專利名稱：一種含片狀結(jié)構(gòu)的α-氧化鋁基磨料及其制備方法
一種含片狀結(jié)構(gòu)的α-氧化鋁基磨料及其制備方法技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明屬于α-氧化鋁陶瓷磨料顆粒及其制備方法領(lǐng)域，具體涉及一種低成本的含片狀結(jié)構(gòu)的α-氧化鋁基磨料及其制備方法。
背景技術(shù)：
溶膠凝膠法制備陶瓷磨料的一般方法是用純凈的勃姆石與去離子水、晶種和硝酸混合生成均勻細(xì)膩的溶膠或凝膠，然后干燥，去除凝膠體中的水分，再把干燥的凝膠大顆粒破碎成比所需尺寸略大的顆粒，在500°C 800°C溫度下煅燒，然后再在1300°C 1500°C 溫度下煅燒5 60分鐘，形成氧化鋁的堅(jiān)硬燒結(jié)體，燒結(jié)好的磨料顆粒密度一般大于3. 5 克/立方厘米，更好的大于3. 8克/立方厘米，最好大于3. 9克/立方厘米，硬度一般大于 20Gpa。
純凈的勃姆石是一種粒度很細(xì)的粉狀物料，價(jià)格很高，用純凈的勃姆石制備的 α-氧化鋁基陶瓷磨料的成本也很高，在制造陶瓷磨料時(shí)，純凈的勃姆石原料所占的成本比例最大，是構(gòu)成陶瓷磨料價(jià)格的最主要部分。陶瓷磨料的價(jià)格是普通磨料價(jià)格15 30倍， 雖然具有比普通磨料更優(yōu)良的性能，但也嚴(yán)重影響了該種磨料的普及和應(yīng)用，研究如何降低陶瓷磨料的制造成本，使陶瓷磨料得到更廣泛的應(yīng)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(fā)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(shí)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(jié)構(gòu)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、釩剛玉和微晶剛玉等等。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(jì)80 年代，人們發(fā)明了溶膠凝膠法生產(chǎn)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(shù)，制成氧化鋁的溶膠凝膠，然后干燥、破碎、燒結(jié)，成為具有亞微米結(jié)構(gòu)的陶瓷磨料。由于具有細(xì)微的晶體結(jié)構(gòu)，其晶粒大小比傳統(tǒng)意義上的微晶剛玉要小得多，再加上 陶瓷磨料是破碎以后燒結(jié)，避免了普通電熔剛玉破碎時(shí)造成的微裂紋，使得溶膠凝膠法制造的陶瓷磨料具有極優(yōu)良的磨削性能。后來，人們?yōu)榱诉M(jìn)一步提高陶瓷磨料的技術(shù)質(zhì)量性能，又進(jìn)行了許許多多的工作，如在制備溶膠時(shí)加入晶種，既可降低燒結(jié)溫度，又使陶瓷磨料的晶粒尺寸進(jìn)一步縮小，從而提高了產(chǎn)品的磨削性能，如美國專利No. 4623364;還有在制成干燥凝膠后，先進(jìn)行低溫煅燒，然后用鎂、鈷、釔、稀土元素等的硝酸鹽溶液進(jìn)行浸澤，再干燥燒結(jié)，也能提高產(chǎn)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(chǎn)工序。提高了生產(chǎn)成本，制約了該產(chǎn)品應(yīng)用的普及。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有技術(shù)制備陶瓷磨料，采用純凈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，無需加入晶種，通過溶膠凝膠法來制備α-氧化招基磨料及其制備方法。
本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的
即一種含片狀結(jié)構(gòu)的α-氧化鋁基磨料，其特征在于陶瓷磨料顆粒密度大于 3. 88，顯微硬度大于20Gpa，組成陶瓷磨料顆粒的晶粒在5微米以下，含有片狀結(jié)構(gòu)。
一種含片狀結(jié)構(gòu)的α -氧化鋁基磨料的制備方法，其特征在于步驟如下
