中高鋁陶瓷研磨球使用過程中的多面體變形機制研究*

楊海濤 張軍恒 唐 濤 鄧 杰 夏維煌 李俊國 沈 強

(1 廣東佛山市陶瓷研究所控股集團股份有限公司 廣東 佛山 528300)

(2 萍鄉(xiāng)市金剛科技工業(yè)園有限公司 江西 萍鄉(xiāng) 337022)

(3 武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室 武漢 430070)

陶瓷研磨球是一種主要用在球磨機中進行原材料粉碎研磨的重要工程陶瓷,其具有高硬度、適中密度、耐磨、耐腐蝕以及無金屬雜質污染等重要優(yōu)勢在建筑衛(wèi)生陶瓷、水泥、礦山、電子材料、磁性材料、油漆、化妝品、食品、制藥等工業(yè)中廣泛使用［1～3］。其中的中高鋁陶瓷研磨球大量使用價格低廉的鋁礬土作為原料而使得其成本遠低于高鋁球,其性價比很高而使得其在陶瓷研磨球市場中充當主力產(chǎn)品［4～6］。相比于高鋁產(chǎn)品,中高鋁陶瓷研磨球因為其雜質含量相對較多,燒結溫度偏低,密度硬度等性能相對較低,其在使用過程中較容易出現(xiàn)多樣的變形問題。陶瓷研磨球的變形給應用端帶來很大的不良影響。主要表現(xiàn)為變形陶瓷球在球磨機內的運動流場性變差,球與球的點對點接觸碰撞摩擦概率嚴重下降,其物料球磨效率嚴重下降。應用端遇到此種情況,通常處理措施是將球磨機清倉并重新按級配換新的研磨球,如此將造成很大的人力物力浪費。筆者針對中高鋁陶瓷研磨球的多面體變形進行深入研究,以期從源頭上找到研磨球對應變形的原因并為研磨球變形分析和質量標準提供參考價值。

1 實驗

1.1 實驗材料

采用某建陶公司在20 t間歇濕法球磨機使用過后的多面體變形球和未變形球,該系列陶瓷球來源于同一批次同一規(guī)格(直徑60 mm)的產(chǎn)品。其組成如表1所示;其外形如圖2所示。

表1 陶瓷研磨球的化學組成(%)

1.2 性能測試表征

采用阿基米德排水法測試樣品球的體積密度。采用磨床(鹽城市德久機床有限公司;MY618AHD)對研磨球按圖1示意圖進行切割打磨。切片的厚度約為2 mm,要求包含球心區(qū)域,切條在切片基礎上進行切割,切條寬度約為4 mm。采用自動拋光機(邁格儀器(蘇州)有限公司;AutoPOL GP-1A)對切片和切條進行進一步的拋光加工。先后使用400目、800目砂紙進行打磨,使用10μm、3μm 的拋光布繼續(xù)進行拋光處理,將拋光好的樣品放入無水乙醇中超聲清洗2分鐘,重復3次。采用維氏硬度計(邁格儀器(蘇州)有限公司;HV-10 Z)對切片和切條進行維氏硬度測試,使用壓力5 kg,保壓10 s。其中,測試切片硬度時,以不同直徑的同心圓標簽輔助顯示不同角度和半徑的測試點,最后以極坐標形式作圖顯示硬度沿著不同角度和半徑的分布情況。采用電子顯微鏡(捷克TESCAN;VEGA3SBH)對比分析研磨球從芯部到表面的微觀結構。

圖1 樣品球的加工過程示意圖

2 結果

2.1 變形特征

研磨球使用后的變形情況與使用后的直徑直接相關。如圖2所示,直徑較大的球A(～39 mm)和球B(～29 mm)保持較好的球形度,未發(fā)生明顯變形。而直徑較小的球C 和球D 呈現(xiàn)出多個類球形凹面和凸面組成的多面體構型,并且所有小直徑的研磨球都會發(fā)生變形。同時未發(fā)現(xiàn)研磨球明顯破裂的特征,可以排除研磨球破裂造成多面體變形的原因。

圖2 變形球的外形

2.2 力學性能

圖3進一步對比變形研磨球和未變形研磨球的密度差異?？梢钥吹?未變形球A 的平均密度(～3.34 g cm-3)明顯高于變形球C 的平均密度(～3.30 g cm-3)。這反映了越靠近球心的部分密度越低,這與熱源向球心傳熱的方向是一致的。為了進一步反映研磨球的力學性能徑向差異,圖4表征了大直徑的球A的維氏硬度隨半徑的變化趨勢。從圖4中可以看到,維氏硬度從芯部到表面逐漸提高。在半徑14 mm 以上時,維氏硬度基本穩(wěn)定在900 HV5,同時在半徑8～10 mm 出現(xiàn)較大的硬度波動誤差。

