球磨机广泛应用于冶金、矿产、电力、建材、化工等领域，是使用最为普通的粉碎设备。普通球磨机的研磨介质主要是金属球，但在陶瓷生产和原料精加工中，使用的主要是陶瓷研磨介质。目前我国市场销售的陶瓷研磨介质主要包括氧化铝、氧化锆、碳化硅、氮化硅等系列品种。陶瓷研磨球（瓷球）具有耐磨、耐腐蚀、耐高温的特点，是一种重要的工程陶瓷。例如，氧化铝瓷球由于具有合适的硬度、适中的密度、耐磨、耐腐蚀、价格低，因此被广泛应用于白色水泥、矿物、陶瓷、电子材料、磁性材料以及涂料、油漆、化妆品、食品、制药等行业原材料的研磨和加工，是一种优质的研磨介质[1~3]。在建筑卫生陶瓷行业中，氧化铝瓷球的磨损效率比天然燧石和鹅卵石高20%~40%。随着天然球石资源的减少，氧化铝瓷球将被越来越多的陶瓷厂家使用。
瓷球同金属球一样，由于工作特性比较复杂，所以其磨损过程比较复杂，是一综合磨损，不同的是金属球塑性好，而瓷球脆性大，其磨损机理是不同的。瓷球的磨损机理直接与瓷球的力学性能、显能结构和在球磨机中的运动状态相关。因此，对瓷球磨损进行分析，弄清它的磨损过程与其自身的特性及工况条件的联系，为指导制定使用工艺参数、合理选材和科学地研制耐磨性更好、性价比更高的瓷球提供依据。
1 瓷球的磨损分析
1.1瓷坯的工作特性
瓷球的工作特性是比较复杂的，从瓷球在球磨机中的运动状态分析，瓷球与瓷球、衬板与磨料之间相互作用的方式有3种。①撞击：瓷球由高处抛落，砸在磨料以及其他球和衬板上发生撞击；②滑动：由于球磨机的速度大于瓷球、磨料的速度，瓷球与磨料、球与球以及球与衬板之间产生相对滑动；③滚动：由于球磨机的旋转，瓷球总是不停地滚动。
1.2球的磨损形貌
相互接触物体的表面相对运动过程中，其物质发生不断损失的现象称为磨损。磨损是瓷球消耗的主要形式。
瓷球的磨损形貌分析包括宏观形貌分析和微观形貌分析。宏观形貌分析的内容有：瓷球磨损的均匀性，是否有破碎的情形。失圆表明瓷球的密度不均匀，破碎表明瓷球内部存在严重的缺陷或脆性大、抗冲击能力差。瓷球正常的磨损是由大球磨成水球，球一直保持圆形。利用扫描镜对瓷球磨损面进行微观形貌分析，如对犁沟、切削沟槽、晶粒脱落、疲劳剥落、凹坑、裂纹等的分析。瓷球磨损微观形貌的分析对瓷球磨损机理的研究是很有意义的。
1.3瓷球的磨损机理
瓷球的磨损既不同于摩擦、滑动磨损，又不同于磨料、冲蚀、疲劳磨损，其是一种综合的磨损。瓷球主要以磨料磨损为主其次为冲蚀、疲劳磨损。瓷球的磨损有两种过程，一种是由塑性变形引起的磨损过程，另一种是断裂引起的磨损过程。
1）由塑性变形机制引起的磨损过程。当磨料与韧性较好的瓷球表面接触时，主要发生两种直接磨损过程。①犁沟：瓷球表面受磨料的挤压、滑动而形成的痕迹，磨痕细而深；②微观切削：瓷球在磨料的作用下发生如刨削一样的切削过程，磨痕宽而平，如图1所示。
2）由断裂机制引起的磨损过程。这种磨损过程对脆性大的瓷球和晶粒尺寸较大的瓷球，或在尺寸较大的孔洞处是普通存在的。沿晶脱落和穿晶脱落就是由断裂机制引起的磨损过程，瓷球的磨损面有凹抗，孔洞口缘为喇叭状，如图2所示。
在球磨机中瓷球运动上升阶段的相对滑动、滚动过程中，产生塑性犁沟和微观切削，在瓷球抛落冲击过程中，出现脆性晶粒脱落。因此可以根据瓷球的磨损机理，推断瓷球在球磨机中的运动状况，为调整球磨机的运动参数提供参考。
在磨损过程中，无论瓷球的韧性好还是脆性大，都可能同时发生塑性变形和脆性断裂两种机制，只是由于磨损的工况条件及瓷球的材料特性不同，某一机制所占的主导地位而不同，并且常常随条件的变化发生一种机制向另一机制的转变。
1.4瓷球的耐磨性
耐磨性是衡量瓷球质量好坏的一项重要指标。瓷球的耐磨性与自身材料的力学性能、显微结构的协同作用有着密切的关系，即与其内部因素有关。近年来，人们对此进行了大量研究。
