氧化鋯陶瓷磨球的滾制成型法制備技術(shù)與性能研究_圖文

1、第38卷增刊 人 工 晶 體 學 報 Vo.l 38Spec i a l Editi on 2009年8月 J OURNAL O F S YNTHET IC CRY STA LS A ugust ,2009氧化鋯陶瓷磨球的滾制成型法制備技術(shù)與性能研究劉 惟1,張合軍2,張文華2(1.西北工業(yè)大學,西安710072;2.淄博啟明星新材料有限公司,淄博255000摘要:研究了滾制成型法制備氧化鋯陶瓷球坯工藝及燒結(jié)溫度對陶瓷磨球體積密度、壓碎強度和自磨損性能的影響。結(jié)果表明:凝膠固相合成法生產(chǎn)的亞微米級3m o %l Y 2O 3-Z rO 2陶瓷粉體適用于滾制成型法制備體積密度高、圓度好、大小均勻

2、的球坯。在1500e 保溫2h 的燒結(jié)條件下得到的微晶氧化鋯陶瓷磨球在快速研磨機中的自磨損率最低,其微觀結(jié)構(gòu)均勻,晶粒尺寸約0.5L m ,體積密度為5.97g /c m 3,52.75mm 和56.36mm 陶瓷磨球的平均壓碎強度分別達到326kg 和1377kg 。關(guān)鍵詞:氧化鋯;陶瓷磨球;滾制成型;燒結(jié)溫度;自磨損率中圖分類號:TG174.4 文獻標識碼:A 文章編號:1000-985X (2009S1-0295-04Study on the T echni que and Properties of Z irconiaW ear -resistantCera m ic BallsM a

3、nufactured by a R ol-l for m i ng M ethodLIU W ei 1,Z HANG H e -jun 2,Z HANG W en-hua 2(1.Nort hw estern Po l ytechn icalUn i versity ,X ia 'n 710072,Ch i na ;2.Zi bo Q i m i ngxi ng N e w M at eri als Co m pany ,Z i bo 255000,Ch i n aAbst ract :The zircon ia w ear -resistant cera m ic ba lls ha

4、ve been m anufactured by rol-l for m i n g m e t h od.Theeffects o f t h e si n teri n g te m perature on the volum e density ,crushing intensity and se l-f w ear capacity o f thecera m ic balls have been i n vesti g ated .The result sho w s that the 3m o%l Y 2O 3-Zr O 2sub-m icron cera m icpo w der

5、 synthesized by ge l solid state m ethod is applicable to the rol-l fo r m i n g ball m ethod w ith highvo l u m e density ,good roundness and ho m ogen izi n g d i m ension .F i n e crystal zircon ia cera m ic w ear -resistan tba lls si n tered at 1500e f o r 2h i n d icate lo w er sel-f w ear rate

6、 i n fas-t speed m iller .H o m ogeneousm icrostr ucture w ith cr ystal size about 0.5L m and vo l u m e density o f 5.97g /c m 3w as obta i n ed .Theaverage crush i n g streng t h o f the cera m ic ba llsm easured at 52.75mm and 56.36mm a m oun t to 326kgand 1377kg respective ly .K ey w ords :zirco

7、n ia ;cera m ic bal;l r o l-l for m i n g m e t h od ;si n teri n g te mperature ;sel-f w ear rate作者簡介:劉 惟(1978-,男,陜西省人,碩士。E-m ai:l L i uw ei h ot m ai.l co m1 引 言氧化鋯陶瓷磨球是氧化鋯材料中一類用量很大、應(yīng)用面很廣的產(chǎn)品,除了在氧化鋯類陶瓷粉體研磨中大量使用外,在其它電子陶瓷粉料,磁性材料粉料、高技術(shù)結(jié)構(gòu)和功能陶瓷粉料、日用陶瓷色料和釉料,化工和各類涂料,機械拋光用粉料,醫(yī)藥和食品粉劑的超細研磨中也發(fā)揮了極為重要的作用。目前,氧化鋯

