CN1269983C - 高韧性研磨介质及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
高韧性研磨介质及其制造方法，它涉及一种在球磨机中使用的研磨球及其制造方法。现有研磨介质的断裂韧性值低，在研磨过程极易发生碎裂现象，从而影响研磨的质量。本发明的产品包括55～99份的碳化硅和碳化硼粉末，0.5～25份的Al-Y系添加剂、0.5～30份的CeO2或La2O3成分。它的制造方法为：将成型的压坯置于真空烧结炉中，用氩气冲洗，升温烧结，升温的速率为5～30℃/分，升温到1750～2100℃后，保温240～480分钟，烧结在氩气中进行。本发明产品的硬度从HV2420～3000可调，耐磨性能提高，比目前技术提高10～50%，同时降低成本20～40%；韧性可以提高到7MPa/cm1/2，比已有技术提高了30%左右，从而使材料的抗破碎性能提高。
Description
技术领域：本发明涉及一种在球磨机中使用的研磨球及其制造方法。
背景技术：在球磨机等研磨装置中广泛使用高硬度的耐磨陶瓷材料制作研磨介质，以满足耐磨、低搀杂的要求。常用材料有氧化铝、氧化锆、氮化硅、碳化硅以及碳化硼陶瓷等。上述材料中碳化硅和碳化硼具有较高硬度和耐磨损的特点，广泛用于高级油漆及食品等要求极低搀杂的研磨工艺中。但由于碳化硅和碳化硼陶瓷的断裂韧性值低，在研磨过程中极易发生碎裂现象，研磨介质的破碎导致大量搀杂，污染了被研磨物料，影响了研磨的质量，在震动球磨和搅动球磨过程中尤为严重。为避免上述现象的发生，常采用硬度相对较低、韧性较好的硬质合金或氮化硅、氧化锆陶瓷。但由于硬度低，研磨屑所形成的搀杂严重。现有技术中有单独以碳化硅或碳化硼为原料制造的陶瓷材料，但由于碳化硅和碳化硼单独使用都存在上述缺陷，所以很难广泛应用。为避免上述问题，需要一种硬度高、韧性好的材料，以满足球磨特别是震动球磨和搅拌球磨时对研磨介质的需求。
发明内容：本发明解决了目前研磨介质所存在的韧性差、易破碎的问题，提供了一种适合于球磨，特别是震动球磨和搅拌球磨使用的高耐磨、高韧性的陶瓷研磨介质及其制造方法，本发明产品的原料是由碳化硅和碳化硼粉末、Al-Y系添加剂和任选一种的CeO2或La2O3成分组成，各成分质量份数分别为：碳化硅和碳化硼粉末总质量份数为55～99份，其中碳化硅与碳化硼的质量比为(1～20)∶(20～1)，Al-Y系添加剂0.5～25份、CeO2或La2O3成分0.5～30份。本发明产品的制造方法为：首先，按常规方法将原料混合成型制成压坯，然后将压坯置于真空烧结炉中，先将真空烧结炉抽成真空，再用氩气冲洗一至两次，升温烧结，升温的速率为26～30℃/分，升温到2010～2100℃后，保温240～480分钟，烧结在氩气中进行；所述原料是由碳化硅和碳化硼粉末、Al-Y系添加剂和任选一种的CeO2或La2O3成分组成，各成分质量份数分别为：碳化硅和碳化硼粉末总质量份数为55～99份，其中碳化硅与碳化硼的质量比为(1～20)∶(20～1)，Al-Y系添加剂0.5～25份、CeO2或La2O3成分0.5～30份。
本发明与现有技术相比具有如下优点：1，硬度从HV2420～3000可调，可以适应不同工况的需要，耐磨性能提高，比目前技术提高10～50％，同时降低成本20～40％。2，韧性可以提高到7MPa/cm1/2，比已有技术提高了30％左右，从而使材料的抗破碎性能提高。3，由于可根据实际使用工况调节各种材料的配合比例，使研磨介质的综合性能更好地满足了工况的使用要求，提高了研磨介质使用的可靠性，由于碳化硅的烧结温度高于碳化硼，所以真空炉的温度略高，本发明制造方法简单，容易操作，易于推广应用。
