球磨機廣泛應(yīng)用于冶金、礦產(chǎn)、電力、建材、化工等領(lǐng)域，是使用最為普通的粉碎設(shè)備。普通球磨機的研磨介質(zhì)主要是金屬球，但在陶瓷生產(chǎn)和原料精加工中，使用的主要是陶瓷研磨介質(zhì)。目前我國市場銷售的陶瓷研磨介質(zhì)主要包括氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅等系列品種。陶瓷研磨球（瓷球）具有耐磨、耐腐蝕、耐高溫的特點，是一種重要的工程陶瓷。例如，氧化鋁瓷球由于具有合適的硬度、適中的密度、耐磨、耐腐蝕、價格低，因此被廣泛應(yīng)用于白色水泥、礦物、陶瓷、電子材料、磁性材料以及涂料、油漆、化妝品、食品、制藥等行業(yè)原材料的研磨和加工，是一種優(yōu)質(zhì)的研磨介質(zhì)[1~3]。在建筑衛(wèi)生陶瓷行業(yè)中，氧化鋁瓷球的磨損效率比天然燧石和鵝卵石高20%~40%。隨著天然球石資源的減少，氧化鋁瓷球?qū)⒈辉絹碓蕉嗟奶沾蓮S家使用。
瓷球同金屬球一樣，由于工作特性比較復(fù)雜，所以其磨損過程比較復(fù)雜，是一綜合磨損，不同的是金屬球塑性好，而瓷球脆性大，其磨損機理是不同的。瓷球的磨損機理直接與瓷球的力學(xué)性能、顯能結(jié)構(gòu)和在球磨機中的運動狀態(tài)相關(guān)。因此，對瓷球磨損進行分析，弄清它的磨損過程與其自身的特性及工況條件的聯(lián)系，為指導(dǎo)制定使用工藝參數(shù)、合理選材和科學(xué)地研制耐磨性更好、性價比更高的瓷球提供依據(jù)。
1 瓷球的磨損分析
1.1瓷坯的工作特性
瓷球的工作特性是比較復(fù)雜的，從瓷球在球磨機中的運動狀態(tài)分析，瓷球與瓷球、襯板與磨料之間相互作用的方式有3種。①撞擊：瓷球由高處拋落，砸在磨料以及其他球和襯板上發(fā)生撞擊；②滑動：由于球磨機的速度大于瓷球、磨料的速度，瓷球與磨料、球與球以及球與襯板之間產(chǎn)生相對滑動；③滾動：由于球磨機的旋轉(zhuǎn)，瓷球總是不停地滾動。
1.2球的磨損形貌
相互接觸物體的表面相對運動過程中，其物質(zhì)發(fā)生不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。磨損是瓷球消耗的主要形式。
瓷球的磨損形貌分析包括宏觀形貌分析和微觀形貌分析。宏觀形貌分析的內(nèi)容有：瓷球磨損的均勻性，是否有破碎的情形。失圓表明瓷球的密度不均勻，破碎表明瓷球內(nèi)部存在嚴重的缺陷或脆性大、抗沖擊能力差。瓷球正常的磨損是由大球磨成水球，球一直保持圓形。利用掃描鏡對瓷球磨損面進行微觀形貌分析，如對犁溝、切削溝槽、晶粒脫落、疲勞剝落、凹坑、裂紋等的分析。瓷球磨損微觀形貌的分析對瓷球磨損機理的研究是很有意義的。
1.3瓷球的磨損機理
瓷球的磨損既不同于摩擦、滑動磨損，又不同于磨料、沖蝕、疲勞磨損，其是一種綜合的磨損。瓷球主要以磨料磨損為主其次為沖蝕、疲勞磨損。瓷球的磨損有兩種過程，一種是由塑性變形引起的磨損過程，另一種是斷裂引起的磨損過程。
1）由塑性變形機制引起的磨損過程。當(dāng)磨料與韌性較好的瓷球表面接觸時，主要發(fā)生兩種直接磨損過程。①犁溝：瓷球表面受磨料的擠壓、滑動而形成的痕跡，磨痕細而深；②微觀切削：瓷球在磨料的作用下發(fā)生如刨削一樣的切削過程，磨痕寬而平，如圖1所示。
