CN102732214A - 一种含有复相添加剂的陶瓷刚玉磨料 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含有复相添加剂的陶瓷刚玉磨料，以工业硫酸铝Al2(SO4)3·18H2O为原料，引入的复相添加剂占最终磨料的质量百分比为1～5%；所述复相添加剂为CuO-TiO2-SiO2体系，以质量百分比含量为：8%~45%Cu(NO3)·3H2O，30%~60%C16H36O4Ti，20%~40%C8H20O4Si的形式引入。制备过程中以氨水为沉淀剂，反应后调节pH值在9~10之间，采用溶胶-凝胶法制备Al(OH)3前驱体，再经造粒、过筛等过程，于1300℃~1400℃下锻烧获得陶瓷刚玉磨料。本发明降低了刚玉磨料的烧结温度和能源消耗，提高了磨料的抗压强度和磨削性能，并改善了显微结构，进一步延长了磨料的使用寿命。
Description
技术领域
本发明关于磨削加工磨料的，特别涉及一种含有复相添加剂的陶瓷刚玉磨料（SG磨料）。
背景技术
磨料的出现和使用是人类文明史上的一大突破，随着工业和科学技术的发展，磨料的使用范围日益广泛，对其性能的要求也越来越高。陶瓷刚玉磨料（即SG磨料）自问世以来，由于其自锐性好、韧性好、耐用度高等一系列优点，受到了国内外的广泛关注，其既可以应用于韧性不锈钢、耐热合金等一系列难磨削材料方面，也可以用于一般材料的精密和高效磨削，因此在许多工业领域有很大的应用潜力，已成为世界范围内研究的重点。目前，国内市场上高品级的陶瓷刚玉磨料和砂轮仍依赖进口，且价格昂贵，因此，国内许多学者积极致力于该磨料的工业化生产及应用。
陶瓷刚玉磨料（即SG磨料）是采用湿化学法制备，需经高温烧结晶型转变、致密而达到磨料级硬度，由于纯氧化铝的烧结扩散活化能较高，低温下难以烧结，过高的温度又易引起晶粒异常长大，破坏其显微结构的均匀性，进而损害烧结制品强度、韧性等一系列的机械性能。因此，如何降低刚玉的烧结温度，优化其微观结构，一直以来是陶瓷刚玉磨料制备研究的热点之一。研究者发现通过添加少量烧结助剂或采用先进的烧结方法等均可以在相对较低的温度下获得理想的磨料，其中，少量添加剂的引入，在降低生产成本的基础上，助烧效果更为显著。1961年Coble首次报道了MgO的引入对氧化铝烧结的促进作用，由此引起了各种添加剂对刚玉磨料性能的研究。TiO2，CaO，SiO2，Cr2O3，MgO，MnO2和Y2O3等均是已得到证实的Al2O3烧结助剂，可有效降低氧化铝陶瓷的烧结温度，获得良好的微观形貌。如Erkalfa认为MnO2引入Al2O3中时，导致扩散机理由晶界扩散主导变为体积扩散为主，其添加量为0.3wt%时烧结速率达到最大，此时刚玉材料具有最佳的耐磨性；Hamano系统研究了各稀土氧化物对微晶氧化铝烧结的影响，发现Sm2O3和Er2O3能提高烧结速率，Er2O3亦能显著抑制晶粒团聚长大。但目前为止，有关添加剂的文献报道多用在氧化铝陶瓷的生产中，应用于刚玉磨料制备方面的相关报道很少，且尚未见有关于CuO-TiO2-SiO2复相添加剂体系的专利或相关文献报道。
发明内容
本发明的目的是，通过一种有效降低产品烧结温度和提升产品使用性能的添加剂体系，提供一种可以促进刚玉磨料烧结、降低生产能耗的含有复相添加剂的陶瓷刚玉磨料。
本发明通过如下技术方案予以实现：
一种含有复相添加剂的陶瓷刚玉磨料，制备过程中以工业硫酸铝（Al2(SO4)3·18H2O）为原料，引入的复相添加剂占最终磨料的质量百分比为1～5%；