具体实施方式一：本发明产品的原料是由碳化硅和碳化硼粉末、Al-Y系添加剂和任选一种的CeO2或La2O3成分组成，各成分质量份数分别为：碳化硅和碳化硼粉末总质量份数为55～99份，其中碳化硅与碳化硼的质量比为(1～20)∶(20～1)，Al-Y系添加剂0.5～25份、CeO2或La2O3成分0.5～30份，它的制造方法为：首先，按常规方法将原料混合成型制成压坯，然后将压坯置于真空烧结炉中，先将真空烧结炉抽成真空，再用氩气冲洗，升温烧结，升温的速率为5～30℃/分，升温到1750～2100℃后，保温240～480分钟，烧结在氩气中进行。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是，碳化硅和碳化硼粉末总质量份数为80～90份，其中碳化硅与碳化硼的质量比为(2～8)∶(18～14)，Al-Y系添加剂0.8～8份、CeO2或La2O3成分0.8～10份。它的制造方法为：首先，按常规方法将原料混合成型制成压坯，然后将压坯置于真空烧结炉中，先将真空烧结炉抽成真空，再用氩气冲洗二次，升温烧结，升温的速率为26～27℃/分，升温到2010～2050℃后，保温280～320分钟，烧结在氩气中进行。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一、二不同的是，各成分质量份数分别为：碳化硅和碳化硼粉末总质量份数为71～79份，其中碳化硅与碳化硼的质量比为(9～14)∶(13～8)，Al-Y系添加剂9～12份、CeO2或La2O3成分12～18份。它的制造方法为：首先，按常规方法将原料混合成型制成压坯，然后将压坯置于真空烧结炉中，先将真空烧结炉抽成真空，再用氩气冲洗一次，升温烧结，升温的速率为28～29℃/分，升温到2060～2090℃后，保温350～450分钟，烧结在氩气中进行。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一、二、三不同的是，各成分质量份数分别为：碳化硅和碳化硼粉末总质量份数为60～75份，其中碳化硅与碳化硼的质量比为(15～19)∶(7～2)，Al-Y系添加剂15～24份、CeO2或La2O3成分20～28份。
具体实施方式五：本实施方式与前述具体实施方式不同的是，各成分质量份数分别为：碳化硅和碳化硼粉末总质量份数为99份，其中碳化硅与碳化硼的质量比为20∶1，Al-Y系添加剂0.5份、CeO2或La2O3成分0.5份。
具体实施方式六：本实施方式与前述具体实施方式不同的是，各成分质量份数分别为：碳化硅和碳化硼粉末总质量份数为55份，其中碳化硅与碳化硼的质量比为1∶20，Al-Y系添加剂25份、CeO2或La2O3成分30份。
具体实施方式七：本实施方式与前述具体实施方式不同的是，各成分质量份数分别为：碳化硅和碳化硼粉末总质量份数为85～90份，其中碳化硅与碳化硼的质量比为18∶3，Al-Y系添加剂2～4份、CeO2或La2O3成分3～6份。
具体实施方式八：本实施方式与前述具体实施方式不同的是，各成分质量份数分别为：碳化硅和碳化硼粉末总质量份数为87～92份，其中碳化硅与碳化硼的质量比为(4～5)∶(10～12)，Al-Y系添加剂3～6份、CeO2或La2O3成分5～7份。
具体实施方式九：本实施方式与前述具体实施方式不同的是，各成分质量份数分别为：碳化硅和碳化硼粉末总质量份数为67～71份，其中碳化硅与碳化硼的质量比为(10～12)∶(4～5)，Al-Y系添加剂16～17份、CeO2或La2O3成分13～16份。
