高铝瓷球常见缺陷及原因分析

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2019-08-04      阅读：次

　　氧化铝陶瓷是工业化技术成熟、生产规模大、应用领域广泛的特种结构陶瓷。氧化铝含量大于９０％的瓷球具有硬度高、密度大、磨耗小、耐腐蚀和高等特点，作为研磨介质被广泛地应用于建筑卫生陶瓷、工业陶瓷、电子陶瓷、高档耐火材料、特种水泥、非金属矿物以及涂料、油漆等行业。
建材行业标准ＪＣＴ８４８．１－２０１０对耐磨氧化铝瓷球的外观质量、理化性能有严格的技术要求。然而，在生产过程中氧化铝瓷球会出现各种各样的缺陷，如何及时发现缺陷问题并通过工艺调整和化来提高氧化铝瓷球的整体质量就显得尤为重要。
本文在总结α氧化铝粉为主要原料生产高铝研磨瓷球生产实践经验的基础上，对高铝瓷球的质量缺陷进行了较为系统的研究分析，并提出了一些有效的处理方法和改进措施。

高铝瓷球常见的质量缺陷

目前，国内外生产的高铝瓷球主要以α氧化铝粉为主要原料，通过配料、球磨、成型和高温烧成等多道工序制作而成^［２］。成型方式主要有半等静压（干袋法）成型、等静压成型和滚制成型。烧成窑炉主要有高温隧道窑和梭式窑。高铝瓷球常见的质量缺陷分为：（ａ）外观质量缺陷如斑点、起泡、粘损和风晶；（ｂ）性能缺陷，包括腰裂、生烧、磨耗大和指甲纹。通过对国内外高铝瓷球进行检测，发现指甲纹缺陷均不同程度地存在于高铝瓷球的大尺寸产品中，且很难消除，因此本文对指甲纹缺陷的成因与对策做了重点分析。

常见质量缺陷的原因分析及处理方法

２．１　斑点

因高铝瓷球本体为白色，如果出现斑点将特别明显，且易于发现。根据斑点多少及尺寸，大体分为以下三种情况。
（１）     斑点较少，且直径小于１ｍｍ。出现这种情况的斑点缺陷，主要是由于α氧化铝粉中铁杂质以及各种辅料中铁含量超过０．３％而引起的；
（２）     斑点较多，且直径小于２ｍｍ。这可能是由于球磨机掉砖，或球磨和喷雾过程中浆料未除铁等原因造成。
（３）     顶层出现斑点，且斑点较大。这一般是由窑炉预热带风管带入铁锈或耐火砖掉入产品表面所致。

综上所述，为减少或缺陷应使用纯净的α氧化铝粉及其它原料；在放浆、喷粉和放料时均需多次除铁，并及时清理除铁器；要定期清理窑炉各风管。

２．２　起泡

起泡缺陷一般出现在滚制成型工艺制作的高铝瓷球中。由于滚制成型时成品球坯是通过许多半成品小球之间的互相碰撞长大并完成致密化过程，在滚制终完成前需要进行１０～１２０ｍｉｎ的抛光，以调整半成品球坯的球形度和表面光洁度。烧成时由于球坯表面温度高，先烧结并形成致密表面层，内部水分的蒸发、排出，从而导致成品瓷球表面起泡。基于以上原理，为消除起泡缺陷：
（１）     在滚制高铝瓷球坯体的过程中，应兼顾半成品致密度和光洁度，同时尽量减少出锅前的抛光时间。
（２）     减少中低温熔剂和高温易挥发物质的含量。
（３）     烧制前烘干半成品水分，使其不能超过０．３％。

