氧化鋁（剛玉）在磨料和磨具上的應(yīng)用已有很長的歷史，國際每年使用數(shù)量也是很大的，氧化鋁原料對碳化鎢和氮化物原料而言是最廉價(jià)的，而氧化鋁刀具價(jià)高。氧化鋁刀具的比重約為硬質(zhì)合金（碳化鎢基）的三分之一，以體積價(jià)格計(jì)算，氧化鋁刀具比硬質(zhì)合金刀具要便宜、這也是促使國際氧化鋁刀具發(fā)展的因素之一。
　　而氧化鋁（剛玉）陶瓷刀具是其發(fā)展的精尖制品，是近代氧化鋁陶瓷的典范，其附加值很高。Al2O3（剛玉）粉料4～5元／公斤，而氧化鋁基刀具價(jià)達(dá)2000～3000元／公斤。2007年西方國家陶瓷刀具的銷售額估計(jì)達(dá)45億美元以上，而氧化鋁基陶瓷刀具約占一半。其中以日本產(chǎn)量最大，其次為美國、德國、英國等，而俄羅斯也有一定規(guī)模的產(chǎn)量。但國內(nèi)對這種原料資源廣、價(jià)廉，能生產(chǎn)高附加值的工具卻發(fā)展不大，可能與中國鎢資源豐富而偏重鎢基硬質(zhì)合金刀具有關(guān)。
　　一、氧化鋁的性能[PAGE]
　　現(xiàn)代新陶瓷材料包含氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硅化物，以及它們之間的復(fù)合化合物。從用途分有工程結(jié)構(gòu)陶瓷、功能陶瓷、刀具陶瓷等。刀具陶瓷是用來車削或銑削加工金屬及合金的工具。除碳化物以外作刀具陶瓷的即是氧化物、氮化物。在氧化物中最適合的就是氧化鋁（剛玉－α-Al2O3）材料。
　　純Al2O3在低溫下存在十多種晶型，但主要的有三種：即α-Al2O3、β-Al2O3、γ-Al2O3，所有的晶型在溫度超過1600℃以上，都會(huì)轉(zhuǎn)變成高溫穩(wěn)定的α-Al2O3（剛玉），這個(gè)轉(zhuǎn)變是不可逆的。一般Al2O3硬度是很低的，只有剛玉型α-Al2O3的硬度（莫氏硬度為9）才是很高的，剛玉才能作切削工具和耐磨件。
　　α-Al2O3屬六方晶系，剛玉（單位晶胞是尖的菱面體）結(jié)構(gòu)，a=4.76?，c=12.99?。密度3.96~4.01g/cm3，硬度（HV）3000kg／mm2，楊氏模量42kg／mm2，熱導(dǎo)率0.07卡／（厘米?秒?℃），熱膨脹系數(shù)8.5×10ˉ6℃。
　　氧化鋁的化學(xué)穩(wěn)定性是很強(qiáng)的，與很多材料的反應(yīng)都很弱。
　　二、氧化鋁陶瓷刀具
　　目前切削鋼材、鑄鐵、合金鋼材及不銹鋼材等普遍采用碳化物基的硬質(zhì)合金（WC－Co、WC－TiC－Co）。對于某些特殊材料也采用硬度最高的金剛石及立方氮化硼（CBN），但它們的強(qiáng)度比硬質(zhì)合金較低，且金剛石工具不利于切削鋼鐵材料，因?yàn)樘假|(zhì)元素的金剛石易與鐵元素反應(yīng)生成碳化鐵，而使金剛石損耗，但金剛石刀具對加工鋁硅合金有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。而CBN對鐵基等很多材料都不起反應(yīng)，對加工冷硬鑄鐵、司太立合金、耐熱鎳基合金等具有較好的性能。[PAGE]
