环保耐磨锆刚玉陶瓷刀具的研制

    张淑玲+郑召忠+许小伟+周甦

    

    

    

    摘 要：本文主要介绍了通过添加绿色环保材料氧化锆制作高强耐磨锆刚玉陶瓷刀具的研制方法。经过多次试验，最终制得既耐磨又环保的锆刚玉陶瓷刀具，对高压电瓷生产制造工业的顺利发展起了很大的促进作用。与铬刚玉相比，锆刚玉陶瓷刀具高强耐磨，无毒无害，它的使用有助于企业实现工业“绿色发展”的环保理念。

    关健词：环保；耐磨；锆刚玉；陶瓷刀具

    1 引言

    随着国家电力事业的繁荣和发展，高压电瓷材料已经成为高压输变线路的重要组成部分，同时也对高压电瓷生产过程中的等静压干法工艺提出了更高的要求。由于等静压干法成型的的高压电瓷坯件具有高密度、高强度的性能，因此要想提高电瓷生产中干法成型的合格率，采用优质耐磨环保的陶瓷刀具尤为重要，基于当前高压电瓷生产中使用的高强耐磨铬刚玉陶瓷刀会对环境造成一定程度的污染这一状况，笔者提出了用环保型材料氧化锆代替氧化铬，研制出既能符合现代绿色、环保理念，又具有高强使用性能，且耐磨的锆刚玉陶瓷刀[1]。

    2 试验原料与内容

    2.1原料

    原料作为产品的基础，是至关重要的。 本试验所采用的主要原料有煅烧氧化铝粉、氧化锆、苏州高岭土、烧滑石，其理化指标如表1所示。

    所使用的外加剂有三聚磷酸钠，减水剂，悬浮剂，分散剂等。

    2.2试验内容

    2.2.1锆刚玉陶瓷刀具的制备工艺流程

    （1）配料和球磨

    锆质刚玉陶瓷刀所使用的原料有氧化铝粉60～65%、氧化锆30～40%、苏州土3～5%，烧滑石粉2 ～ 3%，减水剂0.3%，悬浮剂0.3%，分散剂0.3%。具体操作步骤是：按照配方比例准确的称取5 kg原料，装入容积为8 L的聚氨酯球磨罐，加入稀释剂、助磨剂。为了防止研磨时所用原料受到污染，本实验选用的研磨球石是锆刚玉材质。其中，料： 球石： 水=2.2：4：1，将球磨罐密封好，放置到转速为120 r/min的球磨架上球磨25h以上。要求出磨时料浆的细度达到万孔筛筛余1 ～ 2%为宜，出磨后立即进行除铁，然后将陶瓷泥浆陈腐72 h以上，使泥浆性能达到稳定。由于陈腐后的泥浆中仍然含有气体，容易导致注件组织结构不均匀，表面不光滑和生坯强度低，所以泥浆在陈腐后、使用前再进行抽真空处理，以提高刚玉陶瓷半成品的品质。

    （2）注浆

    本实验采用的注浆成型方法为实心注浆。为了防止注浆成型的陶瓷刀具出现分层，斑点，圈纹等缺陷，注浆要缓慢进行，不能出现冲击，并且每次注浆的时间间隔不能太久，应控制在5～8 min。当注入的陶瓷泥浆中有部分水分被石膏模型吸收，模具注浆口和坯体出现分离时，即可开模，小心地取出坯体放到平整的垫板上，在室温下进行自然干燥。

    （3）低温素烧

    由于等静压成型所使用的陶瓷刀具要求刀刃必须锋利，但注浆成型自然干燥的陶瓷刀具生坯不具有可以修整的强度。为此，必须在800～900℃进行素烧。素烧后的陶瓷刀具坯体强度有显著的提高，这样可以降低陶瓷刀具坯体修整时的破损率，也能够根据使用的要求磨出锋利的刀刃。

    （4）修整

    将素烧过的坯体进行分检，将工作部位无裂纹和破损的刀坯进行修整。修刀包括粗修和精修两步。

    粗磨：首先，将刀坯进行粗磨，再用120目的砂纸把用于和刀柄连接的底面部分磨平；其次，把刀具的工作面平放在砂纸上，轻轻磨平；最后，使用长2 cm，宽1 cm的120目砂纸将刀具在使用过程中能够阻挡灰尘的部分打磨光滑，以减少修坯机在工作过程中对粉尘的吸附，也减少使用过程的摩擦阻力。

