基于共晶氧化鋁氧化鋯的磨粒的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及在電弧爐中熔化的基于A1203和Zr0 2的磨粒，其具有52重量62 重量％的A1203含量和35重量％ - 50重量％的Zr02含量，基于ZrO 2的總重量含量計(jì)，至少 60重量％的Zr02&四方和/或立方高溫變體（modification)存在。
[0002] 基于氧化鋁氧化鋯的磨粒已公知多年，并成功地用于粘結(jié)或涂覆的磨料中，尤其 是用于機(jī)加工高合金鋼。因此，已經(jīng)表明，除了微晶結(jié)構(gòu)，特別是高重量含量的高溫變體也 對(duì)磨粒的性能具有有利的影響。這在如下情況下是特別有效：共晶的氧化鋁氧化鋯除氧化 鋁和以污染或良好導(dǎo)向的添加劑存在的其他氧化物還包含優(yōu)選35 %至50重量％的氧化 鋯。因此，在過(guò)去，作出一切努力以通過(guò)細(xì)化顯微組織和/或增加高溫變體的重量含量來(lái)改 善氧化鋁氧化鋯的性能。而通過(guò)液態(tài)熔體的快速淬冷改善顯微組織，優(yōu)選通過(guò)穩(wěn)定劑的具 體使用獲得了大量的高溫變體，這樣做時(shí)，氧化鈦和/或氧化釔通常用作穩(wěn)定劑。
[0003] 發(fā)現(xiàn)鋯氧化物處于三種不同的變體。在室溫下穩(wěn)定的單斜變體在約800°C - 1200°C下轉(zhuǎn)變成四方變體（其穩(wěn)定高達(dá)至約2300°C )，隨后轉(zhuǎn)變成立方變體。上面提到的 溫度適用于純的鋯氧化物。在混合物或摻雜的材料的情況下溫度是變換的?？赡嫦嘧儼?隨著體積變化，由此四方尚溫變體顯不出最低體積。從四方變體到單斜變體（其具有最尚 的體積）的轉(zhuǎn)變伴隨著4. 5%的體積增加。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將高溫變體的有利效應(yīng)解釋 為因?yàn)樵谘心ミ^(guò)程中產(chǎn)生熱而發(fā)生從四方到單斜的相變，由此體積的增加引起張力和微斷 裂，引起小區(qū)域的斷開(kāi)，由此形成新的切割邊緣。這個(gè)過(guò)程也通常被稱為自銳化。
[0004] 在美國(guó)專利號(hào)5, 525, 135(EP 0 595 081 B1)中，描述了基于氧化鋁氧化鋯的磨 粒，其中大于90重量％的鋯氧化物以四方高溫變體存在。在這種情況下，通過(guò)在作為還原 劑的碳的存在下加入氧化鈦，然后迅速淬冷熔體進(jìn)行高溫相的穩(wěn)定化。據(jù)推測(cè)，亞氧化物形 式的所得的還原鈦化合物實(shí)現(xiàn)了氧化鋯的高溫相的穩(wěn)定化。
[0005] 在美國(guó)專利號(hào)7, 122,064 B2(EP 1 341 866 B1)中，描述了基于氧化鋁氧化鋯的 磨粒，其中類似地用還原形式的鈦化合物穩(wěn)定化鋯氧化物的高溫相。此文中描述的磨粒還 含有0. 2重量％ - 0. 7重量％含量的娃化合物（表不為Si02)。雖然還原的鈦化合物的穩(wěn) 定效果因添加 Si02而顯著降低，但熔體的粘度也同時(shí)大大降低，從而有利于熔體的淬冷，在 該過(guò)程中在金屬板之間傾倒液體材料?？焖俅憷鋵?duì)成品磨粒的結(jié)構(gòu)具有積極作用，使得以 這種方式可以實(shí)現(xiàn)特別細(xì)的晶態(tài)和均質(zhì)的結(jié)構(gòu)，除了鋯氧化物的高溫變體的高重量含量， 所述結(jié)構(gòu)也是產(chǎn)品品質(zhì)的另一重要的標(biāo)準(zhǔn)。
[0006] 在美國(guó)專利4, 457, 767中，描述了一種氧化鋁氧化鋯磨粒，其包含0. 1重量％ - 2重量％的氧化釔，這是已知的用于鋯氧化物的高溫變體的穩(wěn)定劑。已知的是，Y203用于鋯 氧化物的高溫相的穩(wěn)定作用比還原的Ti02更明顯，因此為了獲得可比較的高溫相的重量含 量，需要使用相對(duì)較少的Y2〇3。
