CN113214790A - 一种空心氧化铝球基复合磨料及其制备方法、磨具 - Google Patents

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Abstract

本发明属于氧化铝磨料领域，具体涉及一种空心氧化铝球基复合磨料及其制备方法、磨具。该复合磨料包括空心氧化铝球基体和复合在空心氧化铝球基体上陶瓷刚玉磨料；所述空心氧化铝球、陶瓷刚玉磨料均为α‑Al2O3晶体结构，所述陶瓷刚玉磨料包括嵌入空心氧化铝球的球壁中并与空心氧化铝球的球壁复合为一体的球壁部分，以及包覆在空心氧化铝球的球壁外的包覆部分。本发明的空心氧化铝球基复合磨料，结合了空心氧化铝球特有的空心结构特点以及陶瓷刚玉磨料的较好磨削特性，极大地提高了磨料的磨削性能，具有极高的锋利性，自锐性好，形状把持力强，使用寿命长，产生磨削热量小等优点。

Description

一种空心氧化铝球基复合磨料及其制备方法、磨具
技术领域
本发明属于氧化铝磨料领域，具体涉及一种空心氧化铝球基复合磨料及其制备方法、磨具。
背景技术
磨料是一种锐利、坚硬的材料，可用于制作磨具或者直接用于工件研磨、抛光。磨料有天然磨料和人造磨料两大类。磨料按硬度分类有超硬磨料和普通磨料两大类。由于天然磨料的资源是有限的，因此人造磨料是工业化生产应用的主流产品。磨料的应用范围很广，和人们生活的各个方面息息相关，小到较软的家用去垢剂，大到精密机械的磨加工和航空航天技术的发展。高精密的磨削加工技术离不开高效、高速的磨料磨具。
作为磨料的大家族，刚玉磨料占据较大成分，人造刚玉磨料主要有棕刚玉磨料、白刚玉磨料、单晶刚玉磨料、铬刚玉磨料等。微晶刚玉磨料和黑刚玉磨料都是其派生品种。它们主要成分均是是氧化铝。在磨削应用中具有各自不同的磨削特性。这些磨料一般都具备以下几个基本特性：1、较高的硬度；2、适度的抗破碎性和自锐性；3、具有良好的热稳定性；4、具有一定的化学稳定性；5、便于加工成不同大小的颗粒。
对于普通磨料来说，主要的不足是磨料自身的利用率较低，只有10～20％。磨料在尖端磨削损耗后，较大的晶体在摩擦力超过结合剂强度后整体脱落，不能很好地发挥磨削作用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种空心氧化铝球基复合磨料，以进一步提高磨料的磨削性能。
本发明的第二个目的在于提供上述空心氧化铝球基复合磨料的制备方法。
本发明的第三个目的在于提供使用上述空心氧化铝球基复合磨料的磨具。
为实现上述目的，本发明的空心氧化铝球基复合磨料的技术方案是：
一种空心氧化铝球基复合磨料，包括空心氧化铝球基体和复合在空心氧化铝球基体上陶瓷刚玉磨料；所述空心氧化铝球、陶瓷刚玉磨料均为α-Al2O3晶体结构，所述陶瓷刚玉磨料包括嵌入空心氧化铝球的球壁中并与空心氧化铝球的球壁复合为一体的球壁部分，以及包覆在空心氧化铝球的球壁外的包覆部分。
本发明的空心氧化铝球基复合磨料，结合了空心氧化铝球特有的空心结构特点以及陶瓷刚玉磨料的较好磨削特性。空心氧化铝球的空心特性解决了磨削时的散热问题，空心氧化铝球中微晶以及表面附着的陶瓷刚玉磨料同时参与磨削作用，极大地提高了磨料的磨削性能，具有极高的锋利性，自锐性好，形状把持力强，使用寿命长，产生磨削热量小等优点。
本发明的空心氧化铝球基复合磨料的制备方法的技术方案是：
一种空心氧化铝球基复合磨料的制备方法，包括以下步骤：
1)将空心氧化铝球和制备陶瓷刚玉磨料的凝胶体混合，干燥，得到带有胶粒附着层的空心氧化铝球；
2)将带有胶粒附着层的空心氧化铝球在1300～1500℃下烧制。
本发明的空心氧化铝球基复合磨料的制备方法，利用空心氧化铝球为基体，以溶胶-凝胶工艺制得的胶体均匀的涂附在空心氧化铝球体表面，经过干燥、高温烧结，在其表面形成具有微晶结构的陶瓷刚玉磨料。微晶结构尺寸一般为纳米级或亚微米级。
上述方法制备的空心氧化铝球基复合磨料，兼具了空心氧化铝球及陶瓷刚玉磨料的双重优点，由于二者成分均为α-Al2O3晶体结构，晶界之间在高温作用下形成共熔体，一方面可以提高球的抗压破碎能力，一方面使球的表面布满自锐性较好的陶瓷刚玉磨料，而且空心氧化铝球中的微晶也可参与磨削，进而能够优化磨料的磨削性能。
