Экологически чистый абразивный микропорошок для полирования на основе оксидов алюминия и 3d-металла и способ его получения

 

Изобретение относится к абразивным микропорошкам с размером кристаллов от 0,2 до 2 мкм на основе оксидов алюминия и 3d-металла, в частности, хрома, железа, титана, ванадия и др., используемых для полирования и окончательной доводки поверхности высокоточных изделий из металла, стекла и камня с целью придания им минимальной шероховатости поверхности и достижения высших классов точности размеров и геометрических форм. Для улучшения полирующей способности и уменьшения шероховатости поверхности, а также улучшения условий труда обслуживающего персонала в результате использования экологически чистого продукта предлагаемый микропорошок содержит оксиды алюминия и железа (III) при соотношении компонентов, мас.%: Al₂O₃ 90,0 - 99,9; Fe₂O₃ 10,0 - 0,1 Это достигается тем, что способ получения абразивного микропорошка включает приготовление шихты из гидроксида алюминия, в частности гидраргиллита и железосодержащего сырья, механохимическую активацию шихты и ее последующую прокладку при 900 - 1300^oС, причем механохимическую активацию проводят при 20 - 275^oС в течение 10 - 200 мин, в качестве железосодержащего сырья используют соли, оксиды или оксигидроксиды железа (II, III), а механохимическую активацию проводят в шаровых, вибрационных и планетарных мельницах. 2 с. и 2 з.п.ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к абразивным микропорошкам с размером кристаллов 0,2 - 2 мкм на основе оксидов алюминия и 3 d-металла, в частности хрома, железа, титана, ванадия и др., используемых для полирования и окончательной доводки поверхности высокоточных изделий из металла, стекла и камня с целью придания им минимальной шероховатости поверхности и достижения высших классов точности размеров и геометрических форм.

Известен оксид хрома (III) марок ОХА-О, ОХА-1 и ОХА-2 (ГОСТ 2912-79Е, "Хрома окись техническая", с. 1, 3, 20-23), который получают прокалкой оксида хрома (VI). Недостатком этого микропорошка является его низкие показатели по полирующей способности и шероховатости получаемой поверхности, а также его токсикологические свойства из-за частичного окисления в процессе полировки материалов хрома (III) до хрома (VI), оказывающего вредное влияние на здоровье обслуживающего персонала.

В качестве прототипа выбраны порошки для полирования на основе твердых растворов оксида хрома (III) в оксиде алюминия (III), который получают механохимической активацией смеси оксида хрома (VI) и гидроксида алюминия, в частности гидраргиллита, в планетарной мельнице с последующей прокладкой смеси при 900-1300^oC (см. В.В.Викторов, А.А.Фотиев, В.Д.Бадич и др. Термическое взаимодействие механически активированных смесей CrO₃ и Al(OH)₃// Неорган. материалы, 1995, т.31, N 5, с. 677-680). Недостатками этого порошка являются его низкие показатели по полирующей способности и шероховатости поверхности, а также присутствие в нем соединений хрома, оказывающих вредное влияние на здоровье обслуживающего персонала.

Изобретение обеспечивает получение технического результата, выраженного в повышении полирующей способности и уменьшении шероховатости поверхности обрабатываемого изделия, а также улучшении условий труда обслуживающего персонала в результате использования экологически чистого продукта.

Это достигается тем, что абразивный микропорошок на основе оксидов алюминия и 3d-металла содержит оксиды алюминия и железа (III) при следующем соотношении компонентов, мас.%: Al₂ O₃ - 90,0-99,9 Fe₂ O₃ - 10,0-0,1 Это достигается тем, что способ получения абразивного микропорошка включает в себя приготовление шихты из гидроксида алюминия, в частности гидраргиллита и железосодержащего сырья, механохимическую активацию шихты и ее последующую прокалку при 900-1300^oC, при этом механохимическую активацию проводят при 20-275^oC в течение 10-200 мин. Кроме того, технический результат достигается тем, что в качестве железосодержащего сырья используют соли, оксиды или оксигидроксиды железа (II, III), а механохимическую активацию проводят в шаровых или вибрационных, или планетарных мельницах.

