CN109181642A - 一种半脆刚玉磨料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种半脆刚玉磨料及其制备方法。本发明的半脆刚玉磨料的组成以质量含量计包括：Al2O3>97％，TiO21.3‑2.1％，SiO20.2‑0.4％，Fe2O30.09‑0.35％，ZrO2≤0.15％；上述半脆刚玉磨料的制备方法包括：在铁屑和无烟煤存在下，对包括铝矾土的原料进行熔炼；对熔炼后的混合物进行冷却、粉碎，得到半脆刚玉磨料。本发明制备的半脆刚玉磨料耐用度、磨削比及加工效率高，加工表面质量好，磨削效果优异。
Description
技术领域
本发明涉及一种磨料，尤其是涉及一种半脆刚玉磨料及其制备方法。
背景技术
半脆刚玉是以铝矾土等为原料，在还原剂和澄清剂存在下经高温熔炼制成，在熔炼过程中去除了大部分的氧化硅、氧化铁等杂质，同时保留了部分氧化钛；熔炼过程中保留的氧化钛在后续冷却结晶过程中形成钛酸铝填充在刚玉晶界中，从而使刚玉的脆性减弱并达到部分增韧的目的，因此半脆刚玉的脆性及韧性介于白刚玉与棕刚玉之间。
半脆刚玉具有耐高温、耐腐蚀、耐冲刷、气孔率低、热态性能稳定等优点，其作为磨料具有良好的自锐性，磨削锋利而不易烧伤工件，特别适合用于热敏性钢及合金、硬度较低的有色金属材料(如铝、铜、锌、铅等)以及非金属材料(如木材、塑料等)的磨削。然而，现有的半脆刚玉磨料大多存在磨耗高、磨削比低、使用寿命短、加工效率低、工件加工表面质量差等缺陷。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明提供一种半脆刚玉磨料及其制备方法，该制备方法制备的半脆刚玉磨料耐用度、磨削比及加工效率高，工件加工表面质量好，磨削效果优异。
本发明提供的一种半脆刚玉磨料，所述半脆刚玉磨料的组成以质量含量计包括：Al2O3>97％，TiO2 1.3-2.1％，SiO2 0.2-0.4％，Fe2O3 0.09-0.35％，ZrO2≤0.15％。
进一步地，所述半脆刚玉磨料中Fe2O3的质量含量为0.25-0.35％。经研究发现，本发明使半脆刚玉磨料中保留上述质量含量的Fe2O3，有利于降低磨料的磨耗，提高磨料的磨削比，该半脆刚玉磨料在研磨时的切削速度高，加工效率显著提高，同时磨削加工材料的表面质量好。
进一步地，所述半脆刚玉磨料中ZrO2的质量含量为0.08-0.12％。研究发现，将半脆刚玉磨料中ZrO2的质量含量控制在上述范围，有利于提高磨料的使用寿命，磨料的耐用度显著提高；此外，该磨料具有良好的自锐性和磨削锋利度，有利于对多种材料进行磨削加工。
特别是，所述半脆刚玉磨料中(Fe2O3-ZrO2)>0.1％，优选为0.1-0.3％，更优选为0.15-0.25％。其中，(Fe2O3-ZrO2)指的是半脆刚玉磨料中Fe2O3的质量含量减去ZrO2的质量含量所获得的差值；将该差值控制在上述范围，有利于进一步提高磨料的耐用度、磨削效果及加工效率。
此外，本发明的半脆刚玉磨料中，Al2O3的质量含量进一步为97.2-98.0％；其它微量组分的质量含量(即余量)例如如下：(CaO+MgO)<0.1％；Na2O<0.1％。
本发明还提供上述半脆刚玉磨料的制备方法，包括如下步骤：
在铁屑和无烟煤存在下，对包括铝矾土的原料进行熔炼；
对熔炼后的混合物进行冷却、粉碎，得到所述的半脆刚玉磨料。
在本发明的制备方法中，无烟煤用作还原剂，铁屑用作澄清剂；可以理解的是，本发明并不限于使用无烟煤和铁屑，还可以采用本领域常规的其它还原剂和澄清剂。
本发明对所采用的铝矾土不作严格限制，例如可以采用贵州地区的铝矾土等，该铝矾土主要为水铝石-高岭石型(DK型)，组成例如可以为：Al2O3 55-88％，TiO2 3.0-5.0％，SiO2 0.6-28％，Fe2O3 0.8-1.5％，其它微量成分例如为：CaO 0.1-0.5％，MgO 0.1-0.5％，此外还包括其它一些不可避免的杂质，例如ZrO2、Na2O等。
进一步地，所述原料还包括铝氧土，且所述原料中铝矾土与铝氧土的质量配比为(2-4)：1。在本发明中，铝氧土可以通过对铝矾土进行化学提纯处理得到，对所采用的铝氧土不作严格限制，其组成例如可以为：Al2O3>96％，SiO2 0.02-0.1％，Fe2O3 0.03-0.06％，Na2O 0.4-0.8％，此外还包括其它一些不可避免的杂质，例如ZrO2、CaO、MgO等。
