本發(fā)明涉及水泥加工領域，尤其涉及一種內(nèi)置純鈦或α鈦合金骨架的陶瓷球及其制備方法。

背景技術：

水泥球磨機具有對物料適應性強、能連續(xù)生產(chǎn)、破碎比大、易于調(diào)速粉磨產(chǎn)品的細度等特點。常用的水泥球磨機的工作原理為，物料由進料裝置經(jīng)入料中空軸螺旋均勻地進入磨機倉內(nèi)，該倉內(nèi)有階梯襯板或波紋襯板，內(nèi)裝不同規(guī)格的鋼球或陶瓷球，筒體轉動產(chǎn)生離心力將鋼球或陶瓷球帶到一定高度后落下，對物料產(chǎn)生重擊和研磨作用。水泥球磨機陶瓷球是水泥球磨機設備的常用研磨物料介質(zhì)，通過水泥球磨機陶瓷球、物料、襯板之間的碰撞摩擦產(chǎn)生磨削作用，從而將物料的粒徑進一步減小。因此，陶瓷球在使用時的硬度和耐磨性是影響研磨整形效果的主要因素之一，同時因為被長時間不停地撞擊，對于研磨球的抗沖擊性能有極高要求。

現(xiàn)有技術中，水泥球磨機用陶瓷球已經(jīng)有較多采用，大多數(shù)采用傳統(tǒng)的Al2O3-CaO-MgO-SiO2四元體系，也有少量發(fā)明人在其配方上進行改進，以達到特殊的效果。如本發(fā)明人此前申請了多份采用新型配方的陶瓷球，具有高硬度、耐高溫、高壽命、易成型、韌性好、生產(chǎn)的水泥純凈度高的作用。

但是，在長期的水泥球磨機用陶瓷球的研究中，本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，啟動、急停、拋墜等的沖擊造成的破碎是陶瓷球最常見的損壞方式之一，這極大地制約著水泥球磨行業(yè)的發(fā)展。

鈦是20世紀50年代發(fā)展起來的一種重要的結構金屬，鈦合金因具有強度、塑性、韌性高、耐蝕性好、耐熱性、高成形性等特點而被廣泛用于各個領域，特別是其比強度超高的優(yōu)勢冠絕所有金屬及合金。世界上許多國家都認識到鈦合金材料的重要性，相繼對其進行研究開發(fā)，并得到了實際應用。利用純鈦、α鈦合金等耐高溫金屬的強度高、耐蝕性好、耐熱性高等優(yōu)點，采用植入純鈦或α鈦合金骨架的方法，可以使陶瓷球的整體性更好，并且在受到?jīng)_擊時可以由骨架將沖擊力分攤、不易破碎。

在陶瓷球內(nèi)植入純鈦或α鈦合金骨架在此前屬于空白領域，尚無見任何研究見諸論文或?qū)＠?，能實現(xiàn)其工業(yè)化生產(chǎn)的制備方法更是如此。本發(fā)明人同日申請的發(fā)明中，涉及內(nèi)置純鈦或α鈦合金骨架的陶瓷球及制備方法，其骨架為裸露的純鈦或α鈦合金，在高溫下容易發(fā)生氧化或吸氫反應，雖然窯內(nèi)通有惰性氣體，但效果始終不夠理想。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中存在的上述缺陷，本發(fā)明旨在提供一種整體性更好、不易破碎、骨架在高溫下不易發(fā)生氧化或吸氫反應的內(nèi)置純鈦或α鈦合金骨架的陶瓷球及能實現(xiàn)其工業(yè)化生產(chǎn)的制備方法。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術方案：一種內(nèi)置純鈦或α鈦合金骨架的陶瓷球，由純鈦或α鈦合金制成的一體結構的、表面進行復合陶瓷涂層處理的骨架和包裹其外的陶瓷球體組成，通過整體壓合、高溫燒結的方式制造；所述純鈦或α鈦合金骨架總體積為陶瓷球體積的3-5%，最長方向尺寸小于陶瓷球體外徑的70%；陶瓷球體采用氧化鋁基陶瓷材料制成。

