CN107245323A - 氧化铝磨料的生产方法及其产品 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氧化铝磨料的生产方法及其产品，其中所述的生产方法包括如下步骤：步骤(1)：制备溶胶，将去离子水、分散的alpha单水氢氧化铝和硝酸混合，制备溶胶分散体；步骤(2)：引入晶种，向溶胶分散体中加入分散粒径D50为100～200纳米的alpha氧化铝分散液作为晶种；步骤(3)：引入增强材料，向溶胶分散体中继续加入分散粒径D50为1～5微米的氧化铝颗粒作为增强材料；步骤(4)：干燥；步骤(5)：破碎或者成型；步骤(6)：煅烧；步骤(7)：烧结，制得氧化铝磨料。采用了该发明中的氧化铝磨料的生产方法及其产品，具有增强增韧两相结构的溶胶‑凝胶法氧化铝磨料，减少氮氧化物废气排放。

Description

氧化铝磨料的生产方法及其产品
技术领域
本发明涉及金属氧化物领域，尤其涉及金属氧化物磨料，具体是指一种氧化铝磨料的生产方法及其产品。
背景技术
从1980年代早期开始，溶胶-凝胶技术开始用于提高氧化铝磨料的性能，溶胶凝胶法应用于涂附磨具和固结磨具时，与传统电熔刚玉相比，磨削效率提升了50～100％，磨削寿命提升了3～5倍，对涂附磨具和固结磨具行业产生了冲击性的影响。溶胶-凝胶法工艺使得氧化铝显微结构的控制程度比电熔法工艺大的多。电熔法氧化铝磨料的显微结构主要由熔体冷却过程中的冷却速度决定，冷却速度越快，晶体尺寸越小，磨料的自锐性越好，韧性越好，磨削速度越快，磨削寿命越长，目前电熔法磨料的最快冷却速度也只能使磨料的晶体尺寸在10微米以上，普通棕刚玉和白刚玉晶体尺寸在500微米左右，所以磨削性能有限。而溶胶-凝胶法工艺采用氧化铝前躯体在水中形成纳米级分散的溶胶，干燥过程中会形成凝胶，进一步干燥中破碎，再中高温煅烧除去挥发物，最后在高温烧结形成致密氧化铝陶瓷磨料。因为采用纳米级的氧化铝前躯体做原材料，烧结温度较低烧结时间较短，形成的磨料氧化铝晶体在0.15～3微米之间，所以溶胶-凝胶法磨料的晶体尺寸比电熔法小几个数量级，从而磨料自锐性和韧性提高，磨削效率和寿命也得以提高。
在过去的几十年中，许多公司都投入大量人力物力研发溶胶-凝胶法磨料。但市场化成功的产品主要只有2种，3M公司的Cubitron 321和诺顿的SG磨料。
1986年，诺顿公司发明了SG磨料，如美国专利号US4,623,364所描述，该磨料是主要由alpha氧化铝构成的陶瓷材料，晶体尺寸小于1微米，硬度大于16GPa，烧结密度大于90％(100％致密度的alpha氧化铝密度是3.96)该磨料的合成方法是：先制备纳米级分散的单水氢氧化铝溶胶，在溶胶中加入1％或小于1％的非常细的alpha氧化铝晶体，再干燥和烧结，将单水氢氧化铝颗粒在1100摄氏度以下转化成alpha氧化铝，再在1500摄氏度以下烧结成磨料。该方法合成的溶胶凝胶法磨料是由亚微米的alpha氧化铝形成的均一的单相结构，没有其它相增强或者增韧，在高压力下磨削应用时不如有增强增韧结构的磨料。
1989年，3M公司发明了Cubitron 321磨料，如美国专利号US4,881,951所描述，该磨料的合成方法也是溶胶凝胶法：先把alpha单水氢氧化铝分散到酸化的水中制备溶胶，在干燥过程中溶胶会变成凝胶，这就是溶胶-凝胶法工艺名称的来源。干燥后的凝胶破碎形成具有一定粒度组成的颗粒，再煅烧除去单水氢氧化铝中的化学结合水。金属氧化物改性剂(La2O3、Nd2O3、Y2O3和MgO)通过它们的硝酸盐溶液浸渍煅烧颗粒来加入。干燥后的浸渍颗粒再次煅烧将金属硝酸盐转化为金属氧化物，最后在1300～1450度间煅烧成陶瓷刚玉磨料。
