CN103013443A - 一种含片状结构的α-氧化铝基磨料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种含片状结构的α-氧化铝基磨料及其制备方法，其特征在于颗粒密度大于3.88；显微硬度大于20Gpa，组成颗粒的晶粒在5微米以下，含有片状结构。其制备方法的步骤如下：1)在具有抽真空功能的搅拌机中加入纯净水、勃姆石半成品，搅拌制成料浆；2)加入浓度为20％稀硝酸，真空状态下搅拌逐步形成溶胶、凝胶；3)胶体烘干，破碎，筛分出120目筛上的颗粒；4)将筛分出的颗粒进行煅烧，煅烧后将颗粒进行烧结；5)筛分出成品颗粒。本发明的制备方法具有原料成本低、工艺成熟稳定的优点。利用本发明所制得的磨料颗粒含有片状结构，制作的磨料制品具有磨削效率高、自锐性好、耐用度长的特点。

Description

一种含片状结构的α-氧化铝基磨料及其制备方法

技术领域

本发明属于α-氧化铝陶瓷磨料颗粒及其制备方法领域，具体涉及一种低成本的含片状结构的α-氧化铝基磨料及其制备方法。

背景技术

溶胶凝胶法制备陶瓷磨料的一般方法是用纯净的勃姆石与去离子水、晶种和硝酸混合生成均匀细腻的溶胶或凝胶，然后干燥，去除凝胶体中的水分，再把干燥的凝胶大颗粒破碎成比所需尺寸略大的颗粒，在500℃～800℃温度下煅烧，然后再在1300℃～1500℃温度下煅烧5～60分钟，形成氧化铝的坚硬烧结体，烧结好的磨料颗粒密度一般大于3.5克/立方厘米，更好的大于3.8克/立方厘米，最好大于3.9克/立方厘米，硬度一般大于20Gpa。

纯净的勃姆石是一种粒度很细的粉状物料，价格很高，用纯净的勃姆石制备的α-氧化铝基陶瓷磨料的成本也很高，在制造陶瓷磨料时，纯净的勃姆石原料所占的成本比例最大，是构成陶瓷磨料价格的最主要部分。陶瓷磨料的价格是普通磨料价格15～30倍，虽然具有比普通磨料更优良的性能，但也严重影响了该种磨料的普及和应用，研究如何降低陶瓷磨料的制造成本，使陶瓷磨料得到更广泛的应用，具有重要的意义。

多年来，为了提高氧化铝基磨料的磨削性能，人们发明了各种办法，如为了提高白刚玉的韧性和磨削性能，可在冶炼刚玉时添加氧化铬、氧化钒和氧化锆等金属氧化物，也有通过快速冷却的方法，使之形成微晶结构来提高韧性；或者两者都用。这些方法在一定程度上提高了磨料的韧性和磨削性能，诞生了一些磨料的新品种，如铬刚玉、锆刚玉、钒刚玉和微晶刚玉等等。但这些性能的提高还不是很大，在磨削上带来的好处有限。上世纪80年代，人们发明了溶胶凝胶法生产微晶陶瓷磨料的工艺，如美国专利No.4314827。一般是用勃姆石为原料，利用溶胶凝胶技术，制成氧化铝的溶胶凝胶，然后干燥、破碎、烧结，成为具有亚微米结构的陶瓷磨料。由于具有细微的晶体结构，其晶粒大小比传统意义上的微晶刚玉要小得多，再加上陶瓷磨料是破碎以后烧结，避免了普通电熔刚玉破碎时造成的微裂纹，使得溶胶凝胶法制造的陶瓷磨料具有极优良的磨削性能。后来，人们为了进一步提高陶瓷磨料的技术质量性能，又进行了许许多多的工作，如在制备溶胶时加入晶种，既可降低烧结温度，又使陶瓷磨料的晶粒尺寸进一步缩小，从而提高了产品的磨削性能，如美国专利No.4623364；还有在制成干燥凝胶后，先进行低温煅烧，然后用镁、钴、钇、稀土元素等的硝酸盐溶液进行浸泽，再干燥烧结，也能提高产品性能，这方面的专利如美国专利No.5776214。这些方法虽然提高了陶瓷磨料的性能，但也增加了生产工序。提高了生产成本，制约了该产品应用的普及。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术制备陶瓷磨料，采用纯净的勃姆石为主要原料，成本高的缺陷，提供一种使用成本低的勃姆石半成品为主原料，无需加入晶种，通过溶胶凝胶法来制备α-氧化铝基磨料及其制备方法。

