高性能鉻質剛玉陶瓷刀具的研制

摘要：本文主要介紹了鉻質剛玉陶瓷刀具的研制方法。經過反復試驗，獲得了使用性能與耐磨性較好的鉻質剛玉陶瓷刀，在高壓電瓷生坯件加工修整中降低了換刀頻率，提高了修坯質量，確保了等靜壓成形的電瓷生產的順利進行。

關鍵詞：鉻質；剛玉；陶瓷刀具

1 前言

隨著我國電力事業的持續高速發展，高壓電瓷產品已經成為一種必不可少的絕緣材料。由于傳統的濕法成形已不能滿足高強度、大尺寸產品的生產，因此等靜壓干法成形已逐漸在高壓電瓷生產中占據了主導地位。由于等靜壓干法成形的坯件硬度高、剛性大，采用陶瓷刀具切削修正坯體難度較大。因此，要想提高高壓電瓷干法成形的合格率，采用優質耐磨的陶瓷刀具就顯得尤為重要。基于上述情況，筆者提出如下鉻質剛玉陶瓷刀具的研制方案：（1）以河南煅燒α-Al₂O₂粉為主要原料，并添加耐磨劑；（2）采用濕法球磨工藝，以取得較好料漿細度，同時對漿料進行除鐵；（3）在將刀具生坯進行修整前先在1050℃以下進行低溫素燒，增強坯體的強度；（4）高溫燒結，制定出合理的燒成制度。

2 試驗原料與內容

2.1原料

本試驗所采用的主要原料有煅燒工業氧化鋁粉和安口土，其理化指標如表1所示。

所采用的輔助原料有輕質碳酸鈣、氧化鐵、三氧化二鉻等。

（1）輕質碳酸鈣中CaCO₃≥99.50%，Fe₂O₃≤0.01%，pH值（10%懸浮液）8.5～10，沉降體積≥3.0mL/g；

（2）氧化鐵中Fe₂O₂3≥98.70%，相對密度為5.2g/cm³，工業純，紅棕色粉末；

（3）三氧化二鉻中Cr₂O₃≥98.00%，工業純，綠色晶形粉末，細度為320目。

2.2試驗內容

鉻質剛玉陶瓷刀具的制備工藝流程如圖1所示。

（1）配料

鉻質剛玉陶瓷刀具的組成原料有工業Al₂O₃82%～85%、安口土4%～5%、輕質碳酸鈣4%～5%、氧化鐵5%～6%、氧化鉻7.5%～8.5%、減水劑0.3%、懸浮劑0.3%、有機分散劑0.2%。具體操作為：準確稱原料3kg，裝入容積為4L聚氨酯球磨罐中，加入稀釋劑、助磨劑。其中，料：球：水=2.2：4：1，將球磨罐密封好，放置到轉速為120r/min的球磨架上球磨20h。要求出磨后的泥漿細度小于8.8μm的占85%以上，并進行除鐵，然后將泥漿陳腐24h以上方可使用。陳腐好的泥漿在每次使用前必須要用玻璃棒攪拌均勻，攪拌時間需超過12min。

（2）注漿

將陳腐好的泥漿注漿成形。為了防止注漿成形的陶瓷刀具坯體出現分層缺陷，每次注漿的時間間隔不要太久，應控制在5～8min。當注入的陶瓷泥漿中的水份被石膏模型吸收后，可用鋒利的不銹鋼刀片將模型外注漿入口處多余的部分去掉。大約放置25min后，石膏模型內的陶瓷刀具坯體有一定的強度時，方可將石膏模型平放，輕輕地打開，將已成形的陶瓷刀具坯體小心地取出，放置到平整的石膏板上，在室溫下進行自然干燥。

如果在脫模的過程中。刀刃部分有粘損，可以將陶瓷刀具坯體重新放入到陰模中，用鋒利窄小的不銹鋼刀片蘸取陶瓷泥漿，將刀坯修復完整。等到修復的部分有強度時，再將刀坯取出自然干燥。

（3）低溫素燒

等靜壓成形所用的修坯鉻質剛玉陶瓷刀具要求必須刀刃鋒利，但注漿成形自然干燥的陶瓷刀具生坯體所具有的強度不足以直接修整成形。為此必須將干燥好的陶瓷刀具坯體在950～1050℃的溫度下進行素燒，素燒保溫時間不超過2h。素燒后的陶瓷刀具坯體的強度有顯著的提高，這樣可以降低陶瓷刀具生坯修整時的破損率，也能根據使用的需要磨出鋒利的刀刃。

