CN112159211A - 一种高致密度、高硬度、亚毫米级氧化铝陶瓷球的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高致密度、高硬度、亚毫米级氧化铝陶瓷球的制备方法，采用市售的亚微米级氧化铝粉体为原料，通过在粉料中喷洒去离子水来调节其中的水分含量；将原料粉体置于振动过筛机的筛网中，通过对粉体进行高频振动的同时利用筛网对粉料进行筛分，在高频振动的过程中，托盘中氧化铝坯体小球不断被振动压实，当其体积增大至所需球径时，把托盘中氧化铝坯体小球取出，进行高温空气气氛下无压烧结，烧结所得氧化铝陶瓷球再放置于热等静压炉中进行高温压力后处理，最终得到高致密度、高硬度、亚毫米级氧化铝陶瓷球。通过该方法得到的氧化铝陶瓷球，具有球径均匀、球形度好、致密度高、内部无明显缺陷等诸多优点。
Description
技术领域
本发明属于氧化物结构陶瓷领域，具体涉及一种高致密度、高硬度、亚毫米级氧化铝陶瓷球的制备方法。
背景技术
氧化铝陶瓷具有硬度高，耐腐蚀，耐磨损且成本低等优势，其陶瓷球是一种常用的研磨介质，被应用于各类矿物原料，先进陶瓷粉体，日用瓷色料、釉料和涂料等的混合、粉碎、磨细等过程。氧化铝陶瓷球也可用做催化剂载体，工程减震用介质及机械抛光用磨料，广泛服务于材料、化工、机械及冶金等行业。
氧化铝陶瓷球可以通过挤压成型、喷雾造粒成型、滚动成型及模压结合等静压成型等工艺成型，并通过后续烧结过程实现致密化。氧化铝陶瓷球作为研磨介质应用的时候，它的尺寸直接决定了球磨的能力和效率，当产品粒度要求在纳米级时，需要使用小直径的研磨球。然而受模具尺寸和工艺过程限制，模压成型和挤压成型很难制备球直径尺寸小5mm的陶瓷球，且生产效率低；喷雾造粒成型所获得陶瓷球坯体尺寸不均匀，球形度较差且内部容易产生大的空洞；滚动成型可用来制备亚毫米级氧化铝陶瓷球。它借鉴了北方汤圆制备的生产工艺，但成型过程中需要加入粘结剂和分散剂，得到的坯体具有有机成份高，密度低，易分层等缺点。因此用此方法获得的陶瓷球在球磨过程中，容易破碎且磨耗较大。
公开号为CN102491735的专利申请公开了一种通过滚动成型结合无压烧结来获得氧化铝陶瓷球的方法，在制备过程中，引入了粘结剂聚乙烯醇和分散剂聚丙烯酰胺。制备流程中，需要额外的步骤来制备球种，所获得氧化铝陶瓷球的直径为10mm；
公开号为CN103252823B的专利申请公开了一种通过将泥料喷注到金属模腔的方式获得氧化铝陶瓷球坯体的方法。喷注所需泥浆含水率为17-25％，因此制备工艺中包含练泥过程，且陶瓷球的注射需要逐个完成，生产效率较低。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明拟提供一种通过强制过筛结合高频振动的方式获得高密度氧化铝陶瓷球坯体的方法，通过该方法所获得的陶瓷球坯体通过无压烧结并结合等静压后处理的方式实现致密化，进而获得亚毫米级氧化铝陶瓷球。整个成型过程一步完成，不需要额外添加有机粘结剂。通过该方法得到的氧化铝陶瓷球，具有球径均匀、球形度好、致密度高、内部无明显缺陷等诸多特征。本发明所涉及的工艺生产效率高，适用于批量生产。
本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：
一种高致密度、高硬度、亚毫米级氧化铝陶瓷球的制备方法，具体包括如下步骤：