　　氧化鋁與其他刀具材料不同的特性是：氧化鋁化學(xué)性能穩(wěn)定，抗氧化性特別好，它的切削刃即使處于紅熱狀態(tài)下也能長時(shí)間切削，則氧化鋁陶瓷刀具特別適于高速切削和加熱切削。由于氧化鋁對大部份金屬的潤濕性差，所以很難與金屬粘結(jié)（如與鋼的粘結(jié)溫度：氧化鋁為1528℃以上、碳化鎢為1316℃），在切削時(shí)表現(xiàn)為摩擦系數(shù)低、切削力小、不易產(chǎn)生積屑瘤和粘結(jié)磨損，因此加工件容易得到很高的光潔面。氧化鋁是所有刀具材料中最不活潑的，則在切削時(shí)可減少刀具的擴(kuò)散磨損，Al2O3在鐵中的溶解率，比WC要低4～5倍，因而氧化鋁陶瓷刀具切削鋼材時(shí)的磨損率，比WC基硬質(zhì)合金刀具可小一個(gè)數(shù)量級至幾十倍。利用氧化鋁陶瓷刀具高耐磨性和適于高速切削的特點(diǎn)可加工大件，如加工長度7320mm，炮口直徑155mm，尾端直徑310mm的鋼炮管。氧化鋁適合加工大多數(shù)金屬材料，尤其適合切削冷硬鑄鐵或淬硬鋼，對這些材料采用精車代磨可取得明顯的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。在高溫下氧化鋁保持高硬度，其切削速度可達(dá)1300米/分。
　　目前氧化鋁刀具主要用于半精加工和精切削，精切削其精度和光潔度適合硬材料的以車代磨，而提高加工效率數(shù)倍，加工成本可降低一半以上，所以氧化鋁刀具是很受人歡迎的。在德國汽車上很多部件都是氧化鋁陶瓷刀具以車代磨精加工完成的。
　　切削加工時(shí)，陶瓷刀具可承受2000℃的高溫，而硬質(zhì)合金在800℃時(shí)則變軟。硬質(zhì)合金在太高的切削速度時(shí)，產(chǎn)生過熱的溫度，月牙磨損嚴(yán)重導(dǎo)致刀具損壞。陶瓷刀片耐高溫，對高溫切削更有利，因?yàn)榻饘俟ぜ诟邷貢r(shí)趨于軟化和塑性化，易切削且能量低。由于陶瓷熱導(dǎo)率低，高溫只在刀尖，高速切削所產(chǎn)生的熱量都隨切屑帶走。眾多研究者認(rèn)為：氧化鋁陶瓷刀片能夠，且必須高于硬質(zhì)合金切削的10倍線速度下進(jìn)行切削，才能真正體現(xiàn)陶瓷刀片的優(yōu)點(diǎn)。[PAGE]
　　三、氧化鋁陶瓷刀具的生產(chǎn)
　　在切削刀具的發(fā)展中，雖然早已出現(xiàn)有氧化鋁陶瓷刀具，但由于生產(chǎn)工藝落后使制品性能較差，限制了其發(fā)展。隨著近代科技的發(fā)展，采用高效球磨、攪拌球磨新技術(shù)能使Al2O3的粒度粉碎到0.2μm以下。新的熱壓和熱等靜壓燒結(jié)工藝，可以使氧化鋁刀具制品的孔隙度為0～0.3％，晶粒最細(xì)可達(dá)0.6μm以下。氧化鋁陶瓷刀具的機(jī)械強(qiáng)度差和韌性低，但ZrO2增韌的氧化鋁陶瓷和氧化鋁復(fù)合陶瓷已能滿足工具要求。
　　這些新技術(shù)使老的氧化鋁陶瓷進(jìn)入了現(xiàn)代陶瓷行列。
　　氧化鋁在燒結(jié)（1600℃）中轉(zhuǎn)變?yōu)閯傆窬?，所以切削陶瓷的燒結(jié)溫度皆在1600℃以上。氧化鋁刀具的燒結(jié)新工藝有：
　?、拧釅簾Y(jié)（HP）——加或不加燒結(jié)助劑，熱壓溫度較低，溫度一般在1650℃～1700℃之間，壓力約20MPa。料裝入石墨模具中，同時(shí)加壓和加熱進(jìn)行燒結(jié)成型，制品性能高。
　?、?、熱等靜壓（HIP）——冷壓成形后外加包皮或冷壓燒結(jié)到制品無連通孔后在高溫和高壓氬（氮）氣中進(jìn)行燒結(jié)，溫度一般在1650℃～1700℃之間，壓力約200MPa。但成本較高。
