煅烧工艺对溶胶-凝胶制备微球形氧化铝的影响*

万 隆，刘会娟，王俊沙，韩永潜，方文俊，时 丹

(1.湖南大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410082; 2.喷射沉积技术及应用湖南省重点实验室,湖南 长沙 410082；3.圣戈班陶瓷材料(郑州)有限公司，河南 登封 452477)

氧化铝是一种重要的工业材料，有着非常广泛的用途.作为磨削和研磨材料，即通常所谓的刚玉磨料时，其具有高硬度和易于制备等特点.刚玉磨料产品的传统生产方法是用电能加热电弧内的氧化铝粉末使之熔化，并最终全部转变成高温相氧化铝熔块(α-Al2O3相)，熔块冷却后再经破碎和筛分等工艺，得到不同颗粒直径的刚玉磨料.用这种方法制备的磨料晶粒粗大，硬度较高，易产生微裂纹，磨削时，磨粒破碎易从磨具上脱落，因此作为磨削和抛光材料还有些不足之处[1-2].随着科学技术的进步，新材料和难以加工材料的不断涌现，对磨削加工精度、加工效率和加工能力都提出了新的挑战.

20世纪80年代中期，美国Norton公司研发出了主要用于研磨和抛光的，采用溶胶-凝胶法(sol-gel)制备的新型刚玉磨料(sg磨料).sg磨料具有韧性、自锐性、耐磨性好和加工精度高及使用寿命长等特点[3]，磨削和抛光性能远远优于普通电熔刚玉磨料，价格则远低于金刚石和立方氮化硼(CBN)磨料，因而在诸多高端加工领域显示出良好的应用前景，近年来引起了国内外广泛的关注.

目前陶瓷刚玉磨料制备工艺大多是：溶胶-凝胶、破碎、烧结.本实验是将制得的铝溶胶在凝胶前喷雾造粒，再将喷雾造粒后的粉料煅烧.避免了以往破碎过程中球磨介质的混入，并且制得的粉料形状较为规则.与以往研究者大多采用高纯硝酸铝或铝酸盐制备溶胶不同，本实验采用工业级拟薄水铝石作为原料制备溶胶，成本较低.本文制备的球形氧化铝具有较好的球形度，用于抛光研磨料时，可减少对工件表面的划伤，提高工件表面质量.

1 实 验

1.1 原料

工业级拟薄水铝石；硝酸：分析纯； 去离子水：自制．

1.2 实验过程

将拟薄水铝石和去离子水按照质量比20∶80的比例混合，机械搅拌均匀制成悬浮液.加热悬浮液到60 ℃时保温，机械搅拌的同时向其滴加质量浓度为10%的HNO3溶液，使悬浮液形成溶胶，然后通过型号为WPG-220的喷雾干燥器，在喷雾气体压力为0.3 MPa，干燥器内温度为220±5 ℃时喷雾造粒；造粒获得的粉料干燥后置于马弗炉中，分别在不同的最高煅烧温度或不同保温时间下煅烧，从而制得所需的试样粉料.

1.3 材料表征

用D5000型X射线衍射仪(XRD)分析了试样粉料经不同温度煅烧后的物相组成，用JSM-6700F场发射扫描电子显微镜(SEM)观察了试样粉料在不同最高煅烧温度及不同保温时间条件下的微观形貌，采用马尔文激光粒度仪(mastersize,2000)测定试样粉料经不同温度煅烧后的粒度分布情况.用JB-4C型集成表面粗糙度仪测定经不同温度煅烧后粉料的抛光性能.

2 结果和讨论

2.1 试样的物相分析

图1为喷雾造粒后粉料经不同温度煅烧后的XRD图谱.

