CN107674646A - 一种宏观形貌可控的纳米晶陶瓷刚玉磨料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宏观形貌可控的纳米晶陶瓷刚玉磨料的制备方法。在溶胶凝胶法制备刚玉磨料的基础上，采用凝胶注模成型工艺对刚玉磨料的宏观形貌进行控制。通过调整球磨浆料的固含量、粘度、密度、流动性等来控制注模的成型效果和磨料性能。本发明以Al(NO₃)₃·9H₂O为原料和氨水反应，制备Al(OH)₃凝胶，然后向凝胶中加入占原料质量分数0.62％～1.05％的C₁₆H₃₆O₄Ti，(OC₂H₅)₄和氧化铝晶种。加水调整Al(OH)₃的固含量至4％～10％，球磨5～10小时得到注模浆料，再经过注模、烘干、成型、脱模、干燥、烧结、筛分等工艺流程制备出宏观形貌均一可控的纳米晶陶瓷刚玉磨料。

Description

一种宏观形貌可控的纳米晶陶瓷刚玉磨料及其制备方法

技术领域

本发明是关于磨削加工磨料的，尤其涉及到一种以凝胶注模工艺制备宏观形貌可控的纳米晶陶瓷刚玉磨料的制备方法。

背景技术

人造刚玉磨料自从19世纪末首次研制成功以来，取得了极大的发展，由于其具有良好的机械性能、较高的磨削效率和高温磨削稳定性，以及广泛的加工对象，因此获得了较为广泛的应用。由于人造刚玉磨料所含杂质离子的种类和含量不同以及不同的晶型结构，将其分为：棕刚玉、黑刚玉、白刚玉、铬刚玉、锆刚玉、镨钕刚玉、矾土烧结刚玉、单晶刚玉等品种。此类刚玉磨料采用电熔融法制备，不仅能耗高，而且晶粒尺寸大，磨削性能较差，因此在材料加工领域的应用受到了诸多限制。

陶瓷刚玉磨料诞生于20世纪80年代，是一种新型刚玉磨料，主要通过溶胶-凝胶法来制备氢氧化铝前驱体，再经过一定的烧结工艺处理得到。这种新型的制备方法与传统的电熔融法相比有很多显著的优点，其耗能低，且制备的刚玉磨料内部晶粒尺寸可以达到纳米级别，磨粒内部微观形貌可控，使其在强度、韧性、自锐性、磨削效率、加工精度及使用寿命等方面与传统刚玉磨料相比都有了显著提升，主要应用于高档材料的磨削加工领域，如航空航天材料、飞机发动机和汽轮机部件的高温合金等。

由于现代化加工制造业水平的不断提高，对加工工件的质量和效率要求越来越高，从而对于磨料的要求也随之越高，使刚玉磨料在向着高速、重负荷、强力磨削和精密磨削的方向发展。想要满足这些条件，需要从微观和宏观两个方面出发。在满足一定的微观结构的基础上，宏观形貌对于磨削性能的影响是至关重要的。但是现在对于磨料形貌大小的控制，主要是通过简单的机械破碎，形貌差异较大且不容易控制。因此对于纳米晶陶瓷刚玉磨料的宏观形貌控制的研究，一直是该领域的研究热点。

发明内容

本发明的目的，是为了克服现有陶瓷刚玉磨料的外观形貌单一、不均匀、磨削效率不够高的不足，使用凝胶注模的成型工艺，来对刚玉磨料进行宏观形貌的控制。实现宏观形貌均一可控的纳米晶陶瓷刚玉磨料的制备，包括制浆、注模、烘干、成型、脱模、干燥、烧结等一系列工艺流程。

本发明通过如下技术方案予以实现：

一种宏观形貌可控的纳米晶陶瓷刚玉磨料及其制备方法；以Al(NO₃)₃·9H₂O为原料，外加添加剂占原料的质量百分比含量为0.62％～1.05％，溶胶—凝胶中Al(OH)₃的固含量为4％～10％，所述添加剂的原料组成及其质量百分比含量为：C₁₆H₃₆O₄Ti 20％～65％，Si(OC₂H₅)₄ 15％～40％，氧化铝晶种20％～70％。

