具有平滑表面的陶瓷珠及其製造方法

2023-04-25 21:57:01 2

專利名稱：具有平滑表面的陶瓷珠及其製造方法
技術領域：
本發明涉及一種適用於例如珠研磨機(bead mill)的陶瓷珠(ceramic bead)以及該陶瓷珠的製造方法。
背景技術：
已知珠研磨法是用於混合和/或解聚陶瓷微粉末的技術(參見例如專利文獻1)。 要求珠研磨機中所用的珠具有高耐磨性以使由於珠磨損而產生的珠材料所導致的汙染最小化(參見例如專利文獻2和3)。作為增強珠的耐磨性的一個方法，已經公開了利用熱等離子體製造球狀粉末的技術(參見例如專利文獻4和幻。在該利用熱等離子體製造球狀粉末的技術中，由於在寬的區域中產生射頻等離子體，所以主要使用射頻等離子體(參見例如專利文獻5、6和7)。在射頻等離子體方法中，已通過高溫區域的粒子在熱等離子體中熔融，並大量地變成球狀粉末粒子。然而，該方法具有以下問題分布在圍繞熱等離子體並且供保護氣體流過的區域中的粒子未熔融並且共存為具有低耐磨性的粒子。因此，例如，對以下兩種方法進行了研究 在一種方法中，原料粉末被導入到直流(DC)電弧等離子體中並且在原料粉末熔融的狀態下吹除原料粉末，由此將粉末引導到射頻等離子體的高溫部(參見例如專利文獻4)，在另一種方法中，射頻等離子體被配置成兩級(參見例如專利文獻幻。然而，這些方法不僅涉及複雜的工藝而且還具有以下缺陷當原料粉末中具有孔隙時，粒子在熔融時爆裂或在熔融過程中形成空隙(void)，從而產生難以使粒子充分球狀化的障礙。現有技術文獻專利文獻專利文獻1 日本特開2001-39773號公報專利文獻2 日本特許第2707528號公報專利文獻3 日本特開平06-183833號公報專利文獻4 日本特開昭63-250401號公報專利文獻5 日本特開平06-287012號公報專利文獻6 日本特開平06-025717號公報專利文獻7 日本特開2002-346377號公報

發明內容
發明要解決的問題考慮上述問題而實現的本發明涉及一種很少含有爆裂粒子、很少具有空隙以及具有平滑表面的陶瓷珠，以及涉及一種利用直流(DC)熱等離子體容易地製造這種陶瓷珠的方法。用於解決問題的方案為了克服上述問題，本發明人勤勉地進行了研究。結果，本發明人發現，具有迄今為止未能得到的令人滿意的球狀並且具有平滑表面的陶瓷珠可利用DC等離子體槍用於產生層流的熱等離子體並且陶瓷原料的粉末被導入到該等離子體中的方法通過如下步驟來製造在用載氣(carrier gas)輸送原料粉末的狀態下預熱原料粉末，將預熱後的粉末從粉末供給口導入到熱等離子體中，以在使粉末的表面熔融的狀態下使原料粉末與熱等離子體橫切，隨後冷卻並固化粒子，並且用收集容器收集固化後的粒子。由此，完成了本發明。S卩，本發明的主旨存在於如下的(1)至(14)中。(1) 一種氧化鋯珠，其特徵在於，該氧化鋯珠的利用AFM、即原子力顯微鏡測量的表面粗糙度Ra為3. Onm以下。(2)優選地，根據(1)所述的氧化鋯珠，其特徵在於，所述氧化鋯珠的單斜晶含量小於1%，所述氧化鋯珠的利用掃描雷射顯微鏡測量的表面粗糙度Ry為0. 3 μ m以下。(3)優選地，根據(1)或(2)所述的氧化鋯珠，其特徵在於，在130°C _135°C、相對溼度為100%的條件下處理所述氧化鋯珠12小時之後，所述氧化鋯珠的單斜晶含量為10% 以下。(4)優選地，根據(1)至C3)中任一項所述的氧化鋯珠，其特徵在於，所述氧化鋯珠的內部空隙率為10%以下。(5)優選地，根據(1)至(4)中任一項所述的氧化鋯珠，其特徵在於，所述氧化鋯珠的粒徑的平均圓度為2. 0 μ m以下。(6)優選地，根據(1)至( 中任一項所述的氧化鋯珠，其特徵在於，相對於由圓度和最小二乘圓心算出的正圓的平均峰高為0. 