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一、 前言

锆刚玉是以工业铝氧粉（或矾土）、工业氧化 锆（或锆英砂）为主要原材料，配入适当的添加剂一起在电弧炉内经2000℃左右的高温熔炼，冷却结晶而成。然后经破碎、分级、整形、磁选、筛分等工艺处 理，制得适合所需用途的颗粒料。这种材料的特点是韧性好、强度高，既具有氧化铝的硬度和强度，又具有氧化锆的抗磨性和抗冲击韧性，用于高速重负荷磨削和强 冲力磨削中，效果特别显著。本文介绍的是以最普通的初级原料铝矾土、锆英砂为主原料，配以适量的添加剂，经电弧炉高温熔炼和制粒等加工，生产出适合高速重 负荷磨加工用（含ZrO225%）的优质锆刚玉磨料。

本工业性研究工业在实施以前，相关研制单位和研究工作者曾进行了多年的技术分析和相关的 研制准备工作。结合当时背景情况，整体工作方案是在既要着力解决国内高速重负荷磨加工用锆刚玉磨料的急需，又要同时保证技术可行、经济合理、生产组织简单 易行、内外环境达标的前提下拟定的；本技术研究方案的重大突破是在国际上首次采用低价的初级原材料铝矾土、锆英砂代替了价格昂贵的工业氧化铝和工业氧化锆 做主原料，配以适量的添加剂，经过多道生产工序，为我国磨具生产厂家制造出适合高速重负荷磨加工用的（含ZrO225%）优质锆刚玉磨料。

1986年，中国第七砂轮厂承担了贵州省下达的“II型锆刚玉样品研制”这一重点攻关项目。进过三年的艰苦努力，成功研制出了（含ZrO225%±）锆刚 玉样品，并于1988年年底通过了贵州省省级技术鉴定，鉴定认为：“样品各项指标接近美国诺顿公司80年代同类产品水平……，建议转入中间试验。”

1989年，第七砂轮厂将该项目转入中间试验。1990年小批量中试试产品投入市场，并提供国内重负荷磨具制造厂家进行试用，取得了良好的效果，1992年初，经改进后的七砂锆刚玉产品，被列为贵州省重点技术开发项目，并荣获机械工业部及贵州省科技进步奖。

　　二、 研究工作简介

（一）、准备工作

1、国内外样品、主原料分析对比

表一、国内外锆刚玉样品分析对比

　　表2、国内外锆刚玉磨料生产主原料分析对比

　　对表1、2、分析可知：

　　①、美国诺顿公司冶炼锆刚玉用主原料采用高纯氧化铝和脱硅处理的高纯氧化锆，其冶炼工艺简单、产品化学指标稳定，物象控制相对容易，但成本造价很高。

　　②、国产冶炼锆刚玉用主原料粉末经纯化处理的低品位原生矿铝矾土和锆英砂，其冶炼工艺复杂、技术难度大，但成本造价只是当时国外产品的五分之一左右。如何把产品中次主物相 sio⒉ 含量控制在一定范围内，是该工业技术方案能否实现的关键所在。

　　2、目标问题的确立及因果分析

　 　锆刚玉产品的综合性能是否达到计划任务的设计指标，是由诸多因素所决定的，首先必须确定要攻克的主要难题组元及因果关系是什么，清楚的设立要攻克各个难 点主题、明确影响因素，才可以更有效地解决和处理这些问题。就25% ZrO2 锆刚玉磨料而言，在技术设计及工艺控制整体工作方面，应解决的主要关键问题是冶炼脱硅、晶粒细化、相度增韧、磨料整形、性能检测及数理统计处理（见图1）

　　3、锆刚玉晶体及粒型控制技术要点的预设定

　　（1）选择好优异的添加剂

　　（2）选好冷却介质，严格控制冷却速度。

　　（3）合适的控制ZrO2 的马氏体相变 。

　　（4）通过磨粒整形，提高磨料的积度。

　　4、冶炼技术与工艺参数的控制

　　以Al2O3-ZrO2相图为基本理论依据（见图2）。本冶炼技术用特殊工艺，以控制并去除主原料中次主物相SiO2，使SiO2，SiO气体逸出量为最佳状态；电压、电流工艺参数及入炉料的配给要据装备状况设定。该项工作是锆刚玉研制过程最重要的核心技术工作之一。