（4）修整

將素燒過的毛坯進行分檢，將邊沿部位無裂紋和破損的刀坯進行修整。

1）刀坯的粗磨

首先將刀坯進行粗磨，再用120目砂紙把用于粘接的底面部分磨平；然后將刀側立，把刀刃和刀刃的下部輕輕地放在120目砂紙上，磨平。注意不要用力過猛，以免損傷刀刃；再用長2cm、寬1cm的120目砂紙將刀的上表面打磨光滑，有利于修坯機工作過程中所產生的粉料盡快排除，以減少坯料對刀產生的摩擦阻力。

2）刀坯的精磨。

當刀的雛形粗修好后，再將長2cm、寬1cm的350目砂紙從中折起，用拇指和食指捏緊，對刀刃的使用部分進行兩面拋光，以確保刀刃鋒利耐用。

（5）高溫燒結

燒制鉻質剛玉刀的電爐，應選擇額定溫度是1710℃的硅鉬棒電爐。在電爐內鋪好重結晶碳化硅板，將修整好的刀具的粘接面向下整齊地擺放在碳化硅板上燒制。如果燒制的刀具過多，則可以在電爐內加放幾層重結晶碳化硅板，但每層板之間的距離要超過3cm，以確保受熱均勻。

合理的燒成制度是保證產品質量的關鍵因素。經過反復試驗，確定最高燒成溫度為1650℃，保溫時間為2.5h，并且根據原料和工藝的特點，確定出合理的燒成曲線，其燒成曲線見圖2。

當電爐溫度自然冷卻降至80℃后，便可從電爐中取出陶瓷刀具，然后進行粘接使用。陶瓷刀具在粘接前。先用丙酮將刀具和刀柄的粘接面清洗干凈，然后利用丙烯酸樹脂膠粘接，等膠常溫固化以后，再在105℃加熱同化1h，以充分提高粘接強度。

3 鉻質剛玉陶瓷刀具產品的理化性能

本文研制的鉻質剛玉陶瓷刀具產品的理化性能見表2。

該產品經河南某電瓷公司試用。取得了很好的效果，達到了國內同類產品的水平。利用此方法研制出的鉻質剛玉陶瓷刀有較強的使用性能以及較好的耐磨性，在高壓電瓷生坯件加工修整中降低了換刀頻率，提高了修坯質量，確保等靜壓成形的電瓷生產的順利進行。

4 結果討論與分析

（1）原料的純度

高純原料是制作優質耐磨陶瓷刀具的基礎原料。質量較好的氧化鋁原料中的TiO₂、Fe₂O₃、K₂O、Na₂O等雜質總和不大于0.5%，該種優質高純原料配以純度較高的輕質碳酸鈣、氧化鐵、氧化鉻等物料，降低了雜質的含量，大大提高刀具的使用性能。

（2）原料的細度

試驗證明，采用濕法球磨工藝，料：球：水=2.2：4.1球磨20h左右，泥漿細度完全可以達到小于8μm占85%以上，小于4μm占60%以上。細度對陶瓷刀具的耐磨性影響較大。

（3）除鐵的作用

由于高壓電瓷是要求絕對絕緣的。用于成形的粉料必須除鐵，以達到完全絕緣的目的。

（4）低溫素燒

低溫素燒是陶瓷刀具制作過程中必不可少的一道工序。通常注漿成形的坯體要有一定的強度，但無論如何也沒法達到可以把陶瓷刀具生坯用來修整成刀的地步。為了便于修整，需將刀具坯體低溫素燒，從而提高坯體的強度。因此采用低溫素燒是陶瓷刀具增強坯體強度重要的方法，可以獲得鋒利的耐磨刀具。

（5）燒成溫度與保溫時間

高溫燒結和保溫時間是保證產品的耐磨性，提高其使用性能的關鍵因素。在燒制前必須確定好最高燒成溫度、保溫時間和合理的升溫曲線，以有效防止晶體異常長大和過多液相出現，避免刀具發脆，以及耐磨性下降。

5 結語

以河南優質高純氧化鋁為主要原料。適當添加可塑性好的軟質粘土安口土，以及能增強耐磨性的氧化鉻和氧化鐵，再加入少量的外加劑，采用注漿成形工藝生產高性能鉻質剛玉陶瓷刀具的方法是切實可行的。該陶瓷刀具在高壓電瓷生坯件加工修整中降低了換刀頻率，提高了修坯質量。