CN102775135A

CN102775135A - 新型陶瓷刚玉磨料

Info

Publication number: CN102775135A
Application number: CN2012102392713A
Authority: CN
Inventors: 朱玉梅; 翟学霞; 李志宏
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2012-07-11
Filing date: 2012-07-11
Publication date: 2012-11-14

Abstract

本发明公开了一种新型陶瓷刚玉磨料，其原料组分及其重量百分比含量为Al₂(SO4)₃·18H₂O 98.20%～99.50%，添加剂1.80%～0.50%；所述添加剂为Ba(NO₃)₂、TEOS、H₃BO₃，其各占添加剂的重量百分比含量为0%～80%Ba(NO₃)₂，30%～94%TEOS，0%～25%H₃BO₃。本发明采用溶胶-凝胶的湿化学方法和高温煅烧，于1250℃～1400℃烧成。本发明的添加剂来源广泛，烧结温度大幅度降低，显微结构均匀致密，抗压强度达47.4N，是普通电熔刚玉磨料的3倍，冲击韧性是普通电熔刚玉磨料的2~2.5倍，砂轮金属磨出率比普通刚玉砂轮提高50%以上。

Description

新型陶瓷刚玉磨料

技术领域

本发明是关于研磨材料的，尤其涉及一种陶瓷刚玉磨料及其制备方法。

背景技术

刚玉作为一种有用矿物原料被人类利用的历史已久。早在人类的远古时期，原始人就已使用天然刚玉磨料来磨锐木质工具，骨头和燧石等。在应用天然磨料时，人们逐渐认识到，几乎所有的天然磨料都含有结晶氧化铝，并且起磨削作用的就是结晶氧化铝。基于这种认识，人们开始设法将含氧化铝的物质熔融制作成磨料。自从十九世纪末人造刚玉磨料的首次研制成功以来，在二十世纪取得了极快的发展和广泛的应用，成为国民经济中不可缺少的一类重要工业产品。由于刚玉磨料具有良好的机械性能、高温磨削稳定性及其加工对象的广泛性，因而一个世纪以来，刚玉材料得到了长足的发展，作为磨料磨具在汽车、机械制造、航空航天等诸多领域发挥着不可替代的作用。

从人造刚玉开始工业化生产之后，出现了许多品种的刚玉磨料，基于磨料中含铝量的不同，可将刚玉磨料分为棕刚玉、白刚玉、铬刚玉、黑刚玉等品种。然而以上刚玉磨料产品均是采用高温熔炼工艺制备而成。由于制备工艺的局限性，使得以这种工艺制成的磨料晶粒粗大，基本上都是大单晶组成，磨削性能较差。从而导致使用范围也带有局限性。由于现代制造业水平的提高，对加工产品的精度、加工质量、加工效率要求越来越高，从而对于刚玉磨料的要求也随之越高。也即刚玉磨料在向着能满足高速、重负荷、强力磨削和精密磨削的方向发展。然而由于氧化铝烧结扩散活化能比较高，难于烧结，而且在烧结的过程中晶粒容易长大，不易控制其晶态结构，国内相关研究及产业化进展缓慢。传统刚玉磨料采用电熔法制备，不仅耗能高，而且晶尺寸较大，晶粒尺寸一般为50μm左右。为了克服传统刚玉磨料制备工艺的局限性，满足不同性能的磨削应用需要，丰富刚玉磨料的性能，人们对传统生产工艺进行了变革，研究开发了基于溶胶-凝胶技术的新型陶瓷刚玉磨料。新型陶瓷刚玉磨料每个颗粒中含有成百上千的亚微米或纳米颗粒，改变了传统电熔刚玉磨料的显微结构，随着结构的变化，随之而来的是新型陶瓷刚玉磨料相比传统电熔刚玉磨料不仅韧性提高、自锐性好、磨粒锋利、磨损少，切削能力强，磨削效率高，使用寿命长，同时更容易实现超精密磨削加工和对难加工材料的磨削加工。

随着科学技术的发展，特别是能源、空间技术、汽车工业等的发展，新材料不断涌现，迫切需要开发出各种新型磨削材料，研究开发新型陶瓷刚玉磨料是市场的需求和科学技术进步的需要。

发明内容

本发明旨在基于溶胶-凝胶技术，采用一种新型添加剂体系降低新型陶瓷刚玉磨料的烧成温度，提供一种能够微观形貌可控，同时能够提高产品性能和延长产品使用寿命的新型陶瓷刚玉磨料及其制备方法，达到经济实用的目的。

本发明的新型陶瓷刚玉磨料，其原料组分及其重量百分比含量为Al₂(SO4)₃·18H₂O98.20%～99.50%，添加剂1.80%～0.50%；所述添加剂为Ba(NO₃)₂、TEOS、H₃BO₃，其各占添加剂的重量百分比含量为0%～80%Ba(NO₃)₂，30%～94%TEOS，0%～25%H₃BO₃。

