本發(fā)明屬于氧化物結(jié)構(gòu)陶瓷領(lǐng)域，具體涉及一種高致密度、高硬度、亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球的制備方法。

背景技術(shù)：

氧化鋁陶瓷具有硬度高，耐腐蝕，耐磨損且成本低等優(yōu)勢(shì)，其陶瓷球是一種常用的研磨介質(zhì)，被應(yīng)用于各類礦物原料，先進(jìn)陶瓷粉體，日用瓷色料、釉料和涂料等的混合、粉碎、磨細(xì)等過(guò)程。氧化鋁陶瓷球也可用做催化劑載體，工程減震用介質(zhì)及機(jī)械拋光用磨料，廣泛服務(wù)于材料、化工、機(jī)械及冶金等行業(yè)。

氧化鋁陶瓷球可以通過(guò)擠壓成型、噴霧造粒成型、滾動(dòng)成型及模壓結(jié)合等靜壓成型等工藝成型，并通過(guò)后續(xù)燒結(jié)過(guò)程實(shí)現(xiàn)致密化。氧化鋁陶瓷球作為研磨介質(zhì)應(yīng)用的時(shí)候，它的尺寸直接決定了球磨的能力和效率，當(dāng)產(chǎn)品粒度要求在納米級(jí)時(shí)，需要使用小直徑的研磨球。然而受模具尺寸和工藝過(guò)程限制，模壓成型和擠壓成型很難制備球直徑尺寸小5mm的陶瓷球，且生產(chǎn)效率低；噴霧造粒成型所獲得陶瓷球坯體尺寸不均勻，球形度較差且內(nèi)部容易產(chǎn)生大的空洞；滾動(dòng)成型可用來(lái)制備亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球。它借鑒了北方湯圓制備的生產(chǎn)工藝，但成型過(guò)程中需要加入粘結(jié)劑和分散劑，得到的坯體具有有機(jī)成份高，密度低，易分層等缺點(diǎn)。因此用此方法獲得的陶瓷球在球磨過(guò)程中，容易破碎且磨耗較大。

公開號(hào)為cn102491735的專利申請(qǐng)公開了一種通過(guò)滾動(dòng)成型結(jié)合無(wú)壓燒結(jié)來(lái)獲得氧化鋁陶瓷球的方法，在制備過(guò)程中，引入了粘結(jié)劑聚乙烯醇和分散劑聚丙烯酰胺。制備流程中，需要額外的步驟來(lái)制備球種，所獲得氧化鋁陶瓷球的直徑為10mm；

公開號(hào)為cn103252823b的專利申請(qǐng)公開了一種通過(guò)將泥料噴注到金屬模腔的方式獲得氧化鋁陶瓷球坯體的方法。噴注所需泥漿含水率為17-25％，因此制備工藝中包含練泥過(guò)程，且陶瓷球的注射需要逐個(gè)完成，生產(chǎn)效率較低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明擬提供一種通過(guò)強(qiáng)制過(guò)篩結(jié)合高頻振動(dòng)的方式獲得高密度氧化鋁陶瓷球坯體的方法，通過(guò)該方法所獲得的陶瓷球坯體通過(guò)無(wú)壓燒結(jié)并結(jié)合等靜壓后處理的方式實(shí)現(xiàn)致密化，進(jìn)而獲得亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球。整個(gè)成型過(guò)程一步完成，不需要額外添加有機(jī)粘結(jié)劑。通過(guò)該方法得到的氧化鋁陶瓷球，具有球徑均勻、球形度好、致密度高、內(nèi)部無(wú)明顯缺陷等諸多特征。本發(fā)明所涉及的工藝生產(chǎn)效率高，適用于批量生產(chǎn)。

本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題采用的技術(shù)方案如下：

一種高致密度、高硬度、亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球的制備方法，具體包括如下步驟：

