環(huán)保耐磨鋯剛玉陶瓷刀具的研制

張淑玲+鄭召忠+許小偉+周甦

摘 要：本文主要介紹了通過添加綠色環(huán)保材料氧化鋯制作高強(qiáng)耐磨鋯剛玉陶瓷刀具的研制方法。經(jīng)過多次試驗，最終制得既耐磨又環(huán)保的鋯剛玉陶瓷刀具，對高壓電瓷生產(chǎn)制造工業(yè)的順利發(fā)展起了很大的促進(jìn)作用。與鉻剛玉相比，鋯剛玉陶瓷刀具高強(qiáng)耐磨，無毒無害，它的使用有助于企業(yè)實現(xiàn)工業(yè)“綠色發(fā)展”的環(huán)保理念。

關(guān)健詞：環(huán)保；耐磨；鋯剛玉；陶瓷刀具

1 引言

隨著國家電力事業(yè)的繁榮和發(fā)展，高壓電瓷材料已經(jīng)成為高壓輸變線路的重要組成部分，同時也對高壓電瓷生產(chǎn)過程中的等靜壓干法工藝提出了更高的要求。由于等靜壓干法成型的的高壓電瓷坯件具有高密度、高強(qiáng)度的性能，因此要想提高電瓷生產(chǎn)中干法成型的合格率，采用優(yōu)質(zhì)耐磨環(huán)保的陶瓷刀具尤為重要，基于當(dāng)前高壓電瓷生產(chǎn)中使用的高強(qiáng)耐磨鉻剛玉陶瓷刀會對環(huán)境造成一定程度的污染這一狀況，筆者提出了用環(huán)保型材料氧化鋯代替氧化鉻，研制出既能符合現(xiàn)代綠色、環(huán)保理念，又具有高強(qiáng)使用性能，且耐磨的鋯剛玉陶瓷刀[1]。

2 試驗原料與內(nèi)容

2.1原料

原料作為產(chǎn)品的基礎(chǔ)，是至關(guān)重要的。 本試驗所采用的主要原料有煅燒氧化鋁粉、氧化鋯、蘇州高嶺土、燒滑石，其理化指標(biāo)如表1所示。

所使用的外加劑有三聚磷酸鈉，減水劑，懸浮劑，分散劑等。

2.2試驗內(nèi)容

2.2.1鋯剛玉陶瓷刀具的制備工藝流程

（1）配料和球磨

鋯質(zhì)剛玉陶瓷刀所使用的原料有氧化鋁粉60～65%、氧化鋯30～40%、蘇州土3～5%，燒滑石粉2 ～ 3%，減水劑0.3%，懸浮劑0.3%，分散劑0.3%。具體操作步驟是：按照配方比例準(zhǔn)確的稱取5 kg原料，裝入容積為8 L的聚氨酯球磨罐，加入稀釋劑、助磨劑。為了防止研磨時所用原料受到污染，本實驗選用的研磨球石是鋯剛玉材質(zhì)。其中，料： 球石： 水=2.2：4：1，將球磨罐密封好，放置到轉(zhuǎn)速為120 r/min的球磨架上球磨25h以上。要求出磨時料漿的細(xì)度達(dá)到萬孔篩篩余1 ～ 2%為宜，出磨后立即進(jìn)行除鐵，然后將陶瓷泥漿陳腐72 h以上，使泥漿性能達(dá)到穩(wěn)定。由于陳腐后的泥漿中仍然含有氣體，容易導(dǎo)致注件組織結(jié)構(gòu)不均勻，表面不光滑和生坯強(qiáng)度低，所以泥漿在陳腐后、使用前再進(jìn)行抽真空處理，以提高剛玉陶瓷半成品的品質(zhì)。

（2）注漿

本實驗采用的注漿成型方法為實心注漿。為了防止注漿成型的陶瓷刀具出現(xiàn)分層，斑點(diǎn)，圈紋等缺陷，注漿要緩慢進(jìn)行，不能出現(xiàn)沖擊，并且每次注漿的時間間隔不能太久，應(yīng)控制在5～8 min。當(dāng)注入的陶瓷泥漿中有部分水分被石膏模型吸收，模具注漿口和坯體出現(xiàn)分離時，即可開模，小心地取出坯體放到平整的墊板上，在室溫下進(jìn)行自然干燥。

（3）低溫素?zé)?/p>

由于等靜壓成型所使用的陶瓷刀具要求刀刃必須鋒利，但注漿成型自然干燥的陶瓷刀具生坯不具有可以修整的強(qiáng)度。為此，必須在800～900℃進(jìn)行素?zé)?。素?zé)蟮奶沾傻毒吲黧w強(qiáng)度有顯著的提高，這樣可以降低陶瓷刀具坯體修整時的破損率，也能夠根據(jù)使用的要求磨出鋒利的刀刃。

（4）修整

將素?zé)^的坯體進(jìn)行分檢，將工作部位無裂紋和破損的刀坯進(jìn)行修整。修刀包括粗修和精修兩步。

粗磨：首先，將刀坯進(jìn)行粗磨，再用120目的砂紙把用于和刀柄連接的底面部分磨平；其次，把刀具的工作面平放在砂紙上，輕輕磨平；最后，使用長2 cm，寬1 cm的120目砂紙將刀具在使用過程中能夠阻擋灰塵的部分打磨光滑，以減少修坯機(jī)在工作過程中對粉塵的吸附，也減少使用過程的摩擦阻力。

