1 濕法超細研磨設備在新材料生產中的應用
在充滿生機, 競爭激烈的21世紀, 信息產業, 精細陶瓷, 生物技術, 能源供應, 環境保護, 先進制造技術和國防科技的高速發展對新材料提出了新的、更高的要求??偠灾? “三超”(超細、超硬、超純)新材料的研發及產業化已成為新技術革命的一個重要方面。
1)超細: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百萬分之幾以內(ppm)。
機械超細研磨工藝是制造“三超”材料的主要方法之一。機械超細研磨設備包括干法超細研磨及濕法超細研磨設備。
2 濕法超細研磨設備重要發展階段
濕法超細研磨設備是在球磨機的基礎上逐步發展成超細研磨設備(砂磨機)。所以, 目前還經常將砂磨機稱作球磨機或攪拌磨。而在國外被稱作攪拌式球磨機或砂磨機(臺灣稱作珠磨機)。球磨機、攪拌磨和砂磨機共同點是利用研磨介質之間的碰撞, 擠壓, 摩擦等原理破碎物料, 所以三者都屬于介質研磨設備。三者又有以下本質上的區別:
1)球磨機。筒體低速旋轉, 筒體內無攪拌器, 使用大尺寸磨球, 利用磨球的重力勢能破碎物料。設備研磨細度最細可達5~10μm。
2)攪拌磨。筒體固定不轉, 筒體內有銷棒式攪拌器, 使用較小磨球, 利用攪拌器給予介質的動能破碎,一般為立式結構。研磨細度最細可達1~5μm。
3)砂磨機。筒體固定不轉, 筒體內有不同形式的攪拌軸, 使用很小研磨介質, 利用攪拌軸給予介質的動能破碎物料。有立式或臥式, 盤式或銷棒式。研磨細度最細可達到100nm。

第一發展階段:立式攪拌磨(底部篩網分離器+棒式研磨原件);
第二發展階段:臥式圓盤砂磨機(盤式+不同形式的介質分離結構)。
總之, 超細研磨設備砂磨機不論是研磨原理, 還是研磨細度及應用領域都與球磨機大不相同。攪拌磨無需借助重力而具有獨立的能量輸入者, 可以認為是研磨設備的一場技術革命。但攪拌磨轉速低, 介質尺寸較大, 沿銷棒徑向線速度梯度變化大, 故研磨效率較低, 產品粒度分布寬。所以, 攪拌磨逐步被砂磨機擠出市場, 現僅用于硬質合金, 鐵氧體研磨或預研磨。
3 傳統研磨設備在加工“三超”物料時碰到的技術難題
1)磨不細。這是傳統研磨設備最難解決的問題之一。因為, 在介質磨設備中, 要將物料破碎得更細,必須使用更小的研磨介質, 而小尺寸介質的質量也小。要提高介質的動能, 只有增大其運動速度, 由于受漿料阻尼及介質加速距離小的限制, 介質很難在密閉容器中獲得很大的運動速度。
2)分不離。這是傳統超細研磨設備又一個難題。一般所研磨產品最終平均細度約為所用介質尺寸1/1000。如果研磨產品細度為100 μm, 應該使用介質的尺寸為0.1 mm。如此小尺寸介質與物料的機械分離(通過縫隙網)是十分困難的。
3)純度不夠。在特定情況下產品純度是判斷產品質量合格的惟一標準。否則, 即使細度達到了, 介質與物料也分離了, 但被污染了的物料還是屬于廢品!
4 濕法超細研磨設備最新發展
4.1 DTS(DynamicTurboSeparation)動態渦輪介質分離轉子
隨著對產品細度要求不斷提高, 必須使用極小的研磨介質。傳統超細研磨設備使用過流面積很小的縫隙分離環及靜態篩網很難分離小尺寸介質。所以, 小尺寸研磨介質的分離是傳統超細研磨設備發展中一直未能解決的難題之一。
新型超細研磨設備標志之一是使用動態介質分離系統。它的靈感來自氣流分級原理, 轉子渦輪帶動介質旋轉而產生的離心力使介質被甩向轉子外周圍, 而轉子中心主要是料漿, 所以, 將分離篩網布置在渦輪轉子中心, 料漿可以順利地通過篩網縫隙流出, 不會發生堵塞及磨損。將干法分級原理用于濕法研磨設備介質分離是砂磨機發展中的小的技術革命!