步驟1、成型：以市售的亞微米級(jí)氧化鋁粉體為原料，將其倒入振動(dòng)過(guò)篩機(jī)的篩網(wǎng)中，同時(shí)通過(guò)添加去離子水，將粉料中水份含量增加至0.1wt％-2wt％。采用市售振動(dòng)篩對(duì)粉料進(jìn)行篩分，在這一過(guò)程中，所采用的振動(dòng)頻率為20-50hz；振幅為0.2-4mm；振動(dòng)加速度為2-10倍重力加速度(g＝9.8m/s2)；振動(dòng)時(shí)間為12-36小時(shí)；采用篩網(wǎng)的平均孔徑范圍為50-400微米；在振動(dòng)停止后，在篩網(wǎng)下層托盤中獲得亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球的坯體；

步驟2、無(wú)壓燒結(jié)：將步驟1得到的氧化鋁陶瓷球的坯體平鋪于氧化鋁坩堝中，在空氣氣氛中,按設(shè)定升溫和保溫制度，對(duì)其進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)；

所述步驟2中無(wú)壓燒結(jié)升溫速度范圍為3-10℃/min。

所述步驟2中無(wú)壓燒結(jié)溫度范圍為1300℃-1650℃。

所述步驟2中無(wú)壓燒結(jié)保溫時(shí)間范圍為60-120min。

具體燒結(jié)過(guò)程是將氧化鋁陶瓷球坯體先放在室溫環(huán)境下，通過(guò)3-10℃/min升溫速度升溫至1300℃-1650℃，然后在該溫度下保溫60-120min。

步驟3、熱等靜壓后處理：步驟2得到的氧化鋁陶瓷球隨爐冷卻至室溫后，將其置于熱等靜壓燒結(jié)爐中，在氬氣氣氛下，按設(shè)定的溫度和壓力制度進(jìn)行壓力后處理，進(jìn)而得到高致密度、高硬度、亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球。

所述步驟3中熱等靜壓后處理升溫速度范圍為3-10℃/min。

所述步驟3中熱等靜壓后處理溫度范圍為1100℃-1650℃。

所述步驟3中熱等靜壓后處理所施加的等靜壓力范圍為50-200mpa。

所述步驟3中熱等靜壓后處理保溫時(shí)間范圍為30-120min。

本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1、通過(guò)高頻振動(dòng)的方式將粉體團(tuán)聚成球，在振動(dòng)的過(guò)程中，al2o3球體積增加的同時(shí)，坯體密度也得以提升；通過(guò)燒結(jié)工藝的優(yōu)化，最終獲得的氧化鋁球內(nèi)部無(wú)明顯缺陷，顯微結(jié)構(gòu)均勻，硬度高，磨耗低；

2、利用振動(dòng)過(guò)篩的方式保證了氧化鋁球種尺寸的均勻性。可通過(guò)振動(dòng)時(shí)間，篩網(wǎng)孔徑等參數(shù)來(lái)進(jìn)一步調(diào)控所獲得的氧化鋁球的直徑，其范圍可在亞毫米(0.1-1mm)范圍內(nèi)可調(diào)，所得到氧化鋁球尺寸均勻，球形度好。

3、所獲得al2o3球坯體中不含有機(jī)粘結(jié)劑。陶瓷球制備過(guò)程中不需要引入額外的球種制備和排膠等流程，制備周期短，能耗低，并減少了污染物和溫室氣體的排放；

4、本工藝所需設(shè)備簡(jiǎn)單，原料方便易得，成本低，適合批量生產(chǎn)亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球。

