侯曉剛，訾文娟，孫高梅琳，蘇濤，魯楠，殷鳳仕，司志強(qiáng)

（1.中國(guó)國(guó)檢測(cè)試控股集團(tuán)淄博有限公司，山東 淄博 255031；2.山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

0 引言

耐磨氧化鋁陶瓷研磨體以α-Al2O3為主要原料，通過配料、研磨、制粉、成型、干燥、燒制等工藝制作而成，被用于水泥、陶瓷、化工等球磨制粉領(lǐng)域，主要產(chǎn)品有研磨球、研磨柱/段等，其作用是充當(dāng)研磨介質(zhì)將塊體顆粒物料研磨成細(xì)粉。近年來，氧化鋁陶瓷研磨體在干法制粉行業(yè)的應(yīng)用得到發(fā)展，但目前陶瓷研磨體的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)僅有JC/T 848.1-2010《耐磨氧化鋁球》，該標(biāo)準(zhǔn)主要針對(duì)濕法球磨制粉行業(yè)制定，僅規(guī)定了Al2O3含量、Fe2O3含量、體積密度、吸水率、莫氏硬度、磨耗等技術(shù)指標(biāo)[1]，無法滿足干法制粉行業(yè)對(duì)陶瓷研磨體的質(zhì)量要求[2]。

本文針對(duì)干法制粉行業(yè)用氧化鋁陶瓷研磨體的應(yīng)用特點(diǎn)，研究國(guó)內(nèi)外陶瓷研磨體的生產(chǎn)及應(yīng)用狀況，收集具有代表性企業(yè)的產(chǎn)品，進(jìn)行外觀質(zhì)量及尺寸偏差測(cè)試、化學(xué)成分和晶粒尺寸分析，以及體積密度、吸水率、抗壓強(qiáng)度、維氏硬度、斷裂韌性、磨耗、抗沖擊疲勞壽命、破碎率、堆積密度等物理性能檢測(cè)，歸納適合干法制粉行業(yè)用陶瓷研磨體性能評(píng)價(jià)指標(biāo)及檢測(cè)方法。

1 樣品及測(cè)試

試驗(yàn)樣品取自中材高新、金剛新材料等30多家生產(chǎn)企業(yè)100多批次產(chǎn)品，分別進(jìn)行外觀質(zhì)量、化學(xué)成分、微觀結(jié)構(gòu)和物理性能測(cè)試，測(cè)試項(xiàng)目、條件、方法/標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備見表1。

表1 測(cè)試項(xiàng)目、條件、方法/標(biāo)準(zhǔn)及設(shè)備Tab.1 Test items,conditions,methods/standards and equipment

2 結(jié)果與討論

2.1 外觀質(zhì)量及尺寸偏差

參考JC/T 848.1-2010的指標(biāo)，表2列出了國(guó)內(nèi)典型生產(chǎn)企業(yè)132批次產(chǎn)品的外觀質(zhì)量及尺寸偏差的檢測(cè)結(jié)果。通過表2可知，除Φ＞40mm帽沿指標(biāo)合格率為93%、碰損粘損合格率為97%外，其余指標(biāo)合格率均達(dá)到100%。表3、表4列出了不同成型方式生產(chǎn)的研磨體尺寸偏差檢測(cè)結(jié)果，數(shù)據(jù)顯示，尺寸偏差合格率達(dá)到85%以上。

表2 外觀質(zhì)量指標(biāo)要求及檢測(cè)合格率Tab.2 Appearance quality index requirements and qualified rate

表3 壓制研磨體規(guī)格尺寸、允許偏差指標(biāo)要求及合格率Tab.3 Requirements for specifications,dimensions,allowable deviation indicators,and qualified rate of pressed grinding bodies

表4 滾制研磨體規(guī)格尺寸、允許偏差指標(biāo)要求及合格率Tab.4 Requirements for specifications,dimensions,allowable deviation indicators,and qualified rate of rolling grinding bodies

2.2 化學(xué)成分

化學(xué)成分是反映耐磨氧化鋁陶瓷材料性能的指標(biāo)和產(chǎn)品質(zhì)量驗(yàn)收的依據(jù)。對(duì)103批次主流陶瓷研磨體產(chǎn)品的化學(xué)成分檢測(cè)分析結(jié)果見表5。通過表5可知，高鋁產(chǎn)品（Al2O3＞92%）為干法制粉用氧化鋁陶瓷研磨體的主打產(chǎn)品，約占市場(chǎng)份額的82%。高鋁研磨體的硬度更高，耐磨性更好，體積密度大，提高了制粉效率，降低了研磨體使用成本，且強(qiáng)度高，不易開裂。如以Al2O3含量作為產(chǎn)品質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)數(shù)據(jù)，目前市場(chǎng)上92研磨體Al2O3含量的合格率約為95%。