[0007] 今天，基于氧化鋁氧化鋯的磨粒仍然是用于機(jī)加工大量的各種不同鋼的最重要的 常規(guī)磨粒中，因此正在全球范圍內(nèi)進(jìn)行著大量努力以改善磨粒的性能。僅高溫變體量的進(jìn) 一步增加似乎沒(méi)有實(shí)現(xiàn)足夠的性能提升。因此，在W02011/141037 Α1中，描述了氧化鋁氧 化鋯磨粒的研磨試驗(yàn)，所述粒料部分地包含僅鋯氧化物的高溫變體，而相比之下，對(duì)于包含 只有約90重量％ (基于鋯氧化物的重量計(jì)）的鋯氧化物的高溫變體的磨粒，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)改進(jìn) 的研磨性能。然而，因此在W02011/141037 A1中，第一次區(qū)分了四方和立方高溫相，由此在 如下情況下描述了研磨性能的優(yōu)化：大于20重量％的鋯氧化物以立方高溫相存在，大于50 重量％的氧化鋯以四方高溫相存在，各自基于鋯氧化物的總重量計(jì)，這可以在作為助熔劑 的少量Si02的存在下通過(guò)作為穩(wěn)定劑的Y 203和TiO 2的組合使用實(shí)現(xiàn)。
[0008] 鋯氧化物的不同變體對(duì)共晶的氧化鋁氧化鋯的應(yīng)用領(lǐng)域中的影響也是EP 0 480 678 A2的主題。上述歐洲專利申請(qǐng)描述了以系統(tǒng)鋁氧化物鋯氧化物制作打磨磨料。首先， 以常規(guī)方式產(chǎn)生具有高重量含量的四方鋯氧化物相的共晶氧化鋁氧化鋯。隨后，通過(guò)在約 650°C的溫度下熱處理將四方相轉(zhuǎn)化成單斜相以獲得具有小于30重量％的四方相的研磨 粉末，基于鋯氧化物的總重量含量計(jì)。因?yàn)橄嘧兣c在氧化鋁氧化鋯中裂紋的誘發(fā)形成，得到 了"弱"的磨粒，其具有低強(qiáng)度和適于作為打磨劑用于開(kāi)發(fā)無(wú)劃痕的均勻表面。
[0009] 美國(guó)專利號(hào)2012/0186161 A1描述了基于熔化氧化鋁氧化鋯的磨粒，其具有60重 量％至90重量％的四方相氧化鋯的重量含量，基于鋯氧化物的總重量計(jì)含量計(jì)。通過(guò)特定 化學(xué)組成，使用氧化釔和氧化鈦?zhàn)鳛橛糜诟邷叵嗟姆€(wěn)定劑，在Si02(Y203/Si0 2之比為0. 8 - 2. 0)的存在下，獲得了具有相對(duì)少量的四方相的相分布。因?yàn)樗牡晚g性，認(rèn)為該產(chǎn)品有利 地適用于在低研磨壓力下機(jī)加工合金鋼。在相對(duì)平滑的條件下發(fā)生磨粒的的自銳化，因此 可能避免工件的熱破壞，而實(shí)現(xiàn)高研磨性能。
[0010] 在EP 1 339 809 B1中，描述了通過(guò)在800°C至1500°C溫度下的熱處理增強(qiáng)基于 氧化鋁的剛玉磨粒的粒料韌性的方法。
[0011] 在美國(guó)專利4157898中描述了通過(guò)熱處理制造含鈦的高強(qiáng)度剛玉。
[0012] 由于上述的相變，先前已試圖盡可能避免溫度對(duì)成品氧化鋁氧化鋯磨粒的任何影 響，因?yàn)榇嬖谀チ?huì)被破壞的恐懼和經(jīng)驗(yàn)，因此除了在EP 0408 678中描述的打磨劑（其中 已經(jīng)有意識(shí)地接受磨粒的破壞），目前還不知道氧化鋁氧化鋯的熱處理。
[0013] 為評(píng)估磨粒的品質(zhì)，有必要進(jìn)行相對(duì)復(fù)雜且耗時(shí)的研磨測(cè)試。因此，在磨料行業(yè) 中常見(jiàn)的實(shí)踐是通過(guò)機(jī)械性能預(yù)先評(píng)價(jià)磨粒的品質(zhì)，所述機(jī)械性能較容易獲得，并在研磨 試驗(yàn)中對(duì)于其后期性能提供指示。因此，除了上述高溫變體的顯微組織和含量，特別是根 據(jù)Vollstaedt的粒料斷裂強(qiáng)度（CFF)，通過(guò)在球磨機(jī)中研磨所進(jìn)行的微磨砂（grit)分解 (MKZ)經(jīng)常用于磨粒的品質(zhì)控制。