本发明是通过如下技术方案来实现的：

即一种含片状结构的α-氧化铝基磨料，其特征在于陶瓷磨料颗粒密度大于3.88，显微硬度大于20Gpa，组成陶瓷磨料颗粒的晶粒在5微米以下，含有片状结构。

一种含片状结构的α-氧化铝基磨料的制备方法，其特征在于步骤如下：

1)在一具备抽真空功能的搅拌机中加入纯净水、勃姆石半成品，纯净水的加入量是勃姆石半成品原料量的1％～40％，开动搅拌机搅拌，把原料打成均匀料浆。

2)加入浓度为20％稀硝酸，使料浆的PH值＝1.5～2，真空状态下搅拌逐步形成溶胶、凝胶。

3)搅拌均匀后，放掉真空，取出胶体，在不高于140℃温度下烘干，破碎，筛分出120目筛上的颗粒。

4)将筛分出的颗粒放入窑炉中进行煅烧，炉温控制在500～800℃，煅烧时间为10～60分钟，煅烧后将颗粒进行烧结，炉温控制至1350～1500℃，烧结时间5～60分钟。

5)筛分出成品颗粒。

作为本发明的一个优选方案：在料浆形成溶胶后，变为凝胶前，加入改良剂水溶液。

作为本发明的一个优选方案：颗粒煅烧后，用改良剂水溶液浸泡，然后再烘干和烧结。

在制备溶胶凝胶时加入改良剂，然后烘干，在烘干时，由于离子的迁移，很容易造成胶体表面的离子含量大于胶体内部的含量，造成产品质量性能的不均匀。凝胶烘干时，由于水的蒸发，胶体逐渐裂成十几毫米的大颗粒，从改良剂中带颜色的离子如粉红色的二价钴离子逐渐聚集到颗粒表面，从而表面呈现粉红色，而打碎的颗粒内部呈现无色或很浅的粉红色，可很容易的观察离子的迁移现象。

为了避免或减弱离子向表面的迁移，改良剂也可以不在形成溶胶时加入，而在胶体烘干、破碎后，筛出可用的颗粒，在500～800℃煅烧后，颗粒含有大量微气孔，用改良剂配成的溶液浸泡，然后再烘干和烧结，由于胶体已进行破碎，成为粒径极小的颗粒，从而大大缩短了离子的迁移距离，改进了改良剂分布的不均匀现象。

在配成改良剂溶液中加入碱，使溶液形成碱性，然后再浸泡，可进一步避免离子的迁移。

作为本发明的一个优选方案：料浆中加入稀硝酸时，一次性放入全部稀硝酸，使料浆的PH值＝1.5～2，抽真空状态下，搅拌逐步形成溶胶、凝胶。

采用上述方法，料浆中会有少量的打不开的小颗粒，最终烧结出的磨料会含有白点，对产品质量有一定的影响，但这类产品在某些场合不影响使用。

作为本发明的一个优选方案：当料浆中勃姆石的固含量不大于25％时，先用一部分稀硝酸，使料浆的PH值＝4，放置60分钟，取上部液体，在抽真空的情况下，在取出的上部液体中再次加入稀硝酸，同时开动搅拌机搅拌，使料浆的PH值＝1.5～2，料浆逐步形成溶胶、凝胶。

当需要清除上述小颗粒时，可以用沉降(或其它物理分离方法如用一定筛孔的筛网过滤)的方法把小颗粒分离出来：这种方法必须把料浆浓度配制的比较稀。如果按正常的勃姆石作为固体计算的话，其固含量最好不大于25％，用酸把料浆的PH值调到约为4时，此时，料浆的黏度最低，放置60分钟左右，取上部液体，取上部液体在抽真空的情况下，加酸进行下一步的制备。

作为本发明的一个优选方案：在料浆中加入稀硝酸时，先放入一部分稀硝酸，使料浆的PH值＝4～5，停止搅拌，把料浆输入胶体磨，进一步细化料浆，把细化的料浆转回原抽真空搅拌机中，在抽真空的状态下，加入20％稀硝酸，同时开动搅拌机搅拌，使料浆的PH值＝1.5～2，料浆逐步形成溶胶、凝胶。

作为本发明的一个优选方案：改良剂水溶液中包含稀土金属离子、过渡金属离子、碱土金属离子的一种或多种，以烧结后形成的氧化物计总改良剂含量在3％～6％之间。

作为本发明的一个优选方案：稀土离子为钕离子、镧离子、铈离子的一种或多种的组合，过渡金属离子为钇离子、钴离子、锌离子的一种或多种的组合，碱土金属离子为镁离子、钙离子的一种或两种的组合。

作为本发明的一个优选方案：勃姆石半成品含总水量70％～80％，所含的水全部去掉后，氧化铝含量大于99％，勃姆石半成品制成正常产品后，比表面积大于250平方米/克，晶粒度小于10纳米。

