CN113045296B

CN113045296B - 一种陶瓷磨粒压印法成形的方法

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Publication number: CN113045296B
Application number: CN202110325977.0A
Authority: CN
Inventors: 秦桂文
Original assignee: Fuqing Lanjin New Material Technology Co ltd
Current assignee: Fuqing Lanjin New Material Technology Co ltd
Priority date: 2021-03-26
Filing date: 2021-03-26
Publication date: 2022-08-09
Anticipated expiration: 2041-03-26
Also published as: CN113045296A

Abstract

本发明涉及溶胶凝胶法氧化铝陶瓷磨粒的技术领域，尤其涉及一种陶瓷磨粒压印法成形的方法，其包括以下步骤：S1采用包含有α氧化铝的前躯体处理至所需厚度后，通过压印的方式压出可形成所需形状的压痕；S2在压痕处裂开得到所需形状的陶瓷磨粒。本发明的陶瓷磨粒压印法成形的方法，由于将前躯体的凝胶物处理至所需厚度后，压印法压出压痕，并通过压痕的断裂形式得到所需大小的陶瓷磨粒，相对于现有技术而言，其可以降低损耗，提高得率，且制备工艺简单，易于实现产业化。

Description

一种陶瓷磨粒压印法成形的方法

技术领域

本发明涉及溶胶凝胶法氧化铝陶瓷磨粒的技术领域，尤其涉及一种陶瓷磨粒压印法成形的方法。

背景技术

溶胶凝胶法陶瓷磨粒，多采用晶种材料加入凝胶中或干燥前的凝胶初级物中，以促使水合氧化铝转化成α-氧化铝；其通过对带α-氧化铝介质的凝胶初级物或凝胶进行湿态振动研磨来完成，或是直接加入非常细的粉末状的晶种研磨颗粒来完成。其中，晶种的引入，可以明显降低水合氧化铝转化成α-氧化铝的转变温度，形成的晶粒形状与引晶材料相同。

目前还记载有其它材料，例如Fe₂O₃作为促进水合氧化铝转化成α-氧化铝的晶种，3M公司使用Fe₂O₃作为晶核剂，但是这样的晶种材料与Fe₂O₃应当是同结构的，并且应当具有相似的晶格参数才能很好的发挥作用。

除了引入晶种这种方式，3M公司提出的专利采用稀土氧化物材料作为改性剂，稀土氧化物材料包括氧化钇和至少一种稀土金属氧化物（如镧、镨、钕、钐、铒等），还包括至少一种选自氧化镁、氧化钛、氧化铬、氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化锌、氧化镍等，氧化镧、氧化钇、氧化钕等与氧化铝在高温下形成石榴石相，形成了不同于α-氧化铝相的第二相，提高了磨粒在低功率应用场合的自锐性，磨料的性能得到了前所未有的提升。

上述方法干燥后得到的凝胶体大于磨粒所需的尺寸。为制成所需尺寸的磨粒，就必须把上述干燥后的凝胶体中较大颗粒的破碎并筛分，然而这个工艺造成非常多的浪费。由于破碎过程中产生的磨粒粒度在很大范围内随机分布的，这些随机磨粒粒度不是都可以使用的，而且破碎过程中会产生相当数量的细粉，无法正常完成烧结使用，这就使得相当数量的磨粒不得不抛弃或再循环生产，造成了很大的浪费，或只能用在价值较低的场合。

美国诺顿公司在1990年专利CN1046926A中提出将该磨料做成α-氧化铝基多晶磨料丝，具体方法是磨料由制备水合氧化铝可溶凝胶，把这些凝胶挤丝或甩丝，并把这些丝干燥，焙烧到不高于1500度温度制成。这种方法确实改变了原来磨料无法控制粒度分布的问题，也大大减少了破碎细粉的浪费。但这种方法制造的磨料为长丝状，只能在有限的领域内，比方说陶瓷砂轮用于齿轮成型磨削上使用，其它绝大多数的领域无法使用，故而有很大的局限性。

美国3M公司在1993年专利5201916中介绍使用PP（聚丙烯）以及其它一些热塑性材料做成连续的多个塑料腔体来制造成形磨料，具体方法为：提供具有多个腔体的模具，用磨料分散体填充所述多个腔体，所述磨料分散体包含在液体中的可转化为α-氧化铝的颗粒，所述液体包含挥发性组分，液体干燥后，通过一定的振动使干燥体与模具脱离，形成三角形、四边形或六边形，再通过低温煅烧以及高温烧结得到最终的产品。其得到的三角形磨料在磨削过程中表现出非常好的效率以及寿命，而且客户根据市场的需求随意生产需要的粒度不形成积压库存，磨料不需要破碎，没有能耗，也不存在细粉的问题。这种工艺的问题在于使用的模具为塑料件，磨损会比较快，需要不断更换，这样会增加很大成本，其次，制造这种塑料模具通常需要先做一个很大的金属母模来实现，塑料模具的腔体很小，甚至小于1~2MM，数量又非常巨大，母模的结构与塑料模具完全相反，大小相近，这样的母模价格会非常昂贵，这样会大大提高这种磨料生产的综合成本。