步骤1、成型：以市售的亚微米级氧化铝粉体为原料，将其倒入振动过筛机的筛网中，同时通过添加去离子水，将粉料中水份含量增加至0.1wt％-2wt％。采用市售振动筛对粉料进行筛分，在这一过程中，所采用的振动频率为20-50Hz；振幅为0.2-4mm；振动加速度为2-10倍重力加速度(g＝9.8m/s2)；振动时间为12-36小时；采用筛网的平均孔径范围为50-400微米；在振动停止后，在筛网下层托盘中获得亚毫米级氧化铝陶瓷球的坯体；
步骤2、无压烧结：将步骤1得到的氧化铝陶瓷球的坯体平铺于氧化铝坩埚中，在空气气氛中,按设定升温和保温制度，对其进行无压烧结；
所述步骤2中无压烧结升温速度范围为3-10℃/min。
所述步骤2中无压烧结温度范围为1300℃-1650℃。
所述步骤2中无压烧结保温时间范围为60-120min。
具体烧结过程是将氧化铝陶瓷球坯体先放在室温环境下，通过3-10℃/min升温速度升温至1300℃-1650℃，然后在该温度下保温60-120min。
步骤3、热等静压后处理：步骤2得到的氧化铝陶瓷球随炉冷却至室温后，将其置于热等静压烧结炉中，在氩气气氛下，按设定的温度和压力制度进行压力后处理，进而得到高致密度、高硬度、亚毫米级氧化铝陶瓷球。
所述步骤3中热等静压后处理升温速度范围为3-10℃/min。
所述步骤3中热等静压后处理温度范围为1100℃-1650℃。
所述步骤3中热等静压后处理所施加的等静压力范围为50-200MPa。
所述步骤3中热等静压后处理保温时间范围为30-120min。
本发明具有如下优点：
1、通过高频振动的方式将粉体团聚成球，在振动的过程中，Al2O3球体积增加的同时，坯体密度也得以提升；通过烧结工艺的优化，最终获得的氧化铝球内部无明显缺陷，显微结构均匀，硬度高，磨耗低；
2、利用振动过筛的方式保证了氧化铝球种尺寸的均匀性。可通过振动时间，筛网孔径等参数来进一步调控所获得的氧化铝球的直径，其范围可在亚毫米(0.1-1mm)范围内可调，所得到氧化铝球尺寸均匀，球形度好。
3、所获得Al2O3球坯体中不含有机粘结剂。陶瓷球制备过程中不需要引入额外的球种制备和排胶等流程，制备周期短，能耗低，并减少了污染物和温室气体的排放；
4、本工艺所需设备简单，原料方便易得，成本低，适合批量生产亚毫米级氧化铝陶瓷球。
附图说明
图1为实施例1得到氧化铝陶瓷球的实物图；
图2为实施例1得到氧化铝陶瓷球的表面形貌；
图3为实施例1得到氧化铝陶瓷球的抛光面形貌；
图4为实施例3所得到的氧化铝球的形貌；
图5为实施例4所得到的氧化铝球的形貌；
图6为实施例5所得到的氧化铝球的形貌。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，一种高致密度、高硬度、亚毫米级氧化铝陶瓷球的制备方法，采用市售的亚微米级氧化铝粉体为原料，通过在粉料中喷洒去离子水来调节其中的水分含量；将Al2O3粉体置于振动过筛机的筛网中，通过对粉体进行高频振动的同时利用筛网对粉料进行筛分，因为粉体中水分的存在，一部份氧化铝粉体结成块状，通过振动，颗粒尺寸小于筛网孔径的Al2O3粉体或块体通过筛网分离到托盘中继续振动，而尺寸大于筛网孔径的团聚块体则继续在筛网上振动；在托盘中的团聚块体颗粒在后续的振动过程中不断被周围氧化铝粉体所包裹而逐步成球；在高频振动的过程中，托盘中氧化铝坯体小球不断被振动压实，当其体积增大至所需球径时，把托盘中氧化铝坯体小球取出，将其在1300℃-1650℃空气气氛下无压烧结，烧结所得氧化铝陶瓷球再放置于热等静压炉中进行高温压力后处理，最终得到高致密度、高硬度、亚毫米级氧化铝陶瓷球。
