成型和燒結(jié)工藝對高純氧化鋁磨球性能的影響

趙寶玲，陳立宗，李恩霞，代金山，田清波

（1.山東省分析測試中心，山東　濟南　250014；2.山東建筑大學(xué)，山東　濟南　250101）

成型和燒結(jié)工藝對高純氧化鋁磨球性能的影響

趙寶玲1，陳立宗1，李恩霞1，代金山2，田清波2

（1.山東省分析測試中心，山東濟南250014；2.山東建筑大學(xué)，山東濟南250101）

摘要：為研究成型和燒結(jié)工藝對高純氧化鋁磨球性能的影響，采用團粒法制備形狀良好的球坯，利用常壓燒結(jié)方法制備高純氧化鋁磨球。結(jié)果表明，成型機轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)時間對磨球粒徑分布有較大的影響。隨著燒結(jié)溫度的提高以及保溫時間的延長，高純氧化鋁磨球的質(zhì)量密度逐漸增加，磨損率逐漸減小。在1500℃保溫210min制得高純氧化鋁磨球的質(zhì)量密度為3.15g/cm3，磨損率為0.63%。

關(guān)鍵詞：高純氧化鋁磨球；成型；燒結(jié)

高純氧化鋁磨球因具有密度適中、硬度大、耐腐蝕以及不易引入雜質(zhì)等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于特種水泥、精密陶瓷等行業(yè)原料的加工和研磨，是一種性能優(yōu)良的研磨介質(zhì)［1－2］。但高純氧化鋁磨球的純度高、生坯密度低使其常壓燒結(jié)溫度較高，從而限制了其在更多領(lǐng)域中的應(yīng)用［3］。目前，制備高純氧化鋁球坯主要有擠壓、團粒法、干法等靜壓、濕袋法冷等靜壓和液壓硬模成型等［4］方法。等靜壓成型等方法對設(shè)備要求較嚴(yán)格，制備成本較高；而團粒法成型是借鑒藥丸和湯圓的制備工藝，具有操作簡單、成本低等優(yōu)點。顏東亮等［5］將利用手工團粒法制得的球坯在1370℃溫度下燒結(jié)70min，獲得了質(zhì)量密度為2.64g/cm3，平均磨損率為0.0899%的中鋁瓷球。宋杰光等［6］采用手工團粒法制得形狀良好的球坯，經(jīng)1365℃燒結(jié)120min，所得中鋁瓷球的質(zhì)量密度為2.52g/cm3，磨損率為0.0787%。但手工團粒法成型生產(chǎn)效率較低。因此，本文采用成球機團粒法成型工藝，通過不斷調(diào)整成球機的轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)時間，以獲得形狀良好的球坯，并期望實現(xiàn)球坯的批量生產(chǎn)。采用常壓燒結(jié)方式進行燒結(jié)，研究成型和燒結(jié)工藝對高純氧化鋁磨球耐磨性等性能的影響。

1　實驗

1.1瓷球的制備

實驗原料高純氧化鋁由大連交通大學(xué)陶瓷中心生產(chǎn)，純度高于99.995%，其他均為化學(xué)純試劑。將高純氧化鋁、聚乙烯醇和蒸餾水按質(zhì)量比6：2：1的比例混合均勻后獲得可塑性比較好的坯料，然后將坯料放入成球機中，分別調(diào)整成球機的轉(zhuǎn)速至25、30、35r/min旋轉(zhuǎn)15min；當(dāng)成球機的轉(zhuǎn)速為30r/min時，調(diào)整成球機的旋轉(zhuǎn)時間至10、15、20min，獲得形狀良好的球坯。采用常壓燒結(jié)方式，在600℃保溫60min，1500、1550、1600℃分別保溫不同時間，獲得一系列高純氧化鋁磨球。

1.2瓷球質(zhì)量密度的測定

根據(jù)阿基米德原理測量磨球的質(zhì)量密度。

1.3瓷球磨損率的測定

耐磨性是衡量高純氧化鋁磨球性能好壞的一項重要指標(biāo)。本文采用滾動方法測定樣品的磨損率。將樣品放入剛玉球磨罐中，加入適量的蒸餾水，調(diào)整球磨機的轉(zhuǎn)速至150r/min，磨損一定的時間后取出烘干，稱重，計算樣品的磨損率。計算公式如下

