一種α-氧化鋁基磨料及其製備方法
2023-06-19 02:16:21 1
專利名稱：一種α-氧化鋁基磨料及其製備方法
一種α-氧化鋁基磨料及其製備方法技術領域
本發明屬於α-氧化鋁陶瓷磨料顆粒及其製備方法領域，具體涉及一種低成本的 α-氧化鋁基磨料及其製備方法。
背景技術：
熔膠凝膠法製備陶瓷磨料的一般方法是用純淨的勃姆石與去離子水、晶種和硝酸混合生成均勻細膩的溶膠或凝膠，然後乾燥，去除凝膠體中的水分，再把乾燥的凝膠大顆粒破碎成比所需尺寸略大的顆粒，然後，在500°C 800°C溫度下煅燒，再在1300°C 1500°C 溫度下煅燒5 60分鐘，形成氧化鋁的堅硬燒結體，燒結好的磨料顆粒密度一般大於3. 5 克/立方釐米，更好的大於3. 8克/立方釐米，最好大於3. 9克/立方釐米，硬度一般大於 20Gpa。
純淨的勃姆石是一種粒度很細的粉狀物料，價格很高，用純淨的勃姆石製備的 α-氧化鋁基陶瓷磨料的成本也很高，在製造陶瓷磨料時，純淨的勃姆石原料所佔的成本比例最大，是構成陶瓷磨料價格的最主要部分。陶瓷磨料的價格是普通磨料價格15 30倍， 雖然具有比普通磨料更優良的性能，但也嚴重影響了該種磨料的普及和應用，研究如何降低陶瓷磨料的製造成本，使陶瓷磨料得到更廣泛的應用，具有重要的意義。
多年來，為了提高氧化鋁基磨料的磨削性能，人們發明了各種辦法，如為了提高白剛玉的韌性和磨削性能，可在冶煉剛玉時添加氧化鉻、氧化釩和氧化鋯等金屬氧化物，也有通過快速冷卻的方法，使之形成微晶結構來提高韌性；或者兩者都用。這些方法在一定程度上提高了磨料的韌性和磨削性能，誕生了一些磨料的新品種，如鉻剛玉、鋯剛玉、釩剛玉微晶剛玉等等。但這些性能的提高還不是很大，在磨削上帶來的好處有限。上世紀80 年代，人們發明了溶膠凝膠法生產微晶陶瓷磨料的工藝，如美國專利No. 4314827。一般是用勃姆石為原料，利用溶膠凝膠技術，製成氧化鋁的溶膠凝膠，然後乾燥、破碎、燒結，成為具有亞微米結構的陶瓷磨料。由於具有細微的晶體結構，其晶粒大小比傳統意義上的微晶剛玉要小得多，再加上陶瓷磨料是破碎以後燒結，避免了普通電熔剛玉破碎時造成的微裂紋，使得溶膠凝膠法製造的陶瓷磨料具有極優良的磨削性能。後來，人們為了進一步提高陶瓷磨料的技術質量性能，又進行了許許多多的工作，如在製備溶膠時加入晶種，既可降低燒結溫度，又使陶瓷磨料的晶粒尺寸進一步縮小，從而提高了產品的磨削性能 ，如美國專利No. 4623364;還有在製成乾燥凝膠後，先進行低溫煅燒，然後用鎂、鈷、釔、稀土元素等的硝酸鹽溶液進行浸澤，再乾燥燒結，也能提高產品性能，這方面的專利如美國專利 No. 5776214。這些方法雖然提高了陶瓷磨料的性能，但也增加了生產工序。提高了生產成本，制約了該產品應用的普及。發明內容
本發明的目的是解決現有技術製備陶瓷磨料，採用純淨的勃姆石為主要原料， 成本高的缺陷，提供一種使用成本低的勃姆石半成品為主原料，通過溶膠凝膠法來製備α-氧化鋁基磨料及其製備方法。
本發明是通過如下技術方案來實現的
即一種α -氧化鋁基磨料，其特徵在於顆粒密度大於3. 88克/立方釐米，顯微硬度大於20Gpa,組成顆粒的晶粒在O. 15微米 O. 3微米之間。
一種α -氧化鋁基磨料的製備方法，其特徵在於步驟如下
I)在具有抽真空功能的攪拌機中加入純淨水、勃姆石半成品和氧化鋁晶種研磨液，開動抽真空攪拌機攪拌，把原料打成均勻料漿，所述純淨水的加入量為勃姆石半成品原料量的1% 40%，氧化鋁晶種研磨液的濃度為4%，晶種的加入量是原料中氧化鋁含量的O.6% 2%。
2)在料漿中加入20%稀硝酸，使料漿的PH值=1. 5 2，真空狀態下攪拌，料漿逐步形成溶膠、凝膠。
3)攪拌均勻後，放掉真空，取出膠體，在不高於140°C溫度下烘乾，破碎，篩分出 120目篩上的顆粒。