4μπι以下，相對於所述正圓的平均峰數為2. 2 個以下。(7) 一種陶瓷珠的製造方法，其包括將陶瓷原料導入到由高電壓型直流等離子體槍、即高電壓型DC等離子體槍形成的熱等離子體中以使所述陶瓷原料熔融；隨後冷卻並固化熔融的粒子，所述方法的特徵在於，所述熱等離子體形成層流，並且處於預熱狀態的所述陶瓷原料從粉末供給口被導入到所述熱等離子體中。(8)優選地，根據(7)所述的陶瓷珠的製造方法，其特徵在於，預熱後的所述陶瓷原料以與所述熱等離子體橫切的方式導入。(9)優選地，根據(7)或⑶所述的陶瓷珠的製造方法，其特徵在於，相對於所述熱等離子體的行進方向以60°以上的角度排出所述陶瓷珠。(10)優選地，根據(7)至(9)中任一項所述的陶瓷珠的製造方法，其特徵在於，在利用載氣輸送所述陶瓷原料的狀態下，通過使所述陶瓷原料經過供耐熱性管延伸通過的爐來預熱所述陶瓷原料。(11)優選地，根據(10)所述的陶瓷珠的製造方法，其特徵在於，所述耐熱性管由如下材料中的任一種製成石英玻璃、莫來石、氧化鋁和氧化鋯。(12)優選地，根據(7)至(11)中任一項所述的陶瓷珠的製造方法，其特徵在於，所述粉末供給口位於所述DC等離子體槍的外側。(13)優選地，根據(7)至(12)中任一項所述的陶瓷珠的製造方法，其特徵在於，在水中收集所述陶瓷珠。(14)優選地，根據(7)至(1 中任一項所述的陶瓷珠的製造方法，其特徵在於，所述陶瓷原料是氧化鋯。
發明的效果根據本發明，容易由陶瓷原料粉末獲得具有平滑表面的球狀陶瓷珠。此外，即使當原料粉末中具有孔隙時，粉末粒子也不易於爆裂。因此，可以以高的生產率有效地獲得具有令人滿意形狀的陶瓷珠。


圖1是示出本發明的一個實施方式的概略圖。圖2是示出實施例1中所用的原料的示例的圖。圖3是示出在實施例1中製造的部分穩定的氧化鋯珠的圖。圖4是通過將圖3 二值化而得到的圖。圖5是示出在實施例6中製造的部分穩定的氧化鋯珠的圖。圖6是示出在比較例1中製造的部分穩定的氧化鋯珠的圖。圖7是示出排出角的測量例的圖。圖8是示出珠的截面的示例的圖。
具體實施例方式以下詳細說明本發明的氧化鋯珠。本發明的氧化鋯珠的利用AFM(原子力顯微鏡(atomic force microscope))所測量的表面粗糙度(Ra)(該表面粗糙度在下文中被稱為Ra(AFM))為3. Onm以下。在氧化鋯珠的Ra(AFM)超過3. Onm的情況中，氧化鋯珠的表面是粗糙的並且易於被磨蝕。由此，這種珠的耐磨性降低。順便提及，Ra(AFM)是由中心線表面粗糙度、中心線平均粗糙度等表示的值，並且是由根據JIS(B0601-2001)的方法所確定的值。本發明的氧化鋯珠為球狀。因此，優選地，應當利用AFM測量遠小於珠的直徑的範圍，並且應當校正斜度和曲率以確定關於線粗糙度或面積粗糙度的Ra (AFM)。優選的測量範圍如下。當線粗糙度將要被測量時，測量範圍優選為平均粒徑的1/10至1/30的長度。當面積粗糙度將要被測量時，測量範圍優選為各邊的長度均為平均粒徑的1/10至1/30的正方形區域。優選地，本發明的氧化鋯珠的單斜晶含量應小於1%。優選地，氧化鋯珠應基本上不具有單斜晶。在氧化鋯的單斜晶含量為以上的情況中，珠含有單斜晶的比例太高，在珠用作粉碎介質等時易於發生相變。因此，這種粒子易於變脆。優選地，本發明的氧化鋯珠的利用掃描雷射顯微鏡所測量的表面粗糙度(Ry)應為0. 30 μ m以下。在氧化鋯珠的表面粗糙度(Ry)超過0. 30 μ m的情況中，氧化鋯珠的表面太粗糙並且易於被磨蝕。由此，這種珠的耐磨性降低。更優選地，氧化鋯珠的表面粗糙度 (Ry)應為0. 25 μ m以下。順便提及，表面粗糙度(Ry)是由Rmax、面積粗糙度、最大高度等表示的值，並且是由根據JIS(B0601-2001)的方法所確定的值。