　　（二）、技术原理及工艺

　 　冶炼原理需指导并解决下述几个方面的问题：在样品研制成功设计和经验的基础上，严格冶炼工艺，配入合适的添加剂，以强化冶炼的周期性控制，达到除去混合 炉料中杂质的目的：采用速冷工艺使ZrO2矿相分布均匀且晶粒细化。加入添加剂以控制ZrO2的马氏体相变；通过整形加工以提高磨粒的等轴性。认真研究锆 刚玉的生成机理，设计好各个工序的工艺参数，是生产出符合计划任务设计要求产品的根本所在。

　　1、SiO2组元的控制

根据我国当时工业经济发展的状况，在样品研制的基础上，通过对磨削与使用结果的分析、决定试生产所选用的主要料以低品位的、未经过纯化处理的原生矿、矾土、锆英砂为主要原料，这样虽然技术复杂且难度大，但技术与经济之性价比更趋合理。

　　在冶炼锆刚玉的混合炉料中，其主原料铝矾土、锆英砂、无烟煤的成分见表4。

　 　在冶炼过程中，SiO2可形成玻璃质，也可与其它成分形成有害物质（如偏硅酸铝等）。它们的大量存在，会显著降低磨料的综合机械性能，相反，如果把 SiO2控制在一定范围内（最好是1.0%以下），使之形成AlO3-ZrO2-SiO2固溶物，适量的SiO2可缓冲ZrO2相变所造成的膨胀应力。从 而有利于锆刚玉综合机械性能的进一步改善，故而，SiO2在固溶体中含量必须进行严格控制。

　　在电弧炉内，锆英砂分解为：

　　在还原剂的作用下，炉内的主要反应如下：

　　由①＋②：

　　由此可见，通过控制③的动态平衡，可使炉料进入锆刚玉块中SiO2含量得到有效地控制，从而达到计划设计目标（详见表5），SiO2的去除率达到90%以上。　　

　　实践证明，该技术方案所选用的一步冶炼净化工艺是非常正确的。

　　2、熔块结晶条件的控制

　 　熔块晶体的发育状况及结晶状态与形成物质的环境因素有着极其重要的关系。晶体尺寸的大小、结晶后的矿物分布均匀与否，对磨料的强度和抗冲击性能有着非常 重要的影响。严重控制冷却条件，加快熔融液的冷却速度，不仅可使锆刚玉熔融液在冷却过程中的晶体发展受到抑制，从而使晶体尺寸的大小得到了有效控制，此 外，通过速冷控制，还可使ZrO2-Al2O3共晶物均匀地分布在α-Al2O3晶界周围，有效地缓解了由于结晶偏析所造成的性能不均及韧性差等缺陷。

　　通过实践证明，采用介质速冷工艺可使结晶后锆刚玉的晶体尺寸控制在大于40微米的范围内，同时ZrO2-Al2O3共晶物也可均匀地分布在α-Al2O3晶界周围。（见岩相结构对比照片图5和表6）

注：Ⅱ-1-04为样品研制时分析结果。

　　3、ZrO2相变控制与韧性及强度的关系

　　（1）冷却条件与ZrO2的相变

　 　温度条件控制。不仅严重影响了结晶块的晶体发展情况，同时冷却条件对ZrO2相变过程也有着较为重要的影响。ZrO2在不同的温度区域具有不同的相变结 构（因温度变化而引起的位移式相变），不同的相结构有着不同的结晶特性，不同的体积效应对材料的性能也有着一定的影响。

　　ZrO2相变关系：

　　密度： 5.31 5.70 0.10

　　体积效应（ △V∕V）： 7.30% 7.0%

　　在缓慢冷却时，由四方相转变为单斜相时的体积效应为：

　　△V∕V×100%=[(1∕5.31-1/5.70)÷1∕5.70]×100%=7.34%

　　注：Q1温度为1930℃；Q2温度为1960℃；Q3温度为1710℃；Wo=42.6%

　 　从上述结果可看出，在缓慢冷却过程中相变产生7.3℅的体积膨胀，这种体积效应的产生对提高材料的机械性能是不利的。从图3﹑4可以看出：ZrO2在加 热时单斜相向四方相转变的温度在1100℃～1200℃之间；溶液冷却时，由于过热现象的存在，四方相于1000℃～950℃之间转化为单斜相。

