具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明作进一步地详细描述。

为达到上述技术效果，本发明提供了一种耐磨锆铝复合球，其化学组分按质量分数计包括：Al₂O₃ 75～90％，ZrO₂ 1～15％，SiO₂ 1～6％，CaO+MgO+稀土1～5％，K₂O+Na₂O 0～2％，其耐磨性能和机械性能良好，体积密度为3.6～3.8g/cm³，晶粒尺寸≤6μm，磨耗≤0.02％，直径20mm球的抗压强度≥50kN。

本发明以氧化锆增韧氧化铝，配方中加入二氧化硅作为玻璃相包裹在氧化铝周围，加入适量的氧化钙、氧化镁以及稀土有利于提高锆铝复合球的密度和耐磨性能，而严格限制碱金属氧化物的总含量则保证了产品最终性能和低成本的最优化，根据本发明提供的化学组分配比能够制备出机械性能和耐磨性能良好的耐磨锆铝复合球。

本发明提供的一种耐磨锆铝复合球的原料包括：氧化铝粉、废锆刚玉粉和烧结助剂。具体地，所述耐磨锆铝复合球的原料按质量分数计包括：氧化铝粉 50～90％、废锆刚玉粉1～45％、烧结助剂1～20％；

所述废锆刚玉粉来源于废锆刚玉砖，利用锆刚玉砖中的单斜氧化锆作为除氧化铝外含量最多的第二相成份，少量引入单斜氧化锆可以起到第二相增强机制，同时单斜氧化锆的相变体积效应可以起到微裂纹增韧效果，这使得锆铝复合球的力学性能得到进一步提高，从而进一步改善锆铝复合球的耐磨性能。

除此之外，所述耐磨锆铝复合球的原料成本低廉、来源丰富、种类充足、搭配灵活，其中氧化铝粉来源于工业氧化铝粉、铝矾土、含大量氧化铝的废刚玉砖、废陶瓷辊棒料中的一种或多种，废锆刚玉粉来源于废锆刚玉砖。通过采用固定废弃物作为主要原料，不仅可以降低成本，扩大原料来源，还可实现固体废弃物的优化再利用。

具体地，所述耐磨锆铝复合球的原料按质量分数计包括：氧化铝粉50～90％、废锆刚玉粉1～45％、烧结助剂1～20％。其中氧化铝粉为占比最高的组分，这是因为氧化铝具有机械强度高，硬度大，耐化学腐蚀性和导热性良好等优势。基于氧化铝的以上特性，会赋予锆铝复合球良好的耐磨性和机械强度。所述氧化铝粉来源于工业氧化铝粉、铝矾土、废刚玉砖、废陶瓷辊棒料中的一种或多种。

其中工业氧化铝粉是指主要成分为α-Al₂O₃的矿物粉末。用化学法从高铝矾土矿除去Si、Fe、Ti等杂质制得的，并在1300～1400℃煅烧变成α-Al₂O₃。工业氧化铝粉价格便宜，来源广泛，氧化铝纯度高。

铝矾土又称矾土或铝土矿，主要成分是氧化铝，系含有杂质的水合氧化铝，是一种土状矿物。我国有丰富的铝矾土资源，购买渠道广泛，经济实惠。

刚玉砖是指氧化铝的含量大于90％、以刚玉为主晶相的耐火材料制品。废刚玉砖价格便宜，其中含有大量可供使用的氧化铝，是生产锆铝复合球的优质原料。

废陶瓷辊棒料是指陶瓷辊棒料在生产过程中产生的边角废料，这些废陶瓷辊棒料无法大量回收，被堆积在工厂内外，不仅浪费资源，而且污染环境。废陶瓷辊棒料中含有较高含量的氧化铝和二氧化硅，将废陶瓷辊棒料作为原料制备锆铝复合球，不仅降低了锆铝复合球的成本，而且实现资源重新利用，减轻环境负荷。

本发明中，所述锆铝复合球的原料中，按质量分数计，所述氧化铝粉为 50～90％，优选地，氧化铝粉为60～80％。所述氧化铝粉中包含多种化学组分，其中按质量分数计，Al₂O₃≥65％，SiO₂≤20％，K₂O+Na₂O≤2％。优选地，所述 Al₂O₃为75～99％，SiO₂为0～10％，K₂O+Na₂O为0～1％。