然而，由於珠為球狀，所以，優選地，應當利用掃描雷射顯微鏡測量遠小於珠的直徑的範圍，並且應當校正斜度和曲率以確定關於線粗糙度或面積粗糙度的Ry。優選的測量範圍如下。當線粗糙度將要被測量時，測量範圍優選為平均粒徑的1/10至1/30的長度。當面積粗糙度將要被測量時，測量範圍優選為各邊的長度均為平均粒徑的1/10至1/30的正方形區域。此外，優選地，本發明的氧化鋯珠的利用掃描雷射顯微鏡所測量的表面粗糙度Ra 應為0. 04 μ m以下。在氧化鋯珠的表面粗糙度Ra超過0. 04 μ m的情況中，氧化鋯珠的表面太粗糙並且易於被磨蝕。由此，這種珠的耐磨性降低。順便提及，Ra是由中心線表面粗糙度、中心線平均粗糙度等表示的值，並且是由根據JIS(B0601-2001)的方法所確定的值。可由利用掃描雷射顯微鏡等所測量的線粗糙度或面積粗糙度計算I a。優選地，本發明的氧化鋯珠在130°C _135°C、相對溼度為100%的條件下進行水熱劣化試驗12小時之後的單斜晶含量應為10%以下。水熱劣化試驗之後單斜晶含量超過 10%的珠在用作粉碎介質等時穩定性差，並且在使用期間易於破裂或損壞。由此，這種珠的混合和/或解聚性能降低。優選地，本發明的氧化鋯珠的內部空隙率應為10%以下。在氧化鋯珠的內部空隙率超過10%的情況中，氧化鋯珠的強度降低並且易於破裂或損壞。由此，這種珠的混合和/ 或解聚性能降低。術語「內部空隙率」是指5 μ m以上的空隙的含量。優選地，本發明的氧化鋯珠的粒徑的圓度的平均值(下文中被稱為平均圓度)應為2.0μπι以下。氧化鋯珠的平均圓度尤其優選為1.9μπι以下。此外，優選地，相對於正圓的峰高的平均值(下文中被稱為平均峰高)應為0.4μπι以下，並且，相對於正圓的峰的平均數量(下文中被稱為平均峰數)應為2. 2個以下。平均峰高和平均峰數超過以上值的珠的形狀變形。當這種珠例如用作珠研磨機的粉碎介質時，珠彼此摩擦的頻率增大，從而會增加雜質的產生。氧化鋯珠的圓度可由根據JIS(B7451)的方法確定。優選地，本發明的氧化鋯珠的JIS(R1620)所規定的粒子密度應為6. 00g/cm3以上。氧化鋯珠的粒子密度尤其優選為6. 05g/cm3以上，更優選為6. 10g/cm3以上。在氧化鋯珠的粒子密度低於6. 00g/cm3的情況中，在珠中存在大量的空隙和低密度缺陷。由此，這種珠在用作粉碎介質等時易於破裂或損壞。優選地，本發明的氧化鋯珠的平均粒徑應為10 μ m至200 μ m。在平均粒徑小於 10 μ m的珠例如用作珠研磨機的粉碎介質的情況中，需要長時間混合和/或解聚陶瓷微粉末，從而導致粉碎效率下降。另一方面，平均粒徑超過200 μ m的珠太大，從而難以混合和/ 或解聚陶瓷微粉末。從令人滿意地混合和/或解聚陶瓷微粉末的觀點出發，本發明的氧化鋯珠的平均粒徑優選為10 μ m至100 μ m,尤其優選為10 μ m至80 μ m。優選地，氧化鋯珠的粒徑應當均一。從該觀點出發，粒徑的標準偏差優選小於 4. O μ m，尤其優選為3. 5 μ m以下。優選地，本發明的氧化鋯珠應為部分穩定的氧化鋯並且應含有氧化釔。氧化鋯珠易於具有內部結晶在不同方向上取向的結構，即所謂的疇(domain)結構(雙晶結構)。儘管該結構的細節不清楚，但是，該結構是陶瓷珠已經受了等離子體處理的特徵，並且該結果被認為是通過使處於被等離子體熔融的狀態的陶瓷珠快速冷卻而產生的。因此，在諸如僅進行了機械拋光的陶瓷珠等未進行等離子體處理的陶瓷珠中不能觀察到疇結構。