附圖說(shuō)明

圖1為實(shí)施例1得到氧化鋁陶瓷球的實(shí)物圖；

圖2為實(shí)施例1得到氧化鋁陶瓷球的表面形貌；

圖3為實(shí)施例1得到氧化鋁陶瓷球的拋光面形貌；

圖4為實(shí)施例3所得到的氧化鋁球的形貌；

圖5為實(shí)施例4所得到的氧化鋁球的形貌；

圖6為實(shí)施例5所得到的氧化鋁球的形貌。

具體實(shí)施方式

下面通過(guò)實(shí)施例，并結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步具體的說(shuō)明，一種高致密度、高硬度、亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球的制備方法，采用市售的亞微米級(jí)氧化鋁粉體為原料，通過(guò)在粉料中噴灑去離子水來(lái)調(diào)節(jié)其中的水分含量；將al2o3粉體置于振動(dòng)過(guò)篩機(jī)的篩網(wǎng)中，通過(guò)對(duì)粉體進(jìn)行高頻振動(dòng)的同時(shí)利用篩網(wǎng)對(duì)粉料進(jìn)行篩分，因?yàn)榉垠w中水分的存在，一部份氧化鋁粉體結(jié)成塊狀，通過(guò)振動(dòng)，顆粒尺寸小于篩網(wǎng)孔徑的al2o3粉體或塊體通過(guò)篩網(wǎng)分離到托盤中繼續(xù)振動(dòng)，而尺寸大于篩網(wǎng)孔徑的團(tuán)聚塊體則繼續(xù)在篩網(wǎng)上振動(dòng)；在托盤中的團(tuán)聚塊體顆粒在后續(xù)的振動(dòng)過(guò)程中不斷被周圍氧化鋁粉體所包裹而逐步成球；在高頻振動(dòng)的過(guò)程中，托盤中氧化鋁坯體小球不斷被振動(dòng)壓實(shí)，當(dāng)其體積增大至所需球徑時(shí)，把托盤中氧化鋁坯體小球取出，將其在1300℃-1650℃空氣氣氛下無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)所得氧化鋁陶瓷球再放置于熱等靜壓爐中進(jìn)行高溫壓力后處理，最終得到高致密度、高硬度、亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球。

實(shí)施例1

以市售的亞微米級(jí)氧化鋁粉體為原料，將其倒入振動(dòng)過(guò)篩機(jī)的篩網(wǎng)中，同時(shí)在粉料中噴灑去離子水，使粉料水含量增加到0.5wt％。篩網(wǎng)振動(dòng)的頻率和振幅分別為30hz和3mm；振動(dòng)加速度為3g；振動(dòng)時(shí)間為24h；采用篩網(wǎng)的孔徑為70微米；在振動(dòng)停止后，在篩網(wǎng)下層托盤中得到亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球的坯體；

將陶瓷球坯體平鋪于氧化鋁坩堝中，在空氣環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)。燒結(jié)溫度，保溫時(shí)間和升溫速度分別為1500℃，120min和10℃/min。

將燒結(jié)得到的陶瓷球置于熱等靜壓燒結(jié)爐中，在氬氣氣氛下進(jìn)行壓力后處理。等靜壓熱處理的溫度和壓力分別為1550℃和160mpa；升溫速度和保溫時(shí)間分別為10℃/min和120min。

所獲得的氧化鋁陶瓷球?qū)嵨飯D和表面形貌分別如圖1和圖2所示；其拋光面如圖3所示。氧化鋁陶瓷球的相對(duì)密度為99.5％，平均球徑為0.36mm，維氏硬度為17.5gpa。

實(shí)施例2

以市售的亞微米級(jí)氧化鋁粉體為原料，將其倒入振動(dòng)過(guò)篩機(jī)的篩網(wǎng)中，同時(shí)在粉料中噴灑去離子水，使其水含量增加到0.5wt％。篩網(wǎng)振動(dòng)的頻率和振幅分別為25hz和3mm；振動(dòng)加速度為3g；振動(dòng)時(shí)間為24h；采用篩網(wǎng)的孔徑為140微米；在振動(dòng)停止后，在篩網(wǎng)下層托盤中得到亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球的坯體；

將陶瓷球坯體平鋪于氧化鋁坩堝中，在空氣環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)。燒結(jié)溫度，保溫時(shí)間和升溫速度分別為1500℃，120min和10℃/min。

將燒結(jié)得到的陶瓷球置于熱等靜壓燒結(jié)爐中，在氬氣氣氛下進(jìn)行壓力后處理。等靜壓熱處理的溫度和壓力分別為1550℃和160mpa；升溫速度和保溫時(shí)間分別為10℃/min和120min。

所獲得氧化鋁陶瓷球的相對(duì)密度為99％，平均球徑為0.63mm，維氏硬度為16.5gpa。

實(shí)施例3

以市售的亞微米級(jí)氧化鋁粉體為原料，將其倒入振動(dòng)過(guò)篩機(jī)的篩網(wǎng)中，同時(shí)在粉料中噴灑去離子水，使其水含量增加到0.75wt％。篩網(wǎng)振動(dòng)的頻率和振幅分別為30hz和3mm；振動(dòng)加速度為3g；振動(dòng)時(shí)間為24h；采用篩網(wǎng)的孔徑為70微米；在振動(dòng)停止后，在篩網(wǎng)下層托盤中得到亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球的坯體；

