十八世紀30年代，為了適應鐘表、自行車、縫紉機和槍械等零件淬硬后的加工，英國、德國和美國分別研制出使用天然磨料砂輪的磨床，但這些磨床要求操作工人要有很高的技藝才能磨出精密的工件。后來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，于是在此認知上，具有比天然磨料更好研磨性能的人工合成剛玉磨料便誕生了。

剛玉結構中2個Al³⁺離子填充在3個氧八面體間隙時，剛玉結構中Al³⁺、O^2-的離子配位鍵數分別為6、4，其中晶格常數為｜a₁｜=｜a₂｜=a，c軸垂直于底面，c/a=1.63，離子鍵比為0.63，晶格能高達16743kJ/mol，因此剛玉具有較高的硬度，莫氏硬度為9，熔點為2050℃，具有很好的物化性能。

但隨著制造工業發展，傳統熔融法制備的大單晶剛玉磨料由于晶粒粗大，磨削性能差，使用壽命短，制備能耗高，難以滿足現代工業加工技術的需求。為此以美國3M公司為首，數家公司在上世紀80年代推出了采用溶膠-凝膠法（Sol-Gel）與燒結相結合的工藝所制備的剛玉磨料，它與傳統剛玉磨料在顯微結構上具有明顯不同，性能上更是大有長進，人們后來將這種工藝制備的剛玉磨料，統稱為SG磨料或陶瓷剛玉磨料。

（a）白剛玉磨料和（b）微晶剛玉磨料的對比

陶瓷剛玉磨料的性能優勢：

（1）晶粒尺寸更加細小，微觀結構更加均勻致密。

（2）更高的韌性，在一般為傳統剛玉磨料的1.5~2倍以上。

（3）更好的自銳性和耐磨性，會持續暴露出新的切削微刃。

（4）更強的切削能力、磨削效率及穩定性。

（5）更高的性價比，性能遠優于普通剛玉磨料，價格又遠低于cBN和金剛石磨料。

二、陶瓷剛玉磨料的制造工序

①前驅體制備與燒結：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。目前，前驅體的合成方法主要包括固相法（固相熱分解法和粉末燒結法）和液相法（化學沉淀法、水熱法和溶膠-凝膠法）兩種。至于燒結過程，根據燒結機理可分為：氣相燒結、液相燒結和固相燒結，在實際燒結過程中一般為兩種或兩種以上的燒結機理的協同作用。而由于溶膠-凝膠法制備的陶瓷剛玉磨料具有燒結溫度低、均勻性好、顯微結構致密以及晶粒尺寸細小等優點，因此目前主流的制備陶瓷剛玉磨料的方法依然是工藝穩定且成熟的溶膠-凝膠工藝。

備注：燒結過程中燒結助劑的影響

氧化鋁的鋁氧鍵強度很高，導致純氧化鋁的燒結溫度一般為1700℃以上，甚至高達1900℃，如此高的燒結溫度極易導致燒結最后階段晶粒的異常長大，不利于獲得均一的致密細晶結構。在實際研究和生產中，通常加入一定量的添加劑活化燒結，降低燒成溫度，并進一步改善剛玉磨料的機械性能。

不同的添加劑究竟通過哪種方式達到促進燒結的目的，這與添加劑的陽離子的離子半徑、化合價、晶體結構等有密切關系。根據各種金屬離子的結構不同，其促進燒結的機制也不同，主要分為四種方式：與氧化鋁形成固溶體（Fe₂O₃、TiO₂、MnO₂、Cr₂O₃等）、與燒結體系中的成分形成低共熔體系（有SiO₂、CaO、BaO、SrO等）、與主體形成新相（SiO₂、MgO和）及原料中含有低熔點玻璃相（CaO-Al₂O₃-SiO₂和MgO-Al₂O₃-SiO₂）。

燒結過程中顆粒間接觸面的變化

②磨料成型：當前磨料的成型方法主要為破碎造粒，但用此種方法造粒得到的干凝膠前驅體顆粒尺寸分布廣，包含很多過小碎屑，極大地降低了產品的產率，且由此得到的磨料形狀不規則，無法有效控制產品性能。

