十八世纪30年代，为了适应钟表、自行车、缝纫机和枪械等零件淬硬后的加工，英国、德国和美国分别研制出使用天然磨料砂轮的磨床，但这些磨床要求操作工人要有很高的技艺才能磨出精密的工件。后来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，于是在此认知上，具有比天然磨料更好研磨性能的人工合成刚玉磨料便诞生了。

刚玉结构中2个Al³⁺离子填充在3个氧八面体间隙时，刚玉结构中Al³⁺、O^2-的离子配位键数分别为6、4，其中晶格常数为｜a₁｜=｜a₂｜=a，c轴垂直于底面，c/a=1.63，离子键比为0.63，晶格能高达16743kJ/mol，因此刚玉具有较高的硬度，莫氏硬度为9，熔点为2050℃，具有很好的物化性能。

但随着制造工业发展，传统熔融法制备的大单晶刚玉磨料由于晶粒粗大，磨削性能差，使用寿命短，制备能耗高，难以满足现代工业加工技术的需求。为此以美国3M公司为首，数家公司在上世纪80年代推出了采用溶胶-凝胶法（Sol-Gel）与烧结相结合的工艺所制备的刚玉磨料，它与传统刚玉磨料在显微结构上具有明显不同，性能上更是大有长进，人们后来将这种工艺制备的刚玉磨料，统称为SG磨料或陶瓷刚玉磨料。

（a）白刚玉磨料和（b）微晶刚玉磨料的对比

陶瓷刚玉磨料的性能优势：

（1）晶粒尺寸更加细小，微观结构更加均匀致密。

（2）更高的韧性，在一般为传统刚玉磨料的1.5~2倍以上。

（3）更好的自锐性和耐磨性，会持续暴露出新的切削微刃。

（4）更强的切削能力、磨削效率及稳定性。

（5）更高的性价比，性能远优于普通刚玉磨料，价格又远低于cBN和金刚石磨料。

二、陶瓷刚玉磨料的制造工序

①前驱体制备与烧结：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。目前，前驱体的合成方法主要包括固相法（固相热分解法和粉末烧结法）和液相法（化学沉淀法、水热法和溶胶-凝胶法）两种。至于烧结过程，根据烧结机理可分为：气相烧结、液相烧结和固相烧结，在实际烧结过程中一般为两种或两种以上的烧结机理的协同作用。而由于溶胶-凝胶法制备的陶瓷刚玉磨料具有烧结温度低、均匀性好、显微结构致密以及晶粒尺寸细小等优点，因此目前主流的制备陶瓷刚玉磨料的方法依然是工艺稳定且成熟的溶胶-凝胶工艺。

备注：烧结过程中烧结助剂的影响

氧化铝的铝氧键强度很高，导致纯氧化铝的烧结温度一般为1700℃以上，甚至高达1900℃，如此高的烧结温度极易导致烧结最后阶段晶粒的异常长大，不利于获得均一的致密细晶结构。在实际研究和生产中，通常加入一定量的添加剂活化烧结，降低烧成温度，并进一步改善刚玉磨料的机械性能。

不同的添加剂究竟通过哪种方式达到促进烧结的目的，这与添加剂的阳离子的离子半径、化合价、晶体结构等有密切关系。根据各种金属离子的结构不同，其促进烧结的机制也不同，主要分为四种方式：与氧化铝形成固溶体（Fe₂O₃、TiO₂、MnO₂、Cr₂O₃等）、与烧结体系中的成分形成低共熔体系（有SiO₂、CaO、BaO、SrO等）、与主体形成新相（SiO₂、MgO和）及原料中含有低熔点玻璃相（CaO-Al₂O₃-SiO₂和MgO-Al₂O₃-SiO₂）。

烧结过程中颗粒间接触面的变化

②磨料成型：当前磨料的成型方法主要为破碎造粒，但用此种方法造粒得到的干凝胶前驱体颗粒尺寸分布广，包含很多过小碎屑，极大地降低了产品的产率，且由此得到的磨料形状不规则，无法有效控制产品性能。