2θ/(°)

从图1可以看出，随着煅烧温度的升高，试样的衍射峰变得更尖锐.在850 ℃和900 ℃煅烧时[4-5]，试样的主晶相是γ-Al2O3，随着温度的升高，γ-Al2O3相的衍射峰增强，表明γ-Al2O3晶形趋于完整；当煅烧温度为1 000 ℃时，γ-Al2O3相开始向θ-Al2O3相转变，煅烧温度达到1 100 ℃时，θ-Al2O3相已全部转化为α-Al2O3相；当煅烧温度为1200 ℃时，其衍射峰变得更尖锐，说明较1 100 ℃时，α-Al2O3相晶体发展得更完整.由此可知，随着煅烧温度的升高，粉料物相变化规律为：γ-Al2O3—θ-Al2O3—α-Al2O3.

2.2 试样形貌观察

2.2.1 煅烧温度对球形氧化铝微观形貌的影响

图2为喷雾造粒后的粉料经不同温度煅烧所制得的试样SEM照片.

(a)1 000 ℃ (b)1 100 ℃ (c)1 200 ℃

从图中可以看出，经喷雾造粒及煅烧后制得的氧化铝大多为规则的球形.当煅烧温度为1 000 ℃时(图2(a))，试样分散性较好．当煅烧温度为1 100 ℃(图2(b))，粉料之间发生少许粘结，煅烧温度提高到1 200 ℃(图2(c))时，较多球形磨料相互粘结在一起，形成较大的颗粒.这是因为颗粒间的粘结一般是通过其表层原子的扩散来完成物质迁移的过程[8].在煅烧温度低时，粉料内质点的扩散仅发生在晶格内部，因此粉料在1 000 ℃煅烧时颗粒间几乎无粘结的现象.随着煅烧温度的升高，粉料内质点的扩散将不仅限于晶格内，而且可以扩散到晶格表面，甚至扩散到与之相邻的晶格内，最后发展到在颗粒互相接触点或接触面上扩散，甚至在颗粒间形成连接颈.煅烧温度提高，在颗粒接触面上，空位浓度提高，原子与空位交换位置，不断向接触面迁移，使颈长大，颗粒间的接触面增加，粘结力增强，从而颗粒间相互粘结在一起形成较大的二次颗粒.

2.2.2 保温时间对球形氧化铝微观形貌的影响

图3为喷雾造粒后的粉料在最高煅烧温度为1 100 ℃，保温时间不同时试样的SEM照片.

(a)60 min (b)120 min (c)180 min

从图可以看出，当保温时间为60 min时(图3(a))，粉料为较规则的球体，并且分散性较好；当保温时间为120 min时(图3(b))，有些尺寸很小球形粉料与尺寸较大的球形粉料粘结在一起；当保温时间为180 min时(图3(c))，磨料变为外形较不规则，且粘结在一起形成团聚体.Zener[9,13]曾假定在三维情况下，新相为球体，X为粒子的半径，只考虑尺寸大小，X与时间t的关系如公式所示：X=aλ(Dt)1/2，其中：D为扩散系数，t为时间，单位为min.因为当煅烧温度一定时，质点之间的扩散会存在一个动态平衡，即扩散系数D恒定.此时，颗粒尺寸只与烧结时间t有关，即保温时间越长，粒子的尺寸越大，但煅烧时的保温时间超过一定值时，球形粒子的大小不再遵循Zener公式规则.因为粒子在长大“粗化”阶段，当新相成分与母相成分相同时，新相晶体的长大动力学主要由界面能决定[10-11].随着煅烧时间的延长，新相粒子为了降低其界面能，会改变自身的形状及大小，从而加速了粒子在长大初期晶界的消失和晶粒的合并.当粒子的尺寸长大到一定程度时，延长保温时间会促使粒子沿着粉料致密区的方向长大，直至与该区的粉料粘结.

2.3 试样的粒度分析

图4为喷雾造粒后粉料分别在最高温度为1 000 ℃,1 100 ℃,1 200 ℃，并保温60 min条件下煅烧后制得的试样粒度检测图.

