CN102583424A

CN102583424A - 一种Al8B4C7磨料及其制备方法

Info

Publication number: CN102583424A
Application number: CN2012100346814A
Authority: CN
Inventors: 高远飞; 潘子鹤; 黄朝晖; 房明浩; 刘艳改
Original assignee: China University of Geosciences Beijing
Current assignee: China University of Geosciences; China University of Geosciences Beijing
Priority date: 2012-02-16
Filing date: 2012-02-16
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明涉及一种Al₈B₄C₇磨料及其制备方法，属于新型磨料的制备技术领域。其特征是采用金属Al粉体、硼源(可以是B₄C、B₂O₃或硼粉等)和碳源(可以是石墨、炭黑、焦炭粉或酚醛树脂等)为主要原料，将各原料按一定比例混合后再经过成型、干燥、烧成、粉碎、过筛等工艺过程制备出Al₈B₄C₇磨料。所述的这种Al₈B₄C₇磨料具有高硬度、高韧性、低密度和磨料颗粒形状可控等特点，该方法烧成温度低，减少了能源消耗，制备工艺方法简单、制得的磨料磨削加工性能好。

Description

一种Al8B4C7磨料及其制备方法

技术领域：

本发明涉及一种Al₈B₄C₇磨料及其制备方法，属于新型磨料的制备技术领域。

背景技术：

人类开始使用磨料已经有数千年之久了，在人类的远古时期，古代人就已经学会使用天然磨料来磨削制造木制工具、骨头以及石器等。随着社会科学技术的发展和新材料的不断出现，使用磨料进行磨削加工已经成为制造业和新材料加工的一种重要加工方法，尤其是对加工高硬材料和需要高精加工的领域显得尤为重要。现代制造业水平不断提高，加工材料多样化，使得加工难度以及加工效率要求越来越高，这也促进了磨料磨具产品和磨削加工技术的不断发展，新的磨料和品种也相继出现，如白刚玉、棕刚玉、黑碳化硅、绿碳化硅等，又从这些普通磨料发展了超硬金刚石、碳化矽、立方氮化硼、碳化硼，磨料的磨削加工能力和效率得到了提高。但在实际生产加工过程中，选择磨料时须同时兼顾加工质量、效率、精度以及成本等因素，现有的磨料种类还不能很好满足现代加工行业的需求。

碳硼化铝(Al₈B₄C₇)是一种Al-B-C三元体系六方晶系材料，它不仅具有低的密度(2.69g/cm³)和高的硬度(维氏硬度约为18Gpa)，而且具有很好的热稳定性，直到1830℃都是稳定存在的，高温下仍具有一定的强度和硬度。目前工业中使用最多的是碳化矽(俗称金刚砂)和刚玉两种磨料。碳化矽是利用纯矽石砂与焦炭混合后放入电炉中，在2200～2480℃焙烧约36小时而制得；刚玉磨料在工业上常使用电弧炉加热熔炼铝矾土制成，熔炼温度一般在2000℃以上。这两种常用工业磨料在生产过程中普遍存在制备温度高、耗能大和生产周期长等劣势。而碳硼化铝(Al₈B₄C₇)的硬度接近刚玉，且具有高的强度和韧性，可用于加工铸铁和普通钢材等材料，可以改善磨削加工性能和精工精度、加工质量、磨具的使用寿命。尤其是碳硼化铝的制备温度远低于碳化矽和刚玉(烧成温度1700℃左右，保温时间2～4小时)，随着世界能源的日趋紧张，节能减排不仅是降低生产成本，提高经济效益的有效途径，也是全人类共同的责任和目标，因此开发一种低生产成本并兼顾优良磨削加工性能的Al₈B₄C₇新型磨料的制备技术，具有重要的应用价值和技术创新意义。

发明内容：

本发明的目的是针对目前工业上常用的两种磨料：碳化矽(俗称金刚砂)和刚玉在制备过程中普遍存在烧成温度高、耗能大和生产周期长以及等问题，提出以原料价格较低的金属Al粉体、硼源(B₄C、B₂O₃或硼粉等)和碳源(石墨、炭黑、焦炭粉或酚醛树脂等)为主要原料，在短时间内和较低的温度下烧成磨料坯体，然后通过粉碎、过筛、分级后可得到具有高硬度、高韧性、低密度和磨料颗粒形状可控等特点的Al₈B₄C₇磨料。这种Al₈B₄C₇磨料可以改善磨削加工性能和精工精度、加工质量、磨具的使用寿命，并且具有节能减排，降低生产成本等诸多优点。

