CN105586005A - 一种纳米刚玉磨料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种纳米刚玉磨料及其制备方法，由原料以及重量占原料总重量0~6%的粘结剂组成，所述的原料以下重量百分比的组分组成：氧化镁0~5%、二氧化硅0~5%、氧化钙0~3%，余量为纳米晶氧化铝粉体。本发明制得的具有纳米结构的刚玉磨料，单个晶体颗粒从几十到几百纳米，烧结体具有巨大晶界，在外力作用下或在修锐和修整中仅纳米晶脱落，不断产生锋利的切削刃，自锐性好，制成的制品耐磨性好、磨削热少，磨削加工效率高。

Description

一种纳米刚玉磨料及其制备方法

技术领域

本发明涉及耐磨材料技术领域，具体涉及一种纳米刚玉磨料及其制备方法。

背景技术

磨料是锐利、坚硬的材料，用以磨削较软的材料表面。磨料有天然磨料和人造磨料两大类。按硬度分类有超硬磨料和普通靡磨料两大类。磨料的范围很广，从较软的家用去垢剂、宝石磨料到最硬的材料金刚石。磨料是制造每一种精密产品所必不可少的材料。许多天然磨料，已被人造磨料所代替，而除金刚石外，天然磨料的性能都不太稳定，不过仍有其使用价值。金刚石是硬度最高的磨料，产地以南非为主，占世界总产量的95%。工业用金刚石从灰白色到黑色不等，经碾碎后可制砂轮、砂带、抛光轮和研磨粉等。

天然刚玉的化学成分为氧化铝，在自然界其硬度为9，排第二，主要产地南非，用它抛光和研磨玻璃。金刚砂也是氧化铝的一种天然形式，一般说来，它不如刚玉纯，主要产地希腊、土耳其，多用来制砂布或砂纸。

人造刚玉磨料主要有棕刚玉磨料、白刚玉磨料、单晶刚玉磨料等。棕刚玉磨料，主要成分是氧化铝，具有硬度中等，韧性大，颗粒锋锐，价格比较低廉，适合加工抗张强度高的金属。微晶刚玉磨料和黑刚玉磨料都是其派生品种。白刚玉磨料，其硬度略高于棕刚玉，但韧性较差，磨削时易切入工件，自锐性好，发热量较小，磨削能力强，效率高。铬刚玉磨料是其派生品种。单晶刚玉磨料，其颗粒是由单一晶体组成，并具有良好的多棱切削刃，较高的硬度和韧性、磨削能力强，磨削发热量少，缺点是生产成本较高，产量较低，所以价格比较高。锆刚玉磨料也是晶体化合物，硬度略低。

SG磨料是圣戈班公司开发的专利产品，是经特殊引晶凝胶系统烧结而成，带有革命性的新一代氧化铝磨料，具有硬度高，韧性好，锋利度强等优点。与普通刚玉磨料相比，SG具有磨耗比高，保形性强，工件表面加工质量好，砂轮修整量小，磨削效率高等优越性。但因SG磨料所使用的原料价格比较昂贵，有些原料为有机物，对健康有害；其次通常整个溶胶－凝胶过程所需时间较长，常需要几周或几个月：第三是凝胶中存在大量微孔，在干燥过程中又将会逸出许多气体及有机物，并产生收缩，残留孔洞，制品易开裂。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米刚玉磨料及其制备方法，制得的磨料耐磨性好、磨削热少，磨削加工效率较高。

本发明为实现上述目的所采用的技术方案为：一种纳米刚玉磨料，由原料以及重量占原料总重量0~6%的粘结剂组成，所述的原料以下重量百分比的组分组成：氧化镁0~5%、二氧化硅0~5%、氧化钙0~3%，余量为纳米晶氧化铝粉体。

其中，所述的粘结剂为糊精、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚苯乙烯中的任一种。

进一步地，本发明中的氧化钙可以替换为碳酸钙。

其中，纳米晶氧化铝粉体的粒径为20~200nm。

本发明中，氧化镁为纳米氢氧化镁在400℃煅烧20min后，以5~10℃/min的降温速率冷却至室温，制得的纳米级晶体，粒径为10~100nm。

一种纳米刚玉磨料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、将勃姆石纳米晶或纳米晶须在500~600℃下预烧10~60min，然后以5~10℃/min的降温速率降温至室温，制得纳米晶氧化铝粉体，备用；

步骤二、按照所述配比称取各原料，进行气力均化，然后加入与原料总重量相等的去离子水和称取的粘结剂，经球磨、喷雾干燥、等静压造粒、破碎、筛分、烧结，制得磨料块体，经破碎分级，制得磨料。

进一步地，烧结制度为：将筛分后的原料，以2~3℃/min的升温速率，升温至1000℃；然后，以2~6℃/min的升温速度升温至1300~1550℃，并保温0.5~8h。

