成型和燒結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，山東　濟南　250101）

成型和燒結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，山東濟南250101）

摘要：為研究成型和燒結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，利用常壓燒結方法制備高純氧化鋁磨球。結果表明，成型機轉速和旋轉時間對磨球粒徑分布有較大的影響。隨著燒結溫度的提高以及保溫時間的延長，高純氧化鋁磨球的質量密度逐漸增加，磨損率逐漸減小。在1500℃保溫210min制得高純氧化鋁磨球的質量密度為3.15g/cm3，磨損率為0.63%。

關鍵詞：高純氧化鋁磨球；成型；燒結

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等優點而被廣泛應用于特種水泥、精密陶瓷等行業原料的加工和研磨，是一種性能優良的研磨介質［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溫度較高，從而限制了其在更多領域中的應用［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備要求較嚴格，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70min，獲得了質量密度為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1365℃燒結120min，所得中鋁瓷球的質量密度為2.52g/cm3，磨損率為0.0787%。但手工團粒法成型生產效率較低。因此，本文采用成球機團粒法成型工藝，通過不斷調整成球機的轉速和旋轉時間，以獲得形狀良好的球坯，并期望實現球坯的批量生產。采用常壓燒結方式進行燒結，研究成型和燒結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陶瓷中心生產，純度高于99.995%，其他均為化學純試劑。將高純氧化鋁、聚乙烯醇和蒸餾水按質量比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，分別調整成球機的轉速至25、30、35r/min旋轉15min；當成球機的轉速為30r/min時，調整成球機的旋轉時間至10、15、20min，獲得形狀良好的球坯。采用常壓燒結方式，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瓷球質量密度的測定

根據阿基米德原理測量磨球的質量密度。

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。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，調整球磨機的轉速至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為樣品磨損前的質量；m2為樣品磨損后的質量；t為磨損時間。

2　結果與討論

2.1成型工藝對高純氧化鋁磨球粒徑的影響

2.1.1燒結前后成球機轉速與高純氧化鋁球坯和磨球粒徑之間的關系

表1～2為燒結前后成球機轉速與高純氧化鋁球坯和磨球粒徑之間的關系，成球機旋轉時間均為15min。從表1中可以看出，隨著轉速的增加，各粒徑范圍內球坯所占的比例都出現不同程度的變化。當轉速為25r/min時，球坯的粒徑大多集中在3～6mm和6～9mm范圍內，其中3～6mm內的球坯所占比例最大。提高轉速至30r/min時，同樣為粒徑在3～6mm范圍內的球坯所占的比例最大，但比值有所增加。繼續提高轉速至35r/min，小粒徑球坯所占的比例大大增加，其中1～3mm內的球坯所占比例最大。這是因為隨著轉速的增大，一些粒徑較大的球坯可能會發生離散現象，分解為兩個或多個粒徑較小的球坯。燒結后（表2），小粒徑磨球所占的比例均出現不同程度的增加，這是因為原料中加入了少量的黏結劑聚乙烯醇，在600℃保溫的過程中，聚乙烯醇逐漸被排出，以及燒結后期粉體顆粒逐漸接觸緊密直至燒結致密都會出現一定的程度體積收縮。

表1　燒結前成球機轉速與球坯粒徑的關系Table　1　Relationship　between　rotating　speed　and　ball　billet　diameters　before　sintering

續表1

表2　燒結后成球機轉速與磨球粒徑的關系Table　2　Relationship　between　rotating　speed　and　ball　diameters　after　sintering

2.1.2燒結前后成球機旋轉時間與高純氧化鋁球坯和磨球粒徑之間的關系

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

表3　燒結前成球機旋轉時間與球坯粒徑的關系Table　3　Relationship　between　rotating　time　and　ball　billet　diameters　before　sintering

表4　燒結后成球機旋轉時間與磨球粒徑的關系Table　4　Relationship　between　rotating　time　and　ball　diameters　after　sintering

2.2燒結時間對高純氧化鋁磨球質量密度和耐磨性的影響

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

圖1　燒結后樣品的質量密度Fig.1mass　densities　of　samples　after　sintering

圖2　燒結后樣品的磨損率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，仍保留著原料中的粉體顆粒形貌，結構比較疏松，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%，說明此時樣品已經從結構比較松散的坯體變成相對致密的燒結體。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，燒結體內的氣孔逐漸被排出，晶粒逐漸發育完善，燒結體逐漸變得致密，從而使得高純氧化鋁磨球的質量密度增加，磨損率降低［8－9］。

2.3燒結溫度對高純氧化鋁磨球質量密度和耐磨性的影響

圖3為在不同燒結溫度下燒結2h制得高純氧化鋁磨球的質量密度。從圖中可以看出，隨著燒結溫度的提高，樣品的質量密度不斷增加。在1500℃燒結2h，制備了質量密度為2.90g/cm3、相對密度為74.4%的高純氧化鋁磨球。提高燒結溫度至1550℃時，高純氧化鋁磨球的質量密度增大為2.93g/cm3，達到理論密度的75.1%。繼續提高燒結溫度至1600℃，樣品的質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，球坯中氣孔數量多且平均直徑大，使得生坯的質量密度相對較低。在燒結的過程中，質點遷移的距離增加使得擴散阻力增大，最終導致燒結溫度的提高［10］。

圖4為高純氧化鋁磨球的磨損率隨燒結溫度變化的關系圖（燒結時間均為2h）。從圖中可以看出，隨著燒結溫度的提高，高純氧化鋁磨球的磨損率逐漸減小。在1500℃燒結2h制得高純氧化鋁磨球的磨損率為25.6%。提高燒結溫度至1550℃，高純氧化鋁磨球的磨損率減小為21.9%。繼續提高燒結溫度至1600℃時，高純氧化鋁磨球的磨損率進一步減小，為19.4%。隨著燒結溫度的提高，原子活性增強，擴散傳質速率增加。坯體中粉體顆粒逐漸接觸緊密，顆粒接觸面積增加，小氣孔數量減少，氣孔率逐漸降低，樣品逐漸由結構松散的坯體變為相對致密的燒結體［11－12］。因此，高純氧化鋁陶瓷的質量密度逐漸增加，磨損率逐漸減小。

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

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

3　結論

成型工藝對高純氧化鋁磨球粒徑有較大的影響。隨著成球機轉速的增加和旋轉時間的延長，小粒徑球坯所占的比例逐漸增加。當在1500℃進行燒結時，隨著保溫時間的延長，高純氧化鋁磨球的質量密度逐漸增加，磨損率逐漸降低。在1500℃保溫210min所得高純氧化鋁磨球的質量密度為3.15g/cm3，磨損率為0.63%，質量密度偏低，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工藝，以提高磨球的質量密度，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。