I)在一具備抽真空功能的攪拌機(jī)中加入純凈水、勃姆石半成品，純凈水的加入量是勃姆石半成品原料量的1% 40%，開動(dòng)攪拌機(jī)攪拌，把原料打成均勻料漿。
2)加入濃度為20%稀硝酸，使料漿的PH值=1. 5 2，真空狀態(tài)下攪拌逐步形成溶膠、凝膠。
3)攪拌均勻后，放掉真空，取出膠體，在不高于140°C溫度下烘干，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(jìn)行煅燒，爐溫控制在500 800°C，煅燒時(shí)間為 10 60分鐘，煅燒后將顆粒進(jìn)行燒結(jié)，爐溫控制至1350 1500°C，燒結(jié)時(shí)間5 60分鐘。
5)篩分出成品顆粒。
作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案在料漿形成溶膠后，變?yōu)槟z前，加入改良劑水溶液。
作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案顆粒煅燒后，用改良劑水溶液浸泡，然后再烘干和燒 結(jié)。
在制備溶膠凝膠時(shí)加入改良劑，然后烘干，在烘干時(shí)，由于離子的遷移，很容易造成膠體表面的離子含量大于膠體內(nèi)部的含量，造成產(chǎn)品質(zhì)量性能的不均勻。凝膠烘干時(shí)，由于水的蒸發(fā)，膠體逐漸裂成十幾毫米的大顆粒，從改良劑中帶顏色的離子如粉紅色的二價(jià)鈷離子逐漸聚集到顆粒表面，從而表面呈現(xiàn)粉紅色，而打碎的顆粒內(nèi)部呈現(xiàn)無色或很淺的粉紅色，可很容易的觀察離子的遷移現(xiàn)象。
為了避免或減弱離子向表面的遷移，改良劑也可以不在形成溶膠時(shí)加入，而在膠體烘干、破碎后，篩出可用的顆粒，在500 800 V煅燒后，顆粒含有大量微氣孔，用改良劑配成的溶液浸泡，然后再烘干和燒結(jié)，由于膠體已進(jìn)行破碎，成為粒徑極小的顆粒，從而大大縮短了離子的遷移距離，改進(jìn)了改良劑分布的不均勻現(xiàn)象。
在配成改良劑溶液中加入堿，使溶液形成堿性，然后再浸泡，可進(jìn)一步避免離子的遷移。
作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案料漿中加入稀硝酸時(shí)，一次性放入全部稀硝酸，使料衆(zhòng)的PH值=1. 5 2,抽真空狀態(tài)下,攪拌逐步形成溶膠、凝膠。
采用上述方法，料漿中會(huì)有少量的打不開的小顆粒，最終燒結(jié)出的磨料會(huì)含有白點(diǎn)，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量有一定的影響，但這類產(chǎn)品在某些場合不影響使用。
作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案當(dāng)料漿中勃姆石的固含量不大于25%時(shí)，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(shí)開動(dòng)攪拌機(jī)攪拌，使料漿的PH值=1. 5 2，料漿逐步形成溶膠、凝膠。
當(dāng)需要清除上述小顆粒時(shí)，可以用沉降(或其它物理分離方法如用一定篩孔的篩網(wǎng)過濾)的方法把小顆粒分離出來這種方法必須把料漿濃度配制的比較稀。如果按正常的勃姆石作為固體計(jì)算的話，其固含量最好不大于25%，用酸把料漿的PH值調(diào)到約為4時(shí)， 此時(shí)，料漿的黏度最低，放置60分鐘左右，取上部液體，取上部液體在抽真空的情況下，加酸進(jìn)行下一步的制備。
作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案在料衆(zhòng)中加入稀硝酸時(shí)，先放入一部分稀硝酸，使料漿的PH值=4 5，停止攪拌，把料漿輸入膠體磨，進(jìn)一步細(xì)化料漿，把細(xì)化的料漿轉(zhuǎn)回原抽真空攪拌機(jī)中，在抽真空的狀態(tài)下，加入20%稀硝酸，同時(shí)開動(dòng)攪拌機(jī)攪拌，使料漿的PH值 =1. 5 2,料楽;逐步形成溶膠、凝膠。
