一种微晶氧化铝研磨介质及其制备方法与流程

1.本发明涉及先进陶瓷技术领域，尤其涉及一种微晶氧化铝研磨介质及其制备方法，和一种耐磨陶瓷研磨介质及其制备方法。


背景技术：

2.研磨介质是冶金学术语，磨机中靠自身的冲击力和研磨力将物料粉碎的载能体。最常用的研磨介质为球介质和棒介质，有些情况下采用圆台、柱球、短圆棒等不规则形体，此称异形介质。制作研磨介质的材料多为经特殊加工的铸铁或合金，其次有陶瓷、氧化铝等。
3.目前随着超细粉体行业发展迅速，而其发展必不可缺的设备是球磨机和砂磨机，这些设备中都必须使用研磨介质。现今已有高性能陶瓷研磨介质在球磨机中使用，由于陶瓷研磨介质的密度较金属铁的密度小很多，在相同或陶瓷研磨体略高的填充率条件下，陶瓷研磨体的装载重量仅为金属的50-60％，使球磨机的电耗能够大幅度降低，为企业的节能降耗提供了技术保证。
4.而陶瓷研磨介质中，微晶氧化铝研磨介质具有耐腐蚀、研磨效率高和品质好等优良性能，广泛地应用于选矿、陶瓷、电子材料、磁性材料、以及涂料、油漆等行业，当氧化铝研磨介质应用在湿磨行业中，具有优异的研磨效果。但目前氧化铝研磨介质通常采用的是将固体原材料经过物理混合、研磨、制粉、成型及烧成，往往只在宏观物理层面混合，其均匀性很难得到保证，而且物理研磨及混合时间长，能耗升高，在烧成的过程中由于其不均匀性造成内部缺陷很多，很难生产出质量非常高的产品。


技术实现要素：

5.本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种微晶氧化铝研磨介质及其制备方法，和一种耐磨陶瓷研磨介质及其制备方法。
6.一种微晶氧化铝研磨介质，其组分包括：陶瓷金属氧化物和黏土，陶瓷金属氧化物和黏土的质量比为18-19：1-2；其中，陶瓷金属氧化物为铝元素-镁元素-钙元素的复合氧化物，铝元素、镁元素、钙元素的摩尔比为44.5-97.5：1.2-2.1：0.88-0.92。
7.上述微晶氧化铝研磨介质的制备方法，包括如下步骤：
8.(1)将水溶性铝盐、水溶性镁盐、水溶性钙盐溶于水中，调节体系成碱性，将沉淀进行焙烧，焙烧温度为900-1000℃，得到陶瓷金属氧化物；
9.(2)将陶瓷金属氧化物和黏土加入水中混合均匀，再加入聚乙烯醇混合均匀得到浆料，然后喷雾造粒，成型，1400-1500℃烧结得到微晶氧化铝研磨介质。
10.优选地，聚乙烯醇的型号为usp25，其平均分子量为16000-20000，ph值为5-8。
11.优选地，步骤(1)中，采用尿素或者氨水调节体系ph值至12-14。
12.优选地，步骤(1)中，水溶性铝盐、水溶性镁盐、水溶性钙盐中阴离子相同，阴离子为氯离子或硝酸根离子。
13.优选地，步骤(2)中，陶瓷金属氧化物和黏土的质量之和为a，聚乙烯醇的质量为b，a：b＝100：0.3-0.5。
14.优选地，步骤(2)中，将陶瓷金属氧化物和黏土加入水中后，其固含量为55-60％。
15.本发明采用水溶性金属盐(水溶性铝盐、水溶性镁盐、水溶性钙盐)制成金属盐溶液，使其在水体系中进行分子级别混合，达到混合的极致；再通过调节ph值，使其共同沉淀成固体，再通过喷雾造粒方式进行固液分离，将造粒与分离一步完成，造粒后进行成型，然后烧结得到。
16.上述方案具有以下优点：
17.(1)各种原辅材料都是在溶液状态下混合，分散混合极为均匀；
18.(2)混合后各种原辅材料都是纳米级的，极容易烧结，可以在较低的温度下烧成，而烧成温度低又保证产品具有极好的耐磨性。
