CN101723666A - 高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠及其生产工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠及其生产工艺，其成分含量：ZrO2：2～65％，Al2O3：2～60％，SiO2：10～50％，MgO+混合稀土：5％。生产时：先将锆英砂、氧化锆、氧化铝、氧化镁、高岭土及混合稀土混合均匀，然后湿法球磨，干燥制得超细粉体，再滚动成型，高温烧结，抛光制得直径为Φ0.2mm～Φ15mm的高耐磨高强度锆铝硅复合陶瓷珠。制得的陶瓷珠密度可灵活调整，适应面广，耐磨，化学性质稳定；工艺简单，易于规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠及其生产工艺，属于研磨介质技术领域。
背景技术
随着粉体超细技术的飞速发展，电子、造纸、陶瓷、化工、油漆、油墨、塑料等行业对粉体细度的要求越来越高，甚至有些粉体需达到纳米级。使用超细粉体后，材料的性能会得到提高。国内外采用物理方法对物料进行超细研磨，最佳、最经济的方法是湿法研磨，该工艺中必不可少地要用到各类直径规格的陶瓷研磨介质。
目前主要有以下几种材质陶瓷研磨介质：
①普通陶瓷研磨介质(主晶相为α-氧化铝、莫来石及玻璃相)，其组份：Al2O3：55％，SiO2：35-40％，K2O+Na2O：5％，ZrO2：0-2％；生产工艺：原料干法球磨混合→滚动成型→高温烧结→抛光→成品。采用添加长石粉，液相烧结而成；陶瓷产品晶相粗，真密度2.5-3.0g/cm3，压碎强度＜600N，耐磨性较差，综合性价比低。
②氧化铝质陶瓷研磨介质(主晶相为α-氧化铝晶相)，其组份：Al2O3：90-99％，SiO2：0.1-6％，CaO：0.1-0.2％；生产工艺：原料湿法球磨→喷雾干燥→＜∮20球用滚动成型→高温烧结→抛光→成品；可参见专利200710014580X。该类产品主要应用于陶瓷行业或硬质矿物原料(如锆英砂)的研磨，真密度≥3.6g/cm3，压碎强度在800N左右，氧化铝质材料脆性大，缺少韧性，耐磨性也较差，不适宜在高速磨机中应用，只能应用于传统慢速球磨机。
③电熔法硅酸锆质陶瓷研磨介质(主晶相为硅酸锆晶相)真密度为：3.7～3.9g/cm3，其组份：ZrO2：66-68％，SiO2：32-35％；生产工艺：原料混合→电熔炉高温融到液态→压缩气体喷吹成球→分筛抛光→成品。电熔至液态，能耗大，导致成本较高；压缩气体喷吹时会造成陶瓷珠内部带进气泡缺陷，导致致密性欠佳；产品圆整度差，有大量椭圆及附着小珠现象，无法生产直径Φ3mm以上规格的产品。
④氧化锆质陶瓷研磨介质(主晶相为四方氧化锆晶相)真密度为：6.0g/cm3，其组份：ZrO2：95％，Y2O3：5％，生产工艺：钇稳定氧化锆粉→等静压或滚动成型→高温烧结→抛光→成品；不适合设计用中、低密度陶瓷磨介的研磨机中，且价格昂贵。
因此，迫切需要一种耐磨性能优良、生产成本低的陶瓷研磨介质。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠及其生产工艺。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠，成分的质量百分含量为：ZrO2：2～65％，Al2O3：2～60％，SiO2：10～50％，MgO+混合稀土：5％。
进一步地，上述的高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠，所述陶瓷珠的理化性质：真密度3.0～4.5g/cm3，晶粒大小＜2.0μm，磨耗≤0.5g/hr.kg，莫氏硬度≥7，压碎强度：800～1400N。
更进一步地，高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠的生产工艺，包括如下步骤——
①原料混合：将锆英砂、氧化锆粉、氧化铝粉、氧化镁、高岭土及混合稀土混合均匀；
②湿法球磨：采用湿法球磨的方法将原料球磨至粒度＜2μm，出磨；
③干燥：喷雾干燥制得超细粉体；
④成型：滚动成型制得直径为Φ0.2～Φ15mm的陶瓷珠；
⑤烧结：按升温曲线烧结至1450℃，自然冷却；
⑥抛光：加水自然抛光，获得高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠。
再进一步地，上述的高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠的生产工艺，步骤④的成型工序中，先制备种珠：将超细粉体放入成珠机，加入水，搅拌混合均匀，过筛，制得粒径为0.1mm的种珠；再滚制珠：向滚动成珠机中加入种珠，滚动成型时，按照超细粉体与水重量比1∶1向滚动成珠机内连续加料，滚动5～30hr。