上述的內(nèi)置純鈦或α鈦合金骨架的陶瓷球，其中：所述純鈦或α鈦合金骨架為整體壓鑄成型的樹枝狀或魚骨狀結構。

上述的內(nèi)置純鈦或α鈦合金骨架的陶瓷球，其中：所述純鈦或α鈦合金骨架表面進行的復合陶瓷涂層處理工藝為等離子體氧化法、空氣噴涂法或懸濁涂布并鎢極氬弧熔覆的方法。

上述的內(nèi)置純鈦或α鈦合金骨架的陶瓷球，其中：所述陶瓷球體的配方為：氧化鋁92-95%、三氧化二鐵0.5-2%、高嶺土0.8-3%、碳化硅0.2-2%、二氧化鈦1.5-2%、碳化鈦0.8-1%、二硫化鉬0.3-2%。

上述的內(nèi)置純鈦或α鈦合金骨架的陶瓷球的制備方法，包括原料準備、球磨、噴霧造粒、料倉陳腐、壓型加工、高溫燒結、清粉拋光、成品干燥等工序，其中：

a.所述壓型加工工序包括以下子工序：

1）初灌粉料：步進式輸送帶將下半球模輸送到工位一，將陶瓷造粒用的粉料通過輸料管灌注進下半球模，粉料的水份控制在0.5%以下；

2）骨架落位：將下半球模輸送到工位二，然后通過放置純鈦或α鈦合金骨架的裝置將整體壓鑄成型的樹枝狀或魚骨狀的純鈦或α鈦合金骨架放置到下半球模內(nèi)的粉料的表面中心位置；

3）球體壓合整圓：將下半球模輸送到工位三；將袋裝粉料放入上半球模的上部入口，然后壓模機以與上半球模中的上部入口平行的方式進入，在到達上內(nèi)圓槽后順時針旋轉90°，壓模機與上半球模在豎直方向上固定；隨后壓模機帶動上半球模下行，至上半球模與下半球模接觸，壓模機逆時針旋轉90°，壓模機與上半球模在豎直方向上解除固定；壓模機下行，將袋裝粉料的袋子壓破，其內(nèi)的袋裝粉料通過壓粉孔被擠進上半球模腔; 壓模機繼續(xù)下行至到達下內(nèi)圓槽，袋裝粉料與純鈦或α鈦合金骨架、粉料被擠壓成一體，形成完整的陶瓷球坯；壓模機順時針旋轉90°后繼續(xù)旋轉，受下內(nèi)圓槽的封閉段的限制，壓模機帶動上半球模腔旋轉，旋轉進行至少3圈，上半球模腔將陶瓷球坯表面的多余坯料切削掉；隨后壓模機提起，帶動上半球模腔離開陶瓷球坯。

4）球坯轉移：將下半球模輸送到工位四，通過轉移裝置將陶瓷球坯轉移到高溫匣缽，撒上隔離砂。

b.所述高溫燒結工序具體為：將裝有壓型加工工序得到的陶瓷球坯的高溫匣缽送入氣密性好的高溫窯內(nèi)；高溫窯內(nèi)在加熱過程中保持通惰性氣體，高溫燒結溫度1350-1500℃，燒成周期26-36h；高溫燒結結束后的冷卻方式為隨窯冷至1050-1100℃，然后向窯內(nèi)送風加速冷卻。

上述的內(nèi)置純鈦或α鈦合金骨架的陶瓷球的制備方法，其中：所述球坯轉移過程中采用的轉移裝置為負壓吸附式。

上述的內(nèi)置純鈦或α鈦合金骨架的陶瓷球的制備方法，其中：在工位一填充的粉料為陶瓷球總用量的48-52%，工位三的袋裝粉料的容量應為壓粉孔的體積與陶瓷球總用量的55-58%的和。

