專利名稱：一種α-氧化鋁基磨料及其制備方法
一種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 α-氧化鋁基磨料及其制備方法。
背景技術(shù)：
熔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，然后，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(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，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，通過溶膠凝膠法來制備α-氧化鋁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α -氧化鋁基磨料，其特征在于顆粒密度大于3. 88克/立方厘米，顯微硬度大于20Gpa,組成顆粒的晶粒在O. 15微米 O. 3微米之間。
一種α -氧化鋁基磨料的制備方法，其特征在于步驟如下
I)在具有抽真空功能的攪拌機(jī)中加入純凈水、勃姆石半成品和氧化鋁晶種研磨液，開動抽真空攪拌機(jī)攪拌，把原料打成均勻料漿，所述純凈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(tài)下攪拌，料漿逐步形成溶膠、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°C 800°C，煅燒時間為 10 60分鐘，煅燒后將顆粒進(jìn)行燒結(jié)，爐溫控制至1300°C 1400°C，燒結(jié)時間5 60分鐘。
5)篩分出成品顆粒。
作為本發(fā)明的一個優(yōu)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，料漿中會有少量的打不開的小顆粒，最終燒結(jié)出的磨料會含有白點(diǎn)，對產(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。
當(dāng)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(wǎng)過濾)的方法把小顆粒分離出來
作為本發(fā)明的一個優(yōu)選方案當(dāng)料漿中勃姆石的固含量不大于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(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，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上述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%，用稀硝酸把料漿的PH值調(diào)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(jìn)行下一步的制備。
作為本發(fā)明的一個優(yōu)選方案在料衆(zhòng)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(jìn)一步細(xì)化料漿，把細(xì)化的料漿轉(zhuǎn)回原攪拌機(jī)中，在抽真空的狀態(tài)下，加入稀硝酸，同時開動攪拌機(jī)攪拌，使料漿的PH值=1. 5 2，料漿逐步形成溶膠、凝膠。
作為本發(fā)明的一個優(yōu)選方案料漿形成溶膠后，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(chǎn)品燒結(jié)的更好。
作為本發(fā)明的一個優(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%，薄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。
由勃姆石半成品制成工業(yè)品勃姆石，需要增加兩步工序，首選去除多達(dá)50%以上的水分，去掉水分后，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，還會造成粉塵污染和物料損耗。經(jīng)過上述處理形成的勃姆石成品價(jià)格高，采用勃姆石半成品為原料，無需上述步驟，價(jià)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(xì)膩，成膠性和透明性更好，有利用于最終產(chǎn)品的燒結(jié)。
本發(fā)明的步驟I)中，純凈水也可以不加，當(dāng)加水少或不加水時，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)。本發(fā)明中的攪拌機(jī)也可以采用具有抽真空功能的混料機(jī)、捏合機(jī)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(zhì)，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后可以轉(zhuǎn)化為α-氧化鐵的物質(zhì)。
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，其升溫速度不超過30°C/分鐘。燒結(jié)時，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)定兩個保溫區(qū)，分別對應(yīng)煅燒和燒結(jié)兩個步驟，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)明的步驟5)中燒結(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。制備的產(chǎn)品密度大于3. 85克/立方厘米，基本在3. 88 3. 95之間；顯微硬度大于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(fā)明所述的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， 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，在經(jīng)壓濾或其它手段去掉大部分水后，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%，含少量氧化鐵等雜志，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-氧化鋁基磨料可以用于固結(jié)磨具，涂附磨具以及其它磨料制品中，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)施例方式實(shí)施例1
150升的抽真空攪拌機(jī)中，加純凈水16. 8千克，含水70%勃姆石半成品42千克， 濃度4%的氧化鋁晶種研磨液3千克，開動攪拌機(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，開動攪拌機(jī)，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(jīng)形成。
把上述制備的凝膠轉(zhuǎn)入不銹鋼料盤中，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(dá)到幾個厘米，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120_，長200_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，煅燒時間為30分鐘。
把在600°C煅燒的料輸入另一回轉(zhuǎn)窯中，爐溫控制至1400°C，進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)時間 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。制備的46目粒度顆粒密度為3. 92克/立方厘米，顯微硬度24Gpa，組成陶瓷微晶磨料顆粒的晶粒O. 3微米。
實(shí)施例2
150升的抽真空攪拌機(jī)中，加純凈水O. 6千克，含水80%勃姆石半成品62. 5千克， 濃度4%的氧化鋁晶種研磨液6千克，開動攪拌機(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，開動攪拌機(jī)，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(jīng)形成。
以下同實(shí)例I所述，煅燒溫度控制在750°C，煅燒時間為15分鐘；燒結(jié)溫度為 1330°C，燒結(jié)時間為20分鐘。所得的產(chǎn)品密度3. 95克/立方厘米，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所示為顆粒制成磨制成品后斷面的SEM照片；如圖2所示為顆粒制成磨制成品后表面的SEM照片。
實(shí)施例3
同實(shí)例I所述，不同的是煅燒和燒結(jié)在一 24米長的輥道窯中，煅燒區(qū)溫度設(shè)定在 700°C，煅燒時間為60分鐘，燒結(jié)區(qū)溫度設(shè)定在1360°C，燒結(jié)時間設(shè)定在60分鐘。所得的產(chǎn)品密度3. 94克/立方厘米，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(shí)施例4
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，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(jī)捏合5 分鐘，加入濃度為20%的硝酸O. 9千克，繼續(xù)開動捏合機(jī)捏合60分鐘，然后，取出烘干，以下同實(shí)例I。所得產(chǎn)品密度3. O. 2微米。
本實(shí)施例相當(dāng)于前390克/立方厘米，硬度24Gpa，組成陶瓷微晶磨料顆粒的晶粒個實(shí)施例，不加純凈水。
權(quán)利要求
1.一種a-氧化鋁基磨料，其特征在于陶瓷磨料顆粒密度大于3.88克/立方厘米，顯微硬度大于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-氧化鋁基磨料的制備方法，其特征在于步驟如下 1)在具有抽真空功能的攪拌機(jī)中加入純凈水、勃姆石半成品和氧化鋁晶種研磨液，開動抽真空攪拌機(jī)攪拌，把原料打成均勻料漿，所述純凈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(tài)下攪拌，料漿逐步形成溶膠、凝膠； 3)攪拌均勻后，放掉真空，取出膠體，在140°C以下烘干，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°C 800°C，煅燒時間為10 60分鐘，煅燒后將顆粒進(jìn)行燒結(jié)，爐溫控制至1300°C 1400°C，燒結(jié)時間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，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。
4.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，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(jī)攪拌,使料衆(zhòng)的PH值=1. 5 2,料楽;逐步形成溶膠、凝膠。
5.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(jìn)一步細(xì)化料漿，把細(xì)化的料漿轉(zhuǎn)回原攪拌機(jī)中，在抽真空的狀態(tài)下，再次加入稀硝酸，同時開動攪拌機(jī)攪拌，使料漿的PH值=1. 5 2，料漿逐步形成溶膠、凝膠。
6.根據(jù)權(quán)利要求2或3或4或5所述的a-氧化鋁基磨料的制備方法，其特征在于料漿形成溶膠后，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(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%，薄姆石半成品制成正常廣品后，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克/立方厘米，顯微硬度大于20Gpa，組成顆粒的晶粒在0.15微米～0.3微米之間。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(tài)下逐步形成溶膠、凝膠；3)膠體在140℃以下烘干，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C09K3/14GK103013442SQ20111028320
公開日2013年4月3日 申請日期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 申請人:魯信創(chuàng)業(yè)投資集團(tuán)股份有限公司