陶瓷刚玉磨料属于烧结磨料，不同于传统电熔刚玉磨料，它使人造磨料出现向高韧性和高硬度两个方向发展的趋势。由于采用溶胶-凝胶法制备，具有独特的微观结构，使得最终产品具有很好的自锐性。优选的，所述制备陶瓷刚玉磨料的凝胶体是以拟薄水铝石为原料，酸为胶溶剂，金属硝酸盐为凝胶剂，通过溶胶-凝胶工艺形成。
更优选的，每200g拟薄水铝石，对应凝胶体的体积为1000～1300ml。每1000g空心氧化铝球对应凝胶体的用量为100～300g。更优选为100～200g。
优选的，每200g拟薄水铝石，对应稀硝酸的用量为70～90ml，对应金属硝酸盐的用量为0.02～0.04mol；所述稀硝酸由硝酸、水按体积比1:6～8稀释而成。所述金属硝酸盐选自硝酸镁、硝酸镧、硝酸铈、硝酸钴、硝酸铱、硝酸铁中的两种或两种以上。更优选的，金属硝酸盐至少包括硝酸镁，硝酸镁在金属硝酸盐中的摩尔占比至少为50％，进一步优选至少为60％。
优选的，所述空心氧化铝球的粒径为0.5～5.0mm。更优选为0.5～1.5mm。
烧制时，能够保证得到满足性能要求的陶瓷刚玉磨料即可，优选的，所述烧制的时间为0.5～1h。进一步优选的，在升温至1300～1500℃进行烧制之前，先在800℃保温2h。为形成更加稳定的微晶结构，优选的，由室温升温至800℃的速度为30-100℃/h，由800℃升温至1300～1500℃的速度为100～200℃/h。
本发明的磨具的技术方案是：
一种磨具，由磨料和结合剂制成，磨料包含上述空心氧化铝球基复合磨料。
基于上述空心氧化铝球基复合磨料的特性，含有上述空心氧化铝球基复合磨料的磨具，具有强度大、锋利性好、磨削效率高、寿命长的特点。
附图说明
图1为现有技术中空心氧化铝球的微晶形貌；
图2为现有技术中空心氧化铝球的外观形貌；
图3为现有技术中陶瓷刚玉磨料的微晶形貌；
图4为现有技术中陶瓷刚玉磨料的外观形貌；
图5为本发明实施例中制备复合磨料的工艺流程图；
图6为本发明实施例制备的复合磨料的结构示意图；
其中，1-空心氧化铝球基体，2-球壁部分，3-包覆部分。
具体实施方式
本发明主要利用空心氧化铝球的空心特性和微晶结构，以及陶瓷刚玉磨料的微晶结构和优异的磨削性能，把二者结合起来，复合为一种空心氧化铝球基纳米陶瓷刚玉磨料。
空心氧化铝球采用熔融喷吹法制成，其是以铝氧粉为原料，用电弧炉熔融，熔液流出时用0.5～0.6MPa的高压空气喷吹，使之成为空心球。其颗粒尺寸0.5～5.5mm；堆积密度1.46g/cm3；颗粒密度3.94g/cm3；熔点2050℃；化学成分：Al2O3 98.3％～99.3％、SiO2＜0.08％、Fe2O3＜0.10％、Na2O 0.03～0.60％。它具有α-Al2O3微晶体结构，晶体尺寸在100μm以内，其微晶形貌见图1。其外观形貌见图2。
陶瓷刚玉磨料(通称“SG磨料”)是通过特殊引晶凝胶***烧结而成。其颗粒密度3.85g/cm3以上；化学成分Al2O3 99.6％以上；显微硬度在1900～2400HV(白刚玉WA：1850HV)。它具有α-Al2O3微晶体结构，一次晶体尺寸在300～500nm以内，其微晶形貌见图3。其外观形貌见图4。
熔融喷吹法制成的空心氧化铝球一般具有开口气孔结构，将溶胶-凝胶工艺制得的胶体涂附在空心氧化铝球上后，经过烧制时的收缩，形成的陶瓷刚玉磨料部分嵌入空心氧化铝球的球壁内，并利用与空心氧化铝球的晶体结构的相同性，在高温作用下形成共熔体，加强球壁的强度并能够参与磨削，从磨具应用具体实例可知，磨具的磨削性能得到较大提高。
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。
一、本发明的空心氧化铝球基复合磨料的制备方法的具体实施例
实施例1
本实施例的空心氧化铝球基复合磨料的制备方法，工艺流程图如图5所示，包括以下步骤：