上述的內(nèi)置純鈦或α鈦合金骨架的陶瓷球的制備方法，其中：所述高溫燒結工序中的高溫窯為隧道窯，溫度為1350-1500℃，燒成周期為26-30h。

上述的內(nèi)置純鈦或α鈦合金骨架的陶瓷球的制備方法，其中：所述高溫燒結工序中的高溫窯為梭式窯，溫度為1450-1500℃，燒成周期為35-36h。

本發(fā)明無現(xiàn)有技術。本發(fā)明采用的陶瓷采用此前本發(fā)明人已經(jīng)申請過的專利配方，具有高硬度、耐高溫、耐腐蝕、運轉能耗低、物耗低、結合力好、撞擊能力強、抗沖擊抗爆震、生產(chǎn)的水泥細度和后期強度高的優(yōu)點；相對于目前整體燒結、無內(nèi)置純鈦或α鈦合金骨架的陶瓷球來說，本發(fā)明的內(nèi)置純鈦或α鈦合金骨架的陶瓷球采用植入純鈦或α鈦合金骨架的方法，純鈦或α鈦合金骨架采用整體壓鑄成型，骨架整體性好且便于實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)；純鈦或α鈦合金骨架表面進行復合陶瓷涂層處理，在高溫下不融化，可以使骨架表面被緊密包裹，保證純鈦或α鈦合金骨架不被氧化或吸氫，同時陶瓷涂層本身與外層的陶瓷球?qū)儆谙嘟牧?，親和力很強，且在高溫下二者能相互擴散和結合，從而促進鈦合金與陶瓷之間的結合；樹枝狀或魚骨狀結構能保證其與陶瓷緊密結合，從而使陶瓷球整體性更好；尺寸大小適中，既保證壓型加工工序過程方便，又能保證陶瓷球的整體性更好。本發(fā)明制作的陶瓷球既保持了傳統(tǒng)陶瓷球的優(yōu)點，又能充分地發(fā)揮純鈦或α鈦合金的強度、塑性、韌性高、耐蝕性好、耐熱性、高成形性、比強度高的優(yōu)點，結合陶瓷本身的高耐磨、高硬度等特點，并且在受到?jīng)_擊時可以由骨架將沖擊力分攤、不易破碎，避免啟動、急停、拋墜等的沖擊對陶瓷球造成的破碎；而且本身因為鈦的熱膨脹系數(shù)為(9.41～10.03)×10^-6/℃，與陶瓷在燒結過程中的膨脹率極為接近，避免了升溫降溫過程中因膨脹率不同造成的陶瓷碎裂。

同時，本發(fā)明中的內(nèi)置純鈦或α鈦合金骨架的陶瓷球的制備方法，最接近的現(xiàn)有技術是本發(fā)明人在此前申請的多份陶瓷球的制備方法，其區(qū)別在于，本發(fā)明因為在陶瓷球內(nèi)內(nèi)置純鈦或α鈦合金骨架，采用傳統(tǒng)的方法根本無法實現(xiàn)植入骨架，因此壓型加工工序采用了初灌粉料、骨架落位、球體壓合整圓、球坯轉移等子工序，優(yōu)勢在于，球坯壓合因原料大于需求，壓實度高，骨架與球坯結合緊密；采用旋轉切削整圓，無需增添額外設備，簡單快捷；負壓吸附式轉移設備避免了轉移過程中對陶瓷球的損壞。流程化繁雜為極簡，使整個壓型加工工序過程簡潔有序，能實現(xiàn)工業(yè)化自動生產(chǎn)；另外，陶瓷球坯在燒結過程中因陶瓷尚未成型、其內(nèi)部的純鈦或α鈦合金骨架在高溫下具有很強的化學活性，非常容易吸收氫、氧、氮、碳等雜質(zhì)，所以高溫燒結工序中通入惰性氣體如氬氣，燒結結束后冷卻方式采用先隨窯冷至1050-1100℃、然后向窯內(nèi)送風加速冷卻，是因為高溫下直接送風冷卻可能使陶瓷溫度驟變開裂，所以先隨窯冷至1050-1100℃，然后向窯內(nèi)送風加速冷卻是為了使純鈦或α鈦合金骨架從β相區(qū)快速冷卻，從而得到較多的針狀α組織，使純鈦或α鈦合金骨架具有較高的持久強度、蠕變強度和斷裂韌性。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的內(nèi)置純鈦或α鈦合金骨架的陶瓷球的剖面圖；

