CN102729156A

CN102729156A - 一种低融高强微晶氧化铝陶瓷磨具用结合剂及其制备方法

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Publication number: CN102729156A
Application number: CN2012100159269A
Authority: CN
Inventors: 陈代荣; 刘洋; 焦秀玲; 张立
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2012-01-18
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2032-01-18
Also published as: CN102729156B

Abstract

本发明涉及一种微晶氧化铝陶瓷磨具用结合剂及其制备方法，结合剂摩尔百分比组分为：SiO₂ 45-65％，Al₂O₃ 5-20％，B₂O₃ 10-30％，(M1)₂O 8-20％，(M2)₂O 0-8％，ZnO 1.5-2.5％，XF1.5-2.5％。其中一种或多种原材料采用纳米级颗粒，加入ZnO和XF增加结合剂的流动性，经煅烧，水淬、干燥、球磨制得。该结合剂性能稳定，对微晶氧化铝磨料的润湿性好，反应能力强，起始熔融温度低，在700-800℃低温烧成高强陶瓷磨具。制备成的微晶氧化铝陶瓷磨具磨削性能好，可广泛用于钢铁、机械、建筑、航空、军工等领域。

Description

一种低融高强微晶氧化铝陶瓷磨具用结合剂及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微晶氧化铝陶瓷磨具用结合剂，具体涉及结合剂配方和制备方法，属于无机非金属材料领域。

背景技术

20世纪80年代，国际上出现了一类新型刚玉磨料一微晶陶瓷磨料，其多用溶胶一凝胶工艺合成，烧结成高韧性和高硬度的磨料，晶粒尺寸100-500nm。与普通刚玉磨料相比，其结构和性能的优越性主要表现在：晶粒大小是普通磨料的二百分之一到十五分之一，在磨削过程中，表现为沿晶断裂，而不是普通磨料的穿晶断裂，从而能够不断露出新的磨削刃，保证了磨具的自锐功能和磨削性能的稳定。除这些优越的性能外，微晶磨料的价格也远低于立方氮化硼和金刚石磨料，在某些方面还可以代替超硬磨料使用。随着微晶陶瓷磨料的出现，微晶氧化铝陶瓷磨具应运而生，并广泛用于钢铁、机械、建筑、航空、军工等领域。

微晶氧化铝陶瓷磨具的性能除了取决于磨料本身的性能、配方设计和磨具制备的工艺过程外，还主要取决于陶瓷结合剂的性能。结合剂的组成及其与磨料的结合情况等因素均影响磨具的性能，参见：J.Mater.Sci.Lett.1994，13，1287；J.Mater.Sci.2008，43，4303；J.Mater.Sci.Lett.2000，19，915。利用不同结构和性能的陶瓷磨料制造磨具需要不同的陶瓷结合剂，也就是说陶瓷结合剂都具有一定的针对性，任何一种陶瓷磨料必须有与其相对应的结合剂才能最大限度地体现出磨料的性能，例如：CN101195517B(CN200710150757.9)公开了一种针对金刚石和立方氮化硼超硬材料磨削工具用低温高强微晶玻璃陶瓷结合剂的制备方法；CN101993249A(CN201010519472.X)公开了一种针对立方氮化硼磨具用低温高强陶瓷结合剂的制备方法。

由于微晶陶瓷磨料的晶粒在较高温度下易长大，破坏原有的显微结构。因此为使磨具保持良好的磨削性能，就需要降低烧成温度，同时不影响磨具的强度。而目前超硬磨具用陶瓷结合剂的烧成温度通常较高，例如CN101693627A(CN200910182691.0)公开了一种纳米陶瓷复合结合剂，是在陶瓷结合剂基体中加入纳米级的颗粒、片晶、晶须和纤维等第二相而形成的一种纳米复合材料，其中用于金刚石模具的陶瓷结合剂的烧成温度800-850℃，用于立方氮化硼模具的陶瓷结合剂的烧成温度850-900℃。但该结合剂不是针对微晶氧化铝陶瓷磨具用的。