还有其他的报道中还提到了有关制造成形磨料采用丝网印刷工艺以及激光切割工艺，大多因为成本比较高，难以付诸于实践而没有在市场上广泛推广。

发明内容

（一）要解决的技术问题

鉴于现有技术的上述缺点、不足，本发明提供一种陶瓷磨粒压印法成形的方法，其通过压印法解决溶胶凝胶法氧化铝陶瓷磨粒制备方法中较大颗粒的筛选到直径较小的陶瓷磨粒需要付出较大成本的技术问题。

（二）技术方案

为了达到上述目的，本发明采用的一种陶瓷磨粒压印法成形的方法，其包括以下步骤：

S1采用包含有α-氧化铝的前驱体处理至所需厚度后，通过压印的方式压出可形成所需形状的压痕；

S2在压痕处裂开得到所需形状的陶瓷磨粒。

可选地，前驱体中包括质量分数为0.1%~0.5%的SiO₂前驱体。

可选地，前驱体的制备包括：采用勃姆石加入硝酸盐和氧化物氧化形成；

可选地，氧化物包括氧化钇、至少一种稀土金属氧化物，还包括至少一种选自氧化镁、氧化硅、氧化钛、氧化铁类的氧化物。

可选地，前驱体的固含量为45%~65%，优选固含量为50%~60%。

可选地，前驱体中还包括质量分数为0.1~0.5%的微量高分子助剂，微量高分子助剂为PEO、PEG、PVA中的一种或两种以上的组合。

可选地，前驱体中的所有组分使用低速高扭矩搅拌捏合设备捏合制得的混合物料为前驱体。

可选地，前驱体经过压辊作用下处理至所需厚度。

可选地，压印的方式包括选用任何形式的网孔对处理至所需厚的凝胶薄层进行压印。

可选地，将压印后的凝胶薄层先采用0.8~1.0Mpa、空气湿度低于10%，温度为温度设为45~55℃的空气下进行低温干燥15~25分钟；再在75~85℃下进行高温干燥8~12分钟。

可选地，将压印并且压痕处断裂后得到的初磨粒经过700~800℃的低温煅烧，再经过1300~1450℃的高温煅烧最终形成陶瓷磨粒。

（三）有益效果

本发明的有益效果是：本发明的陶瓷磨粒压印法成形的方法，由于将前驱体的凝胶物处理至所需厚度后，压印法压出压痕，并通过压痕的断裂形式得到所需大小的陶瓷磨粒，相对于现有技术而言，其可以降低损耗，提高得率，且制备工艺简单，易于实现产业化。

附图说明

图1为不锈钢筛网；

图2为不锈钢方形冲孔板；

图3为本发明方形磨粒结构示意图；

图4为本发明方形陶瓷磨粒；

图5为本发明得到的磨料在电子扫描显微镜下的照片。

具体实施方式

为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。

本发明实施例提出的一种陶瓷磨粒压印法成形的方法，为了解决溶胶凝胶法氧化铝陶瓷磨粒制备方法中较大颗粒的筛选到直径较小的陶瓷磨粒需要付出较大成本的技术问题，将前驱体的凝胶物处理至所需厚度后，压印法压出压痕，并通过压痕的断裂形式得到所需大小的陶瓷磨粒，其可以降低损耗，提高得率，且制备工艺简单，易于实现产业化。

本发明方法得到的陶瓷磨粒优选为片状陶瓷磨粒。具体的步骤包括

S2在压痕处裂开得到所需形状的陶瓷磨粒。

本发明通过包含有α-氧化铝的前驱体，为凝胶体，采用辊压或者其它方式压至所需厚度后，这里可限定陶瓷磨粒的厚度；紧接着采用任何形状的压印模具，如图1和2所示筛网、冲孔板

或者任何形式的网孔可印压出方形压痕，在压痕处裂开得到所需形状的陶瓷磨粒，如方形片状陶瓷磨粒。

其中，压痕的厚度深度无限制，任何深度的压痕均可实现在步骤S2中压痕处裂开的处理步骤。

其中，步骤S1中，可以是将辊压后的大片状凝胶体（如宽度200~500mm，厚度0.1~0.8mm，长度大于500mm）反向在压力作用下压向筛网或冲孔板，亦或任何形式的网孔等压印模具。

