本發(fā)明涉及金屬氧化物領(lǐng)域，尤其涉及金屬氧化物磨料，具體是指一種氧化鋁磨料的生產(chǎn)方法及其產(chǎn)品。
背景技術(shù)：
從1980年代早期開始，溶膠-凝膠技術(shù)開始用于提高氧化鋁磨料的性能，溶膠凝膠法應(yīng)用于涂附磨具和固結(jié)磨具時，與傳統(tǒng)電熔剛玉相比，磨削效率提升了50～100％，磨削壽命提升了3～5倍，對涂附磨具和固結(jié)磨具行業(yè)產(chǎn)生了沖擊性的影響。溶膠-凝膠法工藝使得氧化鋁顯微結(jié)構(gòu)的控制程度比電熔法工藝大的多。電熔法氧化鋁磨料的顯微結(jié)構(gòu)主要由熔體冷卻過程中的冷卻速度決定，冷卻速度越快，晶體尺寸越小，磨料的自銳性越好，韌性越好，磨削速度越快，磨削壽命越長，目前電熔法磨料的最快冷卻速度也只能使磨料的晶體尺寸在10微米以上，普通棕剛玉和白剛玉晶體尺寸在500微米左右，所以磨削性能有限。而溶膠-凝膠法工藝采用氧化鋁前軀體在水中形成納米級分散的溶膠，干燥過程中會形成凝膠，進一步干燥中破碎，再中高溫煅燒除去揮發(fā)物，最后在高溫?zé)Y(jié)形成致密氧化鋁陶瓷磨料。因為采用納米級的氧化鋁前軀體做原材料，燒結(jié)溫度較低燒結(jié)時間較短，形成的磨料氧化鋁晶體在0.15～3微米之間，所以溶膠-凝膠法磨料的晶體尺寸比電熔法小幾個數(shù)量級，從而磨料自銳性和韌性提高，磨削效率和壽命也得以提高。
在過去的幾十年中，許多公司都投入大量人力物力研發(fā)溶膠-凝膠法磨料。但市場化成功的產(chǎn)品主要只有2種，3m公司的cubitron321和諾頓的sg磨料。
1986年，諾頓公司發(fā)明了sg磨料，如美國專利號us4,623,364所描述，該磨料是主要由alpha氧化鋁構(gòu)成的陶瓷材料，晶體尺寸小于1微米，硬度大于16gpa，燒結(jié)密度大于90％(100％致密度的alpha氧化鋁密度是3.96)該磨料的合成方法是：先制備納米級分散的單水氫氧化鋁溶膠，在溶膠中加入1％或小于1％的非常細的alpha氧化鋁晶體，再干燥和燒結(jié)，將單水氫氧化鋁顆粒在1100攝氏度以下轉(zhuǎn)化成alpha氧化鋁，再在1500攝氏度以下燒結(jié)成磨料。該方法合成的溶膠凝膠法磨料是由亞微米的alpha氧化鋁形成的均一的單相結(jié)構(gòu)，沒有其它相增強或者增韌，在高壓力下磨削應(yīng)用時不如有增強增韌結(jié)構(gòu)的磨料。
1989年，3m公司發(fā)明了cubitron321磨料，如美國專利號us4,881,951所描述，該磨料的合成方法也是溶膠凝膠法：先把alpha單水氫氧化鋁分散到酸化的水中制備溶膠，在干燥過程中溶膠會變成凝膠，這就是溶膠-凝膠法工藝名稱的來源。干燥后的凝膠破碎形成具有一定粒度組成的顆粒，再煅燒除去單水氫氧化鋁中的化學(xué)結(jié)合水。金屬氧化物改性劑(la2o3、nd2o3、y2o3和mgo)通過它們的硝酸鹽溶液浸漬煅燒顆粒來加入。干燥后的浸漬顆粒再次煅燒將金屬硝酸鹽轉(zhuǎn)化為金屬氧化物，最后在1300～1450度間煅燒成陶瓷剛玉磨料。
