1 濕法超細(xì)研磨設(shè)備在新材料生產(chǎn)中的應(yīng)用
在充滿生機(jī), 競爭激烈的21世紀(jì), 信息產(chǎn)業(yè), 精細(xì)陶瓷, 生物技術(shù), 能源供應(yīng), 環(huán)境保護(hù), 先進(jìn)制造技術(shù)和國防科技的高速發(fā)展對新材料提出了新的、更高的要求?？偠灾? “三超”(超細(xì)、超硬、超純)新材料的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化已成為新技術(shù)革命的一個重要方面。
1)超細(xì):元件小型化, 智能化, 高集成, 高密度存儲和超快速傳輸對材料尺寸要求越來越小。
2)超硬:航空、航天、新軍事裝備制造、金屬切割刀具等對新材料的硬度要求越來越高。
3)超純:工程陶瓷、電子陶瓷等對新材料純度要求高達(dá)百萬分之幾以內(nèi)(ppm)。
機(jī)械超細(xì)研磨工藝是制造“三超”材料的主要方法之一。機(jī)械超細(xì)研磨設(shè)備包括干法超細(xì)研磨及濕法超細(xì)研磨設(shè)備。
2 濕法超細(xì)研磨設(shè)備重要發(fā)展階段
濕法超細(xì)研磨設(shè)備是在球磨機(jī)的基礎(chǔ)上逐步發(fā)展成超細(xì)研磨設(shè)備(砂磨機(jī))。所以, 目前還經(jīng)常將砂磨機(jī)稱作球磨機(jī)或攪拌磨。而在國外被稱作攪拌式球磨機(jī)或砂磨機(jī)(臺灣稱作珠磨機(jī))。球磨機(jī)、攪拌磨和砂磨機(jī)共同點是利用研磨介質(zhì)之間的碰撞, 擠壓, 摩擦等原理破碎物料, 所以三者都屬于介質(zhì)研磨設(shè)備。三者又有以下本質(zhì)上的區(qū)別:
1)球磨機(jī)。筒體低速旋轉(zhuǎn), 筒體內(nèi)無攪拌器, 使用大尺寸磨球, 利用磨球的重力勢能破碎物料。設(shè)備研磨細(xì)度最細(xì)可達(dá)5～10μm。
2)攪拌磨。筒體固定不轉(zhuǎn), 筒體內(nèi)有銷棒式攪拌器, 使用較小磨球, 利用攪拌器給予介質(zhì)的動能破碎,一般為立式結(jié)構(gòu)。研磨細(xì)度最細(xì)可達(dá)1～5μm。
3)砂磨機(jī)。筒體固定不轉(zhuǎn), 筒體內(nèi)有不同形式的攪拌軸, 使用很小研磨介質(zhì), 利用攪拌軸給予介質(zhì)的動能破碎物料。有立式或臥式, 盤式或銷棒式。研磨細(xì)度最細(xì)可達(dá)到100nm。
 第一發(fā)展階段:立式攪拌磨(底部篩網(wǎng)分離器+棒式研磨原件);
第二發(fā)展階段:臥式圓盤砂磨機(jī)(盤式+不同形式的介質(zhì)分離結(jié)構(gòu))。
總之, 超細(xì)研磨設(shè)備砂磨機(jī)不論是研磨原理, 還是研磨細(xì)度及應(yīng)用領(lǐng)域都與球磨機(jī)大不相同。攪拌磨無需借助重力而具有獨立的能量輸入者, 可以認(rèn)為是研磨設(shè)備的一場技術(shù)革命。但攪拌磨轉(zhuǎn)速低, 介質(zhì)尺寸較大, 沿銷棒徑向線速度梯度變化大, 故研磨效率較低, 產(chǎn)品粒度分布寬。所以, 攪拌磨逐步被砂磨機(jī)擠出市場, 現(xiàn)僅用于硬質(zhì)合金, 鐵氧體研磨或預(yù)研磨。
3 傳統(tǒng)研磨設(shè)備在加工“三超”物料時碰到的技術(shù)難題
1)磨不細(xì)。這是傳統(tǒng)研磨設(shè)備最難解決的問題之一。因為, 在介質(zhì)磨設(shè)備中, 要將物料破碎得更細(xì),必須使用更小的研磨介質(zhì), 而小尺寸介質(zhì)的質(zhì)量也小。要提高介質(zhì)的動能, 只有增大其運動速度, 由于受漿料阻尼及介質(zhì)加速距離小的限制, 介質(zhì)很難在密閉容器中獲得很大的運動速度。
2)分不離。這是傳統(tǒng)超細(xì)研磨設(shè)備又一個難題。一般所研磨產(chǎn)品最終平均細(xì)度約為所用介質(zhì)尺寸1/1000。如果研磨產(chǎn)品細(xì)度為100 μm, 應(yīng)該使用介質(zhì)的尺寸為0.1 mm。如此小尺寸介質(zhì)與物料的機(jī)械分離(通過縫隙網(wǎng))是十分困難的。
3)純度不夠。在特定情況下產(chǎn)品純度是判斷產(chǎn)品質(zhì)量合格的惟一標(biāo)準(zhǔn)。否則, 即使細(xì)度達(dá)到了, 介質(zhì)與物料也分離了, 但被污染了的物料還是屬于廢品!
