煅燒工藝對(duì)溶膠凝膠制備微球形氧化鋁的影響

萬隆+劉會(huì)娟+王俊沙+韓永潛+方文俊+時(shí)丹

摘要：以工業(yè)級(jí)擬薄水鋁石為原料，采用溶膠凝膠及噴霧造粒技術(shù)制備球形氧化鋁粉料，將粉料置于馬弗爐中，分別在不同溫度下煅燒，采用SEM觀察獲得粉體的微觀形貌，XRD分析了不同煅燒溫度粉體的相組成，馬爾文激光粒度儀測(cè)定粉體的粒度組成，集成表面粗糙度儀測(cè)定被拋光工件的表面粗糙度.結(jié)果表明：經(jīng)噴霧造粒和煅燒后制得的粉料外形為球體；煅燒溫度逐步提高時(shí)，其物相的變化規(guī)律由γAl2O3轉(zhuǎn)變?yōu)棣華l2O3，再轉(zhuǎn)變?yōu)棣罙l2O3相；煅燒溫度過高時(shí)，將造成粉料顆粒間相互粘結(jié)，適當(dāng)延長(zhǎng)保溫時(shí)間會(huì)促使粒子沿著致密區(qū)長(zhǎng)大.并且，結(jié)晶度較好、粒度分布均勻的粉料拋光性能較好.

關(guān)鍵詞：溶膠凝膠；工藝噴霧造粒；微觀形貌；物相；拋光性

中圖分類號(hào)：TG732 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

氧化鋁是一種重要的工業(yè)材料，有著非常廣泛的用途.作為磨削和研磨材料，即通常所謂的剛玉磨料時(shí)，其具有高硬度和易于制備等特點(diǎn).剛玉磨料產(chǎn)品的傳統(tǒng)生產(chǎn)方法是用電能加熱電弧內(nèi)的氧化鋁粉末使之熔化，并最終全部轉(zhuǎn)變成高溫相氧化鋁熔塊（αAl2O3相），熔塊冷卻后再經(jīng)破碎和篩分等工藝，得到不同顆粒直徑的剛玉磨料.用這種方法制備的磨料晶粒粗大，硬度較高，易產(chǎn)生微裂紋，磨削時(shí)，磨粒破碎易從磨具上脫落，因此作為磨削和拋光材料還有些不足之處＼[1-2＼].隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新材料和難以加工材料的不斷涌現(xiàn)，對(duì)磨削加工精度、加工效率和加工能力都提出了新的挑戰(zhàn).

20世紀(jì)80年代中期，美國(guó)Norton公司研發(fā)出了主要用于研磨和拋光的，采用溶膠凝膠法（solgel）制備的新型剛玉磨料（sg磨料）.sg磨料具有韌性、自銳性、耐磨性好和加工精度高及使用壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)＼[3＼]，磨削和拋光性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通電熔剛玉磨料，價(jià)格則遠(yuǎn)低于金剛石和立方氮化硼（CBN）磨料，因而在諸多高端加工領(lǐng)域顯示出良好的應(yīng)用前景，近年來引起了國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注.

目前陶瓷剛玉磨料制備工藝大多是：溶膠凝膠、破碎、燒結(jié).本實(shí)驗(yàn)是將制得的鋁溶膠在凝膠前噴霧造粒，再將噴霧造粒后的粉料煅燒.避免了以往破碎過程中球磨介質(zhì)的混入，并且制得的粉料形狀較為規(guī)則.與以往研究者大多采用高純硝酸鋁或鋁酸鹽制備溶膠不同，本實(shí)驗(yàn)采用工業(yè)級(jí)擬薄水鋁石作為原料制備溶膠，成本較低.本文制備的球形氧化鋁具有較好的球形度，用于拋光研磨料時(shí)，可減少對(duì)工件表面的劃傷，提高工件表面質(zhì)量.

1實(shí)驗(yàn)

1.1原料

工業(yè)級(jí)擬薄水鋁石；硝酸：分析純； 去離子水：自制.

1.2實(shí)驗(yàn)過程

將擬薄水鋁石和去離子水按照質(zhì)量比20∶80的比例混合，機(jī)械攪拌均勻制成懸浮液.加熱懸浮液到60 ℃時(shí)保溫，機(jī)械攪拌的同時(shí)向其滴加質(zhì)量濃度為10%的HNO3溶液，使懸浮液形成溶膠，然后通過型號(hào)為WPG220的噴霧干燥器，在噴霧氣體壓力為0.3 MPa，干燥器內(nèi)溫度為220±5 ℃時(shí)噴霧造粒；造粒獲得的粉料干燥后置于馬弗爐中，分別在不同的最高煅燒溫度或不同保溫時(shí)間下煅燒，從而制得所需的試樣粉料.

1.3材料表征

用D5000型X射線衍射儀（XRD）分析了試樣粉料經(jīng)不同溫度煅燒后的物相組成，用JSM6700F場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡（SEM）觀察了試樣粉料在不同最高煅燒溫度及不同保溫時(shí)間條件下的微觀形貌，采用馬爾文激光粒度儀（mastersize，2000）測(cè)定試樣粉料經(jīng)不同溫度煅燒后的粒度分布情況.用JB4C型集成表面粗糙度儀測(cè)定經(jīng)不同溫度煅燒后粉料的拋光性能.