具体实施方式十：本实施方式与前述具体实施方式不同的是，各成分质量份数分别为：碳化硅和碳化硼粉末总质量份数为56～65份，其中碳化硅与碳化硼的质量比为(17～19)∶(2～4)，Al-Y系添加剂14～15份、CeO2或La2O3成分14～15份。
具体实施方式十一：本实施方式与前述具体实施方式不同的是，各成分质量份数分别为：碳化硅和碳化硼粉末总质量份数为72～82份，其中碳化硅与碳化硼的质量比为(11～12)∶(7～8)，Al-Y系添加剂6～7份、CeO2或La2O3成分7～8份。
具体实施方式十二：本实施方式与前述具体实施方式不同的是，各成分质量份数分别为：碳化硅和碳化硼粉末总质量份数为85份，其中碳化硅与碳化硼的质量比为8∶17，Al-Y系添加剂7份、CeO2或La2O3成分8份。
具体实施方式十三：碳化硼粉末含60～45％，碳化硅粉末含30～35％，Al-Y添加剂为2～8％，CeO2或La2O3为2～8％。碳化硅粉末为β相占95％以上，粉末平均粒径为0.5微米。碳化硼粉末的平均粒径为1.0～3.5微米，纯度大于96％。Al-Y添加剂分别为AlN或Al2O3和Y2O3粉末，他们的平均粒径为0.6～3.0微米，纯度为95～99.9％。将上述粉末置于球磨机的尼龙罐中混合，加入适量的酒精作为混合助剂。球磨机的料球为碳化硼瓷球。上述粉末在球磨机中混合6～24小时后，在70～90℃的流动氮气中烘干破碎，加入质量分数为1～10％的聚乙烯醇水溶液作为粘合剂，再混合2～8小时后干燥破碎，过60～80目筛。进行冷等静压成型，成型压力为250～350MPa。而后将上述压坯置于真空烧结炉中。先抽成真空，用氩气冲洗三次后进行烧结。烧结在流动的氩气中进行，氩气流量为15升/分钟。升温速率为0.5～5℃/分钟。在1870℃保温240～480分钟，得到烧结体的主要性能指标为：密度3.01g/cm3；硬度HV2520；四点抗弯强度650MPa；断裂韧性KIC8.2MPam1/2。
具体实施方式十四：碳化硼粉末含6％，碳化硅粉末含85.5～87.5％，Al-Y添加剂为6～8％，CeO2或La2O3为0.5％。碳化硅粉末为α相，粉末平均粒径为0.5微米，纯度大于96％。碳化硼粉末的平均粒径为1.0～3.5微米，纯度大于96％。Al-Y添加剂分别为AlN或Al2O3和Y2O3粉末，它们的平均粒径为0.6～3.0微米，纯度为97～99.9％。将上述粉末置于球磨机的尼龙罐中混合，加入适量的酒精作为混合助剂。球磨机的料球为碳化硼瓷球。上述粉末在球磨机中混合6～24小时后，在70～90℃的流动氮气中烘干破碎，加入质量分数为1～10％的聚乙烯醇水溶液作为粘合剂，再混合2～8小时后干燥破碎，过60～80目筛。在钢模中冷压成型，成型压力为300～350MPa。而后将上述压坯置于真空烧结炉中。先抽成真空，用氩气冲洗三次后进行烧结。烧结在流动的氩气中进行，氩气流量为15升/分钟。升温速率为5℃/分钟。在1870℃保温300分钟，得到烧结体的主要性能指标为：密度3.17g/cm3；硬度HV2530；四点抗弯强度520MPa；断裂韧性KIC6.2MPam1/2。与无压烧结的碳化硅和碳化硼磨介使用性能的对比见表。
| 硬度HV | 强度MPa | 韧性MPam1/2 | 一小时磨损量(球磨、干磨) | 一小时磨损量(球磨、湿磨) | 一小时磨损量(震动球磨、干磨) | 一小时磨损量(震动球磨、湿磨) | |
| 无压烧结碳化硅 | 2420 | 420 | 4.2 | 0.042 | 0.038 | 0.17 | 0.092 |
| 无压烧结碳化硼 | 2740 | 320 | 3.4 | 0.013 | 0.015 | 0.019 | 0.018 |
