杏彩体育唯一官网:新一代氧化铝磨料——陶瓷刚玉磨料的合成及烧结

　　在磨削、研磨和抛光中起切削作用的材料统称为磨料。人们最早使用的磨料都是天然磨料，随着对磨料研究的深入，人们发现几乎所有的天然磨料中都含有刚玉成分。经过尝试人工合成，人们发现人造刚玉磨料比天然的磨料具有更好的性能。

　　1981年，美国3M公司首次推出名为“Cubitron”的新型磨料，具有十分均匀地微晶结构，其韧性比普通刚玉高2.3倍，磨削能力则依据工件的不同，比普通刚玉高1~3倍，易保持切削尖刃的锋利。之后，由Norton公司开发的名为SG的磨料进入了人们的视野。

　　α-Al2O3是刚玉结构，在氧化铝的所有物相中其结构最为稳定，属于三方晶系。与普通刚玉磨料相比，陶瓷刚玉磨料具有更突出的特性。

　　晶粒细小，结构均匀。陶瓷刚玉磨料因其采用溶胶-凝胶法工艺，制备过程中，原料分布均匀，反应完全，杂质少，所需烧结温度低，因此制得的磨料显微结构均匀，晶粒细小。

　　韧性好，使用寿命长。陶瓷刚玉磨料韧性明显高于普通电熔刚玉磨料，是后者的1.5~2倍，磨削热小，磨削温度低，砂轮形状保持性好，耐用度高，在应用于精密磨削时易获得较高的精度和尺寸形状一致性。

　　自锐性好，磨削效率高。陶瓷刚玉磨料在切削过程中能够不断地暴露出新的微切削刃，磨粒始终处在锋利的状态，因此能够保持稳定的磨削性能，可进行大切深、大进给、重负荷磨削。砂轮修整频次少，在有效提高生产效率的同时大大降低了生产成本。

　　具通用性好，性价比高。可用于干式磨削和湿式磨削，用水或油冷却，可用于黑色或有色金属的磨削加工，弥补了CBN和金刚石在磨削方面的不足，价格远低于两者，且维修简便，不需要特殊设备，维修频次少，因此易于实现自动化生产。

　　陶瓷刚玉磨料一般由氢氧化铝或拟薄水铝石等氧化铝的前驱体经过干燥、造粒、烧结得到。其中，前驱体的合成方法主要包括固相法和液相法两种。

　　液相法因制备过程简单，能耗小，环境污染小等一系列优点，成为目前应用最广的陶瓷刚玉磨料制备方法之一，其中的溶胶-凝胶法最受研究者青睐。

　　首次把溶胶-凝胶工艺应用到刚玉磨料合成工艺中的美国3M公司在专利US4314827中介绍了该技术：采用Al2O3H2O微粉（Boehmite）为铝原料，先将原料和水混合制成悬浮液，再加入胶溶剂（如HNO3、HCl或醋酸溶液等）使其成为稳定的水溶胶；然后加入改良剂以促使其凝胶化，改良剂一般选用金属氧化物或其盐溶液（如MgO，ZnO，ZrO2，TiO2等），将形成的凝胶体干燥固化，再破碎造粒成所需形状和粒度的颗粒，经煅烧（体积收缩率20~40%）后成为磨料。

　　此外，根据使用原料的种类可以将溶胶-凝胶法分为有机金属盐溶胶-凝胶法和无机盐溶胶-凝胶法。采用金属醇盐溶胶-凝胶法制备氧化铝材料，突出的优点是容易实现掺杂，制备的纳米材料均匀度好、纯度高。但由于采用金属醇盐为原料，使该合成工艺成本较高。同时，醇盐凝胶化过程较慢，合成周期长，不利于实现工业化生产。而以无机盐为原料的溶胶-凝胶技术，一方面原料价格较低，对伤害小，另一方面制备过程简单，对设备要求不如金属醇盐的高，反应多在常温下即可进行，大大降低了生产成本，便于推广，但同时纯度较低，溶胶的稳定性较差，常需加入添加剂来提高其稳定性。