所述锆铝复合球的配方中，除了氧化铝粉，废锆刚玉粉也是重要的原料，本发明中所述废锆刚玉粉来源于废锆刚玉砖，锆刚玉砖是指利用工业氧化铝粉和精选锆英石砂为原料，制成的ZrO₂含量为33％～45％的耐火制品。废锆刚玉砖中氧化铝和氧化锆含量丰富，利用锆刚玉砖中的单斜氧化锆作为除氧化铝外含量最多的第二相成份，少量引入单斜氧化锆可以起到第二相增强机制，同时单斜氧化锆的相变体积效应可以起到微裂纹增韧效果，这使得锆铝复合球的力学性能得到进一步提高，从而进一步改善锆铝复合球的耐磨性能。

所述锆铝复合球的原料中，按质量分数计，所述废锆刚玉粉为1～45％，优选地，废锆刚玉粉为15～35％。所述废锆刚玉粉含有多种化学组分，其中，按质量分数计，ZrO₂≥25％，SiO₂为≤20％，Na₂O≤2％。优选地，ZrO₂为30～45％， SiO₂为0～10％，K₂O+Na₂O为0～1％。

另外，所述锆铝复合球的原料中包含一定比例的烧结助剂，所述烧结助剂包括滑石、白云石、硅灰石、膨润土、高岭土、石榴石、钛白粉、菱镁石、碳酸钙中的一种或多种。需要说明的是，可选择适当的烧结助剂种类和用量，以满足不同的使用要求。所述锆铝复合球的原料中，按质量分数计，所述烧结助剂为0～20％，优选地，烧结助剂为1～10％。

最终按照上述原料和配比制备得到的耐磨锆铝复合球的体积密度为 3.6～3.8g/cm³，晶粒尺寸≤6μm，磨耗≤0.02％，直径20mm球的抗压强度≥50 kN。

相应地，所述耐磨锆铝复合球的制备方法包括以下步骤：

S1、配坯球磨：将耐磨锆铝复合球的原料按配比加入到球磨机中，加入分散溶液均匀混合后得到浆料；

S2、干燥造粒：将所述浆料进行造粒得到干燥粉料；

S3、成型干燥：将所述粉料冷等静压或团球成型后干燥，制成坯球；

S4、烧结：所述坯球在窑炉内烧结，窑炉冷却后取出，制得耐磨锆铝复合球。

本发明提供的耐磨锆铝复合球的制备方法，其工艺简单，原料采用了多种固体废弃物，可实现固体废弃物的综合利用，以下为上述制备方法的详细描述。

具体地，S1步骤中，所述耐磨锆铝复合球的原料及配比参照如下描述：

所述耐磨锆铝复合球按质量分数计包括：氧化铝粉50～90％、废锆刚玉粉 1～45％、烧结助剂1～20％。所述耐磨锆铝复合球的化学组分按质量分数计包括： Al₂O₃ 75～90％，ZrO₂ 1～15％，SiO₂ 1～6％，CaO+MgO+稀土1～5％，K₂O+Na₂O 0～2％。

所述氧化铝粉来源于工业氧化铝粉、铝矾土、废刚玉砖、废陶瓷辊棒料中的一种或多种。所述锆铝复合球的原料中，按质量分数计，氧化铝粉为50～90％、优选地，氧化铝粉为60～80％。所述氧化铝粉中包含多种化学组分，其中按质量分数计，Al₂O₃≥65％，SiO₂≤20％，K₂O+Na₂O≤2％。优选地，Al₂O₃为75～99％， SiO₂为0～10％，K₂O+Na₂O为0～1％。

所述废锆刚玉粉来源于废锆刚玉砖，所述锆铝复合球的原料中，按质量分数计，所述废锆刚玉粉为1～45％，优选地，废锆刚玉粉为15～35％。所述废锆刚玉粉含有多种化学组分，其中，按质量分数计，ZrO₂≥25％，SiO₂为≤20％，Na₂O ≤2％。优选地，ZrO₂为30～45％，SiO₂为0～10％，K₂O+Na₂O为0～1％。

所述烧结助剂包括滑石、白云石、硅灰石、膨润土、高岭土、石榴石、钛白粉、菱镁石、碳酸钙中的一种或多种。需要说明的是，可选择适当的烧结助剂种类和用量，以满足不同的使用要求。所述锆铝复合球的原料中，按质量分数计，所述烧结助剂为0～20％，优选地，烧结助剂为1～10％。将上述耐磨锆铝复合球的原料按配比加入到球磨机中，加入分散溶液均匀混合后得到浆料。所述分散溶液为聚丙烯酸胺、聚乙烯醇和水的混合物，且三者的重量比为：聚丙烯酸胺的用量：聚乙烯醇的用量：水的用量＝(0.1～2)：(0.3～3)：(96～99)。优选地，聚丙烯酸胺的用量为0.1-0.3％，聚乙烯醇的用量为0.3-0.7％，其余为水。更佳地，聚丙烯酸胺的用量为0.2％，聚乙烯醇的用量为0.4％，其余为水。

