氧化鋁（剛玉）在磨料和磨具上的應用已有很長的歷史，國際每年使用數量也是很大的，氧化鋁原料對碳化鎢和氮化物原料而言是最廉價的，而氧化鋁刀具價高。氧化鋁刀具的比重約為硬質合金（碳化鎢基）的三分之一，以體積價格計算，氧化鋁刀具比硬質合金刀具要便宜、這也是促使國際氧化鋁刀具發展的因素之一。
　　而氧化鋁（剛玉）陶瓷刀具是其發展的精尖制品，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，而氧化鋁基刀具價達2000～3000元／公斤。2007年西方國家陶瓷刀具的銷售額估計達45億美元以上，而氧化鋁基陶瓷刀具約占一半。其中以日本產量最大，其次為美國、德國、英國等，而俄羅斯也有一定規模的產量。但國內對這種原料資源廣、價廉，能生產高附加值的工具卻發展不大，可能與中國鎢資源豐富而偏重鎢基硬質合金刀具有關。
　　一、氧化鋁的性能[PAGE]
　　現代新陶瓷材料包含氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、硅化物，以及它們之間的復合化合物。從用途分有工程結構陶瓷、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，都會轉變成高溫穩定的α-Al2O3（剛玉），這個轉變是不可逆的。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）結構，a=4.76?，c=12.99?。密度3.96~4.01g/cm3，硬度（HV）3000kg／mm2，楊氏模量42kg／mm2，熱導率0.07卡／（厘米?秒?℃），熱膨脹系數8.5×10ˉ6℃。
　　氧化鋁的化學穩定性是很強的，與很多材料的反應都很弱。
　　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），但它們的強度比硬質合金較低，且金剛石工具不利于切削鋼鐵材料，因為碳質元素的金剛石易與鐵元素反應生成碳化鐵，而使金剛石損耗，但金剛石刀具對加工鋁硅合金有獨特的優點。而CBN對鐵基等很多材料都不起反應，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：氧化鋁化學性能穩定，抗氧化性特別好，它的切削刃即使處于紅熱狀態下也能長時間切削，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（如與鋼的粘結溫度：氧化鋁為1528℃以上、碳化鎢為1316℃），在切削時表現為摩擦系數低、切削力小、不易產生積屑瘤和粘結磨損，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，則在切削時可減少刀具的擴散磨損，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的磨損率，比WC基硬質合金刀具可小一個數量級至幾十倍。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經濟效益。在高溫下氧化鋁保持高硬度，其切削速度可達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，陶瓷刀具可承受2000℃的高溫，而硬質合金在800℃時則變軟。硬質合金在太高的切削速度時，產生過熱的溫度，月牙磨損嚴重導致刀具損壞。陶瓷刀片耐高溫，對高溫切削更有利，因為金屬工件在高溫時趨于軟化和塑性化，易切削且能量低。由于陶瓷熱導率低，高溫只在刀尖，高速切削所產生的熱量都隨切屑帶走。眾多研究者認為：氧化鋁陶瓷刀片能夠，且必須高于硬質合金切削的10倍線速度下進行切削，才能真正體現陶瓷刀片的優點。[PAGE]
　　三、氧化鋁陶瓷刀具的生產
　　在切削刀具的發展中，雖然早已出現有氧化鋁陶瓷刀具，但由于生產工藝落后使制品性能較差，限制了其發展。隨著近代科技的發展，采用高效球磨、攪拌球磨新技術能使Al2O3的粒度粉碎到0.2μm以下。新的熱壓和熱等靜壓燒結工藝，可以使氧化鋁刀具制品的孔隙度為0～0.3％，晶粒最細可達0.6μm以下。氧化鋁陶瓷刀具的機械強度差和韌性低，但ZrO2增韌的氧化鋁陶瓷和氧化鋁復合陶瓷已能滿足工具要求。
　　這些新技術使老的氧化鋁陶瓷進入了現代陶瓷行列。
　　氧化鋁在燒結（1600℃）中轉變為剛玉晶型，所以切削陶瓷的燒結溫度皆在1600℃以上。氧化鋁刀具的燒結新工藝有：
　　⑴、熱壓燒結（HP）——加或不加燒結助劑，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，同時加壓和加熱進行燒結成型，制品性能高。
　　⑵、熱等靜壓（HIP）——冷壓成形后外加包皮或冷壓燒結到制品無連通孔后在高溫和高壓氬（氮）氣中進行燒結，溫度一般在1650℃～1700℃之間，壓力約200MPa。但成本較高。