实施例1
以市售的亚微米级氧化铝粉体为原料，将其倒入振动过筛机的筛网中，同时在粉料中喷洒去离子水，使粉料水含量增加到0.5wt％。筛网振动的频率和振幅分别为30Hz和3mm；振动加速度为3g；振动时间为24h；采用筛网的孔径为70微米；在振动停止后，在筛网下层托盘中得到亚毫米级氧化铝陶瓷球的坯体；
将陶瓷球坯体平铺于氧化铝坩埚中，在空气环境中对其进行无压烧结。烧结温度，保温时间和升温速度分别为1500℃，120min和10℃/min。
将烧结得到的陶瓷球置于热等静压烧结炉中，在氩气气氛下进行压力后处理。等静压热处理的温度和压力分别为1550℃和160MPa；升温速度和保温时间分别为10℃/min和120min。
所获得的氧化铝陶瓷球实物图和表面形貌分别如图1和图2所示；其抛光面如图3所示。氧化铝陶瓷球的相对密度为99.5％，平均球径为0.36mm，维氏硬度为17.5GPa。
实施例2
以市售的亚微米级氧化铝粉体为原料，将其倒入振动过筛机的筛网中，同时在粉料中喷洒去离子水，使其水含量增加到0.5wt％。筛网振动的频率和振幅分别为25Hz和3mm；振动加速度为3g；振动时间为24h；采用筛网的孔径为140微米；在振动停止后，在筛网下层托盘中得到亚毫米级氧化铝陶瓷球的坯体；
将陶瓷球坯体平铺于氧化铝坩埚中，在空气环境中对其进行无压烧结。烧结温度，保温时间和升温速度分别为1500℃，120min和10℃/min。
将烧结得到的陶瓷球置于热等静压烧结炉中，在氩气气氛下进行压力后处理。等静压热处理的温度和压力分别为1550℃和160MPa；升温速度和保温时间分别为10℃/min和120min。
所获得氧化铝陶瓷球的相对密度为99％，平均球径为0.63mm，维氏硬度为16.5GPa。
实施例3
以市售的亚微米级氧化铝粉体为原料，将其倒入振动过筛机的筛网中，同时在粉料中喷洒去离子水，使其水含量增加到0.75wt％。筛网振动的频率和振幅分别为30Hz和3mm；振动加速度为3g；振动时间为24h；采用筛网的孔径为70微米；在振动停止后，在筛网下层托盘中得到亚毫米级氧化铝陶瓷球的坯体；
将陶瓷球坯体平铺于氧化铝坩埚中，在空气环境中对其进行无压烧结。烧结温度，保温时间和升温速度分别为1600℃，120min和10℃/min。
将烧结得到的陶瓷球置于热等静压烧结炉中，在氩气气氛下进行压力后处理。等静压热处理的温度和压力分别为1550℃和160MPa；升温速度和保温时间分别为10℃/min和120min。
所获得氧化铝陶瓷球的相对密度为98％，平均球径为0.38mm，维氏硬度为15GPa。其形貌如图4所示。
实施例4
以市售的亚微米级氧化铝粉体为原料，将其倒入振动过筛机的筛网中，同时在粉料中喷洒去离子水，使其水含量增加到0.75wt％。筛网振动的频率和振幅分别为30Hz和3mm；振动加速度为3g；振动时间为24h；采用筛网的孔径为70微米；在振动停止后，在筛网下层托盘中得到亚毫米级氧化铝陶瓷球的坯体；
将陶瓷球坯体平铺于氧化铝坩埚中，在空气环境中对其进行无压烧结。烧结温度，保温时间和升温速度分别为1450℃，120min和10℃/min。
将烧结得到的陶瓷球置于热等静压烧结炉中，在氩气气氛下进行压力后处理。等静压热处理的温度和压力分别为1550℃和160MPa；升温速度和保温时间分别为10℃/min和120min。
所获得氧化铝陶瓷球的相对密度为98％，平均球径为0.35mm，维氏硬度为16GPa。其形貌如图5所示。
实施例5