上述宏观形貌可控的纳米晶陶瓷刚玉磨料的制备方法，具有如下步骤：

(1)采用Al(NO₃)₃·9H₂O为原料，加入的聚乙二醇PEG1000溶解于水配成Al³⁺浓度为0.3～0.6mol/L，所述PEG1000的浓度为8.00～14.00g/L的溶液；

(2)将氨水以1：10的比例用去离子水稀释，向步骤(1)的溶液中缓慢滴加稀释后的氨水，在常温下进行搅拌，控制pH到9.0～9.6，使其反应完全，停止加氨水后再搅拌30～60min至其均一稳定，然后经过抽滤，反复洗涤搅拌，再抽滤得到Al(OH)₃湿凝胶，即得到注模浆料前驱体；

(3)按照质量百分比含量为：C₁₆H₃₆O₄Ti 20％～65％，Si(OC₂H₅)₄ 15％～40％，氧化铝晶种20％～70％配置添加剂，再将添加剂加入到步骤(2)所得凝胶前驱体中，以水为介质，采用刚玉磨球，湿法球磨5～10小时使其均匀，得到球磨浆料；

(4)再向涂抹了二甲基硅油的高密度聚乙烯HDPE模板中注入球磨浆料；根据所需磨料颗粒的体积，注入40～80倍体积的浆料。在20～50℃下烘干1～10h成型，脱模取出，然后在70～100℃下干燥脱水10～24h得到烧结前驱体颗粒。

(5)将步骤(4)所得前驱体颗粒于1300℃～1400℃煅烧0.5～1.5h，再进一步筛分，得到宏观形貌均一稳定可控的纳米晶陶瓷刚玉磨料。

所述步骤(3)中球磨时间由Al(OH)₃的质量分数来确定，Al(OH)₃含量越高球磨时间越长。

所述步骤(4)根据浆料中Al(OH)₃的固含量来控制浆料的粘度在14～38mPa˙s,质量收缩率在90％～96％之间、体积收缩率在97.5％～98.75％之间。

本发明具有以下的创新优异之处：

本发明在溶胶凝胶法制备纳米晶陶瓷刚玉磨料的基础上，采用凝胶注模成型工艺对刚玉磨料的宏观形貌进行控制。通过调整球磨浆料的固含量、粘度、密度、流动性等来控制注模的成型效果和磨料性能。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步的说明。

本发明使用原料Al(NO₃)₃·9H₂O为工业纯原料，其他添加剂均采用市售分析纯原料，各实施例均以制备约12g的刚玉磨料为基准称量Al(NO₃)₃·9H₂O原料，引入的添加剂占原料的质量百分比含量的范围为0.62％～1.05％。

实施例1

(1)取90.00gAl(NO₃)₃·9H₂O溶解于水，加入聚乙二醇PEG1000 5.70g，配成Al³⁺浓度为0.35mol/L的溶液；

(2)向上述溶液中缓慢滴加稀释后(浓度为1mol/L)的氨水，不断搅拌，控制pH到9.0，使其持续反应直至完全凝胶化，然后经过抽滤、反复洗涤3次得到Al(OH)₃凝胶前驱体180.65g；

(3)将1.05wt％(0.945g)的添加剂加入Al(OH)₃凝胶前驱体中，再加入131.18g水，使Al(OH)₃的固含量为6％。采用刚玉磨球，湿法球磨5小时使其充分混匀，得到球磨浆料；浆料粘度为14.8mPa·s，质量收缩率为94％，体积收缩率为98.6％。所述添加剂的组成及其质量百分比含量为：31.6％C₁₆H₃₆O₄Ti，18.4％Si(OC₂H₅)₄，50％自制氧化铝晶种；