在實際應用中，特定形狀的磨料性能往往優于隨機破碎的磨料。因此，可以通過調整磨料形狀來提升產品性能。如美國3M公司將不同含水量的生產磨料的前驅體溶液注入特定形貌的模具中，利用干燥過程中前驅體干凝膠的開裂，生產出磨削效率更高的三角狀磨料。

三角形藍色陶瓷磨料

當前，陶瓷材料的成型工藝主要包括干法成型和濕法成型兩種。干法成型包括干壓法和等靜壓法，是在外加壓力下直接將預處理過的粉料成型的方法。濕法成型包括注漿成型、注射成型、擠出成型和凝膠注模成型等。

三、提高陶瓷剛玉磨料韌性的方式

韌性是影響陶瓷剛玉磨料使用的一個十分重要的指標，影響陶瓷剛玉磨料加工材料的范圍、工作進給量、磨削速度以及磨削溫度等。陶瓷剛玉磨料本質上是一種多晶的氧化鋁陶瓷材料，雖然具有優良的力學性能以及低廉的制造成本，然而，與氧化鋯、氮化硅等陶瓷相比，氧化鋁陶瓷的斷裂韌性是較差的。

目前，針對陶瓷剛玉磨料的研究基本上局限于對細晶粒顯微結構的研究，盡管具有細晶粒顯微結構的陶瓷剛玉磨料的強度是較高的，但是其韌性通常是較低的。為了提高氧化鋁陶瓷的斷裂韌性，研究者們做了大量的研究，通常可以通過添加第二相材料，如晶須（SiC晶須、莫來石晶須等）、陶瓷顆粒（SiC、WC、ZrO₂、Ti(C,N)、TiB₂顆粒等）、以及金屬顆粒（Cu、Ni、Cr、Fe、Mo、Nb等）均能夠顯著提高氧化鋁陶瓷的斷裂韌性。然而，斷裂韌性的提高往往伴隨著力學性能的下降，這是由于第二相的加入容易引起內部缺陷。除此之外，第二相的加入也會在一定程度上阻礙燒結以及致密化的過程，也會導致氧化鋁陶瓷力學性能的下降。

為了減少添加的第二相與基體材料之間的界面缺陷，于是在燒結過程中原位生成第二相來改善氧化鋁陶瓷性能的方法被廣泛研究了，原位生成的高長徑比的第二相，如SrAl₁₂O₁₉、LaAl₁₁O₁₈、3Al₂O₃·2SiO₂等能顯著提高氧化鋁陶瓷的力學性能。但是，這些第二相的彈性模量和硬度等性能通常不如基體氧化鋁，所以，一些研究者企圖通過原位形成各向異性的氧化鋁晶粒，從而形成自增韌的結構，從而改善氧化鋁陶瓷斷裂韌性差的問題，并且不降低材料的整體強度，這避免了第二相與基體化學性質、熱學性質以及彈性模量等不匹配的問題，有利于燒結的致密化過程并且減少內部缺陷的生成。

四、總結

總之，陶瓷剛玉磨料具有顯著的價格優勢，很好地填補了普通磨料與超硬磨料之間的空白，被廣泛應用于材料加工領域。不過我國在陶瓷剛玉磨料的研究方面雖然取得了一定的進展，成功實現產業化，但仍面臨產品類型單一、沒有形成系列化、且成品與進口產品的性能差距較大等問題。因此為了更好地適應市場需求，對陶瓷剛玉磨料的制備工藝及要點進行研究，對國內陶瓷剛玉磨料的競爭力提升將具有重要意義。

資料來源：

黃璐.微晶陶瓷剛玉磨料的制備與性能及微觀形貌研究[D]. 天津:天津大學,2019.

韓洋.陶瓷剛玉磨料的制備及其顯微結構研究[D]. 天津:天津大學,2021.

李英欣.添加劑及燒結工藝對陶瓷剛玉磨料性能影響的研究[D]. 天津:天津大學,2013. DOI:10.7666/d.D486530.

韓洋.陶瓷剛玉磨料的制備及其顯微結構研究[D]. 天津:天津大學,2021.

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