下面詳細說明本發明的製造方法。本發明的陶瓷珠的製造方法是如下的陶瓷珠的製造方法，該方法包括將陶瓷原料導入到利用DC等離子體槍形成的熱等離子體中以使陶瓷原料熔融，然後冷卻和固化熔融的粒子，該方法的特徵在於，熱等離子體形成層流，並且處於預熱狀態的陶瓷原料從與熱等離子體基本上垂直的粉末供給口導入到熱等離子體中。圖1概略性示出本發明的陶瓷珠的製造方法。本發明中所用的術語「層流」是指在陶瓷原料的粉末(下文中被稱為「原料粉末」) 熔融的熱等離子體區域中的氣流具有與設備壁(反應管)的軸線始終平行的流線。通常， 流速朝向設備壁(反應管)變小，而在設備的中心最大，並且易於產生流速分布。當流體接收到來自管壁的摩擦力時產生這種分布。在紊流發生器的情況下，產生從大到小的各種尺寸的漩渦，以形成激流。本發明中所使用的DC等離子體槍可以是通常的高電壓型DC等離子體槍。例如， 可以使用由Aeroplasma有限公司製造的APS7050等。在本發明的方法中，重要的是，熱等離子體應處於層流狀態。通過使用高電壓型DC 等離子體槍以及通過將等離子氣體的流量調小，可獲得具有層流的等離子流(jet)。處於該狀態的等離子體在空氣中具有與15cm-50cm —樣長的長度。優選地，將要用於本發明的DC等離子體槍應為高電壓型。與通常的DC等離子體槍在熱噴射期間的30V-80V的等離子體電壓相比，這種高電壓型DC等離子體槍在熱噴射期間的等離子體電壓為100V以上，尤其優選為100V-250V。通過延長陰極和陽極之間的距離可獲得這種高電壓。用於獲得本發明的層流的氣體流量根據設備的尺寸而改變。然而，優選地，氬氣的流量(圖1中的109和111的總和)應當減小到例如10SLM以下，並且氮等離子氣體的流量(圖1中的110)應當減小到例如10SLM以下。通常，將等離子氣體的流量減小為小的值導致等離子氣體的冷卻效果降低，由此導致電極壽命縮短。然而，在高電壓型DC等離子體槍中，由於用於獲得相同電力的等離子體電流低，所以，減小等離子氣體的流量對電極壽命的影響有限，並且，即使在空氣中也獲得層流的熱等離子體。本發明中的層流的熱等離子體的產生方法的示例包括以下方法。例如，在圖1中， 首先使氬氣109在陰極112側流動，並且藉助於等離子體電源115產生陰極側熱等離子體。 接著，使氬氣111在陽極114側流動，並且藉助於輔助電源116產生陽極側熱等離子體。此外，使諸如氮、空氣、氬、氫等等離子氣體110流動以將陰極側熱等離子體連接到陽極側熱等離子體，由此產生使原料熔融所需的熱等離子體。在APS7050用作DC等離子體槍以產生層流的熱等離子體的情況中，優選的條件包括氬氣109的流量為3SLM以下、氬氣111的流量為3SLM以下，氮等離子氣體110的流量為7SLM以下。為了增加熱能，可以添加氫氣。用於產生熱等離子體的反應管中的氣氛並不受特別限制，氧氣氣氛、惰性氣體氣氛、空氣等是可適用的。空氣是足夠的。在本發明中，預熱後的原料粉末被導入到熱等離子體中。只要原料粉末在被導入到熱等離子體中時被預熱到給定溫度，則用於預熱原料粉末的方法以及用於將預熱後的粉末導入到熱等離子體中的方法不受限制。例如，在圖1中， 通過使粉末經過電氣的、氣體的、紅外線的或其他的爐105來加熱原料粉末，其中耐熱性管 118延伸通過上述爐105，加熱後的粉末從由相同的耐熱性材料製成的粉末供給口 102導入到熱等離子體103中。優選地，耐熱性管的材料應為石英玻璃、莫來石(mullite)、氧化鋁或氧化鋯。尤其優選使用不易於產生雜質的石英玻璃。原料粉末的預熱溫度優選為400°C以上，尤其為500°C以上，更優選為800°C以上。 在預熱溫度低於400°C的情況中，難以緩解原料粉末在被熱等離子體急劇加熱時受到的熱衝擊。如此獲得的陶瓷珠的表面易於具有裂紋。當這種陶瓷珠用於珠研磨機時，該陶瓷珠由於其表面的凹凸而易於降低強度以及降低耐磨性。