　?、?、冷壓燒結(jié)（CP）——料必須加入燒結(jié)助劑，室溫下模壓成坯，壓坯在真空下或常壓氣氛下進(jìn)行燒結(jié)，溫度一般須在1800℃以上。制品孔隙較高、晶粒粗、以及燒結(jié)助劑的不利影響，使刀具的性能降低。[PAGE]
　?、?、放電等離子燒結(jié)（SPS）——是利用脈沖加熱使粉末體內(nèi)部自身發(fā)熱而進(jìn)行的，使粉末脈沖放電活化燒結(jié)。放電等離子燒結(jié)，是基于熱壓的最先進(jìn)工藝，最新報(bào)導(dǎo)可以生產(chǎn)納米級（0.3μm以下）的氧化鋁陶瓷刀具。
　　各種燒結(jié)工藝的制品綜合性能（高→低）：SPS→HIP→HP→CP燒結(jié)。HP由于制品性能優(yōu)異，且成本不太高，是氧化鋁新刀具的首選工藝。所以國際所有氧化鋁基陶瓷刀具大部份都是熱壓燒結(jié)（HP）生產(chǎn)的。
　　陶瓷材料一般是很脆的，ZrO2相變增韌的應(yīng)用，使陶瓷材料的性能出現(xiàn)革命性的變化。純Al2O3中加入ZrO2增韌的熱壓陶瓷材料，是保持純氧化鋁特性及性能最好陶瓷。ZrO2增韌純Al2O3陶瓷已是工業(yè)應(yīng)用最有效的典范。ZrO2的增韌，無論是純Al2O3陶瓷或Al2O3—碳（氮）化物復(fù)合陶瓷。都能有效地提高其力學(xué)性能。如抗彎強(qiáng)度（MPa×102）：無ZrO2時(shí)為6.0，含ZrO20.3％（體積）時(shí)為9.0。斷裂韌性（MPa?m1／2）：無ZrO2時(shí)為5.0，含ZrO20.42％（體積）時(shí)為8.0。
　　ZrO2的相變增韌是基于ZrO2有三種晶型：低溫為單斜晶系，密度5.65g／cm3。高溫為四方晶系，密度6.10g／cm3。更高溫度（2371℃）下轉(zhuǎn)變?yōu)榱⒎骄担芏?.27g／cm3，ZrO2的所有晶型轉(zhuǎn)變都是自動(dòng)可逆的。室溫到1170℃穩(wěn)定的單斜晶型（m-ZrO2），加熱到1170～1900℃轉(zhuǎn)變成穩(wěn)定的四方晶型（t-ZrO2）。m-ZrO2晶型與t-ZrO2晶型的轉(zhuǎn)變，伴隨著7~9%的體積變化。在燒結(jié)冷卻時(shí)，陶瓷基體中彌散的粒子t-ZrO2向m-ZrO2轉(zhuǎn)變的趨勢對材料起增韌作用，其增韌機(jī)制有： [PAGE]
　?、?、應(yīng)力誘發(fā)相變增韌。當(dāng)周圍基體對t-ZrO2向m-ZrO2轉(zhuǎn)變的體積膨脹和形狀改變的彈性約束作用有很大的力度時(shí)，四方晶型可以在室溫下以亞穩(wěn)態(tài)保存下來，不發(fā)生相變。當(dāng)受外力作用時(shí)，部分解除了基體的約束力，轉(zhuǎn)變才可以進(jìn)行。這時(shí)的轉(zhuǎn)變稱為應(yīng)力誘發(fā)相變。相變所做的功及吸收的能量，提高了斷裂能以達(dá)到增強(qiáng)、韌化陶瓷材料的目的。
　　 ⑵、微裂紋增韌。t-ZrO2向m-ZrO2轉(zhuǎn)變時(shí)的體積變化，在轉(zhuǎn)變粒子周圍形成許多小于臨界尺寸的微裂紋。這些微裂紋在負(fù)載作用下是非擴(kuò)展性的，因此并不降低材料強(qiáng)度。當(dāng)大的裂紋在負(fù)載作用下擴(kuò)展遇到這些裂紋時(shí)，將誘發(fā)新的相變，并使擴(kuò)展裂紋轉(zhuǎn)向而吸收能量，起到提高值的作用。這種韌化叫微裂紋增韌機(jī)制。