    精磨：当粗修结束后，在用350目砂纸对除和刀柄粘接的部位以外的地方进行抛光，以确保烧成后的刀刃能锋利耐用。

    （5）高温烧结

    烧制锆刚玉陶瓷刀的电炉，应选择额定温度为1710℃的硅钼棒电炉。在电炉内铺好重结晶碳化硅板，将修整好的刀具的粘接面向下整齐的摆放在碳化硅板上烧制。在摆放时，不要太靠近硅钼棒，以防过烧[2]。

    合理的烧成制度是保证产品质量的关键因素。经过多次试验确定最高烧成温度为1650℃，在达到最高烧成温度以后保温2.5 h，并且根据原料和工艺的特点，确定出烧成曲线，见图1。

    2.2.2锆刚玉陶瓷刀具产品的理化性能

    该产品经江西某高压电瓷生产企业试用，确实比目前电瓷生产中广泛应用的铬质刚玉陶瓷刀具有更好的效果，它的使用性能也超过了国内很多同类产品的水平。利用此方法研制出的锆刚玉陶瓷刀具有较强的使用性能，以及很好的耐磨性，更重要的是鋯刚玉无毒无害，与铬刚玉相比它更环保，不会对人体和环境造成危害。[3]

    3 结果讨论与分析

    （1）原料的纯度

    高纯的氧化铝粉和氧化锆粉是作为制作锆质陶瓷刀具的基础[4]，优质高纯的原料中杂质的总和不大于0.5%。起粘结作用的苏州高岭土也是杂质含量低，使用性能较好的优质黏土。优质的原料从根本上提高了陶瓷刀具的使用性能。

    （2）泥浆的细度

    实验证明，采用湿法球磨工艺，料：球：水=2.2：4：1，球磨25 h左右，出磨平均细度为3 ～ 5 μm。

    （3）除铁的作用

    由于高压电瓷中铁是有害杂质，用于注浆成型的陶瓷泥浆必须除铁，同时，除铁也能有效的减少色斑。

    （4）低温素烧

    低温素烧是陶瓷刀具制作过程中必不可少的一道工序。注浆成型的刀具坯体在空气中自然干燥后会具有一定的强度，但是这种强度不足以达到可以在修整打磨时不破损的程度。为了便于修整，需要将干燥后的刀具坯体在电炉中进行低温素烧，从而提高坯体的强度[5]。因此采用低温素烧是提高陶瓷刀具坯体强度的重要方法，这样可以提高刀具成品合格率，也可以制作出锋利耐磨的刀具。

    （5）烧成温度与保温时间

    高温烧结和保温时间是保证产品的耐磨性，提高其使用性能的又一个关键因素，在烧制前必须确定好最高烧成温度，保温时间和合理的升温曲线。在本产品的烧制过程中有三个温度点特别需要注意：1）1000℃以下，坯料中粘结剂完全挥发，要缓慢升温；2）1420℃，线收缩下降，化学反应上升为主要过程，需要加长保温时间；3）1520℃反应趋于完成，体积收缩大于体积膨胀，形成以致密化为主的过程[6]。严格按照烧成曲线进行烧制，升温不要过快，否则会导致晶体生长异常，从而影响刀具的使用性能。

    4 结语

    通过大量实验证明以高纯氧化铝粉、二氧化锆、优质粘土为原料，生产绿色环保、高强耐磨陶瓷刀具的方法是切实可行的。该陶瓷刀具能够在高压电瓷生坯件加工修整过程中大大减少换刀次数、提高工作效率，同时也能提高成品坯件表面的的光滑度，为后续的施釉工作的顺利进行打下良好的基础，但本陶瓷刀具制作方法在实际的生产使用过程中还需要不断的完善。

    参考文献

    [1] 胡利明，氧化锆及氧化锆陶瓷[J].工业陶瓷，1991（4）.

    [2] 尹衍升， 李嘉. 氧化锆陶瓷及其复合材料[M]. 化学工业出版社， 2004.

    [3] 张淑玲，郑召忠等，高性能铬质刚玉陶瓷刀具的研制[J].佛山陶瓷2013（1）：18-20.

    [4] 程开甲， 程漱玉. 论材料科学的理论基础[J]. 材料科学与工程学报， 1998（1）：12-20.

    [5] 邹力行. 陶瓷生产技术问答[M]. 中国建筑工业出版社， 1993.102～103.

    [6] 郑秀华，钟家湘，刘沙涛等.材料研究学报[J].1996，10（3）：307-309.