其中，在压痕处裂开的处理可以是：其中，压印的方式包括选用任何形式的网孔对处理至所需厚的凝胶薄层进行压印。压出压痕后的凝胶薄层在干燥后可实现从压痕处自然裂开；或者可简单破碎从压痕薄弱处断开，振筛后得到如：小的方形片状磨粒（长宽为0.05~3.0mm，厚度0.05~1mm）；

其中，前驱体中包括质量分数为0.1%~0.5%的SiO₂前驱体。SiO₂前驱体可以是硅溶胶，作为必要的补充组分；

其中，前驱体的制备包括：采用勃姆石加入硝酸盐和氧化物氧化形成；

其中，前驱体中加入硝酸调节pH值到2.0~3.0之间，优选pH值范围2.0~2.5之间，有利于网络结构的形成；

氧化物包括氧化钇、至少一种稀土金属氧化物，还包括至少一种选自氧化镁、氧化硅、氧化钛、氧化铁类的氧化物。

其中，氧化物是以硝酸盐的方式加入，且硝酸盐须预溶入水，硝酸盐在烧结过程中形成片状微晶结构，提高磨粒整体的韧性；特别地，硝酸锆的加入须先将纯净水加热至70~90℃以方便硝酸锆的溶解。

其中，使用纯净水使前驱体中的固含量为45%~65%，优选固含量为50%~60%。这是由于固含量太低易形成过多的干燥裂纹，固含量太高混合料硬度太高不利于实际操作；

其中，前驱体中还包括质量分数为0.1~0.5%的微量高分子助剂，微量高分子助剂为PEO、PEG、PVA中的一种或两种以上的组合。

其中，前驱体中的所有组分使用低速高扭矩搅拌捏合设备捏合制得的混合物料为前驱体。经捏合后的混合物料，经过液压挤出机或螺杆挤出机挤出，挤出口设计为宽而扁的长方形（本发明可以采用长200mm，宽1mm的出口），挤出口设置为宽边平行于地面，窄边垂直于地面，挤出后的凝胶体厚度可以在1~2mm；挤出后的凝胶体可以置于平面上，平面光滑不易粘，可选用PP、PVC、聚四氟乙烯或不锈钢材质的平面，可以选用自动化生产的传送皮带。须先在平面上喷洒脱模剂，脱模剂选用油性模具脱模剂，凝胶体放置于平面后，再在凝胶体表面上再次喷洒脱模剂；

其中，前驱体经过压辊作用下处理至所需厚度。这里的前驱体可以是经过挤出后的凝胶体。可以是将上述得到的1-2mm厚度的凝胶体在2~6组上下对称的压辊作用下减薄至0.1~0.8mm厚，亦或采用其它形式的压辊，甚至刮刀。厚度的选择可以根据最终的产品进行操作控制。

其中，将压印后的凝胶薄层先采用0.8~1.0Mpa、空气湿度低于10%，温度为温度设为45~55℃的空气下进行低温干燥15~25分钟；再在75~85℃下进行高温干燥8~12分钟。

干燥过程中使用组合特殊设备；可以是将凝胶薄层经过30米长的烘干线温度从低到高，干燥线的尾部采用超声波振动或真空方式对干燥后的料进行收集；首先使用空气压缩机对空气进行压缩至0.8~1.0Mpa，压缩过的空气通过冷干机后再进入5m³的缓冲罐，此时的空气湿度低于10%，加热该空气后用于干燥凝胶体，干燥效率大幅提升，同时大大降低了综合能耗。

其中，将压印并且压痕处断裂后得到的初磨粒经过700~800℃的低温煅烧，再经过1300~1450℃的高温煅烧最终形成陶瓷磨粒。

干燥后的料再经过圆振筛过筛，筛内放置5mm~10mm橡胶球，最终得到方形片状磨粒；

本发明得到的方形片状磨粒可经过静电置砂工艺使一条边立于布基或纸基表面，片状体竖直立起，制成的砂带磨削效率高、磨削寿命长；该方形磨粒亦可用于陶瓷磨具树脂磨具的制造。制造树脂类磨具或涂敷磨具前可以先对磨料进行表面处理，可以选择使用硅烷偶联剂、氧化铁红、低温陶瓷结合剂、氧化锆等其中的一种或几种组合对其进行表面处理。

为了更好的理解上述技术方案，下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更清楚、透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。

本发明片状陶瓷磨粒的制备方法，具体包括：

表1

S1将上述配比原料加入低速高扭矩搅拌捏合1小时，得到的混合料经液压挤出机挤出1.2mm厚的凝胶薄片；

S2将凝胶薄片经过辊压机辊压至0.6mm厚度；

S3压印：使用孔径为1.5mm的筛网对其表面进行压印；

S4第一次干燥：压印后干燥上述压印体，干燥温度设为50℃进行低温干燥20分钟，80℃下进行高温干燥10分钟；干燥后通过真空方式收集凝胶干燥体；其中，第一次干燥采用组合装置进行干燥：将凝胶薄层经过30米长的烘干线温度从低到高，干燥线的尾部采用超声波振动或真空方式对干燥后的料进行收集；首先使用空气压缩机对空气进行压缩至0.8~1.0Mpa，压缩过的空气通过冷干机后再进入5m³的缓冲罐，此时的空气湿度低于10%，加热该空气后分别用于低温干燥和高温干燥凝胶体；

