影響氧化鋯研磨珠磨損性能的研究

黃印,肖春燕

摘 要：氧化鋯研磨介質(zhì)的密度高，強(qiáng)度和韌性很高，因此具有優(yōu)異的耐磨性和非常高的研磨效率，并可防止物料污染，特別適用于濕法研磨和分散的場合，目前己廣泛應(yīng)用于陶瓷、磁性材料、涂料、油墨、醫(yī)藥食品等工業(yè)領(lǐng)域。例如：高級汽車漆、手機(jī)漆、噴墨油墨、高級化妝品等。氧化鋯研磨珠憑借其優(yōu)異的耐磨損性，逐步成為目前市面上使用最廣泛的研磨介質(zhì)，本文主要研究實際生產(chǎn)過程中能夠影響氧化鋯研磨珠磨損量的幾個主要因素，探討減少磨損量的方案。

關(guān)鍵詞：氧化鋯研磨珠、耐磨損性、磨耗、研磨對象、硬度、濃度

1 引 言

氧化鋯是一種耐高溫、耐腐蝕、耐磨損而且具有優(yōu)良導(dǎo)電性能的無機(jī)非金屬材料，20世紀(jì)20年代初就開始被應(yīng)用于耐火材料領(lǐng)域，直到上世紀(jì)70年代中期以來，國際上歐美日先進(jìn)國家竟相投入具資研究開發(fā)氧化鋯生產(chǎn)技術(shù)和氧化鋯系列產(chǎn)品生產(chǎn)，進(jìn)一步將氧化鋯的應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)展到結(jié)構(gòu)材料和功能材料，同時氧化鋯也是國家產(chǎn)業(yè)政策中鼓勵重點發(fā)展的高性能新材料之一，目前正廣泛地應(yīng)用于各個行業(yè)中。由于氧化鋯具有大的塑性變形，加熱到一定溫度后容易膨脹變形，并伴隨有晶粒的生長過程。氧化鋯陶瓷是研究最早的相變增韌陶瓷，利用氧化鋯的相變特性，可以獲得具有非常高的斷裂韌性、抗彎強(qiáng)度的陶瓷制品。在現(xiàn)代工業(yè)陶瓷體系中，氧化鋯陶瓷已經(jīng)成為繼氧化鋁陶瓷之后的第二大工業(yè)陶瓷體系。氧化鋯有三種晶型： 單斜晶，四方晶，立方晶。三種晶型可以相互轉(zhuǎn)化，在單斜與四方晶型相變過程中，伴隨著體積突變，因此采用純氧化鋯很難制造出致密燒結(jié)且又不開裂的制品。早期人們發(fā)現(xiàn)采用與Zr4+離子半徑比較接近的陽離子堿土氧化物或者稀土氧化鋯（如MgO、CaO、Y2O3、CeO2等）通過形成固溶體使它具有全部穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。

隨著現(xiàn)代科技水平的進(jìn)步，各個行業(yè)都呈現(xiàn)一個向高精細(xì)的發(fā)展趨勢，化工行業(yè)的執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)越來越高，如鋰電池、車漆、手機(jī)漆等等都在向納米材料靠攏。所以在高精細(xì)的趨勢下，客戶對研磨珠的品質(zhì)、粒徑要求也越來越高。不僅對物料要求細(xì)膩且顏色需要明亮有光澤。所以對研磨介質(zhì)的耐磨損性要求也越來越高，盡量避免研磨介質(zhì)污染。本文主要對幾種能夠影響氧化鋯研磨珠耐磨損性能的因素進(jìn)行實際磨耗測試并分析。

2 實驗

磨耗測試條件：快速球磨機(jī)，1L高鋁球磨罐，鋯珠添加量1000g，水添加量500g，罐體轉(zhuǎn)速467r/min，線速度3.9m/s，研磨時間6H，每組數(shù)據(jù)取三次測量的平均值。

2.1 氧化鋯粉不同制備工藝對氧化鋯珠磨耗的影響

分別取目前市面上主流的水解法和共沉淀法制備的釔穩(wěn)定氧化鋯粉（3Y-ZrO2），經(jīng)相同成型、燒結(jié)工藝制備實驗待用的氧化鋯研磨珠。分別測試磨耗數(shù)據(jù)如表一所示。