Улучшение показателей качества предлагаемого микропорошка по сравнению с твердым раствором оксида хрома (III) в оксиде алюминия достигается в результате формирования при прокладке однородного по гранулометрическому составу продукта на основе твердого раствора оксида железа (III) в оксиде алюминия, который по сравнению с микропорошком по прототипу обладает более высокой микротвердостью. В свою очередь монодисперсность микропорошка достигается за счет следующих технологических приемов: а) механохимической активации исходной шихты, в процессе которой гидроксид алюминия, в частности гидраргиллит, испытывает частично или полностью химическое превращение в оксигидроксид алюминия, в частности бемит, что приводит к снижению температуры формирования равновесной фазы со структурой корунда. При повышении температуры механохимической обработки от 20 до 275^oC скорость химического превращения гидроксид алюминия (гидраргиллит) _ оксигидроксид алюминия (бемит) возрастает. Это позволяет использовать для активации наряду с планетарными также и мельницы с меньшей энергонасыщенностью, в частности вибрационные и шаровые, что позволяет упростить аппаратурное оформление и снизить энергоемкость данной стадии; б) введения в исходную шихту железосодержащего сырья (соли, оксиды или оксигидроксиды железа (II, III), испытывающего в процессе прокалки химическое превращение в фазу - Fe₂O₃, которая изоструктурна с корундом, что также приводит к снижению температуры формирования равновесной фазы, повышению ее монодисперсности. Уменьшение полидисперсности продукта позволяет снизить шероховатость поверхности обрабатываемых изделий, а увеличение микротвердости микропорошка - повысить его полирующую способность. Данный микропорошок состоит из оксидов алюминия и железа (III), которые широко используются в различных отраслях промышленности и не оказывают токсикологического влияния на организм человека, что предопределяет экологическую чистоту предлагаемого продукта, а следовательно, и улучшение условий труда обслуживающего персонала.

Верхний предел содержания Fe₂O₃ в Al₂O₃ (10,0 мас.%) обусловлен тем, что при больших количествах оксид железа (III) не полностью растворяется в оксиде алюминия и присутствует в продукте в виде самостоятельной фазы, что приводит к ухудшению полирующей способности микропорошка; нижний предел (0,1 мас.%) - увеличением полидисперсности порошка из-за неравномерного распределения оксида железа (III) по зернам оксида алюминия, что проявляется в увеличении шероховатости поверхности полируемых деталей.

Верхний предел температуры механохимической обработки (275^oC) обусловлен тем, что при более высоких температурах активируется процесс дегидратации гидроксида алюминия, в частности гидраргиллита. При этом формируется рентгеноаморфный продукт, из которого фаза со структурой корунда формируется при более высоких температурах (выше 1300^oC), что приводит к ухудшению полирующей способности микропорошка. Нижний предел температуры механохимической обработки (20^oC) объясняется резким увеличением длительности этой стадии при более низких температурах.

Верхний предел продолжительности механохимической обработки (200 мин) обусловлен тем, что дальнейшее возрастание времени не приводит к существенному улучшению потребительских свойств микропорошка; нижний предел (10 мин) - тем, что при меньших временах формируется продукт с низкими показателями качества.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1 (по прототипу). Абразивный микропорошок для полирования состава, мас.% Al₂O₃ - 78,0 Fe₂O₃ - 22,0 Готовят шихту из 64 г гидроксида алюминия, в частности гидраргиллита и 16 г оксида хрома (IV), которую загружают в лабораторную планетарную мельницу объемом 250 см³. Скорость вращения барабана составляла 12'/с, отношение массы корундовых шаров к массе полезной загрузки 10:1, температура и время механохимической активации 20^oC и 15 мин соответственно. После этого образец был подвергнут прокалке при 1200^oC в течение 1 ч. Качественные показатели микропорошка приведены в таблице.

Пример 2 (по предлагаемому ТР). Абразивный микропорошок для полирования состава, мас.%: Al₂O₃ - 95,0
Fe₂O₃ - 5,0
Готовят шихту из 71,5 г гидроксида алюминия, в частности гидраргиллита и 8,5 г гептагидрата сульфата железа (II), которую загружают в лабораторную планетарную мельницу, указанную в примере 1. Дальнейшие операции проводят аналогично примеру 1. Качественные показатели микропорошка приведены в таблице.

Примеры 3-5 проводят аналогично примеру 2. При этом в качестве железосодержащего сырья используют хлорид железа (II), оксид и оксигидроксид железа (III) - модификации. Состав и качественные показатели микропорошка приведены в таблице.

