CN108675776A - 具有片状结构陶瓷刚玉磨料的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明具体涉及一种具有片状结构陶瓷刚玉磨料的制备方法，其特征在于步骤如下：1)滤饼在烘箱中烘干；2)制备胶体：加入改良剂的水溶液，块状颗粒强烈吸水，发生猛烈的放热和水淬，破碎成1毫米以下的细小颗粒，然后用胶体磨破碎形成均匀的悬浮液；导入真空捏合机中，开动捏合机，加入硝酸，开动抽真空，变成凝胶；3)胶体烘干：将凝胶放入烘箱中烘干；4)破碎、煅烧；5)烧结。本发明的制备方法具有能耗低，生产步骤简化，易于实现工艺的连续化和自动化的优点。使用本发明制得的磨料含有片状结构，具有磨削效率高、耐用度高的优点。

Description

具有片状结构陶瓷刚玉磨料的制备方法

技术领域

本发明具体涉及一种具有片状结构陶瓷刚玉磨料的制备方法。

背景技术

陶瓷刚玉磨料是一种新型的刚玉类磨料，是一种明显优于熔融法制造的普通刚玉磨料的新型刚玉品种，用陶瓷刚玉磨料制备的固结磨具、涂附磨具以及各种研磨制品具有研磨效率高、使用寿命长、磨削热低的特点，并且大量用于难磨材料的磨削。近几年来，陶瓷刚玉磨料产品获得长足发展。

陶瓷刚玉磨料最早是由美国的明尼苏达矿业制造公司(3M公司)发明的，早期的3M公司的专利4314827(美国专利号)利用一水氧化铝为原料，加入硝酸后形成溶胶，再加入硝酸镁或醋酸锆作为改良剂后形成凝胶，然后烘干、破碎、筛分、煅烧、烧结，制备出了陶瓷刚玉磨料；后来美国诺顿公司又发明了通过加入氧化铝晶种的方法，降低了烧结温度，使晶体尺寸变得更小的陶瓷刚玉磨料的制备技术(美国专利4623364)。美国专利(专利号5164348)又利用浸渍法引入改良剂制备了新品种陶瓷刚玉磨料，其制造步骤是制备溶胶凝胶，然后烘干、破碎，筛出需要的颗粒，把这些颗粒在一定的温度下煅烧后，用改良剂的水溶液对其进行浸渍，由于煅烧后的颗粒含有大量的微气孔，浸渍溶液很容易进入颗粒内部，然后进行烘干、煅烧、烧结，成为性能非常好的陶瓷刚玉磨料。后来，一系列的陶瓷刚玉磨料的专利不断涌现出来。国内，在2000年以后，也有陶瓷刚玉磨料的专利出现，如本申请的发明人翟涵发明的专利《一种α—氧化铝基磨料及其制备方法》(专利号ZL 201110283203.2)和《一种含片状结构的α—氧化铝基磨料及其制备方法》(专利号ZL 201110283236.7)利用国内生产的薄姆石半成品作为原料，利用溶胶凝胶技术，生产出了两种陶瓷刚玉磨料产品。

《一种含片状结构的α—氧化铝基磨料及其制备方法》(专利号ZL201110283236.7)中陶瓷刚玉磨料的制备工艺是利用薄姆石半成品作为原料，按下列工序进行制备：

1)制备胶体：薄姆石半成品加入少量的纯净水和一定量的胶溶剂(胶溶剂一般是一元酸，最好的是硝酸)混合均匀后形成溶胶，溶胶逐渐变成凝胶，该凝胶含有Al₂O₃·nH₂O(其中n近似值是1.8)一般在25％左右(Al₂O₃·nH₂O的含量一般称为固含量)，其它几乎都是水，如果固含量高一点，粘度太大，制取溶胶在工艺上会比较难操作。