另一方面，只要預熱溫度為500°C以上， 可進一步緩解熱衝擊，由此可獲得適於珠研磨機的陶瓷珠。當預熱溫度為800°C以上時，該效果顯著。預熱溫度的上限並不受特別限制。然而，優選地，使用不超過供原料粉末導入的熱等離子體的溫度的預熱溫度。在預熱溫度太高的情況中，原料粉末在剛要被導入到熱等離子體中之前處於被過度加熱的狀態，於是，藉助於熱等離子體的加熱和熔融不充分。此外，優選地，當根據本發明的預熱後的原料粉末被導入到熱等離子體中時，應當以原料粉末與熱等離子體橫切的方式導入原料粉末。通過將原料粉末導入到形成層流的熱等離子體中以及通過使導入的粉末與熱等離子體橫切，原料粉末可被瞬時加熱熔融並且原料粉末的表面可被平滑化。此外，原料粉末的加熱時間可被更加精確地調節，並且，可防止原料粉末被過度熔融。在本發明中，在使原料粉末與熱等離子體橫切的情況中，已被加熱熔融的原料粉末可容易地從熱等離子體排出。因此，在該情況中，無需用於截止熱等離子體的氣體吹出。在本發明中用於以原料粉末與熱等離子體橫切的方式導入原料粉末的方法並不受特別限制。然而，優選地，從被布置在熱等離子體附近的與熱等離子體基本垂直的粉末供給口導入原料粉末。這裡使用的術語「基本垂直」表示導入的原料粉末與熱等離子體橫切所必需的角度，即以原料粉末橫過由等離子體所形成的層流的方向的方式導入原料粉末的角度。由於該角度根據熱等離子體的狀態改變，所以不能無條件地規定該角度。例如，在圖1中，層流的熱等離子體103豎直向下噴射，粉末供給口 102被水平地布置以將原料粉末導入到等離子體中。然而，可以使用如下的構造層流的熱等離子體103沿水平方向噴射，粉末供給口 102被豎直向下地布置以將原料粉末導入到等離子體中。可選擇地，可以使用包括成角度配置的條件。重要的是，採用使原料粉末能夠與熱等離子體橫切的角度。在本發明中，優選地，相對於熱等離子體的行進方向排出已與熱等離子體橫切的陶瓷珠的排出角為60°以上。更優選地，排出角為70°以上。在排出角小於60°的情況中，原料粉末長時間滯留在熱等離子體中。結果，粒子易於爆裂，或者易於形成諸如具有空隙的陶瓷珠等缺陷陶瓷珠。由此獲得的陶瓷珠的耐磨性降低。即使當從與熱等離子體的行進方向垂直(90° )的方向導入陶瓷原料粉末時，由於原料粉末的矢量相對於熱等離子體的行進方向傾斜，所以所獲得的陶瓷珠的排出角最大為 90° 。
這裡的術語「排出角」是指原料粉末在與熱等離子體橫切之後的排出方向與熱等離子體的行進方向之間的角度，並且是可由正被排出的陶瓷珠的軌跡和熱等離子體測量的角度。正被排出的陶瓷珠的軌跡和熱等離子體可由諸如照片等拍攝圖像來確定。優選地，使用示出正被排出的原料粉末粒子的拍攝圖像、通過使拍攝圖像二值化而獲得的圖像等。在圖7中，熱等離子體(701)構成沿著箭頭所示的方向的層流。層流的行進方向和與層流的行進方向平行的方向之間的角度被設為0°，該方向和原料粉末在與熱等離子體橫切之後的排出方向之間的角度(702)是排出角。關於原料被導入到等離子體中的角度，迄今為止研究了如下的技術以直角或基於上述方向以士45°的範圍中的角度導入原料(例如，參見專利文獻)。然而，這些技術旨在增大處理量或延長在等離子體中的滯留時間，待處理的材料被供給到尾焰(tail flame) 區域中。相反，本發明中規定的因素是原料的排出角。在本發明的方法中，排出角意味著已供給的原料粉末短時間內通過高溫等離子體並由此被等離子體處理，並且意味著防止被處理的材料長時間滯留在尾焰中。在本發明中，優選地，粉末供給口的位置應位於熱等離子體的附近並位於DC等離子體槍主體的外側。該位置防止原料粉末滯留在DC等離子體槍中，或者防止滯留在槍中的原料粉末再次進入到等離子體中，由此，可在避免汙染的情況下穩定地操作設備。從產生熱等離子體的位置到粉末供給口的距離(圖1中的117)優選在5cm至IOcm 的範圍中。