本发明的步骤1)当勃姆石半成品含水量较大时，纯净水也可以不加，加水少或不加水时，不能使用高速抽真空搅拌机，只能使用搅拌力矩大的低速抽真空搅拌机或捏合机。

在本发明的步骤3)中，120目筛下的细料可以在步骤1)中作为原料继续使用。

本发明的步骤4)中优选采用回转窑来进行煅烧，也可以在其它形式的煅烧炉上进行煅烧。用其它形式的煅烧炉煅烧时，其升温速度不超过30℃/分钟。烧结时，可以把颗粒输入另一回转窑中进行烧结。也可以在一个高温炉中一次烧结，比如推板窑或辊道窑，在高温窑中设定两个保温区，分别对应煅烧和烧结两个步骤，用耐火匣钵装要煅烧的料，匣钵进入高温炉后，依次通过煅烧区和高温区，完成煅烧和烧结。用这类高温炉比较适合煅烧和烧结100目筛下的料。

本发明是使用一种勃姆石半成品作为主原料，通过溶胶凝胶法来制备α-氧化铝陶瓷磨料。这种勃姆石半成品是指在生产工业产品拟薄水铝石(又叫勃姆石)时，以铝矿石或其它能制造偏铝酸钠或铝酸钠的原料制造出偏铝酸钠溶液，然后进行酸化、纯化等一系列工序后，生产出的悬浮液，经压滤或其它手段去掉部分水后，形成的滤饼，即为勃姆石半成品(烘干后，破碎、过筛即为工业产品拟薄水铝石)，含总水量70％～80％。如果把所含的水全部去掉后计算，含氧化硅一般小于0.5％，氧化钠一般小于0.15％，含少量氧化铁等杂质，其余为氧化铝。勃姆石半成品制成正常产品后，比表面积大于250平方米/克，晶粒度小于10纳米。

本发明具有原料成本低、工艺成熟稳定的优点。利用本发明所制得的α-氧化铝基磨料含有片状结构，特别适合制作固结磨具，涂附磨具以及其它磨料制品，制作的磨料制品具有磨削效率高、自锐性好、耐用度长的特点。

附图说明

图1是实施例2所得颗粒断面的SEM照片；

图2是实施例2所得颗粒表面的SEM照片。

具体实施方式

实施例1

150升的带真空功能的搅拌机中，加纯净水16.8千克，含水70％勃姆石半成品42千克，开动搅拌机搅拌打成料浆，加入浓度为20％硝酸溶液1.6千克后，搅拌5分钟。停止搅拌，把料浆输入胶体磨，进一步细化料浆，料浆从胶体磨出来后转入原搅拌机中，抽真空，开动搅拌机，加入3千克20％的硝酸，搅拌均匀。一段时间后，形成凝胶。

把上述制备的凝胶转入不锈钢料盘中，放入100℃的烘箱中，直至凝胶变脆，开裂，成为直径约几毫米至十几毫米的碎块，有的颗粒会达到几个厘米，碎块的大小取决于烘干的速度。烘干速度越快，颗粒越小。

把烘干的碎块进一步破碎，根据需要，筛出需要的粒度。作为磨料，一般取25目筛下、120目筛上的物料进行下一步处理。

在一不锈钢炉管直径120mm，长200mm的回转电窑，炉温控制在600℃，把料输入到炉管中，进行煅烧，煅烧时间为50分钟。

配制一水溶液10千克，内含六水硝酸钕260克，六水硝酸钇339克，六水硝酸镧266克，六水硝酸镁641克和六水硝酸钴39克。把上述10千克水溶液倒入经过煅烧过的10千克颗粒料上，此时溶液将淹没煅烧过的颗粒料，倒出多余的液体后，把料烘干。

把浸泡过并烘干的料输入另一回转窑中，炉温控制至1450℃，进行烧结，烧结时间10分钟。

烧结好地产品经进一步筛分，制备出符合磨料制品要求的陶瓷磨料粒度砂。经检验，制备的46目粒度砂密度为3.89克/立方厘米，显微硬度20.3Gpa，组成陶瓷微晶磨料颗粒的晶粒约2微米，含有片状结构，氧化钇、氧化钕、氧化镧、氧化镁及氧化钴总和约占3.2％。

实施例2

150升的带真空功能的搅拌机中，加纯净水0.6千克，含水80％勃姆石半成品62.5千克，加入浓度为20％硝酸溶液1.6千克后，搅拌5分钟。停止搅拌，把料浆输入胶体磨，进一步细化料浆，料浆从胶体磨出来后转入原搅拌机中，抽真空，开动搅拌机，加入3.2千克20％的硝酸，搅拌均匀。一段时间后，形成凝胶。以下同实例1，但不同的是：在配制改良剂溶液时，10千克水溶液，内含六水硝酸钇520克，六水硝酸镧815克，六水硝酸镁983克和六水硝酸钴39克。