上述新型陶瓷刚玉磨料的制备方法，是采用溶胶-凝胶的湿化学方法和高温煅烧，具体步骤如下：

（1）采用Al₂(SO4)₃·18H₂O为原料，溶于水后过滤去除杂质，配成0.5%~0.6%摩尔/升的Al³⁺的水溶液；

（2）在步骤（1）的水溶液中加入事先配好的氨水并搅拌使其凝胶化或沉淀，然后经抽滤、洗涤获得Al(OH)₃湿凝胶；

（3）将相应量的添加剂溶于水后加入到Al(OH)₃湿凝胶中经球磨混匀；然后将混匀的含有添加剂的Al(OH)₃混合物经过60℃干燥，并进行筛分和分级；

（4）将步骤（3）已经筛分和分级的待烧磨料在1250℃～1400℃的条件下煅烧，待烧成冷却后经过进一步的过筛分级，制得不同粒度的新型刚玉磨料。

所述步骤（3）的干燥后的Al(OH)₃固体颗粒为片状尖片状或者等积型，最终磨料颗粒形状可控。

所述步骤（4）的刚玉磨料颗粒内部的显微晶粒尺寸在100nm～200nm之间。

本发明的有益效果是，添加剂来源广泛，刚玉磨料的烧结温度大幅度降低（传统刚玉磨料的烧结范围为1450-1600℃），节约了能耗；磨粒内部显微结构均匀致密，显微晶粒尺寸为100～200nm；1300℃时保温0.5h制得的新型陶瓷刚玉磨料的单颗粒抗压强度可达47.4N，是普通电熔刚玉磨料的3倍；冲击韧性是普通电熔刚玉磨料的2~2.5倍；磨削效率高，本发明的砂轮金属磨出率比普通刚玉砂轮提高50%以上。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。

实施例1

采用99.14%的Al₂(SO4)₃·18H₂O和0.86%的添加剂为原料，氨水为沉淀剂制备新型陶瓷刚玉磨料。

首先将Al₂(SO4)₃·18H₂O溶于水，配成0.6摩尔/升的含Al³⁺的水溶液；

向上述溶液中滴加氨水并搅拌使得含此Al³⁺的水溶液完全凝胶化，再经抽滤、洗涤工艺获得Al(OH)₃湿凝胶；

将0.86%的添加剂加入到Al(OH)₃湿凝胶中混匀；所述添加剂的原料组分及其重量百分比含量为：20%Ba(NO₃)₂、78%TEOS、2%H₃BO₃。

将含有添加剂的Al(OH)₃湿凝胶经过球磨，干燥等工艺后，并进行筛分和分级；

将进行过筛分和分级整形过的Al(OH)₃固体在1300℃下煅烧，再进一步的过筛、分级，制得不同粒度的新型陶瓷刚玉磨料。

实施例2

采用99.32%的Al₂(SO4)₃·18H₂O和0.68%的添加剂为原料，氨水为沉淀剂制备新型陶瓷刚玉磨料。

将0.68%的添加剂加入到Al(OH)₃湿凝胶中混匀；所述添加剂的原料组分及其重量百分比含量为：47%Ba(NO₃)₂、47%TEOS、6%H₃BO₃。

实施例3

采用98.20%的Al₂(SO4)₃·18H₂O和1.80%的添加剂为原料，氨水为沉淀剂制备新型陶瓷刚玉磨料。

将1.80%的添加剂加入到Al(OH)₃湿凝胶中混匀；所述添加剂的原料组分及其重量百分比含量为：15%Ba(NO₃)₂、83%TEOS、2%H₃BO₃。

将进行过筛分和分级整形过的Al(OH)₃固体在1400℃下煅烧，再进一步的过筛、分级，制得不同粒度的新型陶瓷刚玉磨料。

Claims

1.一种新型陶瓷刚玉磨料，其原料组分及其重量百分比含量为Al₂(SO4)₃·18H₂O98.20%～99.50%，添加剂1.80%～0.50%；所述添加剂为Ba(NO₃)₂、TEOS、H₃BO₃，其各占添加剂的重量百分比含量为0%～80%Ba(NO₃)₂，30%～94%TEOS，0%～25%H₃BO₃。

（1）采用Al₂(SO₄)₃·18H₂O为原料，溶于水后过滤去除杂质，配成0.5%~0.6%摩尔/升的Al³⁺的水溶液；

（4）将步骤（3）已经筛分和分级的待烧磨料在1250℃～1400℃的条件下煅烧，待烧成冷却后经过进一步的过筛分级，制得不同粒度的新型陶瓷刚玉磨料。

2.根据权利要求1的新型陶瓷刚玉磨料，其特征在于，所述步骤（3）的干燥后的Al(OH)₃固体颗粒为片状尖片状或者等积型，最终磨料颗粒形状可控。

3.根据权利要求1的新型陶瓷刚玉磨料，其特征在于，所述步骤（4）的刚玉磨料颗粒内部的显微晶粒尺寸在100nm～200nm之间。