作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案改良劑水溶液中包含稀土金屬離子、過渡金屬離子、 堿土金屬離子的一種或多種，以燒結(jié)后形成的氧化物計(jì)總改良劑含量在3% 6%之間。
作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案稀土離子為釹離子、鑭離子、鈰離子的一種或多種的組合，過渡金屬離子為釔離子、鈷離子、鋅離子的一種或多種的組合，堿土金屬離子為鎂離子、鈣離子的一種或兩種的組合。
作為本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選方案勃姆石半成品含總水量70% 80%，所含的水全部去掉后，氧化鋁含量大于99%，勃姆石半成品制成正常產(chǎn)品后，比表面積大于250平方米/ 克，晶粒度小于10納米。
本發(fā)明的步驟I)當(dāng)勃姆石半成品含水量較大時(shí)，純凈水也可以不加，加水少或不加水時(shí)，不能使用高速抽真空攪拌機(jī)，只能使用攪拌力矩大的低速抽真空攪拌機(jī)或捏合機(jī)。
在本發(fā)明的步驟3)中，120目篩下的細(xì)料可以在步驟I)中作為原料繼續(xù)使用。
本發(fā)明的步驟4)中優(yōu)選采用回轉(zhuǎn)窯來進(jìn)行煅燒，也可以在其它形式的煅燒爐上進(jìn)行煅燒。用其它形式的煅燒爐煅燒時(shí)，其升溫速度不超過30°C/分鐘。燒結(jié)時(shí)，可以把顆粒輸入另一回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行燒結(jié)。也可以在一個(gè)高溫爐中一次燒結(jié)，比如推板窯或輥道窯，在高溫窯中設(shè)定兩個(gè)保溫區(qū)，分別對(duì)應(yīng)煅燒和燒結(jié)兩個(gè)步驟，用耐火匣缽裝要煅燒的料，匣缽進(jìn)入高溫爐后，依次通過煅燒區(qū)和高溫區(qū)，完成煅燒和燒結(jié)。用這類高溫爐比較適合煅燒和燒結(jié)100目篩下的料。
本發(fā)明是使用一種勃姆石半成品作為主原料，通過溶膠凝膠法來制備α -氧化鋁陶瓷磨料。這種勃姆石半成品是指在生產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品擬薄水鋁石(又叫勃姆石)時(shí)，以鋁礦石或其它能制造偏鋁酸鈉或鋁酸鈉的原料制造出偏鋁酸鈉溶液，然后進(jìn)行酸化、純化等一系列工序后，生產(chǎn)出的懸浮液，經(jīng)壓濾或其它手段去掉部分水后，形成的濾餅，即為勃姆石半成品(烘干后，破碎、過篩即為工業(yè)產(chǎn)品擬薄水鋁石)，含總水量70% 80%。如果把所含的水全部去掉后計(jì)算，含氧化硅一般小于O. 5%，氧化鈉一般小于O. 15%，含少量氧化鐵等雜質(zhì)，其余為氧化鋁。勃姆石半成品制成正常產(chǎn)品后，比表面積大于250平方米/克，晶粒度小于10納米。
本發(fā)明具有原料成本低、工藝成熟穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。利用本發(fā)明所制得的α-氧化鋁基磨料含有片狀結(jié)構(gòu)，特別適合制作固結(jié)磨具，涂附磨具以及其它磨料制品，制作的磨料制品具有磨削效率高、自銳性好、耐用度長的特點(diǎn)。


圖1是實(shí)施例2所得顆粒斷面的SEM照片；
圖2是實(shí)施例2所得顆粒表面的SEM照片。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
150升的帶真空功能的攪拌機(jī)中，加純凈水16. 8千克，含水70%勃姆石半成品42 千克，開動(dòng)攪拌機(jī)攪拌打成料漿，加入濃度為20%硝酸溶液1. 6千克后，攪拌5分鐘。停止攪拌，把料漿輸入膠體磨，進(jìn)一步細(xì)化料漿，料漿從膠體磨出來后轉(zhuǎn)入原攪拌機(jī)中，抽真空， 開動(dòng)攪拌機(jī)，加入3千克20%的硝酸，攪拌均勻。一段時(shí)間后，形成凝膠。
把上述制備的凝膠轉(zhuǎn)入不銹鋼料盤中，放入100°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(huì)達(dá)到幾個(gè)厘米，碎塊的大小取決于烘干的速度。烘干速度越快，顆粒越小。
