球磨機廣泛應用于冶金、礦產、電力、建材、化工等領域，是使用最為普通的粉碎設備。普通球磨機的研磨介質主要是金屬球，但在陶瓷生產和原料精加工中，使用的主要是陶瓷研磨介質。目前我國市場銷售的陶瓷研磨介質主要包括氧化鋁、氧化鋯、碳化硅、氮化硅等系列品種。陶瓷研磨球（瓷球）具有耐磨、耐腐蝕、耐高溫的特點，是一種重要的工程陶瓷。例如，氧化鋁瓷球由于具有合適的硬度、適中的密度、耐磨、耐腐蝕、價格低，因此被廣泛應用于白色水泥、礦物、陶瓷、電子材料、磁性材料以及涂料、油漆、化妝品、食品、制藥等行業原材料的研磨和加工，是一種優質的研磨介質[1~3]。在建筑衛生陶瓷行業中，氧化鋁瓷球的磨損效率比天然燧石和鵝卵石高20%~40%。隨著天然球石資源的減少，氧化鋁瓷球將被越來越多的陶瓷廠家使用。

    瓷球同金屬球一樣，由于工作特性比較復雜，所以其磨損過程比較復雜，是一綜合磨損，不同的是金屬球塑性好，而瓷球脆性大，其磨損機理是不同的。瓷球的磨損機理直接與瓷球的力學性能、顯能結構和在球磨機中的運動狀態相關。因此，對瓷球磨損進行分析，弄清它的磨損過程與其自身的特性及工況條件的聯系，為指導制定使用工藝參數、合理選材和科學地研制耐磨性更好、性價比更高的瓷球提供依據。

    1 瓷球的磨損分析

    1.1瓷坯的工作特性

    瓷球的工作特性是比較復雜的，從瓷球在球磨機中的運動狀態分析，瓷球與瓷球、襯板與磨料之間相互作用的方式有3種。①撞擊：瓷球由高處拋落，砸在磨料以及其他球和襯板上發生撞擊；②滑動：由于球磨機的速度大于瓷球、磨料的速度，瓷球與磨料、球與球以及球與襯板之間產生相對滑動；③滾動：由于球磨機的旋轉，瓷球總是不停地滾動。

    1.2球的磨損形貌

    相互接觸物體的表面相對運動過程中，其物質發生不斷損失的現象稱為磨損。磨損是瓷球消耗的主要形式。

    瓷球的磨損形貌分析包括宏觀形貌分析和微觀形貌分析。宏觀形貌分析的內容有：瓷球磨損的均勻性，是否有破碎的情形。失圓表明瓷球的密度不均勻，破碎表明瓷球內部存在嚴重的缺陷或脆性大、抗沖擊能力差。瓷球正常的磨損是由大球磨成水球，球一直保持圓形。利用掃描鏡對瓷球磨損面進行微觀形貌分析，如對犁溝、切削溝槽、晶粒脫落、疲勞剝落、凹坑、裂紋等的分析。瓷球磨損微觀形貌的分析對瓷球磨損機理的研究是很有意義的。

    1.3瓷球的磨損機理

瓷球的磨損既不同于摩擦、滑動磨損，又不同于磨料、沖蝕、疲勞磨損，其是一種綜合的磨損。瓷球主要以磨料磨損為主其次為沖蝕、疲勞磨損。瓷球的磨損有兩種過程，一種是由塑性變形引起的磨損過程，另一種是斷裂引起的磨損過程。

    1）由塑性變形機制引起的磨損過程。當磨料與韌性較好的瓷球表面接觸時，主要發生兩種直接磨損過程。①犁溝：瓷球表面受磨料的擠壓、滑動而形成的痕跡，磨痕細而深；②微觀切削：瓷球在磨料的作用下發生如刨削一樣的切削過程，磨痕寬而平，如圖1所示。

    2）由斷裂機制引起的磨損過程。這種磨損過程對脆性大的瓷球和晶粒尺寸較大的瓷球，或在尺寸較大的孔洞處是普通存在的。沿晶脫落和穿晶脫落就是由斷裂機制引起的磨損過程，瓷球的磨損面有凹抗，孔洞口緣為喇叭狀，如圖2所示。