兩種粉體制備工藝的區(qū)別主要在于水解法反應(yīng)生成的原始顆粒較小且均勻（約30-80nm），而共沉淀法反應(yīng)生成的原始顆粒較大且離散性差（約80-400nm），制成鋯珠之后反映在晶粒大小，如圖一、圖二，圖一是水解法制備的氧化鋯珠SEM圖，圖二是共沉淀法制備的氧化鋯珠SEM圖;

由表1數(shù)據(jù)可以看出水解法的粉料制備的氧化鋯珠磨耗比共沉淀法的磨耗小16%，但是水解法的粉料售價比共沉淀法高約50%，綜合評價共沉淀粉的氧化鋯珠性價比更高，也是市面上主流產(chǎn)品。

2.2 不同研磨對象對氧化鋯珠磨耗的影響

取同一批1.0mm珠子10kg備用，分別研磨氧化鋯粉、氧化鋯鋁粉、石英粉、及清水測試磨耗數(shù)據(jù)如表2所示。

由表2數(shù)據(jù)可以看出研磨珠用于研磨與本身相同物料時磨耗最小，研磨物料硬度越高，磨耗越大。

2.3 不同漿料濃度對氧化鋯珠磨耗的影響

取同一批1.0mm珠子10kg備用，分別研磨100g石英粉、200g石英粉、300g石英粉、400g石英粉、500g石英粉測試磨耗數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3數(shù)據(jù)可以看出研磨相同物料時，物料的濃度越高，磨耗越小。因為物料溶度高，漿料的粘度更高，可以有效減少研磨珠之間的自磨損耗。

2.4 不同成型工藝對氧化鋯珠磨耗的影響

分別取共沉淀粉料滴定工藝和滾動工藝的 1.0mm氧化鋯珠，測試磨耗如表4所示

圖3是滴定成型工藝制備的氧化鋯研磨珠內(nèi)部SEM圖，圖4是滾動成型制備的氧化鋯研磨珠內(nèi)部SEM圖，由圖3、圖4可以看出滴定工藝的氧化鋯珠晶粒大小更均勻，較少大塊晶粒及氣孔。再結(jié)合表四數(shù)據(jù)可以得出，滴定工藝內(nèi)部結(jié)構(gòu)更致密且均勻，所以同等條件下滴定工藝制備的氧化鋯珠磨耗更小。

2.5 相同條件下不同粒徑大小對磨耗的影響：

在行星式球磨機(jī)中，研磨珠隨著罐體做圓周運動，當(dāng)研磨珠直徑越大，其運動動能越大，對研磨罐內(nèi)襯沖擊力越大，產(chǎn)生的剪切力越大，磨損率越大。表5數(shù)據(jù)也反映出鋯珠直徑越大，磨耗越大。

2.6 不同研磨罐的內(nèi)襯對磨耗的影響：

由表6數(shù)據(jù)可以得出判斷，罐體內(nèi)襯材質(zhì)硬度越高、研磨珠的磨耗越大，內(nèi)襯表面越光滑磨耗越小。

3 結(jié)論

（1）氧化鋯粉體制備工藝對氧化鋯研磨珠耐磨損度有影響，水解法相比共沉淀法工藝制備的氧化鋯研磨珠磨耗更小;

（2）研磨的物料材質(zhì)對氧化鋯研磨珠耐磨損度有影響，研磨物料的硬度越大，磨耗越大，硬度越小，磨耗越小。

（3）研磨的物料濃度對氧化鋯研磨珠的耐磨損度有影響，漿料濃度越高即粘度越大，磨耗越小;

（4）氧化鋯珠的成型制備工藝對耐磨損度有影響，相同條件下滴定成型工藝制備的氧化鋯珠內(nèi)部結(jié)構(gòu)更緊密，磨耗更小;

（5）氧化鋯珠的直徑大小對耐磨損度有影響，研磨珠直徑越大，磨耗越高;所以在研磨物料的時候需要選擇適合的直徑，可以提高效率及減少損耗;

（6）研磨罐體內(nèi)襯材質(zhì)對研磨珠耐磨損度有影響，罐體內(nèi)襯材質(zhì)硬度越高，研磨珠的磨耗越大。