把烘干的碎塊進(jìn)一步破碎，根據(jù)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(jìn)行下一步處理。
在一不銹鋼爐管直徑120mm，長200mm的回轉(zhuǎn)電窯，爐溫控制在600°C，把料輸入到爐管中，進(jìn)行煅燒，煅燒時(shí)間為50分鐘。
配制一水溶液10千克，內(nèi)含六水硝酸釹260克，六水硝酸釔339克，六水硝酸鑭 266克,六水硝酸鎂641克和六水硝酸鈷39克。把上述10千克水溶液倒入經(jīng)過煅燒過的 10千克顆粒料上，此時(shí)溶液將淹沒煅燒過的顆粒料，倒出多余的液體后，把料烘干。
把浸泡過并烘干的料輸入另一回轉(zhuǎn)窯中，爐溫控制至1450°C，進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間 10分鐘。
燒結(jié)好地產(chǎn)品經(jīng)進(jìn)一步篩分，制備出符合磨料制品要求的陶瓷磨料粒度砂。經(jīng)檢驗(yàn)，制備的46目粒度砂密度為3. 89克/立方厘米，顯微硬度20. 3Gpa，組成陶瓷微晶磨料顆粒的晶粒約2微米，含有片狀結(jié)構(gòu)，氧化釔、氧化釹、氧化鑭、氧化鎂及氧化鈷總和約占 3. 2%。
實(shí)施例2
150升的帶真空功能的攪拌機(jī)中，加純凈水O. 6千克，含水80%勃姆石半成品62. 5 千克，加入濃度為20%硝 酸溶液1. 6千克后，攪拌5分鐘。停止攪拌，把料漿輸入膠體磨，進(jìn)一步細(xì)化料漿，料漿從膠體磨出來后轉(zhuǎn)入原攪拌機(jī)中，抽真空，開動(dòng)攪拌機(jī)，加入3. 2千克 20%的硝酸，攪拌均勻。一段時(shí)間后，形成凝膠。以下同實(shí)例1，但不同的是在配制改良劑溶液時(shí)，10千克水溶液，內(nèi)含六水硝酸釔520克,六水硝酸鑭815克,六水硝酸鎂983克和六水硝酸鈷39克。
所得的產(chǎn)品顆粒密度3. 90克/立方厘米，顯微硬度為20. 5Gpa，組成陶瓷微晶磨料顆粒的晶粒2微米左右，含有片狀結(jié)構(gòu)，氧化釔、氧化鑭、氧化鎂及氧化鈷總和約占5%。
如圖1所不為顆粒制成砂輪后斷面的SEM照片，如圖2所不為顆粒制成砂輪后產(chǎn)品表面的SEM照片。通過照片可以看出，磨料顆粒含有片狀結(jié)構(gòu)，磨削效率高、自銳性好、 耐用度長。
實(shí)施例3
在30升帶真空功能的捏合機(jī)中，加入含水75%勃姆石半成品10千克，加入實(shí)施例1中干燥好的凝膠破碎篩分，120目篩下的細(xì)凝膠顆粒2千克，開動(dòng)捏合機(jī)捏合5分鐘，然后加入濃度為20%的硝酸O. 9千克,2千克內(nèi)含六水硝酸釔132克,六水硝酸鑭207克,六水硝酸鎂250克和六水硝酸鈷15克水溶液，繼續(xù)開動(dòng)捏合機(jī)捏合60分鐘，然后，取出烘干，破碎，篩分，800°C煅燒10分鐘后，1500°C燒結(jié)，燒結(jié)時(shí)間為60分鐘。所得產(chǎn)品顆粒密度3. 90 克/立方厘米，硬度20Gpa，含有片狀結(jié)構(gòu)，氧化釔、氧化鑭、氧化鎂及氧化 鈷總和約占4%。
權(quán)利要求
1.一種含片狀結(jié)構(gòu)的a-氧化鋁基磨料，其特征在于顆粒密度大于3. 88，顯微硬度大于20Gpa，組成顆粒的晶粒在5微米以下，含有片狀結(jié)構(gòu)。
2.一種含片狀結(jié)構(gòu)的a-氧化鋁基磨料的制備方法，其特征在于步驟如下 1)在一具備抽真空功能的攪拌機(jī)中加入純凈水、勃姆石半成品，純凈水的加入量是勃姆石半成品原料量的1% 40%，開動(dòng)攪拌機(jī)攪拌，把原料打成均勻料漿； 2)加入濃度為20%稀硝酸，使料漿的PH值=1.5 2，真空狀態(tài)下攪拌逐步形成溶膠、凝膠； 3)攪拌均勻后，放掉真空，取出膠體，在不高于140°C溫度下烘干，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(jìn)行煅燒，爐溫控制在500 800°C，煅燒時(shí)間為10 60分鐘，煅燒后將顆粒進(jìn)行燒結(jié)，爐溫控制至1350 1500°C，燒結(jié)時(shí)間5 60分鐘； 5)篩分出成品顆粒。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的含片狀結(jié)構(gòu)的a-氧化鋁基磨料的制備方法，其特征在于在料漿形成溶膠后，變?yōu)槟z前，加入改良劑水溶液。