯進(jìn)行包封或者預(yù)燒結(jié)，壓力條件比較苛刻，因此實(shí)際操作比較困難。

微波燒結(jié)工藝

微波燒結(jié)是利用微波與介質(zhì)相互作用，因介電損耗而使陶瓷坯體的表面和內(nèi)部同時(shí)加熱的一種燒結(jié)方法。與傳統(tǒng)燒結(jié)方法相比，微波燒結(jié)具有內(nèi)部加熱、快速燒結(jié)、細(xì)化材料組織，改進(jìn)材料性能以及高效節(jié)能等優(yōu)點(diǎn)。是一種很有前途的納米陶瓷材料燒結(jié)方法。但微波燒結(jié)方法還不能用于所有陶瓷材料的燒結(jié)，因?yàn)橛行┨沾刹牧媳旧硇阅懿贿m合微波燒結(jié)，以及微波燒結(jié)后的磨料樣品易發(fā)生屈服彎曲和開(kāi)裂，在燒結(jié)過(guò)程中的溫度均勻性有待提高。微微波燒結(jié)陶瓷剛玉磨料的反應(yīng)機(jī)理有待于進(jìn)一步深入研究。

放電等離子體燒結(jié)

等離子體放電燒結(jié)，也被稱(chēng)為電場(chǎng)輔助燒結(jié)，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(chǎn)生高溫的等離子體快速燒結(jié)技術(shù)。其特點(diǎn)為：通過(guò)溫度的嚴(yán)格控制，粉末顆粒之間局部等離子體產(chǎn)生的脈沖電子加熱不會(huì)導(dǎo)致晶粒粗化，可以保持初始結(jié)構(gòu)的完整性；電能和機(jī)械壓力的協(xié)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(chǎn)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(jìn)燒結(jié)。

小結(jié)

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(xué)成分的均勻性。并且其采用燒結(jié)而有別于傳統(tǒng)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(jié)多晶體，降低燒結(jié)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(tǒng)剛玉磨料，導(dǎo)致其微觀結(jié)構(gòu)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(xiàn)出許多不同于普通氧化鋁基磨料的特性，具有強(qiáng)度高、韌性高、自銳性好、磨削效率高、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。陶瓷剛玉磨料的出現(xiàn)受到了機(jī)械、汽車(chē)和航空航天工業(yè)等行業(yè)的青睞，填補(bǔ)了普通磨料與超硬磨料之間的空白，被譽(yù)為具有革命性的新一代氧化鋁磨料，具有廣闊的發(fā)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(huì)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(jié)構(gòu)及其控制研究

（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/三昧）

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