8、陶瓷磨296人工晶體學報第38卷球多用3m o%l Y2O3部分穩(wěn)定的Zr O2材料體系制備1,與大量使用的氧化鋁陶瓷磨球相比,氧化鋯陶瓷比重可達6.0g/c m3左右,因此沖擊力大,在同樣條件下,可減少所需的研磨時間,提高研磨效率2;其次,氧化鋯陶瓷與氧化鋁陶瓷的硬度相近,約為1214GPa,但強度高達8001000M Pa,斷裂韌性可達10M Pa#m1/2以上,均為氧化鋁陶瓷的二到三倍。因此其磨耗很低,壓碎強度很高,可以顯著減少被研磨物料中雜質(zhì)引入,同時在一些特殊的超細粉體研磨設(shè)備如攪拌磨機、砂磨機、高速振動磨機等新型設(shè)備中,不易破碎的高強高韌微晶氧化鋯陶瓷磨球已成為唯一可用的產(chǎn)品,盡管

9、微晶氧化鋯磨球價格高,但由于其磨耗極低,對被研磨物料的研磨和分散效果好,無需時常補加料,因此綜合使用成本仍相對較低。其使用領(lǐng)域不斷擴大,正在逐漸代替氧化鋁、硅酸鋯、瑪瑙等研磨介質(zhì)球。通常,高質(zhì)量的微晶氧化鋯磨球多采用氧化釔部分穩(wěn)定的氧化鋯(Y-TZP超細粉體為原料成型后經(jīng)高溫燒結(jié)(14001600e致密化,然后通過自磨或添加超細研磨粉料拋光得到。球粒尺寸根據(jù)使用要求不同,包括了從50.1mm以上各種級別。對于大尺寸磨球,多采用冷等靜壓成型工藝,即先將粉體料漿噴霧造粒,然后裝入特殊設(shè)計的硬橡膠模袋中進行冷等靜處理獲得球坯。該工藝所得坯體致密度高,燒結(jié)成瓷材質(zhì)好,密度高。但由于模具限制,其球坯園度

10、不好,表面形成的棱邊需進一步打磨處理,同時,該工藝設(shè)備投資費用大,生產(chǎn)成本高,不適合于生產(chǎn)直徑小于510mm的小球。國內(nèi)生產(chǎn)氧化鋯小球也有采用泥段滾制成型工藝,即先將粉體與水、粘接劑、增塑劑、潤滑劑等加入練泥機混合練制成泥,經(jīng)陳腐形成塑性泥料,放入擠泥機擠制成泥條,并切成長度與直徑尺寸相當?shù)哪喽?再放入滾球機滾制成球坯。該工藝只要控制好擠泥機模頭口徑和切段長短,就可以得獲到一致性較好的泥段,滾制的球坯園度也容易保證。但由于塑性泥料含水量和添加物較多,使球坯密度相對較低,需提高燒結(jié)溫度才能獲得較致密瓷體,導致晶粒尺寸長大,難以獲得微晶耐磨的效果。粉體直接滾制法使用簡單廉價的旋轉(zhuǎn)滾球機,先加入預制

11、的球坯晶種,然后邊旋轉(zhuǎn)噴水霧邊添加陶瓷粉體,粉體不斷粘附于晶種表面逐漸長大,最終得到所需尺寸的球坯。目前,滾制成型法制備陶瓷小球技術(shù)在氧化鋁陶瓷中已獲得了比較廣泛的應(yīng)用3。該技術(shù)具有設(shè)備和生產(chǎn)工藝簡化、生產(chǎn)效率高、產(chǎn)品質(zhì)量好的優(yōu)勢,是一種適合于規(guī)?；笊a(chǎn)的工藝技術(shù),但至今尚未見到用該工藝生產(chǎn)氧化鋯球的報道。2實驗2.1氧化鋯陶瓷球坯的制備采用淄博啟明星新材料有限公司用凝膠固相合成法4和國內(nèi)某企業(yè)用化學共沉淀法生產(chǎn)的兩類3m o%l Y2O3-Zr O2陶瓷粉體為原料,分別記為F1和F2。用滾制成型法制備氧化鋯陶瓷磨球坯體,制備工藝為:冷等靜壓粉體坯料y破碎y過篩預制晶種y加入滾球機滾動y噴水