將陶瓷球坯體平鋪于氧化鋁坩堝中，在空氣環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)。燒結(jié)溫度，保溫時(shí)間和升溫速度分別為1600℃，120min和10℃/min。

將燒結(jié)得到的陶瓷球置于熱等靜壓燒結(jié)爐中，在氬氣氣氛下進(jìn)行壓力后處理。等靜壓熱處理的溫度和壓力分別為1550℃和160mpa；升溫速度和保溫時(shí)間分別為10℃/min和120min。

所獲得氧化鋁陶瓷球的相對(duì)密度為98％，平均球徑為0.38mm，維氏硬度為15gpa。其形貌如圖4所示。

實(shí)施例4

以市售的亞微米級(jí)氧化鋁粉體為原料，將其倒入振動(dòng)過(guò)篩機(jī)的篩網(wǎng)中，同時(shí)在粉料中噴灑去離子水，使其水含量增加到0.75wt％。篩網(wǎng)振動(dòng)的頻率和振幅分別為30hz和3mm；振動(dòng)加速度為3g；振動(dòng)時(shí)間為24h；采用篩網(wǎng)的孔徑為70微米；在振動(dòng)停止后，在篩網(wǎng)下層托盤中得到亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球的坯體；

將陶瓷球坯體平鋪于氧化鋁坩堝中，在空氣環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)。燒結(jié)溫度，保溫時(shí)間和升溫速度分別為1450℃，120min和10℃/min。

將燒結(jié)得到的陶瓷球置于熱等靜壓燒結(jié)爐中，在氬氣氣氛下進(jìn)行壓力后處理。等靜壓熱處理的溫度和壓力分別為1550℃和160mpa；升溫速度和保溫時(shí)間分別為10℃/min和120min。

所獲得氧化鋁陶瓷球的相對(duì)密度為98％，平均球徑為0.35mm，維氏硬度為16gpa。其形貌如圖5所示。

實(shí)施例5

以市售的亞微米級(jí)氧化鋁粉體為原料，將其倒入振動(dòng)過(guò)篩機(jī)的篩網(wǎng)中，同時(shí)撒入去離子水，將粉體水含量增加到1wt％。篩網(wǎng)振動(dòng)的頻率和振幅分別為30hz和2mm；振動(dòng)加速度為4g；振動(dòng)時(shí)間為36h；采用篩網(wǎng)的孔徑為300微米；在振動(dòng)停止后，在篩網(wǎng)下層托盤中得到亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球的坯體；

氧化鋁陶瓷球的坯體平鋪于氧化鋁坩堝中，在空氣環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)。燒結(jié)溫度，保溫時(shí)間和升溫速度分別為1500℃，120min和10℃/min。

將燒結(jié)得到的小球置于熱等靜壓燒結(jié)爐中，在氬氣氣氛下進(jìn)行壓力后處理。等靜壓熱處理的溫度和壓力分別為1550℃和160mpa；升溫速度和保溫時(shí)間分別為120min和10℃/min。

所獲得氧化鋁陶瓷球的相對(duì)密度為99％，平均球徑為0.90mm，維氏硬度為15gpa。其形貌如圖6所示。

綜上所述，利用商業(yè)亞微米級(jí)氧化鋁粉體為原料，通過(guò)振動(dòng)篩分成型并結(jié)合無(wú)壓燒結(jié)和等靜壓熱處理的手段，可以獲得高致密度、高硬度、亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球。

本發(fā)明的保護(hù)范圍并不限于上述的實(shí)施例，顯然，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行各種改動(dòng)和變形而不脫離本發(fā)明的范圍和精神。倘若這些改動(dòng)和變形屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍內(nèi)，則本發(fā)明的意圖也包含這些改動(dòng)和變形在內(nèi)。

技術(shù)特征：

1.一種高致密度、高硬度、亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球的制備方法，其特征在于，具體包括如下步驟：