所得的产品颗粒密度3.90克/立方厘米，显微硬度为20.5Gpa，组成陶瓷微晶磨料颗粒的晶粒2微米左右，含有片状结构，氧化钇、氧化镧、氧化镁及氧化钴总和约占5％。

如图1所示：为颗粒制成砂轮后断面的SEM照片，如图2所示：为颗粒制成砂轮后产品表面的SEM照片。通过照片可以看出，磨料颗粒含有片状结构，磨削效率高、自锐性好、耐用度长。

实施例3

在30升带真空功能的捏合机中，加入含水75％勃姆石半成品10千克，加入实施例1中干燥好的凝胶破碎筛分，120目筛下的细凝胶颗粒2千克，开动捏合机捏合5分钟，然后加入浓度为20％的硝酸0.9千克，2千克内含六水硝酸钇132克，六水硝酸镧207克，六水硝酸镁250克和六水硝酸钴15克水溶液，继续开动捏合机捏合60分钟，然后，取出烘干，破碎，筛分，800℃煅烧10分钟后，1500℃烧结，烧结时间为60分钟。所得产品颗粒密度3.90克/立方厘米，硬度20Gpa，含有片状结构，氧化钇、氧化镧、氧化镁及氧化钴总和约占4％。

Claims (10)

1.一种含片状结构的α-氧化铝基磨料，其特征在于颗粒密度大于3.88，显微硬度大于20Gpa，组成颗粒的晶粒在5微米以下，含有片状结构。

2.一种含片状结构的α-氧化铝基磨料的制备方法，其特征在于步骤如下：

1)在一具备抽真空功能的搅拌机中加入纯净水、勃姆石半成品，纯净水的加入量是勃姆石半成品原料量的1％～40％，开动搅拌机搅拌，把原料打成均匀料浆；

2)加入浓度为20％稀硝酸，使料浆的PH值＝1.5～2，真空状态下搅拌逐步形成溶胶、凝胶；

3)搅拌均匀后，放掉真空，取出胶体，在不高于140℃温度下烘干，破碎，筛分出120目筛上的颗粒；

4)将筛分出的颗粒放入窑炉中进行煅烧，炉温控制在500～800℃，煅烧时间为10～60分钟，煅烧后将颗粒进行烧结，炉温控制至1350～1500℃，烧结时间5～60分钟；

5)筛分出成品颗粒。

3.根据权利要求2所述的含片状结构的α-氧化铝基磨料的制备方法，其特征在于在料浆形成溶胶后，变为凝胶前，加入改良剂水溶液。

4.根据权利要求2所述的含片状结构的α-氧化铝基磨料的制备方法，其特征在于颗粒煅烧后，用改良剂水溶液浸泡，然后再烘干和烧结。

5.根据权利要求2所述的含片状结构的α-氧化铝基磨料的制备方法，其特征在于料浆中加入稀硝酸时，一次性放入全部稀硝酸，使料浆的PH值＝1.5～2，抽真空状态下，搅拌逐步形成溶胶、凝胶。

6.根据权利要求2所述的α-氧化铝基磨料的制备方法，其特征在于当料浆中勃姆石的固含量不大于25％时，先用一部分稀硝酸，使料浆的PH值＝4，放置60分钟，取上部液体，在抽真空的情况下，在取出的上部液体中再次加入稀硝酸，同时开动搅拌机搅拌，使料浆的PH值＝1.5～2，料浆逐步形成溶胶、凝胶。

7.根据权利要求2所述的含片状结构的α-氧化铝基磨料的制备方法，其特征在于在料浆中加入稀硝酸时，先放入一部分稀硝酸，使料浆的PH值＝4～5，停止搅拌，把料浆输入胶体磨，进一步细化料浆，把细化的料浆转回原抽真空搅拌机中，在抽真空的状态下，加入20％稀硝酸，同时开动搅拌机搅拌，使料浆的PH值＝1.5～2，料浆逐步形成溶胶、凝胶。

8.根据权利要求3或4所述的含片状结构的α-氧化铝基磨料的制备方法，其特征在于改良剂水溶液中包含稀土离子、过渡金属离子、碱土金属离子的一种或多种，以烧结后形成的氧化物计总改良剂含量在3％～6％之间。

9.根据权利要求7所述的含片状结构的α-氧化铝基磨料的制备方法，其特征在于稀土离子为钕离子、镧离子、铈离子的一种或多种的组合，过渡金属离子为钇离子、钴离子、锌离子的一种或多种的组合，碱土金属离子为镁离子、钙离子的一种或两种的组合。

10.根据权利要求2所述的含片状结构的α-氧化铝基磨料的制备方法，其特征在于勃姆石半成品含总水量70％～80％，所含的水全部去掉后，氧化铝含量大于99％，勃姆石半成品制成正常产品后，比表面积大于250平方米/克，晶粒度小于10纳米。

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