所述复相添加剂为CuO-TiO2-SiO2添加剂体系，是以Cu(NO3)·3H2O、C16H36O4Ti和C8H2O4Si的形式引入，其各占复相添加剂的质量百分比含量为：8%~45%Cu(NO3)·3H2O，30%~60%C16H36O4Ti，20%~40%C8H20O4Si。
所述含有复相添加剂的陶瓷刚玉磨料的制备方法，具有如下步骤：
（1）采用工业硫酸铝Al2(SO4)3·18H2O为原料，溶于水后经过滤去除杂质，配制成铝离子浓度为0.3mol/L的溶液；
（2）在步骤（1）的溶液中加入浓度为1mol/L的氨水溶液，在常温下磁力搅拌使其完全凝胶化，调节pH值在9~10之间，再经抽滤、洗涤得Al(OH)3凝胶；
（3）按化学计量比将复相添加剂加入步骤（2）的凝胶中，以水为介质，采用刚玉磨球，湿法球磨使其充分混匀后，在80℃下干燥24小时得到干凝胶，再经过筛、造粒工艺获得原料颗粒；
（4）将步骤（3）中的原料颗粒在1300℃~1400℃下煅烧，再经筛分得不同粒度的刚玉磨料。
所述含有复相添加剂的刚玉磨料的显微结构均匀致密，晶粒生长呈等轴状，尺寸在200nm~1μm之间。
本发明与现有技术相比较的有益结果是，提供了一种复相添加剂体系,拓宽了刚玉磨料制备过程中添加剂体系的选择范围，有效降低了含有复相添加剂的陶瓷刚玉磨料的烧结温度，提高了刚玉磨料的单颗料抗压强度和冲击韧性，因而大大降低了磨料的生产成本，降低了能耗，且优化了显微结构，进一步延长了磨料的使用寿命。
采用CuO-TiO2-SiO2复相添加剂体系制得的刚玉磨料，相对于已知的其他添加剂体系，磨料显微结构更加致密，晶粒生长更加均匀、完善，因而其抗压强度提高到以往刚玉磨料的1.5~2倍，磨削效率比普通刚玉砂轮提高25%以上，使用寿命亦得到相应的延长。
具体实施方式
下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
本发明均采用工业硫酸铝为原料，氨水为沉淀剂，各实施例均以制备2g的刚玉磨料为基准称量原料，引入的添加剂占最终制得磨料的质量百分比范围为1%~5%。
实施例1
首先将13.17g硫酸铝Al2(SO4)3·18H2O溶于水中，过滤去除杂质，配成铝离子浓度为0.3mol/L的溶液；
向上述溶液中加入浓度为1mol/L的氨水溶液，在常温下磁力搅拌2小时使其完全凝胶化，调节最终pH值为9.2，再经抽滤、洗涤得Al(OH)3凝胶；
将4wt%的添加剂加入凝胶中，以水为介质，用刚玉磨球，湿法球磨使其充分混匀；所述添加剂的成分及质量百分比含量为8%Cu(NO3)·3H2O，60%C16H36O4Ti，32%C8H20O4Si；
将含有添加剂的凝胶在80℃下干燥24小时得到干凝胶，再经过筛、造粒获得原料颗粒；
将所得原料颗粒在1300℃下煅烧，再经筛分得到刚玉磨料。
实施例2
首先将13.17g硫酸铝Al2(SO4)3·18H2O溶于水中，过滤去除杂质，配成铝离子浓度为0.3mol/L的溶液；
向上述溶液中加入浓度为1mol/L的氨水溶液，在常温下磁力搅拌2小时使其完全凝胶化，调节最终pH值为9.5，再经抽滤、洗涤得Al(OH)3凝胶；
将5wt%的添加剂加入凝胶中，以水为介质，用刚玉磨球，湿法球磨使其充分混匀；所述添加剂的成分及质量百分比含量为45%Cu(NO3)·3H2O，35%C16H36O4Ti，20%C8H20O4Si；