发明内容

本发明提供了一种微晶氧化铝陶瓷磨具用结合剂及其制备方法。

本发明的技术方案如下：

一种微晶氧化铝陶瓷磨具用结合剂，摩尔百分比组分如下：

SiO₂ 45-65％，Al₂O₃ 5-20％，B₂O₃ 10-30％，(M1)₂O 8-20％，(M2)₂O 0-8％，ZnO 1.5-2.5％，XF 1.5-2.5％，其中，M1、M2代表两种碱金属，XF代表一种氟化物；其中，M1、M2各自独立地选自Li、Na、K，且不相同；XF选自LiF、NaF或CaF₂。

优选的，M1为Na，M2为Li或K，XF为LiF。

根据本发明优选的，上述Al₂O₃为纳米级γ-Al₂O₃或来源于纳米级γ-AlOOH；B₂O₃为三氧化二硼或来源于H₃BO₃；(M1)₂O来源于Na₂CO₃，(M2)₂O来源于Li₂CO₃或K₂CO₃，ZnO为纳米级颗粒，XF来源于LiF。

根据本发明优选的，一种微晶氧化铝陶瓷磨具用结合剂，摩尔百分比组分如下：

SiO₂ 45-60％，纳米级Al₂O₃ 7-15％，B₂O₃ 15-30％，Na₂O 8-17％，Li₂O 0-8％，纳米级ZnO1.5-2.5％及LiF 1.5-2.5％。

根据本发明进一步优选的，一种微晶氧化铝陶瓷磨具用结合剂，摩尔百分比组分如下：SiO₂ 45-50％，纳米级Al₂O₃ 7-13％，B₂O₃ 20-26％，Na₂O 14-17％，纳米级ZnO 2％，LiF 2％。

根据本发明，所述的微晶氧化铝陶瓷磨具用结合剂的制备方法，包括步骤如下：

按组分摩尔百分比，称取各原料，混合均匀，放入氧化铝坩埚中，在高温电阻炉中煅烧，升温速率3～8℃/min，1200-1300℃保温2-4小时；取出煅烧料，再进行水淬、干燥、球磨，过筛得到粒度在5～10μm的粉状陶瓷结合剂。

优选的，所述球磨条件为400-450r/min干磨30-60分钟或380-430r/min湿磨90-120分钟，所用球磨罐和磨球均为α-Al₂O₃材质。湿磨时优选磨球∶料∶水质量比为1∶(1.5～2)∶1。

本发明所述的微晶氧化铝陶瓷磨具用结合剂的应用，用于起始熔融温度在560.2-614.6℃之间、于700-800℃低温烧成强度56.41～103.32MPa的高强微晶氧化铝磨具。

本发明的特点在于：

与已有技术相比，本发明提供了一种针对微晶氧化铝陶瓷磨具用的低温高强结合剂及其制备方法，该结合剂对微晶氧化铝磨料的把持力强，可在低温下烧成高强度的磨具，节约能源，降低能耗。

本发明的结合剂采用一种或两种纳米级原材料，由于纳米颗粒活性较高，能够使原材料更快更好的熔融，形成玻璃网络结构；在结合剂配方中特别添加ZnO和XF，其中，ZnO的加入可减小润湿角；F^-离子半径小，更易进入网络，打破部分桥氧键，形成非桥氧键，从而增加了结合剂的流动性，在磨具烧结过程中使结合剂能更好地包覆磨料。本发明的方法可制备出烧结温度低，烧成微晶氧化铝磨具试条强度高的陶瓷结合剂。该结合剂性能稳定，对微晶氧化铝磨料的润湿性好，反应能力强，起始熔融温度低(560.2-614.6℃)，低温(700-800℃)烧成陶瓷磨具试条强度高(56.41-103.32MPa)，制备成微晶氧化铝陶瓷磨具磨削性能好，可广泛用于钢铁、机械、建筑、航空、军工等领域。

附图说明

图1是实施例1所得陶瓷结合剂的热重-差热(TG-DSC)曲线。

图2、图3是实施例1所得微晶氧化铝陶瓷磨具试条(尺寸40mm×5mm×4mm，成形密度2.5g/cm³的磨具小样)断面结合剂与磨料结合界面扫描电子显微镜(SEM)照片。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。原材料为分析纯。

