球磨机广泛应用于冶金、矿产、电力、建材、化工等领域,是最为普遍使用的粉碎设备。研磨介质是球磨机内滚动的球或圆柱物体,普通球磨机的研磨介质主要是金属球、圆柱,而在陶瓷生产业中,使用的主要是陶瓷研磨介质,其次是天然的燧石和鹅卵石。目前我国上市的陶瓷研磨介质主要包括氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅、氧化锆等系列品种。氧化铝瓷球是一种重要的工程陶瓷,属高科技产品。由于合适的硬度、适中的密度、耐磨、耐腐蚀、价格低的特点,以及金属球金属杂质引入的问题,因此氧化铝瓷球被广泛应用于白色水泥、矿物、陶瓷、电子材料、磁性材料、以及涂料、油漆等行业的原材料的粉磨和加工,是一种优质的研磨介质[1, 2 ]。在建筑陶瓷行业中,氧化铝瓷球的磨损效率比天然的燧石和鹅卵石提高20%～ 40% [3 ]。随着优质天然球石资源的减少,普通瓷球磨损率高的特点,氧化铝瓷球将被越来越多的陶瓷厂家所使用。
1　影响耐磨性的因素
氧化铝陶瓷的磨损机理分为脆性断裂磨损和塑性形变磨损,前者的磨损特点为沿晶断裂的晶粒脱落,后者的磨损特点为穿晶断裂的微观切削,前者的磨损率比后者大得多,人们希望陶瓷的磨损为塑性形变磨损。陶瓷的内部因素对陶瓷塑性形变磨损机理具有重要的影响。氧化铝瓷球是一种摩擦磨损构件,其磨损率受内部因素和外部因素的影响,其中内部因素影响较大。氧化铝陶瓷的耐磨性与自身的材料的力学性能、显微结构的协同作用有着密切的关系,即与其内部因素(弹性模量E、硬度H、断裂韧性K1c、晶粒尺寸、晶界和孔隙率)有关, 近年来人们对此进行了大量的研究[4～ 8 ]。陶瓷的韧性和晶粒尺寸是目前研究最多,与耐磨性关系最为密切的内部因素,韧性对陶瓷的摩擦磨损影响极大。由于晶粒越小,陶瓷的耐磨性越好,所以耐磨陶瓷正朝微晶化方向发展。但纳米氧化铝陶瓷造价很高,难以在工程应用领域推广使用,所以氧化铝陶瓷耐磨材料的研究重点在几个μm的晶粒尺寸范围内有所突破和发展。
2.耐磨性的提高
2. 1　α-Al2O3原料
2. 1. 1　颗粒的形貌
陶瓷是由压制坯体经高温烧制而成的。坯体由颗粒压制而成,所以陶瓷的烧结不仅是颗粒之间的烧结行为,更重要的是坯体的烧结行为。烧结是陶瓷烧成的重要环节。影响坯体烧结的因素相当多,其内在因素是粉末的特性。粉末特性是影响烧结的重要因素之一。表面能是颗粒烧结驱动力之一,形貌对颗粒的表面能影响很大,所以颗粒形貌对陶瓷烧结的影响是相当大的[10 ]。表面粗糙的颗粒,比表面积或表面能相对大,所以其烧结驱动力大,易烧结,烧结密度大,孔洞小而少。表面光滑的粒状颗粒,此颗粒比表面积或表面能比较小,因此其烧结驱动力较小,不易烧结,陶瓷的烧结密度比较低,空洞大而多。
板状颗粒与粒状颗粒相比,比表面积大,烧结驱动力大,易烧结,陶瓷的烧结密度较大。由小硬团聚体和无团聚体组成的坯体相比,气孔率大,生坯密度小,陶瓷的密度也小,陶瓷的烧结密度较低。
2. 1. 2　颗粒的大小
当晶粒比较细小时,磨损机理主要是发生塑性变形和部分穿晶断裂,产生轻微磨损; 晶粒比较粗大时,磨损机理主要是发生晶界断裂,产生严重磨损。所以,晶粒越小,陶瓷的耐磨性越好。因此,应尽可能使用颗粒尺寸小的α-Al2O3 原料,以便减小陶瓷的晶粒度。另外,小颗粒与大颗粒相比,颗粒比表面积或表面能相对大,所以其烧结驱动力大,烧结温度低,同时烧结密度较高。
2. 2　助烧剂
合适的助烧剂降低烧结温度,改善陶瓷的显微结构,提高力学性能,进而提高瓷球的耐磨性。助烧剂的品质包括数量、物相组成、化学组成和细度等。助烧剂一般采用SiO2-CaO-MgO三元系统进行配方。应尽量避免使用在高温下放出气体和发生相变的助烧剂,以免产生新的缺陷,而影响产品的致密化和合格率,降低产品的竞争力。
2 3　成型
采用等静压成型技术,克服其它成型方法空心、分层、密度低和密度不均匀等缺陷。原料的颗粒大小、形状和添加剂都会影响等静压成型。成型压力和保压时间影响生坯的密度、烧结收缩率、烧结温度。因此,要使用合适的原料和科学的成型工艺,确保生坯具有良好的烧结特性。
