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氧化锆研磨球特点及工艺简介
2019年09月18日 发布 分类:粉体入门 点击量:302
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氧化锆研磨介质是氧化锆材料的一个重要应用分支,除了大量用来自己磨自己以外(磨氧化锆陶瓷粉体),在电子陶瓷粉体,磁性材料,各类陶瓷结构陶瓷及功能陶瓷粉体,日用陶瓷色料和釉料,各类涂料,机械抛光粉体,医药和食品等超细研磨中也发挥了极为重要的作用。

根据稳定剂的不同,氧化锆陶瓷有多种类型。常见的氧化锆稳定剂通常是碱土氧化物或者稀土氧化物,比如氧化钇,氧化铈,氧化钙,氧化镁。这些稳定剂稳定氧化锆的实质大致是相似的,但是性能却有所不同。在实际应用中,掺杂氧化钇的氧化锆(3mol%Y2O3部分稳定氧化锆)具有良好的综合性能,是许多氧化锆结构件的首选,也是目前高性能氧化锆研磨介质的首选。

 

↑↑↑氧化锆研磨珠

 

氧化锆研磨材料的特点

从研磨材料的角度去看氧化锆,它与其它陶瓷研磨介质相比有三个非常突出的特点:其一是密度大;其二是硬度大;其三是韧性好。尽管采购成本也是大大的,但综合使用成本也还是有优势,更重要的一点部分不能受到污染的高纯物料就得用低磨损的它。如研磨电子元件浆料,金属Fe、Cu等元素应避免,含有Fe2O3CuSO4等成份的研磨介质就不在选择之列。故氧化锆研磨介质非常适合要求低杂质的场合。

首先氧化锆密度大,因而比重大冲击力大粉碎能量大,与大量使用的氧化铝陶瓷魔球相比,高品质的氧化锆陶瓷密度可达6.0g/cm(氧化铝密度大约在3.5g/cm³-3.9g/cm³),因此冲击力大,在同样的条件下,可以大大减少所需的研磨时间,让材料研磨过程段更高效。

其次,氧化锆陶瓷与氧化铝陶瓷的硬度相近,约为12-14GPa,且强度高达800-1000MPa,断裂韧性可达10MPa·m1/2,均为氧化铝陶瓷的2~3倍,因此氧化锆压碎强度高不易破损,而且其极低的磨耗可以显著减少杂质引入被研磨材料之间。从而非常适应用于砂磨机,高速振动磨机等设备中,特别在一些对杂质敏感的领域更是划算。碎珠及磨损少,无需经常补料,因此综合使用成本仍然相对较低。

氧化锆研磨球的制备方法

作为研磨介质的氧化锆材料,其形状可以是圆柱形型的,也可以是球形的,其中,而球形是当前研磨介质的主要应用形式。通常高品质的微晶氧化锆磨介多采用氧化钇稳定氧化锆(Y-TZP)超细粉体为原料成型后经过高温烧结(1400-1600℃)致密化,然后通过自磨或添加超细研磨粉抛光处理。氧化锆研磨介质根据使用要求不同其尺寸可以在0.05mm以上的各种尺寸。下文陶瓷介质球常见的几种成型工艺做简单概述。

1、压制成型:这是陶瓷大尺寸研磨介质的常见成型方法。主要有干压成形(粉料含水或助剂3%-7%)及等静压成型(粉料含水或助剂3%以下)。干压成型具有操作方法方便简洁、技术、资金投资少的特点,但由于压力分布不均匀而造成素坯内部分布不一致,从而影响制品的综合性能,为了提高素坯的密度,在实际生产中常采用不断增大压力的方法。但压力也不是越大越好,当超过极限压力时,压力反而会使素坯密度下降,其原因是层裂引起的。而等静压成型的坯体强度大,密度高且均匀,可以制备高性能高品质的研磨介质球。因此工业上可以采取两种方法结合制取高性能的陶瓷球。

工艺简述:粉体及各类助剂混匀后喷雾造粒,然后将粉料加入金属模具预制成球,随后将脱模后的坯体进行冷等静压处理获得球坯,使用这种工艺制备所得坯体致密度高,烧成陶瓷球密度高,品质好。等静压成型法加工设备投资大,后处理成本大,一般用于生产直径大于10mm的大尺寸高品质磨介球。

 

↑↑↑陶瓷球坯模压-等静压成型工艺示意

2、滚制成球

除了冷等静压成型工艺的成型工艺,滚制成球也是陶瓷球的一个重要成型方法,该法具有生产设备、原料、操作简单,球形度好,易于烧结的特点。虽然成球强度不如冷等静压强,但制备成本较低,可根据要求生产0.1mm-60mm范围内各种尺寸的球。

滚制成球有采用泥段滚制成球的,其工艺过程是:将粉体与水,粘接剂,增塑剂,润滑剂等加入炼泥机混炼成泥经陈腐形成塑性泥料,放入挤泥机挤制成泥条,并切成长度与直径相当的泥段,再放入滚球机中滚制成球坯,这种成型方法主要控制好挤泥机模头口径和切段长短就可以得到一致性较好的泥段,滚制的球坯圆度也容易控制,但由于球坯密度相对降低,需要提高烧结温度才能获得较为致密瓷体,导致晶粒异常长大,难以制取性能优异的耐磨的微晶氧化锆。

也有采用粉体直接滚制法的的,其工艺过程是:使用简单廉价的旋转滚球机,先加入预制的球坯晶种,然后边旋转喷水雾边添加陶瓷粉体,粉体不断粘附于晶种表面逐渐长大,最终得到所需尺寸的球坯。通过控制合适的滚制成型工艺参数,可获得体积密度高、圆度好、大小均匀的球坯。

 

↑↑↑滚制成球的原理与搓汤圆有点异曲同工之妙,但用的不是手

3、滴液成球

对于很小很小的氧化锆研磨介质珠子(0.05mm到零点几毫米的),可以采用滴定法成型陶瓷珠生坯,举个例子国瓷使用公司自制水热合成的6nm高纯超细氧化锆为原材料,通过滴定法所生产的氧化锆陶瓷微珠可低温烧结且内部无气孔,具有高致密性、高强度、高韧性、低磨耗等性能。使用国瓷定制路线在1200℃烧结的氧化锆球的平均晶粒大小约为150 nm。可适用于电极材料、多层陶瓷电容器、油漆、涂料等高机能材料的分散与研磨。

 

↑↑↑国瓷家直径零点几mm的氧化锆珠

粉体圈 作者:小白


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