一种氧化锆微珠的制备方法及其应用与流程

1.本发明属于材料改性技术领域，具体涉及一种氧化锆微珠的制备方法及其应用。


背景技术：

2.氧化锆陶瓷磨球是氧化锆材料中一类用量很大、应用面很广的产品，其磨耗很低，对被研磨物料的研磨和分散效果好，优于氧化铝、硅酸锆、玛瑙等研磨介质球。
3.目前，氧化锆磨球球粒尺寸根据使用要求不同，包括了从φ0.1mm以上各种级别。对于大尺寸磨球，多采用冷等静压成型工艺，该工艺设备投资费用大，生产成本高，不适合于生产直径小于10mm的小球。国内生产氧化锆小球采用滚制成型法制备陶瓷小球获得了比较广泛的应用，投资费用少、生产工艺简化、生产效率高、产品质量好。
4.然而随着科技的发展要求，磨球尺寸要求进一步减小，尤其是φ0.1mm或以下。常规制备方法制备近于φ0.1尺寸时，磨球球形度较差。磨球尺寸φ0.3时，球形度可以做得较好；但当降低至φ0.2时，磨球稍有变形，球形度降低；当降低至φ0.1时，磨球呈椭圆，磨球性能降低。因此，当前该领域对小尺寸氧化锆精细磨球的制备技术提出了要求。而在陶瓷3d打印料浆中，采用球形陶瓷粉末，相比不规则粉末，可以减少有机粘结剂的使用量，提高固含量，减小3d打印后烧结处理过程的收缩量，更好的控制陶瓷尺寸，因此，大规模制备小尺寸球形颗粒是当前需解决的问题。


