以鋁礬土為原料制備高檔瓷球的研究

摘要 本文針對目前精細氧化鋁陶瓷存在的性能和價格矛盾，利用中國豐富的天然鋁礬土礦物為主要原料，選用優化的工藝流程，并添加少量的其它助劑，制備出顏色白、性能高的研磨介質。所制得的產品具有顏色白、性能高、燒成溫度低、耗能少、資源消耗少、生產成本低等特點，減少了環境污染，實現了鋁礬土的高附加值應用和高性能陶瓷的低成本制造，具有廣闊的應用前景。

關鍵詞 鋁礬土，瓷球，高性能，低成本

1前言

我國鋁土礦資源儲量豐富，保有儲量為22.88億噸，主要分布在山西、貴州、河南、廣西、山東五省，儲量達21.16億噸，占全國總儲量的92.48%[1]。目前，世界已探明鋁土資源儲量約360億噸，中國儲量約23億噸，居世界第五位[2]。

我國作為建筑衛生陶瓷第一生產大國，對研磨介質的需求量巨大。但我國生產的研磨介質質量與國外還有較大差距，普遍存在生產成本高、磨損率高、掉渣、開裂、破碎、能耗大等問題，高端產品仍被日本、英國、美國、西班牙等國占據。目前，歐美發達國家已經普遍采用體積密度為3.5g/cm3以上的釉用高鋁球用于坯料研磨，從而大大提高了研磨效率、縮短研磨時間、降低生產成本、大幅度提高設備的生產能力和效率、減少對研磨物料的污染，并提高了產品質量和勞動生產率[3]。

2試 驗

2.1 試驗原料和瓷球的制備

以中國北方某地的天然鋁土礦（化學成分見表1）為主要原料，經破碎后按料:球:水(wt%)=1:1.5:1.2的比例在以剛玉球為研磨介質的球磨罐中球磨48h，然后在100℃下烘干24h。將鋁礬土與助熔劑在CaO-MgO-Al2O3-SiO2體系中配料，制備出含75%Al2O3的瓷球（化學成分見表1）。

將已球磨48h的鋁礬土和高嶺土與天然礦物助熔劑CaCO3、燒滑石以及三聚磷酸鈉等按適當比例配料，在85MPa壓力下成形球坯，分別在1200℃、1230℃、1250℃、1280℃、1300℃下燒成，制備試驗用瓷球。

2.2 瓷球的性能測定

采用LS-POP(III) 歐美克粒度分析儀測試原料的粒度分布。根據國標GB/T3810.3－1999測試瓷球的吸水率，按（1）式計算。根據阿基米德原理測試瓷球的體積密度，按（2）式計算。

w = (m1-m0) / m0×100% (1)

ρ= m0ρ水 / ( m2- m0) (2)

其中，m0、 m1、 m2分別為瓷球干燥時、浸水飽和后以及浸在水中時的質量，單位為g。ρ和ρ水分別為瓷球和測試溫度下水的體積密度，單位為g/cm3。

耐磨性是衡量瓷球質量好壞的一項重要指標，瓷球的耐磨性與自身材料的力學性能和顯微結構有著密切的關系，即與其內部因素有關，而瓷球耐磨性的好壞，又通過磨損率來表征[4]。

本試驗以市售建陶行業用75氧化鋁瓷球為對比樣。將自制瓷球與對比樣瓷球同時放入同一球磨罐中，加入適量的水對磨一定時間，取出、烘干、稱重，按公式（3）計算瓷球的磨損率：

a= (m3-m4) /tm3×100% (3)

其中：

a——瓷球的磨損率

m3和m4 ——分別為瓷球磨損前、后的質量，單位g

t——球磨時間，單位h。

3結果與討論

3.1瓷球的性能

經粒度測試得配料混合球磨后的平均粒徑為547nm。瓷球的各項性能如表2所示。對比市售的標準75球磨耗：0.1119%/h，密度：3.1355g/cm3；在最佳燒成溫度1250℃時，瓷球體積密度為3.42g/cm3，磨損率為0.048%/h，顯然自制瓷球的性能指標大大高于市售的標準75球。

3.2 瓷球的物相分析

采用日本理學Rigaku D/MAX 2500V型X射線衍射儀(XRD)分析瓷球的相組成。

由圖1可以看出，CaO-MgO系瓷球的主晶相為剛玉，次晶相為鈣長石、鎂鋁尖晶石和莫來石；由于在900℃以下配料中的高嶺土脫水生成偏高嶺石，至900℃以上，偏高嶺石分解成游離Al2O3與SiO2，至1050～1200℃時，坯體中的Al2O3 和SiO2開始結晶為莫來石，其反應方程式為:

3Al2O3 + 3SiO2 → 3Al2O3·2SiO2 + SiO2

從圖1可以看出，Mg 系瓷球還有鎂鋁尖晶石生成，對瓷球的性能起到優化作用。

3.3 瓷球的顯微結構分析

采用日本JSM-5610LV型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察瓷球的顯微形貌。

瓷球斷面的電鏡圖表明，制備的瓷球具有細小的晶粒尺寸、致密的結構、氣孔率低、氣孔尺寸小等特點，正因為具備以上特點，瓷球具有較好的耐磨性。平均粒徑在1μm以下，晶粒有大有小，最大為3μm，最小為0.2μm，小晶粒比例高，且形狀規則，有圓形和板狀晶粒，表明了在燒結過程中液相量出現較多，晶體熔解較強烈，高溫狀態時，熔體粒度較大，不易成棱角分明的晶體，同時也抑制了晶粒的長大；而熔體冷卻時，形成玻璃相或包于晶粒表面。大顆粒起到一個骨架作用，并在一定程度上也阻礙著晶粒的長大，高粘度的熔體及“骨架”的阻礙雙重作用，有力地細化了陶瓷晶粒。通過細化晶粒，提高了瓷球的耐磨性，增大了瓷球的密度，有利于提高瓷球的性能。

4結論

在現有的工業條件下，采用鋁礬土調整配料體系和優化各步工藝，可制備出白色高檔次的瓷球研磨介質。鋁礬土的價格不到氧化鋁價格的1/6，可大幅度降低成本，采用天然礦物作燒結助劑，合理地設計晶界相組成及數量，通過調整各燒結助劑的比例，使氧化鋁陶瓷制品能在較低的溫度下實現低溫燒結。該方法實現了高性能陶瓷的低成本制造，解決了氧化鋁陶瓷的性能與價格問題。

參考文獻

1 張國斌.推廣鋁土礦選礦技術，促進氧化鋁工業發展[J].輕金屬，2001，3:1～6

2 趙恒勤等.中國鋁土礦資源及氧化鋁生產技術狀況透析[J].礦產保護與利用，2001，10，5

3 Sathiyalumar M，Gnanam F D.Influence of additives on density，microstructure and mechanical properties of alumina[J].Journal of Materials Processing Technology，2003，133:282～286

4 嚴東生.陶瓷的顯微結構與性能[J].硅酸鹽學報，1981，3:71

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內容請以PDF格式閱讀原文。