4 濕法超細(xì)研磨設(shè)備最新發(fā)展
4.1 DTS(DynamicTurboSeparation)動態(tài)渦輪介質(zhì)分離轉(zhuǎn)子
隨著對產(chǎn)品細(xì)度要求不斷提高, 必須使用極小的研磨介質(zhì)。傳統(tǒng)超細(xì)研磨設(shè)備使用過流面積很小的縫隙分離環(huán)及靜態(tài)篩網(wǎng)很難分離小尺寸介質(zhì)。所以, 小尺寸研磨介質(zhì)的分離是傳統(tǒng)超細(xì)研磨設(shè)備發(fā)展中一直未能解決的難題之一。
新型超細(xì)研磨設(shè)備標(biāo)志之一是使用動態(tài)介質(zhì)分離系統(tǒng)。它的靈感來自氣流分級原理, 轉(zhuǎn)子渦輪帶動介質(zhì)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的離心力使介質(zhì)被甩向轉(zhuǎn)子外周圍, 而轉(zhuǎn)子中心主要是料漿, 所以, 將分離篩網(wǎng)布置在渦輪轉(zhuǎn)子中心, 料漿可以順利地通過篩網(wǎng)縫隙流出, 不會發(fā)生堵塞及磨損。將干法分級原理用于濕法研磨設(shè)備介質(zhì)分離是砂磨機(jī)發(fā)展中的小的技術(shù)革命!
 4.2 新型介質(zhì)分離篩網(wǎng)
如圖3所示, 不同材質(zhì)選擇, 超大過流面積, 篩網(wǎng)布置在轉(zhuǎn)子中心, 利用渦輪離心分離原理徹底解決了小尺寸研磨介質(zhì)與物料分離的技術(shù)難題, 從而為設(shè)備使用極小尺寸研磨介質(zhì)掃清了障礙, 解決了磨料“磨不細(xì)”和“分不離”的技術(shù)難題。
一般對金屬污染不敏感物料超細(xì)研磨可以使用不銹鋼篩網(wǎng)。大多數(shù)陶瓷原料超細(xì)研磨使用氧化鋯材質(zhì)的篩網(wǎng)。而對于超純氧化鋁的研磨, 則必須使用聚氨酯材質(zhì)的(PU)過濾篩網(wǎng)。對于細(xì)度在100nm至1μm物料超細(xì)研磨, 一般使用0.2～0.6mm的研磨介質(zhì), 分離篩網(wǎng)縫隙寬度為0.1～0.2mm。如此小縫隙篩網(wǎng)制造需要專用的工裝設(shè)備及技巧。
4.3 瑞馳臥盤式研磨設(shè)備HDM系列
HDM臥盤式超細(xì)研磨設(shè)備是在總結(jié)了國內(nèi)外已有砂磨機(jī)使用中的經(jīng)驗和存在的問題做了約15項改進(jìn)而開發(fā)的。主要用于B4C、SiC、Si3N4 、ZrO2 、ZrSiO4等物料的濕法超細(xì)研磨。
HDM超細(xì)研磨設(shè)備具有一下特點：動態(tài)渦輪分離系統(tǒng)(DTS):利用渦輪轉(zhuǎn)子的離心力原理分離介質(zhì)，從而可以使用最小0.2 mm的研磨介質(zhì)，研磨細(xì)度可以達(dá)到亞納米級。PU耐磨包覆:所有與物料接觸部件均為聚氨酯包覆，不會對物料產(chǎn)生金屬及其它污染。
4.4 新一代渦輪離心超細(xì)研磨設(shè)備HZM系列
HZM渦輪離心納米研磨設(shè)備是在總結(jié)已有研磨設(shè)備優(yōu)缺點上而開發(fā)的新一代納米超細(xì)研磨設(shè)備。該新一代超細(xì)研磨設(shè)備核心部分有以下兩點：整體渦輪轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，具有銷棒和盤式的綜合優(yōu)點，轉(zhuǎn)子本身既是研磨元件又是分離元件。