混合后的浆料在球磨机中均匀研磨，得到的浆料粒度大小会随着研磨力度的提高而减小，优选地，浆料研磨后的粒度为D90≤6μm，需要说明的是，研磨后的浆料粒度不是越小越好，一般地，所述浆料研磨后的D90粒度为2～6μm。

S2步骤中，对上述浆料进行造粒得到干燥粉料。优选地，采用喷雾造粒塔对浆料进行造粒得到干燥粉料。喷雾造粒塔干燥速度快，料液经雾化后表面积大大增加，在热风气流中，瞬间就可蒸发95-98％的水分，干燥时间仅需十几秒到数十秒钟。所得的粉料颗粒粒度均匀、流动性好、产品纯度高。

S3步骤中，将所述粉料冷等静压或团球成型后干燥，制成坯球。其中干燥条件为：在50-70℃干燥20～30h，优选的干燥条件为在55-65℃条件下干燥24 h。

S4步骤中，将上述坯球在窑炉内烧结，制得耐磨锆铝复合球。其中烧结条件为：

以1-5℃/min升温到200-300℃，保温2-4h；

再以1-5℃/min升温至650-750℃，保温3-6h；

再以1-5℃/min升温至1000-1200℃，保温1-3h；

再以1-5℃/min升温至1350-1500℃，保温1-3h。

采用上述烧结条件，可在烧结过程中完全烧除自由水和有机物，同时适宜的升温速度和保温时间可以保证产品的最终微观结构均匀致密。

需要说明的是，耐磨锆铝复合球的实际的烧结条件需要综合考虑耐磨锆铝复合球的原料组成、制备过程以及最终产品性能要求后确定。

最终制备所得的耐磨锆铝复合球具有良好的机械强度和耐磨性能，具体地，所述耐磨锆铝复合球的体积密度为3.6～3.8g/cm³，晶粒尺寸≤6μm，磨耗≤ 0.02％，直径20mm球的抗压强度≥50kN。

为了更好的理解发明方案，本说明书提供以下实施例加以说明：

实施例1

耐磨锆铝复合球及其制备方法，

原料配方为(按质量分数计)：工业氧化铝粉68％、废锆刚玉粉25％、滑石 1％、白云石5％、膨润土1％。

化学组分按质量分数计为：Al₂O₃ 81.6％，ZrO₂ 7.6％，SiO₂ 5.2％，CaO 1.7％，MgO 1.4％，K₂O 0.5％，Na₂O 0.7％。

耐磨锆铝复合球的制备方法，包括以下步骤：

S1、配坯球磨：将原料按配比称量加入到球磨机中，加入水和聚丙烯酸胺和聚乙烯醇PVA，其中按质量分数计，聚丙烯酸胺加入量为0.2％，聚乙烯醇加入量为0.4％，其余为水。球磨若干小时使得浆料粒度D90≤6μm。

S2、干燥造粒：将浆料送入喷雾造粒塔中进行造粒得到干燥粉料。

S3、成型干燥：将粉料冷等静压成型，成型压力为100MPa，成型粗坯球的直径为23mm，将粗坯球放在65℃的条件下干燥24h，然后进行烧结。

S4、烧结：所述坯球在窑炉内烧结，窑炉冷却后取出，制得耐磨锆铝复合球。烧结条件为以2℃/min升温到200℃，然后保温2h；再次以2℃/min升温至750℃，保温3h；再以2℃/min升温至1200℃，保温3h；再以5℃/min升温至1500℃，保温3h。

实施例2

原料配方为(按质量分数计)：工业氧化铝粉74％、废锆刚玉粉20％、白云石5％、膨润土1％。

化学组分按质量分数计为：Al₂O₃ 85.2％，ZrO₂ 6.1％，SiO₂ 4.9％，CaO 1.6％，MgO 1.7％，K₂O 0.5％，Na₂O 0.7％。