此步骤中球磨时间由Al(OH)₃的质量分数来确定，Al(OH)₃含量越高球磨时间越长。

(4)再向涂抹了二甲基硅油的圆锥型HDPE模板中注入8.76×10^-3mL球磨浆料，在20℃下放置10h晾干成型，脱模取出；

然后将成型颗粒在80℃干燥20h得到干凝胶，经过筛分得到前驱体颗粒；

Al(OH)₃的固含量过高会导致浆料粘度过高，不利于注模成型；Al(OH)₃的固含量过低，会导致浆料收缩率过大，也不利于注模成型

(5)将前驱体颗粒在1350℃煅烧0.5h，再经过筛、分级得到宏观形貌一致，不同粒度的陶瓷刚玉磨料。

实施例1得到圆锥型陶瓷刚玉磨料，粒径在40～80目之间。

实施例2

(1)取90.00gAl(NO₃)₃·9H₂O溶解于水,加入聚乙二醇PEG1000 5.70g，配成Al³⁺浓度为0.46mol/L的溶液；

(2)向上述溶液中缓慢滴加稀释后(浓度为1mol/L)的氨水，不断搅拌，控制pH到9.2，使其持续反应直至完全凝胶化，然后经过抽滤、反复洗涤3次得到Al(OH)₃凝胶前驱体186.24g；

(3)将0.82wt％(0.738g)的添加剂加入Al(OH)₃凝胶前驱体中，再加入81.05g水，使Al(OH)₃的质量分数为7％。采用刚玉磨球，湿法球磨6小时使其充分混匀，得到球磨浆料；球磨浆料粘度为19.5mPa·s，质量收缩率为93％，体积收缩率为98.4％。所述添加剂的组成及其质量百分比含量为：31.6％C₁₆H₃₆O₄Ti，18.4％Si(OC₂H₅)₄，50％自制氧化铝晶种；

(4)再向涂抹了二甲基硅油的圆柱型HDPE模板中注入7.51×10^-3mL的球磨浆料，在40℃下放置5h晾干成型，脱模取出。

然后将成型颗粒在100℃干燥10h得到干凝胶，经过筛分得到前驱体颗粒；

(5)将前驱体颗粒在1350℃煅烧0.5h，再经过筛、分级得到宏观形貌一致，不同粒度的陶瓷刚玉磨料；

实施例2得到圆柱型陶瓷刚玉磨料，粒径在40～80目之间。

实施例3

(1)取90.00gAl(NO₃)₃·9H₂O溶解于水,加入聚乙二醇PEG1000 5.70g，配成Al³⁺浓度为0.50mol/L的溶液；

(2)向上述溶液中缓慢滴加稀释后(浓度为1mol/L)的氨水，不断搅拌，控制pH到9.4，使其持续反应直至完全凝胶化，然后经过抽滤、反复洗涤3次得到Al(OH)₃凝胶前驱体182.34g；

(3)将0.62wt％(0.558g)的添加剂加入Al(OH)₃凝胶前驱体中，再加入51.54g水，使Al(OH)₃的质量分数为8％。采用刚玉磨球，湿法球磨8小时使其充分混匀，得到球磨浆料；球磨浆料粘度为29.6mPa·s，质量收缩率为92％，体积收缩率为98.2％。所述添加剂的组成及其质量百分比含量为：31.6％C₁₆H₃₆O₄Ti，18.4％Si(OC₂H₅)₄，50％自制氧化铝晶种；

(4)再向涂抹了二甲基硅油的棱锥型HDPE模板中注入6.59×10^-3mL球磨浆料，在50℃下放置3.5h晾干成型，脱模取出。

然后将成型颗粒在80℃干燥20h得到干凝胶，经过筛分得到前驱体颗粒；

(5)将前驱体颗粒在1350℃煅烧0.5h，再经过筛、分级得到宏观形貌一致，不同粒度的陶瓷刚玉磨料；

实施例3得到棱锥型陶瓷刚玉磨料，粒径在40～80目之间。

实施例4

(1)取90.00gAl(NO₃)₃·9H₂O溶解于水,加入聚乙二醇PEG1000 5.70g，配成Al³⁺浓度为0.60mol/L的溶液；

(2)向上述溶液中缓慢滴加稀释后(浓度为1mol/L)的氨水，不断搅拌，控制pH到9.6，使其持续反应直至完全凝胶化，然后经过抽滤、反复洗涤3次得到Al(OH)₃凝胶前驱体178.51g；