通過調節該距離，可精確地控制加熱。優選地，在本發明中，當預熱後的原料粉末將要被導入到熱等離子體中時，應通過利用載氣輸送原料粉末來導入原料粉末。例如，在圖1中，原料粉末被裝載到粉末供給器 101中，利用載氣100運送到粉末供給口 102，從粉末供給口 102導入到層流的熱等離子體 103 中。作為載氣，可使用氬氣、氮氣、氦氣或空氣。在從粉末供給口噴射的載氣的流速方面，載氣的流速優選為50m/秒-400m/秒，更優選為80m/秒-250m/秒。在載氣的流速低於50m/秒的情況中，用於供給原料粉末的管中易於發生堵塞。在載氣的流速超過400m/秒的情況中，原料粉末的加熱不充分。相反，只要載氣的流速為80m/秒-250m/秒，則幾乎不發生管內堵塞以及加熱不充分等問題。順便提及，利用下式⑴導出載氣的流速X= (XIX 106/60) X (X2 +273) / (293 X 3. 14 X X32/4)/1000 (1)其中，X是載氣的流速(m/秒)；Xl是載體供給量(L/分)；X2是預熱溫度(°C )； X3是用於輸送原料粉末的管的內徑(mm)。此外，式⑴中的數值273、293和3. 14分別指絕對溫度(K)、通常溫度⑷和圓周率。因此，當載氣例如以8L/分的量被供給到內徑為2mm並被加熱到800°C的管中時， 載氣的流速為大約160m/秒。在本發明中，已與熱等離子體橫切的原料粉末處於熔融粉末狀態，該熔融粉末被冷卻並固化然後被收集為陶瓷珠。在本發明中，可使從熱等離子體排出的熔融粉末以其現在的樣子自然落下。結果，熔融粉末冷卻並固化，從而可獲得具有平滑表面的陶瓷珠。在陶瓷珠將要通過自然落下而收集的情況中，優選地，從粉末供給口到收集容器的底部的距離應為30cm至100cm。在該距離小於30cm的情況中，冷卻不充分從而導致過熱的問題。大於IOOcm的距離導致收集效率下降。根據本發明，為了收集陶瓷珠，優選地，使用緩解陶瓷珠在落下時受到的衝擊的方法。尤其優選使用通過使陶瓷珠落入到水中來收集陶瓷珠的方法。通過如此緩解收集時的衝擊，可防止所形成的陶瓷珠破裂。收集所必需的水量取決於珠的尺寸和重量。然而，能夠緩解陶瓷珠在落下時受到的衝擊的量可以是足夠的。例如，在分批處理的情況中，優選地，使用如下的量的水在收集了所有的陶瓷珠之後，水面在所收集的陶瓷珠的上方。在連續處理的情況中，流動的水可以被導入到收集容器中並能從收集容器排出，以連續地取出陶瓷珠。此外，在根據本發明的陶瓷珠的收集方法中，優選地，僅收集已與熱等離子體橫切的陶瓷珠。在已被導入到熱等離子體中的原料粉末的一部分在不與熱等離子體橫切的狀態下隨著熱等離子體的層流流動並熔融的情況中，這些原料粉末粒子長時間滯留在熱等離子體中，從而易於發生諸如破裂的粒子以及具有空隙的陶瓷珠等缺陷。這些粒子的耐磨性低， 優選地，所收集的陶瓷珠不應包含這些粒子。僅收集已與熱等離子體橫切的陶瓷珠的方法包括收集容器被布置在粉末供給口相對於熱等離子體的中心的相對側的技術。例如，在圖1中，收集容器106被布置在粉末供給口 102相對於熱等離子體103的中心的相對側。通過如此布置收集容器，可僅收集已與熱等離子體橫切的令人滿意的陶瓷珠。優選地，收集容器應具有耐熱性並且應由不鏽鋼製成。此外，從防止所生成的陶瓷珠附著於收集容器的角度考慮，優選地，收集容器的表面應塗覆有樹脂。根據本發明的方法，可製造均為球狀並且具有平滑表面的陶瓷珠。由本發明製造的陶瓷珠的材料可以是任意的氧化材料。所述氧化材料的示例包括氧化鋁、氧化鋯、二氧化矽、莫來石、氧化釔和鈦酸鋇。尤其優選地，所述材料應為氧化鋯。在製造用於珠研磨機的陶瓷珠的情況中，優選採用具有與待粉碎材料相同的成分的陶瓷，或者採用諸如部分穩定的氧化鋯等硬且不易破裂的材料。