精磨：當(dāng)粗修結(jié)束后，在用350目砂紙對除和刀柄粘接的部位以外的地方進(jìn)行拋光，以確保燒成后的刀刃能鋒利耐用。

（5）高溫?zé)Y(jié)

燒制鋯剛玉陶瓷刀的電爐，應(yīng)選擇額定溫度為1710℃的硅鉬棒電爐。在電爐內(nèi)鋪好重結(jié)晶碳化硅板，將修整好的刀具的粘接面向下整齊的擺放在碳化硅板上燒制。在擺放時，不要太靠近硅鉬棒，以防過燒[2]。

合理的燒成制度是保證產(chǎn)品質(zhì)量的關(guān)鍵因素。經(jīng)過多次試驗確定最高燒成溫度為1650℃，在達(dá)到最高燒成溫度以后保溫2.5 h，并且根據(jù)原料和工藝的特點(diǎn)，確定出燒成曲線，見圖1。

2.2.2鋯剛玉陶瓷刀具產(chǎn)品的理化性能

該產(chǎn)品經(jīng)江西某高壓電瓷生產(chǎn)企業(yè)試用，確實比目前電瓷生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用的鉻質(zhì)剛玉陶瓷刀具有更好的效果，它的使用性能也超過了國內(nèi)很多同類產(chǎn)品的水平。利用此方法研制出的鋯剛玉陶瓷刀具有較強(qiáng)的使用性能，以及很好的耐磨性，更重要的是鋯剛玉無毒無害，與鉻剛玉相比它更環(huán)保，不會對人體和環(huán)境造成危害。[3]

3 結(jié)果討論與分析

（1）原料的純度

高純的氧化鋁粉和氧化鋯粉是作為制作鋯質(zhì)陶瓷刀具的基礎(chǔ)[4]，優(yōu)質(zhì)高純的原料中雜質(zhì)的總和不大于0.5%。起粘結(jié)作用的蘇州高嶺土也是雜質(zhì)含量低，使用性能較好的優(yōu)質(zhì)黏土。優(yōu)質(zhì)的原料從根本上提高了陶瓷刀具的使用性能。

（2）泥漿的細(xì)度

實驗證明，采用濕法球磨工藝，料：球：水=2.2：4：1，球磨25 h左右，出磨平均細(xì)度為3 ～ 5 μm。

（3）除鐵的作用

由于高壓電瓷中鐵是有害雜質(zhì)，用于注漿成型的陶瓷泥漿必須除鐵，同時，除鐵也能有效的減少色斑。

（4）低溫素?zé)?/p>

低溫素?zé)翘沾傻毒咧谱鬟^程中必不可少的一道工序。注漿成型的刀具坯體在空氣中自然干燥后會具有一定的強(qiáng)度，但是這種強(qiáng)度不足以達(dá)到可以在修整打磨時不破損的程度。為了便于修整，需要將干燥后的刀具坯體在電爐中進(jìn)行低溫素?zé)?，從而提高坯體的強(qiáng)度[5]。因此采用低溫素?zé)翘岣咛沾傻毒吲黧w強(qiáng)度的重要方法，這樣可以提高刀具成品合格率，也可以制作出鋒利耐磨的刀具。

（5）燒成溫度與保溫時間

高溫?zé)Y(jié)和保溫時間是保證產(chǎn)品的耐磨性，提高其使用性能的又一個關(guān)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。在本產(chǎn)品的燒制過程中有三個溫度點(diǎn)特別需要注意：1）1000℃以下，坯料中粘結(jié)劑完全揮發(fā)，要緩慢升溫；2）1420℃，線收縮下降，化學(xué)反應(yīng)上升為主要過程，需要加長保溫時間；3）1520℃反應(yīng)趨于完成，體積收縮大于體積膨脹，形成以致密化為主的過程[6]。嚴(yán)格按照燒成曲線進(jìn)行燒制，升溫不要過快，否則會導(dǎo)致晶體生長異常，從而影響刀具的使用性能。

4 結(jié)語

通過大量實驗證明以高純氧化鋁粉、二氧化鋯、優(yōu)質(zhì)粘土為原料，生產(chǎn)綠色環(huán)保、高強(qiáng)耐磨陶瓷刀具的方法是切實可行的。該陶瓷刀具能夠在高壓電瓷生坯件加工修整過程中大大減少換刀次數(shù)、提高工作效率，同時也能提高成品坯件表面的的光滑度，為后續(xù)的施釉工作的順利進(jìn)行打下良好的基礎(chǔ)，但本陶瓷刀具制作方法在實際的生產(chǎn)使用過程中還需要不斷的完善。

參考文獻(xiàn)

[1] 胡利明，氧化鋯及氧化鋯陶瓷[J].工業(yè)陶瓷，1991（4）.

[2] 尹衍升， 李嘉. 氧化鋯陶瓷及其復(fù)合材料[M]. 化學(xué)工業(yè)出版社， 2004.

[3] 張淑玲，鄭召忠等，高性能鉻質(zhì)剛玉陶瓷刀具的研制[J].佛山陶瓷2013（1）：18-20.

[4] 程開甲， 程漱玉. 論材料科學(xué)的理論基礎(chǔ)[J]. 材料科學(xué)與工程學(xué)報， 1998（1）：12-20.

[5] 鄒力行. 陶瓷生產(chǎn)技術(shù)問答[M]. 中國建筑工業(yè)出版社， 1993.102～103.

[6] 鄭秀華，鐘家湘，劉沙濤等.材料研究學(xué)報[J].1996，10（3）：307-309.