一种氮化钛包覆高钛刚玉及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于材料领域，尤其涉及一种氮化钛包覆高钛刚玉及其制备方法和应用一种氮化钛包覆高钛刚玉，包括氮化钛包覆层和被包覆的主体材料，所述主体材料包括如下质量百分比的组分Al

【技术实现步骤摘要】
一种氮化钛包覆高钛刚玉及其制备方法和应用
本专利技术属于材料领域，尤其涉及一种氮化钛包覆高钛刚玉及其制备方法和应用。
技术介绍
磨料是锐利、坚硬的材料，用以磨削较软的材料表面。人造磨料产品主要分为刚玉磨料和碳化硅磨料两大类。高品级磨料包括SG磨料、电镀超磨料、镀铱超硬磨料、CBN陶瓷结合剂砂轮等磨具材料。磨料在工业上应用非常广泛，特别是加工高精度或低粗糙度的零件或特别硬的零件时，磨料和磨具是必不可少的。SG磨料是美国Norotn公司首先推出的。它是由颗粒为亚微米级的Al2O3晶体，采用溶胶-凝胶(Sol-Gel)工艺合成并经烧结制成。与普通刚玉磨料相比较，SG磨料不但硬度高，而且因磨料是微晶结构，具有很多晶界面，在外力作用下或在修锐、修整中仅微晶脱落，不断产生锋利的切削刃，自锐性好，且剥落较少，用其制成的磨具具有耐磨、磨削热少、使用寿命长、切除率高、磨削比大和磨削质量好等优点；超硬磨料磨具，如金刚石和CBN磨料，以其优良的磨削性能以及它们在加工材料适应方面的互补性，使由它们所构成的磨具可加工范围大为扩展；镀铱超硬磨料指在超硬磨粒表面镀上一层金属衣(简称镀铱，最常用的是镀镍或铜)，金属镀层可起到补强增韧、减缓热冲击以及在磨料与结合剂之间起结合桥作用，增加了磨粒与结合剂之间的结合强度，可显著提高磨具的使用性能，减少磨具的消耗。近几年来，超精密磨削、高效率磨削、难加工材料磨削、高精度成形磨削、磨削自动化及无人化等技术的发展进步飞速。然而，现有的普通磨料，如刚玉、碳化硅磨料，性能上难以满足上述技术的发展需求；高品级磨料，如上述SG磨料、镀铱超硬磨料的成本较高，限制了其发展应用。因此，提供一种性价比高、且性能优异的新型磨料及其制备方法是本专利技术亟需解决的问题。
技术实现思路
为解决现有技术存在的刚玉、棕刚玉磨料冶炼成本高的缺陷，本专利技术提供一种氮化钛包覆的高钛刚玉及其制备方法和应用。为解决上述技术问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种氮化钛包覆高钛刚玉，包括氮化钛包覆层和被包覆的主体材料，所述主体材料包括如下质量百分比的组分Al2O383～96.5％、Ti2O33-16.5％及杂质，其中主体材料中Ti2O3和Al2O3各自以独立相形式存在。进一步地，所述的杂质还包括Ti3O5、TiO、Fe2O3、SiO2、CaO、MgO、K2O或NaO中的一种或多种，每种杂质的质量百分比均不超过2％。作为优选，所述的Ti2O3相分布在Al2O3的晶界处。Ti2O3和Al2O3两相独立存在，且Ti2O3相分布在Al2O3的晶界处，能够相互抑制晶粒长大，即使延长保温时间不会使晶粒生长过大。进一步地，所述主体材料包括如下质量百分比的组分Al2O383～3％、Ti2O35.3-16.5％。Ti2O3含量大于16.5％时，Ti2O3和Al2O3会相互固溶，虽然有利于材料的韧性，但是会明显降低刚玉的硬度。本专利技术还提供了上述氮化钛包覆高钛刚玉的制备方法，步骤如下：将矾土原料与碳素材料和铁屑混合后进行电熔冶炼，得到高钛刚玉Ti2O3-Al2O3；将高钛刚玉Ti2O3-Al2O3在氮气气氛下进行热处理将高钛刚玉表面Ti2O3进行氮化形成TiN包覆层。在冶炼温度下，矾土和铁屑首先转变为混合熔体，在还原剂碳的作用下熔体中各组分分别被还原，其中首先为Fe2O3被还原：Fe2O3(l)+C(s)→Fe3O4(l)+CO(g)+C(s)→FeO(l)+CO(g)+C(s)→Fe(l)+CO(g)。进一步是熔体中SiO2被还原：SiO2(l)+Fe(l)+C(s)→FeSi(l)+CO(g)。还原得到的FeSi合金密度高，形成之后会沉淀至炉底与刚玉熔体分离，从而除去，SiO2还原反应结束后，TiO2开始部分被还原，钛氧化物存在TiO2、Ti2O3、Ti3O4、TiO等不同价态的氧化物，其中熔体中Ti2O3最为稳定。根据铝矾土中各杂质相的含量可计算得到还原所需碳量，控制碳的加入量和冶炼温度，调节体系中的Ti2O3处于稳定存在区间。本申请中碳素可选石墨、炭黑、无烟煤、石油焦、焦炭等。其中碳素用量占矾土原料的质量百分比为(SiO2％×0.4+Fe2O3％×0.225+TiO2％×0.075)/C％，C％为碳素材料中固定碳的质量百分含量；铁屑用量占矾土的质量百分比为(SiO2％×0.467×K-Fe2O3％×0.7)/Fe％，Fe％为铁屑中的铁含量，其中SiO2％、Fe2O3％和TiO2％分别代表各物质在矾土原料中的质量比分数，其中K表示铁硅质量比。作为优选，所述的矾土原料为经过煅烧后的矾土熟料，其中按质量百分比计TiO2＞3％，Fe2O3＜25％，SiO2＜20％，余量为Al2O3及其他不可避免的杂质。作为优选，所述的电熔冶炼是在电炉中，在1850℃～2250℃条件下冶炼2～6h，冶炼完成后进行自然冷却至1000℃，再进行水冷。经自然冷却至1000℃后再进行水冷能够减少材料的内部应力，改善产品的韧性，同时由于Ti2O3和Al2O3两相独立存在，且Ti2O3相分布在Al2O3的晶界处，能够相互抑制晶粒长大，促进刚玉晶体微晶化，增加晶界数量，即使延长保温时间不会使晶粒生长过大，从而增强韧性。为了防止刚玉晶粒生长过大，通常采用常规的水冷进行快速冷却，但是容易在材料内部产生应力，导致脆性大，本申请中采用自然冷却，延长了冷却时间(延长了保温时间)，可以减少材料内部应力，提高韧性，同时本申请中Ti2O3能够抑制Al2O3晶体长大。作为优选，为了得到符合要求的磨料，将得到的高钛刚玉Ti2O3-Al2O3破碎成所需要粒度的磨料颗粒或微粉后进行后续处理。磨料颗粒力度等级按照行业要求，普通磨具中磨料的通用粒度分为17个等级(12#～280#)，即12#、14#、16#、20#、24#、30#、36#、46#、60#、70#、80#、100#、120#、150#、180#、240#、280#，微粉分级(W0.5～W40)，即：W40、W28、W20、W14、W10、W7、W5、W3.5、W2.5、W1.5、W1.0、W0.5。进一步地，所述的热处理温度为1000-1700℃，升温速率1-20℃/min，保温时间0-10h，氮气流量为20m3/h以下，气氛中氧分压不高于0.01MPa。加热装置包括但不限于管式炉、箱式炉、石墨碳管炉、隧道窑、梭式窑；并将高钛刚玉Ti2O3-Al2O3放置于容器中进行加热，容器包括但不限于刚玉坩埚、石墨坩埚、碳化硅坩埚，也可直接置于炉膛中。本专利技术中还将上述得到的氮化钛包覆的高钛刚玉制作成磨具。具体的，所述的磨具为砂轮、砂布、砂带或砂纸。有益效果：本专利技术针对现有刚玉、棕刚玉磨料冶炼成本较高、性能不佳。以矾土矿冶炼刚玉、棕刚玉时，其中的TiO2杂质难以去除，除去钛杂质工艺成本高。本专利技术选取高钛矾土为原料，并在冶炼过程中选择保留其中的含钛杂质，使其最终以Ti2O3形式赋存于刚玉基体中，制取高钛刚玉(Ti2O3-Al2O3)材料，大大降低了冶炼成本。Ti2O3中的亚本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种氮化钛包覆高钛刚玉，其特征在于：包括氮化钛包覆层和被包覆的主体材料，所述主体材料包括如下质量百分比的组分Al