上述耐磨锆铝复合球的制备方法，包括以下步骤：

S1、配料球磨：将原料按配比称量加入到球磨机中，加入水和聚丙烯酸胺和聚乙烯醇PVA，其中按质量分数计，聚丙烯酸胺加入量0.2％，聚乙烯醇加入量为0.4％，其余为水。球磨若干小时使得浆料粒度D90≤5μm。

S2、干燥造粒：将浆料送入喷雾造粒塔中进行造粒得到干燥粉料。

S3、成型烧结：将粉料经过团球成型，团球直径为23mm，将粗坯球放在 65℃的条件下干燥24h，然后进行烧结。

S4、烧结：所述坯球在窑炉内烧结，窑炉冷却后取出，制得耐磨锆铝复合球。烧结条件为：以3℃/min升温到200℃，然后保温2h；再次以3℃/min升温至750℃，保温3h；再以3℃/min升温至1200℃，保温3h；再以5℃/min 升温至1500℃，保温3h。

实施例3

原料配方为(按质量分数计)：工业氧化铝粉69％、废陶瓷辊棒料10％、废锆刚玉粉15％、白云石5％、膨润土1％。

化学组分按质量分数计为：Al₂O₃ 85.7％，ZrO₂ 5.0％，SiO₂ 5.5％，CaO 1.6％，MgO 1.1％，K₂O 0.5％，Na₂O 0.6％。

上述耐磨锆铝复合球的制备方法，包括以下步骤：

S1、配料球磨：将原料按配比称量加入到球磨机中，加入水和聚丙烯酸胺和聚乙烯醇PVA，其中按质量分数计，聚丙烯酸胺加入量0.2％，聚乙烯醇加入量为0.4％，其余为水。球磨若干小时使得浆料粒度D90≤6μm。

S2、干燥造粒：将浆料送入喷雾造粒塔中进行造粒得到干燥粉料。

S3、成型烧结：将粉料经过团球成型，团球直径为23mm，将粗坯球放在 65℃的条件下干燥24h，然后进行烧结。

S4、烧结：所述坯球在窑炉内烧结，窑炉冷却后取出，制得耐磨锆铝复合球。烧结条件为：以3℃/min升温到200℃，然后保温2h；再次以3℃/min升温至750℃，保温3h；再以3℃/min升温至1200℃，保温3h；再以5℃/min 升温至1480℃，保温3h。

实施例4

原料配方为(按质量分数计)：工业氧化铝粉69％、铝矾土10％、废锆刚玉粉15％、白云石5％、膨润土1％。

化学组分按质量分数计为：Al₂O₃ 85.5％，ZrO₂ 4.5％，SiO₂ 5.2％，CaO 1.7％，MgO 1.2％，K₂O 0.5％，Na₂O 0.8％。

上述耐磨锆铝复合球的制备方法，包括以下步骤：

S1、配料球磨：将原料按配比称量加入到球磨机中，加入水和聚丙烯酸胺和聚乙烯醇PVA，其中按质量分数计，聚丙烯酸胺加入量0.2％，聚乙烯醇加入量为0.4％，其余为水。球磨若干小时使得浆料粒度D90≤6μm。

S2、干燥造粒：将浆料送入喷雾造粒塔中进行造粒得到干燥粉料。

S3、成型烧结：将粉料经过团球成型，团球直径为23mm，将粗坯球放在 65℃的条件下干燥24h，然后进行烧结。

S4、烧结：所述坯球在窑炉内烧结，窑炉冷却后取出，制得耐磨锆铝复合球。烧结条件为：以2℃/min升温到200℃，然后保温2h；再次以2℃/min升温至750℃然后，3h；再以2℃/min升温至1200℃，保温3h；再以5℃/min 升温至1480℃，保温3h。

将实施例1～4所得的耐磨锆铝复合球进行测试，对耐磨锆铝复合球的密度、磨耗、晶粒尺寸和抗压强度进行测试，其中采用磨耗试验机测试磨耗，利用扫描电镜对耐磨锆铝复合球的晶粒尺寸进行表征，利用抗压强度测定仪对耐磨锆铝复合球进行直径20mm球的抗压强度测试，上述测试结果如表1所示。

表1实施例1～4所得的耐磨锆铝复合球的性能测试结果

由上表可知，实施例1～4所得的耐磨锆铝复合球的直径20mm球的抗压强度均大于50kN，显示出本发明提出的耐磨锆铝复合球具有良好的机械强度。所述实施例1～4所得的耐磨锆铝复合球的当量磨耗为0.08-0.1‰，显示出本发明提出的耐磨锆铝复合球具有良好的耐磨性能。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。