实施例1

按摩尔比SiO₂∶Al₂O₃∶B₂O₃∶Na₂O∶ZnO∶LiF＝46.0∶7.5∶26.0∶16.5∶2.0∶2.0称取原料SiO₂、γ-Al₂O₃(纳米级)、H₃BO₃、Na₂CO₃、ZnO(纳米级)及LiF，将其放入研钵中混合均匀，之后放入氧化铝坩埚中，然后在高温电阻炉中煅烧，升温速率5℃/min，在1250℃保温4小时，取出水淬，烘干玻璃料表面水分，将其放入球磨机，以400r/min的转速干磨1小时，过筛后得到粒径5～10μm的粉状陶瓷结合剂。

所得结合剂的热重-差热(TG-DSC)曲线如图1，表明结合剂加热至800℃都没有增重和失重现象，因此所制备的结合剂性质较稳定；DSC曲线显示，产品的熔融区间较宽，从599.2℃到710.8℃。图2为750℃烧成的微晶氧化铝陶瓷磨具试条(尺寸40mm×5mm×4mm，成形密度2.5g/cm³的磨具小样)断面结合剂与磨粒结合界面的SEM照片，说明两者结合较好，界面处没有缝隙存在，进一步放大界面(图3所示)可看出，在此烧结温度下，微晶氧化铝磨料的晶粒没有长大，仍保持在100nm左右，性能没有受到影响，750℃烧成磨具试条的抗折强度为90.44-99.39MPa。

实施例2

按摩尔比为SiO₂∶Al₂O₃∶B₂O₃∶Na₂O∶ZnO∶LiF＝46.0∶7.5∶26.0∶16.5∶2.0∶2.0称取原料SiO₂、γ-AlOOH(纳米级)、H₃BO₃、Na₂CO₃、ZnO(纳米级)及LiF，将其放入研钵中混合均匀，之后放入氧化铝坩埚中，然后在高温电阻炉中煅烧，升温速率4℃/min，在1200℃保温4小时，取出水淬，烘干玻璃料表面水分，将其放入球磨机，以450r/min的转速干磨40分钟，过筛后得到粒径8～10μm的粉状陶瓷结合剂。，所得结合剂的熔融区间为587.3-720℃，750℃烧成后的微晶氧化铝陶瓷磨具试条的抗折强度为83.12-93.73MPa。

实施例3

按摩尔比SiO₂∶Al₂O₃∶B₂O₃∶Na₂O∶Li₂O∶ZnO∶LiF＝46.0∶7.5∶26.0∶14.5∶2.0∶2.0∶2.0称取原料SiO₂、γ-Al₂O₃(纳米级)、H₃BO₃、Na₂CO₃、Li₂CO₃、ZnO(纳米级)及LiF，按实施例1的方法制备，所得结合剂的熔融区间为603.4-671℃，725℃烧成后的微晶氧化铝陶瓷磨具试条的抗折强度为86.61-103.32MPa。

实施例4

按各组分的摩尔比为SiO₂∶Al₂O₃∶B₂O₃∶Na₂O∶Li₂O∶ZnO∶LiF＝46.0∶7.5∶26.0∶12.5∶4.0∶2.0∶2.0称取原料SiO₂、γ-Al₂O₃(纳米级)、H₃BO₃、Na₂CO₃、Li₂CO₃、ZnO(纳米级)及LiF，将其放入研钵中混合均匀，之后放入氧化铝坩埚中，然后在高温电阻炉中煅烧，烧结工艺同实施例2，取出水淬，烘干玻璃料表面水分，按球、料、水的质量比为1∶1.5∶1放入球磨机内，以400r/min的转速湿磨2h，干燥过筛后得到粒径9～10μm的粉状陶瓷结合剂，所得结合剂的熔融区间为560.2-643℃，700℃烧成后的微晶氧化铝陶瓷磨具试条的抗折强度为80.48-95.35MPa。