由于纳米材料本身的颗粒细小，比表面积巨大，因此，极容易出现团聚现象，常规意义上说的纳米材料是在透射电镜（国家标准以透射电镜为准）下显示的单个颗粒为几个到100纳米粒径，但是在马尔文激光粒度仪上显示时基本为几十微米的粒径，究其原因，是因为纳米材料本身的团聚效应，团聚后的纳米材料在外观上显示已经达到几十微米的粒径，这样使得即使加入纳米级的颗粒材料，实际上仍然为微米级，难以真正的起到纳米颗粒的作用。本发明中，通过对纳米级勃姆石进行烧结之后并急速冷却，这样制得的纳米材料并不会出现团聚现象，也就是说，烧结后形成的纳米晶刚玉是处于单个纳米颗粒分散状态，并不会表现出团聚现象，这样就使得其在加入其余物料时仍表现出纳米级颗粒的性质，由于颗粒呈现出纳米级别，因此，在热处理过程中可以认为是仍处于单相体系，不仅弥散性好、分布均匀，而且结合也更加紧密。

本发明通过对勃姆石纳米晶或纳米晶须进行煅烧、然后急速冷却，从而得到呈分散状态的纳米晶氧化铝，与常规的微米级氧化铝相比，克服了脆性和复合体系不稳定的缺陷，纳米晶氧化铝的加入，使磨料的微观结构发生了改变，增加了硬质点，耐磨性大为提高，使用寿命延长。纳米晶氧化铝处于单个纳米颗粒分散状态，这样就使得加入体系时仍呈现出纳米级别，表现出纳米级颗粒的性质，在加入后可以认为是仍处于单相体系，在混合过程中弥散性好、能够分布均匀；加入的纳米氧化镁亦是表现出纳米级颗粒的性质。

有益效果：本发明制得的具有纳米结构的刚玉磨料，粒径更小，单个晶体颗粒从几十到几百纳米，烧结体具有巨大晶界，在外力作用下或在修锐和修整中仅纳米晶脱落，不断产生锋利的切削刃，自锐性好；而且，由于晶界导热性好，加之剥落的纳米晶刚玉晶体带走了磨削热，因此制成的制品耐磨性好、磨削热少，磨削加工效率高。此外，由于晶粒尺寸属于纳米级，与微米刚玉相比，磨削损耗小、磨削比大。最重要的是由于磨料颗粒为纳米级，与微米级磨料加工相比，其划痕深度小，被加工零件表面更光滑、磨削质量好。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明的纳米刚玉磨料及其制备方法作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。

一种纳米刚玉磨料，由原料以及重量占原料总重量0~6%的粘结剂组成，所述的原料以下重量百分比的组分组成：氧化镁0~5%、二氧化硅0~5%、氧化钙0~3%，余量为纳米晶氧化铝粉体。

实施例1

一种纳米刚玉磨料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、将勃姆石纳米晶或纳米晶须在570℃下预烧60min，然后以10℃/min的降温速率降温至室温，制得粒径为20~200nm的纳米晶氧化铝粉体，备用；

步骤二、将纳米氢氧化镁在400℃煅烧20min后，以10℃/min的降温速率冷却至室温，制得粒径为10~100nm的纳米氧化镁，备用；

步骤三、按照5%纳米氧化镁、5%二氧化硅、3%氧化钙和87%纳米晶氧化铝粉体的重量百分比称取各原料，进行气力均化，然后加入重量与纳米氧化镁、二氧化硅、氧化钙和纳米晶氧化铝粉体的总重量相同的去离子水、重量占纳米氧化镁、二氧化硅、氧化钙和纳米晶氧化铝粉体的总重量6%的羧甲基纤维素，经球磨、喷雾干燥、等静压造粒、破碎、筛分后，将筛分后的原料，以3℃/min的升温速率，升温至1000℃；然后，以5℃/min的升温速度升温至1350℃，并保温6h，自然冷却至室温，制得磨料块体，经破碎分级，制得磨料。

实施例2

一种纳米刚玉磨料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、将勃姆石纳米晶或纳米晶须在500℃下预烧40min，然后以6℃/min的降温速率降温至室温，制得粒径为20~200nm的纳米晶氧化铝粉体，备用；

步骤二、将纳米氢氧化镁在400℃煅烧20min后，以8℃/min的降温速率冷却至室温，制得粒径为10~100nm的纳米氧化镁，备用；

步骤三、按照3%纳米氧化镁、2%二氧化硅、1.5%氧化钙和93.5%纳米晶氧化铝粉体的重量比称取各组分，进行气力均化，然后加入重量与纳米氧化镁、二氧化硅、氧化钙和纳米晶氧化铝粉体的总重量相同的去离子水、重量占纳米氧化镁、二氧化硅、氧化钙和纳米晶氧化铝粉体的总重量3%的糊精，经球磨、喷雾干燥、等静压造粒、破碎、筛分后，将筛分后的原料，以2.5℃/min的升温速率，升温至1000℃；然后，以6℃/min的升温速度升温至1550℃，并保温6h，自然冷却至室温，制得磨料块体，经破碎分级，制得磨料。