研究发现，采用上述质量配比的铝矾土和铝氧土作为原料，有利于制备得到具有上述组成的半脆刚玉磨料，特别是易于使制得的半脆刚玉磨料中Fe2O3达到0.25-0.35％，并使ZrO2控制在0.08-0.12％，从而有利于提高磨料的磨削比和使用寿命。
在本发明中，可以控制所述原料、铁屑和无烟煤之间的质量配比为100：(5-10)：(0.5-2)。该质量配比范围有利于无烟煤对原料中的氧化硅、氧化铁、氧化钛等杂质进行特定地还原，从而使熔炼过程中保留适量的氧化钛和氧化铁以提高半脆刚玉磨料的使用性能。
在本发明中，所述熔炼可以分两段进行，其中第一段熔炼的温度为1600-1900℃，时间为4-6h，第二段熔炼的温度为2000-2100℃，时间为2-3h。上述特定的熔炼工艺有利于使半脆刚玉磨料的组成控制在上述特定范围，即保证了磨料的使用性能，同时保证了产品质量的稳定性。
进一步地，本发明的熔炼可以采用快速升温方式进行升温，熔炼功率例如可以为4000-5000KVA；该方式既提高了脱钛反应速度，同时单位产品电耗降低8％左右。
特别是，在熔炼时，可以分批加入所述无烟煤；其中，在第一段熔炼的初期加入无烟煤总量的55-75％，在第二段熔炼的初期加入余量的无烟煤。分批加入无烟煤有利于保证半脆刚玉磨料中氧化钛和氧化铁的质量含量，其中氧化钛的去除率达到50％以上，既能满足产品的脆性与韧性的要求，同时提高了磨料的磨削比和加工效率。
此外，本发明的制备方法中，还可以采用电极防氧化保护壳对冶炼炉石墨电极进行保护，该方式能够使电极的氧化损失减少20-25％，单位产品电极成本降低40-80元。
本发明对熔炼后混合物的冷却和粉碎方式不作严格限制；其中，所述冷却可以为本领域常规的急冷，该冷却方式有利于避免C残留，同时保证了半脆刚玉磨料的物理性能；此外，所述粉碎可以为本领域常规的低温气流粉碎，该粉碎方式增加了材料的脆性，使磨细粉碎更加均匀，更易达到细度要求，同时提高了产品质量的稳定性。
本发明的半脆刚玉磨料通过上述特定的制备方法制得，该半脆刚玉磨料具有特定的化学成分、矿物组成和晶体结构，由此具有耐用度、磨削比及加工效率高、加工表面质量好、磨削效果优异等效果。
具体实施方式
下面将结合实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
各实施例所采用的原料如下：
铝矾土：来自贵州地区，组成为：Al2O3 55-88％，TiO2 3.0-5.0％，SiO2 0.6-28％，Fe2O3 0.8-1.5％，CaO 0.1-0.5％，MgO 0.1-0.5％及其它不可避免的杂质；
铝氧土：组成为：Al2O3>96％，SiO2 0.02-0.1％，Fe2O3 0.03-0.06％，Na2O 0.4-0.8％及其它不可避免的杂质。
实施例1
1、备料
将铝矾土与铝氧土按质量配比为3：1混合形成原料，再将原料与铁屑按质量配比为100：8进行混合，得到混合料；同时，按原料与无烟煤质量配比为100：1准备无烟煤备用。
2、熔炼
采用4500KVA的功率进行熔炼，待熔炼温度升高至1800℃左右时，加入无烟煤总量的65％左右进行第一段熔炼，控制第一段熔炼的温度为1800℃左右，时间为5h左右。
随后，继续加热，待熔炼温度升高至2050℃左右时，加入余量的无烟煤，控制第二段熔炼的温度为2050℃左右，时间为2.5h左右。
3、冷却、粉碎
对熔炼后的混合物进行急冷、低温气流粉碎，制得半脆刚玉磨料。
对上述制备的半脆刚玉磨料的组成进行检测，结果见表1。
实施例2
1、备料
将铝矾土与铝氧土按质量配比为2：1混合形成原料，再将原料与铁屑按质量配比为100：5进行混合，得到混合料；同时，按原料与无烟煤质量配比为100：0.5准备无烟煤备用。
2、熔炼
采用4000KVA的功率进行熔炼，待熔炼温度升高至1650℃左右时，加入无烟煤总量的55％左右进行第一段熔炼，控制第一段熔炼的温度为1650℃左右，时间为6h左右。
随后，继续加热，待熔炼温度升高至2000℃左右时，加入余量的无烟煤，控制第二段熔炼的温度为2000℃左右，时间为2h左右。
3、冷却、粉碎
对熔炼后的混合物进行急冷、低温气流粉碎，制得半脆刚玉磨料，其组成检测结果见表1。
实施例3
1、备料
将铝矾土与铝氧土按质量配比为4：1混合形成原料，再将原料与铁屑按质量配比为100：10进行混合，得到混合料；同时，按原料与无烟煤质量配比为100：1.5准备无烟煤备用。
2、熔炼
采用5000KVA的功率进行熔炼，待熔炼温度升高至1900℃左右时，加入无烟煤总量的70％左右进行第一段熔炼，控制第一段熔炼的温度为1900℃左右，时间为4h左右。