在实际应用中，特定形状的磨料性能往往优于随机破碎的磨料。因此，可以通过调整磨料形状来提升产品性能。如美国3M公司将不同含水量的生产磨料的前驱体溶液注入特定形貌的模具中，利用干燥过程中前驱体干凝胶的开裂，生产出磨削效率更高的三角状磨料。

三角形蓝色陶瓷磨料

当前，陶瓷材料的成型工艺主要包括干法成型和湿法成型两种。干法成型包括干压法和等静压法，是在外加压力下直接将预处理过的粉料成型的方法。湿法成型包括注浆成型、注射成型、挤出成型和凝胶注模成型等。

三、提高陶瓷刚玉磨料韧性的方式

韧性是影响陶瓷刚玉磨料使用的一个十分重要的指标，影响陶瓷刚玉磨料加工材料的范围、工作进给量、磨削速度以及磨削温度等。陶瓷刚玉磨料本质上是一种多晶的氧化铝陶瓷材料，虽然具有优良的力学性能以及低廉的制造成本，然而，与氧化锆、氮化硅等陶瓷相比，氧化铝陶瓷的断裂韧性是较差的。

目前，针对陶瓷刚玉磨料的研究基本上局限于对细晶粒显微结构的研究，尽管具有细晶粒显微结构的陶瓷刚玉磨料的强度是较高的，但是其韧性通常是较低的。为了提高氧化铝陶瓷的断裂韧性，研究者们做了大量的研究，通常可以通过添加第二相材料，如晶须（SiC晶须、莫来石晶须等）、陶瓷颗粒（SiC、WC、ZrO₂、Ti(C,N)、TiB₂颗粒等）、以及金属颗粒（Cu、Ni、Cr、Fe、Mo、Nb等）均能够显著提高氧化铝陶瓷的断裂韧性。然而，断裂韧性的提高往往伴随着力学性能的下降，这是由于第二相的加入容易引起内部缺陷。除此之外，第二相的加入也会在一定程度上阻碍烧结以及致密化的过程，也会导致氧化铝陶瓷力学性能的下降。

为了减少添加的第二相与基体材料之间的界面缺陷，于是在烧结过程中原位生成第二相来改善氧化铝陶瓷性能的方法被广泛研究了，原位生成的高长径比的第二相，如SrAl₁₂O₁₉、LaAl₁₁O₁₈、3Al₂O₃·2SiO₂等能显著提高氧化铝陶瓷的力学性能。但是，这些第二相的弹性模量和硬度等性能通常不如基体氧化铝，所以，一些研究者企图通过原位形成各向异性的氧化铝晶粒，从而形成自增韧的结构，从而改善氧化铝陶瓷断裂韧性差的问题，并且不降低材料的整体强度，这避免了第二相与基体化学性质、热学性质以及弹性模量等不匹配的问题，有利于烧结的致密化过程并且减少内部缺陷的生成。

四、总结

总之，陶瓷刚玉磨料具有显著的价格优势，很好地填补了普通磨料与超硬磨料之间的空白，被广泛应用于材料加工领域。不过我国在陶瓷刚玉磨料的研究方面虽然取得了一定的进展，成功实现产业化，但仍面临产品类型单一、没有形成系列化、且成品与进口产品的性能差距较大等问题。因此为了更好地适应市场需求，对陶瓷刚玉磨料的制备工艺及要点进行研究，对国内陶瓷刚玉磨料的竞争力提升将具有重要意义。

资料来源：

黄璐.微晶陶瓷刚玉磨料的制备与性能及微观形貌研究[D]. 天津:天津大学,2019.

韩洋.陶瓷刚玉磨料的制备及其显微结构研究[D]. 天津:天津大学,2021.

李英欣.添加剂及烧结工艺对陶瓷刚玉磨料性能影响的研究[D]. 天津:天津大学,2013. DOI:10.7666/d.D486530.

韩洋.陶瓷刚玉磨料的制备及其显微结构研究[D]. 天津:天津大学,2021.

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