　　（2）添加剂及与ZrO2相变

　　根据物质结构的原子堆积﹑填充空隙的规则以及相关的原理，在锆刚玉熔体中加入适量的添加剂（部分添加剂由原料带入），使ZrO2四方相在熔体的冷却过程中不单一受温度控制条件的影响，使之ZrO2四方相直至室温状态下均能稳定或部分稳定地存在。

　 　由于ZrO2四方相较ZrO2单斜相保持了较高的基质内能，使结晶块更加致密，同时也由于冷却条件和添加剂的有效控制，导致内部基质诱导应力的存在，使 得整个材质的均一性得到改善，ZrO2的强度和韧性得以充分的提高。通过控制ZrO2的相变，其一可使α-Al2O3晶体生长受到控制；其二减少了相变体 积效应的影响；其三是由于相变产生的部分应力微裂纹可进一步分解磨加工过程的冲击应力，从而使锆刚玉的韧性﹑强度等性能得到大幅度的提高（见表6）。

　　4﹑锆刚玉的破碎及整形

　　作为高速重负荷磨削加工用的锆刚玉磨料，要求磨粒呈等积状，减少磨削过程中由于局部应力集中而引起的崩裂和脆断，提高磨粒强度。通过专用设备经破碎﹑ 整形﹑筛分﹑清洗等工序处理，磨料的颗粒形状大部分为圆柱状或等积状，基本消除了针片状颗粒在磨加工过程中产生的应力集中问题，磨粒的单颗粒强度﹑球磨韧 性等性能均有显著提高，达到了高速重负荷的磨削要求。

三﹑试产品与国外锆刚玉性能对比分析

　　通过多次批量试产，其试产品经过反复的数理分析，试产品表观质量与理化性能稳定，技术方案与试产组织工作方案均达到了预期目标（见表七）。

　　从表七对比分析可以得出如下结论：

　　1﹑批量试产锆刚玉（含ZrO225℅±）产品各项性能均接近美国诺顿公司锆刚玉（ZS品牌）同类产品水平。

　　2﹑试产品各项性能指标达到了项目计划的设计要求。

　　3﹑该工业性技术研究方案和生产组织方案是成熟的，可以指导工业化生产。

　　四﹑批试产品磨具磨削试验及结论

　 　为了进一步检验锆刚玉试产品的磨削使用性能，根据重负荷砂轮制造厂家的要求，将锆刚玉试产品分别发至中国第三砂轮厂﹑太原砂轮厂等国内厂家，制造成60 米／秒和80米／秒的高速重负荷砂轮分别在太原钢铁公司60米／秒首都钢铁公司等使用单位进行了钢坯的修模试验，综合磨削试验结果与国外进口产品比较，取 得了令人满意的结果。

　　经过磨削试验，用户得出如下结论：

　　1、 国产锆刚玉磨料韧性和单颗粒强度完全可以承受在80米／

秒线速度和7-10MPa负荷下的高速高压及磨削区高温条件。各项技术指标均已接近或达到八十年代末国际先进水平，部分指标已超过国外同类产品水平。

　　2、 磨下的钢屑成丝状（见图6、7），丝径Φ1mm及更粗，丝长

100mm左右。磨料磨削正常，与美国锆刚玉相同，板坯磨削表面质量良好。

　　3、 与棕刚玉同种砂轮比较，磨削比可达到七倍以上。

　　4、 国产锆刚玉磨料可适用于最难磨钢种的重负荷磨削，填补了

国内空白，可以替代进口产品。

　　五、参考文献

　　《硅酸盐通报》1985年第二期

　　《硅酸盐通报》1986年第四期

　　《译文》1981-1982第七砂轮厂情报室译编

　　《国外耐火材料》1987第二期“致密烧结氧化铝的性质”

　　《耐火材料》1987年第三期

　　《国外耐火材料》1987第五期

　　《特殊耐火材料》冶金工业出版社

　　《硅酸盐物理化学》中国建筑出版社

　　《熔融锆刚玉磨料与磨具》第七砂轮厂汪忆兰译编

　　《国外有关“锆刚玉溶液冷却方法”专利说明汇编》七砂汪忆兰译编