Пример 6 (по предлагаемому ТР). Абразивный микропорошок для полирования состава, мас.%:
Al₂O₃ - 99,0
Fe₂O₃ - 1,0
Готовят шихту из 602,6 г гидроксида алюминия, в частности гидраргиллита и 13,9 г гептагидрата сульфата железа (II), которую загружают в стальную цилиндрическую мельницу объемом 3 дм³. Мельницу помещают в термошкаф, снабженный приводом для вращения, нагревательным и охлаждающим устройствами, позволяющими регулировать температуру в мельнице в интервале 15-300^oC. Скорость вращения мельницы 50 мин^-1; в отношение массы стальных шаров к массе полезной загрузки 15:1; температура и время механохимической активации 150^oC и 90 мин соответственно. Качественные показатели микропорошка приведены в таблице.

Примеры 7-10 проводят аналогично примеру 6. При этом варьируют количество вводимого в шихту железосодержащего сырья, температуру и продолжительность механохимической активации. Конкретные параметры процесса синтеза, состав и качественные показатели микропорошков приведены в таблице.

Пример 1 1 (по предлагаемому ТР). Абразивный микропорошок для полирования состава, мас.%:
Al₂O₃ - 98,5
Fe₂O₃ - 1,5
Готовят шихту из 26 кг гидроксида алюминия, в частности гидраргиллита и 0,9 кг гептагидрата сульфата железа (II), которую загружают в футерованную шаровую мельницу объемом 100 дм³. Скорость вращения мельницы 50/мин; отношение массы стеатитовых шаров к массе полезной загрузки 7,5:1; температура и время механохимической активации 30^oC и 90 мин соответственно. Качественные показатели микропорошка приведены в таблице.

Пример 12 (по предлагаемому ТР). Абразивный микропорошок для полирования состава, мас.%:
Al₂O₃ - 95,0
Fe₂O₃ - 5,0
Готовят шихту из 3 кг гидроксида алюминия, в частности гидраргиллита и 0,36 кг гептагидрата сульфата железа (II), которую загружают в стальную вибромельницу объемом 10 дм³ . Частота колебаний вибромельницы 1200/мин; отношение массы стальных шаров к массе полезной загрузки 13 : 1; температура и время механохимической активации 30^oC и 60 мин соответственно. Качественные показатели микропорошка приведены в таблице.

Из данных таблицы следует, что предлагаемый абразивный микропорошок для полирования по сравнению с прототипом (твердые растворы Cr₂O₃ в Al₂O₃) обладают более высокой полирующей способностью (в 1,1-1,4 раза) и позволяют уменьшить шероховатость поверхности обрабатываемых изделий (в 1,1-1,5 раза). Кроме того, он не содержит в своем составе вредных для здоровья человека соединений хрома, что позволяет улучшить условия труда как в процессе синтеза микропорошка, так и при использовании его для полировки различных изделий.

Обладая по сравнению с прототипом более высокими показателями по твердости и монодисперсности, данный порошок может применяться для полирования различных, в том числе с повышенной твердостью изделий из металла, камня, стекла. Использование на стадии механохимической активации вместо планетарных вибрационных и шаровых мельниц позволяет также снизить на 15-30% энергоемкость данной стадии.

Формула изобретения

1. Экологически чистый абразивный микропорошок для полирования на основе оксидов алюминия и 3d-металла, отличающийся тем, что в качестве оксида 3d-металла он содержит оксид железа (III) при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Al₂O₃ - 90,0 - 99,9
Оксид железа - 0,1 - 10,0
2. Способ получения абразивного микропорошка по п.1, отличающийся тем, что готовят шихту из соединений алюминия и железосодержащего сырья, проводят механохимическую активацию ее при температуре от 20 до 275^oС в течение 10 - 200 мин с последующей прокалкой при 900 - 1300^oС.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что в качестве соединений алюминия используют гидроксид алюминия, в частности гидраргиллит, а в качестве железосодержащего сырья используют соли, оксиды или оксигидроксиды железа (II, III).

4. Способ по пп.2 и 3, отличающийся тем, что на стадии механохимической активации используют планетарные, шаровые и вибрационные мельницы.

РИСУНКИ

Рисунок 1