瓷球的力学性能对耐磨性的影响主要包括弹性模量E、硬度H、断裂韧性K1c。断裂韧性对其耐磨性的影响特别，因为瓷球脆性大、韧性差，这是其最大弱点。一般来说，高的断裂韧性能使材料抵抗由外力引起的断裂，高硬度有利于抗磨损，低的弹性模量对由于磨料引起的显微应变而有助于产生较低的应力。例如氧化锆瓷的韧性好，所以它的耐磨性就好
瓷球的显微结构与力学性能有密切的关系，从而它对瓷球的耐磨性也有重要的影响。瓷球显微结构的内容包括晶粒的尺寸、形貌和取向，孔洞尺寸、形状和分布，第二相的物理性质，裂纹的尺寸、形状，以及晶界的组分、结构和形态等。瓷球显微结构因素对其耐磨性的影响不是孤立的，而是共同影响、协同作用。显微结构对于瓷球的耐磨性影响的基本规律一般可分为两类：①显微结构的尺寸小于磨料压入深度。在这种情况下，显微结构主要对其宏观性能（包括裂纹的产生）有明显影响。②显微结构的尺寸等于或大于磨料压入深度。在这种情况下，显微结构中的单独相及组元的重要性才显得格外突出。晶粒越小，瓷球的耐磨性越小，瓷球内部缺陷会使磨损过程更易产生晶粒剥落、开裂，从而大大降低了耐磨性。随着瓷球主晶相百分含量增加，瓷球的耐磨性一般会相应提高。
1.5瓷球的磨损率
磨损率的大小与瓷球的特性和工况条件密切相关，瓷球的磨损机理分为脆性断裂磨损和塑性形变的磨损，前者的磨损特点为沿晶断裂的晶粒脱落，后者的磨损特点为穿晶断裂的微观切削，所以前者的的磨损率比后者大得多。人们希望瓷球的磨损为塑性形变磨损，瓷球的内部因素对陶瓷塑性形变磨损机理具有重要的影响。表面粗糙的瓷球磨损率大，因此，在使用瓷球之前，须进行抛光处理。瓷球的晶粒越小，瓷球的磨损率越小，所以，耐磨瓷球正朝微晶化方向发展。但纳米瓷球造价很高，难以在工程应用领域推广使用。例如，氧化铝瓷球的研究重点是在几个微米的晶粒尺寸范围内有所突破和发展。控制孔隙率，提高密度，提高瓷球的韧性，有利于减小瓷球的磨损率。磨料硬度的增加和球磨机转速的提高，瓷球的磨损率相应提高。随着瓷球主晶相百分含量的增加，瓷球的磨损率相应减小。
从球磨机中取出研磨了一定时间的瓷球，洗净、烘干测定磨损量，然后计算出磨损量与原质量、磨损时间的比值，即得磨损率，磨损率的倒数表示耐磨性。
瓷球同金属球一样，由于工作特性比较复杂，所以其磨损过程比较复杂，是一综合磨损，不同的是金属球塑性好，而瓷球脆性大，其磨损机理是不同的。瓷球的磨损机理直接与瓷球的力学性能、显能结构和在球磨机中的运动状态相关。因此，对瓷球磨损进行分析，弄清它的磨损过程与其自身的特性及工况条件的联系，为指导制定使用工艺参数、合理选材和科学地研制耐磨性更好、性价比更高的瓷球提供依据。
1 瓷球的磨损分析
1.1瓷坯的工作特性
瓷球的工作特性是比较复杂的，从瓷球在球磨机中的运动状态分析，瓷球与瓷球、衬板与磨料之间相互作用的方式有3种。①撞击：瓷球由高处抛落，砸在磨料以及其他球和衬板上发生撞击；②滑动：由于球磨机的速度大于瓷球、磨料的速度，瓷球与磨料、球与球以及球与衬板之间产生相对滑动；③滚动：由于球磨机的旋转，瓷球总是不停地滚动。
1.2球的磨损形貌
相互接触物体的表面相对运动过程中，其物质发生不断损失的现象称为磨损。磨损是瓷球消耗的主要形式。
瓷球的磨损形貌分析包括宏观形貌分析和微观形貌分析。宏观形貌分析的内容有：瓷球磨损的均匀性，是否有破碎的情形。失圆表明瓷球的密度不均匀，破碎表明瓷球内部存在严重的缺陷或脆性大、抗冲击能力差。瓷球正常的磨损是由大球磨成水球，球一直保持圆形。利用扫描镜对瓷球磨损面进行微观形貌分析，如对犁沟、切削沟槽、晶粒脱落、疲劳剥落、凹坑、裂纹等的分析。瓷球磨损微观形貌的分析对瓷球磨损机理的研究是很有意义的。