(1)凝胶制备：称取200g的拟薄水铝石加550ml去离子水，在球磨罐中进行球磨2h后，取出浆液，在75℃的水浴槽中加热，缓慢加入稀硝酸80ml(水、浓硝酸体积比＝1:7，浓硝酸的浓度为65％)进行搅拌20min后，迅速加入600毫升硝酸镁、硝酸镧、硝酸铱混合溶液(其中硝酸镁、硝酸镧、硝酸铱的浓度分别为0.03、0.01、0.01mol/L)，制成稀胶体备用；
(2)涂胶：称取1000g空心球氧化铝(粒径0.5～1.0mm)，然后称取步骤1)中制得的稀胶体150g，将两者进行混合，待胶体完全吸附到空心氧化铝球表面后，整个涂胶过程结束；
(3)干燥：将涂好胶体的空心氧化铝球放在搪瓷托盘中在75℃的干燥箱内进行干燥8h，取出检查是否有粘连，若有过筛分离即可。得到干燥的带有胶粒附着层的空心氧化铝球；
(4)入炉烧制：将干燥的带有胶粒附着层的空心氧化铝球置入马弗炉中烧制，其中窑炉温度为从室温升温至800℃，升温速度为30℃/h，并在800℃保温2h，然后800℃升至1300℃，升温速度为100℃/h，在1300℃保温0.5h，然后随炉冷却至室温，出窑即得空心氧化铝球基复合磨料。
实施例2
本实施例的空心氧化铝球基复合磨料的制备方法，与实施例1的制备方法基本相同，区别仅在于：
(1)凝胶制备：加入稀硝酸形成溶胶后，加入600毫升硝酸镁、硝酸铈、硝酸钴混合的溶液(其中硝酸镁、硝酸铈、硝酸钴的浓度分别为0.03、0.01、0.01mol/L)，制成稀胶体备用；
(2)涂胶：称取1000g空心球氧化铝(粒径0.2～0.5mm)，然后称取步骤1)中制得的稀胶体100g，将两者进行混合，待胶体完全吸附到空心氧化铝球表面后，整个涂胶过程结束；
(4)入炉烧制：将干燥的带有胶粒附着层的空心氧化铝球置入马弗炉中烧制，其中窑炉温度为从室温升温至800℃，升温速度为50℃/h，并在800℃保温2h，然后800℃升至1500℃，升温速度为150℃/h，在1500℃保温0.5h，然后随炉冷却至室温，出窑即得空心氧化铝球基复合磨料。
实施例3
本实施例的空心氧化铝球基复合磨料的制备方法，与实施例1的制备方法基本相同，区别仅在于：
(1)凝胶制备：加入稀硝酸形成溶胶后，加入600毫升硝酸镁、硝酸铱、硝酸镧混合的溶液(其中硝酸镁、硝酸铱、硝酸镧的浓度分别为0.03、0.01、0.01mol/L)，制成稀胶体备用；
(2)涂胶：称取1000g空心球氧化铝(粒径1.0～1.5mm)，然后称取步骤1)中制得的稀胶体180g，将两者进行混合，待胶体完全吸附到空心氧化铝球表面后，整个涂胶过程结束；
(4)入炉烧制：将干燥的带有胶粒附着层的空心氧化铝球置入马弗炉中烧制，其中窑炉温度为从室温升温至800℃，升温速度为100℃/h，并在800℃保温2h，然后800℃升至1450℃，升温速度为200℃/h，在1450℃保温0.5h，然后随炉冷却至室温，出窑即得空心氧化铝球基复合磨料。
二、本发明空心氧化铝球基复合磨料，分别对应上述实施例1～3的空心氧化铝球基复合磨料的制备方法所得产品，其结构示意图如图6所示，具有以下共同特征：
空心氧化铝球基复合磨料，包括空心氧化铝球基体1和复合在空心氧化铝球基体上陶瓷陶瓷刚玉磨料；空心氧化铝球、陶瓷刚玉磨料均为α-Al2O3晶体结构，陶瓷刚玉磨料包括嵌入空心氧化铝球的球壁中并与空心氧化铝球的球壁复合为一体的球壁部分2，以及包覆在空心氧化铝球的球壁外的包覆部分3。
三、本发明的磨具的具体实施例
实施例4
本实施例的磨具，由以下重量份的原辅材料制成：铬刚玉磨料100#0.875kg，白刚玉磨料WA80#0.875kg，结合剂0.25kg，糊精粉0.0375kg，糊***0.0625kg，实施例1所得空心氧化铝球基复合磨料(1#磨料，粒径0.5～1.0mm)0.050kg。其结合剂成分的质量配比为：粘土粉25～30g，钾长石粉35～40g，硼玻璃粉30～35g，碳酸锂5～10g。
具体制备过程如下：
(1)混料：先将铬刚玉磨料和白刚玉磨料在逆流混料锅内加入糊***进行湿混，混均后加入结合剂和糊精粉进行干混，带混均后再加入1#磨料混均，过筛备用。
(2)压制：将成型料放入模具，按照配方压力7.5MPa，在压机内进行压制，脱模后，放入干燥炉干燥。
(3)干燥：将湿坯放入干燥室干燥，干燥温度120℃，时间7h。