12、霧y添加粉料y噴水霧y添加粉料#y滾動長大至預定尺寸(約53.2mm和57.3mm兩種y滾動表面拋光y干燥y球坯。2.2氧化鋯陶瓷球坯的燒結(jié)工藝將氧化鋯陶瓷球坯體分成三組裝匣缽燒結(jié),燒結(jié)工藝制度如下:室溫至1000e,升溫速率為100e/h; 1000e至燒成溫度,升溫速率為50e/h,三組試樣燒成溫度分別定為1450e、1500e、1550e,保溫2h后隨爐冷卻,得到直徑約53mm和56mm的氧化鋯陶瓷磨球。2.3氧化鋯陶瓷磨球性能測試方法(1體積密度測定:將燒結(jié)后氧化鋯陶瓷磨球在萬分之一精度天秤分別測定其干重和在水中的重量,用阿基米德法計算氧化鋯陶瓷磨球的體積密度。(2自磨損率測定:把每組

13、待測定的氧化鋯陶瓷磨球稱取1kg左右,記為m1(精確度0.01g,以下同,裝入標稱1L的球形氧化鋁陶瓷罐,加入500m L去離子水,在快速研磨機(振磨機上振磨5h,取出樣品用水清洗干凈,于80e烘箱中烘干后稱重,計為m2,自磨損率=1000(m1-m2/5m1,單位為g/kg#h。(3壓碎強度測定:在100kN萬能材料試驗機的上下壓頭處襯墊厚約10mm的氧化鋁陶瓷板,將待測氧化鋯陶瓷磨球放置于其間,以0.5mm/m i n.的加載速率施加壓力直至破碎,記錄最大壓力定為陶瓷球壓碎增刊劉 惟等:氧化鋯陶瓷磨球的滾制成型法制備技術(shù)與性能研究297 強度。對于每種球徑,各測三個試樣,取平均值做為平均壓

14、碎強度。3 結(jié)果與討論3.1 滾制成型氧化鋯陶瓷球坯對粉體特性的要求圖1 兩類陶瓷粉體的SE M 照片F(xiàn) i g .1 S EM i m ages of t w o kinds o f the powders (aF1:G e l so li d state m ethod ;(bF 2:Co -precipitation m ethod 在噴霧水中加入0.3w %t PVA 粘結(jié)劑,用凝膠固相合成法生產(chǎn)的氧化鋯陶瓷粉體(F1,通過控制滾球機傾角與轉(zhuǎn)速,噴水霧和加粉相對量及其時間間隔等參數(shù),可獲得圓度好、大小均勻的球坯,經(jīng)測定其體積密度達到3.82g /c m 3。而用共沉淀法生產(chǎn)的氧化鋯陶瓷

15、粉體(F2,在球坯滾制過程中向晶種上粘粉困難,需噴較多水霧,但又容易結(jié)團,造成球坯尺寸大小不均勻,密度僅達到3.27g /c m 3,而且容易破碎,破碎斷口明顯有分層現(xiàn)象。圖1為兩類粉體的SE M 圖。從圖中可以看出,F1是分散性良好的等軸球狀顆粒,其晶粒均勻,原晶尺寸約為0.2L m 左右,發(fā)育完整,這種粉體是經(jīng)1300e 以上高溫合成后經(jīng)砂磨機粉碎得到,其比表面積僅不到8m 2/g ,因此用水量少,堆集緊密,所得球坯體積密度高。而F2粉體原晶尺寸極細,發(fā)育不夠充分,存在明顯團聚情況,無法適用于滾制成球。本文用F2粉體滾制成型氧化鋯陶瓷球坯未能成功,而用F1粉體則沒有什么困難。顯然,以往認為

16、氧化鋯球難以滾制成型,其主要原因是對粉體的要求不清所致。由于目前國內(nèi)市場主要銷售的是共沉淀法制備的氧化鋯粉體,其鍛燒合成溫度較低(一般低于1100e ,粉體過于膨松,比表面積很大,因此不適合于滾制成型法制備陶瓷球坯。3.2 燒結(jié)溫度對氧化鋯陶瓷磨球性能的影響表1 氧化鋯陶瓷磨球的性能與燒結(jié)溫度的關(guān)系T ab le 1 R elati on sh i p be t ween sintering temperature and proper ties of zircon ia cera m ic ballsAverage d i a m eter /mmS i n teri ng te m per