cubitron321磨料由2種不同的相組成，alpha氧化鋁基體相由亞微米alpha氧化鋁晶體生產(chǎn)成的晶胞組成，晶胞大小為2-5微米。在晶胞內(nèi)和晶胞間是由化學(xué)式為mglnal11o19(其中l(wèi)n是la或者nd)稀土磁鉛石組成的片狀結(jié)構(gòu)。片狀結(jié)構(gòu)的厚度是0.2微米，直徑是1微米，起到增強氧化鋁基體的作用，使得磨料既硬度高(維氏>19gpa)又韌性大(斷裂韌性約4mpa*m0.5)，再加上與被磨削材料的化學(xué)惰性，使其成為最理想的磨料。
盡管cubitron321磨料具有上述的類似晶須增強陶瓷的復(fù)合結(jié)構(gòu)，但它的生產(chǎn)需要用到昂貴的稀土材料，與單相結(jié)構(gòu)的sg磨料相比成本較高，同時制造過程中煅燒稀土硝酸鹽會放出大量的氮氧化物污染環(huán)境，四種金屬硝酸鹽煅燒過程的化學(xué)變化如下：
mg(no3)2＝mgo+n2o5
2la(no3)3＝la2o3+3n2o5
2nd(no3)3＝nd2o3+3n2o5
2y(no3)3＝y(tǒng)2o3+2n2o5
cubitron321通常是由1.5％mgo、1.5％la2o3、1.5％nd2o3和1.5％y2o3改性，從上述化學(xué)變化可以看出，每生產(chǎn)1噸的cubitron321，如果沒有廢氣處理設(shè)備，會排放出氮氧化物91.4公斤，按國五汽油車氮氧化物排放標(biāo)準(zhǔn)0.06克/千米換算，相當(dāng)于1000輛汽油車開1500公里的氮氧化物排放量。
所以，很有必要發(fā)明出具有類似cubitron321這樣具有增強增韌兩相結(jié)構(gòu)的溶膠-凝膠法氧化鋁磨料，同時又不需要用到昂貴的稀土氧化物來降低原材料成本和減少氮氧化物廢氣排放。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是克服了上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，提供了一種具有增強增韌兩相結(jié)構(gòu)的溶膠-凝膠法氧化鋁磨料、同時不需要使用昂貴的稀土氧化物來降低原材料成本和減少氮氧化物廢氣排放的氧化鋁磨料的生產(chǎn)方法及其產(chǎn)品。
為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的氧化鋁磨料的生產(chǎn)方法及其產(chǎn)品具有如下構(gòu)成：
該氧化鋁磨料的生產(chǎn)方法，其主要特點是，所述的氧化鋁磨料的生產(chǎn)方法包括如下步驟：
步驟(1)：制備溶膠，將去離子水、分散的alpha單水氫氧化鋁和硝酸混合，制備溶膠分散體；
步驟(2)：引入晶種，向溶膠分散體中加入分散粒徑d50為100～200納米的alpha氧化鋁分散液作為晶種；
步驟(3)：引入增強材料，向溶膠分散體中繼續(xù)加入分散粒徑d50為1～5微米的氧化鋁顆粒作為增強材料；
步驟(4)：干燥，在80～100度的溫度下干燥脫水；
步驟(5)：破碎或者成型，將干燥后的顆粒破碎成預(yù)設(shè)粒度或成型為預(yù)設(shè)形狀；
步驟(6)：煅燒，在回轉(zhuǎn)爐里煅燒以除去殘余水分和揮發(fā)物；
步驟(7)：燒結(jié)，煅燒后的顆粒或成型物料加入到碳化硅管的旋轉(zhuǎn)爐中燒結(jié)以使顆粒致密化，制得氧化鋁磨料；