其中，w為磨損率；m1為樣品磨損前的質(zhì)量；m2為樣品磨損后的質(zhì)量；t為磨損時間。

2　結(jié)果與討論

2.1成型工藝對高純氧化鋁磨球粒徑的影響

2.1.1燒結(jié)前后成球機轉(zhuǎn)速與高純氧化鋁球坯和磨球粒徑之間的關(guān)系

表1～2為燒結(jié)前后成球機轉(zhuǎn)速與高純氧化鋁球坯和磨球粒徑之間的關(guān)系，成球機旋轉(zhuǎn)時間均為15min。從表1中可以看出，隨著轉(zhuǎn)速的增加，各粒徑范圍內(nèi)球坯所占的比例都出現(xiàn)不同程度的變化。當(dāng)轉(zhuǎn)速為25r/min時，球坯的粒徑大多集中在3～6mm和6～9mm范圍內(nèi)，其中3～6mm內(nèi)的球坯所占比例最大。提高轉(zhuǎn)速至30r/min時，同樣為粒徑在3～6mm范圍內(nèi)的球坯所占的比例最大，但比值有所增加。繼續(xù)提高轉(zhuǎn)速至35r/min，小粒徑球坯所占的比例大大增加，其中1～3mm內(nèi)的球坯所占比例最大。這是因為隨著轉(zhuǎn)速的增大，一些粒徑較大的球坯可能會發(fā)生離散現(xiàn)象，分解為兩個或多個粒徑較小的球坯。燒結(jié)后（表2），小粒徑磨球所占的比例均出現(xiàn)不同程度的增加，這是因為原料中加入了少量的黏結(jié)劑聚乙烯醇，在600℃保溫的過程中，聚乙烯醇逐漸被排出，以及燒結(jié)后期粉體顆粒逐漸接觸緊密直至燒結(jié)致密都會出現(xiàn)一定的程度體積收縮。

表1　燒結(jié)前成球機轉(zhuǎn)速與球坯粒徑的關(guān)系Table　1　Relationship　between　rotating　speed　and　ball　billet　diameters　before　sintering

續(xù)表1

表2　燒結(jié)后成球機轉(zhuǎn)速與磨球粒徑的關(guān)系Table　2　Relationship　between　rotating　speed　and　ball　diameters　after　sintering

2.1.2燒結(jié)前后成球機旋轉(zhuǎn)時間與高純氧化鋁球坯和磨球粒徑之間的關(guān)系

表3～4為燒結(jié)前后成球機旋轉(zhuǎn)時間與高純氧化鋁球坯和磨球粒徑之間的關(guān)系，成球機轉(zhuǎn)速均為30r/min。從表3中可以看出，燒結(jié)前，隨著旋轉(zhuǎn)時間的延長，1～6mm球坯所占的比例逐漸增加。這是因為當(dāng)轉(zhuǎn)速一定時，隨著旋轉(zhuǎn)時間的延長，球坯逐漸變得密實，體積逐漸減小。燒結(jié)后（表4），粒徑在1～6mm范圍內(nèi)的磨球所占比例進一步增大，這是由燒結(jié)過程中聚乙烯醇被排出以及燒結(jié)致密化所導(dǎo)致的。

表3　燒結(jié)前成球機旋轉(zhuǎn)時間與球坯粒徑的關(guān)系Table　3　Relationship　between　rotating　time　and　ball　billet　diameters　before　sintering

表4　燒結(jié)后成球機旋轉(zhuǎn)時間與磨球粒徑的關(guān)系Table　4　Relationship　between　rotating　time　and　ball　diameters　after　sintering

2.2燒結(jié)時間對高純氧化鋁磨球質(zhì)量密度和耐磨性的影響

圖1為燒結(jié)后樣品的質(zhì)量密度隨燒結(jié)時間變化的關(guān)系。從圖中可以看出，經(jīng)1500℃燒結(jié)后，隨著保溫時間的延長，高純氧化鋁磨球的質(zhì)量密度逐漸增加。當(dāng)在1500℃保溫60min時，制得高純氧化鋁磨球的質(zhì)量密度為2.80g/cm3，僅能達(dá)到理論密度的71.8%。延長保溫時間至120min時，高純氧化鋁磨球的質(zhì)量密度為2.90g/cm3，達(dá)到理論密度的74.4%。繼續(xù)延長保溫時間至180min時，制得高純氧化鋁磨球的質(zhì)量密度為3.04g/cm3，達(dá)到理論密度的77.8%。當(dāng)在1500℃保溫210min時，制得高純氧化鋁磨球的體積密度也僅能達(dá)到理論密度的80.8%。這是因為對高純氧化鋁陶瓷來說，常壓燒結(jié)通常需要在1600℃左右的高溫下進行，1500℃燒結(jié)溫度太低，在這個溫度下延長燒結(jié)時間，質(zhì)量密度提高的空間不大［7］。

圖1　燒結(jié)后樣品的質(zhì)量密度Fig.1mass　densities　of　samples　after　sintering

圖2　燒結(jié)后樣品的磨損率Fig.2　Wear　rates　of　samples　after　sintering

圖2為在1500℃保溫不同時間所得高純氧化鋁磨球的磨損率。從圖中可以看出，隨著保溫時間的延長，高純氧化鋁磨球的磨損率逐漸減小。當(dāng)在1500℃分別保溫60、90、120min時，所得高純氧化鋁磨球的磨損率均超過25%。這說明此時樣品還沒燒結(jié)，仍保留著原料中的粉體顆粒形貌，結(jié)構(gòu)比較疏松，使得樣品的磨損率較大。在1500℃延長保溫時間至180min時，高純氧化鋁磨球的磨損率大幅降低，為0.72%，說明此時樣品已經(jīng)從結(jié)構(gòu)比較松散的坯體變成相對致密的燒結(jié)體。進一步延長保溫時間至210min時，所得高純氧化鋁磨球的磨損率降低為0.63%。這是因為隨著保溫時間的延長，燒結(jié)體內(nèi)的氣孔逐漸被排出，晶粒逐漸發(fā)育完善，燒結(jié)體逐漸變得致密，從而使得高純氧化鋁磨球的質(zhì)量密度增加，磨損率降低［8－9］。

