剛玉

       剛玉，又稱氧化鋁 (Al2O3)，早在公元前 2000 年就已在希臘的納克索斯島上開采。其晶體結構由菱形晶體的 α-Al2O3 和各種雜質組成。寶石級的氧化鋁被用作寶石，包括藍寶石、紅寶石（這些并不是剛玉）。鋁土礦是所有熔融氧化鋁的原料。氧化鋁磨料通過電熔或化學沉淀燒結生產。燒結剛玉材料包括燒結剛玉和溶膠-凝膠剛玉。

表 1 工業上廣泛使用的磨料材料的各種剛玉類型及其結構和化學成分

       剛玉和熔融或燒結/溶膠-凝膠剛玉的硬度低于其他主要磨料，例如碳化硅 (SiC)、立方氮化硼 (CBN) 和金剛石。剛玉導熱性較差 (33.5 W/m·K)，會對磨削性能產生不利影響。

剛玉晶粒尺寸

      根據所使用的制造工藝和參數（例如熔融剛玉的冷卻速率），多晶剛玉的單晶尺寸會發生變化。熔融剛玉的平均晶粒尺寸為 100-250 μm。鋯剛玉的晶粒尺寸遠小于熔融剛玉，約為 10-12 μm。溶膠-凝膠剛玉或燒結剛玉的多晶剛玉晶粒尺寸是最小的，小于 1 μm。因此，由于其微破裂和獨特的自銳性行為，溶膠-凝膠剛玉的磨損率可以保持遠低于熔融剛玉的磨損率。多晶剛玉的韌性和硬度隨著晶粒尺寸的減小而增加。

剛玉的制造

       剛玉磨料可以通過電熔法或溶膠-凝膠化學沉淀和燒結法來獲得。

電熔法

       電熔法中，原料鋁土礦含有 85% - 90% 的氧化鋁 (Al2O3)、2% - 5% 的二氧化鈦 (TiO2) 以及高達 10% 的氧化鐵 (Fe2O3)、二氧化硅和其他堿性氧化物。將混合了焦炭和鐵屑（用于去除雜質）的碎鋁土礦床倒入電弧爐底部的碳素啟動電極旁。然后放下幾根大型垂直碳電極使其接觸，并施加強烈的電流。啟動電極會迅速消耗，產生的熱量會使鋁土礦融化成電解質。接下來幾個小時會不斷加入鋁土礦來增加熔體體積。通過調節電極的高度來控制電流，這些電極最終會在過程中被消耗掉。

       冷卻后，將剛玉 (氧化鋁) 破碎并通過一系列錘磨機、擊打磨、破碎機、輥磨機或球磨機進行粉碎，使其達到所需粒度和形狀，從而產生塊狀或薄片狀的磨粒。研磨后，產品會過篩至合適尺寸，最小可達 40 微米 (#400)。所得產物為棕色剛玉，通常含有 3% 的 TiO2。含量增加的 TiO2 會提高韌性，同時降低硬度。棕色剛玉的努氏硬度接近 1950，具有中等脆性。

       通過貝爾法使用低鈉氧化物也可以制造超過 99% 純度的電熔剛玉。卡爾·拜耳 (Karl Bayer) 于 1887 年在俄羅斯發明了一種獨特鋁土礦提純工藝。貝爾法的第一步是將含有氫氧化鈉溶液的壓力容器將鋁土礦加熱至高達 150 - 200°C。然后過濾掉鐵基殘渣（稱為赤泥），并通過冷卻液體并注入細顆粒的氫氧化鋁進行沉淀純凈的氫鋁石 。隨后，通過煅燒氫鋁石生產氧化鋁。除了 0.1% 至 0.4% 的氧化鈉 (Na2O) 之外，貝爾法可以去除幾乎所有原料鋁土礦的天然雜質。

       所得的白色電熔剛玉磨粒是剛玉家族中最硬、最脆的磨粒之一，可提供冷卻的切割作用（通過自銳磨削過程中的低切割溫度）。白剛玉是微米級磨料中最受歡迎的牌號之一。為了生產微米級粒度，剛玉在破碎后會進行球磨或振動研磨，然后傳統上使用分級沉降法分離成不同的粒度。該工藝鏈由兩個主要順序組成，包括：（1）使磨料漿液和（2）水通過一系列垂直柱。通過調節柱的寬度來逐柱產生逐漸減慢的垂直流速。較重的磨料會沉降在流速較快的柱中，較輕的顆粒會轉移到下一個柱中。該方法可有效分離至約 5 微米，也用于 SiC 的微米級分級。空氣分級法也已得到應用。