2)胶体烘干：把凝胶在烘箱中烘干，凝胶变成大约十毫米左右的块状物，此块状物很脆，强度很小，这些块状物还含有大约25％左右的结晶水。

3)破碎、煅烧：用破碎机把它破碎成一定的粒度，用筛网筛出需要的粒度；在700℃左右的高温下煅烧这些颗粒，从而去除25％左右的结晶水。

4)浸渍：用含有改良剂的浸渍溶液浸渍煅烧过的颗粒，从而引入需要的各种改良剂。该专利中改良剂的引入也可以在制备溶胶时一并加入，但这样的话，在胶体的烘干过程中，会造成改良剂中离子的迁移，使改良剂的成分分布不均匀，造成产品质量的下降。按实施例3中，通过计算，胶体的固含量(Al₂O₃·nH₂O(其中n近似值是1.8))为36％，由于含水量大，在烘干过程中，改良剂中的离子会产生迁移，造成表面浓度大于内部浓度，制出来的陶瓷刚玉磨料成分不均匀，从颜色上能明显看出来。

5)再次烘干：然后在烘箱中烘干浸渍液中的水分；

6)烧结：在1450℃左右的高温下烧结，就制备出了陶瓷刚玉磨料，该种陶瓷刚玉磨料是一种含有片状结构的陶瓷刚玉磨料。

上述发明所述的勃姆石半成品是指在生产工业产品拟薄水铝石(又叫勃姆石)时，以铝矿石或其它能制造偏铝酸钠或铝酸钠的原料制造出偏铝酸钠溶液，然后进行酸化、纯化等一系列工序后，生产出的悬浮液，再经压滤或其它手段去掉大部分水后，形成的滤饼，即为勃姆石半成品，含总水量70％～80％(其中附着水大约65％左右)，把薄姆石半成品利用闪蒸工艺烘干后，破碎、过筛即为工业产品拟薄水铝石或叫薄姆石。薄姆石是一种含有大约1.8个结晶水的含水氧化铝，有些资料就叫Al₂O₃·H₂O。用薄姆石作为原料制作陶瓷刚玉磨料需要制成溶胶，这一步需要加入大量的纯净水，用薄姆石半成品作为原料，就是利用了薄姆石半成品中含约65％左右的附着水。薄姆石半成品不去除所含的大量水分，生产成本自然就降低了，售价也比较低。薄姆石半成品利用闪蒸工艺除水分时温度是比较高的，这样高的温度会改变薄姆石的某些性能，对生产陶瓷磨料是不利的。利用薄姆石半成品作为原料制取陶瓷刚玉磨料的优点是可以获得低成本的原料，节省部分制取溶胶时需要加入的水分，由于不经过闪蒸烘干的高温，因而可以制得质量非常好的溶胶和凝胶。缺点是用薄姆石半成品作为原料制取溶胶，溶胶中的水分含量很大，一般水分高达70％-80％，溶胶的粘度也很大，溶胶中的固含量比较低，低固含量的溶胶凝胶烘干难度比薄姆石半成品的烘干难度大很多。薄姆石半成品烘干采用闪蒸工艺，烘干速度很快，效率很高。溶胶凝胶的烘干不能采用闪蒸工艺，因为要求溶胶凝胶烘干后必须呈大颗粒状或块状，烘干后的大颗粒或块状物要尽量致密，不要产生气孔，以便在后面的工序进行破碎达到需要的粒度，闪蒸工艺烘干后料是疏松的粉状料，后边就无法做成需要的颗粒。因此溶胶凝胶的烘干只能用烘干箱等类似设备，使胶体在静态的状况下烘干以获得大颗粒状或块状，由于胶体本身的性质烘干起来非常困难，烘干速度很慢，耗能很高。薄姆石半成品不同批次之间水含量波动很大，即固含量波动很大，在制备溶胶时，加入的胶溶剂和改良剂无法准确定量，造成产品质量的波动。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术采用薄姆石半成品作为原料，利用溶胶凝胶技术制备陶瓷刚玉磨料存在烘干难度大、速度慢、能耗高，质量波动大的缺陷，提供一种具有片状结构陶瓷刚玉磨料的制备方法，其能耗大大降低，生产步骤得到简化，易于实现工艺的连续化和自动化。