其中所述的氧化鋁磨料中氧化鋁的質(zhì)量含量大于99.5％，燒結(jié)密度大于3.85克/立方厘米。
優(yōu)選地，所述的步驟(1)具體為：
將去離子水、分散的alpha單水氫氧化鋁和硝酸在高剪切攪拌機或球磨機或砂磨機中混合，制備固含量為25％～30％的溶膠分散體。
較佳地，所述的步驟(2)中的分散粒徑d50為100～200納米的alpha氧化鋁分散液的制備方法為：
將納米級alpha氧化鋁粉末高速分散于去離子水中，形成20％質(zhì)量濃度的分散液，然后將所述的20％質(zhì)量濃度的分散液于氧化鋯襯套材質(zhì)的陶瓷納米砂磨機中磨至分散相粒徑d50為100～200納米，即形成分散粒徑d50為100～200納米的alpha氧化鋁分散液。
較佳地，所述的步驟(2)中加入的alpha氧化鋁相對于所述的磨料中氧化鋁的含量為0.5％～2％。
較佳地，所述的步驟(3)中分散粒徑d50為1～5微米的氧化鋁顆粒的長徑比大于1.5。
較佳地，所述的步驟(3)分散粒徑d50為1～5微米的氧化鋁顆粒為片狀氧化鋁、晶須狀氧化鋁或者纖維狀氧化鋁。
較佳地，所述的步驟(3)中的分散粒徑d50為1～5微米的氧化鋁顆粒先高速分散于水中，再加入溶膠分散體中凝膠。
較佳地，所述的步驟(3)中加入的氧化鋁顆粒相對于所述的磨料中氧化鋁的含量為3％～10％。
較佳地，步驟(6)中的煅燒溫度為500℃～850℃，煅燒時間為10～60分鐘，步驟(7)中的燒結(jié)溫度為1300℃～1450℃，燒結(jié)時間為5～120分鐘。
本發(fā)明還提供一種上述所述的氧化鋁磨料的生產(chǎn)方法生產(chǎn)的氧化鋁磨料，其主要特點是，所述的氧化鋁磨料由所述的生產(chǎn)方法生產(chǎn)，所述的氧化鋁磨料包括0.2～0.5微米的alpha氧化鋁晶體形成的基體和1～5微米alpha氧化鋁顆粒增強體。
本發(fā)明還提供一種上述所述的氧化鋁磨料的生產(chǎn)方法生產(chǎn)的涂附磨具產(chǎn)品，其主要特點是，所述的涂附磨具產(chǎn)品由所述的生產(chǎn)方法生產(chǎn)。
本發(fā)明還提供一種上述所述的氧化鋁磨料的生產(chǎn)方法生產(chǎn)的固結(jié)磨具產(chǎn)品，其主要特點是，所述的固結(jié)磨具產(chǎn)品由所述的生產(chǎn)方法生產(chǎn)。
采用了該發(fā)明中的氧化鋁磨料的生產(chǎn)方法及其產(chǎn)品，不需要浸漬工藝(cubitron321的稀土磁鉛石增強結(jié)構(gòu)是通過浸漬工藝加入的)的具有兩相結(jié)構(gòu)的溶膠-凝膠法氧化鋁磨料的生產(chǎn)方法，浸漬工藝需要2次高溫煅燒，會額外增加生產(chǎn)成本。利用顆粒相增韌陶瓷機理，在alpha單水氫氧化鋁溶膠中加入分散粒徑d50為100～200納米的alpha氧化鋁作為晶種來促進燒結(jié)形成亞微米級的alpha氧化鋁基體，同時加入粒徑大小d50為1～5微米的alpha氧化鋁顆?；蛘哐趸X纖維或者氧化鋁晶須作為增強結(jié)構(gòu)，與cubitron321原位形成稀土磁鉛石增強結(jié)構(gòu)相比，原材料成本低，同時沒有大量的氮氧化物廢氣排放。
附圖說明
