改进的溶胶-凝胶法氧化铝磨料制造技术

一种引入晶种溶胶－凝胶法氧化铝磨料颗粒，其中，磨粒含有少量的金属氧化物杂质，这些杂质选自碱金属、碱土金属、过渡金属、稀土金属的氧化物和二氧化硅，其中氧化钙的含量小于１００ｐｐｍ，杂质的总量小于４０００ｐｐｍ，所有的杂质均以各自元素的氧化物计。（*该技术在2016年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
专利技术的背景本专利技术涉及氧化铝磨料颗粒，尤其涉及研磨性能改进的引入晶种溶胶-凝胶法氧化铝磨料。这些氧化铝是由亚微米的α氧化铝晶体构成的，磨料颗粒经烧结达到基本上完全的理论密度，即超出α氧化铝密度理论值的95％。引入晶种溶胶-凝胶法氧化铝磨料常规的制备方法如下将亚微米粒度的α氧化铝颗粒均匀分散在α氧化铝前体(通常是，但不必需是勃姆石)的水分散体中，如溶胶或凝胶中。然后除去水，将混合物在形成α氧化铝的转变温度以上煅烧，此时并将其烧结至基本上为理论密度。例如在USP 4,623,364中描述了一种简单的引入晶种的溶胶-凝胶方法。煅烧工序完成以下任务将经干燥的凝胶中存在的过渡的氧化铝形态转化成α形态，对α氧化铝进行烧结，使得其中残留的孔隙闭合，并确保颗粒具有适用于磨料的足够密度和硬度。已知处于烧结温度的时间过长会导致晶体成长，引入晶种溶胶-凝胶法材料的烧结温度一般在1300至1400℃之间，比非引入晶种溶胶-凝胶法氧化铝的烧结温度高出100℃。因为研磨性能的降低与晶体成长有关，所以通常不希望晶体成长，因此将具有限制晶体成长作用的某些氧化物加入凝胶通常被认为是合适的。USP 4,314,827在非引入晶种溶胶-凝胶方法中，将氧化镁和氧化锆用于此用途，而USP 4,623,364在引入晶种的溶胶-凝胶方法中，加入了二氧化硅、氧化锆和氧化铬用于此用途。尽管如此，USP 4,314,827由于在专利中未指明的原因，将显著量的氧化钙和碱金属氧化物从其所申请的专利技术范围中断然除去了。在更近一些的时候，人们发现，混入少量的稀土金属氧化物、氧化钇、过渡金属氧化物和氧化锂而制得的产物得到了有利的结果，而不论凝胶中是否引入晶种。例如参见USPP 4,770,671；4,881,951；5,188,908；5,190，567；5,192,339；5,215,551；5,387,268和5,403,795，以及欧洲申请408,771594,455；561,865和622,438。现已发现，应该将这些少量组分的用量控制在较窄的范围内，以便用引入晶种的溶胶-凝胶方法制备出最好的磨料氧化铝颗粒。鉴于许多专利指出混入少量的氧化物的有益作用是来改善晶体结构的晶粒边界或者在这些晶粒边界处形成分离相，这是有一些令人奇怪的。专利技术的概述本专利技术提供一种以氧化铝为基的引入晶种溶胶-凝胶法的磨料颗粒，该种磨粒含有少量选自碱金属、碱土金属、过渡金属、稀土金属的化合物和二氧化硅的杂质，其中钙的含量小于100ppm，杂质的总量小于4000ppm，所有的杂质均以各自元素的氧化物计。基于杂质总量的钙重量百分数宜小于5％。本专利技术的另一方面是提供一种引入晶种溶胶-凝胶法氧化铝磨料的制备方法，它包括形成α氧化铝前体在水中的分散体，向其中加入用量最高约为10％(重量)亚微米α氧化铝材料，为前体转化成α相提供成核中心，然后除去水，在足以形成α氧化铝，并烧结氧化铝至基本上为理论密度的温度进行煅烧，所用的材料是经过挑选的，使得经煅烧的氧化铝由α氧化铝和金属氧化物杂质组成，其中，氧化钙的总重量小于100ppm，金属氧化物杂质的总量小于约4000ppm，所有的杂质均以它们的氧化物计。氧化钙的含量宜小于所有杂质总重量的5％。在本专利技术的文本中，术语“杂质”用于表示存在于最终磨料颗粒中除氧化铝以外的所有金属氧化物组分。它们通常形成分离相(如氧化镁与一些氧化铝形成尖晶石)，或者聚集在晶体(或磨粒)边界上。因此，本专利技术甚至将那些作为烧结助剂或晶体成长抑制剂加入的物质也看作是“杂质”。