19.一种耐磨陶瓷研磨介质，在上述微晶氧化铝研磨介质外侧包覆耐磨陶瓷层，耐磨陶瓷层的厚度为2-2.5mm，致密度99.1-99.8％；耐磨陶瓷层的原料包括：氮化硅、碳化硅、三氧化二钇、氮化铝、氮化钛、氧化镁、致密化剂、增粘剂。
20.优选地，氮化硅、碳化硅、三氧化二钇、氮化铝、氮化钛、氧化镁、致密化剂、增粘剂的质量比为5-15：10-20：1-3：0.1-1：0.1-0.5：1-2：1-2：1-2。
21.优选地，三氧化二钇的粒径为0.15-0.3μm，氮化铝的粒径为0.1-0.5μm，氮化钛的粒径为0.1-0.35μm，氧化镁的粒径为0.1-0.2μm。
22.优选地，致密化剂为粒径为0.4-0.6μm的高岭石，增粘剂为粒径为0.5-1.5μm的钼铁粉。
23.上述耐磨陶瓷研磨介质的制备方法，包括如下步骤：
24.s1、对上述微晶氧化铝研磨介质表面进行喷砂粗糙处理，再采用干燥空气进行洁净处理得到预处理基材；
25.s2、将氮化硅、碳化硅、三氧化二钇、氮化铝、氮化钛、氧化镁、致密化剂、增粘剂混合研磨，干燥，粉碎得到陶瓷粉末料；
26.s3、将陶瓷粉末料送入至等离子喷涂设备对预处理基材进行喷涂，得到预喷涂基材；
27.喷涂参数如下：氩气的流量为70-80l/min，氧气的流量为20-30l/min；工作电流为350a，工作电压为110v；
28.送粉器送粉气体为氩气，氩气流量为50-60l/min；
29.喷嘴距离预处理基材距离为10-15cm，喷嘴的移动速度为0.02-0.04m/s；
30.s4、将预喷涂基材从室温升温至800-1000℃，保温1-2h，真空炉的真空度保持在0.001-0.005pa，随炉冷却至室温得到耐磨陶瓷研磨介质。
31.优选地，s2中，混合研磨至粒度为20-50μm。
32.优选地，s4中，从室温升温至800-1000℃的过程中，升温速度为2-6℃/min。
33.上述方案的技术效果如下所示：
34.(1)氮化硅与碳化硅配合作为主料，在其中加入氧化镁与氮化钛，既可有效提高基体韧性，又可细化陶瓷晶体过度长大和分层，而其具有的纳米晶结构和高强韧性，可快速释放高温过程产生的局部热应力；相对传统多次喷涂所得耐磨陶瓷层，本发明一次涂覆即可
达到厚度2-2.5mm，而且耐磨陶瓷层的致密度可达99.1-99.8％。
35.(2)一般来说，材料的高温热稳定性和硬度往往呈平衡状态，高温热稳定性得到提高，则会导致硬度发生降低。
36.本发明进一步加入三氧化二钇、氮化铝、氮化钛，形成氮氧化合物并以纳米颗粒的形式呈弥散分布在耐磨陶瓷层中，起到弥散强化作用，而且由于氧含量的增加，进一步细化耐磨陶瓷层晶粒尺寸，综合作用下既保证高温热稳定性，又使耐磨陶瓷层硬度值高。
37.(3)高温真空回火过程中，800-1000℃高温处理使体系中的氧不仅与耐磨陶瓷层的铝结合，而且产物与微晶氧化铝研磨介质中氧化铝相同，使耐磨陶瓷层与微晶氧化铝研磨介质结合紧密，不易出现剥落现象，同时氧化铝又阻止氮化铝的聚集，从而有效促使氧化铝在耐磨陶瓷层中的充分扩散，产物硬度进一步增强。
38.(4)本发明陶瓷粉末料的成分和比例合适，采用等离子喷涂设备电流稳定，所得耐磨陶瓷层平整致密，与微晶氧化铝研磨介质结合强度好，表现出良好的硬度，同时可快速释放高温过程产生的局部热应力，显著提高部件的使用精度和寿命。
附图说明
39.图1为实施例1所得陶瓷金属氧化物的电镜扫描图。
40.图2为实施例1所得92％氧化铝陶瓷研磨体的电镜扫描图。
41.图3和图4为实施例2所得90％氧化铝陶瓷研磨体的电镜扫描图。
