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CN107352983A - 一种纳米陶瓷磨料的制备方法 - Google Patents

一种纳米陶瓷磨料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明是一种纳米陶瓷磨料的制备方法，其步骤如下：选用氧化铝或氧化铝和氧化锆的混合物作为原料，其中氧化铝的重量百分比为50‑100wt%，氧化锆的重量百分比为0‑50wt%；将上述氧化铝或氧化铝和氧化锆的混合物加工成粉末，过100目筛，后通过高温火焰设备加热融化得到熔融的粉末粒子，将熔融的粉末粒子直接喷射到蒸馏水中急速冷却，冷却速率为106 ‑107K/s，形成具有纳米晶结构的颗粒，再烘干筛分即得纳米陶瓷磨料。本发明采用的原料简单，廉价易得，制备的磨料具有超细纳米晶粒和良好的强度以及优异的耐磨性能，且工艺简洁易操作，适于大规模化生产。

Description

一种纳米陶瓷磨料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种磨料的制备方法，特别是一种纳米陶瓷磨料的制备方法。
背景技术
自从十九世纪末人造刚玉磨料的首次研制成功以来，由于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，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。然而普通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，基本上都是由大单晶组成，磨削性能差，因此这类刚玉磨料难以磨削一些高温合金和高硬度淬冷钢。
上世纪八十年代初期以Norton公司和3M公司为代表，采用溶胶一凝胶工艺成功研制出陶瓷刚玉磨料(商品名SG磨料和Cubitron系列磨料)，一次晶粒在0.2～5m 范围之内，具有比普通白刚玉小几百倍的晶粒尺寸，因此表现出许多不同于传统刚玉磨料的特性。陶瓷微晶磨料是一种新型的氧化铝系磨料，具有细小的晶体结构，比传统的刚玉磨料硬度高，韧性大，有极好的自锐性。利用它研制的砂轮具有磨削效率高、寿命长、磨削热量少等特点。微晶刚玉磨料的使用面日益扩大，被认为是世界上磨削加工领域的一大技术成就。
随着科学技术的进步和新材料的不断涌现，军工、航空航天、能源、汽车、轨道交通等国家重点发展领域和战略性新兴产业对磨料磨具提出了更高的发展需求。陶瓷刚玉磨料将是向着具有高硬度、高韧性及细晶结构的方向发展，以满足高速、重负荷、强力磨削和精密磨削的工艺要求。晶粒尺寸大小与磨料的磨削性能、抗压强度、冲击韧性及硬度等力学性能密切相关。具有微米级，甚至纳米级结构的陶瓷刚玉磨料粒径更小，自锐性更好，制成的砂轮磨削性能更稳定，更适于精密磨削和抛光等高档磨削领域。但是由于氧化铝烧结扩散活化能较高，低温下难于烧结，而且晶粒容易长大，不易控制其晶态结构。因此，目前国内外还未有晶粒尺寸小于lOOnm的高性能陶瓷刚玉磨料。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种原料廉价易得，加工方法简单，能制得具有纳米晶结构，韧性和强度高的纳米陶瓷磨料的制备方法。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的，本发明是一种纳米陶瓷磨料的制备方法，其特点是，其步骤如下：
（1）选用氧化铝或氧化铝和氧化锆的混合物作为原料，其中氧化铝的重量百分比为50-100wt%，氧化锆的重量百分比为0-50wt%；
（2）将上述氧化铝或氧化铝和氧化锆的混合物加工成粉末，过100目筛，后通过高温火焰设备加热融化得到熔融的粉末粒子，将熔融的粉末粒子直接喷射到蒸馏水中急速冷却，冷却速率为106 -107K/s，形成具有纳米晶结构的颗粒，再烘干筛分即得纳米陶瓷磨料。
通过氧乙炔喷枪得到的粉末为流动性好的球形颗粒，相结构分析显示为纳米晶结构，纳米陶瓷磨料的晶粒尺寸为45-55nm，显微硬度Hv > 22MPa，韧性KIc > 4.0 MPa.m1/2。
以上所述的本发明纳米陶瓷磨料的制备方法技术方案中：当原料为氧化铝和氧化锆的混合物时，通过湿法球磨混合18-25小时，后在80℃-120℃温度下烘干即得粉末。