Cubitron 321磨料由2种不同的相组成，alpha氧化铝基体相由亚微米alpha氧化铝晶体生产成的晶胞组成，晶胞大小为2-5微米。在晶胞内和晶胞间是由化学式为MgLnAl11O19(其中Ln是La或者Nd)稀土磁铅石组成的片状结构。片状结构的厚度是0.2微米，直径是1微米，起到增强氧化铝基体的作用，使得磨料既硬度高(维氏>19GPa)又韧性大(断裂韧性约4MPa*m0.5)，再加上与被磨削材料的化学惰性，使其成为最理想的磨料。
尽管Cubitron 321磨料具有上述的类似晶须增强陶瓷的复合结构，但它的生产需要用到昂贵的稀土材料，与单相结构的SG磨料相比成本较高，同时制造过程中煅烧稀土硝酸盐会放出大量的氮氧化物污染环境，四种金属硝酸盐煅烧过程的化学变化如下：
Mg(NO3)2＝MgO+N2O5
2La(NO3)3＝La2O3+3N2O5
2Nd(NO3)3＝Nd2O3+3N2O5
2Y(NO3)3＝Y2O3+2N2O5
Cubitron 321通常是由1.5％MgO、1.5％La2O3、1.5％Nd2O3和1.5％Y2O3改性，从上述化学变化可以看出，每生产1吨的Cubitron 321，如果没有废气处理设备，会排放出氮氧化物91.4公斤，按国五汽油车氮氧化物排放标准0.06克/千米换算，相当于1000辆汽油车开1500公里的氮氧化物排放量。
所以，很有必要发明出具有类似Cubitron321这样具有增强增韧两相结构的溶胶-凝胶法氧化铝磨料，同时又不需要用到昂贵的稀土氧化物来降低原材料成本和减少氮氧化物废气排放。
发明内容
本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种具有增强增韧两相结构的溶胶-凝胶法氧化铝磨料、同时不需要使用昂贵的稀土氧化物来降低原材料成本和减少氮氧化物废气排放的氧化铝磨料的生产方法及其产品。
为了实现上述目的，本发明的氧化铝磨料的生产方法及其产品具有如下构成：
该氧化铝磨料的生产方法，其主要特点是，所述的氧化铝磨料的生产方法包括如下步骤：
步骤(1)：制备溶胶，将去离子水、分散的alpha单水氢氧化铝和硝酸混合，制备溶胶分散体；
步骤(2)：引入晶种，向溶胶分散体中加入分散粒径D50为100～200纳米的alpha氧化铝分散液作为晶种；
步骤(3)：引入增强材料，向溶胶分散体中继续加入分散粒径D50为1～5微米的氧化铝颗粒作为增强材料；
步骤(4)：干燥，在80～100度的温度下干燥脱水；
步骤(5)：破碎或者成型，将干燥后的颗粒破碎成预设粒度或成型为预设形状；
步骤(6)：煅烧，在回转炉里煅烧以除去残余水分和挥发物；
步骤(7)：烧结，煅烧后的颗粒或成型物料加入到碳化硅管的旋转炉中烧结以使颗粒致密化，制得氧化铝磨料；
其中所述的氧化铝磨料中氧化铝的质量含量大于99.5％，烧结密度大于3.85克/立方厘米。
优选地，所述的步骤(1)具体为：
将去离子水、分散的alpha单水氢氧化铝和硝酸在高剪切搅拌机或球磨机或砂磨机中混合，制备固含量为25％～30％的溶胶分散体。
较佳地，所述的步骤(2)中的分散粒径D50为100～200纳米的alpha氧化铝分散液的制备方法为：
将纳米级alpha氧化铝粉末高速分散于去离子水中，形成20％质量浓度的分散液，然后将所述的20％质量浓度的分散液于氧化锆衬套材质的陶瓷纳米砂磨机中磨至分散相粒径D50为100～200纳米，即形成分散粒径D50为100～200纳米的alpha氧化铝分散液。
较佳地，所述的步骤(2)中加入的alpha氧化铝相对于所述的磨料中氧化铝的含量为0.5％～2％。