圖1為本發(fā)明的氧化鋁磨料的生產(chǎn)方法工藝流程圖。
具體實施方式
為了能夠更清楚地描述本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，下面結(jié)合具體實施例來進行進一步的描述。
實施例1
本發(fā)明提供的氧化鋁磨料的生產(chǎn)方法包括如下步驟：
(1)制備溶膠，將去離子水、分散的alpha單水氫氧化鋁和硝酸混合，制備溶膠分散體，混合的設(shè)備可以是高剪切攪拌機或球磨機或砂磨機，制備的溶膠分散體的固含量在25％～30％之間。
(2)引入晶種，向溶膠分散體中加入分散粒徑d50為100～200納米的alpha氧化鋁分散液作為晶種。晶種可以促進燒結(jié)過程，降低燒結(jié)溫度和時間，減少氧化鋁晶體的增長，形成亞微米的alpha氧化鋁晶體形成的基體材料。
納米alpha氧化鋁晶種可從日本住友公司、大明公司或者其它公司購得，原晶大小約為30納米，alpha相的含量大于95％，純度大于99.9％。將納米級alpha氧化鋁粉末高速分散于去離子水中，形成20％濃度分散液，再于氧化鋯襯套材質(zhì)的陶瓷納米砂磨機中磨至分散相粒徑d50為100～200納米，制備成分散相粒徑d50為100～200納米的alpha氧化鋁分散液，將其加入制備好的溶膠中，相對于磨料中氧化鋁的含量，加入的納米alpha氧化鋁最佳范圍為0.5％～2％，加入量過低對燒結(jié)的促進作用有限，過高則增加生產(chǎn)成本，最佳地的含量為1％。
(3)引入增強材料，向溶膠分散體中繼續(xù)加入分散粒徑d50為1～5微米的氧化鋁顆粒作為增強材料。起增強作用的alpha氧化鋁，可為常見的由冶金級氧化鋁粉加硼酸或者氟化鋁高溫煅燒而得的較純alpha氧化鋁晶體，長徑比大于1.5的增強增韌作用最好，粒徑為1～5微米合適，過小顆粒相增韌效果不好，過大燒結(jié)過程中容易形成應(yīng)力缺陷。薄片狀、晶須狀或者纖維狀長徑比較大的alpha氧化鋁的增強增韌效果最好，可以完全和cubitron321的稀土磁鉛石片狀增強結(jié)構(gòu)相比，但是相應(yīng)的材料制備過程復(fù)雜，價格較高。增強氧化鋁顆粒先高速分散于水中，再加入單水氫氧化鋁溶膠中，加入后應(yīng)盡快凝膠，凝膠狀態(tài)可以阻止增強氧化鋁顆粒的沉降，避免增強氧化鋁顆粒在溶膠停止攪拌形成凝膠前在溶膠中分散不均勻。增強增韌用氧化鋁顆粒的加入量，相對于磨料中氧化鋁的含量，最佳范圍為3％～10％，加入量過低起不到顆粒相增強增韌作用，過高則影響磨料的燒結(jié)致密度。
(4)干燥：可在80～100度的溫度下干燥脫水，干燥時間由溫度和其它工藝而定。
(5)破碎或者成型：干燥后的顆粒破碎成涂附磨具行業(yè)常用的粒度范圍p24～p120目或者固結(jié)磨具行業(yè)常用的粒度范圍f24～f120目，或者用模具做成三角形或者五角形等適合磨削應(yīng)用的其它各種形狀。
(6)煅燒：干燥的凝膠在回轉(zhuǎn)爐里進一步煅燒除去殘余水分和其他揮發(fā)物，煅燒溫度為500℃～850℃，煅燒時間為10～60分鐘，較優(yōu)地煅燒時間低于30分鐘。
(7)燒結(jié)：煅燒后的顆?；虺尚臀锪霞尤氲教蓟韫艿男D(zhuǎn)爐中燒結(jié)以使顆粒致密化，制得氧化鋁磨料，燒結(jié)溫度為1300℃～1450℃，燒結(jié)時間為5～120分鐘。