本发明是通过如下技术方案实现的：

即一种具有片状结构陶瓷刚玉磨料的制备方法，其特征在于步骤如下：

1)滤饼烘干：把滤饼状的薄姆石半成品装入不锈钢盘中，放入140±40℃的烘箱中烘干，烘干后的薄姆石成1-10毫米块状颗粒；

薄姆石半成品中的水分很高，但由于是附着水，烘干起来比较容易，烘干速度很快，烘干后的薄姆石成大约1-10毫米块状颗粒，这些块状颗粒含有很多裂纹，很脆，用手可以轻松捏碎，其分子式为Al₂O₃·nH₂O(其中n近似值是1.8))其氧化铝含量约75％，含结晶水约25％。当然其他更经济的烘干方也是完全可以的。

2)制备胶体：取一定重量的块状颗粒，加入改良剂的水溶液，该水溶液含有硝酸钕，硝酸镧，硝酸钇，硝酸镁和硝酸钴，五种硝酸盐换算成氧化物后，以其中的氧化铝为基数，分别含有氧化钕0.7％-1.5％，氧化镧0.7％-1.5％，氧化钇0.7％-1.5％，氧化镁0.7％-1.5％，氧化钴0.06％-0.09％，块状颗粒占总质量的45％-60％；加入改良剂的水溶液后，由于这些烘干后的块状颗粒强烈吸水，会发生猛烈的放热和水淬，大颗粒纷纷破碎成1毫米以下的细小颗粒，然后用胶体磨把这些加了改良剂的固液混合物破碎形成均匀的悬浮液；然后把这些悬浮液导入真空捏合机中，开动捏合机，往这些悬浮液中慢慢加入块状颗粒重量8％的硝酸，所用硝酸是65％浓度硝酸，硝酸加入以后，开动抽真空，悬浮液逐渐变成非常粘稠的凝胶，这些凝胶没有流动性，呈大块状；

改良剂的作用是为了提高烧结体的密度，增加其韧性和硬度，同时降低烧结温度，获得更小的晶粒尺寸。除此以外，这几种改良剂的组合可以形成一种磁铅石结构的矿物，这种矿物是一种片状结构，非常适合做磨料，在磨削过程中可以获得很高的磨削效率和耐用度。

作为本发明的一个优选方案：块状颗粒占总质量的50％-55％，即固含量为50％-55％。

本发明的块状颗粒(即固含量)在总质量中的比例非常重要，块状颗粒占比高了，在后面的胶体磨研磨时会太粘，不容易操作；块状颗粒占比少了，水分含量就高了，容易造成产品成分不均匀。制成胶体在烘干时，由于大量水分逐渐从表面挥发，部分改良剂离子也从内部迁移至表面，致使表面的改良剂含量大于内部改良剂的含量，离子迁移可以从加入的硝酸钴的颜色辨别，硝酸钴是粉红色，粉红色重的地方说明硝酸钴的浓度高，粉红色浅的地方硝酸钴的浓度低。实验证明，固含量至少大于45％，最好50％以上，在温度较低的烘干温度下和水分的迁移路径尽量短的条件下，才会获得比较均匀的成分含量。

3)胶体烘干：将凝胶取出，用刀切或用挤出机挤成厚度小于5mm的片状，或用挤出机挤成直径1-5毫米的条状，然后把片状或条状凝胶装入不锈钢盘中，放入烘箱中烘干，烘箱的温度设定在50℃-90℃之间。