２．３　粘损

瓷球的粘损缺陷较为常见。高铝瓷球采用高温烧成工艺（温度会高达１５２０℃），为确保烧成产品的性能，常常需要在高温下进行２～１０ｈ保温。一旦高温时出现较多液相，就会出现瓷球与瓷球之间，以及瓷球与碳化硅硼板之间的粘损。针对此问题的处理方法：（１）     在瓷球与瓷球、瓷球与碳化硅硼板、瓷球与立柱之间，通过撒刚玉砂、放刚玉垫板等进行隔离；
（２）     在兼顾产量的同时减少每层瓷球的装窑高度；
（３）     设计固相烧结，减少瓷球内部出现的玻璃相，在烧成温度范围的下限烧成，适当延长保温时间。以上措施均能很好地解决粘损缺陷，提高产品合格率。

２．４　风晶

风晶缺陷是指在窑炉冷却带高铝瓷球出现的风晶炸裂。这主要是因为产品在高温烧成情况下已到达致密化，烧结瓷化的高铝瓷球具有较小的气孔率，而在冷却至５７０℃和７９０℃时，石英相变产生较大的体积变化而导致产品炸裂^［３］。因此一旦出现风晶炸裂情况时，如果是辊道窑或隧道窑要及时降低进窑车速度，降低冷却带的进风量，调整产品装窑高度，并避免冷风直接吹向热的产品；如果是梭式窑只需降低冷却风进风量
即可。风晶炸裂在滚制成型的大尺寸（一般 _φ２０ｍｍ以上）瓷球中出现较多，很少出现在半等静压或等静压成型的高铝瓷球中。这是因为滚制成型瓷球难以释放石英相变产生的应力。因此，在滚制成型方式制备高铝瓷球的组成设计上，应尽量降低出现游离ＳｉＯ_２的可能性，好在设计上考虑促进形成一定量的莫来石或尖晶石的生成，来风晶缺陷的产生。

２．５　腰裂

腰裂是一种在出窑产品中很难直接被发现和检测的缺陷，它是在高铝瓷球预磨完后表面出现的环形裂纹。该裂纹较多地位于球冠下方５ｍｍ处左右，并因此而得名。缺陷严重时会有０．５ｍｍ宽度的裂纹环绕瓷球一周。含有该缺陷的瓷球在使用过程中会出现碎球、裂球等严重质量事故。根据我们的经验，这种裂纹在半成品球坯中既已存在，主要集中出现在全自动化半等静压成型的瓷球中。主要原因是粉料空心度大、流动性差，导致在成型过程中产生大量的高压密闭气体无法顺利及时排除所致，从而在烧制排气的过程中留有成片分布的裂纹区域，预磨去高铝瓷球外表层后，腰裂就显露出来了。出现腰裂情况时要及时调整前期原料制备工艺，以增加粉料流动性，并延长压机泄压和保压时间；采用煤油进行半成品浸泡筛选（砸开半成品才能看见）；如遇半成品球石异形就需更换橡胶模具；延长产品烧成时经过１０００～１３００℃温度区间的升温时间。采取以上措施可以地解决高铝瓷球出现腰裂的问题。

２．６　生烧

生烧缺陷指的是高铝瓷球由于未充分烧结致密化而使理化性能不达标的情况。一般可通过检测瓷球吸水率、比重等指标加以判断。高铝瓷球若出现生烧的情况，排除简单停电、停气等生产因素外，技术角度分析的直接原因可能有：配料差错、浆料粒度偏粗、球磨时间不够、成型压力和窑炉温度波动等。在上述所有工艺控制点都确定无差错的情况下，则需考虑更换α氧化铝粉和。

２．７　磨耗大

磨耗大缺陷指在高铝瓷球正常生产的情况下，部分产品磨耗突然变大，超出正常波动范围，无法判定为合格产品的。磨耗作为研磨介质的重要指标，直接影响高铝瓷球的。出现磨耗大的情况主要原因有：
（１）          原料性能指标急剧下降、杂质多；
（２）          高铝瓷球出现生烧情况；
（３）          高铝瓷球内部晶粒异常长大，过烧产生大量气孔；
（4）体系不稳定，烧成温度窄。针对磨耗突然变大的情况，应选择稳定的原料供应商，做到每批必检，如遇到不合格原料要尽量不用、少用；出现生烧的高铝瓷球要进行返烧处理；降低窑炉高烧成温度，延长保温时间，避免晶粒因过烧异常长大；同时确保高铝瓷球内部烧制均匀性；重新选择烧成温度较宽的体系，并可以加入微量ＭｇＯ，在晶界处形成镁铝尖晶石晶粒异常长大。