以市售的亚微米级氧化铝粉体为原料，将其倒入振动过筛机的筛网中，同时撒入去离子水，将粉体水含量增加到1wt％。筛网振动的频率和振幅分别为30Hz和2mm；振动加速度为4g；振动时间为36h；采用筛网的孔径为300微米；在振动停止后，在筛网下层托盘中得到亚毫米级氧化铝陶瓷球的坯体；
氧化铝陶瓷球的坯体平铺于氧化铝坩埚中，在空气环境中对其进行无压烧结。烧结温度，保温时间和升温速度分别为1500℃，120min和10℃/min。
将烧结得到的小球置于热等静压烧结炉中，在氩气气氛下进行压力后处理。等静压热处理的温度和压力分别为1550℃和160MPa；升温速度和保温时间分别为120min和10℃/min。
所获得氧化铝陶瓷球的相对密度为99％，平均球径为0.90mm，维氏硬度为15GPa。其形貌如图6所示。
综上所述，利用商业亚微米级氧化铝粉体为原料，通过振动筛分成型并结合无压烧结和等静压热处理的手段，可以获得高致密度、高硬度、亚毫米级氧化铝陶瓷球。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。
Claims (8)
1.一种高致密度、高硬度、亚毫米级氧化铝陶瓷球的制备方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
步骤1、成型：以市售的亚微米级氧化铝粉体为原料，将其倒入振动过筛机的筛网中，同时通过添加去离子水，将粉料中水份含量增加至0.1wt％-2wt％。采用市售振动筛对粉料进行筛分，在这一过程中，所采用的振动频率为20-50Hz；振幅为0.2-4mm；振动加速度为2-10倍重力加速度；振动时间为12-36小时；采用筛网的平均孔径范围为50-400微米；在振动停止后，在筛网下层托盘中获得亚毫米级氧化铝陶瓷球的坯体；
步骤2、无压烧结：将步骤1得到的氧化铝陶瓷球的坯体平铺于氧化铝坩埚中，在空气气氛中,按设定升温和保温制度，对其进行无压烧结；
步骤3、热等静压后处理：步骤2得到的氧化铝陶瓷球随炉冷却至室温后，将其置于热等静压烧结炉中，在氩气气氛下，按设定的温度和压力制度进行压力后处理，进而得到高致密度、高硬度、亚毫米级氧化铝陶瓷球。
2.如权利要求1所述的一种高致密度、高硬度、亚毫米级氧化铝陶瓷球的制备方法，其特征在于：所述步骤2中无压烧结升温速度范围为3-10℃/min。
3.如权利要求1所述的一种高致密度、高硬度、亚毫米级氧化铝陶瓷球的制备方法，其特征在于：所述步骤2中无压烧结温度范围为1300℃-1650℃。
4.如权利要求1所述的一种高致密度、高硬度、亚毫米级氧化铝陶瓷球的制备方法，其特征在于：所述步骤2中无压烧结保温时间范围为60-120min。
5.如权利要求1所述的一种高致密度、高硬度、亚毫米级氧化铝陶瓷球的制备方法，其特征在于：所述步骤3中热等静压后处理升温速度范围为3-10℃/min。
6.如权利要求1所述的一种高致密度、高硬度、亚毫米级氧化铝陶瓷球的制备方法，其特征在于：所述步骤3中热等静压后处理温度范围为1100℃-1650℃。
7.如权利要求1所述的一种高致密度、高硬度、亚毫米级氧化铝陶瓷球的制备方法，其特征在于：所述步骤3中热等静压后处理所施加的等静压力范围为50-200MPa。
8.如权利要求1所述的一种高致密度、高硬度、亚毫米级氧化铝陶瓷球的制备方法，其特征在于：所述步骤3中热等静压后处理保温时间范围为30-120min。
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