[0014] 粒料斷裂強(qiáng)度（CFF值）
[0015] 采用開(kāi)發(fā)用于鉆石堅(jiān)度試驗(yàn)的試驗(yàn)裝置（Vollstaedt，Diatest SI)進(jìn)行粒料斷裂 強(qiáng)度的測(cè)量。采用這種方法，在活塞單元中破裂磨粒，記錄粒料破碎成碎肩的最大力（壓縮 斷裂力=CFF)。為了這個(gè)目的，壓力傳感器適于從0到200牛頓的測(cè)量范圍。為了制備樣 品，篩選出在600 μπι和500 μπι( = 30目一35目）之間的范圍內(nèi)的粒級(jí)，然后經(jīng)由振動(dòng)臺(tái) 相對(duì)于它們的粒料尺寸將其進(jìn)一步分選。從所獲得的測(cè)量粒級(jí)，各自進(jìn)行200至220的單 一測(cè)量，從而對(duì)于平均粒料強(qiáng)度獲得統(tǒng)計(jì)學(xué)上足夠特定的值。
[0016] 微磨砂分解（MKZ = Mikrokornzerfall)
[0017] 為了微磨砂分解的測(cè)量，使用每分鐘188轉(zhuǎn)的速度，在填充有12個(gè)鋼球（直徑 15mm，重330-332克）的球磨機(jī)碾磨10克剛玉（粒度P36)持續(xù)確定的時(shí)間段。接著，使用 250以111篩，在篩分機(jī)(}^￥618備(沒(méi):&〇1^ 200)中篩選碾磨的磨砂5分鐘，然后將細(xì)粒級(jí) 稱重。
[0018] 從如下得出MKZ值：
[0020] 此外，在本情況下，將高溫變體的重量含量確定為產(chǎn)品品質(zhì)的另一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，但在這 樣做時(shí)，不區(qū)分四方和立方相，并結(jié)合兩相測(cè)定所謂T-因子。
[0021] T-因子
[0022] 使用27. 5° - 32. 5°的測(cè)量范圍2- Θ，通過(guò)X射線衍射儀，進(jìn)行Zr02的高溫變體 的重量含量（基于Zr02的總重量計(jì)）的定量測(cè)量，基于Zr02的總重量計(jì)。根據(jù)以下等式確 定高溫相的重量含量（T-因子）
[0024] t =在2- Θ = 30. 3處的四方峰的強(qiáng)度
[0025] ml =在2- Θ = 28. 3處的單斜峰的強(qiáng)度
[0026] m2 =在2- Θ = 31. 5處的單斜峰的強(qiáng)度
[0027] 面對(duì)進(jìn)一步發(fā)展氧化鋁氧化鋯和提高產(chǎn)品品質(zhì)的問(wèn)題，意外地發(fā)現(xiàn)，在優(yōu)化氧化 鋁氧化鋯的特定應(yīng)用的適當(dāng)測(cè)試序列范圍內(nèi)，氧化鋁氧化鋯磨粒在350°C - 700°C的溫度 下在空氣中的熱處理實(shí)現(xiàn)了所述磨粒的增加的研磨性能，即使高溫相的重量含量降低。
[0028] 以這種方式，得到了具有35 - 45重量％ HfOjP 2抑2的重量含量的熔化磨粒，基 于鋯氧化物的總重量計(jì)，至少60重量％的鋯氧化物以四方和/或立方形式存在。除此之外， 磨粒還具有0. 2 - 0. 7重量％的硅化合物（表示為Si02)的重量含量，0. 03 - 0. 5重量％的 碳重量含量，〇. 5 - 10. 0重量％的添加劑重量含量，和小于3重量％的雜質(zhì)，與100重量％ 差值由具有52重量％至62重量％的重量含量的A1203所平衡。
[0029] 添加劑選自還原的Ti化合物、Y203、MgO、CaO和/或其混合物。
[0030] 在淬冷熔體后，粉碎凝固的熔化產(chǎn)物和篩選它，將所篩選尺寸的磨砂在350°C - 700°C溫度下在空氣中經(jīng)受1至6個(gè)小時(shí)的時(shí)間段的熱處理。優(yōu)選在回轉(zhuǎn)窯中進(jìn)行溫度處 理。
[0031] 在包含用于鋯氧化物高溫相