圖2是本發(fā)明的制備方法中壓型加工工序的流程示意圖；

圖3是本發(fā)明的制備方法中壓型加工工序的上半球模的結構示意圖；

圖4是圖3的俯視圖；

圖5是本發(fā)明的制備方法中壓型加工工序的步進式輸送帶的示意圖。

圖中：下半球模1、粉料2、輸料管3、純鈦或α鈦合金骨架4、上半球模5、袋裝粉料6、壓模機7、轉移裝置8、陶瓷球坯9、步進式輸送帶10。其中上半球模5含有：上部入口51、上內(nèi)圓槽52、下內(nèi)圓槽53、上半球模腔54、壓粉孔55、封閉段56。

具體實施方式

本發(fā)明的內(nèi)置純鈦或α鈦合金骨架的陶瓷球，如圖1所示，由純鈦或α鈦合金骨架和包裹其外的陶瓷球體組成，通過整體壓合、高溫燒結的方式制造；其中純鈦或α鈦合金骨架為純鈦或α鈦合金整體壓鑄成一體的樹枝狀或魚骨狀結構，并在表面進行復合陶瓷涂層處理；所述純鈦或α鈦合金骨架總體積為陶瓷球體積的3-5%，最長方向尺寸小于陶瓷球體外徑的70%；陶瓷球體采用氧化鋁基陶瓷材料制成，其配方為氧化鋁92-95%、三氧化二鐵0.5-2%、高嶺土0.8-3%、碳化硅0.2-2%、二氧化鈦1.5-2%、碳化鈦0.8-1%、二硫化鉬0.3-2%，本配方的實施例和詳細配比在本發(fā)明人此前申請的專利中有詳細論述，不再贅述。

本發(fā)明的內(nèi)置純鈦或α鈦合金骨架的陶瓷球的制備方法，包括原料準備、球磨、噴霧造粒、料倉陳腐、壓型加工、高溫燒結、清粉拋光、成品干燥等工序，除壓型加工、高溫燒結工序與本發(fā)明人在此前申請的專利不同外，其它工序均有詳細描述。本發(fā)明的制備方法中用到的壓型加工設備在本發(fā)明人同日申請的另一份發(fā)明中有詳細介紹，因不屬于本發(fā)明的重點，此處不再贅述。本發(fā)明的完整制備方法如下：

a.原料準備：

1）陶瓷配料：按重量百分比計取所有成分，混合并攪拌均勻，制得混合物料；同時配置PVA溶液，配比為PVA:水=(7-10):100；

2）骨架制造：純鈦或α鈦合金整體壓鑄成一體的樹枝狀或魚骨狀結構，并在表面通過等離子體氧化法、空氣噴涂法或懸濁涂布并鎢極氬弧熔覆的方法進行復合陶瓷涂層處理。骨架制造及復合陶瓷涂層處理均為現(xiàn)有技術，其中，等離子氧化法是用鋁酸鈉、次亞磷酸鹽和水制成電解液，以鈦合金為基體并作為正極、以不銹鋼板為負極并將兩者置于電解液中，控制電解液溫度在10-40℃，接通脈沖電源通電反應90-240分鐘；空氣噴涂法是采用磷酸鋁作為粘接劑、氧化鋁與氮化硼作為填料、正硅酸四乙酯作為助劑，制成水性無機磷酸鹽高溫氧化防護涂料，采用空氣噴涂的方式將涂料噴涂到鈦合金表面，并在不高于350℃的溫度下固化形成陶瓷涂層；懸濁涂布并鎢極氬弧熔覆的方法是指將粘結劑、去離水以及陶瓷混合粉末按比例混合攪拌形成懸濁液，涂在鈦合金表面上，放置進行干燥、烘干，再利用鎢極氬弧進行熔敷，鈦合金與陶瓷粉末發(fā)生反應，得到復合陶瓷涂層。本專利不再贅述。因為本發(fā)明的純鈦或α鈦合金骨架尺寸較小、有較多分枝，實測效果反映，采用等離子氧化法最易實現(xiàn)、效果最好。

b.球磨：

1）初磨：將步驟(a)中計取的配料加入初磨研磨設備，并加入球石和水，比例為料:球:水=1:2.5:(0.7-0.75)，至漿料細度D90≤8微米停磨，過40目篩出磨；