表5 化學(xué)成分指標(biāo)分布統(tǒng)計(jì)Tab.5 Distribution of chemical composition indicators

2.3 晶粒尺寸

氧化鋁陶瓷的微晶結(jié)構(gòu)能提升陶瓷產(chǎn)品的密度，韌性、強(qiáng)度、耐磨性。依據(jù)JY/T 010-1996《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》要求，在電鏡20000倍的放大倍數(shù)下，對(duì)兩種不同耐磨性研磨體的晶粒尺寸進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見圖1和圖2。圖1是干磨耗為2.21‰·h的研磨體局部放大圖，平均晶粒尺寸是2.62μm；圖2是干磨耗為0.94‰·h-1的研磨體局部放大圖，平均晶粒尺寸是1.17μm?？梢钥闯?，其由大量原晶粒度＜2μm的顆粒團(tuán)聚而成，但圖2比圖1的晶粒尺寸更小、更致密，因此磨耗率更低，更耐磨。目前多數(shù)研磨體的晶粒尺寸在0.5～10μm，實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)證明，平均晶粒尺寸＜2μm的92耐磨氧化鋁陶瓷耐磨性明顯高于其他同類產(chǎn)品。

圖1 干磨耗為2.21‰·h-1的研磨體局部SEM照片F(xiàn)ig.1 SEM of grinding body with dry wear of 2.21‰·h-1

圖2 干磨耗為0.94‰·h-1的研磨體局部SEM照片F(xiàn)ig.2 SEM of grinding body with dry wear of 0.94‰·h-1

2.4 體積密度

體積密度是反映產(chǎn)品燒結(jié)致密度的重要指標(biāo)。依據(jù)GB/T 25995-2010對(duì)送檢的87批陶瓷研磨體產(chǎn)品采用真空排水法進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果見表6?？梢钥闯?，普通中鋁陶瓷研磨體（70%＜Al2O3＜92%）的體積密度結(jié)果介于3.21～3.40g/cm3，高鋁陶瓷研磨體體積密度結(jié)果介于3.50～3.94g/cm3，中鋁研磨體相對(duì)高鋁研磨體體積密度低、強(qiáng)度低、易碎，不適用于干法制粉行業(yè)。對(duì)于高鋁陶瓷研磨體，只有體積密度達(dá)到3.60g/cm3以上才滿足使用要求。密度大小影響研磨效率，密度越高，研磨效率越高，產(chǎn)品越耐磨。檢測(cè)顯示，目前92陶瓷研磨體體積密度≥3.60g/cm3的合格率為93%，體積密度≥3.65g/cm3的合格率為60%。

表6 體積密度檢測(cè)結(jié)果及合格率統(tǒng)計(jì)Tab.6 Volume density testing results and qualified rate

2.5 吸水率

陶瓷研磨體吸水率越低，其開口氣孔率越小，燒結(jié)越致密，使用過程中越穩(wěn)定。此外，水分對(duì)使用效果評(píng)價(jià)影響較大，陶瓷研磨體水分過高易引發(fā)飽磨和糊磨現(xiàn)象，導(dǎo)致磨粉效率下降。目前精細(xì)陶瓷標(biāo)準(zhǔn)體系中尚無關(guān)于吸水率的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，JC/T 848.1-2010引用了GB/T 8488-2008《耐酸磚》的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)作為耐磨氧化鋁球吸水率的檢測(cè)方法，但該方法在產(chǎn)品質(zhì)量驗(yàn)收過程中存在較大爭(zhēng)議。本文按HG/T 3210-2002對(duì)陶瓷研磨體的吸水率進(jìn)行了測(cè)試。研究發(fā)現(xiàn)，這兩個(gè)方法均存在一定的局限性。由于陶瓷研磨體吸水率極低（JC/T 848.1規(guī)定的指標(biāo)≤0.01%），受天平精度的限制及人員操作引起的試驗(yàn)誤差至少為±0.01%，因此本文認(rèn)為吸水率≤0.05%更符合產(chǎn)品應(yīng)用實(shí)際情況。如表7所示，按照0.05%進(jìn)行判定，目前陶瓷研磨體行業(yè)產(chǎn)品合格率為89%。

表7 吸水率檢測(cè)結(jié)果及合格率統(tǒng)計(jì)Tab.7 Water absorption test results and qualified rate