技术实现要素：

5.为了改善上述技术问题，本发明提供了一种氧化锆微珠的制备方法，具体包括以下步骤：
6.(1)将氧化锆瓷粉、有机粘结剂、消泡剂和分散剂按比例混合均匀，进行喷雾造粒，形成氧化锆陶瓷粉末颗粒；
7.(2)将所述氧化锆陶瓷粉末颗粒送入10kw-150kw射频等离子炬中，并向等离子炬中通入氧气、反应气体和约束保护气体，等离子加热，颗粒热化烧结，制备氧化锆微球。
8.根据本发明的技术方案，步骤(1)中所述氧化锆瓷粉还掺杂有y2o3。
9.根据本发明的技术方案，所述氧化锆瓷粉与y2o3的质量比为95:5。
10.根据本发明的技术方案，在烧结过程结束后，还使用分样筛或气流分级，筛选氧化锆微球，获得所需粒度范围的氧化锆陶瓷微球。
11.根据本发明的技术方案，所述有机粘结剂为聚乙烯醇；所述消泡剂为硫酸铝；所述分散剂为焦磷酸钠；所述氧化锆瓷粉、有机粘结剂、消泡剂、分散剂四者的质量比为100：(0-10)：(0-5)：(0-5)；优选为100:9:3:2。
12.根据本发明的技术方案，步骤1)中，所述氧化锆陶瓷粉末颗粒的粒径为1-200μm；优选为50-120μm。
13.根据本发明的技术方案，步骤2)中，氧化锆微球的粒径1-150μm。
14.根据本发明的技术方案，所述氧气掺杂混合进等离子反应气体(即氩气)中，通入
量占混合气的0-20vol.％；优选为5-10vol.％；所述混合气包括氧气和氩气，所述氧气的流量为0.06-0.1立方/小时。
15.根据本发明的技术方案，所述送粉速率为1-100g/min，优选为5-50g/min，更优选为8-15g/min；氧化锆微球在等离子炬中出粉位置为感应线圈中部、送粉气体的速率为10-100l/h，优选为60-100l/h，更优选为80l/h。
16.根据本发明的技术方案，在等离子炬中通入反应气体和约束保护气体；所述反应气体为ar，所述约束保护气体为ar；所述反应气体的流量为0.3-1.5立方/小时，优选为0.6-1立方/小时；约束保护气体为4-10立方/小时，优选为5-8立方/小时；反应气体和约束保护气体同时通入，反应气体受到高频感应激发形成等离子体，约束气体一部分会参与反应形成等离子体，大部分起到维持约束等离子炬的作用并冷却外层材料。
17.根据本发明的技术方案，所述烧结温度为4000-10000℃。
18.根据本发明的技术方案，等离子炬中，射频电源的阳压为4-10kv，阳极电流为3-7a。
19.本发明还提供了采用上述制备方法制备氧化锆微珠。
20.本发明还提供了上述氧化锆微珠在研磨介质或3d打印陶瓷用粉末中的应用。
21.本发明的有益效果：
22.1)本发明采用制备的喷雾造粒氧化锆团聚颗粒，进行射频等离子球化，在球化时，需要施加合适的电流电压，以激发氩气电离反应形成高温；同时调节反应气体和保护气体流量，形成稳定合适的火焰形状；针对特定的喷雾造粒颗粒，合适的送粉速度是高球化烧结率的保障。采用喷雾造粒的氧化锆陶瓷粉末颗粒，该造粒粉的粒径范围较为集中，可以更好的控制颗粒的粒径。
23.2)陶瓷造粒粉末被分散送入等离子高温弧区，由于高温的作用粉末颗粒瞬间熔化，在表面张力、重力和烧结传质的作用下形成球状颗粒，离开弧区后瞬间冷凝，在重力和气流的作用下收集于料仓。
24.3)在等离子反应气体中掺杂入一定比例的氧气，陶瓷造粒粉末中的有机粘结剂在极高温氧气氛下迅速燃烧挥发，无机物质(氧化锆及烧结助剂)也同时加速烧结致密化。
25.4)如在等离子球化时不掺入氧气，则球化过程难以致密，表面不平整。
附图说明
26.图1是实施例1中氧化锆微珠制备流程图；
27.图2是实施例1中氧化锆瓷粉的扫描电镜图；
28.图3是实施例1中球形氧化锆微珠的光学显微图；
29.图4是实施例1中球形氧化锆微珠的扫描电镜图；
30.图5是实施例1中经过分样筛筛选的氧化锆微珠扫描电镜图。
具体实施方式
31.下文将结合具体实施例对本发明的制备方法和应用做更进一步的详细说明。应当理解，下列实施例仅为示例性地说明和解释本发明，而不应被解释为对本发明保护范围的限制。凡基于本发明上述内容所实现的技术均涵盖在本发明旨在保护的范围内。
32.除非另有说明，以下实施例中使用的原料和试剂均为市售商品，或者可以通过已知方法制备。
33.实施例1
34.(1)以95wt.％氧化锆瓷粉和5wt.％y2o3为原料，氧化锆瓷粉的sem图如图2所示，并与聚乙烯醇(浓度为8wt.％)、硫酸铝溶液(浓度为33wt.％)、焦磷酸钠溶液(浓度为11wt.％)混合均匀，五者的质量比为95：5：9：3：2，通过喷雾造粒获得中值粒径d50约为70微米的氧化锆瓷粉团聚颗粒；
35.(2)将步骤(1)中氧化锆瓷粉团聚颗粒送入60kw射频等离子炬中，通过60kw等离子炬球化，得到球状氧化锆颗粒粉，调节送粉速率为10克/分钟，送粉气体(ar)80升/小时，在等离子炬中出粉位置定在感应线圈中部，射频电源阳压6kv，阳极电流4a，并同时通入氧气、反应气体和约束保护气体，反应气体(ar)的流量为1.0立方/小时，氧气0.1立方/小时，掺杂进反应气体，约束保护气体(ar)5立方/小时，反应腔体气压0.02mpa，粉末通过等离子火焰中，高温热化烧结；收集获得球形氧化锆微珠，其光学显微图如图3所示，其sem图如图4所示；
36.(3)使用分样筛筛选氧化锆微球，获得约为50微米粒径较为集中的氧化锆微珠，其sem图如图5所示，球形度近100％，球化率近100％。
37.氧化锆微珠的制备流程图如图1所示。
38.图2是实施例1中氧化锆瓷粉的扫描电镜图；
39.图3是实施例1中球形氧化锆微珠的光学显微图；
40.图4是实施例1中球形氧化锆微珠的扫描电镜图；
41.图5是实施例1中经过分样筛筛选的氧化锆微珠扫描电镜图。
42.实施例2
43.(1)以95wt.％氧化锆瓷粉和5wt.％y2o3为原料并与聚乙烯醇(8wt.％)、硫酸铝溶液(33wt.％)、焦磷酸钠溶液(11wt.％)混合均匀，五者的质量比为95:5:9.0:3.0:2.0，通过喷雾造粒获得d50约为20微米的氧化锆瓷粉团聚颗粒；
44.(2)将步骤(1)中氧化锆瓷粉团聚颗粒送入60kw射频等离子炬中，通过60kw等离子炬球化，得到球状氧化锆颗粒粉，调节送粉速率为15克/分钟，送粉气体(ar)60升/小时，在等离子炬中出粉位置定在感应线圈中部，射频电源阳压7.4kv，阳极电流5.25a，并同时通入氧气、反应气体和约束保护气体，反应气体(ar)1.0立方/小时，氧气0.06立方/小时，掺杂进反应气体，约束保护气体(ar)8立方/小时，反应腔体气压0.01mpa；收集获得球形氧化锆微珠；
45.(3)使用气流分级筛选氧化锆微球，获得约为15微米粒径较为集中的微球。
46.实施例3
47.(1)以95wt.％氧化锆瓷粉和5wt.％y2o3为原料并与聚乙烯醇(8wt.％)、硫酸铝溶液(33wt.％)、焦磷酸钠溶液(11wt.％)混合均匀，五者的质量比为95：5：9：3：2，通过喷雾造粒获得d50约为120微米的氧化锆瓷粉团聚颗粒；
48.(2)将步骤(1)中氧化锆瓷粉团聚颗粒送入100kw射频等离子炬中，通过60kw等离子炬球化，得到球状氧化锆颗粒粉，调节送粉速率为8克/分钟，送粉气体(ar)100升/小时，在等离子炬中出粉位置定在感应线圈中部，射频电源阳压6kv，阳极电流5a，并同时通入氧
气、反应气体和约束保护气体，反应气体(ar)1.5立方/小时，氧气0.1立方/小时，掺杂进反应气体，约束保护气体(ar)10立方/小时，反应腔体气压0.02mpa；收集获得球形氧化锆陶瓷微珠；使用分样筛筛选氧化锆微球，获得约为85微米粒径较为集中的微球。
49.以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。