步驟1、成型：以市售的亞微米級(jí)氧化鋁粉體為原料，將其倒入振動(dòng)過(guò)篩機(jī)的篩網(wǎng)中，同時(shí)通過(guò)添加去離子水，將粉料中水份含量增加至0.1wt％-2wt％。采用市售振動(dòng)篩對(duì)粉料進(jìn)行篩分，在這一過(guò)程中，所采用的振動(dòng)頻率為20-50hz；振幅為0.2-4mm；振動(dòng)加速度為2-10倍重力加速度；振動(dòng)時(shí)間為12-36小時(shí)；采用篩網(wǎng)的平均孔徑范圍為50-400微米；在振動(dòng)停止后，在篩網(wǎng)下層托盤中獲得亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球的坯體；

步驟2、無(wú)壓燒結(jié)：將步驟1得到的氧化鋁陶瓷球的坯體平鋪于氧化鋁坩堝中，在空氣氣氛中,按設(shè)定升溫和保溫制度，對(duì)其進(jìn)行無(wú)壓燒結(jié)；

步驟3、熱等靜壓后處理：步驟2得到的氧化鋁陶瓷球隨爐冷卻至室溫后，將其置于熱等靜壓燒結(jié)爐中，在氬氣氣氛下，按設(shè)定的溫度和壓力制度進(jìn)行壓力后處理，進(jìn)而得到高致密度、高硬度、亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球。

2.如權(quán)利要求1所述的一種高致密度、高硬度、亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球的制備方法，其特征在于：所述步驟2中無(wú)壓燒結(jié)升溫速度范圍為3-10℃/min。

3.如權(quán)利要求1所述的一種高致密度、高硬度、亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球的制備方法，其特征在于：所述步驟2中無(wú)壓燒結(jié)溫度范圍為1300℃-1650℃。

4.如權(quán)利要求1所述的一種高致密度、高硬度、亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球的制備方法，其特征在于：所述步驟2中無(wú)壓燒結(jié)保溫時(shí)間范圍為60-120min。

5.如權(quán)利要求1所述的一種高致密度、高硬度、亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球的制備方法，其特征在于：所述步驟3中熱等靜壓后處理升溫速度范圍為3-10℃/min。

6.如權(quán)利要求1所述的一種高致密度、高硬度、亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球的制備方法，其特征在于：所述步驟3中熱等靜壓后處理溫度范圍為1100℃-1650℃。

7.如權(quán)利要求1所述的一種高致密度、高硬度、亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球的制備方法，其特征在于：所述步驟3中熱等靜壓后處理所施加的等靜壓力范圍為50-200mpa。

8.如權(quán)利要求1所述的一種高致密度、高硬度、亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球的制備方法，其特征在于：所述步驟3中熱等靜壓后處理保溫時(shí)間范圍為30-120min。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明提供一種高致密度、高硬度、亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球的制備方法，采用市售的亞微米級(jí)氧化鋁粉體為原料，通過(guò)在粉料中噴灑去離子水來(lái)調(diào)節(jié)其中的水分含量；將原料粉體置于振動(dòng)過(guò)篩機(jī)的篩網(wǎng)中，通過(guò)對(duì)粉體進(jìn)行高頻振動(dòng)的同時(shí)利用篩網(wǎng)對(duì)粉料進(jìn)行篩分，在高頻振動(dòng)的過(guò)程中，托盤中氧化鋁坯體小球不斷被振動(dòng)壓實(shí)，當(dāng)其體積增大至所需球徑時(shí)，把托盤中氧化鋁坯體小球取出，進(jìn)行高溫空氣氣氛下無(wú)壓燒結(jié)，燒結(jié)所得氧化鋁陶瓷球再放置于熱等靜壓爐中進(jìn)行高溫壓力后處理，最終得到高致密度、高硬度、亞毫米級(jí)氧化鋁陶瓷球。通過(guò)該方法得到的氧化鋁陶瓷球，具有球徑均勻、球形度好、致密度高、內(nèi)部無(wú)明顯缺陷等諸多優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)研發(fā)人員：鄒冀;王皓;劉晶晶;傅正義

受保護(hù)的技術(shù)使用者：武漢理工大學(xué)

技術(shù)研發(fā)日：2020.09.30

技術(shù)公布日：2021.01.01