再进一步地，上述的高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠的生产工艺，步骤⑤烧结工序，先窑炉内50℃/hr的速度从常温升至300℃，然后以80℃/hr升温至1200℃，保温1小时；再以90℃/hr升温至1450℃，保温2小时后，自然降温，出窑。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
本发明的制备工艺简单，需要的设备少、一次性投资小，成本低，易规模化生产，广泛用于生产粒径Φ0.2～Φ15mm的陶瓷珠；制得的陶瓷珠密度可灵活调整，适应面广，耐磨，且化学性质稳定。产品技术性能超过进口电熔法硅酸锆珠，并完全替代进口同类产品。优越的耐磨性能，使之可替代目前市场上大量使用的真密度为3.6～3.9g/cm3的氧化铝球。该技术方案堪称为具有新颖性、创造性、实用性的新技术，经济效益和社会效应显著。
具体实施方式
高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠，成分的质量百分含量为：ZrO2：2～65％，Al2O3：2～60％，SiO2：10～50％，MgO+混合稀土：5％。其理化性质：真密度3.0～4.5g/cm3，晶粒大小＜2.0μm，磨耗≤0.5g/hr.kg(2000转/分搅拌条件下)，莫氏硬度≥7，压碎强度：800～1400N。
生产高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠的工艺过程为：①原料混合：将锆英砂、氧化锆粉、氧化铝粉、氧化镁、高岭土及混合稀土混合均匀(锆英砂中含有ZrO2及SiO2，高岭土中含有Al2O3及SiO2等)；②湿法球磨：采用湿法球磨的方法将原料球磨至粒度＜2μm，出磨；③干燥：喷雾干燥制得超细粉体；④成型：滚动成型制得直径为Φ0.2～Φ15mm的陶瓷珠；⑤烧结：按升温曲线烧结至1450℃，自然冷却；⑥抛光：加水自然抛光，获得高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠。
实施例1
配料：3份锆英砂、1份氧化锆粉、27份氧化铝粉、64份高岭土、3份氧化镁、2份混合稀土，充分混合均匀；
用湿法球磨的方法将原料球磨至粒度＜2μm，出磨，喷雾造粒，制得超细粉体；
滚动成珠：种珠的制备：将100Kg的超细粉体放入成珠机，加入10Kg的水，搅拌混合均匀，过筛，制得粒径为0.1mm的种珠；珠的滚制：向滚动成珠机中加入种珠，滚动成型时，按照超细粉体与水重量比1∶0.2向滚动成珠机内连续加料加水；滚动过程中不断检测成珠的直径，滚动5～30h，制得直径为Φ0.2～Φ15mm的陶瓷珠；加水自然磨光1～2hr；
烘干：在自然条件下将磨光的陶瓷珠风干；
烧成工序，按照下列烧成曲线进行：窑炉内50℃/hr的速度从常温升至300℃，然后以80℃/hr升温至1200℃，保温1小时；然后以90℃/hr升温至1450℃，保温2小时后，自然降温至200℃，出窑。
抛光，获得高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠。
理化性质：真密度3.0g/cm3，晶粒大小＜2μm，磨耗≤0.5g/hr.kg.2000转/分，莫氏硬度≥7.2，压碎强度≥800N。
实施例2
配料：15份锆英砂、15份氧化锆粉、25份氧化铝粉、40份高岭土、3份MgO、2份混合稀土，充分混合均匀；
用湿法球磨的方法将原料球磨至粒度为＜2μm，出磨，喷雾造粒，制得超细粉体；
滚动成珠：种珠的制备：将100Kg的超细粉体放入成珠机，加入10Kg的水，搅拌混合均匀，过筛，制得粒径为0.1mm的种珠；珠的滚制：向滚动成珠机中加入种珠，滚动成型时，按照超细粉体与水重量比1∶0.2向滚动成珠机内连续加料；滚动过程中不断检测成珠的直径，滚动5～30hr，制得直径为Φ0.2～Φ15mm的陶瓷珠；加水自然磨光1～2hr；
烘干：在自然条件下将磨光的陶瓷珠风干；
烧成工序，按照下列烧成曲线进行：窑炉内50℃/hr的速度从常温升至300℃，然后以80℃/hr升温至1200℃，保温1小时；然后以90℃/hr升温至1450℃，保温2小时后，自然降温至300℃，出窑。
抛光，获得高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠。
理化性质：真密度3.6g/cm3，晶粒大小＜2μm，磨耗≤0.4g/hr.kg.2000转/分，莫氏硬度≥7.0，压碎强度≥1000N。
实施例3
配料：30份锆英砂、35份氧化锆粉、20份氧化铝粉、10份高岭土、4份MgO、1份混合稀土，充分混合均匀；
用湿法球磨的方法将原料球磨至粒度为＜2μm，出磨，喷雾造粒，制得超细粉体；