| 实例一 | 2730 | 540 | 6.9 | 0.0042 | 0.0019 | 0.0021 | 0.0021 |
| 实例二 | 2520 | 650 | 8.2 | 0.0034 | 0.0017 | 0.0021 | 0.0021 |
注：一小时磨损量的测定方法，球磨罐直径：ф400mm，转数：45/min，磨料球原质量为mo，磨料球占球磨罐体积的百分数：30；球磨一小时后称磨料球的质量，m，一小时磨下量为：[(mo-m)/m]×100％。湿磨在球磨罐中加40％体积的水，干磨不加水。
Claims (8)
1、一种高韧性研磨介质，其特征在于它的原料是由碳化硅和碳化硼粉末、Al-Y系添加剂和任选一种的CeO2或La2O3成分组成，各成分质量份数分别为：碳化硅和碳化硼粉末总质量份数为55～99份，其中碳化硅与碳化硼的质量比为(1～20)∶(20～1)，Al-Y系添加剂0.5～25份、CeO2或La2O3成分0.5～30份。
2、根据权利要求1所述的高韧性研磨介质，其特征在于各成分质量份数分别为：碳化硅和碳化硼粉末总质量份数为80～90份，其中碳化硅与碳化硼的质量比为(2～8)∶(18～14)，Al-Y系添加剂0.8～8份、CeO2或La2O3成分0.8～10份。
3、根据权利要求1所述的高韧性研磨介质，其特征在于各成分质量份数分别为：碳化硅和碳化硼粉末总质量份数为71～79份，其中碳化硅与碳化硼的质量比为(9～14)∶(13～8)，Al-Y系添加剂9～12份、CeO2或La2O3成分12～18份。
4、根据权利要求1所述的高韧性研磨介质，其特征在于各成分质量份数分别为：碳化硅和碳化硼粉末总质量份数为60～75份，其中碳化硅与碳化硼的质量比为(15～19)∶(7～2)，Al-Y系添加剂15～24份、CeO2或La2O3成分20～28份。
5、一种高韧性研磨介质的制造方法，其特征在于：首先，按常规方法将原料混合成型制成压坯，然后将压坯置于真空烧结炉中，先将真空烧结炉抽成真空，再用氩气冲洗一至两次，升温烧结，升温的速率为26～30℃/分，升温到2010～2100℃后，保温240～480分钟，烧结在氩气中进行；所述原料是由碳化硅和碳化硼粉末、Al-Y系添加剂和任选一种的CeO2或La2O3成分组成，各成分质量份数分别为：碳化硅和碳化硼粉末总质量份数为55～99份，其中碳化硅与碳化硼的质量比为(1～20)∶(20～1)，Al-Y系添加剂0.5～25份、CeO2或La2O3成分0.5～30份。
6、根据权利要求5所述的高韧性研磨介质的制造方法，其特征在于将压坯置于真空烧结炉中，先将真空烧结炉抽成真空，再用氩气冲洗二次，升温烧结，升温的速率为26～27℃/分，升温到2010～2050℃后，保温280～320分钟，烧结在氩气中进行。
7、根据权利要求5所述的高韧性研磨介质的制造方法，其特征在于将压坯置于真空烧结炉中，先将真空烧结炉抽成真空，再用氩气冲洗一次，升温烧结，升温的速率为28～29℃/分，升温到2060～2090℃后，保温350～450分钟，烧结在氩气中进行。
8、根据权利要求5、6或7所述的高韧性研磨介质的制造方法，其特征在于将原料混合成型制成压坯的过程为：将原料置于球磨机的尼龙罐中混合，加入酒精作为混合助剂，球磨机的料球为碳化硼瓷球，上述原料在球磨机中混合6～24小时后，在70～90℃的流动氮气中烘干破碎，加入质量分数为1～10％的聚乙烯醇水溶液作为粘合剂，再混合2～8小时后干燥破碎，过60～80目筛，进行冷等静压成型，成型压力为250～350MPa。
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