優選地，用作由本發明製造的陶瓷珠用原料的粉末應為通過對陶瓷的粉末造粒而獲得的粉末。造粒方法並不受特別限制。然而，優選諸如噴霧乾燥、液中造粒、滾動造粒等適於製造球狀粉末的造粒方法。在諸如氧化鋁、二氧化矽或莫來石等具有較低熔點的陶瓷材料用作原料粉末的情況中，可以採用通過粉碎陶瓷塊而獲得的粉末。用作由本發明所製造的陶瓷珠用原料的粉末的直逕取決於最終製造的陶瓷珠的直徑。然而，可以使用直徑為大約ΙΟμπι至200μπι的原料粉末。實施例下面將參照實施例和比較例詳細說明本發明，但是本發明不應被理解為被限制於這些實施例。對本發明所獲得的陶瓷珠進行以下評價。(內部空隙率的測量)
通過對陶瓷珠的截面進行SEM觀察來測量內部空隙率。在對截面的SEM觀察中， 5μπι以上的孔被認為是空隙，空隙的存在比例被認為是內部空隙率。對400個粒子進行觀察以測量內部空隙率。(平滑珠的比例的計算)通過對陶瓷珠的表面進行SEM觀察而計算平滑珠的比例。在對表面的SEM觀察中， 表面未熔融的珠以及表面未充分熔融和表面未平滑化的珠被認為是有缺陷的。從所有已觀察到的陶瓷珠的比例中減去這些缺陷珠的比例，所得到的值被認為是平滑珠的比例。對100 個粒子進行觀察以算出平滑珠的比例。(磨損性的評價)利用分批珠研磨裝置(RMB-01型、由AIMEX有限公司製造)評價所製造的陶瓷珠的磨損性。將110克所獲得的陶瓷珠和45CC的純水導入到由氧化鋯製成的、具有IOOcc的容量並且能夠被調節成具有18°C的溫度的研磨容器中，並且以2000rpm的攪拌速度攪拌30 小時。攪拌後，除去陶瓷珠，回收剩餘的攪拌液並用電感耦合等離子體發射光譜法(下文中被稱為「ICP」)測量該剩餘的攪拌液以確定攪拌液中存在的氧化鋯的量。(水熱劣化試驗)在水熱劣化試驗中，使用高壓鍋(TPC-212M、由TABAIESPEC公司製造)在132°C、 相對溼度為100%的條件下處理氧化鋯珠12小時。處理期間的壓力為1. 7MPa-2. OMPaJ^ 度和溼度的控制精度為3%。(單斜晶含量的測量)用X-射線粉末衍射法(XRD)測量氧化鋯珠，在所獲得的衍射圖中在2Θ = 觀.2°、30.2°、31.2°處出現的峰被認為是與單斜晶和正方晶對應。此外，算出各峰的面積，利用下式計算單斜晶含量。[數學式1]
魚斜曰今畺 _·5/η( 1 I)+ Smil 1 l)-
早 4日日合裡 SjnG χ χ)+ strc(l O 1)+ 5^(1 1 1)Smil 1 1)單斜晶峰的面積 O θ = 28. 2。)St，c(lOl)正方晶峰的面積 O θ = 30. 2° )Sm(Ill)單斜晶峰的面積 ΟΘ = 31.2° )(平均粒徑的測量)以如下方式進行測量。使用由Nanosystem公司製造的NanoHunter NSI-Pro對在SEM觀察中獲得的直徑放大500倍的照片進行圖像分析。將各拍攝圖像的明暗部二值化以將圖像分成珠部和基部。在二值化中，顏色比構成圖像背景的基部亮或暗的珠部被抽出，使用白色和黑色分開地示出抽出的部分和背景。通過利用給定亮度作為閾值對整個圖像等同地二值化的方法來執行二值化。為了消除測量值的波動以獲得精確的評價，利用掃描顯微鏡以給定間隔在預定範圍內對珠照相，並收集珠圖像。所測量的珠數量為大約50個；不完整珠圖像、即位於邊緣的不完整珠圖像以及由於珠重疊而導致的不完整珠圖像被除去，從而僅對完整珠圖像進行圖像分析。在圖像分析之後，測量珠的平均直徑。在該測量中，通過二值化而獲得的珠部被分離成圓，並求出各分離後的圓的直徑以獲得珠的平均粒徑。(粒子密度的測量)通過JIS(R1620)中規定的比重瓶法測量粒子密度。測量容器的質量用mpl表示， 將珠放置到該容器中後的質量用mp2表示。隨後，乙醇作為浸漬液被導入到該容器中，使得珠被完全浸漬。該容器被放置到真空容器中以進行脫氣。向脫氣後的容器中額外導入給定量的乙醇，該容器的質量用mp3表示。此外，從容器取出珠和乙醇，然後僅向容器中導入給定量的乙醇。該狀態中的容器的質量用mp4表示。使用比重計和溫度計算出乙醇的比重Py 並利用下式計算粒子密度。[數學式2]