滚动成珠：种珠的制备：将100Kg的超细粉体放入成珠机，加入10Kg的水，搅拌混合均匀，过筛，制得粒径为0.1mm的种珠；珠的滚制：向滚动成珠机中加入种珠，滚动成型时，按照超细粉体与水重量比1∶0.2向滚动成珠机内连续加料；滚动过程中不断检测成珠的直径，滚动5～30hr，制得直径为Φ0.2～Φ15mm的陶瓷珠；加水自然磨光1～2hr；
烘干：在自然条件下将磨光的陶瓷珠风干；
烧成工序，按照下列烧成曲线进行：窑炉内50℃/hr的速度从常温升至300℃，然后以80℃/hr升温至1200℃，保温1小时；然后以90℃/hr升温至1450℃，保温2小时后，自然降温至300℃，出窑；
抛光，获得高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠。
理化性质：真密度4.0g/cm3，晶粒大小＜2μm，磨耗≤0.35g/hr.kg.2000转/分搅拌，莫氏硬度≥7.5，压碎强度≥1200N。
实施例4
配料：45份锆英砂、48份氧化锆粉、1份氧化铝粉、1份高岭土、2份MgO及3份混合稀土，充分混合均匀；
用湿法球磨的方法将原料球磨至粒度为＜2μm，出磨，喷雾造粒，制得超细粉体；
滚动成珠：种珠的制备：将100Kg的超细粉体放入成珠机，加入10Kg的水，搅拌混合均匀，过筛，制得粒径为0.1mm的种珠；珠的滚制：向滚动成珠机中加入种珠，滚动成型时，按照超细粉体与水重量比1∶1向滚动成珠机内连续加料；滚动过程中不断检测成珠的直径，滚动5～30hr，制得直径为Φ0.2～Φ15mm的陶瓷珠；加水自然磨光1～2hr；
烘干：在自然条件下将磨光的陶瓷珠风干；
烧成工序，按照下列烧成曲线进行：窑炉内50℃/hr的速度从常温升至300℃，然后以80℃/hr升温至1200℃，保温1小时；然后以90℃/hr升温至1450℃，保温2小时后，自然降温至300℃，出窑；
抛光，获得高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠。
理化性质：真密度4.5g/cm3，晶粒大小＜2μm，磨耗≤0.3g/hr.kg.2000转/分搅拌，莫氏硬度≥7.5，压碎强度≥1300N。
综上所述，本发明的制备工艺简单，需要的设备少、一次性投资小，成本低，易规模化生产，广泛用于生产粒径Φ0.2～Φ15mm的陶瓷珠；制得的陶瓷珠密度可灵活调整，适应面广，耐磨，且化学性质稳定。产品技术性能超过进口电熔法硅酸锆珠，并完全替代进口同类产品。优越的耐磨性能，使之可替代目前市场上大量使用的真密度为3.6～3.9g/cm3的氧化铝球；该技术方案堪称为具有新颖性、创造性、实用性的新技术，应用前景十分广阔。
以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。
Claims (5)
1.高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠，其特征在于成分的质量百分含量为：ZrO2：2～65％，Al2O3：2～60％，SiO2：10～50％，MgO+混合稀土：5％。
2.根据权利要求1所述的高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠，其特征在于：所述陶瓷珠的理化性质：真密度3.0～4.5g/cm3，晶粒大小＜2.0μm，磨耗≤0.5g/hr.kg，莫氏硬度≥7，压碎强度：800～1400N。
3.权利要求1所述的高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠的生产工艺，其特征在于：包括如下步骤——
①原料混合：将锆英砂、氧化锆粉、氧化铝粉、氧化镁、高岭土及混合稀土混合均匀；
②湿法球磨：采用湿法球磨的方法将原料球磨至粒度＜2μm，出磨；
③干燥：喷雾干燥制得超细粉体；
④成型：滚动成型制得直径为Φ0.2～Φ15mm的陶瓷珠；
⑤烧结：按升温曲线烧结至1450℃，自然冷却；
⑥抛光：加水自然抛光，获得高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠。
4.根据权利要求3所述的高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠的生产工艺，其特征在于：步骤④的成型工序中，先制备种珠：将超细粉体放入成珠机，加入水，搅拌混合均匀，过筛，制得粒径为0.1mm的种珠；再滚制珠：向滚动成珠机中加入种珠，滚动成型时，按照超细粉体与水重量比1∶1向滚动成珠机内连续加料，滚动5～30hr。
5.根据权利要求3所述的高耐磨、高强度锆铝硅复合陶瓷珠的生产工艺，其特征在于：步骤⑤烧结工序，先窑炉内50℃/hr的速度从常温升至300℃，然后以80℃/hr升温至1200℃，保温1小时；再以90℃/hr升温至1450℃，保温2小时后，自然降温，出窑。
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