4)將篩分出的顆粒放入窯爐中進行煅燒，爐溫控制在500°C 800°C，煅燒時間為 10 60分鐘，煅燒後將顆粒進行燒結，爐溫控制至1300°C 1400°C，燒結時間5 60分鐘。
5)篩分出成品顆粒。
作為本發明的一個優選方案在料漿中加入稀硝酸時，一次性放入全部稀硝酸，使料眾的PH值=1. 5 2,抽真空狀態下,攪拌逐步形成溶膠、凝膠。
採用上述方法，料漿中會有少量的打不開的小顆粒，最終燒結出的磨料會含有白點，對產品質量有一定的影響，但這類產品在某些場合不影響使用。
當需要清除上述小顆粒時，可以用沉降(或其它物理分離方法如用一定篩孔的篩網過濾)的方法把小顆粒分離出來
作為本發明的一個優選方案當料漿中勃姆石的固含量不大於25%時，先用一部分稀硝酸，使料漿的PH值=4，放置60分鐘，取上部液體，在抽真空的情況下，在取出的上部液體中再次加入稀硝酸，同時開動攪拌機攪拌，使料漿的PH值=1. 5 2，料漿逐步形成溶膠、凝膠。
當需要清除上述小顆粒時，可以用沉降(或其它物理分離方法如用一定篩孔的篩網過濾)的方法把小顆粒分離出來上述方法必須把料漿濃度配製的比較稀。如果按正常的勃姆石作為固體計算的話，其固含量最好不大於25%，用稀硝酸把料漿的PH值調到4時， 料漿的黏度最低，放置60分鐘，取上部液體，取上部液體在抽真空的情況下，加酸進行下一步的製備。
作為本發明的一個優選方案在料眾中加入稀硝酸時，先放入一部分稀硝酸，使料漿的PH值=4，停止攪拌，把料漿輸入膠體磨，進一步細化料漿，把細化的料漿轉回原攪拌機中，在抽真空的狀態下，加入稀硝酸，同時開動攪拌機攪拌，使料漿的PH值=1. 5 2，料漿逐步形成溶膠、凝膠。
作為本發明的一個優選方案料漿形成溶膠後，變成凝膠前，加入硝酸鎂溶液，硝酸鎂的加入量為原料中氧化鋁總量的O. 6% 3. 2%。加入硝酸鎂溶液會使產品燒結的更好。
作為本發明的一個優選方案勃姆石半成品含總水量70% 80%，所含的水全部去掉後，氧化鋁含量大於99%，薄姆石半成品製成正常產品後，比表面積大於250平方米/ 克，晶粒度小於10納米。
由勃姆石半成品製成工業品勃姆石，需要增加兩步工序，首選去除多達50%以上的水分，去掉水分後，還要破碎、過篩，在破碎中還要除塵，整個過程消耗掉大量的能源，還會造成粉塵汙染和物料損耗。經過上述處理形成的勃姆石成品價格高，採用勃姆石半成品為原料，無需上述步驟，價格低，充分利用原料中的水分，幾乎不用再加水或少量的加水，形成的膠體均勻細膩，成膠性和透明性更好，有利用於最終產品的燒結。
本發明的步驟I)中，純淨水也可以不加，當加水少或不加水時，不能使用高速抽真空攪拌機，只能使用攪拌力矩大的低速抽真空攪拌機或捏合機。本發明中的攪拌機也可以採用具有抽真空功能的混料機、捏合機等裝置來替換。
晶種的加入量是原料中氧化鋁含量的0.6% 2%。晶種也可以是包含某種氧化鐵源物質，氧化鐵源包括α -氧化鐵，a -FeOOH, Y -氧化鐵和Y -FeOOH中的一種或多種的組合，合適的氧化鐵源包括任何一種在加熱後可以轉化為α-氧化鐵的物質。
本發明的步驟3)中120目篩下的細料可以在步驟I)中作為原料繼續使用。
本發明的步驟4)中優選採用迴轉窯來進行煅燒，也可以在其它形式的煅燒爐上進行煅燒。用其它形式的煅燒爐煅燒時，其升溫速度不超過30°C/分鐘。燒結時，可以把顆粒輸入另一迴轉窯中進行燒 結。也可以在一個高溫爐中一次燒結，比如推板窯或輥道窯，在高溫窯中設定兩個保溫區，分別對應煅燒和燒結兩個步驟，用耐火匣缽裝要煅燒的料，匣缽進入高溫爐後，依次通過煅燒區和高溫區，完成煅燒和燒結。用這類高溫爐比較適合煅燒和燒結100目篩下的料。