S4第二次干燥：将凝胶干燥体在120℃下再干燥3小时，再通过旋转管式炉在850度下煅烧；再经过按表2的温度和时间高温煅烧得到干燥体；

S5将干燥体再经过圆振筛过筛，筛内放置5mm~10mm橡胶球，最终得到方形片状磨粒。

本发明得到的方形片状磨粒如图3和4所示。

试验一：

按照表2的不同高温烧结温度和时间对物料进行处理后得到的干燥体通过电子显微镜对物料的晶体直径进行测量，使用氦气密度仪对物料的真密度进行测量，综合得到表2的数据。

表2

从表2的数据中，可以说明在不同的烧结温度保温时间下，磨粒的晶粒尺寸不同，烧结密度不同，晶粒尺寸越小越好，烧结密度越高越好。

试验二：

实施例1~实施例6所得到的方形片状磨粒作为磨料的方法

分别取实施例1~实施例6所得到的方形片状磨粒17克磨料颗粒作为样品引入到涂覆磨盘中。涂覆磨盘根据常规程序制造。使用常规的碳酸钙填充酚醛底胶树脂（50%酚醛树脂，50%碳酸钙，利用水和乙二醇醚稀释至80%固体）和常规的冰晶石填充酚醛复胶树脂（30%酚醛树脂，2%氧化铁，68%冰晶石，利用水和乙二醇醚稀释至77%固体）将成形磨料颗粒粘结到18cm直径、1.0mm厚的布基背衬（具有2.2cm直径的中心孔）。湿底胶树脂重约185g/m²。在施加底胶后立即静电涂覆成形如图5所示的磨料颗粒。将底胶树脂在90℃下加热120分钟。然后，在底胶和磨料颗粒上涂覆冰晶石填充酚醛复胶。湿复胶重约850g/m²。将复胶树脂在105℃下加热12小时。测试前挠曲该涂覆磨盘。取同样重量的煅烧棕刚玉磨料采用同样的配方工艺做成涂覆磨盘，编号为7#；取同样重量的锆刚玉磨料（ZrO₂含量为40%）采用同样的配方工艺做成涂覆磨盘，编号为8#。

按以下方法评估实施例1-6和比较例7#、8#涂覆磨盘的磨削性能。将每个涂覆磨盘安装在斜面铝支撑垫上（倾斜角度15度），并用来磨削预称重的1.5cm×18cm×10cm低碳钢工件。盘在5000转每分钟（rpm）下驱动，同时盘的覆盖支撑垫的斜面边缘的部分在10千克的负载下接触工件。使用每个盘来依次磨削单独的工件，间隔一分钟。总切削量为整个测试期间从工件移除的材料的量之和。下表3中给出了10分钟的磨削后每一种样品的总切削量，其中给出了来自两个盘的平均切削量。

表3

从表3的数据可以说明实施例1-6#磨粒都是新工艺磨粒，对比传统棕刚玉（7#）和锆刚玉（8#）产品性能提高非常明显。

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

1.一种陶瓷磨粒压印法成形的方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1采用包含有α-氧化铝的前驱体处理至0.1~0.8mm后，通过压印的方式压出可形成所需形状的压痕；将压印后的凝胶薄层先采用0.8~1.0Mpa、空气湿度低于10%，温度为温度设为45~55℃的空气下进行低温干燥15~25分钟；再在75~85℃下进行高温干燥8~12分钟；

S2在压痕处裂开后得到的初磨粒经过700~800℃的低温煅烧，再经过1300~1450℃的高温煅烧最终形成得到所需形状的陶瓷磨粒；

所述前驱体包括质量分数为0.1%~0.5%的SiO₂前驱体、质量分数为0.1~0.5%的微量高分子助剂，所述微量高分子助剂为PEO、PEG、PVA中的一种或两种以上的组合；

所述前驱体的制备包括：采用勃姆石加入氧化物氧化形成，氧化物是以硝酸盐的方式加入；

所述前驱体中的所有组分使用低速高扭矩搅拌捏合设备捏合制得的混合物料；

所述氧化物包括氧化钇、至少一种稀土金属氧化物、至少一种选自氧化镁、氧化硅、氧化钛、氧化铁类的氧化物；

所述前驱体的固含量为45%~65%；

所述压印的方式包括选用任何形式的网孔对处理至凝胶薄层进行压印。