2）由斷裂機制引起的磨損過程。這種磨損過程對脆性大的瓷球和晶粒尺寸較大的瓷球，或在尺寸較大的孔洞處是普通存在的。沿晶脫落和穿晶脫落就是由斷裂機制引起的磨損過程，瓷球的磨損面有凹抗，孔洞口緣為喇叭狀，如圖2所示。
在球磨機中瓷球運動上升階段的相對滑動、滾動過程中，產(chǎn)生塑性犁溝和微觀切削，在瓷球拋落沖擊過程中，出現(xiàn)脆性晶粒脫落。因此可以根據(jù)瓷球的磨損機理，推斷瓷球在球磨機中的運動狀況，為調(diào)整球磨機的運動參數(shù)提供參考。
在磨損過程中，無論瓷球的韌性好還是脆性大，都可能同時發(fā)生塑性變形和脆性斷裂兩種機制，只是由于磨損的工況條件及瓷球的材料特性不同，某一機制所占的主導(dǎo)地位而不同，并且常常隨條件的變化發(fā)生一種機制向另一機制的轉(zhuǎn)變。
1.4瓷球的耐磨性
耐磨性是衡量瓷球質(zhì)量好壞的一項重要指標。瓷球的耐磨性與自身材料的力學(xué)性能、顯微結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用有著密切的關(guān)系，即與其內(nèi)部因素有關(guān)。近年來，人們對此進行了大量研究。
瓷球的力學(xué)性能對耐磨性的影響主要包括彈性模量E、硬度H、斷裂韌性K1c。斷裂韌性對其耐磨性的影響特別，因為瓷球脆性大、韌性差，這是其最大弱點。一般來說，高的斷裂韌性能使材料抵抗由外力引起的斷裂，高硬度有利于抗磨損，低的彈性模量對由于磨料引起的顯微應(yīng)變而有助于產(chǎn)生較低的應(yīng)力。例如氧化鋯瓷的韌性好，所以它的耐磨性就好
瓷球的顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能有密切的關(guān)系，從而它對瓷球的耐磨性也有重要的影響。瓷球顯微結(jié)構(gòu)的內(nèi)容包括晶粒的尺寸、形貌和取向，孔洞尺寸、形狀和分布，第二相的物理性質(zhì)，裂紋的尺寸、形狀，以及晶界的組分、結(jié)構(gòu)和形態(tài)等。瓷球顯微結(jié)構(gòu)因素對其耐磨性的影響不是孤立的，而是共同影響、協(xié)同作用。顯微結(jié)構(gòu)對于瓷球的耐磨性影響的基本規(guī)律一般可分為兩類：①顯微結(jié)構(gòu)的尺寸小于磨料壓入深度。在這種情況下，顯微結(jié)構(gòu)主要對其宏觀性能（包括裂紋的產(chǎn)生）有明顯影響。②顯微結(jié)構(gòu)的尺寸等于或大于磨料壓入深度。在這種情況下，顯微結(jié)構(gòu)中的單獨相及組元的重要性才顯得格外突出。晶粒越小，瓷球的耐磨性越小，瓷球內(nèi)部缺陷會使磨損過程更易產(chǎn)生晶粒剝落、開裂，從而大大降低了耐磨性。隨著瓷球主晶相百分含量增加，瓷球的耐磨性一般會相應(yīng)提高。
1.5瓷球的磨損率
磨損率的大小與瓷球的特性和工況條件密切相關(guān)，瓷球的磨損機理分為脆性斷裂磨損和塑性形變的磨損，前者的磨損特點為沿晶斷裂的晶粒脫落，后者的磨損特點為穿晶斷裂的微觀切削，所以前者的的磨損率比后者大得多。人們希望瓷球的磨損為塑性形變磨損，瓷球的內(nèi)部因素對陶瓷塑性形變磨損機理具有重要的影響。表面粗糙的瓷球磨損率大，因此，在使用瓷球之前，須進行拋光處理。瓷球的晶粒越小，瓷球的磨損率越小，所以，耐磨瓷球正朝微晶化方向發(fā)展。但納米瓷球造價很高，難以在工程應(yīng)用領(lǐng)域推廣使用。例如，氧化鋁瓷球的研究重點是在幾個微米的晶粒尺寸范圍內(nèi)有所突破和發(fā)展�？刂瓶紫堵�，提高密度，提高瓷球的韌性，有利于減小瓷球的磨損率。磨料硬度的增加和球磨機轉(zhuǎn)速的提高，瓷球的磨損率相應(yīng)提高。隨著瓷球主晶相百分含量的增加，瓷球的磨損率相應(yīng)減小。