按上述工藝，制得的氧化鋁磨料燒結(jié)后的密度為3.87克/立方厘米，適合用作涂附磨具用磨料。
本發(fā)明提供的溶膠-凝膠法氧化鋁磨料，氧化鋁含量大于99.5％，燒結(jié)密度大于3.85克/立方厘米，磨料顯微結(jié)構(gòu)由0.2～0.5微米的alpha氧化鋁晶體形成的基體和1～5微米alpha氧化鋁顆粒增強體所組成，其中的1～5微米的alpha氧化鋁增強顆?？梢詾殚L徑比大于1.5的高溫煅燒alpha氧化鋁，或長度為1～5微米的alpha氧化鋁纖維或片狀alpha氧化鋁。
美國專利號us4,252,544描述的是用粒徑為3～10微米的粗晶氧化鋁來增強增韌粒徑小于2微米的細晶氧化鋁形成的基體。但該專利所用的工藝不是溶膠-凝膠法工藝，而是傳統(tǒng)的燒結(jié)剛玉法工藝，燒結(jié)溫度高達1500度以上，燒結(jié)時間長達40分鐘以上，所用的原材料也不是高度分散可形成溶膠的alpha單水氫氧化鋁，而是傳統(tǒng)的拜耳法氧化鋁或者電熔法氧化鋁，制得的產(chǎn)品為傳統(tǒng)的燒結(jié)剛玉，氧化鋁純度只為98％以上，與本發(fā)明的溶膠凝膠法工藝形成的氧化鋁純度大于99.5％，磨料結(jié)構(gòu)是由粒徑為1～5微米alpha氧化鋁顆粒增強0.2～0.5微米alpha氧化鋁晶體形成的基體材料完全不同。
本發(fā)明的具有顆粒相增韌的溶膠-凝膠法氧化鋁磨料，通過在溶膠中加入100～200納米的alpha氧化鋁作為晶種，形成類似諾頓sg磨料的亞微米alpha氧化鋁晶體形成的基體材料，降低磨料的燒結(jié)溫度和燒結(jié)時間來降低磨料的晶體尺寸，在溶膠中加入的直徑1～5微米的alpha氧化鋁顆?；蚓ы毣蚶w維在基體材料中形成增強結(jié)構(gòu)，可以阻止裂紋在亞微米氧化鋁晶體形成的基體材料中擴展，從而提高磨料的韌性，提高磨料在磨削壓力較高條件下的磨削性能，具有類似cubitron321的稀土磁鉛石的增強增韌效果，而不需用用到昂貴的稀土材料和排放大量的氮氧化物廢氣。
采用了該發(fā)明中的氧化鋁磨料的生產(chǎn)方法及其產(chǎn)品，不需要浸漬工藝(cubitron321的稀土磁鉛石增強結(jié)構(gòu)是通過浸漬工藝加入的)的具有兩相結(jié)構(gòu)的溶膠-凝膠法氧化鋁磨料的生產(chǎn)方法，浸漬工藝需要2次高溫煅燒，會額外增加生產(chǎn)成本。利用顆粒相增韌陶瓷機理，在alpha單水氫氧化鋁溶膠中加入分散粒徑d50為100～200納米的alpha氧化鋁作為晶種來促進燒結(jié)形成亞微米級的alpha氧化鋁基體，同時加入粒徑大小d50為1～5微米的alpha氧化鋁顆?；蛘哐趸X纖維或者氧化鋁晶須作為增強結(jié)構(gòu)，與cubitron321原位形成稀土磁鉛石增強結(jié)構(gòu)相比，原材料成本低，同時沒有大量的氮氧化物廢氣排放。
在此說明書中，本發(fā)明已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本發(fā)明的精神和范圍。因此，說明書和附圖應(yīng)被認(rèn)為是說明性的而非限制性的。