随后，继续加热，待熔炼温度升高至2100℃左右时，加入余量的无烟煤，控制第二段熔炼的温度为2100℃左右，时间为3h左右。
3、冷却、粉碎
对熔炼后的混合物进行急冷、低温气流粉碎，制得半脆刚玉磨料，其组成检测结果见表1。
实施例4
1、备料
将铝矾土与铝氧土按质量配比为3：1混合形成原料，再将原料与铁屑按质量配比为100：7进行混合，得到混合料；同时，按原料与无烟煤质量配比为100：2准备无烟煤备用。
2、熔炼
采用4500KVA的功率进行熔炼，待熔炼温度升高至1850℃左右时，加入无烟煤总量的75％左右进行第一段熔炼，控制第一段熔炼的温度为1850℃左右，时间为5.5h左右。
随后，继续加热，待熔炼温度升高至2100℃左右时，加入余量的无烟煤，控制第二段熔炼的温度为2100℃左右，时间为2h左右。
3、冷却、粉碎
对熔炼后的混合物进行急冷、低温气流粉碎，制得半脆刚玉磨料，其组成检测结果见表1。
对照例1
除仅以铝矾土作为原料之外，其余与实施例1基本相同；具体为：
1、备料
将铝矾土与铁屑按质量配比为100：8进行混合，得到混合料；同时，按铝矾土与无烟煤质量配比为100：1准备无烟煤备用。
2、熔炼
采用4500KVA的功率进行熔炼，待熔炼温度升高至1800℃左右时，加入无烟煤总量的65％左右进行第一段熔炼，控制第一段熔炼的温度为1800℃左右，时间为5h左右。
随后，继续加热，待熔炼温度升高至2050℃左右时，加入余量的无烟煤，控制第二段熔炼的温度为2050℃左右，时间为2.5h左右。
3、冷却、粉碎
对熔炼后的混合物进行急冷、低温气流粉碎，制得半脆刚玉磨料，其组成检测结果见表1。
对照例2
除仅以铝氧土作为原料之外，其余与实施例1基本相同；具体为：
1、备料
将铝氧土与铁屑按质量配比为100：8进行混合，得到混合料；同时，按铝氧土与无烟煤质量配比为100：1准备无烟煤备用。
2、熔炼
采用4500KVA的功率进行熔炼，待熔炼温度升高至1800℃左右时，加入无烟煤总量的65％左右进行第一段熔炼，控制第一段熔炼的温度为1800℃左右，时间为5h左右。
随后，继续加热，待熔炼温度升高至2050℃左右时，加入余量的无烟煤，控制第二段熔炼的温度为2050℃左右，时间为2.5h左右。
3、冷却、粉碎
对熔炼后的混合物进行急冷、低温气流粉碎，制得半脆刚玉磨料，其组成检测结果见表1。
对照例3
除熔炼不分段进行且不分批加入无烟煤之外，其余与实施例1基本相同；具体为：
1、备料
将铝矾土与铝氧土按质量配比为3：1混合形成原料，再将原料与铁屑按质量配比为100：8进行混合，得到混合料；同时，按原料与无烟煤质量配比为100：1准备无烟煤备用。
2、熔炼
采用4500KVA的功率进行熔炼，待熔炼温度升高至2050℃左右时加入无烟煤，在2050℃左右的熔炼温度下熔融7.5h左右。
3、冷却、粉碎
对熔炼后的混合物进行急冷、低温气流粉碎，制得半脆刚玉磨料，其组成检测结果见表1。
对照例4
采用公开号为CN 101885503 A的发明专利申请实施例1方法制备半脆刚玉磨料，其组成检测结果见表1。
表1各半脆刚玉磨料的组成检测结果
| 磨料组成 | Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(％) | TiO<sub>2</sub>(％) | SiO<sub>2</sub>(％) | Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>(％) | ZrO<sub>2</sub>(％) | 余量(％) |
| 实施例1 | 97.37 | 1.81 | 0.34 | 0.29 | 0.09 | 0.10 |
| 实施例2 | 97.25 | 2.02 | 0.25 | 0.32 | 0.08 | 0.08 |
| 实施例3 | 97.59 | 1.50 | 0.39 | 0.27 | 0.12 | 0.13 |
| 实施例4 | 97.92 | 1.34 | 0.28 | 0.25 | 0.10 | 0.11 |
| 对照例1 | 97.47 | 1.61 | 0.48 | 0.15 | 0.15 | 0.14 |
| 对照例2 | 97.94 | 1.55 | 0.26 | 0.11 | 0.05 | 0.09 |
| 对照例3 | 97.51 | 1.75 | 0.32 | 0.20 | 0.10 | 0.12 |
