專利名稱：制備大尺寸陶瓷磨球的方法
技術領域：
本發明涉及一種研磨介質技術領域的方法，特別是一種制備大尺寸陶瓷磨球的方法。
背景技術：
陶瓷磨球因具備高硬度、高強度、耐高溫、耐磨和耐蝕等優異特性，作為研磨介質 被廣泛應用于陶瓷、電子、建材、鋼鐵冶金等相關領域。現有的作為研磨介質的陶瓷球主要 采用兩種工藝制備，工藝之一是采用冷等靜壓工藝，該工藝雖然可以成型高質量的陶瓷球， 但是缺點是對于設備成本要求高、生產周期比較長，性價比較低；工藝之二是采用滾球成型 工藝，一般是將超細粉體原料泥漿擠出切斷造粒，然后滾動成型，該工藝的缺點是所需設備 多，一次性投入較大，操作方法復雜，且由于種球的顆粒度大小不一，所以陶瓷球的粒徑差 別較大，從而使該方法只適于制備直徑小于8mm的小球，不適于制備尺寸超過1cm的大尺寸 磨球。隨著陶瓷技術的發展，有研究者采用凝膠注模工藝成型了陶瓷球。經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利《制備陶瓷小球的方法和裝置》(申請號 02125221. 1)中，該專利公開了采用膠態成型制備陶瓷球的方法。該方法是將加入引發劑的 懸浮體注入能夠調節直徑的漏斗，從漏斗滴下液態小球進入加熱的液體油性介質，形成陶 瓷小球，小球的直徑通過調節漏斗的直徑進行調節。該方法的缺點也是只能成型毫米級甚 至尺寸更小的陶瓷球。
發明內容
本發明針對以上技術的不足，提出了一種制備大尺寸陶瓷磨球的方法。本發明 方法適用于成型各種材質的陶瓷磨球，所述的大尺寸陶瓷磨球為陶瓷磨球的尺寸范圍為 5-1000毫米，例如氧化鋯、氧化鋁、氮化硅等大尺寸陶瓷磨球。本發明是通過以下技術方案來實現本發明所涉及的制備大尺寸陶瓷磨球的方法，具體為采用的粉體主要為微米級 陶瓷粉，通過凝膠注模成型工藝制得陶瓷磨球。首先，配制凝膠注模用單體溶液，在單體溶 液中加入陶瓷粉體和分散劑，球磨混合均勻得到穩定的漿料，加入催化劑和引發劑后，抽真 空除去混合在漿料中的空氣，然后將漿料澆注到帶有多個球形模腔的模具中，保溫至單體 與交聯劑完全反應，得到陶瓷磨球素坯，脫模后，將素坯烘干、燒結，即得到陶瓷磨球。本發明方法包括如下步驟第一步，配制凝膠注模用單體溶液，以丙烯酰胺為單體，以N，N’ _亞甲基雙丙烯酰 胺為交聯劑，以聚丙烯酰胺或檸檬酸銨作為分散劑，以去離子水為分散介質，混合成為單體 溶液。
所述單體溶液，其各成分的質量百分比為單體5%-15%，交聯劑0.25%-1.5%， 分散劑0. 4 % -4 %，分散介質94. 35 % -79. 5 %。第二步，將陶瓷粉加到第一步中得到的單體溶液中，通過球磨將各成分混合均勻， 得到穩定的漿料。所述陶瓷粉，其粒徑范圍為0. 1微米-100微米。所述漿料，其各成分的質量百分比為陶瓷粉40% -90%，單體溶液10% -60%。第三步，在第二步中得到的漿料中加入過硫酸銨和四甲基乙二胺分別作為引發 劑和催化劑，將漿料進行攪拌混合，同時抽真空除去漿料中的空氣，待氣泡基本消失后，從 帶有多個球形模腔的模具的澆口澆入，直到漿料從模具的冒口出來，即可轉移到烘箱中，在 60°C -80°C下保溫，直到漿料中的單體與交聯劑聚合形成凝膠網絡，即可將模具連同里面的 磨球素坯在室溫下自然冷卻，然后脫模，得到陶瓷磨球素坯。將素坯干燥，得到質地堅硬，且 無裂紋陶瓷磨球素坯。所述引發劑的加入量為0.05%-0.2%，催化劑的加入量為0.05%-0.2% (均相