超細(xì)研磨發(fā)生在高能量密度的外環(huán)區(qū)域，線速度根據(jù)所研磨物料(轉(zhuǎn)速)可以無級可調(diào)，當(dāng)使用小尺寸研磨介質(zhì)時設(shè)備運行在高速工況， 以保證介質(zhì)獲得足夠能量破碎物料，真正解決了傳統(tǒng)研磨設(shè)備“磨不細(xì)”的難題。特殊材質(zhì)研磨元件一般為聚氨酯或陶瓷材料， 避免了設(shè)備材質(zhì)對物料的污染, 解決了產(chǎn)品“純不夠”難題。
HZM超細(xì)研磨設(shè)備系列主要用于超細(xì)研磨MLCC、CMP、ITO、BTO、Ferrite、Ink-Jet等新材料的生產(chǎn)。研磨工藝如圖6所示。
 5 研磨介質(zhì)對研磨效果的影響
1)介質(zhì)的作用。是傳輸能量中介體, 所有“介質(zhì)磨”研磨效率及產(chǎn)品質(zhì)量都與介質(zhì)的種類、尺寸、密度有關(guān)。介質(zhì)分離系統(tǒng)是砂磨機(jī)重要組成部分, 它的作用是將已磨過的物料與研磨介質(zhì)分開。
2)介質(zhì)的尺寸。研磨設(shè)備一般使用球型介質(zhì)。直徑越小, 單位體積中裝填的介質(zhì)數(shù)目越多, 磨球之間接觸點就越多, 在研磨時間相同情況下產(chǎn)品細(xì)度愈好, 但過小的研磨介質(zhì)往往引起設(shè)備出口分離器的堵塞。分離器縫隙寬度決定研磨介質(zhì)尺寸大小, 一般情況下研磨介質(zhì)直徑為砂磨機(jī)分離器縫隙寬度的2～3倍。
3)介質(zhì)的裝填率。即設(shè)備近似最佳研磨效果時介質(zhì)填加量, 臥式砂磨機(jī)的裝填率一般為80% ～85%;立式設(shè)備的裝填率一般為75% ～ 80%。研磨介質(zhì)裝填率過高, 容易引起砂磨機(jī)溫升過高或者出口堵塞;研磨介質(zhì)裝填率過低, 研磨效率低。研磨介質(zhì)的密度:介質(zhì)密度越大, 動能越大, 研磨效率越高。
6 同質(zhì)研磨介質(zhì)開發(fā)
被研磨的物料與研磨介質(zhì)為同一材料, 因此不會由于研磨介質(zhì)磨損而引起物料的污染。為了超細(xì)加工不同種類的“三超”物料, 開發(fā)了與之相對應(yīng)的同質(zhì)研磨介質(zhì)。研磨碳化硼、碳化硅、氧化鋁時分別使用B4C、SiC、Al2O3研磨介質(zhì)。超純氧化鋁(99.99%)主要用于精細(xì)陶瓷、切割刀具等。 碳化硼主要用于防彈衣, 耐高溫, 耐磨陶瓷及高檔磨料。研磨碳化硼能耗是所有陶瓷原料中最高的(為4500 kW· h/t)。此前使用鋼球研磨介質(zhì), 酸洗去除鐵污染, 不僅成本高, 而且污染環(huán)境。碳化硼和碳化硅等特殊陶瓷介質(zhì)開發(fā)成功解決了多年陶瓷超細(xì)研磨的技術(shù)難題。
北京瑞馳拓維科技有限公司經(jīng)過5年堅韌不拔的持續(xù)攻關(guān)開發(fā)出新型超細(xì)研磨設(shè)備, HDM臥盤式,HZM渦輪離心系列及與之配套的研磨介質(zhì)徹底解決了“三超”物料“磨不細(xì)”, “分不離”, “純度不夠”的難題。滿足了國內(nèi)外特殊用戶對“三超”物料加工提出的質(zhì)量指標(biāo)及技術(shù)要求, 設(shè)備已經(jīng)系列化, 產(chǎn)業(yè)化并形成規(guī)模化制造。
作者：馮平倉(北京瑞馳拓維科技有限公司 北京 100176)
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