專利名稱：制備大尺寸陶瓷磨球的方法和成型用模具的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種研磨介質(zhì)技術(shù)領(lǐng)域的方法和模具，特別是一種制備大尺寸陶 瓷磨球的方法和成型用模具。
背景技術(shù)：
陶瓷磨球因具備高硬度、高強度、耐高溫、耐磨和耐蝕等優(yōu)異特性，作為研 磨介質(zhì)被廣泛應(yīng)用于陶瓷、電子、建材、鋼鐵冶金等相關(guān)領(lǐng)域?，F(xiàn)有的作為研磨 介質(zhì)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(zhì)量的陶瓷球，但是缺點是對于設(shè)備成本要求高、生產(chǎn)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(xì)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(shè)備多， 一次性投入較大，操作方 法復(fù)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8皿的小球，不適于制備尺寸超過lcm的大尺寸磨球。 隨著陶瓷技術(shù)的發(fā)展，有研究者采用凝膠注模工藝成型了陶瓷球。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)的文獻檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利《制備陶瓷小球的方法和裝置》(申 請?zhí)?2125221.1)中，該專利公開了采用膠態(tài)成型制備陶瓷球的方法。該方法 是將加入引發(fā)劑的懸浮體注入能夠調(diào)節(jié)直徑的漏斗，從漏斗滴下液態(tài)小球進入加 熱的液體油性介質(zhì)，形成陶瓷小球，小球的直徑通過調(diào)節(jié)漏斗的直徑進行調(diào)節(jié)。 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(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對以上技術(shù)的不足，提出了一種制備大尺寸陶瓷磨球的方法和成型 用模具。本發(fā)明方法適用于成型各種材質(zhì)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(fā)明是通過以下技術(shù)方案來實現(xiàn)
本發(fā)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(wěn)定的漿料，加 入催化劑和引發(fā)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(lián)劑完全反應(yīng)，得到陶瓷磨球素坯，脫 模后，將素坯烘干、燒結(jié)，即得到陶瓷磨球。 本發(fā)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(lián)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(zhì)，混合成為單體溶液。
所述單體溶液，其各成分的質(zhì)量百分比為單體5%-15%，交聯(lián)劑0. 25%_1. 5%， 分散劑0. 4%-4%，分散介質(zhì)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(wěn)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(zhì)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(fā)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(zhuǎn)移到烘箱中，在60°C-8(TC下保溫，直到漿料中的單體與交聯(lián)劑聚合形成 凝膠網(wǎng)絡(luò)，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(zhì)地堅硬，且無裂紋陶瓷磨球素坯。
所述引發(fā)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IO(TC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(jié)，根據(jù)陶瓷材料的不同，選擇 不同的燒結(jié)氣氛和燒結(jié)溫度。對于氧化鋯類的陶瓷磨球，燒結(jié)溫度為1500-1750 °C，氣氛為空氣；對于氧化鋁類磨球，燒結(jié)溫度為1100-140(TC，氣氛為空氣；對于氮化硅類磨球，燒結(jié)溫度為145(TC，燒結(jié)氣氛為氮氣。經(jīng)過燒結(jié)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(wěn) 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(fā)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?jié){料流過的通道。
上述模具的使用過程是將槳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(dāng)中，將模腔中的空氣逐漸自漿料冒口擠出，當(dāng)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?jié){料進行凝膠固化。本發(fā)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(shù)量、流道的粗細(xì)， 可根據(jù)實際情況進行確定。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點
1) 本發(fā)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(jié)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(xiàn)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(chǎn)成本，提高了產(chǎn)品的成品率，縮短了產(chǎn)品的生產(chǎn)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(shè)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(fù) 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(xiàn)尺寸均一且較大的陶瓷磨球，而傳統(tǒng)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(fā)明模具結(jié)構(gòu)示意圖。
圖中l(wèi)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(fā)明的實施例作詳細(xì)說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下 進行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)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，l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(dāng)中， 將球形模腔4中的空氣逐漸自漿料冒口 2擠出，當(dāng)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?jié){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(shù) 量、流道5的粗細(xì)，可根據(jù)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?jié){料流過的通道。