2結(jié)果和討論

2.1試樣的物相分析

從圖1可以看出，隨著煅燒溫度的升高，試樣的衍射峰變得更尖銳.在850 ℃和900 ℃煅燒時(shí)＼[4-5＼]，試樣的主晶相是γAl2O3，隨著溫度的升高，γAl2O3相的衍射峰增強(qiáng)，表明γAl2O3晶形趨于完整；當(dāng)煅燒溫度為1 000 ℃時(shí)，γAl2O3相開始向θAl2O3相轉(zhuǎn)變，煅燒溫度達(dá)到1 100 ℃時(shí)，θAl2O3相已全部轉(zhuǎn)化為αAl2O3相；當(dāng)煅燒溫度為1200 ℃時(shí)，其衍射峰變得更尖銳，說明較1 100 ℃時(shí)，αAl2O3相晶體發(fā)展得更完整.由此可知，隨著煅燒溫度的升高，粉料物相變化規(guī)律為：γAl2O3—θAl2O3—αAl2O3.

2.2試樣形貌觀察

2.2.1煅燒溫度對(duì)球形氧化鋁微觀形貌的影響

從圖中可以看出，經(jīng)噴霧造粒及煅燒后制得的氧化鋁大多為規(guī)則的球形.當(dāng)煅燒溫度為1 000 ℃時(shí)（圖2（a）），試樣分散性較好.當(dāng)煅燒溫度為1 100 ℃（圖2（b）），粉料之間發(fā)生少許粘結(jié)，煅燒溫度提高到1 200 ℃（圖2（c））時(shí)，較多球形磨料相互粘結(jié)在一起，形成較大的顆粒.這是因?yàn)轭w粒間的粘結(jié)一般是通過其表層原子的擴(kuò)散來完成物質(zhì)遷移的過程＼[8＼].在煅燒溫度低時(shí)，粉料內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散僅發(fā)生在晶格內(nèi)部，因此粉料在1 000 ℃煅燒時(shí)顆粒間幾乎無粘結(jié)的現(xiàn)象.隨著煅燒溫度的升高，粉料內(nèi)質(zhì)點(diǎn)的擴(kuò)散將不僅限于晶格內(nèi)，而且可以擴(kuò)散到晶格表面，甚至擴(kuò)散到與之相鄰的晶格內(nèi)，最后發(fā)展到在顆粒互相接觸點(diǎn)或接觸面上擴(kuò)散，甚至在顆粒間形成連接頸.煅燒溫度提高，在顆粒接觸面上，空位濃度提高，原子與空位交換位置，不斷向接觸面遷移，使頸長(zhǎng)大，顆粒間的接觸面增加，粘結(jié)力增強(qiáng)，從而顆粒間相互粘結(jié)在一起形成較大的二次顆粒.

2.2.2保溫時(shí)間對(duì)球形氧化鋁微觀形貌的影響

圖3為噴霧造粒后的粉料在最高煅燒溫度為1 100 ℃，保溫時(shí)間不同時(shí)試樣的SEM照片.

（a）60 min（b）120 min （c）180 min

從圖可以看出，當(dāng)保溫時(shí)間為60 min時(shí)（圖3（a）），粉料為較規(guī)則的球體，并且分散性較好；當(dāng)保溫時(shí)間為120 min時(shí)（圖3（b）），有些尺寸很小球形粉料與尺寸較大的球形粉料粘結(jié)在一起；當(dāng)保溫時(shí)間為180 min時(shí)（圖3（c）），磨料變?yōu)橥庑屋^不規(guī)則，且粘結(jié)在一起形成團(tuán)聚體.Zener＼[9，13＼]曾假定在三維情況下，新相為球體，X為粒子的半徑，只考慮尺寸大小，X與時(shí)間t的關(guān)系如公式所示： X=aλ（Dt）1/2，其中：D為擴(kuò)散系數(shù)，t為時(shí)間，單位為min.因?yàn)楫?dāng)煅燒溫度一定時(shí)，質(zhì)點(diǎn)之間的擴(kuò)散會(huì)存在一個(gè)動(dòng)態(tài)平衡，即擴(kuò)散系數(shù)D恒定.此時(shí)，顆粒尺寸只與燒結(jié)時(shí)間t有關(guān)，即保溫時(shí)間越長(zhǎng)，粒子的尺寸越大，但煅燒時(shí)的保溫時(shí)間超過一定值時(shí)，球形粒子的大小不再遵循Zener公式規(guī)則.因?yàn)榱Ｗ釉陂L(zhǎng)大“粗化”階段，當(dāng)新相成分與母相成分相同時(shí)，新相晶體的長(zhǎng)大動(dòng)力學(xué)主要由界面能決定＼[10-11＼].隨著煅燒時(shí)間的延長(zhǎng)，新相粒子為了降低其界面能，會(huì)改變自身的形狀及大小，從而加速了粒子在長(zhǎng)大初期晶界的消失和晶粒的合并.當(dāng)粒子的尺寸長(zhǎng)大到一定程度時(shí)，延長(zhǎng)保溫時(shí)間會(huì)促使粒子沿著粉料致密區(qū)的方向長(zhǎng)大，直至與該區(qū)的粉料粘結(jié).