烘干温度非常重要，温度太低，烘干速度慢，温度高了，也会造成离子迁移。实验证明，在我们设定的固含量指标下，并切成1-5mm的片状后，烘干温度设定在50℃-90℃之间比较合适，此时，烘干后的料颜色比较均匀。

作为本发明的优选方案：设定温度曲线50℃下烘干2小时，提高至60℃烘干1小时，再提高至70℃烘干1小时，80℃烘干1小时，最后90℃烘干1小时。由于这些凝胶含水量比较小，并且这些形状表面积大，烘干起来效率比较高。

离子的迁移现象随烘干温度的提高而增强，随固含量的提高而减弱，设定烘干温度曲线，既可以获得好的物料均匀性，又可以加快烘干速度。

胶体的水分都是从表面形成水蒸气脱离开胶体，胶体内部的水分必须逐渐迁移至表面挥发成蒸汽，胶体才逐渐变得干燥。切成厚度小于5mm片状,或挤成直径1-5mm的条状，是为了减小水分从胶体内部迁移到表面的距离，水分从内部到表面的迁移距离越短，离子的迁移就越小，通过把胶体切成厚度小于5mm的片状或挤成直径为1-5mm的条状，可以更好的减弱离子的迁移。

4)破碎、煅烧：烘干后的凝胶成大颗粒状，用破碎机破碎成需要的粒度，比如16目—120目之间的粒度，装入匣钵中，在550℃-800℃煅烧去除还含有的水分，

本发明优选用回转式煅烧窑来煅烧，回转式煅烧窑可以连续煅烧，产能大，并且比较节省能源；

5)烧结：煅烧后的物料需要进一步烧结，才能形成坚硬的陶瓷刚玉磨料。烧结优选用回转式烧结炉，回转部件用重结晶碳化硅管，烧结时间5-30分钟，烧结温度控制在1440℃。

本发明的制备方法具有能耗低，生产步骤简化，易于实现工艺的连续化和自动化的优点。使用本发明制得的磨料含有片状结构，具有磨削效率高、耐用度高的优点。

附图说明

图1为本发明制得的陶瓷刚玉磨料表面的扫描电镜照片；

图2为本发明制得的陶瓷刚玉磨料断面的扫描电镜照片。

具体实施方式

实施例1

取含Al₂O₃·nH₂O 33％左右薄姆石半成品10kg，置于一个长宽高为650mm*450mm*50mm的不锈钢盘中，放箱式烘干箱中，温度设定为140℃，几个小时后成为大小约10mm左右的块状颗粒，烘干后的块状颗粒含氧化铝一般为75％，含结晶水以及少量的附着水合计约25％。

一个5升的不锈钢容器中加入六水硝酸镁64克，六水硝酸钕26克，六水硝酸镧26.6克，六水硝酸钇33.9克，六水硝酸钴2.7克，纯净水1050克，待所有的硝酸盐全部溶解后，加入烘干的块状的薄姆石半成品颗粒1333克，加进去后会听到噼里啪啦的碎裂声，这是薄姆石水淬的声音，很快，这些大颗粒破裂成1mm左右小颗粒。把这些混合物倒入一个胶体磨，瞬间这些小颗粒被胶体磨磨成可以流动的悬浮液。

把悬浮液转移到一个带抽真空装置的捏合机中，逐渐加入65％的硝酸106克，开动抽真空装置，在捏合机的捏合过程中，料变得非常粘，捏合均匀后，取出，用不锈钢刀切成厚度约5mm左右的片，放入烘箱中，在80℃温度下烘干，烘干后成为1-10mm左右的小块。

用一个盘式破碎机破碎成更细的颗粒，筛取16目筛下，120目筛上的颗粒，装在瓷坩埚中，在750℃温度下煅烧30分钟，然后转移到铂金坩埚中，放入1440℃的马弗炉中烧结10分钟。烧结后的料即是陶瓷刚玉磨料，这些陶瓷刚玉磨料颜色为蓝色，也即是其中的钴元素与氧化铝形成的钴蓝的颜色，颜色均匀一致，与利用浸渍法引入改良剂的颜色没有区别。测试这些陶瓷刚玉磨料，其密度3.895克/cm³，显微硬度21GPa，扫描电镜照片见图1，图2。

