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提高陶瓷微珠耐磨性的措施

在礦物、粉體材料的深加工過程中，已越來越多地使用陶瓷微珠作為磨介，來粉碎、細磨原料。耐磨性成為礦物粉體加工企業(yè)，采購選用陶瓷微珠核心的、首選的控制指標。這是因為它直接關(guān)系到加工企業(yè)的生產(chǎn)成本和產(chǎn)品的質(zhì)量 (粉體的純度、細度等) 、產(chǎn)量。而從宏觀上看，微珠也是關(guān)系著我國非金屬礦工業(yè)健康發(fā)展的一個重要因素，因而有必要對提高微珠的耐磨性，作深入的理論研究和系統(tǒng)的實踐總結(jié)。

下面就我們在微珠性能改善上所采取的一些措施，介紹出來，旨在拋磚引玉。

1 優(yōu)化微珠原料中鋁耐磨瓷配方和加工工藝

Al2O3含量≤60%的中鋁瓷，因其生產(chǎn)工藝成熟、生產(chǎn)線投資小、產(chǎn)品性價比高，而成為當今礦產(chǎn)、粉體加工行業(yè)的主流用品，用量最大，用途甚廣。但耐磨性不高是其最大的“軟肋”，我們采取以下措施來提高其耐磨性。

1.1 改干法混合、細磨制備坯粉的工藝為濕法混磨工藝

科龍研磨介質(zhì)廠過去一直采用干法混磨各組分原料，再直接將球磨出來的粉滾動成球的工藝。該工藝存在兩大缺陷：(1) 干法球磨原料效率很低，長時間球磨也難以達到250目的細度，且易出現(xiàn)球-粉、粉-粉粘連成團的現(xiàn)象；(2) 各組分密度、細度不同的原料 (如α-Al2O3、黏土、長石、含CaO、BaO、MgO的化合物等) 無法在球磨機內(nèi)混勻，造成瓷體結(jié)構(gòu)不勻，每批次產(chǎn)品燒結(jié)生熟程度不一、產(chǎn)品性能差異性大等問題，致使微珠耐磨性差。后改為濕法混磨→泥漿脫水烘干→干法球磨打散、粉碎的工藝，一舉消除上述兩大缺陷，使制出的微珠耐磨性增強。

1.2 以煅燒鋁礬土替代煅燒氧化鋁

α-Al2O3主要用于提高中鋁耐磨瓷的耐磨性和密度。以含相同晶相組成的煅燒鋁礬土替代商品氧化鋁，不僅可節(jié)約資源、降低成本，還可提高瓷體的耐磨性。這是因為成品煅燒Al2O3粉的顆粒，都是由2～20μm的剛玉 (α-Al2O3) 晶粒堆砌而成的疏松團聚體，若不經(jīng)單獨球磨，而是與長石、黏土、瓷石及含CaO、BaO、MgO的化合物等混磨，即使磨很長時間，也無法完全打碎α-Al2O3粉的這種團聚結(jié)構(gòu)。這樣做出的瓷體，必定是由α-Al2O3的多孔性團聚物+莫來石+玻璃相+氣孔等晶相組成的結(jié)構(gòu)。顯然，作為耐磨主晶相的α-Al2O3，是一種多孔聚集體而不是完全分散開的、單一的剛玉晶粒(1～20μm) ，其瓷體的耐磨性必然不佳。相反，采用充分煅燒轉(zhuǎn)化完全的鋁礬土，則結(jié)果就截然不同。煅燒完全的礬土，是一種由剛玉、莫來石、玻璃相和微量氣孔等組成的致密聚集體，經(jīng)雷蒙機粉碎至250目后，再與黏土、熔劑等在球磨機中混磨，很容易制得微米級的礬土粒子。這些單體粒子充分彌散在坯體中，燒結(jié)時又與熔劑良好互融，冷卻后即形成由剛玉、莫來石、玻璃相組成的均勻、致密結(jié)構(gòu)，使其耐磨性優(yōu)于以煅燒氧化鋁為原料生產(chǎn)的微珠。