较佳地，所述的步骤(3)中分散粒径D50为1～5微米的氧化铝颗粒的长径比大于1.5。
较佳地，所述的步骤(3)分散粒径D50为1～5微米的氧化铝颗粒为片状氧化铝、晶须状氧化铝或者纤维状氧化铝。
较佳地，所述的步骤(3)中的分散粒径D50为1～5微米的氧化铝颗粒先高速分散于水中，再加入溶胶分散体中凝胶。
较佳地，所述的步骤(3)中加入的氧化铝颗粒相对于所述的磨料中氧化铝的含量为3％～10％。
较佳地，步骤(6)中的煅烧温度为500℃～850℃，煅烧时间为10～60分钟，步骤(7)中的烧结温度为1300℃～1450℃，烧结时间为5～120分钟。
本发明还提供一种上述所述的氧化铝磨料的生产方法生产的氧化铝磨料，其主要特点是，所述的氧化铝磨料由所述的生产方法生产，所述的氧化铝磨料包括0.2～0.5微米的alpha氧化铝晶体形成的基体和1～5微米alpha氧化铝颗粒增强体。
本发明还提供一种上述所述的氧化铝磨料的生产方法生产的涂附磨具产品，其主要特点是，所述的涂附磨具产品由所述的生产方法生产。
本发明还提供一种上述所述的氧化铝磨料的生产方法生产的固结磨具产品，其主要特点是，所述的固结磨具产品由所述的生产方法生产。
采用了该发明中的氧化铝磨料的生产方法及其产品，不需要浸渍工艺(Cubitron321的稀土磁铅石增强结构是通过浸渍工艺加入的)的具有两相结构的溶胶-凝胶法氧化铝磨料的生产方法，浸渍工艺需要2次高温煅烧，会额外增加生产成本。利用颗粒相增韧陶瓷机理，在alpha单水氢氧化铝溶胶中加入分散粒径D50为100～200纳米的alpha氧化铝作为晶种来促进烧结形成亚微米级的alpha氧化铝基体，同时加入粒径大小D50为1～5微米的alpha氧化铝颗粒或者氧化铝纤维或者氧化铝晶须作为增强结构，与Cubitron 321原位形成稀土磁铅石增强结构相比，原材料成本低，同时没有大量的氮氧化物废气排放。
附图说明
图1为本发明的氧化铝磨料的生产方法工艺流程图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
实施例1
本发明提供的氧化铝磨料的生产方法包括如下步骤：
(1)制备溶胶，将去离子水、分散的alpha单水氢氧化铝和硝酸混合，制备溶胶分散体，混合的设备可以是高剪切搅拌机或球磨机或砂磨机，制备的溶胶分散体的固含量在25％～30％之间。
(2)引入晶种，向溶胶分散体中加入分散粒径D50为100～200纳米的alpha氧化铝分散液作为晶种。晶种可以促进烧结过程，降低烧结温度和时间，减少氧化铝晶体的增长，形成亚微米的alpha氧化铝晶体形成的基体材料。
纳米alpha氧化铝晶种可从日本住友公司、大明公司或者其它公司购得，原晶大小约为30纳米，alpha相的含量大于95％，纯度大于99.9％。将纳米级alpha氧化铝粉末高速分散于去离子水中，形成20％浓度分散液，再于氧化锆衬套材质的陶瓷纳米砂磨机中磨至分散相粒径D50为100～200纳米，制备成分散相粒径D50为100～200纳米的alpha氧化铝分散液，将其加入制备好的溶胶中，相对于磨料中氧化铝的含量，加入的纳米alpha氧化铝最佳范围为0.5％～2％，加入量过低对烧结的促进作用有限，过高则增加生产成本，最佳地的含量为1％。