對于第二步中漿料的重量百分比)。所述將素坯干燥，是指將素坯在濕度為85%以上空氣中于常溫干燥，直到素坯 體積恒定。然后將素坯分別在40、60、80和100°C條件下于空氣中再干燥，每個溫度條件下 干燥時間為2-4小時。第四步，將第三步中所得的陶瓷磨球進行燒結，根據陶瓷材料的不同，選擇不同的 燒結氣氛和燒結溫度。對于氧化鋯類的陶瓷磨球，燒結溫度為1500-175(TC，氣氛為空氣； 對于氧化鋁類磨球，燒結溫度為1100-140(TC，氣氛為空氣；對于氮化硅類磨球，燒結溫度 為1450°C，燒結氣氛為氮氣。經過燒結之后，即得到可用于作為磨介的陶瓷磨球。所述氧化鋯類陶瓷磨球，采用的粉體原料主要為氧化釔或氧化鈰或氧化鎂穩定的 氧化鋯粉體；所述氧化鋁類磨球，采用的粉體原料主要為a-氧化鋁；所述氮化硅類磨球， 采用的粉體原料主要是硅粉。本發明所涉及的制備大尺寸陶瓷磨球成型用模具，由上、下兩個半模組成，上、下 半模尺寸相同，且均帶有多個半球形模腔，上、下兩個半模相合，即形成帶有多個球形模腔 的模具。上半模的四個角上分布四個定位栓，與下半模的四個角上分布的四個定位孔相合， 從而保證上、下半模對稱相合。漿料的澆口和冒口分別為漿料注入和溢出的通道，位于模具的上方；漿料在模具 中的流道位于球形模腔之間，是連接球形模腔，使漿料流過的通道。上述模具的使用過程是將漿料自漿料澆口倒入模具中，漿料通過流道進入各個 球形模腔當中，將模腔中的空氣逐漸自漿料冒口擠出，當漿料充滿整個模腔時，漿料在漿料 澆口和漿料冒口處于同一水平，即可將模腔中充滿漿料的模具放入烘箱中，使漿料進行凝 膠固化。本發明所述的制備大尺寸陶瓷磨球成型用模具，定位栓或定位孔、漿料澆口和漿料 冒口、球形模腔的直徑和數量、流道的粗細，可根據實際情況進行確定。與現有技術相比，本發明具有以下優點1)本發明所用的以陶瓷粉體為原料的凝膠注模成型工藝為一種近凈尺寸的成型 工藝，即干燥后的素坯與燒結體之間的形狀和尺寸差異極小，這樣可以有效地控制制品的 尺寸，實現陶瓷磨球一次成型，而不需要對其進行機械加工，大大降低了生產成本，提高了產品的成品率，縮短了產品的生產周期。同時，該工藝適于幾乎所有的陶瓷粉體的成型，工 藝流程簡單可控。2)與等靜壓工藝相比，采用凝膠注模工藝制備大尺寸磨球，不需要價格較為昂貴 的等靜壓機，而只需要價格較為低廉的球磨機和攪拌機等設備，一次性投入較低；同時，一 副模具可以成型多個磨球，并且模具無任何損耗，可多次反復使用。3)由于采用帶有球形模腔的模具進行凝膠注模成型陶瓷磨球，其陶瓷磨球的尺寸 完全取決于球形模腔的大小，且可實現尺寸均一且較大的陶瓷磨球，而傳統的滾球成型工 藝，則只適合成型尺寸較小的磨球，且磨球的尺寸大小不均。
圖1為本發明模具結構示意圖。圖中1為定位栓或定位孔；2為漿料冒口 ；3為漿料澆口 ；4為球形模腔；5為漿料 在模具中的流道。
具體實施例方式下面對本發明的實施例作詳細說明本實施例在以本發明技術方案為前提下進行 實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施 例。如圖1所示，本實施例模具由上、下兩個半模組成，上、下半模尺寸相同，且均帶有 多個半球形模腔，上、下兩個半模相合，即形成帶有多個球形模腔的模具。圖1中，1為定位栓或定位孔，其中上半模的四個角上分布四個定位栓，與下半模 的四個角上分布的四個定位孔相合，從而保證上、下半模對稱相合；2為漿料冒口，由上、下 兩個半模上的溝槽對稱相合而組成；3為漿料澆口，由上、下兩個半模上的溝槽對稱相合而 組成；4為球形模腔，由由上、下兩個半模上的半球形模腔對稱相合而組成；5為漿料在模具 中的流道，由上、下兩個半模上的溝槽對稱相合而組成。 將漿料自漿料澆口 3倒入模具中，漿料通過流道5進入各個球形模腔4當中，將球 形模腔4中的空氣逐漸自漿料冒口 2擠出，當漿料充滿整個球形模腔4時，漿料在漿料澆口 3和漿料冒口 2處于同一水平，即可將球形模腔4中充滿漿料的模具放入烘箱中，使漿料進 行凝膠固化。所述定位栓或定位孔1、漿料澆口 3和漿料冒口 2、球形模腔4的直徑和數量、流道 5的粗細，可根據實際情況進行確定。