礬土粒子制得：主要原料高嶺土、瓷土，20%～30%；熟礬土粉，40%～50%；熔劑 (長石、滑石、白云石等) ，20%～30%。生產(chǎn)工藝：生礬土→1500～1600℃煅燒→粗碎→雷蒙磨細碎→礬土粉。

再者，煅燒Al2O3的真密度為3.96～3.99g/㎝3, Al2O3含量≥99%；而熟礬土的真密度是3.4～3.7 g/cm3, Al2O3含量為80%～90%。若要使瓷珠達到相同的Al2O3組成或體積密度，則礬土粉要比α-Al2O3粉多配入一些 (一般是α-Al2O3粉配入量的1.2～1.3倍) ，由此帶來瓷體中耐磨晶相——剛玉和莫來石的增多，也使瓷件耐磨性增強。

處理好原料替代的關(guān)鍵是，礬土原料煅燒的完全性。若礬土煅燒不良，剛玉、莫來石形成不充分，燒結(jié)體不致密 (吸水率大、密度低) ，則以此原料制出的微珠耐磨性極差，這在科龍廠有過深刻教訓。另外，使用礬土制出的微珠，呈色不白、暗淡，賣相稍遜于α-Al2O3制出的產(chǎn)品。但此問題可通過加入少量礦物和化工原料來增白解決。

采取上述措施后，瓷珠耐磨性等有明顯提高。以磨超細章村土 (伊利石瓷土) 為例，用剝片機磨1t瓷石，球耗由原來的6kg下降為3kg；磨重鈣，則由原來的1.5kg/t，降為0.8kg/t。實驗中，微珠使用比例 (%) ：Φ-1mm, 35～40；Φ1～2mm, 25～30；Φ2～3mm, 40左右。改進后的瓷珠產(chǎn)品占領(lǐng)了沙河市市場，并受到山西、山東等企業(yè)的青睞。

2 開發(fā)微晶型高鋁耐磨瓷

在某些對瓷珠要求較高 (如更耐磨、體積密度≥3.5g/cm3) 的場合，必須使用Al2O3含量90%～95%、主晶相為剛玉的瓷質(zhì)。此時若主晶相尺寸細小、組織結(jié)構(gòu)均勻致密，將使瓷珠具有更強的耐磨性；其制造工藝，相對于一些使用相變增韌、第二相摻雜改性和引入納米粉等增強抗磨性的技術(shù)，有更好的便利性、經(jīng)濟性和有效性。而且，微晶材料也是無機材料發(fā)展的一個重要方向。

在生產(chǎn)實踐中，要同時采取以下技術(shù)手段來制備微晶剛玉瓷。

2.1 使?-Al2O3粉超細化

這是因為瓷體中晶粒的長大，與原料的起始粒度呈正比關(guān)系。原料中α-Al2O3粉的粒度大，則制出的瓷體的最終晶粒也大；同時原料的粒度越小，燒結(jié)溫度也越低；而瓷相中晶粒的長大，又隨燒成溫度呈指數(shù)函數(shù)遞增——燒成溫度小幅提高，晶粒長大速率急劇加大。有鑒于此，首先要制備超細α-Al2O3原料。具體的工藝措施是：(1) 選用新型的活性α-Al2O3粉，此種商品Al2O3粉的原晶粒度多在2μm以下，且團聚性差，配用分散劑，短時間球磨即可打散磨細至微米級；(2) 兩次投料兩次加水，即先低水分單獨濕磨α-Al2O3粉，再加入黏土、熔劑等，并二次補水后，再磨；(3) 用Φ20mm以下的小尺寸、大密度的球磨子作球磨機的磨介。這是針對原料均為粉狀物料而實施的強化研磨效率的有效舉措。

2.2 采用有效的晶粒生長抑制劑

通過在配料中引入少量的含MgO、La2O3、Y2O3等礦物或化合物，以產(chǎn)生“釘扎”等效應(yīng)而阻滯晶粒生長，可確保晶粒細小，顯微結(jié)構(gòu)均勻、致密。大生產(chǎn)中，我們采用的是Mg (OH) 2等作為晶粒生長抑制劑。