42.图5和图6为实施例3所得95％氧化铝陶瓷研磨体的电镜扫描图。
43.图7为实施例8和对比例1-2所得外侧陶瓷层的硬度对比图。
具体实施方式
44.下面结合具体实施例对本发明作进一步解说。
45.实施例1
46.一种微晶氧化铝研磨介质的制备方法，包括如下步骤：
47.i、将alcl3、mgcl2、cacl2各自配成溶液，浓度为10％，溶剂采用去离子水；
48.ii、将步骤i中溶液按照重量比alcl3：mgcl2：cacl2＝62：1.95：1进行配比，然后混合，搅拌；
49.iii、将尿素加入到步骤ii得到的混合溶液中，调节ph值在12-14之间，同时搅拌；
50.iv、将步骤iii所得物料静置60分钟，然后压滤，得到滤饼。
51.v、将步骤iv所得物料滤饼在900℃进行焙烧得到陶瓷金属氧化物，将所得陶瓷金属氧化物进行电镜扫描，如图1所示。
52.vi、将步骤v所得陶瓷金属氧化物92％、黏土8％加水，在球磨机内混合，固相含量为55％，形成泥浆，加入0.4％的聚乙烯醇usp25得到浆料。
53.vii、将步骤vi所得浆料喷雾造粒后成型，在1450-1470℃即可烧成，得到92％氧化铝陶瓷研磨体。
54.而通常92％氧化铝研磨体需要1550-1600℃烧成。
55.按《jc/t848.1-2010氧化铝研磨球行业标准》对本实施例所得92％氧化铝陶瓷研磨体进行检测，其密度》3.85g/cm3，当量磨耗《0.01
‰
。对本实施例所得92％氧化铝陶瓷研
磨体进行电镜扫描，如图2所示。
56.实施例2
57.一种微晶氧化铝研磨介质的制备方法，包括如下步骤：
58.i、将alcl3、mgcl2、cacl2各自配成溶液，浓度为10％，溶剂采用去离子水；
59.ii、将步骤i中溶液按照重量比alcl3：mgcl2：cacl2＝60：1.95：1进行配比，然后混合，搅拌；
60.iii、将尿素加入到步骤ii得到的混合溶液中，调节ph值在12-14之间，同时搅拌；
61.iv、将步骤iii所得物料静置90分钟，然后压滤，得到滤饼。
62.v、将步骤iv所得物料滤饼在1000℃进行焙烧得到陶瓷金属氧化物；
63.vi、将步骤v所得陶瓷金属氧化物90％、黏土10％加水，在球磨机内混合，固相含量为60％，形成泥浆，加入0.4％的聚乙烯醇usp25得到浆料；
64.vii、将步骤vi所得浆料喷雾造粒后成型，在1400-1450℃即可烧成，得到90％氧化铝陶瓷研磨体。
65.而通常90％氧化铝研磨体需要1550℃烧成。
66.按《jc/t848.1-2010氧化铝研磨球行业标准》对本实施例所得90％氧化铝陶瓷研磨体进行检测，其密度》3.75g/cm3，当量磨耗《0.005
‰
。对本实施例所得90％氧化铝陶瓷研磨体进行电镜扫描，如图3和图4所示。
67.实施例3
68.一种微晶氧化铝研磨介质的制备方法，包括如下步骤：
69.i、将alcl3、mgcl2、cacl2各自配成溶液，浓度为10％，溶剂采用去离子水；
70.ii、将步骤i中溶液按照重量比alcl3：mgcl2：cacl2＝130：1.2：1进行配比，然后混合，搅拌；
71.iii、将尿素加入到步骤ii得到的混合溶液中，调节ph值在12-14之间，同时搅拌；
72.iv、将步骤iii所得物料静置75分钟，然后压滤，得到滤饼。
73.v、将步骤iv所得物料滤饼在950℃进行焙烧得到陶瓷金属氧化物；
74.vi、将步骤v所得陶瓷金属氧化物95％、黏土5％加水，在球磨机内混合，固相含量为58％，形成泥浆，加入0.4％的聚乙烯醇usp25得到浆料；