本發明的步驟5)中燒結好地產品經進一步篩分，製備出符合磨料製品要求的陶瓷磨料粒度砂。製備的產品密度大於3. 85克/立方釐米，基本在3. 88 3. 95之間；顯微硬度大於20Gpa,組成陶瓷磨料顆粒的晶粒在O. 5微米以下,基本在O. 15 O. 3微米之間。
本發明所述的勃姆石半成品是指在生產工業產品擬薄水鋁石(又叫勃姆石)時， 以鋁礦石或其它能製造偏鋁酸鈉或鋁酸鈉的原料製造出偏鋁酸鈉溶液，然後進行酸化、純化等一系列工序後，生產出的懸浮液，在經壓濾或其它手段去掉大部分水後，形成的濾餅， 即為勃姆石半成品(烘乾後，破碎、過篩即為工業產品擬薄水鋁石)。含總水量70% 80%。 如果把所含的水全部去掉後計算，含氧化矽一般小於O. 5%，氧化鈉一般小於O. 15%，含少量氧化鐵等雜誌，其餘為氧化鋁。勃姆石半成品製成正常產品後，比表面積大於250平方米 /克，晶粒度小於10納米。
本發明具有原料成本低、工藝成熟穩定的優點，利用本發明所製得的α-氧化鋁基磨料可以用於固結磨具，塗附磨具以及其它磨料製品中，製作的磨料製品具有磨削效率高、自銳性好、耐用度長的特點。
圖1是實施例2所得顆粒斷面的SEM照片；
圖2是實施例2所得顆粒表面的SEM照片。
具體實施例方式實施例1
150升的抽真空攪拌機中，加純淨水16. 8千克，含水70%勃姆石半成品42千克， 濃度4%的氧化鋁晶種研磨液3千克，開動攪拌機攪拌打成料漿，加入濃度為20%硝酸溶液1.6千克後，攪拌5分鐘。停止攪拌，把料漿輸入膠體磨，進一步細化料漿，料漿從膠體磨出來後轉入原攪拌機中，抽真空，開動攪拌機，加入3千克20%的硝酸，再加入I升含有17% 六水硝酸鎂的水溶液，攪拌均勻。此時凝膠已經形成。
把上述製備的凝膠轉入不鏽鋼料盤中，放入120°C的烘箱中，直至凝膠變脆，開裂， 成為直徑約幾毫米至十幾毫米的碎塊，有的顆粒會達到幾個釐米，碎塊的大小取決於烘乾的速度。烘乾速度越快，顆粒越小。
把烘乾的碎塊進一步破碎，根據需要，篩出需要的粒度。作為磨料，一般取25目篩下、120目篩上的物料進行下一步處理。
在一不鏽鋼爐管直徑120_，長200_的迴轉電窯，爐溫控制在600°C，把料輸入到爐管中，進行煅燒，煅燒時間為30分鐘。
把在600°C煅燒的料輸入另一迴轉窯中，爐溫控制至1400°C，進行燒結，燒結時間 10分鐘。
燒結好地產品經進一步篩分，製備出符合磨料製品要求的陶瓷磨料粒度砂。製備的46目粒度顆粒密度為3. 92克/立方釐米，顯微硬度24Gpa，組成陶瓷微晶磨料顆粒的晶粒O. 3微米。
實施例2
150升的抽真空攪拌機中，加純淨水O. 6千克，含水80%勃姆石半成品62. 5千克， 濃度4%的氧化鋁晶種研磨液6千克，開動攪拌機攪拌打成料漿，加入濃度為20%硝酸溶液1. 6千克後，攪拌5分鐘。停止攪拌，把料漿輸入膠體磨，進一步細化料漿，料漿從膠體磨出來後轉入原攪拌機中，抽真空，開動攪拌機，加入3. 2千克20%的硝酸，再加入I升含有 17%六水硝酸鎂的水溶液,攪拌均勻。此時凝膠已經形成。
以下同實例I所述，煅燒溫度控制在750°C，煅燒時間為15分鐘；燒結溫度為 1330°C，燒結時間為20分鐘。所得的產品密度3. 95克/立方釐米，顯微硬度為23Gpa，組成陶瓷微晶磨料顆粒的晶粒O. 2微米。
如圖1所示為顆粒製成磨製成品後斷面的SEM照片；如圖2所示為顆粒製成磨製成品後表面的SEM照片。
實施例3
同實例I所述，不同的是煅燒和燒結在一 24米長的輥道窯中，煅燒區溫度設定在 700°C，煅燒時間為60分鐘，燒結區溫度設定在1360°C，燒結時間設定在60分鐘。所得的產品密度3. 94克/立方釐米，顯微硬度為20. 5Gpa，顯微硬度為23Gpa，組成陶瓷微晶磨料顆粒的晶粒O. 4微米。
實施例4