实施例3

一种纳米刚玉磨料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、将勃姆石纳米晶或纳米晶须在600℃下预烧10min，然后以5℃/min的降温速率降温至室温，制得粒径为20~200nm的纳米晶氧化铝粉体，备用；

步骤二、将纳米氢氧化镁在400℃煅烧20min后，以5℃/min的降温速率冷却至室温，制得粒径为10~100nm的纳米氧化镁，备用；

步骤三、按照1%纳米氧化镁、1%二氧化硅、1.3%碳酸钙和96.7%纳米晶氧化铝粉体的重量比称取各组分，进行气力均化，然后加入重量与纳米氧化镁、二氧化硅、碳酸钙和纳米晶氧化铝粉体的总重量相同的去离子水、重量占纳米氧化镁、二氧化硅、碳酸钙和纳米晶氧化铝粉体的总重量1.5%的聚乙烯醇，经球磨、喷雾干燥、等静压造粒、破碎、筛分后，将筛分后的原料，以2℃/min的升温速率，升温至1000℃；然后，以3℃/min的升温速度升温至1300℃，并保温8h，自然冷却至室温，制得磨料块体，经破碎分级，制得磨料。

实施例1~3中所使用的纳米氧化镁的制备工艺为：将水溶性Mg²⁺溶液在搅拌条件下加入到氢氧化钠溶液中，然后在压力为0.05～0.5MPa、温度为110～151℃的条件下水热反应4～10h，自然冷却后进行陈化，并抽滤得到沉淀，将沉淀清洗、烘干后得到纳米级氢氧化镁晶体；将得到的纳米级氢氧化镁晶体浸泡在去离子水中6-12h，并超声波震荡0～30min，然后抽滤并在130℃条件下烘干即得到纳米晶氢氧化镁；将制得的纳米晶氢氧化镁在350～500℃温度下煅烧2～8h后，再以200～500℃/min的降温速率急速冷却至常温，得到纳米氧化镁。

实施例4

一种纳米刚玉磨料的制备方法，包括以下步骤：步骤一、将勃姆石纳米晶或纳米晶须在540℃下预烧30min，然后以8℃/min的降温速率降温至室温，制得粒径为20~200nm的纳米晶氧化铝粉体，备用；

步骤二、称取100份的纳米晶氧化铝粉体进行气力均化，然后加入重量与纳米晶氧化铝粉体的重量相同的去离子水，经球磨、喷雾干燥、等静压造粒、破碎、筛分后，将筛分后的原料，以2℃/min的升温速率，升温至1000℃；然后，以3℃/min的升温速度升温至1380℃，并保温8h，自然冷却至室温，制得磨料块体，经破碎分级，制得磨料。

本发明实施例1~4所使用的勃姆石纳米晶或纳米晶须的粒径为10~40nm，勃姆石纳米晶或纳米晶须的制备方法参照申请人在先申请的申请号为CN201210395756.1。本申请的优点是勃姆石纳米晶或纳米晶须的制备方法成熟，容易工业化生产，克服了传统磨料前驱体溶胶凝胶法制备的缺陷。

Claims (7)

1.一种纳米刚玉磨料，其特征在于：由原料以及重量占原料总重量0~6%的粘结剂组成，所述的原料以下重量百分比的组分组成：氧化镁0~5%、二氧化硅0~5%、氧化钙0~3%，余量为纳米晶氧化铝粉体。

2.根据权利要求1所述的一种纳米刚玉磨料，其特征在于：所述的粘结剂为糊精、聚乙烯醇、羧甲基纤维素、聚苯乙烯中的任一种。

3.根据权利要求1所述的一种纳米刚玉磨料，其特征在于：氧化钙可以替换为碳酸钙。

4.根据权利要求1所述的一种纳米刚玉磨料，其特征在于：纳米晶氧化铝粉体的粒径为20~200nm。

5.根据权利要求1所述的一种纳米刚玉磨料，其特征在于：氧化镁为纳米氢氧化镁在400℃煅烧20min后，以5~10℃/min的降温速率冷却至室温，制得的纳米级晶体，粒径为10~100nm。

6.根据权利要求1所述一种纳米刚玉磨料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、将勃姆石纳米晶或纳米晶须在500~600℃下预烧10~60min，然后以5~10℃/min的降温速率降温至室温，制得纳米晶氧化铝粉体，备用；

步骤二、按照权利要求1的配比称取各原料，进行气力均化，然后加入与原料总重量相等的去离子水和称取的粘结剂，经球磨、喷雾干燥、等静压造粒、破碎、筛分、烧结，制得磨料块体，经破碎分级，制得磨料。

7.根据权利要求6所述的一种纳米刚玉磨料的制备方法，其特征在于：烧结制度为：将筛分后的原料，以2~3℃/min的升温速率，升温至1000℃；然后，以2~6℃/min的升温速度升温至1300~1550℃，并保温0.5~8h。