(4)烧成：将干燥好的坯体进行检查，没有质量问题后，放入窑炉进行烧成，烧成温度依据结合剂耐火度设定终温1050℃。
(5)加工、检验：将烧好坯体按照要求的形状、尺寸、精度进行加工，然后进行检验，回转强度按照使用速度60m/s检验，合格后包装入库。
本实施例的磨具的尺寸：外径*厚度*孔径400*20*127(mm)PA100/WA 80H 60m/s，成型密度1.8㎏/m3，以1#空心氧化铝球基复合磨料为造孔剂，成型投料单重2.5kg。
四、实验例
实验例1
本实验例1检测实施例1～3所得空心氧化铝球基复合磨料的性能，结果如表1所示。
表1实施例1～3的复合磨料的性能
Figure BDA0003008240500000061
实验例2
以飞机发动零件为磨削对象，检测实施例4的磨具和原磨具的磨削效果，结果如表2所示。
表2不同磨具的磨削效果对比
比较项目 实施例4 原使用磨具(注)
回转强度 60m/s 50m/s
成品密度 1.85㎏/m<sup>3</sup> 2.00㎏/m<sup>3</sup>
气孔率 50％ 45％
磨具表面 无粘着、无堵塞 有粘着、有堵塞
工作表面 无烧伤，粗糙度Ra0.6 轻微烧伤，粗糙度Ra0.8
磨削效率 5件/分 2件/分
磨具寿命 2周 1周
(注：原使用磨具为外径*厚度*孔径400*20*127(mm)PA100/WA80 H 50m/s微气孔砂轮，以有机物精萘为造孔剂。)
从上表2中可以看出：1)实施例4的磨具气孔率增大，密度减小，磨具强度反而增强；
2)磨削特别锋利，这是因为本发明的新型复合磨料改变了磨料的切削力，避免了过多滑、擦耕犁现象，使磨削区域内的磨削热减小，相应的工件表面塑性流变也小，这些现象和数据从实际应用的角度强有力地印证了对新型磨料进行的理论分析是非常合理和切合实际的。

Claims (10)

1.一种空心氧化铝球基复合磨料，其特征在于，包括空心氧化铝球基体和复合在空心氧化铝球基体上陶瓷刚玉磨料；所述空心氧化铝球、陶瓷刚玉磨料均为α-Al2O3晶体结构，所述陶瓷刚玉磨料包括嵌入空心氧化铝球的球壁中并与空心氧化铝球的球壁复合为一体的球壁部分，以及包覆在空心氧化铝球的球壁外的包覆部分。
2.一种空心氧化铝球基复合磨料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将空心氧化铝球和制备陶瓷刚玉磨料的凝胶体混合，干燥，得到带有胶粒附着层的空心氧化铝球；
2)将带有胶粒附着层的空心氧化铝球在1300～1500℃下烧制。
3.如权利要求2所述的空心氧化铝球基复合磨料的制备方法，其特征在于，所述制备陶瓷刚玉磨料的凝胶体是以拟薄水铝石为原料，酸为胶溶剂，金属硝酸盐为凝胶剂，通过溶胶-凝胶工艺形成。
4.如权利要求3所述的空心氧化铝球基复合磨料的制备方法，其特征在于，每200g拟薄水铝石，对应凝胶体的体积为1000～1300ml。
5.如权利要求4所述的空心氧化铝球基复合磨料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，每1000g空心氧化铝球对应凝胶体的用量为100～300g。
6.如权利要求3所述的空心氧化铝球基复合磨料的制备方法，其特征在于，每200g拟薄水铝石，对应稀硝酸的用量为70～90ml，对应金属硝酸盐的用量为0.02～0.04mol；所述稀硝酸由硝酸、水按体积比1:6～8稀释而成。
7.如权利要求3或6所述的空心氧化铝球基复合磨料的制备方法，其特征在于，所述金属硝酸盐选自硝酸镁、硝酸镧、硝酸铈、硝酸钴、硝酸铱、硝酸铁中的两种或两种以上。
8.如权利要求2所述的空心氧化铝球基复合磨料的制备方法，其特征在于，所述空心氧化铝球的粒径为0.5～5.0mm。
9.如权利要求2～6中任一项所述的空心氧化铝球基复合磨料的制备方法，其特征在于，所述烧制的时间为0.5～1h。
10.一种磨具，由磨料和结合剂制成，其特征在于，磨料包含权利要求1所述的空心氧化铝球基复合磨料。
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