1.3瓷球的磨损机理
瓷球的磨损既不同于摩擦、滑动磨损，又不同于磨料、冲蚀、疲劳磨损，其是一种综合的磨损。瓷球主要以磨料磨损为主其次为冲蚀、疲劳磨损。瓷球的磨损有两种过程，一种是由塑性变形引起的磨损过程，另一种是断裂引起的磨损过程。
1）由塑性变形机制引起的磨损过程。当磨料与韧性较好的瓷球表面接触时，主要发生两种直接磨损过程。①犁沟：瓷球表面受磨料的挤压、滑动而形成的痕迹，磨痕细而深；②微观切削：瓷球在磨料的作用下发生如刨削一样的切削过程，磨痕宽而平，如图1所示。
2）由断裂机制引起的磨损过程。这种磨损过程对脆性大的瓷球和晶粒尺寸较大的瓷球，或在尺寸较大的孔洞处是普通存在的。沿晶脱落和穿晶脱落就是由断裂机制引起的磨损过程，瓷球的磨损面有凹抗，孔洞口缘为喇叭状，如图2所示。
在球磨机中瓷球运动上升阶段的相对滑动、滚动过程中，产生塑性犁沟和微观切削，在瓷球抛落冲击过程中，出现脆性晶粒脱落。因此可以根据瓷球的磨损机理，推断瓷球在球磨机中的运动状况，为调整球磨机的运动参数提供参考。
在磨损过程中，无论瓷球的韧性好还是脆性大，都可能同时发生塑性变形和脆性断裂两种机制，只是由于磨损的工况条件及瓷球的材料特性不同，某一机制所占的主导地位而不同，并且常常随条件的变化发生一种机制向另一机制的转变。
1.4瓷球的耐磨性
耐磨性是衡量瓷球质量好坏的一项重要指标。瓷球的耐磨性与自身材料的力学性能、显微结构的协同作用有着密切的关系，即与其内部因素有关。近年来，人们对此进行了大量研究。
瓷球的力学性能对耐磨性的影响主要包括弹性模量E、硬度H、断裂韧性K1c。断裂韧性对其耐磨性的影响特别，因为瓷球脆性大、韧性差，这是其最大弱点。一般来说，高的断裂韧性能使材料抵抗由外力引起的断裂，高硬度有利于抗磨损，低的弹性模量对由于磨料引起的显微应变而有助于产生较低的应力。例如氧化锆瓷的韧性好，所以它的耐磨性就好
瓷球的显微结构与力学性能有密切的关系，从而它对瓷球的耐磨性也有重要的影响。瓷球显微结构的内容包括晶粒的尺寸、形貌和取向，孔洞尺寸、形状和分布，第二相的物理性质，裂纹的尺寸、形状，以及晶界的组分、结构和形态等。瓷球显微结构因素对其耐磨性的影响不是孤立的，而是共同影响、协同作用。显微结构对于瓷球的耐磨性影响的基本规律一般可分为两类：①显微结构的尺寸小于磨料压入深度。在这种情况下，显微结构主要对其宏观性能（包括裂纹的产生）有明显影响。②显微结构的尺寸等于或大于磨料压入深度。在这种情况下，显微结构中的单独相及组元的重要性才显得格外突出。晶粒越小，瓷球的耐磨性越小，瓷球内部缺陷会使磨损过程更易产生晶粒剥落、开裂，从而大大降低了耐磨性。随着瓷球主晶相百分含量增加，瓷球的耐磨性一般会相应提高。
1.5瓷球的磨损率
磨损率的大小与瓷球的特性和工况条件密切相关，瓷球的磨损机理分为脆性断裂磨损和塑性形变的磨损，前者的磨损特点为沿晶断裂的晶粒脱落，后者的磨损特点为穿晶断裂的微观切削，所以前者的的磨损率比后者大得多。人们希望瓷球的磨损为塑性形变磨损，瓷球的内部因素对陶瓷塑性形变磨损机理具有重要的影响。表面粗糙的瓷球磨损率大，因此，在使用瓷球之前，须进行抛光处理。瓷球的晶粒越小，瓷球的磨损率越小，所以，耐磨瓷球正朝微晶化方向发展。但纳米瓷球造价很高，难以在工程应用领域推广使用。例如，氧化铝瓷球的研究重点是在几个微米的晶粒尺寸范围内有所突破和发展。控制孔隙率，提高密度，提高瓷球的韧性，有利于减小瓷球的磨损率。磨料硬度的增加和球磨机转速的提高，瓷球的磨损率相应提高。随着瓷球主晶相百分含量的增加，瓷球的磨损率相应减小。
从球磨机中取出研磨了一定时间的瓷球，洗净、烘干测定磨损量，然后计算出磨损量与原质量、磨损时间的比值，即得磨损率，磨损率的倒数表示耐磨性。