從球磨機中取出研磨了一定時間的瓷球，洗凈、烘干測定磨損量，然后計算出磨損量與原質(zhì)量、磨損時間的比值，即得磨損率，磨損率的倒數(shù)表示耐磨性。
瓷球同金屬球一樣，由于工作特性比較復(fù)雜，所以其磨損過程比較復(fù)雜，是一綜合磨損，不同的是金屬球塑性好，而瓷球脆性大，其磨損機理是不同的。瓷球的磨損機理直接與瓷球的力學(xué)性能、顯能結(jié)構(gòu)和在球磨機中的運動狀態(tài)相關(guān)。因此，對瓷球磨損進行分析，弄清它的磨損過程與其自身的特性及工況條件的聯(lián)系，為指導(dǎo)制定使用工藝參數(shù)、合理選材和科學(xué)地研制耐磨性更好、性價比更高的瓷球提供依據(jù)。
1 瓷球的磨損分析
1.1瓷坯的工作特性
瓷球的工作特性是比較復(fù)雜的，從瓷球在球磨機中的運動狀態(tài)分析，瓷球與瓷球、襯板與磨料之間相互作用的方式有3種。①撞擊：瓷球由高處拋落，砸在磨料以及其他球和襯板上發(fā)生撞擊；②滑動：由于球磨機的速度大于瓷球、磨料的速度，瓷球與磨料、球與球以及球與襯板之間產(chǎn)生相對滑動；③滾動：由于球磨機的旋轉(zhuǎn)，瓷球總是不停地滾動。
1.2球的磨損形貌
相互接觸物體的表面相對運動過程中，其物質(zhì)發(fā)生不斷損失的現(xiàn)象稱為磨損。磨損是瓷球消耗的主要形式。
瓷球的磨損形貌分析包括宏觀形貌分析和微觀形貌分析。宏觀形貌分析的內(nèi)容有：瓷球磨損的均勻性，是否有破碎的情形。失圓表明瓷球的密度不均勻，破碎表明瓷球內(nèi)部存在嚴重的缺陷或脆性大、抗沖擊能力差。瓷球正常的磨損是由大球磨成水球，球一直保持圓形。利用掃描鏡對瓷球磨損面進行微觀形貌分析，如對犁溝、切削溝槽、晶粒脫落、疲勞剝落、凹坑、裂紋等的分析。瓷球磨損微觀形貌的分析對瓷球磨損機理的研究是很有意義的。
1.3瓷球的磨損機理
瓷球的磨損既不同于摩擦、滑動磨損，又不同于磨料、沖蝕、疲勞磨損，其是一種綜合的磨損。瓷球主要以磨料磨損為主其次為沖蝕、疲勞磨損。瓷球的磨損有兩種過程，一種是由塑性變形引起的磨損過程，另一種是斷裂引起的磨損過程。
1）由塑性變形機制引起的磨損過程。當(dāng)磨料與韌性較好的瓷球表面接觸時，主要發(fā)生兩種直接磨損過程。①犁溝：瓷球表面受磨料的擠壓、滑動而形成的痕跡，磨痕細而深；②微觀切削：瓷球在磨料的作用下發(fā)生如刨削一樣的切削過程，磨痕寬而平，如圖1所示。
2）由斷裂機制引起的磨損過程。這種磨損過程對脆性大的瓷球和晶粒尺寸較大的瓷球，或在尺寸較大的孔洞處是普通存在的。沿晶脫落和穿晶脫落就是由斷裂機制引起的磨損過程，瓷球的磨損面有凹抗，孔洞口緣為喇叭狀，如圖2所示。
在球磨機中瓷球運動上升階段的相對滑動、滾動過程中，產(chǎn)生塑性犁溝和微觀切削，在瓷球拋落沖擊過程中，出現(xiàn)脆性晶粒脫落。因此可以根據(jù)瓷球的磨損機理，推斷瓷球在球磨機中的運動狀況，為調(diào)整球磨機的運動參數(shù)提供參考。