2.6 抗壓強(qiáng)度

氧化鋁陶瓷研磨體硬度高，制樣難度大。部分企業(yè)采用破壞負(fù)荷作為抗壓強(qiáng)度的衡量值，但破壞負(fù)荷的數(shù)值受樣品尺寸和形狀的影響較大，不便于比較；部分企業(yè)選擇載荷比作為抗壓強(qiáng)度的衡量值，即破壞負(fù)荷/球的直徑的平方或球的橫截面積，同樣點(diǎn)壓強(qiáng)度不具有線性比較關(guān)系，因此也不能準(zhǔn)確衡量氧化鋁陶瓷的抗壓強(qiáng)度。本文采用GB/T 8489-2006進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表8所示。由表8可知，氧化鋁陶瓷研磨體抗壓強(qiáng)度普遍介于1200～2500MPa之間，且等靜壓成型氧化鋁陶瓷比滾制成型的抗壓強(qiáng)度高30%以上，因此在干法制粉過程中，同一規(guī)格的耐磨球壓制比滾制的破碎率低。本文選擇抗壓強(qiáng)度的技術(shù)指標(biāo)為≥1500MPa，其產(chǎn)品合格率在75%以上。

表8 抗壓強(qiáng)度結(jié)果及合格率統(tǒng)計(jì)Tab.8 Compressive strength test results and qualified rate

2.7 維氏硬度

維氏硬度在精細(xì)陶瓷硬度評(píng)價(jià)中應(yīng)用較廣。本文推薦采用30kg力進(jìn)行試驗(yàn)，30kg力對(duì)材料表面的拋光度要求較低，產(chǎn)生的壓痕較清晰，同時(shí)能反映材料的深層硬度值，不受樣品拋光過程影響，數(shù)據(jù)相對(duì)穩(wěn)定，并可根據(jù)產(chǎn)生的裂紋計(jì)算材料的斷裂韌性。如表9所示，高鋁陶瓷產(chǎn)品的維氏硬度檢測(cè)結(jié)果介于9.8～12.3GPa之間，明顯高于部分氧化鋁陶瓷耐磨體標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的≥8.0GPa的指標(biāo)要求[3]，因此推薦采用維氏硬度≥10.5GPa作為耐磨氧化鋁陶瓷的驗(yàn)收指標(biāo)要求。排除中低鋁耐磨氧化鋁陶瓷的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，產(chǎn)品合格率可達(dá)90%以上。

表9 維氏硬度指標(biāo)對(duì)比Tab.9 Comparison of Vickers hardness indicators

2.8 斷裂韌性

斷裂韌性是反映陶瓷脆韌性的直觀指標(biāo)，關(guān)系陶瓷研磨體的磨耗率、碎球率和產(chǎn)品使用壽命。常用檢測(cè)方法有兩種，一是GB/T 23806《精細(xì)陶瓷斷裂韌性試驗(yàn)方法 單邊預(yù)裂紋梁(SEPB)》，此方法適合大尺寸陶瓷產(chǎn)品，檢測(cè)樣品尺寸為3mm×4mm×40mm的試條，中間預(yù)制裂紋后進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果受裂紋尺寸影響較大，且制樣難度大，根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，其檢測(cè)數(shù)據(jù)范圍在3.5～4.5MPa·m1/2之間，數(shù)值溯源復(fù)現(xiàn)性較差；二是微米壓痕法，此方法處于理論研究階段，由于受耐磨氧化鋁陶瓷樣品尺寸的限制及制樣難度的影響，行業(yè)部分客戶采用此方法進(jìn)行檢測(cè)，但其經(jīng)驗(yàn)公式較多，方法不夠統(tǒng)一。本文根據(jù)Anstis公式選擇30kg力對(duì)耐磨氧化鋁陶瓷進(jìn)行斷裂韌性測(cè)試，結(jié)果較可靠，介于3.28～3.89MPa·m1/2之間，基本符合氧化鋁陶瓷材料斷裂韌性的理論數(shù)值要求。據(jù)此本文建議采用3.5MPa·m1/2作為產(chǎn)品驗(yàn)收指標(biāo)，產(chǎn)品合格率可達(dá)85%。其試驗(yàn)原理示意圖如圖3、圖4所示。

圖3 對(duì)角線長(zhǎng)度和裂紋擴(kuò)展長(zhǎng)度測(cè)量示意圖Fig.3 Schematic diagram for measuring diagonal length and crack propagation length