【技术特征摘要】
1.一种氮化钛包覆高钛刚玉，其特征在于：包括氮化钛包覆层和被包覆的主体材料，所述主体材料包括如下质量百分比的组分Al2O383～96.5％、Ti2O33-16.5％及杂质，其中主体材料中Ti2O3和Al2O3各自以独立相形式存在。


2.根据权利要求1所述的氮化钛包覆高钛刚玉，其特征在于：所述的杂质包括Ti3O5、TiO、Fe2O3、SiO2、CAO、MgO或K2O中的一种或多种，每种杂质的质量百分比均不超过2％。


3.根据权利要求1或2所述的氮化钛包覆高钛刚玉，其特征在于：所述的Ti2O3相分布在Al2O3的晶界处。


4.根据权利要求3所述的氮化钛包覆高钛刚玉，其特征在于：所述主体材料包括如下质量百分比的组分Al2O383～93％、Ti2O35.3-16.5％。


5.根据权利要求1～4任一项所述的氮化钛包覆高钛刚玉的制备方法，其特征在于：将矾土原料与碳素材料和铁屑混合后进行电熔冶炼，得到高钛刚玉Ti2O3-Al2O3；
将高钛刚玉Ti2O3-Al2O3在氮气气氛下进行热处理将高钛刚玉...

【专利技术属性】
技术研发人员：倪进焕，
申请(专利权)人：常州千进研磨材有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32