2. 4　烧结制度
过高的烧结温度和过长的保温时间都会促进Al2O3 晶体生长,液相量增加,这样不但强度下降,耐磨性也会减弱。当然温度太低、烧结密度降低,瓷球的耐磨性下降。如果烧结温度不合适,即使Al2O3 含量高,耐磨性也不一定好,关键取决于瓷球的物相组成和显微结构。采用低温快烧技术,可获得显著的节能效益,同时可抑制氧化铝瓷球的晶粒长大,有利于改善产品强度、韧性,从而提高瓷球的耐磨性。助烧剂极大影响低温快烧,一般采用SiO2 -CaO-MgO三元系统的配方。
2. 5　研究进展
研究者在采用适当的添加剂降低烧结温度和提高耐磨性方面进行了大量的研究,取得了重要进展[11～ 18 ]。在平均1～ 1. 5μm的α-Al2 O3 中添加18%～ 20% 的Y- PSZ,在1 650℃下烧制1 h ,其相对烧结密度达98. 8% ,磨损率仅为通常95瓷球的1 /5～ 1 /8[13 ]。对于95瓷球,当加入重量的0. 3% MgO时,其耐磨性最好,显微结构晶粒细而均匀,气孔最少[ 14]。α-Al2 O3 转化率合适的粉体是极其重要的,转化率高低对氧化铝瓷球的质量影响很大[11 ]。若α-Al2O3转化率高,它的煅烧温度相对较高,物料的硬度大增加了粉体的研磨难度,而且烧结活性小,若提高烧结温度,不但增加成本还会出现晶粒长大,不利于形成均匀的显微结构,耐磨性反而下降。若α-Al2O3 转化率低,它的煅烧温度相对较低,物料的硬度减弱,研磨相对容易,烧结活性大,但由于晶型转变制品产生收缩更大,造成瓷球的开裂

目前市场销售的有75% Al2O3瓷球, 80% ～ 95% Al2O3 瓷球,高铝瓷球比较贵,目前用户大部分集中在一些规模较大,产品档次较高的中外企业和国家大型企业,而众多的中小企业不敢问津,从而限制了它的推广应用。针对这一问题,有人利用我国丰富的铝矾土资源开发出耐磨瓷球,该产品性能不低于同级比重的以氧化铝粉为原料制成的瓷球, 而成本仅为同级比重的氧化铝瓷球的50% ～ 70% , 价格降低20% ～40% [19～ 21 ]。
3　应用
以墙地砖为主导产品的建筑卫生陶瓷行业所用的坯料、釉料均用球磨机研磨。直到现在,大多数企业仍沿用天然球石作为研磨介质,天然球石由于耐磨性能不佳,磨制过程中不可避免地污染釉料,同时由于天然球石的密度小,研磨效率低。寻求并使用价廉物美的磨介是陶瓷企业的追求之一。自50年代起Al2O3 瓷球就已进入陶瓷生产领域中。1998年中国建筑陶瓷总产量为1. 594× 109 m2 ,卫生陶瓷总产量为5 145万件[22 ] ,分别占世界产量的1 /3和1 /5,被认为是当今世界最大的建筑卫生陶瓷生产国,并且从现在起至2010年,我国可望一直保持建筑卫生陶瓷世界第一生产大国的地位。根据理想的产品结构,高档制品按20% 估计,全国所需氧化铝瓷球的装填量约40 000 t,高品位瓷球综合需求量应该在50 000 t /a左右。
随着天然球石的濒临枯竭,目前理想的球石已经很难买到,质次价高的球石严重影响研磨物料的质量,影响制品的档次,迫使企业选择具有优良特性的氧化铝瓷球。使用氧化铝瓷球作研磨介质来提高产品的档次,已是陶瓷界人士的共识。所以,氧化铝瓷球在陶瓷行业的市场需求是很大的。
4　总结
氧化铝瓷球具有合适的硬度、适中的密度、耐磨、耐腐蚀、价格低的特点,是一种重要的工程陶瓷,属高科技产品。氧化铝瓷球广泛应用于建筑卫生陶瓷、电子材料、冶金、矿产、玻璃、水泥、化工、油漆、涂料等行业,因此其市场是巨大的。从原料的形貌、颗粒大小、助烧剂、成型、烧结等方面进行细致的研究,进一步降低氧化铝瓷球的成本,提高它的耐磨性。利用我国丰富的铝矾土矿产资源开发出耐磨瓷球,满足众多中小企业的需求。人们希望瓷球的磨损由脆性断裂磨损转变为塑性形变磨损。对瓷球塑性形变磨损机理进行系统的研究具有重大的理论和应用价值。