    在球磨機中瓷球運動上升階段的相對滑動、滾動過程中，產生塑性犁溝和微觀切削，在瓷球拋落沖擊過程中，出現脆性晶粒脫落。因此可以根據瓷球的磨損機理，推斷瓷球在球磨機中的運動狀況，為調整球磨機的運動參數提供參考。

    在磨損過程中，無論瓷球的韌性好還是脆性大，都可能同時發生塑性變形和脆性斷裂兩種機制，只是由于磨損的工況條件及瓷球的材料特性不同，某一機制所占的主導地位而不同，并且常常隨條件的變化發生一種機制向另一機制的轉變。

    1.4瓷球的耐磨性

    耐磨性是衡量瓷球質量好壞的一項重要指標。瓷球的耐磨性與自身材料的力學性能、顯微結構的協同作用有著密切的關系，即與其內部因素有關。近年來，人們對此進行了大量研究。

    瓷球的力學性能對耐磨性的影響主要包括彈性模量E、硬度H、斷裂韌性K1c。斷裂韌性對其耐磨性的影響特別，因為瓷球脆性大、韌性差，這是其最大弱點。一般來說，高的斷裂韌性能使材料抵抗由外力引起的斷裂，高硬度有利于抗磨損，低的彈性模量對由于磨料引起的顯微應變而有助于產生較低的應力。例如氧化鋯瓷的韌性好，所以它的耐磨性就好

    瓷球的顯微結構與力學性能有密切的關系，從而它對瓷球的耐磨性也有重要的影響。瓷球顯微結構的內容包括晶粒的尺寸、形貌和取向，孔洞尺寸、形狀和分布，第二相的物理性質，裂紋的尺寸、形狀，以及晶界的組分、結構和形態等。瓷球顯微結構因素對其耐磨性的影響不是孤立的，而是共同影響、協同作用。顯微結構對于瓷球的耐磨性影響的基本規律一般可分為兩類：①顯微結構的尺寸小于磨料壓入深度。在這種情況下，顯微結構主要對其宏觀性能（包括裂紋的產生）有明顯影響。②顯微結構的尺寸等于或大于磨料壓入深度。在這種情況下，顯微結構中的單獨相及組元的重要性才顯得格外突出。晶粒越小，瓷球的耐磨性越小，瓷球內部缺陷會使磨損過程更易產生晶粒剝落、開裂，從而大大降低了耐磨性。隨著瓷球主晶相百分含量增加，瓷球的耐磨性一般會相應提高。

    1.5瓷球的磨損率

    磨損率的大小與瓷球的特性和工況條件密切相關，瓷球的磨損機理分為脆性斷裂磨損和塑性形變的磨損，前者的磨損特點為沿晶斷裂的晶粒脫落，后者的磨損特點為穿晶斷裂的微觀切削，所以前者的的磨損率比后者大得多。人們希望瓷球的磨損為塑性形變磨損，瓷球的內部因素對陶瓷塑性形變磨損機理具有重要的影響。表面粗糙的瓷球磨損率大，因此，在使用瓷球之前，須進行拋光處理。瓷球的晶粒越小，瓷球的磨損率越小，所以，耐磨瓷球正朝微晶化方向發展。但納米瓷球造價很高，難以在工程應用領域推廣使用。例如，氧化鋁瓷球的研究重點是在幾個微米的晶粒尺寸范圍內有所突破和發展。控制孔隙率，提高密度，提高瓷球的韌性，有利于減小瓷球的磨損率。磨料硬度的增加和球磨機轉速的提高，瓷球的磨損率相應提高。隨著瓷球主晶相百分含量的增加，瓷球的磨損率相應減小。

    從球磨機中取出研磨了一定時間的瓷球，洗凈、烘干測定磨損量，然后計算出磨損量與原質量、磨損時間的比值，即得磨損率，磨損率的倒數表示耐磨性。