75.vii、将步骤vi所得浆料喷雾造粒后成型，在1500℃即可烧成，得到95％氧化铝陶瓷研磨体。
76.而通常95％氧化铝研磨体需要1650℃烧成。
77.按《jc/t848.1-2010氧化铝研磨球行业标准》对本实施例所得95％氧化铝陶瓷研磨体进行检测，其密度》3.90g/cm3，当量磨耗《0.005
‰
。对本实施例所得95％氧化铝陶瓷研磨体进行电镜扫描，如图5和图6所示。
78.通过实施例1-3的相关结果证实：采用本发明的方法所得微晶氧化铝研磨介质的微观结构均匀，内部缺陷少，性质均一，品质优良，而且不需要长时间混合或者研磨，同时烧成温度低于现有常规手段约100-150℃，有效降低能耗。
79.实施例4
80.一种耐磨陶瓷研磨介质的制备方法，包括如下步骤：
81.s1、对实施例3所得氧化铝陶瓷研磨体表面进行喷砂粗糙处理，采用干燥空气对其
表面进行洁净处理得到预处理基材；
82.s2、将5kg氮化硅、10kg碳化硅、1kg粒径为0.15-0.3μm的三氧化二钇、0.1kg粒径为0.1-0.5μm的氮化铝、0.1kg粒径为0.1-0.35μm的氮化钛、1kg粒径为0.1-0.2μm氧化镁、1kg粒径为0.4-0.6μm的高岭石、1kg粒径为0.5-1.5μm的钼铁粉混合研磨至粒度为20-50μm，干燥，粉碎得到陶瓷粉末料；
83.s3、将陶瓷粉末料送入至等离子喷涂设备对预处理基材进行喷涂，喷涂过程参数：氩气的流量为70l/min，氧气的流量为20l/min；工作电流为350a，工作电压为110v；送粉器送粉气体为氩气，氩气流量为50l/min；喷嘴距离预处理基材距离为10cm，喷嘴的移动速度为0.02m/s，得到预喷涂基材；
84.s4、将预喷涂基材加入至真空炉中，以2℃/min的速度从室温升温至800℃，保温1h，真空炉的真空度保持在0.001pa，随炉冷却至室温得到耐磨陶瓷研磨介质。
85.耐磨陶瓷层的厚度为2mm，致密度为99.18％。
86.实施例5
87.一种耐磨陶瓷研磨介质的制备方法，包括如下步骤：
88.s1、对实施例3所得氧化铝陶瓷研磨体表面进行喷砂粗糙处理，采用干燥空气对其表面进行洁净处理得到预处理基材；
89.s2、将15kg氮化硅、20kg碳化硅、3kg粒径为0.15-0.3μm的三氧化二钇、1kg粒径为0.1-0.5μm的氮化铝、0.5kg粒径为0.1-0.35μm的氮化钛、2kg粒径为0.1-0.2μm氧化镁、2kg粒径为0.4-0.6μm的高岭石、2kg粒径为0.5-1.5μm的钼铁粉混合研磨至粒度为20-50μm，干燥，粉碎得到陶瓷粉末料；
90.s3、将陶瓷粉末料送入至等离子喷涂设备对预处理基材进行喷涂，喷涂过程参数：氩气的流量为80l/min，氧气的流量为30l/min；工作电流为350a，工作电压为110v；送粉器送粉气体为氩气，氩气流量为60l/min；喷嘴距离预处理基材距离为15cm，喷嘴的移动速度为0.04m/s，得到预喷涂基材；
91.s4、将预喷涂基材加入至真空炉中，以6℃/min的速度从室温升温至1000℃，保温2h，真空炉的真空度保持在0.005pa，随炉冷却至室温得到耐磨陶瓷研磨介质。
92.耐磨陶瓷层的厚度为2.5mm，致密度为99.36％。
93.实施例6
94.一种耐磨陶瓷研磨介质的制备方法，包括如下步骤：
95.s1、对实施例3所得氧化铝陶瓷研磨体表面进行喷砂粗糙处理，采用干燥空气对其表面进行洁净处理得到预处理基材；