2.3燒結(jié)溫度對高純氧化鋁磨球質(zhì)量密度和耐磨性的影響

圖3為在不同燒結(jié)溫度下燒結(jié)2h制得高純氧化鋁磨球的質(zhì)量密度。從圖中可以看出，隨著燒結(jié)溫度的提高，樣品的質(zhì)量密度不斷增加。在1500℃燒結(jié)2h，制備了質(zhì)量密度為2.90g/cm3、相對密度為74.4%的高純氧化鋁磨球。提高燒結(jié)溫度至1550℃時，高純氧化鋁磨球的質(zhì)量密度增大為2.93g/cm3，達(dá)到理論密度的75.1%。繼續(xù)提高燒結(jié)溫度至1600℃，樣品的質(zhì)量密度進一步增加為2.95g/cm3，但是僅為理論密度的76.5%。利用團粒法成型制備的球體生坯由于顆粒的接觸界面小，球坯中氣孔數(shù)量多且平均直徑大，使得生坯的質(zhì)量密度相對較低。在燒結(jié)的過程中，質(zhì)點遷移的距離增加使得擴散阻力增大，最終導(dǎo)致燒結(jié)溫度的提高［10］。

圖4為高純氧化鋁磨球的磨損率隨燒結(jié)溫度變化的關(guān)系圖（燒結(jié)時間均為2h）。從圖中可以看出，隨著燒結(jié)溫度的提高，高純氧化鋁磨球的磨損率逐漸減小。在1500℃燒結(jié)2h制得高純氧化鋁磨球的磨損率為25.6%。提高燒結(jié)溫度至1550℃，高純氧化鋁磨球的磨損率減小為21.9%。繼續(xù)提高燒結(jié)溫度至1600℃時，高純氧化鋁磨球的磨損率進一步減小，為19.4%。隨著燒結(jié)溫度的提高，原子活性增強，擴散傳質(zhì)速率增加。坯體中粉體顆粒逐漸接觸緊密，顆粒接觸面積增加，小氣孔數(shù)量減少，氣孔率逐漸降低，樣品逐漸由結(jié)構(gòu)松散的坯體變?yōu)橄鄬χ旅艿臒Y(jié)體［11－12］。因此，高純氧化鋁陶瓷的質(zhì)量密度逐漸增加，磨損率逐漸減小。

圖3　不同燒結(jié)溫度下制得樣品的質(zhì)量密度Fig.3mass　densities　of　samples　at　different　sintering　temperatures

圖4　不同燒結(jié)溫度下制得樣品的磨損率Fig.4　Wear　rates　of　samples　at　different　sintering　temperatures

3　結(jié)論

成型工藝對高純氧化鋁磨球粒徑有較大的影響。隨著成球機轉(zhuǎn)速的增加和旋轉(zhuǎn)時間的延長，小粒徑球坯所占的比例逐漸增加。當(dāng)在1500℃進行燒結(jié)時，隨著保溫時間的延長，高純氧化鋁磨球的質(zhì)量密度逐漸增加，磨損率逐漸降低。在1500℃保溫210min所得高純氧化鋁磨球的質(zhì)量密度為3.15g/cm3，磨損率為0.63%，質(zhì)量密度偏低，僅為理論密度的80.8%。因此，在今后的研究中，仍需不斷改進磨球的燒結(jié)工藝，以提高磨球的質(zhì)量密度，并進一步降低其磨損率。

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Impactofmoldingandsinteringprocessonwearresistanceofhighpurityaluminaceramicballs

ZHAOBao-ling1，CHENLi-zong1，LIEn-xia1，DAIJin-shan2，TIANQing-bo2

（1.ShandongAnalysisandTestCenter，Jinan250014，China；2.ShandongJianzhuUniversity，Jinan250101，China）

Abstract：Weemployedmaterial-aggomeratinggranulationmethodtopreparegoodformballbilletsandpressurelesssinteringapproachtomakehighpurityaluminaceramicballstoaddresstheimpactofmoldingandsinteringprocessonwearresistanceofhighpurityaluminaceramicballs.Resultsindicatethatrotatingspeedandtimeofaballformingmillhavegreatinfluenceonsizedistributionofhighpurityaluminaceramicballs.Withtheincreaseofsinteringtemperatureandtime，theirmassdensitygraduallyincreases，buttheirwearrategraduallydecreases.Theirmassdensityandwearratearerespectively3.15g/cm3and0.63%at1500℃andfor210minutes.

Keywords：highpurityaluminaceramicballs；molding；sintering

中圖分類號：TQ174

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1002-4026（2016）01-0045-05

DOI：10.3976/j.issn.1002－4026.2016.01.008

收稿日期：2015-07-31

作者簡介：趙寶玲（1984－），女，助理工程師，研究方向為晶體材料分析和光電催化。