本发明提出的一种Al₈B₄C₇磨料及其制备方法，其特征在于所述Al₈B₄C₇磨料是以金属Al粉体、硼源(可以是B₄C、B₂O₃或硼粉等)和碳源(可以是石墨、炭黑、焦炭粉或酚醛树脂等)为主要原料，将各原料按一定比例混合后再经过成型、干燥、烧成、粉碎、过筛、分级等工艺过程制备出Al₈B₄C₇磨料。本发明所述的金属Al粉体、硼源(B₄C、B₂O₃或硼粉)和碳源(石墨、炭黑、焦炭粉或酚醛树脂)等原料均为市售工业原料，所述金属Al粉体的纯度大于95wt.％，粉料粒径为d₅₀＜100μm；所述硼源可以是B₄C、B₂O₃或硼粉等含硼元素或者高温下能被还原脱氧的原料，其质量要求为硼源纯度(或还原脱氧后的纯度)的百分比大于90wt.％，粉料粒径为d₅₀＜50μm；所述碳源可以是石墨、炭黑、焦炭或酚醛树脂等高温条件下可以发生碳化反应的原料，其质量要求为碳含量(或碳化反应后产物中碳的含量)的百分比大于95wt.％，灰分不大于8％，挥发分不大于7％，硫含量小于2％，水分不大于5％，粉料粒径为d₅₀＜100μm，其用法可以是分别单独加入，也可以是它们的混合物加入，若混合加入，其混合比例没有特殊要求。各原料加入量参照Al₈B₄C₇不同元素化学计量数比例，其中原料中各元素B∶Al∶C的摩尔比(还原脱氧后)为∶1∶1.5～2.5∶1.25～2.25。

本发明所述的Al₈B₄C₇磨料的制备方法的特征制备工艺过程依次为：

1)将金属Al粉体、硼源(B₄C、B₂O₃或硼粉等)和碳源(石墨、炭黑、焦炭粉或酚醛树脂等)按一定配比混合后加入球磨机中球磨0.1～24h至各原料混合均匀，球磨的方式可以选用干法球磨或湿法球磨，其中球磨介质可以选用金属球、陶瓷球或玛瑙球等，湿法球磨选用的球磨液须是无水乙醇等(含水量≤1wt.％)。然后将混合均匀的原料经过成型、干燥等工艺过程制成坯体，其中成型工艺可以是干压成型、半干压成型或等静压成型，成型压力约为10～300MPa。

2)将上述干燥好的坯体置于高温气氛炉中进行烧成，其中烧成保护气体可以是高纯氩气、氢气等惰性气体或还原气体，或者为真空保护气氛。Al₈B₄C₇磨料坯体经过常温至2000℃的温度范围内烧成过程中升温速度没有特殊要求，在相应的温度下可以分别保温一定时间，在最终烧成温度下(无还原反应时：1500～1800℃，有还原反应时：1700℃～2000℃)保温0.5～24小时，然后自然冷却至室温制得Al₈B₄C₇烧结磨料，最后将烧结磨料粉碎、过筛、分级后可得到所述的Al₈B₄C₇磨料。

本发明所制备的这种制备Al₈B₄C₇磨料的新方法具有高硬度、高韧性、低密度和磨料颗粒形状可控等特点，该方法生产成本低，烧成温度低，节约能耗，制备工艺方法简单，制得的磨料磨削加工性能好。烧成时的保护气体可以是氩气、氢气等或者为真空保护气氛等，使用设备为一般高温真空气氛炉等，易于实现工业化生产。

附图说明：

图1是具体实施方式例1中使用Al粉、B₄C粉、石墨为原料，在1600℃烧成制备的Al₈B₄C₇磨料粉体的XRD图谱；

图2是具体实施方式例1中使用Al粉、B₄C粉、石墨为原料，在1600℃烧成制备的Al₈B₄C₇磨料粉体的SEM照片。

实施例1

原料及要求：

Al粉加入量为2.0mol，要求纯度大于95wt.％，粉料粒径为d₅₀＝75μm；B₄C粉加入量为0.25mol，要求纯度大于90wt.％，粉料粒径d₅₀＝10μm；石墨加入量为1.6mol，要求碳含量百分比大于95wt.％，粉料粒径d₅₀＝75μm。

球磨：

将上述原料装入球磨罐，干法球磨24h。

成型：

在钢模中30MPa预成型。

烧成：

将成型的磨料坯体放入真空气氛炉中，用氩气作为保护气体，烧成温度1600℃。烧成制度为：600℃保温30min(固铝处理)，1600℃保温2h，升温速度：10℃/min。

粉碎、过筛、分级：

将自然冷却至室温的磨料坯体烧结磨料粉碎、过筛、分级后得到相应的Al₈B₄C₇磨料。

实施例2

原料及要求：

Al粉加入量为2.0mol，要求纯度大于95wt.％，粉料粒径为d₅₀＝75μm；B₂O₃粉加入量为0.5mol，要求纯度大于90wt.％，粉料粒径d₅₀＝50μm；炭黑加入量为4.0mol，要求碳含量百分比大于95wt.％。