(3)引入增强材料，向溶胶分散体中继续加入分散粒径D50为1～5微米的氧化铝颗粒作为增强材料。起增强作用的alpha氧化铝，可为常见的由冶金级氧化铝粉加硼酸或者氟化铝高温煅烧而得的较纯alpha氧化铝晶体，长径比大于1.5的增强增韧作用最好，粒径为1～5微米合适，过小颗粒相增韧效果不好，过大烧结过程中容易形成应力缺陷。薄片状、晶须状或者纤维状长径比较大的alpha氧化铝的增强增韧效果最好，可以完全和Cubitron 321的稀土磁铅石片状增强结构相比，但是相应的材料制备过程复杂，价格较高。增强氧化铝颗粒先高速分散于水中，再加入单水氢氧化铝溶胶中，加入后应尽快凝胶，凝胶状态可以阻止增强氧化铝颗粒的沉降，避免增强氧化铝颗粒在溶胶停止搅拌形成凝胶前在溶胶中分散不均匀。增强增韧用氧化铝颗粒的加入量，相对于磨料中氧化铝的含量，最佳范围为3％～10％，加入量过低起不到颗粒相增强增韧作用，过高则影响磨料的烧结致密度。
(4)干燥：可在80～100度的温度下干燥脱水，干燥时间由温度和其它工艺而定。
(5)破碎或者成型：干燥后的颗粒破碎成涂附磨具行业常用的粒度范围P24～P120目或者固结磨具行业常用的粒度范围F24～F120目，或者用模具做成三角形或者五角形等适合磨削应用的其它各种形状。
(6)煅烧：干燥的凝胶在回转炉里进一步煅烧除去残余水分和其他挥发物，煅烧温度为500℃～850℃，煅烧时间为10～60分钟，较优地煅烧时间低于30分钟。
(7)烧结：煅烧后的颗粒或成型物料加入到碳化硅管的旋转炉中烧结以使颗粒致密化，制得氧化铝磨料，烧结温度为1300℃～1450℃，烧结时间为5～120分钟。
按上述工艺，制得的氧化铝磨料烧结后的密度为3.87克/立方厘米，适合用作涂附磨具用磨料。
本发明提供的溶胶-凝胶法氧化铝磨料，氧化铝含量大于99.5％，烧结密度大于3.85克/立方厘米，磨料显微结构由0.2～0.5微米的alpha氧化铝晶体形成的基体和1～5微米alpha氧化铝颗粒增强体所组成，其中的1～5微米的alpha氧化铝增强颗粒可以为长径比大于1.5的高温煅烧alpha氧化铝，或长度为1～5微米的alpha氧化铝纤维或片状alpha氧化铝。
美国专利号US4,252,544描述的是用粒径为3～10微米的粗晶氧化铝来增强增韧粒径小于2微米的细晶氧化铝形成的基体。但该专利所用的工艺不是溶胶-凝胶法工艺，而是传统的烧结刚玉法工艺，烧结温度高达1500度以上，烧结时间长达40分钟以上，所用的原材料也不是高度分散可形成溶胶的alpha单水氢氧化铝，而是传统的拜耳法氧化铝或者电熔法氧化铝，制得的产品为传统的烧结刚玉，氧化铝纯度只为98％以上，与本发明的溶胶凝胶法工艺形成的氧化铝纯度大于99.5％，磨料结构是由粒径为1～5微米alpha氧化铝颗粒增强0.2～0.5微米alpha氧化铝晶体形成的基体材料完全不同。
本发明的具有颗粒相增韧的溶胶-凝胶法氧化铝磨料，通过在溶胶中加入100～200纳米的alpha氧化铝作为晶种，形成类似诺顿SG磨料的亚微米alpha氧化铝晶体形成的基体材料，降低磨料的烧结温度和烧结时间来降低磨料的晶体尺寸，在溶胶中加入的直径1～5微米的alpha氧化铝颗粒或晶须或纤维在基体材料中形成增强结构，可以阻止裂纹在亚微米氧化铝晶体形成的基体材料中扩展，从而提高磨料的韧性，提高磨料在磨削压力较高条件下的磨削性能，具有类似Cubitron 321的稀土磁铅石的增强增韧效果，而不需用用到昂贵的稀土材料和排放大量的氮氧化物废气。
采用了该发明中的氧化铝磨料的生产方法及其产品，不需要浸渍工艺(Cubitron321的稀土磁铅石增强结构是通过浸渍工艺加入的)的具有两相结构的溶胶-凝胶法氧化铝磨料的生产方法，浸渍工艺需要2次高温煅烧，会额外增加生产成本。利用颗粒相增韧陶瓷机理，在alpha单水氢氧化铝溶胶中加入分散粒径D50为100～200纳米的alpha氧化铝作为晶种来促进烧结形成亚微米级的alpha氧化铝基体，同时加入粒径大小D50为1～5微米的alpha氧化铝颗粒或者氧化铝纤维或者氧化铝晶须作为增强结构，与Cubitron 321原位形成稀土磁铅石增强结构相比，原材料成本低，同时没有大量的氮氧化物废气排放。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。