将含有添加剂的凝胶在80℃下干燥24小时得到干凝胶，再经过筛、造粒等工艺获得原料颗粒；
将所得原料颗粒在1300℃下煅烧，再经筛分得刚玉磨料。
实施例3
首先将13.17g硫酸铝Al2(SO4)3·18H2O溶于水中，过滤去除杂质，配成铝离子浓度为0.3mol/L的溶液；
向上述溶液中加入浓度为1mol/L的氨水溶液，在常温下磁力搅拌2小时使其完全凝胶化，调节最终pH值为10，再经抽滤、洗涤得Al(OH)3凝胶；
将1wt%的添加剂加入凝胶中，以水为介质，用刚玉磨球，湿法球磨使其充分混匀；所述添加剂的成分及重量百分比含量为36%Cu(NO3)·3H2O，30%C16H36O4Ti，34%C8H20O4Si；
将含有添加剂的凝胶在80℃下干燥24小时得到干凝胶，再经过筛、造粒等工艺获得原料颗粒；
将所得原料颗粒在1400℃下煅烧，再经筛分得刚玉磨料。
实施例4
首先将13.17g硫酸铝Al2(SO4)3·18H2O溶于水中，过滤去除杂质，配成铝离子浓度为0.3mol/L的溶液；
向上述溶液中加入浓度为1mol/L的氨水溶液，在常温下磁力搅拌2小时使其完全凝胶化，调节最终pH值为9，再经抽滤、洗涤得Al(OH)3凝胶；
将2.5wt%的添加剂加入凝胶中，以水为介质，用刚玉磨球，湿法球磨使其充分混匀；所述添加剂的成分及质量百分比含量为32%Cu(NO3)·3H2O，44%C16H36O4Ti，24%C8H20O4Si；
将含有添加剂的凝胶在80℃下干燥24小时得到干凝胶，再经过筛、造粒等工艺获得原料颗粒；
将所得原料颗粒在1400℃下煅烧，再经筛分得刚玉磨料。
以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，本发明并不局限于上述几例实施过程，很多细节的变化是可能的，并不因此违背本发明的精神。
Claims (2)
1.一种含有复相添加剂的陶瓷刚玉磨料，制备过程中以工业硫酸铝Al2(SO4)3·18H2O为原料，引入的复相添加剂占最终磨料的质量百分比为1～5%；
所述复相添加剂为CuO-TiO2-SiO2添加剂体系，是以Cu(NO3)·3H2O、C16H36O4Ti和C8H2O4Si的形式引入，其各占复相添加剂的质量百分比含量为：8%~45%Cu(NO3)·3H2O，30%~60%C16H36O4Ti，20%~40%C8H20O4Si。
所述含有复相添加剂的陶瓷刚玉磨料的制备方法，具有如下步骤：
（1）采用工业硫酸铝Al2(SO4)3·18H2O为原料，溶于水后经过滤去除杂质，配制成铝离子浓度为0.3mol/L的溶液；
（2）在步骤（1）的溶液中加入浓度为1mol/L的氨水溶液，在常温下磁力搅拌使其完全凝胶化，调节pH值在9~10之间，再经抽滤、洗涤得Al(OH)3凝胶；
（3）按化学计量比将复相添加剂加入步骤（2）的凝胶中，以水为介质，采用刚玉磨球，湿法球磨使其充分混匀后，在80℃下干燥24小时得到干凝胶，再经过筛、造粒工艺获得原料颗粒；
（4）将步骤（3）中的原料颗粒在1300℃~1400℃下煅烧，再经筛分得不同粒度的刚玉磨料。
2.根据权利要求1的一种含有复相添加剂的陶瓷刚玉磨料，其特征在于，所述含有复相添加剂的刚玉磨料的显微结构均匀致密，晶粒生长呈等轴状，尺寸在200nm~1μm之间。
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