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的含片狀結(jié)構(gòu)的a-氧化鋁基磨料的制備方法，其特征在于顆粒煅燒后，用改良劑水溶液浸泡，然后再烘干和燒結(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的含片狀結(jié)構(gòu)的a-氧化鋁基磨料的制備方法，其特征在于料漿中加入稀硝酸時(shí)，一次性放入全部稀硝酸，使料漿的PH值=1. 5 2，抽真空狀態(tài)下，攪拌逐步形成溶膠、凝膠。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的a-氧化鋁基磨料的制備方法，其特征在于當(dāng)料漿中勃姆石的固含量不大于25%時(shí)，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(shí)開動(dòng)攪拌機(jī)攪拌,使料衆(zhòng)的PH值=1. 5 2,料楽;逐步形成溶膠、凝膠。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的含片狀結(jié)構(gòu)的a-氧化鋁基磨料的制備方法，其特征在于在料漿中加入稀硝酸時(shí)，先放入一部分稀硝酸，使料漿的PH值=4 5，停止攪拌，把料漿輸入膠體磨，進(jìn)一步細(xì)化料漿，把細(xì)化的料漿轉(zhuǎn)回原抽真空攪拌機(jī)中，在抽真空的狀態(tài)下，加入20%稀硝酸，同時(shí)開動(dòng)攪拌機(jī)攪拌，使料漿的PH值=1. 5 2，料漿逐步形成溶膠、凝膠。
8.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的含片狀結(jié)構(gòu)的a-氧化鋁基磨料的制備方法，其特征在于改良劑水溶液中包含稀土離子、過渡金屬離子、堿土金屬離子的一種或多種，以燒結(jié)后形成的氧化物計(jì)總改良劑含量在3% 6%之間。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的含片狀結(jié)構(gòu)的a-氧化鋁基磨料的制備方法，其特征在于稀土離子為釹離子、鑭離子、鈰離子的一種或多種的組合，過渡金屬離子為釔離子、鈷離子、鋅離子的一種或多種的組合，堿土金屬離子為鎂離子、鈣離子的一種或兩種的組合。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的含片狀結(jié)構(gòu)的a-氧化鋁基磨料的制備方法，其特征在于勃姆石半成品含總水量70% 80%，所含的水全部去掉后，氧化鋁含量大于99%，勃姆石半成品制成正常產(chǎn)品后，比表面積大于250平方米/克，晶粒度小于10納米。
全文摘要
本發(fā)明具體涉及一種含片狀結(jié)構(gòu)的α-氧化鋁基磨料及其制備方法，其特征在于顆粒密度大于3.88；顯微硬度大于20Gpa，組成顆粒的晶粒在5微米以下，含有片狀結(jié)構(gòu)。其制備方法的步驟如下1)在具有抽真空功能的攪拌機(jī)中加入純凈水、勃姆石半成品，攪拌制成料漿；2)加入濃度為20％稀硝酸，真空狀態(tài)下攪拌逐步形成溶膠、凝膠；3)膠體烘干，破碎，篩分出120目篩上的顆粒；4)將篩分出的顆粒進(jìn)行煅燒，煅燒后將顆粒進(jìn)行燒結(jié)；5)篩分出成品顆粒。本發(fā)明的制備方法具有原料成本低、工藝成熟穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。利用本發(fā)明所制得的磨料顆粒含有片狀結(jié)構(gòu)，制作的磨料制品具有磨削效率高、自銳性好、耐用度長的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)C09K3/14GK103013443SQ20111028323
公開日2013年4月3日 申請(qǐng)日期2011年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年9月22日
發(fā)明者翟涵, 劉海紅 申請(qǐng)人:魯信創(chuàng)業(yè)投資集團(tuán)股份有限公司