其中，漿料澆口 3和漿料冒口 2分別為漿料注入和溢 出的通道，位于模具的上方；漿料在模具中的流道5位于球形模腔之間，是連接球形模腔， 使漿料流過的通道。實施例1 氧化鋯陶瓷磨球本實施例中，所采用的模具為石墨模具，其結構如圖1中所示，每副模具的球形模 腔為16個。原料為市售的8%氧化釔穩定的氧化鋯粉(純度> 99% )，平均粒徑為0. 5微米。 配制1000ml預混液，質量比例為10%丙烯酰胺；N，N’_亞甲基雙丙烯酰胺；2%聚丙烯 酸銨；87%去離子水。
配制質量固含量為80%的漿料，球磨混合2小時。分別加入催化劑四甲基乙二胺和引發劑過硫酸銨，加入量均為上述漿料質量的 0.2%,再真空攪拌除氣15分鐘后，從模具的澆口中將漿料注入，當漿料從冒口中冒出為 止，然后將模具轉移至預熱到80°C的烘箱中，保溫20分鐘。將模具置于室溫條件下，待模具 冷卻后，脫模得到氧化鋯磨球素坯。將素坯在濕度為90%的恒溫恒濕箱中，直至坯體不再收縮，即可轉移至烘箱中，在 40,60,80和100°C下于空氣中各干燥4小時，即得到堅硬的陶瓷磨球素坯。將陶瓷磨球素 坯在燒結爐中于1600°C燒結4小時，隨爐冷卻，即得到最終的氧化鋯陶瓷磨球。本實施例中陶瓷磨球的體積密度為6.05g/cm3，顯氣孔率為0.3%，直徑為 2. 8cm(模具中球形模腔的直徑為3. 0cm)，不圓度< 0. 05，硬度為20GPa。實施例2 氧化鋁陶瓷磨球本實施例中，所采用的模具為塑料模具，其結構如圖1中所示，每副模具的球形模 腔為16個。原料為市售的a -氧化鋁(純度> 99. 5% )，平均粒徑為1微米。配制1000ml 預混液，質量比例為9%丙烯酰胺；0. 45% N, N’ -亞甲基雙丙烯酰胺；0. 55%聚丙烯酸銨； 90%去離子水。配制質量固含量為70%的漿料，球磨混合5小時。分別加入催化劑四甲基乙二胺和引發劑過硫酸銨，加入量均為上述漿料質量的 0. 15%，再真空攪拌除氣20分鐘后，從模具的澆口中將漿料注入，當漿料從冒口中冒出為 止，然后將模具轉移至預熱到70°C的烘箱中，保溫20分鐘。將模具置于室溫條件下，待模具 冷卻后，脫模得到氧化鋯磨球素坯。將素坯在濕度為90%的恒溫恒濕箱中，直至坯體不再收縮，即可轉移至烘箱中，在 40,60,80和100°C下于空氣中各干燥6小時，即得到堅硬的陶瓷磨球素坯。將陶瓷磨球素 坯在燒結爐中于1200°C燒結5小時，隨爐冷卻，即得到最終的氧化鋁陶瓷磨球。本實施例中陶瓷磨球的體積密度為3. 9g/cm3，顯氣孔率為0，直徑為4. 95cm(模具 中球形模腔的直徑為5. 0cm)，不圓度< 0. 02，硬度為25Gpa。實施例3 氮化硅陶瓷磨球本實施例中，所采用的模具為鋁合金模具，其結構如圖1中所示，每副模具的球形 模腔為16個。原料為市售的硅粉(純度> 99% )，粒徑分布為1-30微米，平均粒徑為10微米， 以4%氧化鋁和氧化釔作為助燒劑(助燒劑的比例是相對于硅粉的質量比)。配制 1000ml預混液，質量比例為12%丙烯酰胺；0.6% N, N’ -亞甲基雙丙烯酰胺；檸檬酸 銨；86. 4%去離子水。配制質量固含量為60%的漿料，球磨混合3小時。分別加入催化劑四甲基乙二胺和引發劑過硫酸銨，加入量均為上述漿料質量的 0.1%,再真空攪拌除氣20分鐘后，從模具的澆口中將漿料注入，當漿料從冒口中冒出為 止，然后將模具轉移至預熱到60°C的烘箱中，保溫30分鐘。將模具置于室溫條件下，待模具 冷卻后，脫模得到氧化鋯磨球素坯。將素坯在濕度為90%的恒溫恒濕箱中，直至坯體不再收縮，即可轉移至烘箱中，在40,60,80和100°C下于空氣中各干燥5小時，即得到堅硬的陶瓷磨球素坯。將陶瓷磨球素 坯在燒結爐中于1450°C在氮氣氛下反應燒結12小時，隨爐冷卻，即得到最終的氮化硅陶瓷 磨球。 本實施例中陶瓷磨球的體積密度為3. 12g/cm3,顯氣孔率為0. 45 %，直徑為 3cm(模具中球形模腔的直徑為3. 0cm)，不圓度< 0. 02，硬度為21GPa。