　　⑶、冷壓燒結（CP）——料必須加入燒結助劑，室溫下模壓成坯，壓坯在真空下或常壓氣氛下進行燒結，溫度一般須在1800℃以上。制品孔隙較高、晶粒粗、以及燒結助劑的不利影響，使刀具的性能降低。[PAGE]
　?、?、放電等離子燒結（SPS）——是利用脈沖加熱使粉末體內部自身發熱而進行的，使粉末脈沖放電活化燒結。放電等離子燒結，是基于熱壓的最先進工藝，最新報導可以生產納米級（0.3μm以下）的氧化鋁陶瓷刀具。
　　各種燒結工藝的制品綜合性能（高→低）：SPS→HIP→HP→CP燒結。HP由于制品性能優異，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（HP）生產的。
　　陶瓷材料一般是很脆的，ZrO2相變增韌的應用，使陶瓷材料的性能出現革命性的變化。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陶瓷已是工業應用最有效的典范。ZrO2的增韌，無論是純Al2O3陶瓷或Al2O3—碳（氮）化物復合陶瓷。都能有效地提高其力學性能。如抗彎強度（MPa×102）：無ZrO2時為6.0，含ZrO20.3％（體積）時為9.0。斷裂韌性（MPa?m1／2）：無ZrO2時為5.0，含ZrO20.42％（體積）時為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℃）下轉變為立方晶系，密度6.27g／cm3，ZrO2的所有晶型轉變都是自動可逆的。室溫到1170℃穩定的單斜晶型（m-ZrO2），加熱到1170～1900℃轉變成穩定的四方晶型（t-ZrO2）。m-ZrO2晶型與t-ZrO2晶型的轉變，伴隨著7~9%的體積變化。在燒結冷卻時，陶瓷基體中彌散的粒子t-ZrO2向m-ZrO2轉變的趨勢對材料起增韌作用，其增韌機制有： [PAGE]
　?、拧φT發相變增韌。當周圍基體對t-ZrO2向m-ZrO2轉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，四方晶型可以在室溫下以亞穩態保存下來，不發生相變。當受外力作用時，部分解除了基體的約束力，轉變才可以進行。這時的轉變稱為應力誘發相變。相變所做的功及吸收的能量，提高了斷裂能以達到增強、韌化陶瓷材料的目的。
　　 ⑵、微裂紋增韌。t-ZrO2向m-ZrO2轉變時的體積變化，在轉變粒子周圍形成許多小于臨界尺寸的微裂紋。這些微裂紋在負載作用下是非擴展性的，因此并不降低材料強度。當大的裂紋在負載作用下擴展遇到這些裂紋時，將誘發新的相變，并使擴展裂紋轉向而吸收能量，起到提高值的作用。這種韌化叫微裂紋增韌機制。
　?、?、表面強化、韌化。由于表面不存在基體的約束，則t-ZrO2向m-ZrO2轉變容易進行。而內部的四方晶由于受到基體的約束而保持亞穩狀態。表面由于晶型轉變產生的體積膨脹，而使表面形成壓應力，因而使表面強化。（王零森《特種陶瓷》中南大學出版社）
　　近代纖維技求已達一定水平，纖維增強（即陶瓷復合材料）也是韌化陶瓷極為有效的方法。如采用SiC晶須增韌Al2O3刀具，是刀具強度提高的又一種新方法。
　　利用電子顯微鏡觀察刀具材料內部結構，使近代陶瓷的成份組合達到科學的理想水平。
　　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]
　　從成分和結構上，刀具用陶瓷可以分為以下類別：
　?、奔冄趸X陶瓷加入助燒劑無壓燒結。氧化鋁是很難燒結的，為了改善燒結性，降低燒結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，無壓燒結陶瓷由于切削時崩刃，故這種工藝已很少應用。
　　⒉氧化鋁－碳化物（TiC、TiN、WC、Mo2C，Cr3C2等）復合陶瓷。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度。為了致密和細晶粒，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，金屬提高了材質的強度。
　?、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9.0MPa?m1/2。適用斷續切削及粗車、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，是其良好的導熱性和低的膨脹系數所引起的，這兩個因素可降低刀片較熱和較冷部分之間產生的應力，因此氮化硅基陶瓷具有很好的刃口強度。但氮化硅基陶瓷工具的熱穩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生嚴重損壞，使其可能比氧化鋁陶瓷能達到更高的短時加工速度。但復合氧化鋁陶瓷比氮化硅陶瓷具有較高的強度和楊氏模量，且室溫硬度高，在精加工時具有很高的耐磨性，在精加工方面、特別是精車加工長、大制品具有很大的優勢。
　　
　　
　　
　　來源： 九正建材網