实施例2

同实施例1，所不同的是在捏合机中制成块状的凝胶后，放入一个挤出机挤成直径为3mm的条状，装入不锈钢盘中，放入烘干箱，设定温度曲线：50℃烘干2小时，60℃烘干1小时，70℃烘干1小时，80℃烘干1小时，90℃烘干1小时(事实上，每个烘干温度下的烘干时间应根据烘箱的大小，烘箱中装入的物料的多少以及烘箱中的湿度进行调整，因为烘箱的大小、物料的多少和烘箱的湿度都会显著影响烘干速度。本例只是一个特例)。其他同实施例1。本实施例制出的陶瓷刚玉磨料形状更尖锐，颜色均匀一致，其密度是3.902，显微硬度是20.5GPa。

实施例3

同实施例1，只是加入六水硝酸镁44.9克，六水硝酸钕18.2克，六水硝酸镧18.6克，六水硝酸钇23.7克，六水硝酸钴3.5克，制出的陶瓷刚玉磨料其颜色比实施例1和实施例2的颜色更蓝，颜色均匀一致，其密度是3.885，显微硬度是20.3GPa。

显而易见，本行业技术人员完全可参照本发明制备其它品种的陶瓷刚玉磨料。

Claims (3)

1.一种具有片状结构陶瓷刚玉磨料的制备方法，其特征在于步骤如下：

1)滤饼烘干：把滤饼状的薄姆石半成品装入不锈钢盘中，放入140±40℃的烘箱中烘干，烘干后的薄姆石成1-10毫米块状颗粒；

2)制备胶体：取一定重量的块状颗粒，加入改良剂的水溶液，烘干后的块状颗粒强烈吸水，发生猛烈的放热和水淬，大颗粒纷纷破碎成1毫米以下的细小颗粒，然后用胶体磨把这些加了改良剂的固液混合物破碎形成均匀的悬浮液；将这些悬浮液导入真空捏合机中，开动捏合机，往这些悬浮液中慢慢加入块状颗粒重量8％的65％浓度硝酸，硝酸加入以后，开动抽真空，悬浮液逐渐变成非常粘稠的凝胶，这些凝胶没有流动性，呈大块状；改良剂的水溶液含有硝酸钕，硝酸镧，硝酸钇，硝酸镁和硝酸钴，五种硝酸盐换算成氧化物后，以其中的氧化铝为基数，分别含有氧化钕0.7％-1.5％，氧化镧0.7％-1.5％，氧化钇0.7％-1.5％，氧化镁0.7％-1.5％，氧化钴0.06％-0.09％，块状颗粒占总质量的45％-60％；

3)胶体烘干：将凝胶取出，用刀切或用挤出机挤成厚度小于5mm的片状，或用挤出机挤成直径1-5毫米的条状，然后把片状或条状凝胶装入不锈钢盘中，放入烘箱中烘干，烘箱的温度设定在50℃-90℃；

4)破碎、煅烧：烘干后的凝胶成大颗粒状，用破碎机破碎成需要的粒度，装入匣钵中，在550℃-800℃煅烧去除还含有的水分；

5)烧结：烧结时间5-30分钟，烧结温度为1440℃。

2.根据权利要求1所述的具有片状结构陶瓷刚玉磨料的制备方法，其特征在于步骤3)中，温度曲线为50℃下烘干2小时，提高至60℃烘干1小时，再提高至70℃烘干1小时，80℃烘干1小时，最后90℃烘干1小时。

3.根据权利要求1所述的具有片状结构陶瓷刚玉磨料的制备方法，其特征在于步骤2)中，块状颗粒占总质量的50％-55％。