權利要求
一種制備大尺寸陶瓷磨球的方法，其特征在于，包含如下步驟第一步，配制凝膠注模用單體溶液，以丙烯酰胺為單體，以N，N’-亞甲基雙丙烯酰胺為交聯劑，以聚丙烯酰胺或檸檬酸銨作為分散劑，以去離子水為分散介質，混合成為單體溶液；所述單體溶液，其各成分的質量百分比為單體5％-15％，交聯劑0.25％-1.5％，分散劑0.4％-4％，分散介質94.35％-79.5％；第二步，將陶瓷粉加到第一步中得到的單體溶液中，通過球磨將各成分混合均勻，得到穩定的漿料；第三步，在第二步中得到的漿料中加入過硫酸銨和四甲基乙二胺分別作為引發劑和催化劑，將漿料進行攪拌混合，同時抽真空除去漿料中的空氣，待氣泡基本消失后，從帶有多個球形模腔的模具的澆口澆入，直到漿料從模具的冒口出來，轉移到烘箱中保溫，直到漿料中的單體與交聯劑聚合形成凝膠網絡，將模具連同里面的磨球素坯在室溫下自然冷卻，然后脫模，得到陶瓷磨球素坯，將素坯干燥，得到陶瓷磨球素坯；第四步，將第三步中所得的陶瓷磨球進行燒結，得到用于作為磨介的陶瓷磨球。
2.根據權利要求1所述的制備大尺寸陶瓷磨球的方法，其特征是，第二步中，所述陶瓷 粉，其粒徑范圍為0. 1微米-100微米。
3.根據權利要求1或2所述的制備大尺寸陶瓷磨球的方法，其特征是，第二步中，所述 漿料，其各成分的質量百分比為陶瓷粉40% -90%，單體溶液10% -60%。
4.根據權利要求1所述的制備大尺寸陶瓷磨球的方法，其特征是，第三步中，所述保 溫，其溫度為60°C -80°C。
5.根據權利要求1所述的制備大尺寸陶瓷磨球的方法，其特征是，所述引發劑的加入 量為0. 05% -0. 2%，催化劑的加入量為0. 05% -0. 2%，此處加入量均是相對于第二步中漿 料的重量百分比。
6.根據權利要求1所述的制備大尺寸陶瓷磨球的方法，其特征是，所述將素坯干燥，是 指將素坯在濕度為85%以上空氣中于常溫干燥，直到素坯體積恒定，然后將素坯分別在 40,60,80和100°C條件下于空氣中再干燥，每個溫度條件下干燥時間為2-4小時。
7.根據權利要求1所述的制備大尺寸陶瓷磨球的方法，其特征是，第四步中，所述燒 結，具體為對于氧化鋯類的陶瓷磨球，燒結溫度為1500-175(TC，氣氛為空氣；對于氧化鋁 類磨球，燒結溫度為1100-1400°C，氣氛為空氣；對于氮化硅類磨球，燒結溫度為1450°C，燒 結氣氛為氮氣。
8.根據權利要求7所述的制備大尺寸陶瓷磨球的方法，其特征是，所述氧化鋯類陶瓷 磨球，采用的粉體原料為氧化釔或氧化鈰或氧化鎂穩定的氧化鋯粉體；所述氧化鋁類磨球， 采用的分體原料主要為a-氧化鋁；所述氮化硅類磨球，采用的粉體原料主要是硅粉。
全文摘要
一種制備大尺寸陶瓷磨球的方法，屬于研磨介質技術領域。本發明首先配制凝膠注模用單體溶液，之后將陶瓷粉加入到單體溶液中，攪拌均勻得到穩定的漿料，加入催化劑和引發劑，再真空攪拌除氣，然后將漿料澆注到模具中，保溫至單體與交聯劑完全反應，得到陶瓷磨球素坯，將素坯烘干、燒結后，即得到陶瓷磨球。本發明制作的陶瓷磨球具有高強度、高硬度、高耐磨耐蝕性和高溫穩定性，同時其尺寸可有模具的球形模腔的尺寸控制，該方法尤其適合成型大尺寸陶瓷磨球，成本低廉，易于工業化生產。
文檔編號C04B35/624GK101857443SQ201010203439
公開日2010年10月13日 申請日期2008年6月12日 優先權日2008年6月12日
發明者何博, 周洪, 孫寶德, 李飛, 駱兵 申請人:上海交通大學