２．８　指甲纹

指甲纹缺陷普遍存在国内外的高铝瓷球产品中，且呈现产品尺寸越大，指甲纹越多的情况。指甲纹在半成品中也无法检测，只能在高铝瓷球预磨后才被发现，分布在产品表面呈弯曲状的、间断的裂纹，随着球磨时间的延长，指甲纹也将变深、变宽。有指甲纹的高铝瓷球在作为研磨介质时会出现掉渣、磨耗大等问题。指甲纹的出现是与高铝瓷球生产的整个技术工艺系统有关。
归纳起来主要有：
２．８．１　原料使用问题
高铝瓷球采用α相氧化铝粉作为主要原料，
α相氧化铝粉的转化率直接决定产品中指甲纹的多少。若α相转化率达不到９２％以上，其中含有大量的γ相氧化铝粉会在产品烧制过程中产生收缩相变^［４］，从而导致指甲纹的出现。
２．８．２　制粉工艺的问题
高铝瓷球的粉料均采用浆料经压力式喷雾干燥制备，浆料的粘度、水分决定所得粉料的颗粒级配、球形度、容重和粘粉等指标。如果大部分的粉料球形度不够、流动性不好、存在空心粉，则在压制的半成品中出现封闭的气孔。在高铝瓷球烧结的过程中由于气孔会随着晶界传递，终会形成联通的闭气孔，该闭气孔处在球磨过程中由于强度低于周边环境，而产生弯曲的指甲纹。
２．８．３　粘结剂的问题
高铝瓷球均采用干粉成型，为提高在半等静压和等静压成型过程半成品率和半成品强度，常会在中加入大量粘结剂。粘结剂会在产品烧结过程中产生大量灰分和高压气体，在内部无法顺畅排出，而产生指甲纹，所以应减少粘结剂
的使用量或采用烧后无残留的添加剂。
２．８．４　成型压力问题
指甲纹缺陷在滚制成型的产品中较少出现，这是由于滚制过程的冲击作用破坏了原始粉料结构。高铝瓷球在半等静压和等静压成型时，由于目前设计压力无法达到压碎原料粉的内部结构，使半成品不够致密，导致烧制产品内部出现指甲纹。通过对比国内外高铝瓷球产品发现，成型压力越大指甲纹越少，等静压比半等静
压的产品中指甲纹少。
２．８．５　烧成问题
烧成在高铝瓷球消除指甲纹缺陷时也非常重要，排除窑炉设计问题，烧成的温度、保温时间、升温曲线直接决定指甲纹的多少。高铝瓷球在烧成过程中存在挥发游离水和结晶水、收缩、相变、重结晶等复杂过程^［５］。为此，在１０００～１３５０℃范围内，发生急剧烧成收缩的过程中，要延长保温时间，同时烧成带的温差不能超过５℃，以尽量避免出现烧成不一致情况。

３　结论

通过以上对国内外高铝瓷球常见质量缺陷的分析总结，不难发现控制和消除这些缺陷主要需从以下几个方面入手。采用选的原料与体系，增加其稳定性与实用性；严格控制、调整制粉工艺，以制备出流动性好、球形度高、实心的造粒粉；根据产品的使用要求，采用合适的成型工艺制备相应的高铝瓷球球坯，不同成型工艺所致球坯出现烧成缺陷的种类不同，消除缺陷的措施方法也不同；合理的烧成工艺尤其重要，这在很大程度上直接决定了产品的终性能。如以上各方面的对策措施得力，将大大提高高铝瓷球的产品合格率与产品整体性能。

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