96.s2、将8kg氮化硅、17kg碳化硅、1.5kg粒径为0.15-0.3μm的三氧化二钇、0.7kg粒径为0.1-0.5μm的氮化铝、0.2kg粒径为0.1-0.35μm的氮化钛、1.7kg粒径为0.1-0.2μm氧化镁、1.2kg粒径为0.4-0.6μm的高岭石、1.8kg粒径为0.5-1.5μm的钼铁粉混合研磨至粒度为20-50μm，干燥，粉碎得到陶瓷粉末料；
97.s3、将陶瓷粉末料送入至等离子喷涂设备对预处理基材进行喷涂，喷涂过程参数：氩气的流量为73l/min，氧气的流量为28l/min；工作电流为350a，工作电压为110v；送粉器送粉气体为氩气，氩气流量为52l/min；喷嘴距离预处理基材距离为13cm，喷嘴的移动速度为0.025m/s，得到预喷涂基材；
98.s4、将预喷涂基材加入至真空炉中，以5℃/min的速度从室温升温至850℃，保温1.8h，真空炉的真空度保持在0.002pa，随炉冷却至室温得到耐磨陶瓷研磨介质。
99.耐磨陶瓷层的厚度为2.4mm，致密度为99.53％。
100.实施例7
101.一种耐磨陶瓷研磨介质的制备方法，包括如下步骤：
102.s1、对实施例3所得氧化铝陶瓷研磨体表面进行喷砂粗糙处理，采用干燥空气对其表面进行洁净处理得到预处理基材；
103.s2、将12kg氮化硅、13kg碳化硅、2.5kg粒径为0.15-0.3μm的三氧化二钇、0.3kg粒径为0.1-0.5μm的氮化铝、0.4kg粒径为0.1-0.35μm的氮化钛、1.3kg粒径为0.1-0.2μm氧化镁、1.8kg粒径为0.4-0.6μm的高岭石、1.4kg粒径为0.5-1.5μm的钼铁粉混合研磨至粒度为20-50μm，干燥，粉碎得到陶瓷粉末料；
104.s3、将陶瓷粉末料送入至等离子喷涂设备对预处理基材进行喷涂，喷涂过程参数：氩气的流量为77l/min，氧气的流量为22l/min；工作电流为350a，工作电压为110v；送粉器送粉气体为氩气，氩气流量为58l/min；喷嘴距离预处理基材距离为11cm，喷嘴的移动速度为0.035m/s，得到预喷涂基材；
105.s4、将预喷涂基材加入至真空炉中，以3℃/min的速度从室温升温至950℃，保温1.2h，真空炉的真空度保持在0.004pa，随炉冷却至室温得到耐磨陶瓷研磨介质。
106.耐磨陶瓷层的厚度为2.2mm，致密度为99.70％。
107.实施例8
108.一种耐磨陶瓷研磨介质的制备方法，包括如下步骤：
109.s1、对实施例3所得氧化铝陶瓷研磨体表面进行喷砂粗糙处理，采用干燥空气对其表面进行洁净处理得到预处理基材；
110.s2、将10kg氮化硅、15kg碳化硅、2kg粒径为0.15-0.3μm的三氧化二钇、0.5kg粒径为0.1-0.5μm的氮化铝、0.3kg粒径为0.1-0.35μm的氮化钛、1.5kg粒径为0.1-0.2μm氧化镁、1.5kg粒径为0.4-0.6μm的高岭石、1.6kg粒径为0.5-1.5μm的钼铁粉混合研磨至粒度为20-50μm，干燥，粉碎得到陶瓷粉末料；
111.s3、将陶瓷粉末料送入至等离子喷涂设备对预处理基材进行喷涂，喷涂过程参数：氩气的流量为75l/min，氧气的流量为25l/min；工作电流为350a，工作电压为110v；送粉器送粉气体为氩气，氩气流量为55l/min；喷嘴距离预处理基材距离为12cm，喷嘴的移动速度为0.03m/s，得到预喷涂基材；
112.s4、将预喷涂基材加入至真空炉中，以4℃/min的速度从室温升温至900℃，保温1.5h，真空炉的真空度保持在0.003pa，随炉冷却至室温得到耐磨陶瓷研磨介质。