(3)将0.82wt％(0.738g)的添加剂加入Al(OH)₃凝胶前驱体中，再加入29.38g水，使Al(OH)₃的质量分数为9％。采用刚玉磨球，湿法球磨10小时使其充分混匀，得到球磨浆料；球磨浆料粘度为39.0mPa·s，质量收缩率为91％，体积收缩率为97.92％。所述添加剂的组成及其质量百分比含量为：31.6％C₁₆H₃₆O₄Ti，18.4％Si(OC₂H₅)₄，50％自制氧化铝晶种；

(4)再向涂抹了二甲基硅油的圆柱型、圆锥型、棱锥型HDPE模板中注入5.85×10^{- 3}mL球磨浆料，在20℃下放置10h晾干成型，脱模取出。

然后将成型颗粒在70℃干燥24h得到干凝胶，经过筛分得到前驱体颗粒；

(5)将前驱体颗粒在1350℃煅烧0.5h，再经过筛、分级得到宏观形貌一致，不同粒度的陶瓷刚玉磨料；

实施例4得到圆柱型、圆锥型、棱锥型陶瓷刚玉磨料，粒径在40～80目之间。

以上实施例仅是对本发明做的示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种宏观形貌可控的纳米晶陶瓷刚玉磨料及其制备方法；以Al(NO₃)₃·9H₂O为原料，外加添加剂占原料的质量百分比含量为0.62％～1.05％，溶胶—凝胶中Al(OH)₃的固含量为4％～10％，所述添加剂的原料组成及其质量百分比含量为：C₁₆H₃₆O₄Ti 20％～65％，Si(OC₂H₅)₄ 15％～40％，氧化铝晶种20％～70％。

上述宏观形貌可控的纳米晶陶瓷刚玉磨料的制备方法，具有如下步骤：

(1)采用Al(NO₃)₃·9H₂O为原料，加入的聚乙二醇PEG1000溶解于水配成Al³⁺浓度为0.3～0.6mol/L，所述PEG1000的浓度为8.00～14.00g/L的溶液；

(2)将氨水以1：10的比例用去离子水稀释，向步骤(1)的溶液中缓慢滴加稀释后的氨水，在常温下进行搅拌，控制pH到9.0～9.6，使其反应完全，停止加氨水后再搅拌30～60min至其均一稳定，然后经过抽滤，反复洗涤搅拌，再抽滤得到Al(OH)₃湿凝胶，即得到注模浆料前驱体；

(3)按照质量百分比含量为：C₁₆H₃₆O₄Ti 20％～65％，Si(OC₂H₅)₄ 15％～40％，氧化铝晶种20％～70％配置添加剂，再将添加剂加入到步骤(2)所得凝胶前驱体中，以水为介质，采用刚玉磨球，湿法球磨5～10小时使其均匀，得到球磨浆料；

(4)再向涂抹了二甲基硅油的高密度聚乙烯HDPE模板中注入球磨浆料；根据所需磨料颗粒的体积，注入40～80倍体积的浆料。在20～50℃下烘干1～10h成型，脱模取出，然后在70～100℃下干燥脱水10～24h得到烧结前驱体颗粒。

(5)将步骤(4)所得前驱体颗粒于1300℃～1400℃煅烧0.5～1.5h，再进一步筛分，得到宏观形貌均一稳定可控的纳米晶陶瓷刚玉磨料。

2.根据权利要求1所述的宏观形貌可控的纳米晶陶瓷刚玉磨料，其特征在于，所述步骤(3)中球磨时间由Al(OH)₃的质量分数来确定，Al(OH)₃含量越高球磨时间越长。

3.根据权利要求1所述的宏观形貌可控的纳米晶陶瓷刚玉磨料，其特征在于，所述步骤(4)根据浆料中Al(OH)₃的固含量来控制浆料的粘度在14～38mPa·s,质量收缩率在90％～96％之间、体积收缩率在97.5％～98.75％之间。