       單晶剛玉

       通過鋁土礦的硫化作用可以獲得單晶剛玉，該方法可直接產出不同尺寸的等軸剛玉顆粒，無需破碎。這些晶體堅硬鋒利，解理性優于其他氧化鋁，適用于磨削淬硬鋼和其他堅韌的延展性材料。單晶剛玉是電熔剛玉系列中最硬的磨料。

       電熔剛玉的種類

       通過改變制造過程中的起始成分和加工路線，可以生產出具有不同硬度和脆性等材料性能的各種電熔剛玉：

       棕或灰色（半脆）剛玉。這種剛玉含有 96% - 98% 的 Al2O3，并且具有相當高的韌性。

       鉻元素添加。這類剛玉包括含有 0.2% - 0.3% 氧化鉻 (Cr2O3) 的粉紅電熔剛玉和含有 2% Cr2O3 的紅寶石（紅色）電熔剛玉。氧化鉻嵌入 Al2O3 晶體結構中 。鉻剛玉剛玉比白剛玉略硬，添加少量 TiO2 會增加其韌性。最終產物為中等粒度，呈細長或塊狀但鋒利的形狀。紅寶石電熔剛玉的氧化鉻含量更高，為 2%，比鉻剛玉稍顯堅韌和堅硬。顆粒呈塊狀、棱角分明且冷卻切割。氧化釩也可用作添加劑，賦予其獨特的綠色色調。

       氧化鋯添加。鋯剛玉是在生產過程中通過向氧化鋁中添加 10% - 40% 的二氧化鋯 (ZrO2) 獲得的。磨削輪中至少使用三種不同的氧化鋯剛玉組合：75% Al2O3 和 25% ZrO2，60% Al2O3 和 40% ZrO2，以及 65% Al2O3、30% ZrO2 和 5% TiO2。它們的制造通常包括快速凝固，以產生細粒度和堅韌的結構。所得磨料為細粒、堅韌、高度延展且使用壽命長，適用于中重負荷去除材料和高壓磨削，例如鑄造廠的坯錠磨削。

       二氧化鈦 (金紅石) 添加。添加二氧化鈦可以改善剛玉的延展性。當涉及大而可變的機械負載時，推薦使用這種材料。棕色電熔剛玉含有 2% - 4% 的金紅石。半脆性電熔剛玉含有 1% - 2% 的二氧化鈦，比白剛玉稍硬，但比棕熔剛玉更脆。

       單晶剛玉。晶粒生長在硫化物基體中經過仔細控制，然后通過酸浸出分離，無需破碎。顆粒形狀為結節狀，有助于保持結合力，避免破碎并減少加工過程中產生的機械缺陷。無缺陷的晶體結構比傳統熔融剛玉具有更高的韌性 。

       熔后加工方法。這種顆粒減碎方法會極大地影響顆粒形狀。錘磨等沖擊式破碎機可產生塊狀形狀，而輥式破碎機則會導致顆粒破裂。利用靜電分離力將鋒利形狀與塊狀顆粒分離，可以提供相同成分但具有截然不同的切割作用的等級。

       空心球形剛玉。空心球形剛玉的歷史已有 80 多年，并且已商業化生產 30 多年。致密的剛玉球是通過在還原條件下吹制液體剛玉澆注流，使用壓縮空氣或蒸汽制成的。多晶空心球形剛玉磨料也可以通過超聲輔助將液態熔融氧化鋁分散成細滴并進行冷卻來制造。空心球形剛玉（圖 4）主要用于在磨具中產生閉合孔隙（方便控制形狀和尺寸），以及需要盡可能降低切割溫度的應用。

       剛玉的性能也可以通過熱處理來改變，尤其是棕剛玉。根據顆粒大小，將磨料加熱到 1100 - 1300°C 以退火破碎過程產生的裂紋和缺陷。這可以將韌性提高 25% - 40%。

       一般來說，晶體越大，顆粒就越脆。冷卻過程越慢，晶體就越大。為了獲得非常細的晶體，會盡可能快地冷卻爐料，并將磨料顆粒熔融成小錠，重量可達 2 噸。粗晶粒磨料則通過在爐殼中冷卻 5 - 6 噸的爐料錠獲得。

       根據化學成分的不同，電熔剛玉有各種類型。痕量的鉻會使氧化鋁呈紅色，鐵會使其變黑，鈦會使其呈藍色。圖 5 展示了電熔剛玉的一些例子。

       需要一提的是，有多種涂層工藝可以改善磨削工具中剛玉顆粒的結合力。紅色 Fe2O3 在高溫下涂覆，以增加表面積，從而在樹脂切斷輪中更好地結合。硅烷用于樹脂結合輪應用，可以防止冷卻劑滲透到結合劑和磨粒之間，從而保護樹脂結合劑。