在磨損過程中，無論瓷球的韌性好還是脆性大，都可能同時發(fā)生塑性變形和脆性斷裂兩種機制，只是由于磨損的工況條件及瓷球的材料特性不同，某一機制所占的主導(dǎo)地位而不同，并且常常隨條件的變化發(fā)生一種機制向另一機制的轉(zhuǎn)變。
1.4瓷球的耐磨性
耐磨性是衡量瓷球質(zhì)量好壞的一項重要指標。瓷球的耐磨性與自身材料的力學(xué)性能、顯微結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用有著密切的關(guān)系，即與其內(nèi)部因素有關(guān)。近年來，人們對此進行了大量研究。
瓷球的力學(xué)性能對耐磨性的影響主要包括彈性模量E、硬度H、斷裂韌性K1c。斷裂韌性對其耐磨性的影響特別，因為瓷球脆性大、韌性差，這是其最大弱點。一般來說，高的斷裂韌性能使材料抵抗由外力引起的斷裂，高硬度有利于抗磨損，低的彈性模量對由于磨料引起的顯微應(yīng)變而有助于產(chǎn)生較低的應(yīng)力。例如氧化鋯瓷的韌性好，所以它的耐磨性就好
瓷球的顯微結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能有密切的關(guān)系，從而它對瓷球的耐磨性也有重要的影響。瓷球顯微結(jié)構(gòu)的內(nèi)容包括晶粒的尺寸、形貌和取向，孔洞尺寸、形狀和分布，第二相的物理性質(zhì)，裂紋的尺寸、形狀，以及晶界的組分、結(jié)構(gòu)和形態(tài)等。瓷球顯微結(jié)構(gòu)因素對其耐磨性的影響不是孤立的，而是共同影響、協(xié)同作用。顯微結(jié)構(gòu)對于瓷球的耐磨性影響的基本規(guī)律一般可分為兩類：①顯微結(jié)構(gòu)的尺寸小于磨料壓入深度。在這種情況下，顯微結(jié)構(gòu)主要對其宏觀性能（包括裂紋的產(chǎn)生）有明顯影響。②顯微結(jié)構(gòu)的尺寸等于或大于磨料壓入深度。在這種情況下，顯微結(jié)構(gòu)中的單獨相及組元的重要性才顯得格外突出。晶粒越小，瓷球的耐磨性越小，瓷球內(nèi)部缺陷會使磨損過程更易產(chǎn)生晶粒剝落、開裂，從而大大降低了耐磨性。隨著瓷球主晶相百分含量增加，瓷球的耐磨性一般會相應(yīng)提高。
1.5瓷球的磨損率
磨損率的大小與瓷球的特性和工況條件密切相關(guān)，瓷球的磨損機理分為脆性斷裂磨損和塑性形變的磨損，前者的磨損特點為沿晶斷裂的晶粒脫落，后者的磨損特點為穿晶斷裂的微觀切削，所以前者的的磨損率比后者大得多。人們希望瓷球的磨損為塑性形變磨損，瓷球的內(nèi)部因素對陶瓷塑性形變磨損機理具有重要的影響。表面粗糙的瓷球磨損率大，因此，在使用瓷球之前，須進行拋光處理。瓷球的晶粒越小，瓷球的磨損率越小，所以，耐磨瓷球正朝微晶化方向發(fā)展。但納米瓷球造價很高，難以在工程應(yīng)用領(lǐng)域推廣使用。例如，氧化鋁瓷球的研究重點是在幾個微米的晶粒尺寸范圍內(nèi)有所突破和發(fā)展�？刂瓶紫堵�，提高密度，提高瓷球的韌性，有利于減小瓷球的磨損率。磨料硬度的增加和球磨機轉(zhuǎn)速的提高，瓷球的磨損率相應(yīng)提高。隨著瓷球主晶相百分含量的增加，瓷球的磨損率相應(yīng)減小。
從球磨機中取出研磨了一定時間的瓷球，洗凈、烘干測定磨損量，然后計算出磨損量與原質(zhì)量、磨損時間的比值，即得磨損率，磨損率的倒數(shù)表示耐磨性。