金属氧化物杂质的来源可以有许多。这些杂质可能来自氧化铝前体，也可能来自制备前体中所用的微量催化剂。这些是基本的杂质来源，因为目前可得的高质量勃姆石含有2000ppm的二氧化钛和更少量的二氧化硅、氧化镁和氧化铁。如果所用的水是市用自来水，那么该水中会含有不少金属化合物，如钙和镁的化合物(含量取决于水源)，在氧化铝煅烧后，这些化合物变成氧化物留在其中。如果使用酸来胶溶前体分散体的话，在溶液中就会有金属杂质。α氧化铝晶种即成核材料会含有大量的二氧化硅和其它杂质，特别是如果该晶种是使用不纯的α氧化铝介质(它会含有例如显著量的二氧化硅、苏打和氧化钙)在球磨机中研磨水分散体得到的话。要避免这些杂质可以通过下述方法来实现选用高纯度的材料或者对原材料经过离子交换处理，降低金属氧化物杂质的总含量，直至小于氧化铝总重量的4000ppm，较好的小于3000ppm，最好小于2000ppm。我们发现，在杂质的总量中，氧化钙的含量十分重要。在本专利技术组合物中它的实际量要小于100ppm，小于60ppm较好，小于50ppm更好。氧化钙在杂质中所占的比例较好是小于5％，少于2％更好，小于约1％最好，这里的百分数以重量计。用于本说明书的术语“金属氧化物”应理解成是在α氧化铝烧结温度下，在含氧气氛中最稳定的相关元素氧化物。在用于计算金属氧化物杂质的量时，将二氧化硅看作金属氧化物，而将金属硅酸盐和尖晶石看作是各金属氧化物组分的混合物。用于本专利技术方法的α氧化铝前体较好的是勃姆石，更好的是BET表面积至少为150米2/克的勃姆石，最好的是BET表面积约为200米2/克(如200至400米2/克)的勃姆石。值得注意的是我们发现，当使用BET表面积为200-400米2/克的勃姆石，同时材料经过挑选使得产物的杂质总含量在3000ppm以下时，会得到晶体尺寸小于150纳米(如小于120纳米)的α氧化铝，即基本上不存在大于所述这些尺寸的晶体，这里的晶体尺寸是用平均截距法测量的。由于晶体尺寸较小与改进研磨性能密切相关，因此这是一个重要的发现。较好的是通过研磨细的α氧化铝颗粒来得到α氧化铝晶种材料，因为这种晶种材料所含的杂质量通常低于使用不纯的氧化铝介质和进料水在球磨机中得到的品种材料所得的杂质量。然而，在使用这种“研磨水”(milled water)源的情况下，以下方法能够使得杂质的含量落到可以接受的含量范围内；即对“研磨水”进行离子交换，或者有时甚至对水介质进行反复分离并用去离子水代替直至可溶的杂质基本上从分散体中完全去除为止。α氧化铝晶种材料较好的BET表面积超过100米2/克，如100至200米2/克。较佳实施方案的描述现结合以下一些实施例对本专利技术作进一步描述，这些实施例应该被认为仅作说明之用，而并不意味对本专利技术范围的必然限制。实施例1由于杂质的主要来源是过程用水，所以进行两个平行实施例，它们的唯一区别是在本专利技术的操作全过程中使用去离子的过程用水，在比较实施例中使用一般的自来水。在上述的每个实施例中，在水中悬浮着BET表面积为180-190米2/克的市售勃姆石以及亚微米的α氧化铝成核材料。所得的溶胶使用硝酸进行胶溶，使其形成凝胶。将该凝胶挤压成形，干燥，粉碎成较粗等级的粒状材料。然后，将其在回转窖中进行煅烧，直至完全转化成α氧化铝并烧结至密度为3.87克/厘米3(g/cc)，在本工艺的实践中，这意味着至少约有97％的理论密度。对经煅烧的材料分级，分离出80粒度(使用ANSI标准)的细粒用于性能测定。测出每种样品的硬度至少为20Gpa，α氧化铝的平均晶体尺寸小于0.2微米(用截距法测量)。如上所述，在这两种制备实施例中，不同的是在加入水或酸的各处使用去离子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：A·K·豪恩德，A·K·加格，R·鲍尔，
申请(专利权)人：圣戈本陶瓷及塑料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：