實施例l: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(jié)構(gòu)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(wěn)定的氧化鋯粉(純度>99%)，平均粒徑為0. 5微米。 配制1000ml預(yù)混液，質(zhì)量比例為10%丙烯酰胺；1%N， N' _亞甲基雙丙烯酰胺；2% 聚丙烯酸銨；87%去離子水。
配制質(zhì)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(fā)劑過硫酸銨，加入量均為上述漿料質(zhì)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(dāng)漿料從冒 口中冒出為止，然后將模具轉(zhuǎn)移至預(yù)熱到8(TC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(zhuǎn)移至烘箱 中，在40、 60、 80和IO(TC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(jié)爐中于160(TC燒結(jié)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(jié)構(gòu)如圖1中所示，每副模具的 球形模腔為16個。
原料為市售的"-氧化鋁(純度〉99.5%)，平均粒徑為1微米。配制1000ml 預(yù)混液，質(zhì)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(zhì)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(fā)劑過硫酸銨，加入量均為上述漿料質(zhì)量 的O. 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(dāng)漿料從 冒口中冒出為止，然后將模具轉(zhuǎn)移至預(yù)熱到7(TC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(zhuǎn)移至烘箱 中，在40、 60、 80和10(TC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(jié)爐中于120(TC燒結(jié)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(jié)構(gòu)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1%氧化釔作為助燒劑(助燒劑的比例是相對于硅粉的質(zhì)量比)。 配制1000ml預(yù)混液，質(zhì)量比例為12%丙烯酰胺；0.6%N， N，-亞甲基雙丙烯酰 胺；1%檸檬酸銨；86.4%去離子水。
配制質(zhì)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(fā)劑過硫酸銨，加入量均為上述漿料質(zhì)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(dāng)漿料從冒 口中冒出為止，然后將模具轉(zhuǎn)移至預(yù)熱到6(TC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(zhuǎn)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(jié)爐中于1450'C在氮氣氛下反應(yīng)燒結(jié)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(quán)利要求
1、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(lián)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(zhì)，混合成為單體溶液；所述單體溶液，其各成分的質(zhì)量百分比為單體5％-15％，交聯(lián)劑0.25％-1.5％，分散劑0.4％-4％，分散介質(zhì)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(wěn)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(fā)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(zhuǎn)移到烘箱中保溫，直到漿料中的單體與交聯(lián)劑聚合形成凝膠網(wǎng)絡(luò)，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(jié)，得到用于作為磨介的陶瓷磨球。
2、 根據(jù)權(quán)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O. l微米-100微米。
3、 根據(jù)權(quán)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(zhì)量百分比為陶瓷粉40%-90%，單體溶液 10%-60%。
4、 根據(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(fā)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(jù)權(quán)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(jù)權(quán)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(jié)，具體為對于氧化鋯類的陶瓷磨球，燒結(jié)溫度為1500-1750°C， 氣氛為空氣；對于氧化鋁類磨球，燒結(jié)溫度為1100-140(TC，氣氛為空氣；對于 氮化硅類磨球，燒結(jié)溫度為145(TC，燒結(jié)氣氛為氮氣。
8、 根據(jù)權(quán)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(wěn)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。
9、 一種制備大尺寸陶瓷磨球成型用模具，由上、下兩個半模組成，其特征 在于，所述上、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。
10、 根據(jù)權(quán)利要求9所述的制備大尺寸陶瓷磨球成型用模具，其特征是，所 述模具上方，設(shè)有漿料的澆口和冒口，漿料在模具中的流道位于球形模腔之間， 并連接球形模腔。
全文摘要
一種制備大尺寸陶瓷磨球的方法及成型用模具，屬于研磨介質(zhì)技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)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(wěn)定的漿料，加入催化劑和引發(fā)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(lián)劑完全反應(yīng)，得到陶瓷磨球素坯，將素坯烘干、燒結(jié)后，即得到陶瓷磨球。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。本發(fā)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(wěn)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(yè)化生產(chǎn)。
文檔編號B28B7/24GK101302110SQ20081003883
公開日2008年11月12日 申請日期2008年6月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月12日
發(fā)明者博 何, 洪 周, 孫寶德, 飛 李, 兵 駱 申請人:上海交通大學(xué)