圖4 維氏硬度壓痕形貌Fig.4 Vickers hardness indentation morphology

2.9 磨耗

磨耗高低直接影響陶瓷研磨體的使用壽命，且磨損過程與其力學(xué)性能（彈性模量、硬度、斷裂韌性等）、顯微結(jié)構(gòu)（晶粒尺寸、孔洞、第二相、裂紋、晶界等）、工況條件（運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、磨料硬度、磨機(jī)轉(zhuǎn)速等）密切相關(guān)[4]。對(duì)于陶瓷研磨體磨耗，行業(yè)普遍采用內(nèi)徑200mm、內(nèi)長(zhǎng)220mm、容量約5L的聚氨酯罐或陶瓷罐，以80r/min進(jìn)行試驗(yàn)。本文采用4種試驗(yàn)方式進(jìn)行驗(yàn)證：①加水自磨（JC/T 848.1-2010）、②剛玉砂-水濕磨、③剛玉砂干磨和④碳化硅砂干磨，試驗(yàn)結(jié)果見表10～表13。方法①由于受試驗(yàn)介質(zhì)水的阻力，效率較低，試驗(yàn)過程接近48h，數(shù)據(jù)較小，結(jié)果受研磨體尺寸因素影響較大，不同規(guī)格的結(jié)果可比性較差，且和陶瓷研磨體實(shí)際使用工況不符；方法②模擬濕磨行業(yè)工況，在方法①的基礎(chǔ)上加入1kg剛玉砂，雖然引入剛玉砂后試驗(yàn)數(shù)據(jù)有所提升，但結(jié)果受研磨體尺寸因素影響較大，不同規(guī)格的結(jié)果可比性較差；方法③模擬干磨行業(yè)工況，引入剛玉砂干磨，罐體樣品5kg，P36剛玉砂通過堆積密度計(jì)算正好填充球空隙，同類研磨球磨耗差別不大，效果不明顯；方法④模擬干磨行業(yè)工況，引入碳化硅砂作研磨介質(zhì)，罐體樣品5kg，P36碳化硅砂通過堆積密度計(jì)算正好填充球空隙（約1.5kg），結(jié)果顯示同一規(guī)格的不同廠家的研磨體有明顯差異，此方法能在最短時(shí)間內(nèi)出具有效檢測(cè)數(shù)據(jù)，能區(qū)分不同氧化鋁陶瓷研磨體的磨耗差異，符合試驗(yàn)設(shè)計(jì)的預(yù)期要求。本文取2.5‰·h-1作為干法制粉行業(yè)用研磨體的驗(yàn)收指標(biāo)，產(chǎn)品合格率達(dá)到88%。

表10 加水自磨磨耗數(shù)據(jù)及合格率統(tǒng)計(jì)Tab.10 Wear data and qualified rate of water added self grinding

表13 碳化硅砂干磨磨耗數(shù)據(jù)及合格率統(tǒng)計(jì)Tab.13 Wear data and qualified rate of silicon carbide sand dry grinding

方法①加水自磨：4kg球，4kg水，80r/min，24h。

方法②剛玉砂-水濕磨：4kg球，4kg水，2kg P80剛玉砂，80r/min，24h。

方法③剛玉砂干磨：5kg球，約1.5kg P36剛玉砂，80r/min，1h。

方法④碳化硅砂干磨：5kg球，約1.5kg P36碳化硅砂，80r/min，1h。

2.10 抗沖擊疲勞壽命

抗沖擊疲勞壽命指陶瓷研磨球抗沖擊疲勞失效時(shí)承受的沖擊次數(shù)，是反映陶瓷球抗破碎及使用壽命的關(guān)鍵指標(biāo)。本試驗(yàn)采用圖5原理研發(fā)陶瓷球抗沖擊疲勞壽命試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)，利用離心加速原理，把陶瓷球加速到8.9m/s（直徑5m磨機(jī)落差約4m）速度后拋出，撞擊碰撞板直至失效，失效前的碰撞次數(shù)反映陶瓷研磨球的抗沖擊疲勞壽命，結(jié)果見表14。結(jié)果表明，直徑＜20mm的惰性瓷球、中鋁耐磨球的抗疲勞壽命在2000～8000次，遠(yuǎn)低于同規(guī)格高鋁耐磨氧化鋁陶瓷球＞12000次的技術(shù)指標(biāo)，說明陶瓷球的抗沖擊疲勞壽命與直徑、鋁含量、致密度有直接關(guān)系，陶瓷球直徑越大，鋁含量和致密度越低，抗疲勞壽命越低，越不適合干法磨粉系統(tǒng)。當(dāng)陶瓷球直徑＞30mm時(shí)，陶瓷球抗沖擊疲勞壽命下降較快，這和目前水泥粉磨實(shí)際使用的研磨體規(guī)格基本一致。