2.3 使用高效助熔劑實施低溫燒成

對熔劑性原料作超細化、均質(zhì)化和煅燒、熔融的處理，可極大地增強其助熔能力，拓寬燒成溫度范圍，達成低溫燒成，滿足制備微晶瓷的根本條件。原因是，熔融處理熔劑，使之變成均相體后，有更低的熔點 (其原理類似于玻璃，玻璃配料需1350～1550℃才能熔勻，但由此制出的制品僅在1000℃以前即熔融完全，而二者的組成相同) ，燒結(jié)時剛玉瓷坯料可在很低溫度下發(fā)生溶解——沉淀和流動傳質(zhì)，而能夠?qū)崿F(xiàn)低溫燒結(jié)。由于熔劑經(jīng)煅燒、熔融處理，CaCO3、滑石中所含的CO2、H2O已排除殆盡，致使剛玉瓷坯料燒結(jié)范圍拓寬，資質(zhì)更為致密。

通過實施以上技術(shù)措施，開發(fā)出晶粒尺寸達微米級的剛玉瓷 (圖1) 。圖中未見粗晶且晶體大小均勻，是因為1500℃以下的低溫燒成，不會突破剛玉晶體二次長大的溫度界限。

3 改進成型和燒成工藝

目前，我國陶瓷微珠企業(yè)廣泛采用的是滾動成球工藝：(礬土粉，熔劑，高嶺土、瓷土) →分別稱量后投料→滾動式球磨機濕磨→泥漿進入攪拌池→雙缸泵→板框式壓濾機脫水→泥餅烘干→干式球磨機粉碎制粉→滾動成球→烘干→燒成。該工藝雖有投資小、產(chǎn)量大、工藝簡單的優(yōu)勢，但制出的瓷珠與整體均質(zhì)成型 (如熔融法、凝膠注模成型法) 制出的產(chǎn)品相比，結(jié)構(gòu)均勻度和致密性尚有差距，致使耐磨性不夠高。主要原因是，滾動法成球，微球是一層水一層坯粉而層層滾大的，每個同心圓層的坯粉粒子堆積形成有孔隙，同心圓層與層之間有間隙，如干燥和燒成控制不好，則孔隙、間隙的“愈合”將不良而留下隱患，使用時就會從這些薄弱處損壞，先產(chǎn)生出凹坑，再逐步擴大而整層剝落。

對此，采取以下改進措施：(1) 適當提高坯粉細度 (二次粒度) ，如由原來的60目增加到120～200目 (微珠越細，坯粉就要越細) ，并采用球磨機閉路磨工藝，以優(yōu)化顆粒粒度分布和粒子形狀，達成坯粉緊密堆積；(2) 微珠種子應(yīng)當天做好當天使用，以阻止層間間隙的形成；(3) 適當增加滾動成球的水分 (半成品微珠不得變形) ，并用高壓將水充分霧化 (細化) ；(4) 對滾動好的半成品微珠作特殊處理，促使微珠內(nèi)坯粉顆粒與顆粒、層與層之間的結(jié)合。同時，在燒成中，適當延長保溫時間，使瓷珠充分瓷化，反應(yīng)完全；并盡可能快地冷卻到800～900℃，以防晶粒長大和在微珠表面層形成殘余壓應(yīng)力。

4 應(yīng)用

在工業(yè)生產(chǎn)上，微珠主要用于瓷土、重鈣以及煤系高嶺土等的濕法深加工。以加工紙張?zhí)盍嫌蒙澈哟赏翞槔?，剝片機中微珠填量為60%～70% (體積%，下同) ；土漿濃度為55%～56%；加工方式和微珠的配比：三級串聯(lián)加工，第一道剝片用Φ2.5～3mm的微珠，第二道用Φ2.0～2.5mm的微珠；第三道用Φ1.5～1.8mm的。微珠的補加：當剝片機使用電流降低5A時，即往剝片機中填加2～3kg微珠即可。該工藝可將-2μm占40%的瓷土，加工至-2μm達90%的超細粉土漿。

5 后語

本文對提高瓷珠性能做了探索和總結(jié)，提出了一些行之有效的措施，希望藉此引發(fā)材料業(yè)、礦業(yè)等技術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界的共同關(guān)注和積極投入，以更好地提升我國磨介行業(yè)的整體水平、實力，為我國非金屬礦業(yè)的發(fā)展提供有效的支持。

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