4.2 新型介質分離篩網
如圖3所示, 不同材質選擇, 超大過流面積, 篩網布置在轉子中心, 利用渦輪離心分離原理徹底解決了小尺寸研磨介質與物料分離的技術難題, 從而為設備使用極小尺寸研磨介質掃清了障礙, 解決了磨料“磨不細”和“分不離”的技術難題。
一般對金屬污染不敏感物料超細研磨可以使用不銹鋼篩網。大多數陶瓷原料超細研磨使用氧化鋯材質的篩網。而對于超純氧化鋁的研磨, 則必須使用聚氨酯材質的(PU)過濾篩網。對于細度在100nm至1μm物料超細研磨, 一般使用0.2~0.6mm的研磨介質, 分離篩網縫隙寬度為0.1~0.2mm。如此小縫隙篩網制造需要專用的工裝設備及技巧。
4.3 瑞馳臥盤式研磨設備HDM系列
HDM臥盤式超細研磨設備是在總結了國內外已有砂磨機使用中的經驗和存在的問題做了約15項改進而開發的。主要用于B4C、SiC、Si3N4 、ZrO2 、ZrSiO4等物料的濕法超細研磨。
HDM超細研磨設備具有一下特點:動態渦輪分離系統(DTS):利用渦輪轉子的離心力原理分離介質,從而可以使用最小0.2 mm的研磨介質,研磨細度可以達到亞納米級。PU耐磨包覆:所有與物料接觸部件均為聚氨酯包覆,不會對物料產生金屬及其它污染。
4.4 新一代渦輪離心超細研磨設備HZM系列
HZM渦輪離心納米研磨設備是在總結已有研磨設備優缺點上而開發的新一代納米超細研磨設備。該新一代超細研磨設備核心部分有以下兩點:整體渦輪轉子結構,具有銷棒和盤式的綜合優點,轉子本身既是研磨元件又是分離元件。
超細研磨發生在高能量密度的外環區域,線速度根據所研磨物料(轉速)可以無級可調,當使用小尺寸研磨介質時設備運行在高速工況, 以保證介質獲得足夠能量破碎物料,真正解決了傳統研磨設備“磨不細”的難題。特殊材質研磨元件一般為聚氨酯或陶瓷材料, 避免了設備材質對物料的污染, 解決了產品“純不夠”難題。
HZM超細研磨設備系列主要用于超細研磨MLCC、CMP、ITO、BTO、Ferrite、Ink-Jet等新材料的生產。研磨工藝如圖6所示。
5 研磨介質對研磨效果的影響
1)介質的作用。是傳輸能量中介體, 所有“介質磨”研磨效率及產品質量都與介質的種類、尺寸、密度有關。介質分離系統是砂磨機重要組成部分, 它的作用是將已磨過的物料與研磨介質分開。
2)介質的尺寸。研磨設備一般使用球型介質。直徑越小, 單位體積中裝填的介質數目越多, 磨球之間接觸點就越多, 在研磨時間相同情況下產品細度愈好, 但過小的研磨介質往往引起設備出口分離器的堵塞。分離器縫隙寬度決定研磨介質尺寸大小, 一般情況下研磨介質直徑為砂磨機分離器縫隙寬度的2~3倍。
3)介質的裝填率。即設備近似最佳研磨效果時介質填加量, 臥式砂磨機的裝填率一般為80% ~85%;立式設備的裝填率一般為75% ~ 80%。研磨介質裝填率過高, 容易引起砂磨機溫升過高或者出口堵塞;研磨介質裝填率過低, 研磨效率低。研磨介質的密度:介質密度越大, 動能越大, 研磨效率越高。
6 同質研磨介質開發
被研磨的物料與研磨介質為同一材料, 因此不會由于研磨介質磨損而引起物料的污染。為了超細加工不同種類的“三超”物料, 開發了與之相對應的同質研磨介質。研磨碳化硼、碳化硅、氧化鋁時分別使用B4C、SiC、Al2O3研磨介質。超純氧化鋁(99.99%)主要用于精細陶瓷、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, 酸洗去除鐵污染, 不僅成本高, 而且污染環境。碳化硼和碳化硅等特殊陶瓷介質開發成功解決了多年陶瓷超細研磨的技術難題。
北京瑞馳拓維科技有限公司經過5年堅韌不拔的持續攻關開發出新型超細研磨設備, HDM臥盤式,HZM渦輪離心系列及與之配套的研磨介質徹底解決了“三超”物料“磨不細”, “分不離”, “純度不夠”的難題。滿足了國內外特殊用戶對“三超”物料加工提出的質量指標及技術要求, 設備已經系列化, 產業化并形成規?;圃?。
作者:馮平倉(北京瑞馳拓維科技有限公司 北京 100176)

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