權利要求
1.一種氧化鋯珠，其特徵在於，該氧化鋯珠的利用AFM、即原子力顯微鏡測量的表面粗糙度Ra為3. Onm以下。
2.根據權利要求1所述的氧化鋯珠，其特徵在於，所述氧化鋯珠的單斜晶含量小於 1%，所述氧化鋯珠的利用掃描雷射顯微鏡測量的表面粗糙度Ry為0. 3 μ m以下。
3.根據權利要求1或2所述的氧化鋯珠，其特徵在於，在130°C_135°C、相對溼度為 100%的條件下處理所述氧化鋯珠12小時之後，所述氧化鋯珠的單斜晶含量為10%以下。
4.根據權利要求1至3中任一項所述的氧化鋯珠，其特徵在於，所述氧化鋯珠的內部空隙率為10%以下。
5.根據權利要求1至4中任一項所述的氧化鋯珠，其特徵在於，所述氧化鋯珠的粒徑的平均圓度為2. Ομπι以下。
6.根據權利要求1至5中任一項所述的氧化鋯珠，其特徵在於，相對於由圓度和最小二乘圓心算出的正圓的平均峰高為0. 4μπι以下，相對於所述正圓的平均峰數為2. 2個以下。
7.—種陶瓷珠的製造方法，其包括將陶瓷原料導入到由高電壓型直流等離子體槍、 即高電壓型DC等離子體槍形成的熱等離子體中以使所述陶瓷原料熔融；隨後冷卻並固化熔融的粒子，所述方法的特徵在於，所述熱等離子體形成層流，並且處於預熱狀態的所述陶瓷原料從粉末供給口被導入到所述熱等離子體中。
8.根據權利要求7所述的陶瓷珠的製造方法，其特徵在於，預熱後的所述陶瓷原料以與所述熱等離子體橫切的方式導入。
9.根據權利要求7或8所述的陶瓷珠的製造方法，其特徵在於，相對於所述熱等離子體的行進方向以60°以上的角度排出所述陶瓷珠。
10.根據權利要求7至9中任一項所述的陶瓷珠的製造方法，其特徵在於，在利用載氣輸送所述陶瓷原料的狀態下，通過使所述陶瓷原料經過供耐熱性管延伸通過的爐來預熱所述陶瓷原料。
11.根據權利要求10所述的陶瓷珠的製造方法，其特徵在於，所述耐熱性管由如下材料中的任一種製成石英玻璃、莫來石、氧化鋁和氧化鋯。
12.根據權利要求7至11中任一項所述的陶瓷珠的製造方法，其特徵在於，所述粉末供給口位於所述DC等離子體槍的外側。
13.根據權利要求7至12中任一項所述的陶瓷珠的製造方法，其特徵在於，在水中收集所述陶瓷珠。
14.根據權利要求7至13中任一項所述的陶瓷珠的製造方法，其特徵在於，所述陶瓷原料是氧化鋯。
全文摘要
本發明的主題是提供一種陶瓷珠的製造方法，其中，在無需使用包括諸如DC等離子體/射頻等離子體的組合或兩級射頻等離子體等複雜工藝的情況下通過簡單方法來獲得具有平滑表面的陶瓷珠。另一個主題是提供這種陶瓷珠。本發明涉及如下的技術預熱後的陶瓷原料被導入到用高電壓型直流(DC)等離子體槍所獲得的層流的熱等離子體中並被冷卻和固化，收集所獲得的陶瓷珠。優選地，在利用載氣輸送陶瓷原料的狀態下，通過使原料經過供耐熱性管延伸通過的爐來預熱陶瓷原料，在相對於熱等離子體以60°以上的排出角從熱等離子體排出所獲得的陶瓷珠的條件下，預熱後的原料粉末被導入到熱等離子體中並被熱等離子體處理。由此，獲得具有平滑表面並且很少具有裂紋缺陷和內部空隙缺陷的令人滿意的陶瓷珠。
文檔編號B01J19/08GK102245512SQ20098014956
公開日2011年11月16日 申請日期2009年12月8日 優先權日2008年12月11日
發明者向後雅則, 高橋小彌太 申請人:東曹株式會社