| 对照例4 | 97.33 | 1.83 | 0.38 | 0.10 | 0.15 | 0.21 |
表1备注：①“％”指的是质量百分含量；②“余量”指的是不可避免的杂质的总含量(包括CaO、MgO、Na2O等)。
试验例1
1、制备砂轮
分别采用实施例1-4和对照例1-4制备的半脆刚玉磨料制备砂轮，其中：
砂轮配方如下：
半脆刚玉磨料100份、酚醛树脂液5份、酚醛树脂粉10份；
工艺参数如下：
砂轮尺寸：400mm×3.2mm×32mm，硬化温度180℃，硬化时间35h。
2、切割试验
1)切削不锈钢实验
工件材质：1Cr18Ni9Ti；工件规格：Φ30圆钢；
切割机功率：2.2kW；转速：3000r/min。
测定方法：每片砂轮连续切削工件12次，在切割机力臂端以6kgf恒力进行切割，记录切割时间和砂轮磨耗。
2)切削合金工具钢实验
工件材质：9CrSi；工件规格：Φ40圆钢；
切割机功率：2.2kW；转速：3000r/min。
测定方法同上。
切削不锈钢实验结果见表2。
表2切割试验结果
试验例2
1、制备砂轮
砂轮的制备方法与试验例1相同。
2、研磨试验
工件材质：铁板；工件规格：600mm×5mm×60mm；表面剥蚀60mm×5mm。
研磨试验结果见表3。
表3研磨试验结果
| 磨料组成 | 剥蚀(g) | 寿命(min) | 切削速度(U/min) |
| 实施例1 | 726 | 29.8 | 37.2 |
| 实施例2 | 738 | 32.5 | 38.5 |
| 实施例3 | 715 | 26.9 | 36.0 |
| 实施例4 | 703 | 25.2 | 35.6 |
| 对照例1 | 526 | 16.0 | 31.9 |
| 对照例2 | 598 | 19.1 | 30.1 |
| 对照例3 | 612 | 21.8 | 32.4 |
| 对照例4 | 498 | 14.6 | 29.7 |
上述结果表明：
通过本发明上述特定方法制备的具有上述特定组成的半脆刚玉磨料的耐用度、磨削比及加工效率高，工件加工表面的质量好，磨削效果优异。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种半脆刚玉磨料，其特征在于，所述半脆刚玉磨料的组成以质量含量计包括：Al2O3>97％，TiO2 1.3-2.1％，SiO2 0.2-0.4％，Fe2O3 0.09-0.35％，ZrO2≤0.15％。
2.根据权利要求1所述的半脆刚玉磨料，其特征在于，所述半脆刚玉磨料中Fe2O3的质量含量为0.25-0.35％。
3.根据权利要求1所述的半脆刚玉磨料，其特征在于，所述半脆刚玉磨料中ZrO2的质量含量为0.08-0.12％。
4.根据权利要求1至3任一所述的半脆刚玉磨料，其特征在于，所述半脆刚玉磨料中(Fe2O3-ZrO2)>0.1％，优选为0.1-0.3％，更优选为0.15-0.25％。
5.权利要求1至4任一所述的半脆刚玉磨料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
在铁屑和无烟煤存在下，对包括铝矾土的原料进行熔炼；
对熔炼后的混合物进行冷却、粉碎，得到所述的半脆刚玉磨料。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述原料还包括铝氧土，且所述原料中铝矾土与铝氧土的质量配比为(2-4)：1。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，控制所述原料、铁屑和无烟煤之间的质量配比为100：(5-10)：(0.5-2)。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述熔炼分两段进行，其中第一段熔炼的温度为1600-1900℃，时间为4-6h，第二段熔炼的温度为2000-2100℃，时间为2-3h。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在熔炼时，分批加入所述无烟煤；其中，在第一段熔炼的初期加入无烟煤总量的55-75％，在第二段熔炼的初期加入余量的无烟煤。
10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述冷却为急冷；所述粉碎为低温气流粉碎。
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