2）細磨：將步驟(b1)得到的漿料加入細磨研磨設備，并加入球石和水，比例為料:球:水=1:（2-3）:(0.7-0.75)，至漿料細度D50≤1.5微米、D90≤3.2微米后停磨；

3）混磨：將步驟(b2)得到的漿料中按重量比加入步驟(a)中配置的PVA溶液9-12%，混磨0.5-1h，過150目篩出磨，并進行除鐵；

c.噴霧造粒：將步驟(b3)得到的漿料中加入適量步驟(a)中配置的PVA溶液，并打入高位漿罐，控制噴霧干燥塔的熱風溫度、出風溫度及壓差，選用合適的噴霧噴片直徑，進行噴霧造粒，造粒粉過20目篩；

d.料倉陳腐：將步驟(c)得到的造粒粉進行陳腐，陳腐時間不少于48h；

e. 如圖2、3、4、5所示，壓型加工包括：

1）初灌粉料：步進式輸送帶10將下半球模1輸送到工位一，將步驟d得到的粉料2通過輸料管3灌注進下半球模1，填充量為陶瓷球總用量的48-52%；粉料2的水份控制在0.5%以下；

2）骨架落位：將下半球模1輸送到工位二，然后通過放置純鈦或α鈦合金骨架4的裝置將整體壓鑄成型的樹枝狀或魚骨狀的純鈦或α鈦合金骨架4放置到下半球模1內(nèi)的粉料2的表面中心位置；

3）球體壓合整圓：將下半球模1輸送到工位三；將容量為壓粉孔55的體積與陶瓷球總用量的55-58%的和的袋裝粉料6放入上半球模5的上部入口51，然后壓模機7以與上半球模5中的上部入口54平行的方式進入，在到達上內(nèi)圓槽52后順時針旋轉90°，壓模機7與上半球模5在豎直方向上固定；隨后壓模機7帶動上半球模5下行，至上半球模5與下半球模1接觸，壓模機7逆時針旋轉90°，壓模機7與上半球模5在豎直方向上解除固定；壓模機7下行，將袋裝粉料6的袋子壓破，其內(nèi)的袋裝粉料6通過壓粉孔55被擠進上半球模腔56; 壓模機7繼續(xù)下行至到達下內(nèi)圓槽53，袋裝粉料6與純鈦或α鈦合金骨架4、粉料2被擠壓成一體，形成完整的陶瓷球坯9；壓模機7順時針旋轉90°后繼續(xù)旋轉，受下內(nèi)圓槽53的封閉段56的限制，壓模機7帶動上半球模腔56旋轉，旋轉進行至少3圈，上半球模腔56將陶瓷球坯9表面的多余坯料切削掉；隨后壓模機7提起，帶動上半球模腔56離開陶瓷球坯9。

4）球坯轉移：將下半球模1輸送到工位四，通過負壓吸附式的轉移裝置8將陶瓷球坯9轉移到高溫匣缽，撒上隔離砂。

f.高溫燒結：將步驟(e)得到的裝有陶瓷球坯(9)的高溫匣缽送入氣密性好的高溫窯內(nèi)；高溫窯內(nèi)在加熱過程中保持通惰性氣體，高溫燒結溫度1350-1500℃，燒成周期26-36h；高溫燒結結束后的冷卻方式為隨窯冷至1050-1100℃，然后向窯內(nèi)送風加速冷卻；

g.清粉拋光：把產(chǎn)品在燒成過程中的粘附的隔離砂及毛刺除掉；

h.成品干燥：對產(chǎn)品進行干燥，得到成品。

因為陶瓷的高溫燒結工序通常采用的高溫窯有兩種：隧道窯和梭式窯，其燒結工藝參數(shù)不同；若采用隧道窯，燒結溫度為1350-1500℃，燒成周期為26-30h；若采用梭式窯，溫度為1450-1500℃，燒成周期為35-36h。

對所公開的實施例的上述說明，僅為了使本領域?qū)I(yè)技術人員能夠?qū)崿F(xiàn)或使用本發(fā)明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業(yè)技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發(fā)明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現(xiàn)。因此，本發(fā)明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。