       新型剛玉-溶膠-凝膠化學沉淀和燒結

       電熔的一個限制是生成的磨料晶體結構非常大。電熔剛玉磨粒可能僅由一到三顆晶體組成。因此，當顆粒斷裂時，產生的顆粒損失可能占整個顆粒的很大一部分。這會導致磨料利用效率低下和砂輪的磨損嚴重。避免這種情況的一種方法是大幅減小晶體尺寸。

       早在 1963 年，人們就生產出最早的微晶磨粒，方法是壓實細粒鋁土礦漿料，顆粒化成所需粒度，然后在 1500°C 下燒結。通過擠出漿料可以控制顆粒形狀和縱橫比。

       諾頓公司在 1986 年研發的籽粒凝膠 (SG) 磨料生產是其中一項最重要的發展。這類磨料通常被稱為“陶瓷磨料”。SG 通過化學過程生產。

       在引入 SG 之前，3M 公司于 1981 年推出了一種名為 Cubitron 的溶膠-凝膠磨料，用于涂層磨料纖維盤 。這是一種亞微米化學沉淀和燒結的材料，但與 SG 不同，它具有多相復合結構，不使用晶種控制晶粒尺寸。直到 SG 出現后，人們才認識到這種材料在磨削工具應用方面的價值。在 Cubitron 的制造過程中，氧化鋁與各種改性劑（例如氧化鎂、氧化鋱、氧化鑭和氧化釹）共沉淀，以在后續燒結過程中控制顯微結構強度和表面形貌。例如， Cubitron 321 具有包含亞微米板狀夾雜物的微觀結構，這些夾雜物充當增強劑，有點類似于晶須增強陶瓷 。直接比較 SG 和 Cubitron 的性能很困難，因為磨粒只是磨削輪的一個組成部分。SG 比 Cubitron 硬 (21 GPa，Cubitron 為 19 GPa)。

       溶膠-凝膠法和隨后的燒結過程用于生產晶粒尺寸小于 500 納米的溶膠-凝膠或 SG 剛玉（圖 6）。通過將波特石粉末 (γ-AlOOH；γ-氧化鋁氫氧化物) 與水混合，制備溶膠（一種固體顆粒懸浮在液體中的膠體）。添加阻礙晶粒生長的抑制劑（例如 MgO、ZrO2 和 TiO2 以及鑭和其他稀土元素或成核劑（Al2O3 或 Fe2O3），稱為接種），可生成具有亞微米級種子晶體的溶膠-凝膠 。所得凝膠干燥后，顆粒化成所需尺寸，并在 1200 - 1400°C 下進行無壓燒結。所得顆粒由單相 α-氧化鋁結構組成，晶粒尺寸約為 0.2 微米。避免了破碎造成的缺陷，所得磨料異常堅韌，但具有自銳性，因為斷裂現在發生在微米級。SG 剛玉的顆粒形狀可以通過擠出控制。形狀可以從非常粗大到非常細長（圖 7）。

       要高效使用由 SG 制成的磨削工具，需要花費大量的時間和應用知識。這種磨料非常堅韌，以至于必須與普通電熔磨料混合使用，比例低至 5%，以避免過大的磨削力。現在典型的混合比例為 10% - 50% SG。這些混合磨料等級可以使磨削工具的使用壽命比常規電熔磨料增加 10 倍，盡管制造成本更高。

       新一代 SG 磨粒被稱為 TG（由圣戈班公司生產）。TG 磨粒是 SG 磨粒的擠出版本，用于名為 ALTOS 的磨削工具（1999 年首次引入）。TG 磨粒看起來像具有非常長縱橫比的棒材。通過擠出成型生產縱橫比 (長度與直徑之比) 為 4 的 TG 磨料和縱橫比為 8 的 TG2 磨料。這些形狀在磨削工具中的填充特性會產生高強度、輕質的結構，氣孔率高達 70% 或更多。顆粒僅在少數點相互接觸，結合劑在那里集中，就像點焊一樣。由于所得工具主體的強度和密度，該產品有可能提供更高的材料去除率和更高的切割速度。

       3M 公司在 2009 年發明了一種三角形陶瓷剛玉磨料 Cubitron II。三角形磨粒在磨削過程中均勻逐漸磨損。顆粒會不斷斷裂（處于亞微米范圍），并形成鋒利的切削刃。在涂層磨具中，三角形磨粒通過靜電定向排列成相同方向并形成鋒利的峰值。鋒利的切削刃減少了摩擦力，并使顆粒更容易滲透到工件中。因此，顯著降低了切削力和溫度以及工具磨損，并且可以提高可實現的材料去除率 。但是，由于磨粒的統計分布，仍然無法在砂輪中實現磨粒定向。Cubitron-II 砂輪主要用于齒輪和輪廓磨削等特定應用，這些應用受益于砂輪的高廓保持性、同時高的材料去除率和低的切削溫度。