Particle Size/μm

Particle Size/μm

Particle Size/μm

从图4(a)和图4(b)可以看出，在煅烧温度为1 000 ℃和1 100 ℃时，球形磨料的粒度基本呈正态分布，其粒度主要分布在5～40 μm之间，同时也有少许小于1 μm颗粒存在．这可能由于溶胶在进行喷雾造粒时，喷嘴的某个喷道所受压力不均或不畅通导致产生过小球形粒子；或搜集造粒后粉料时，用力稍大使少许造粒后的微球破碎成为细小微粉造成的[12-13].当煅烧温度为1 000 ℃时，d(0.5)=6.694 μm,d(0.9)=18.432 μm，粒度分布均匀，且分布范围较小.当煅烧温度为1 100 ℃时，d(0.5)=7.532 μm,d(0.9)=38.392 μm；其与煅烧温度为1 000 ℃时相比，粒子的尺寸变大，且粒度分布范围较宽.煅烧温度提高到1 200 ℃时，粉料的粒度分布呈现多峰分布的状态，d(0.5)=10.973 μm,d(0.9)=344.313 μm,粒子的尺寸明显变大，且粉料中有较大颗粒存在.由前面分析可知：随着煅烧温度的升高，颗粒间会相互粘结在一起，形成二次颗粒.因此当粉料的煅烧温度提高时，其粒度分布呈现出由均匀到不均匀、范围由窄变宽的现象.

2.4 试样的抛光性能分析

将经1 000 ℃，1 100 ℃和1 200 ℃煅烧后的粉料配制成固含量为4%的抛光液，进行抛光性能测试.图 5为不同煅烧温度下制得的粉料与其抛光速率及抛光后工件表面粗糙度的关系曲线图.

从图5可以看出，随着粉料煅烧温度的升高，其抛光速率增大(如图5(a)所示)，被其抛光后工件的表面粗糙度先减小后增大(如图5(b)所示)．其原因可能为：粉料的结晶度和粒度分布都会对其抛光速率及工件的表面粗糙度有一定的影响.由上述分析可知，升高煅烧温度，粉料的结晶度提高，粉料颗粒间易相互粘结，形成较大颗粒.当抛光压力和抛光盘转速一定时，尺寸较大的颗粒动能较大，其与工件的相互作用力较大，故其抛光速率呈上升趋势.当煅烧温度为1 000 ℃，粉料的粒度分布虽均匀，但其结晶度不高，故被其抛光的工件表面粗糙度较大；煅烧温度为1 100 ℃时，粉料的粒度分布较为均匀、结晶度较高，并且已全部转化为α-Al2O3相，故用其抛光工件时，工件的粗糙度较小；煅烧温度为1 200 ℃时，虽其结晶度较高，但由于温度过高，粉料中会存在若干异常大颗粒，当用其抛光工件时，可能会划伤工件，降低了被加工工件的表面质量，因此被抛光工件的表面粗糙度呈现先减小后增大的趋势.

煅烧温度/℃

煅烧温度/℃

3 结 论

1)采用溶胶-凝胶及喷雾造粒技术可制备出氧化铝微球，单颗粒球体直径大多在5 μm以下；煅烧温度过高或保温时间过长，球体颗粒相互粘结形成二次颗粒，总体粒度直径增大，分布范围逐渐变宽，并呈现多峰分布的现象.

2) 随着煅烧温度提高，其物相变化规律为： γ-Al2O3—θ-Al2O3—α-Al2O3；煅烧温度900 ℃以下时，主晶相为γ-Al2O3，煅烧温度为900～1 000 ℃，主晶相为θ-Al2O3，煅烧温度高于1 100 ℃时，主晶相为α-Al2O3相.

3) 粉料的抛光性能与其结晶度及粒度分布有关，结晶度较好、粒度分布均匀的粉料抛光性能较好.本实验中经1 100 ℃煅烧后制得的粉料，其抛光性能相对较好.

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