2.3試樣的粒度分析

圖4為噴霧造粒后粉料分別在最高溫度為1 000 ℃，1 100 ℃，1 200 ℃，并保溫60 min條件下煅燒后制得的試樣粒度檢測(cè)圖.

從圖4（a）和圖4（b）可以看出，在煅燒溫度為1 000 ℃和1 100 ℃時(shí)，球形磨料的粒度基本呈正態(tài)分布，其粒度主要分布在5～40 μm之間，同時(shí)也有少許小于1 μm顆粒存在.這可能由于溶膠在進(jìn)行噴霧造粒時(shí)，噴嘴的某個(gè)噴道所受壓力不均或不暢通導(dǎo)致產(chǎn)生過小球形粒子；或搜集造粒后粉料時(shí)，用力稍大使少許造粒后的微球破碎成為細(xì)小微粉造成的＼[12-13＼].當(dāng)煅燒溫度為1 000 ℃時(shí)，d（0.5）=6.694 μm，d（0.9）=18.432 μm，粒度分布均勻，且分布范圍較小.當(dāng)煅燒溫度為1 100 ℃時(shí)，d（0.5）=7.532 μm，d（0.9）=38.392 μm；其與煅燒溫度為1 000 ℃時(shí)相比，粒子的尺寸變大，且粒度分布范圍較寬.煅燒溫度提高到1 200 ℃時(shí)，粉料的粒度分布呈現(xiàn)多峰分布的狀態(tài)，d（0.5）=10.973 μm，d（0.9）=344.313 μm，粒子的尺寸明顯變大，且粉料中有較大顆粒存在.由前面分析可知：隨著煅燒溫度的升高，顆粒間會(huì)相互粘結(jié)在一起，形成二次顆粒.因此當(dāng)粉料的煅燒溫度提高時(shí)，其粒度分布呈現(xiàn)出由均勻到不均勻、范圍由窄變寬的現(xiàn)象.

2.4試樣的拋光性能分析

將經(jīng)1 000 ℃，1 100 ℃和1 200 ℃煅燒后的粉料配制成固含量為4%的拋光液，進(jìn)行拋光性能測(cè)試.圖 5為不同煅燒溫度下制得的粉料與其拋光速率及拋光后工件表面粗糙度的關(guān)系曲線圖.

從圖5可以看出，隨著粉料煅燒溫度的升高，其拋光速率增大（如圖5（a）所示），被其拋光后工件的表面粗糙度先減小后增大（如圖5（b）所示）.其原因可能為：粉料的結(jié)晶度和粒度分布都會(huì)對(duì)其拋光速率及工件的表面粗糙度有一定的影響.由上述分析可知，升高煅燒溫度，粉料的結(jié)晶度提高，粉料顆粒間易相互粘結(jié)，形成較大顆粒.當(dāng)拋光壓力和拋光盤轉(zhuǎn)速一定時(shí)，尺寸較大的顆粒動(dòng)能較大，其與工件的相互作用力較大，故其拋光速率呈上升趨勢(shì).當(dāng)煅燒溫度為1 000 ℃，粉料的粒度分布雖均勻，但其結(jié)晶度不高，故被其拋光的工件表面粗糙度較大；煅燒溫度為1 100 ℃時(shí)，粉料的粒度分布較為均勻、結(jié)晶度較高，并且已全部轉(zhuǎn)化為αAl2O3相，故用其拋光工件時(shí)，工件的粗糙度較?。混褵郎囟葹? 200 ℃時(shí)，雖其結(jié)晶度較高，但由于溫度過高，粉料中會(huì)存在若干異常大顆粒，當(dāng)用其拋光工件時(shí)，可能會(huì)劃傷工件，降低了被加工工件的表面質(zhì)量，因此被拋光工件的表面粗糙度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì).

3結(jié)論

1）采用溶膠凝膠及噴霧造粒技術(shù)可制備出氧化鋁微球，單顆粒球體直徑大多在5 μm以下；煅燒溫度過高或保溫時(shí)間過長(zhǎng)，球體顆粒相互粘結(jié)形成二次顆粒，總體粒度直徑增大，分布范圍逐漸變寬，并呈現(xiàn)多峰分布的現(xiàn)象.

2） 隨著煅燒溫度提高，其物相變化規(guī)律為： γAl2O3—θAl2O3—αAl2O3；煅燒溫度900 ℃以下時(shí)，主晶相為γAl2O3，煅燒溫度為900～1 000 ℃，主晶相為θAl2O3，煅燒溫度高于1 100 ℃時(shí)，主晶相為αAl2O3相.

3） 粉料的拋光性能與其結(jié)晶度及粒度分布有關(guān)，結(jié)晶度較好、粒度分布均勻的粉料拋光性能較好.本實(shí)驗(yàn)中經(jīng)1 100 ℃煅燒后制得的粉料，其拋光性能相對(duì)較好.

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