球磨：

将上述原料装入球磨罐以无水乙醇为介质，湿法球磨12h。

干燥、研磨：

70～120℃普通烘箱静置干燥12h，然后将原料倒入研钵中研磨30min。

成型：

在钢模中30MPa预成型。。

烧成：

将成型的磨料坯体放入真空气氛炉中，通入流动的氩气作为保护气体，烧成温度1800℃。烧成制度为：600℃保温30min(固铝处理)，1800℃保温4h，升温速度：10℃/min。

粉碎、过筛、分级：

实施例3

原料及要求：

Al粉加入量为2.0mol，要求纯度大于95wt.％，粉料粒径为d₅₀＝75μm；B粉加入量为1.0mol，要求纯度大于90wt.％，粉料粒径d₅₀＝50μm；石墨加入量为1.75mol，要求碳含量百分比大于95wt.％。

球磨：

将上述原料装入球磨罐以无水乙醇为介质，湿法球磨12h。

干燥、研磨：

成型：

在钢模中30MPa预成型。。

烧成：

将成型的磨料坯体放入真空气氛炉中，用氩气作为保护气体，烧成温度1850℃。烧成制度为：600℃保温30min(固铝处理)，1400℃保温30min，1850℃保温1h，升温速度：10℃/min。

粉碎、过筛、分级：

Claims

1.一种Al₈B₄C₇磨料，其特征在于：所述Al₈B₄C₇磨料是以金属Al粉体、硼源(可以是B₄C、B₂O₃或硼粉等)和碳源(可以是石墨、炭黑、焦炭粉或酚醛树脂等)为主要原料，将各原料按一定比例混合后再经过成型、干燥、烧成、粉碎、过筛等工艺过程制备出Al₈B₄C₇磨料。

2.根据权利要求1所述的一种Al₈B₄C₇磨料，其特征在于：所述金属Al粉为市售工业原料；所述硼源可以是B₄C、B₂O₃或硼粉等含硼元素或者高温下能被还原脱氧的原料；所述碳源可以是石墨、炭黑、焦炭等含碳材料或酚醛树脂等高温条件下可以发生碳化反应的原料，其用法可以是分别单独加入，也可以是它们的混合物加入，若混合加入，其混合比例没有特殊要求。

3.根据权利要求1所述的一种Al₈B₄C₇磨料，其特征在于：参照Al₈B₄C₇不同元素化学计量数比例，其中原料中各元素B∶Al∶C的摩尔比(还原脱氧后)为：1∶1.5～2.5∶1.25～2.25。

4.根据权利要求1所述的一种Al₈B₄C₇磨料，其特征在于：所述各原料的质量要求为金属Al粉体的纯度大于95wt.％，粉料粒径为d₅₀＜100μm；硼源(B₄C、B₂O₃或硼粉等)的质量要求为硼源纯度(或还原脱氧后的纯度)的百分比大于90wt.％，粉料粒径为d₅₀＜50μm；碳源(石墨、炭黑、焦炭粉或酚醛树脂等含碳材料)的质量要求为碳含量(或碳化反应后产物中碳的含量)的百分比大于95wt.％，灰分不大于8％，挥发分不大于7％，硫含量小于2％，水分不大于5％，粉料粒径为d₅₀＜100μm。

5.根据权利要求1所述的一种Al₈B₄C₇磨料，所述的制备工艺过程依次为：

a)将金属Al粉体、硼源(B₄C、B₂O₃或硼粉等)和碳源(石墨、炭黑、焦炭粉或酚醛树脂等)按一定配比混合后加入球磨机中球磨0.1～48h至各原料混合均匀，球磨的方式可以选用干法球磨或湿法球磨，其中球磨介质可以选用金属球、陶瓷球或玛瑙球等，湿法球磨选用的球磨液须是无水乙醇等(含水量≤1wt.％)。然后将混合均匀的原料经过成型、干燥等工艺过程制成坯体，其中成型工艺可以是干压成型、半干压成型或等静压成型，成型压力约为10～300MPa。

b)将上述干燥好的坯体置于高温气氛炉中进行烧成，其中烧成保护气体可以是高纯氩气、氢气等惰性气体或还原气体，或者为真空保护气氛。Al₈B₄C₇磨料坯体经过常温至2000℃的温度范围内烧成过程中升温速度没有特殊要求，在相应的温度下可以分别保温一定时间，在最终烧成温度下(无还原反应时：1500～1800℃，有还原反应时：1700℃～2000℃)保温0.5～24小时，然后自然冷却至室温制得Al₈B₄C₇烧结磨料，最后将烧结磨料粉碎、过筛、分级后可得到所述的Al₈B₄C₇磨料。

本发明涉及的这种制备Al₈B₄C₇磨料的新方法具有高硬度、高韧性、低密度和磨料颗粒形状可控等特点，该方法烧成温度低，节约能耗，制备工艺方法简单，制得的磨料磨削加工性能好。