实施例5

按各组分的摩尔比为SiO₂∶Al₂O₃∶B₂O₃∶Na₂O∶Li₂O∶ZnO∶LiF＝46.0∶7.5∶26.0∶8.5∶8.0∶2.0∶2.0称取原料SiO₂、γ-Al₂O₃(纳米级)、H₃BO₃、Na₂CO₃、Li₂CO₃、ZnO(纳米级)及LiF，将其放入研钵中混合均匀，之后放入氧化铝坩埚中，然后在高温电阻炉中煅烧，升温速率6℃/min，在1250℃保温3小时，取出水淬，烘干玻璃料表面水分，将其放入球磨机，以420r/min的转速干磨50分钟，过筛后得到粒径10μm的粉状陶瓷结合剂，所得结合剂的熔融区间为585.1-681℃，750℃烧成后的微晶氧化铝陶瓷磨具试条的抗折强度为72.94-91.67MPa。

实施例6

按各组分的摩尔比为SiO₂∶Al₂O₃∶B₂O₃∶Na₂O∶ZnO∶LiF＝46.0∶12.5∶21.0∶16.5∶2.0∶2.0称取原料SiO₂、γ-Al₂O₃(纳米级)、H₃BO₃、Na₂CO₃、ZnO(纳米级)及LiF，按实施例2的方法制备，所得结合剂的熔融区间为573.8-719℃，750℃烧成后的微晶氧化铝陶瓷磨具试条的抗折强度为74.88-87.16MPa。

实施例7

按各组分摩尔比为SiO₂∶Al₂O₃∶B₂O₃∶Na₂O∶ZnO∶LiF＝46.0∶17.5∶16.0∶16.5∶2.0∶2.0称取SiO₂、γ-Al₂O₃(纳米级)、H₃BO₃、Na₂CO₃、ZnO(纳米级)及LiF，将其放入研钵中混合均匀，之后放入氧化铝坩埚中，然后在高温电阻炉中煅烧，升温速率5℃/min，在1300℃保温2小时，取出水淬，烘干玻璃料表面水分，将其放入球磨机，球磨工艺同实施例1，所得结合剂的熔融区间为563.3-739℃，800℃烧成后的微晶氧化铝陶瓷磨具试条的抗折强度为70.41-91.59MPa。

实施例8

按各组分的摩尔比为SiO₂∶Al₂O₃∶B₂O₃∶Na₂O∶ZnO∶LiF＝51.0∶7.5∶21.0∶16.5∶2.0∶2.0称取原料SiO₂、γ-Al₂O₃(纳米级)、H₃BO₃、Na₂CO₃、ZnO(纳米级)及LiF，按实施例1的方法制备，所得结合剂的熔融区间为596.6-675℃，725℃烧成后的微晶氧化铝陶瓷磨具试条的抗折强度为65.07-82.81MPa。

实施例9

按各组分的摩尔比为SiO₂∶Al₂O₃∶B₂O₃∶Na₂O∶ZnO∶LiF＝56∶7.5∶16.0∶16.5∶2.0∶2.0称取原料SiO₂、γ-Al₂O₃(纳米级)、H₃BO₃、Na₂CO₃、ZnO(纳米级)及LiF，按实施例5的方法制备，所得结合剂的熔融区间为587.6-707℃，750℃烧成后的微晶氧化铝陶瓷磨具试条的抗折强度为68.15-75.80MPa。

实施例10

按各组分的摩尔比为SiO₂∶Al₂O₃∶B₂O₃∶Na₂O∶ZnO∶LiF＝61∶7.5∶11.0∶16.5∶2.0∶2.0称取原料SiO₂、γ-Al₂O₃(纳米级)、H₃BO₃、Na₂CO₃、ZnO(纳米级)及LiF，将其放入研钵中混合均匀，之后放入氧化铝坩埚中，然后在高温电阻炉中煅烧，升温速率6℃/min，在1300℃保温2小时，取出水淬，烘干玻璃料表面水分，将其放入球磨机，球磨工艺同实施例2，过筛后得到粒径10μm的粉状陶瓷结合剂，，所得结合剂的熔融区间为597.6-728℃，775℃烧成后的微晶氧化铝陶瓷磨具试条的抗折强度为63.96-77.98MPa。