　　烧结是制备陶瓷刚玉磨料的最为重要的环节。选择合理的烧结制度不仅关系到前面产品制备工序的有效与否，而且对磨料的微观结构及致密度也有重要的影响。进而影响产品的性能，如磨削性、强度、韧性及硬度等。陶瓷刚玉磨料烧结主要有固态常压烧结，热压烧结，热等静压烧结，微波烧结，放电等离子体烧结等。

　　常压烧成过程是在没有外加驱动力情况下进行的，烧结驱动力主要来自陶瓷粉体表面自由能变化，即粉体表面能下降，表面积的减少。由于烧结推动力低，所以常压烧结速率低，难以达到理论密度。通常常压固相烧结制的陶瓷刚玉磨料晶粒尺寸较大，烧结温度较高，烧结周期长，能耗大。

　　热压烧结是在高温下加热粉体的同时施加单向轴应力，使烧结体的致密化主要依靠外加压力作用下而完成物质的迁移。热压烧结可分为真空热压烧结、气氛热压烧结和连续热压烧结等。热压烧结可以降低烧结温度，抑制晶粒长大，但是由于是单向施压，导致坯体中应力分布不均，最终烧结体中密度分布也不均匀，而且热压烧结设备昂贵，成本较高。

　　热等静压的基本原理是烧结材料首先被包封在玻璃中，然后在加热过程中施加各相均衡的气体压力，借助于高温和高压共同作用使材料致密化，使材料显微结构更加均匀。热等静压烧结可以获得复杂形状的制品。但热等静压烧结需要对素坯进行包封或者预烧结，压力条件比较苛刻，因此实际操作比较困难。

　　微波烧结是利用微波与介质相互作用，因介电损耗而使陶瓷坯体的表面和内部同时加热的一种烧结方法。与传统烧结方法相比，微波烧结具有内部加热、快速烧结、细化材料组织，改进材料性能以及高效节能等优点。是一种很有前途的纳米陶瓷材料烧结方法。但微波烧结方法还不能用于所有陶瓷材料的烧结，因为有些陶瓷材料本身性能不适合微波烧结，以及微波烧结后的磨料样品易发生屈服弯曲和开裂，在烧结过程中的温度均匀性有待提高。微微波烧结陶瓷刚玉磨料的反应机理有待于进一步深入研究。

　　等离子体放电烧结，也被称为电场辅助烧结，是一种压力辅助的利用电子直流脉冲放电在粉末颗粒之间瞬间产生高温的等离子体快速烧结技术。其特点为：通过温度的严格控制，粉末颗粒之间局部等离子体产生的脉冲电子加热不会导致晶粒粗化，可以保持初始结构的完整性；电能和机械压力的协同使用可以在不影响粉末初始粒径的情况下快速整合纳米颗粒；粉末颗粒之间产生的脉冲放电等离子体有助于去除表面氧化层，增加表面活性，促进烧结。

　　陶瓷刚玉磨料的制备采用了溶胶-凝胶工艺，该工艺在理论上确保了体系化学成分的均匀性。并且其采用烧结而有别于传统刚玉磨料的熔融的制备工艺，这从另一方面确保了磨粒是烧结多晶体，降低烧结温度，从而可以在其硬度不变的前提下，提高其韧性。由于陶瓷刚玉磨料的制备工艺不同于传统刚玉磨料，导致其微观结构和普通的氧化铝磨料有所不同。因此，陶瓷刚玉磨料在磨削性能方面表现出许多不同于普通氧化铝基磨料的特性，具有强度高、韧性高、自锐性好、磨削效率高、使用寿命长等优点。陶瓷刚玉磨料的出现受到了机械、汽车和航空航天工业等行业的青睐，填补了普通磨料与超硬磨料之间的空白，被誉为具有性的新一代氧化铝磨料，具有广阔的发展前景。