Claims (12)

1.一种氧化铝磨料的生产方法，其特征在于，所述的生产方法包括如下步骤：
步骤(1)：制备溶胶，将去离子水、分散的alpha单水氢氧化铝和硝酸混合，制备溶胶分散体；
步骤(2)：引入晶种，向溶胶分散体中加入分散粒径D50为100～200纳米的alpha氧化铝分散液作为晶种；
步骤(3)：引入增强材料，向溶胶分散体中继续加入分散粒径D50为1～5微米的氧化铝颗粒作为增强材料；
步骤(4)：干燥，在80～100度的温度下干燥脱水；
步骤(5)：破碎或者成型，将干燥后的颗粒破碎成预设粒度或成型为预设形状；
步骤(6)：煅烧，在回转炉里煅烧以除去残余水分和挥发物；
步骤(7)：烧结，煅烧后的颗粒或成型物料加入到碳化硅管的旋转炉中烧结以使颗粒致密化，制得氧化铝磨料；
其中所述的氧化铝磨料中氧化铝的质量含量大于99.5％，烧结密度大于3.85克/立方厘米。
2.根据权利要求1所述的氧化铝磨料的生产方法，其特征在于，所述的步骤(1)具体为：
将去离子水、分散的alpha单水氢氧化铝和硝酸在高剪切搅拌机或球磨机或砂磨机中混合，制备固含量为25％～30％的溶胶分散体。
3.根据权利要求1所述的氧化铝磨料的生产方法，其特征在于，所述的步骤(2)中的分散粒径D50为100～200纳米的alpha氧化铝分散液的制备方法为：
将纳米级alpha氧化铝粉末高速分散于去离子水中，形成20％质量浓度的分散液，然后将所述的20％质量浓度的分散液于氧化锆衬套材质的陶瓷纳米砂磨机中磨至分散相粒径D50为100～200纳米，即形成分散粒径D50为100～200纳米的alpha氧化铝分散液。
4.根据权利要求1所述的氧化铝磨料的生产方法，其特征在于，所述的步骤(2)中加入的alpha氧化铝相对于所述的磨料中氧化铝的含量为0.5％～2％。
5.根据权利要求1所述的氧化铝磨料的生产方法，其特征在于，所述的步骤(3)中分散粒径D50为1～5微米的氧化铝颗粒的长径比大于1.5。
6.根据权利要求1所述的氧化铝磨料的生产方法，其特征在于，所述的步骤(3)分散粒径D50为1～5微米的氧化铝颗粒为片状氧化铝、晶须状氧化铝或者纤维状氧化铝。
7.根据权利要求1所述的氧化铝磨料的生产方法，其特征在于，所述的步骤(3)中的分散粒径D50为1～5微米的氧化铝颗粒先高速分散于水中，再加入溶胶分散体中凝胶。
8.根据权利要求1所述的氧化铝磨料的生产方法，其特征在于，所述的步骤(3)中加入的氧化铝颗粒相对于所述的磨料中氧化铝的含量为3％～10％。
9.根据权利要求1所述的氧化铝磨料的生产方法，其特征在于，步骤(6)中的煅烧温度为500℃～850℃，煅烧时间为10～60分钟，步骤(7)中的烧结温度为1300℃～1450℃，烧结时间为5～120分钟。
10.一种根据权利要求1至9任一项所述的氧化铝磨料的生产方法生产的氧化铝磨料，其特征在于，所述的氧化铝磨料由所述的生产方法生产，所述的氧化铝磨料包括0.2～0.5微米的alpha氧化铝晶体形成的基体和1～5微米alpha氧化铝颗粒增强体。
11.一种根据权利要求1至9任一项所述的氧化铝磨料的生产方法生产的涂附磨具产品，其特征在于，所述的涂附磨具产品由所述的生产方法生产。
12.一种根据权利要求1至9任一项所述的氧化铝磨料的生产方法生产的固结磨具产品，其特征在于，所述的固结磨具产品由所述的生产方法生产。
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