在30升帶真空功能的捏合機中，加入含水75%勃姆石半成品10千克，濃度4%的氧化鋁晶種研磨液O. 4千克，O. 48千克含有17%六水硝酸鎂的水溶液。開動捏合機捏合5 分鐘，加入濃度為20%的硝酸O. 9千克，繼續開動捏合機捏合60分鐘，然後，取出烘乾，以下同實例I。所得產品密度3. O. 2微米。
本實施例相當於前390克/立方釐米，硬度24Gpa，組成陶瓷微晶磨料顆粒的晶粒個實施例，不加純淨水。
權利要求
1.一種a-氧化鋁基磨料，其特徵在於陶瓷磨料顆粒密度大於3.88克/立方釐米，顯微硬度大於20Gpa,組成陶瓷磨料顆粒的晶粒在0. 15微米 0. 3微米之間。
2.—種a-氧化鋁基磨料的製備方法，其特徵在於步驟如下 1)在具有抽真空功能的攪拌機中加入純淨水、勃姆石半成品和氧化鋁晶種研磨液，開動抽真空攪拌機攪拌，把原料打成均勻料漿，所述純淨水的加入量為勃姆石半成品原料量的1% 40%，氧化鋁晶種研磨液的濃度為4%，晶種的加入量是原料中氧化鋁含量的0.6% 2% ； 2)在料漿中加入濃度為20%的稀硝酸，使料漿的PH值=1.5 2，真空狀態下攪拌，料漿逐步形成溶膠、凝膠； 3)攪拌均勻後，放掉真空，取出膠體，在140°C以下烘乾，破碎，篩分出120目篩上的顆粒; 4)將篩分出的顆粒放入窯爐中進行煅燒，爐溫控制在500°C 800°C，煅燒時間為10 60分鐘，煅燒後將顆粒進行燒結，爐溫控制至1300°C 1400°C，燒結時間5 60分鐘； 5)篩分出成品顆粒。
3.根據權利要求2所述的a-氧化鋁基磨料的製備方法，其特徵在於在料漿中加入稀硝酸時，一次性放入全部稀硝酸，使料漿的PH值=1. 5 2，抽真空狀態下，攪拌逐步形成溶膠、凝膠。
4.根據權利要求2所述的a-氧化鋁基磨料的製備方法，其特徵在於當料漿中勃姆石的固含量不大於25%時，先用一部分稀硝酸，使料漿的PH值=4，放置60分鐘，取上部液體,在抽真空的情況下,在取出的上部液體中再次加入稀硝酸，同時開動攪拌機攪拌,使料眾的PH值=1. 5 2,料楽;逐步形成溶膠、凝膠。
5.根據權利要求2所述的a-氧化鋁基磨料的製備方法，其特徵在於在料漿中加入稀硝酸時，先放入一部分稀硝酸，使料漿的PH值=4，停止攪拌，把料漿輸入膠體磨，進一步細化料漿，把細化的料漿轉回原攪拌機中，在抽真空的狀態下，再次加入稀硝酸，同時開動攪拌機攪拌，使料漿的PH值=1. 5 2，料漿逐步形成溶膠、凝膠。
6.根據權利要求2或3或4或5所述的a-氧化鋁基磨料的製備方法，其特徵在於料漿形成溶膠後，變成凝膠前，加入硝酸鎂溶液，硝酸鎂的加入量為是原料中氧化鋁總量的0. 6% 3. 2%。
7.根據權利要求2所述的a-氧化鋁基磨料的製備方法，其特徵在於勃姆石半成品含總水量70% 80%，所含的水全部去掉後，氧化鋁含量大於99%，薄姆石半成品製成正常廣品後，比表面積大於250平方米/克，晶粒度小於10納米。
全文摘要
本發明具體涉及一種α-氧化鋁基磨料及其製備方法，其特徵在於顆粒密度大於3.88克/立方釐米，顯微硬度大於20Gpa，組成顆粒的晶粒在0.15微米～0.3微米之間。其製備方法的步驟如下1)在具有抽真空功能的攪拌機中加入純淨水、勃姆石半成品和氧化鋁晶種研磨液，攪拌將原料打成料漿；2)在料漿中加入濃度為20％的稀硝酸，真空狀態下逐步形成溶膠、凝膠；3)膠體在140℃以下烘乾，破碎，篩分出120目篩上的顆粒；4)將篩分出的顆粒進行煅燒，煅燒後將顆粒進行燒結；5)篩分出成品顆粒。本發明的製備方法具有原料成本低、工藝成熟穩定的優點。利用本發明所製得的磨料顆粒製作的磨料製品具有磨削效率高、自銳性好、耐用度長的特點。
文檔編號C09K3/14GK103013442SQ20111028320
公開日2013年4月3日 申請日期2011年9月22日 優先權日2011年9月22日
發明者翟涵, 劉海紅 申請人:魯信創業投資集團股份有限公司