以上所述的本发明纳米陶瓷磨料的制备方法技术方案中：所述高温火焰设备为氧乙炔火焰粉末喷枪。
以上所述的本发明纳米陶瓷磨料的制备方法技术方案中：所述火焰温度为15000K -20000K，所述粉末的飞行速度为 150 m/s -300m/s。
与现有技术相比，本发明具有以下其特点：
(1)晶粒尺寸细小。普通熔融刚玉磨料晶体尺寸在50微米左右甚至更大。而同样粒度的纳米晶陶瓷每颗磨粒是由上万个纳米级的细小晶体所组成，磨粒晶体尺寸为普通刚玉磨粒晶体尺寸的千分之一。
(2)优良的自锐性。磨粒在磨削过程中能够不断暴露出新的切削刃，可以使砂轮保持较高的磨削稳定性。纳米晶陶瓷磨料自锐性好，不堵塞，可以保持稳定的磨削性能，因而可以减少修正量，可以减少修正次数，提高生产效率。
（3）使用本磨料制得的磨具切削能力强，磨削效率较高。可进行大切深、大进给、重负荷和高效磨削。金属磨除率可比普通刚玉砂轮高50％以上。提高生产效率，降低劳动成本。
（4）在性能上远优于普通刚玉磨料，在价格上远低于CBN和金刚石磨料，不存在CBN和金刚石在磨削设备方面的特殊要求及修正方面的困难，对磨削液也没有特殊的要求。
具体实施方式
以下进一步描述本发明的具体技术方案，以便于本领域的技术人员进一步地理解本发明，而不构成对其权利的限制。
实施例1，一种纳米陶瓷磨料的制备方法，其步骤如下：选用氧化铝作为原料，过100目筛，后粉末通过氧乙炔火焰粉末喷枪加热融化得到熔融的粉末粒子，所述氧乙炔火焰粉末喷枪的火焰温度为16000 K，粉末的飞行速度为 180 m/s，将熔融的粉末粒子直接喷射到常温蒸馏水中急速冷却，冷却速率为106 -107K/s，形成具有纳米晶结构的颗粒，再烘干筛分即得纳米陶瓷磨料。在通过氧乙炔喷枪得到的粉末为流动性好的球形颗粒，相结构分析显示为纳米晶结构，晶粒尺寸<100 nm。
实施例2，一种纳米陶瓷磨料的制备方法，其步骤如下：选用含氧化铝80wt%，氧化锆20wt%的混合物作为原料，加入到球磨机中，并向球磨机中加入适量异丙醇和氧化铝磨球，湿法球磨混合20小时，混合后的粉末在100℃温度下烘干后，过100目筛即得粉末，后粉末通过氧乙炔火焰粉末喷枪加热融化得到熔融的粉末粒子，所述氧乙炔火焰粉末喷枪的火焰温度为18000 K，粉末的飞行速度为 300 m/s，将熔融的粉末粒子直接喷射到常温蒸馏水中，熔化后的粉末粒子经急速冷却后形成具有纳米晶结构的颗粒，冷却速率为106K/s，再烘干筛分即得纳米陶瓷磨料。
在通过氧乙炔喷枪得到的粉末为流动性好的球形颗粒，其显微硬度Hv > 22MPa；韧性KIc > 4.0 MPa.m1/2。
实施例3，一种纳米陶瓷磨料的制备方法，其步骤如下：选用含氧化铝70wt%，氧化锆30wt%的混合物作为原料，加入到球磨机中，并向球磨机中加入适量异丙醇和氧化铝磨球，湿法球磨混合25小时，混合后的粉末在110℃温度下烘干后，过100目筛即得粉末，后粉末通过氧乙炔火焰粉末喷枪加热融化得到熔融的粉末粒子，所述氧乙炔火焰粉末喷枪的火焰温度为19000 K，粉末的飞行速度为 280 m/s，将熔融的粉末粒子直接喷射到常温蒸馏水中，熔化后的粉末粒子经急速冷却后形成具有纳米晶结构的颗粒，冷却速率为106K/s，再烘干筛分即得纳米陶瓷磨料。

Claims (4)

1.一种纳米陶瓷磨料的制备方法，其特征在于，其步骤如下：
（1）选用氧化铝或氧化铝和氧化锆的混合物作为原料，其中氧化铝的重量百分比为50-100wt%，氧化锆的重量百分比为0-50wt%；
（2）将上述氧化铝或氧化铝和氧化锆的混合物加工成粉末，过100目筛，后通过高温火焰设备加热融化得到熔融的粉末粒子，将熔融的粉末粒子直接喷射到蒸馏水中急速冷却，冷却速率为106 -107K/s，形成具有纳米晶结构的颗粒，再烘干筛分即得纳米陶瓷磨料。
2.根据权利要求1所述的纳米陶瓷磨料的制备方法，其特征在于：当原料为氧化铝和氧化锆的混合物时，通过湿法球磨混合18-25小时，后在80℃-120℃温度下烘干即得粉末。
3.根据权利要求1所述的纳米陶瓷磨料的制备方法，其特征在于：所述高温火焰设备为氧乙炔火焰粉末喷枪。
4.根据权利要求3所述的纳米陶瓷磨料的制备方法，其特征在于：所述火焰温度为15000 K -20000K，所述粉末的飞行速度为 150 m/s -300m/s。
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