17、ature/e Volu m e den sity/g #c m -3Sel-f w ear rate/g #(kg #h-1C ru s h i ng strengt h /kg 14505.90 1.36-52.7515005.97 1.0232615506.03 1.44-14505.91 2.54-56.3615005.97 2.50137715506.04 2.68-采用F1粉體滾制成型法制得的兩種尺寸球坯體,按規(guī)定的燒結(jié)工藝制度燒成后,測得其體積密度和自磨損率與燒成溫度的關(guān)系,同時測定了自磨損率最低的1500e 燒結(jié)陶瓷磨球的壓碎強度,如表1所示?？梢郧宄乜吹?F1粉體滾制成型球

18、坯有很好的燒結(jié)性,在1450e 燒結(jié)后即達到約97%的相對密度(理論密度按6.10g /c m 3計算。隨著燒結(jié)溫度的提高,氧化鋯磨球的體積密度逐漸增大,在1550e 燒結(jié)后達到約99%的相對密度。這表明F1是一種高燒結(jié)活性的亞微米級氧化鋯粉體,同時證明滾制成型法可以制得高致密度的氧化鋯磨球。1500e 燒結(jié)的52.75mm 磨球的自磨損率僅為1.02g /kg #h,而且其平均壓碎強度達到了326kg ,超過了通常53.0mm 磨球壓碎強度大于300kg 的規(guī)定。在本試驗條件下,磨球的自磨損率并不完全取決于其體積密度的高低,而是以1500e 燒結(jié)后的氧化鋯陶瓷磨球最低,且對于兩種尺寸的磨球規(guī)

19、律是一致的。圖2是不同燒結(jié)溫度磨球的斷口微觀形貌,可以看出,1450e 燒結(jié)后尚有少量微氣孔,致密化程度較低(圖2a,故其耐磨性不如1500e 燒結(jié)者,說明瓷體密度是影響磨球自磨損率的重要因素之一;而1550e 燒結(jié)后,晶粒尺寸有異常長大現(xiàn)象(圖2c,其自磨損率明顯增大,以致超過1450e 燒結(jié)者,說明晶粒尺寸對磨球自磨損率的影響更大;1500e 燒結(jié)后,瓷體在具有較高致密度的同時并保持了均勻細小的晶粒(圖2b,故獲得了最低的自磨損率。因此,對于氧化鋯研磨介質(zhì)球而言,更需強調(diào)其微晶結(jié)構(gòu)的重要性。298人工晶體學報第38卷另一值得注意的問題是,在本試驗中,較大尺寸磨球的自磨損率明顯高于較小尺寸的

20、磨球,這與一般在滾筒磨機進行自磨損試驗中觀察到的結(jié)果不一致。一般認為,同質(zhì)量的小尺寸磨球因其球粒數(shù)量多,接觸磨損點多,因此自磨損率高。但本試驗在快速研磨機進行,由于強烈的振動沖擊條件,磨球尺寸越大,磨球之間所產(chǎn)生的沖擊力也越大,此時磨球表面的摩擦磨損機理可能已發(fā)生了變化,對此應(yīng)做進一步的研究。 圖2不同溫度燒結(jié)后磨球的斷口形貌F ig.2SE M i m ages o f t he cera m i c balls sintered at d ifferen t temperature(a1450e;(b1500e;(c1550e4結(jié)論(1采用凝膠固相合成法生產(chǎn)的亞微米級3m o%l Y2O3

21、-Zr O2陶瓷粉體為原料,通過控制合適的滾制成型工藝參數(shù),可獲得體積密度高、圓度好、大小均勻的球坯;(2燒結(jié)溫度對氧化鋯陶瓷磨球的自磨損率有重要影響,在快速研磨機試驗條件下,經(jīng)1500e燒結(jié)后,磨球體積密度為5.97g/c m3,晶粒尺寸約0.5L m,自磨損率最低;(3在快速研磨機試驗條件下,由于振動沖擊的影響,較大尺寸磨球的自磨損率明顯高于較小尺寸的磨球,這與一般在滾筒磨機進行自磨損試驗中觀察到的結(jié)果不一致,此時磨球的摩擦磨損機理可能已發(fā)生了變化,對此應(yīng)做進一步的研究。參考文獻1Bas u B,V leugels J,B iest O V.Toughness t a il ori ng ofY ttria-doped Zircon