　　⑶、表面強(qiáng)化、韌化。由于表面不存在基體的約束，則t-ZrO2向m-ZrO2轉(zhuǎn)變?nèi)菀走M(jìn)行。而內(nèi)部的四方晶由于受到基體的約束而保持亞穩(wěn)狀態(tài)。表面由于晶型轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的體積膨脹，而使表面形成壓應(yīng)力，因而使表面強(qiáng)化。（王零森《特種陶瓷》中南大學(xué)出版社）
　　近代纖維技求已達(dá)一定水平，纖維增強(qiáng)（即陶瓷復(fù)合材料）也是韌化陶瓷極為有效的方法。如采用SiC晶須增韌Al2O3刀具，是刀具強(qiáng)度提高的又一種新方法。
　　利用電子顯微鏡觀察刀具材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使近代陶瓷的成份組合達(dá)到科學(xué)的理想水平。
　　以上這些都造就了近代氧化鋁高性能陶瓷的形成。
　　四、氧化鋁刀具的類型 [PAGE]
　　從成分和結(jié)構(gòu)上，刀具用陶瓷可以分為以下類別：
　　⒈純氧化鋁陶瓷加入助燒劑無壓燒結(jié)。氧化鋁是很難燒結(jié)的，為了改善燒結(jié)性，降低燒結(jié)溫度和提高制品密度，加入添加劑。添加劑有二類：一類與Al2O3形成固溶體的添加劑，如Cr2O3、TiO2、MgO2等。另一類生成液相的添加劑，如高嶺土、SiO2、CaO、MgO等，無壓燒結(jié)陶瓷由于切削時(shí)崩刃，故這種工藝已很少應(yīng)用。
　?、惭趸X－碳化物（TiC、TiN、WC、Mo2C，Cr3C2等）復(fù)合陶瓷。如氧化鋁與碳（氮）化物的陶瓷，是在Al2O3中加入12～30wt％的TiC或含少量的其他物，或加入30wt%（TiN、TiC）、或（TiC、N），這類陶瓷比純Al2O3陶瓷具有更高的硬度和強(qiáng)度。為了致密和細(xì)晶粒，這類Al2O3基刀具都采用熱壓工藝。
　　⒊氧化鋁－碳化物－金屬系陶瓷。如Al2O3－30％TiC－1％Co，金屬提高了材質(zhì)的強(qiáng)度。
　?、碅l2O3－SiC晶須增韌陶瓷。它是在Al2O3陶瓷中添加20～30％的SiC晶須（直徑小于0.5μm，長度為10～80μm的單晶，其抗拉強(qiáng)度為7GPa，彈性模量超過700GPa），使Al2O3陶瓷韌性大幅度提高，斷裂韌性可達(dá)9.0MPa?m1/2。適用斷續(xù)切削及粗車、銑削和鉆孔等方式加工淬硬鋼、高硬鑄鐵、鎳基合金等。美國、瑞典等均有上市牌號。
　　氧化鋁、復(fù)合氧化鋁、氮化硅三種陶瓷中，氮化硅基陶瓷有很高的耐熱沖擊性，是其良好的導(dǎo)熱性和低的膨脹系數(shù)所引起的，這兩個(gè)因素可降低刀片較熱和較冷部分之間產(chǎn)生的應(yīng)力，因此氮化硅基陶瓷具有很好的刃口強(qiáng)度。但氮化硅基陶瓷工具的熱穩(wěn)定性和耐磨性則略低于氧化鋁陶瓷。在獲得的陶瓷中，氮化硅基陶瓷是韌性最高的一種，其高斷裂韌性使其能粗加工而不易產(chǎn)生嚴(yán)重?fù)p壞，使其可能比氧化鋁陶瓷能達(dá)到更高的短時(shí)加工速度。但復(fù)合氧化鋁陶瓷比氮化硅陶瓷具有較高的強(qiáng)度和楊氏模量，且室溫硬度高，在精加工時(shí)具有很高的耐磨性，在精加工方面、特別是精車加工長、大制品具有很大的優(yōu)勢。
　　
　　
　　
　　來源： 九正建材網(wǎng)