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碳化硅、金刚石等磨料微粉通常如何进行颗粒整形?
日期:2023-01-06    浏览次数:
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随着新材料产业的发展、传统产业的技术进步和产品升级,工业生产中对粉体原料提出越来越高的要求,磨料微粉作为重要的加工原料,在应用中要求其具有细小的粒径,均匀的粒度分布,特定的颗粒形状和极高的纯度或较低的污染程度,而且随其应用领域的拓展,还要求其有特定的形貌。

例如工程陶瓷和高振实密度用碳化硼和碳化硅微粉要求其颗粒为等积球形,而被应用于研磨和线切削的碳化硅微粉需为多棱形,有的要求颗粒表面光滑、形状规则,有的要求颗粒形状接近于球形、圆柱形、纺锤形、片形、针形或其它形状。而金刚石微粉在使用过程中,针棒状和片状的颗粒,不但会影响其使用效率,还可能对其他产品造成划伤、损坏,因此对微粉整形技术的研究十分重要。

碳化硅微粉常见形貌

碳化硅微粉常见形貌之一

国内现阶段的磨料微粉的超细制备,主要是材料的超细粉碎和分级,很多微粉在颗粒细度、粒度分布上可达到国外产品的水平,但在颗粒形貌上存在明显的差异,因而限制了产品的应用,难以替代进口产品。如果能再控制微粉的颗粒形貌,则能大大提高微粉的档次与品质,从而满足现代工业对磨料微粉越来越高的需求,具有广阔的应用前景。

目前,在磨料的形貌控制方面对F砂、P砂、喷射用砂、耐火砂、工程陶瓷用砂的整形研究开展的较多,取得了较好的使用效果和经济效益。在整形设备上有巴马克、阶梯式离心整形机、液压轮辗机等,而对磨料微粉的颗粒形貌控制研究和专用的整形设备较少涉及,国内整形粉体颗粒的方法主要是机械整形方法,通常采用球磨机和流化床气流磨两种设备来进行进一步加工。

一、球磨机颗粒整形技术

球磨机对物料的粉磨作用主要是磨球对物料的冲击与研磨,其运动方式与转速相关,具有以下特点:

(1)当球磨机的转速很低时,由于球体受到的离心力不大,靠与筒壁的摩擦力作用,磨球一层层向下滚动滑落,对磨球间的物料产生研磨作用,此时球磨机主要以研磨方式进行工作,称之为泻落式运动状态;

(2)若球磨机的转速较高,磨球附于筒壁上升到一定高度后,离开筒壁沿抛物线轨迹以自由落体下落,使物料受到冲击和研磨作用而粉碎,此为抛落式运动状态;

(3)当球磨机转速进一步提高,磨球在离心力的作用下,贴附于筒壁一起回转。磨球与筒壁及磨球之间不再有相对运动,对物料无任何粉碎作用,这时称为“离心状态”。

球磨机研磨体的运动形式

球磨机研磨体的运动形式

根据以上分析可知,对微粉物料能起到粉碎作用的状态主要是泻落式和抛落式。对于较粗物料的粉碎,磨球的冲击及磨球间的滑动摩擦对物料能起到很好的粉碎作用,但对于微粉物料冲击研磨作用已不明显。要实现这一目的,关键在于如何提高磨球间的研磨效果。

微粉颗粒整形要尽可能减少物料的破碎强度,避免原有粒度群含量的过多损失。因此通过减小破碎强度,增加介质与粉末之间的摩擦作用,利用研磨方式来达到整形的目的。

球磨法主要探究球磨时间、球料质量比、转速等球磨参数对碳化硅粉体粒径大小、球形度,堆积密度等的影响。通常碳化硅脆性比较大,球磨中只会发生裂碎而不会产生塑性变形,虽然形貌由多角形变为近似球形状,但粉体圆锥高度会不断变大,其流动性不断变差,主要由于表面积增大,粉体吸附周边气体或水分的比例也变大,此时粉体间的物理吸附作用也增强,颗粒相互易联结成块状。

二、流化床气流磨颗粒整形技术

气流磨主要是通过超音速气流使颗粒相互之间产生强烈的冲击、碰撞、磨擦,从而实现对物料的超细粉碎。气流粉碎的强度越高,颗粒碰撞的次数越少,球形

度越差;反之则越好。此外,颗粒间也存在着摩擦力,能磨削掉颗粒表面的棱角,获得较多的球形颗粒。

气流磨是国内超细粉生产中应用最为广泛,能够达到的产品质量最好的设备。可以干式加工各种物料的超细粉体,且具有加工工艺简单,产品粒度细,粒度分布较窄,纯度高,全负压操作无铁杂质的污染,并且对团聚的微粉有很好的解聚效果。

气流磨示意图

气流磨示意图

同球磨整形工艺一样,控制气流破碎的粉碎强度,通过研磨除去颗粒的棱角,提高颗粒的球形度。

(1)粉碎强度的控制:粉碎强度越高,一次粉碎至合格粒度颗粒的数量越多,产品中多棱形的颗粒越多,反之则球形度好的颗粒增多;

(2)粉碎腔的气固浓度的控制:当粉碎腔的气固浓度较高时,气流对物料的加速度能力减弱,同时颗粒碰撞时的相对速度降低(追赶碰撞变多),获得的球形状颗粒增加;当气固浓度减少时,则多棱形颗粒增加;

(3)延长物料在粉碎腔的停留时间,使颗粒之间的摩擦更加充分,获得的球形颗粒更多。

采用这种方法通常工作压力愈高,整形效果愈显著,整形后颗粒存在的主要形式是片层状、小块状存在,分布比较均匀,整形前存在的大块状颗粒基本消失,团聚颗粒也较整形前显著减少。

三、其他待探索整形技术

1. 超声波整形工艺

超声波法属于物理整形法,是利用超声波振动产生的能量局部撞击固体物料而达到破碎的目的,所以对碳化硅这种高硬度、脆性大的材料容易进行加工。

2. 氧化腐蚀结合球磨整形工艺法

氧化腐蚀结合球磨工艺原理是先对磨料颗粒的不规则地方进行氧化处理,例如使碳化硅颗粒的棱角部位完全被氧化,生成二氧化硅,再采用球磨法对碳化硅进行整形研磨处理,对被氧化后的碳化硅颗粒进行研磨,去除其棱角。但通常过程不好控制,对碳化硅的整形效果也存在很多变数,而且最后得到的产物纯度较低。


参考来源:

1.磨料微粉的颗粒整形技术,蔺雷亭、高秀艳(金刚石与磨料磨具工程);

2.碳化硅粉体整形的熔盐法工艺研究,李艳霞(西安科技大学);

3.超细粉颗粒形貌控制技术的研究,陈海焱、陈文梅(金刚石与磨料磨具工程);

4.金刚石微粉整形技术研究,刘慧苹、方海江、张迎九(煤炭与化工)。


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