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锆刚玉（ZA）
工艺流程

原理

生成机理

在锆刚玉中，主要矿物相是ａ－Ａｌ２Ｏ３和Ａｌ２Ｏ３－ＺｒＯ２形成的共晶体（见Ａｌ２Ｏ３－ＺｒＯ２系状态图）。从图中可以看到：Ａｌ２Ｏ３的熔点为２０５０℃，ＺｒＯ２的熔点为２６９０℃。在ＺｒＯ２含量为４２.６％、温度为１７１０℃时是Ａｌ２Ｏ３和ＺｒＯ２共晶点。在组成确定后，当温度在相应组成液相线以上时，改变其温度不会导致新相的出现。当温度降到相应组分液相线上时，晶相开始析出，随着晶相的析出，液相组成沿着液相线向共熔点方向变化。当温度达到共熔点时，按共熔点组成中的比例同时析出晶相Ａｌ２Ｏ３和ＺｒＯ２共熔相。

当锆刚玉熔体冷却时，就开始产生晶体。晶体尺寸一般通过控制晶体成长速度，即采取急冷（过冷）的方法来实现。

为确保锆刚玉的质量，除合理选择冶炼参数及工艺、冷却工艺及加工工艺外，选择合适的添加剂，降低锆刚玉中ＳｉＯ２含量，使Ａｌ２Ｏ３和ＺｒＯ２共晶且结构均匀等亦是锆刚玉生产的关键。

冶炼工艺

锆刚玉的冶炼一般是在倾倒炉和流放炉上进行。其工艺和棕刚玉冶炼大致相似，但由于炉料中ＳｉＯ２及其它杂质的含量较高，炉液粘度增加，操作难度较大。再者冶炼过程一般采用较薄层作业，便于杂质的挥发。

冷却工艺

合理的冷却工艺是锆刚玉获得微晶结构的关键。

冷却方法的特征是将熔液迅速冷凝后，再自然冷却，放慢冷却速度的原因被看作是“裂纹合拢”或回火过程。

国外常见的几种冷却方法如下，详见表１制造锆刚玉时几种常见的冷却方法
冷却方法 过程与特征 备注
钢球冷却法 将熔液倒在一堆助冷块上，助冷块平均尺寸为１２～５０mm，块与熔业体积比为１∶１～３∶１。一般采用碳钢球做助冷块。要求助冷块和熔液比尽可能高，助冷球块尽可能小。

英国专利：１３２３２８２

１９７３.７.１１日发表
半连续钢球冷却法 将接包先铺上一层不反应、不熔化的固体冷却介质，厚度＞150mm，介质直径（5～60）mm的钢球。当熔液倒入接包时，同时加入冷却介质，边倒边加。此方法与钢球冷却法相比，接包中冷却的熔液量要大的多。

美国专利：３９２８５１５

１９７５.１２.２３日发表
连续钢球冷却法 其方法和半连续冷却法基本相同，所不同的是：将接包底部开一个口子，通过控制接包的倾斜度，来实现冷却介质和刚玉从口中流出，连续作业。

美国专利：３７２６６２１

１９７３.４.１０日发表
滚筒挤压法 用一个管子，使熔液通过它流出到一个冷凝滚筒上，使之迅速成为半凝状冷却薄片，用一个挤压滚筒挤压使之致密，成为一个薄带状通过改变弯曲方向，使它有一部分破碎。与前钢球冷却相比，劳动强度小，产品质量有保证，２４＃中单晶体＜１％，８０＃中单晶体＜（４～１４％）

美国专利：３６４６７１３

１９７２.３.１６
隔板冷却法

把刚玉熔液倒入许多石墨或金属抗热材料作成的彼此隔开的板之间，使熔液表面与空气隔开，并迅速冷却，板间隙≤１３mm，板体积与板之间的净空比≥３∶１。

特点：结晶均匀，生产量大，且９５％熔液表面不与空气接触。

美国专利：４０７０７９６

发表日期：

１９７８.１.３１日
不同炉料制取的锆刚玉性能
炉料 化学成分（%）

σe·3（粒度40）

（N/粒）

颗粒总体强度

（％）

堆积比重

（kg/m3)

脆性

（％）

 备注
ZrO2 SiO2 TiO2 Fe2O3 MgO
9H+ZrO2+TiO2 ２４.０ ０.４８ ３.５０ ０.４６ ０.４７
３００
８３.０
2050
 12.7

实验

样品
9H+斜锆矿+TiO2

２３.０

 ０.４５ ３.４２ ０.５６ —
３９５
８３.０
2150
 11.0  
氧化铝+斜锆矿+3.0%TiO2 ２４.７ ０.４２ ３.１２ ０.１７ ０.７１
３９０
８５.０
2170
 13.2  
9H+ZrO2+TiO2 ２４.７５ １.０５ ４.０３ ０.３０ ０.１８
－
－
1960
 16.9

工业批

量生产
〈吉罗利特〉磨粒 ２１.６３ ０.２７ １.４５ ０.５５ ０.１７
－
－
2030
 14.1 砂轮颗粒
〈诺顿〉磨粒 ２０.００ ０.１０ １.９５ ０.２５ ０.３４
３７６
８６.０
2230
 16.0
注：（１）此结果为原苏联测试；（２）冶炼方法：流放法、辊式结晶机冷却
国内外锆刚玉性能对比
美国诺顿公司
日研磨材
中国第七砂轮厂
ZS
ZF
AZ—73
设计指标
1
2
3
Al2O3%
74.98
75.14
71.40
＞68
76.16
74.13
74.22
ZrO2%
23.6
23.6
26.90
23～28
20.35
21.93
22.03
SiO2%
0.20
0.13
0.20
＜1
0.6
0.95
0.90
TiO2%
0.40
0.35
2.3
1.69
2.12
1.97
Fe2O3%
0.09
0.07
0.10
＜0.4
0.18
0.51
0.46
CaO%
0.60
0.57
0.37
0.24
0.30
MgO%
0.15
0.10
0.34
0.12
0.17
密度(g/cm3)
4.31
4.31
4.27
4.32
4.31
晶体尺寸(μm)
平均１７
平均１７
20～40
＜40
平均42
平均19
平均28
磁性物（%）
0.2
0.2
＜0.3
＜0.3
＜0.3
＜0.3
PF值
7
7
9.3
8.89
8.93
Al2O3结构
a
a
a
a
a
a
12#抗压强度（kg）
44.9
43.7
＞40
41.8
40.3
41.2
１２＃韧性（％）
97.25
97.31
96.17
95.16
努普硬度（HK∶kg/mm2)
1104
1466
1206
1484
1707
维氏硬度（HV·kg/mm2)
1359
915
1392
1563
1728
熔点（℃）
1850
1850
1840
＞1790
＞1790
热膨胀系数（１／℃）
2.52×10-6
2.52×10-6
2.1×10-6
2.1×10-6
2.1×10-6
热容量（kJ/kg·k）
0.92
0.92
0.92
0.924
0.954
３１５℃热导系数（w/(m·℃)）
17.3
17.3
9.46
4.67
 
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