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)，進一步將氧化鋯的應(yīng)用領(lǐng)域擴展到結(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)代科技水平的進步，各個行業(yè)都呈現(xiàn)一個向高精細的發(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、手機漆等等都在向納米材料靠攏。所以在高精細的趨勢下，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行實際磨耗測試并分析。

2 實驗

磨耗測試條件：快速球磨機，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。