圖5 抗沖擊疲勞壽命試驗(yàn)原理Fig.5 Principle of impact fatigue life test

表14 陶瓷研磨球抗沖擊疲勞壽命數(shù)據(jù)及合格率統(tǒng)計(jì)Tab.14 Impact fatigue life test data and qualified rate of ceramic balls

2.11 破碎率

破碎率是干法制粉用氧化鋁陶瓷研磨體的關(guān)鍵指標(biāo)，是單位時(shí)間內(nèi)破碎的研磨體質(zhì)量占試驗(yàn)前加入的研磨體的質(zhì)量百分比。本試驗(yàn)采用圖6原理，采用離心加速將陶瓷球加速到8.9m/s±0.05（落差約4m），甩出碰撞在陶瓷球球池中，模擬球和球的剪切、對(duì)撞過程，1h后測(cè)量破碎球占加入球的百分比，進(jìn)球速度越快，碰撞次數(shù)越多，破碎率越大，同時(shí)試驗(yàn)時(shí)間越長(zhǎng)，破碎率也相對(duì)延長(zhǎng)。本文選擇1kg/min進(jìn)球速率、5kg樣本進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果如表15所示，92及以上耐磨氧化鋁陶瓷研磨球的破碎率為0.12～1.04%·h-1。因此，取0.80%·h-1作為產(chǎn)品驗(yàn)收指標(biāo)，較符合干磨行業(yè)破碎率經(jīng)驗(yàn)值。

圖6 抗沖擊破碎率試驗(yàn)原理Fig.6 Principle of impact crushing rate test

表15 陶瓷球抗沖擊破碎率數(shù)據(jù)及合格率統(tǒng)計(jì)Tab.15 Impact crushing rate test data and qualified rate of ceramic balls

2.12 堆積密度

堆積密度是將一定量的陶瓷研磨體自由填充于容器中測(cè)得的單位體積質(zhì)量，其不能直接反映耐磨氧化鋁陶瓷體的質(zhì)量，但能指導(dǎo)用戶提前計(jì)算級(jí)配比例，選擇最優(yōu)級(jí)配比例，提高研磨效率。不同規(guī)格耐磨氧化鋁陶瓷的堆積密度檢測(cè)受容器直徑的影響較大。經(jīng)試驗(yàn)分析，同一規(guī)格的耐磨氧化鋁陶瓷，當(dāng)量筒直徑達(dá)到研磨體直徑的8倍以上時(shí)，數(shù)據(jù)較穩(wěn)定。因此，本文采用直徑和高度約為研磨體直徑8倍以上的、結(jié)構(gòu)堅(jiān)固不易變形、內(nèi)表面光滑、不漏水的柱狀容器進(jìn)行測(cè)量。對(duì)30批氧化鋁陶瓷研磨體的堆積密度進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果如表16所示，陶瓷研磨體的堆積密度結(jié)果介于2.10～2.17g/cm3之間。

表16 堆積密度指標(biāo)對(duì)比Tab.16 Comparison of bulk density indicators

3 結(jié)語

氧化鋁陶瓷研磨體作為重要的工程陶瓷材料，其良好的物理性能及性價(jià)比在干法制粉領(lǐng)域有較大的應(yīng)用前景。隨著應(yīng)用范圍、產(chǎn)量和市場(chǎng)份額提高，其產(chǎn)品性能評(píng)價(jià)由于測(cè)試方法缺失帶來的矛盾越來越突出。本文通過對(duì)氧化鋁陶瓷研磨體技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和數(shù)據(jù)分析，對(duì)其產(chǎn)品性能做出全方位評(píng)價(jià)，總結(jié)出干法制粉用氧化鋁陶瓷研磨體的技術(shù)指標(biāo)如下：Al2O3含量≥92%、體積密度≥3.60g/cm3、吸水率≤0.050%，抗壓強(qiáng)度≥1500MPa、維氏硬度≥10.5GPa、斷裂韌性≥3.50MPa·m1/2、干磨耗≤2.50‰·h-1、抗沖擊疲勞壽命≥12000次、破碎率≤0.80%·h-1、堆積密度2.00～2.30g/cm3。經(jīng)工作驗(yàn)證，本文所確定的測(cè)試參數(shù)、方法和技術(shù)指標(biāo)可作為干法制粉行業(yè)驗(yàn)收耐磨氧化鋁陶瓷研磨體的參考。