113.耐磨陶瓷层的厚度为2.3mm，致密度为99.79％。
114.对比例1
115.一种陶瓷研磨介质的制备方法，包括如下步骤：
116.s1、对实施例3所得氧化铝陶瓷研磨体表面进行喷砂粗糙处理，采用干燥空气对其表面进行洁净处理得到预处理基材；
117.s2、将10kg氮化硅、15kg碳化硅、2kg粒径为0.15-0.3μm的三氧化二钇、0.5kg粒径为0.1-0.5μm的氮化铝、1.5kg粒径为0.1-0.2μm氧化镁、1.5kg粒径为0.4-0.6μm的高岭石、
1.6kg粒径为0.5-1.5μm的钼铁粉混合研磨至粒度为20-50μm，干燥，粉碎得到陶瓷粉末料；
118.s3、将陶瓷粉末料送入至等离子喷涂设备对预处理基材进行喷涂，喷涂过程参数：氩气的流量为75l/min，氧气的流量为25l/min；工作电流为350a，工作电压为110v；送粉器送粉气体为氩气，氩气流量为55l/min；喷嘴距离预处理基材距离为12cm，喷嘴的移动速度为0.03m/s，得到预喷涂基材；
119.s4、将预喷涂基材加入至真空炉中，以4℃/min的速度从室温升温至900℃，保温1.5h，真空炉的真空度保持在0.003pa，随炉冷却至室温得到陶瓷研磨介质。
120.对比例2
121.一种陶瓷研磨介质的制备方法，包括如下步骤：
122.s1、对实施例3所得氧化铝陶瓷研磨体表面进行喷砂粗糙处理，采用干燥空气对其表面进行洁净处理得到预处理基材；
123.s2、将10kg氮化硅、15kg碳化硅、2kg粒径为0.15-0.3μm的三氧化二钇、0.3kg粒径为0.1-0.35μm的氮化钛、1.5kg粒径为0.1-0.2μm氧化镁、1.5kg粒径为0.4-0.6μm的高岭石、1.6kg粒径为0.5-1.5μm的钼铁粉混合研磨至粒度为20-50μm，干燥，粉碎得到陶瓷粉末料；
124.s3、将陶瓷粉末料送入至等离子喷涂设备对预处理基材进行喷涂，喷涂过程参数：氩气的流量为75l/min，氧气的流量为25l/min；工作电流为350a，工作电压为110v；送粉器送粉气体为氩气，氩气流量为55l/min；喷嘴距离预处理基材距离为12cm，喷嘴的移动速度为0.03m/s，得到预喷涂基材；
125.s4、将预喷涂基材加入至真空炉中，以4℃/min的速度从室温升温至900℃，保温1.5h，真空炉的真空度保持在0.003pa，随炉冷却至室温得到陶瓷研磨介质。
126.采用显微维氏硬度计测量实施例8和对比例1-2所得外侧陶瓷层的硬度。测量时加载量为200mg，加载时间为15s，为了尽量避免基体对测量的涂层硬度值的影响，压痕的深度不应超过涂层厚度的1/10。
127.如图7所示，实施例8所得陶瓷研磨介质的耐磨陶瓷层硬度最高，可达9.36gpa。
128.本技术人认为：本发明通过三氧化二钇、氮化铝，形成氮氧化合物并以纳米颗粒的形式呈弥散分布在涂层中，起到弥散强化作用，而且由于氧含量的增加，进一步细化涂层晶粒尺寸，使涂层硬度值高。
129.再参照《jc/t848.1-2010氧化铝研磨球行业标准》对实施例8和对比例1-2所得陶瓷研磨介质的耐冲击性能和耐磨性能进行检测。具体如下：
[0130] 实施例8对比例1对比例2耐冲击性能无裂痕无破碎无裂痕无破碎产生裂纹当量磨耗，
‰
《0.0010.0030.002
[0131]
上述结果说明：实施例8所得陶瓷研磨介质的耐冲击性能和耐磨性能最佳。
[0132]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。