实施例11

按各组分的摩尔比为SiO₂∶Al₂O₃∶B₂O₃∶Na₂O∶K₂O∶ZnO∶NaF＝46.0∶7.5∶26.0∶14.5∶2.0∶2.0∶2.0称取原料SiO₂、γ-Al₂O₃(纳米级)、H₃BO₃、Na₂CO₃、K₂CO₃、ZnO(纳米级)及NaF，将其放入研钵中混合均匀，之后放入氧化铝坩埚中，然后在高温电阻炉中煅烧，升温速率5℃/min，在1225℃保温2小时，取出水淬，烘干玻璃料表面水分，将其放入球磨机，以430r/min的转速干磨45分钟，过筛后得到粒径8～10μm的粉状陶瓷结合剂，所得结合剂的熔融区间为614.6-702℃，730℃烧成后的微晶氧化铝陶瓷磨具试条的抗折强度为56.41-77.26MPa。

Claims

1.一种微晶氧化铝陶瓷磨具用结合剂，其特征在于摩尔百分比组分如下：

SiO₂ 45-65％，Al₂O₃ 5-20％，B₂O₃ 10-30％，(M1)₂O 8-20％，(M2)₂O 0-8％，ZnO 1.5-2.5％，XF 1.5-2.5％，其中，M1、M2代表两种碱金属，XF代表一种氟化物；其中，M1、M2各自独立地选自Li、Na或K且不相同；XF选自LiF、NaF或CaF₂；特别优选的M1为Na，M2为Li或K，XF为LiF。

2.如权利要求1所述的微晶氧化铝陶瓷磨具用结合剂，其特征在于所述Al₂O₃为纳米级γ-Al₂O₃或来源于纳米级γ-AlOOH。

3.如权利要求1所述的微晶氧化铝陶瓷磨具用结合剂，其特征在于所述B₂O₃为三氧化二硼或来源于H₃BO₃。

4.如权利要求1所述的微晶氧化铝陶瓷磨具用结合剂，其特征在于所述(M1)₂O来源于Na₂CO₃，(M2)₂O来源于Li₂CO₃或K₂CO₃。

5.如权利要求1所述的微晶氧化铝陶瓷磨具用结合剂，其特征在于所述ZnO为纳米级颗粒。

6.如权利要求1所述的微晶氧化铝陶瓷磨具用结合剂，其特征在于摩尔百分比组分如下：

SiO₂ 45-60％，纳米级Al₂O₃ 7-15％，B₂O₃ 15-30％，Na₂O 8-17％，Li₂O 0-8％，纳米级ZnO1.5-2.5％，LiF 1.5-2.5％。

7.如权利要求1所述的微晶氧化铝陶瓷磨具用结合剂，其特征在于摩尔百分比组分如下：SiO₂ 45-50％，纳米级Al₂O₃ 7-13％，B₂O₃ 20-26％，Na₂O 14-17％，纳米级ZnO 2％，LiF 2％。

8.权利要求1～7任一项所述的微晶氧化铝陶瓷磨具用结合剂的制备，包括步骤如下：

按组分摩尔百分比称取原料，混合均匀，放入氧化铝坩埚中，在高温电阻炉中煅烧，升温速率3～8℃/min，1200-1300℃保温2-4小时；取出煅烧料，再进行水淬、干燥、球磨，过筛得到粒度在5～10μm的粉状陶瓷结合剂。

9.如权利要求8所述的微晶氧化铝陶瓷磨具用结合剂的制备方法，其特征在于所述球磨条件为400-450r/min干磨30-60分钟或380-430r/min湿磨90-120分钟，所用球磨罐和磨球均为α-Al₂O₃材质。

10.权利要求1～7任一项所述的微晶氧化铝陶瓷磨具用结合剂的应用，用于起始熔融温度在560.2-614.6℃、于700-800℃烧成强度56.41～103.32MPa的微晶氧化铝磨具。