圖3 未變形球A 和變形球C的密度

圖4 球A 的維氏硬度的徑向變化趨勢圖

2.3 微觀結構

3)采動影響系數(shù)K值的大小直接決定含應力包裹體瓦斯煤體動力現(xiàn)象發(fā)生后形成的孔洞形狀，K值越大，孔洞口越小。

圖5 球A 的內部微觀結構

3 討論

另外一種出現(xiàn)多面體構型的可能原因是研磨球在燒結完成后內部結構可能呈現(xiàn)非球形對稱的差異,研磨球內部等徑球面的物理性能不均一造成磨損速度不均勻。陶瓷研磨球在燒結過程中,熱空氣為熱源以熱輻射、熱對流方式加熱陶瓷研磨球半成品。理想情況下半成品之間無接觸點(圖6(a)),熱量以等徑球面向內部逐漸傳導。實際情況多是等徑的半成品球隨機堆積在一起進行燒結,由于接觸點處熱量向相鄰球體的分流,導致接觸點及接觸點附近區(qū)域溫度低于等徑球面上其他點的溫度。通常等徑球隨機緊密堆積的平均配位數(shù)是6個［7］,在三維空間分布是八面體形態(tài),在球心截面上有4個接觸點。圖6(b)以球心截面上4個接觸點為例給出常見陶瓷研磨球的燒結傳熱示意圖,可以看到,B點的溫度低于等徑面上的其他點,與內部的A 點溫度相同。如此形成的等溫面不再是等徑球面而是在球形幾何面基礎上向接觸點方向鼓包的怪異構型。在燒結不充分的情況下,內部不致密區(qū)域將保持這種構型。

留學生的職業(yè)技能課教學有兩種方式：單獨列班或混班。在留學生入學之初，漢語水平還不高的情況下，職業(yè)技能基礎課(如《計算機基礎》)選擇單獨列表，采用英文教學，給留學生打下扎實的基礎。在職業(yè)技能核心課的教學過程，根據(jù)課程開展的實際情況，可以選擇單獨列班或者混班教學，建議采用混班，開展雙語教學。通過混班教學，可以有效加強多元文化的溝通和交流，節(jié)省教學資源，提高學生的英語和漢語水平。

通過總結上述變形球的特征,可以發(fā)現(xiàn)3點:①多面體構型,各面為類球形凹面或凸面;②小直徑的研磨球全部發(fā)生變形;③密度硬度和電鏡數(shù)據(jù)直觀反映研磨球的芯部不致密。多面體構型出現(xiàn)的一個原因可能是小球填充在大球的堆積間隙中,小球與大球的位置相對穩(wěn)定,在多個接觸點上致密的高硬度的大球對疏松的低硬度的小球進行長時間研磨。球的位置相對穩(wěn)定的情況在研磨死區(qū)是可能實現(xiàn)的,但所有小球都富集在死區(qū)或通過死區(qū)的可能性比較低,并且還有物料的研磨整形作用,多面體構型的變形面保持的可能性很低。

圖5為球A 從芯部到表面不同位置的微觀結構。由圖5可知,球A 芯部(圖5a)有較多的氣孔。而隨著半徑增加,氣孔數(shù)量明顯減少,在表面層(圖5c)比較致密。這與密度差異和硬度差異是一致的。

第四次中國城鄉(xiāng)老年人生活狀況抽樣調查結果顯示，中國失能和半失能老年人約4063萬人，占老年人口總數(shù)的18.3%。北京師范大學中國公益研究院院長王振耀認為，這個數(shù)據(jù)是制定宏觀政策的基本依據(jù)，但是這些人的具體信息，如住在哪個社區(qū)、失能半失能程度如何等，社區(qū)并沒有掌握，導致在社區(qū)中如何解決這類人員的生活困難還不可能有具體措施。

圖6 陶瓷研磨球燒結傳熱機制的示意圖

為了驗證該推斷,進一步表征研磨球硬度在球心截面上隨著角度分布。如圖7(a)所示。可以明顯看到高硬度區(qū)(藍色富集區(qū))、中硬度區(qū)(綠色富集區(qū))和低硬度區(qū)(紅色富集區(qū))都不是同心圓結構,呈現(xiàn)出與推斷一致的鼓包結構。球心截面上鼓包數(shù)量為4個,與常見的隨機緊密堆積是一致的。球心截面經(jīng)過在1 250℃保溫3 h的再燒結后的硬度如圖7(b)所示,可以明顯看出此時整個截面的硬度基本上達到了初始球的表面硬度,這說明中高鋁陶瓷研磨球經(jīng)過充分燒結是可以實現(xiàn)硬度的各向同性分布。

圖7 陶瓷研磨球A 在1 250℃重燒前后的硬度在球心截面上的角度分布

如此未燒透研磨球逐漸研磨縮小過程中會發(fā)生如圖8所示過程。當研磨鋒面還沒接觸到未燒熟區(qū)域(圖8(a)),研磨球的表面仍是硬度高、耐磨性很好的致密結構,將保持球形。當研磨鋒面接觸到未燒熟區(qū)域的外圍鼓包結構時(圖8(b)),研磨球的表面由耐磨性很好的燒熟區(qū)域和耐磨性差的未燒熟區(qū)域組成,此后耐磨性差的未燒熟鼓包區(qū)域將被加速研磨侵蝕,呈現(xiàn)出凹坑結構,凹坑的數(shù)量對應的是接觸點的數(shù)量。

圖8 未燒透的陶瓷研磨球在研磨過程中的演變

4 結語

筆者研究了中高鋁陶瓷研磨球在使用過程中出現(xiàn)的多面體變形現(xiàn)象并重點分析了其產(chǎn)生機制。結果表明,此類研磨球發(fā)生多面體變形的原因在于陶瓷研磨球沒有完全燒結,內部未燒熟區(qū)域表現(xiàn)為在等徑球面基礎上向堆積接觸點方向鼓包的空間構型,當研磨鋒面接觸到未燒熟的鼓包區(qū)域時,鼓包區(qū)域會加速磨損而逐漸凹陷,導致陶瓷研磨球外表面出現(xiàn)了一種多面體構型。本文將為質量標準建設和使用過程中變形分析提供借鑒與參考。