なぜジルコニアボールが頻繁に破損し、微粉砕機のスクリーンを詰まらせてしまうのか

私は上海周辺の湿式粉砕工場で12年間働いてきました。松江の顔料工場、電子セラミック工場、そして郊外の工業団地にある数本の電池材料生産ラインなどです。ジルコニアボールに関して最もよく聞かれる不満は、摩耗が早すぎるということではありません。 問題は、ビーズが破損したり、排出スクリーンが詰まったりして、ミルがトリップしたり、製品に粗い破片が混入したりすることです。10件中9件は、粒径分布が広すぎる、あるいは先端速度や粘度に対して直径が不適切な、イットリア安定化ジルコニア製の粉砕ビーズが使用されていることが原因です。.

Y-TZPビーズは密度が高く（約6.0 g/cm³）、変態強化により靭性に優れています。 適切に充填されたビーズミルでは、アルミナよりも衝突あたりのエネルギー伝達が大きく、材料の剥離もごくわずかです。良質な0.8～1.2 mmのY-TZPを用いた実験室での摩耗率は、標準的なスラリー試験において1時間あたり0.01%を大幅に下回る場合が多く、鉄やアルミナの混入も低水準に抑えられます。 問題は、粒度分布が広すぎる場合や、ビーズがミルに対して大きすぎる場合に発生します。大きなビーズほど、より多くの運動エネルギーを持ちます。スラリーの粘度が高い場合や充填量が不適切な場合、ビーズはスクリーンや互いに激しく衝突し、欠けが生じます。一度欠けが生じると、それがさらなる研磨剤として作用し、摩耗が加速して分離器が詰まってしまいます。 私が点検したミルの中には、投入物の半分がまだ丸い状態である一方、残りの半分が本来あるべきではない破片で占められていたものもありました。.

昨年、私は松江にある顔料工場で試験を行いました。同工場では、固形分がおよそ55～60%の高固形分有機顔料スラリーを、公称粒径0.8 mmのビーズを使用した水平ビーズミルで、D90を5 µm未満とすることを目標に粉砕していました。 同工場が従来使用していたジルコニア製ボールミル用メディアは、ラベル上では0.6～1.0 mmのY-TZPと記載されていたが、サンプルをふるい分けたところ、実際の粒径分布は約0.4 mmから1.4 mmに及び、より大きなジルコニアビーズが顕著に混在していた。 40 時間後、スクリーンの差圧が上昇し、排出物の中に破損したビーズや欠片が見つかりました。残存している完全なビーズの摩耗量は、重量比で約 0.008% と依然として低かったものの、破損率の高さから、このミルは使用不能となりました。 そのロットの大きなビーズについて実験室で破砕試験を行ったところ、手元にあったより粒度分布が狭い0.8 mmの基準グレードのビーズよりも低い荷重で破損することが判明した。.

分布幅の狭い0.8 mmのY-TZP充填材に切り替えました。密度および公称組成は変更していません。充填率はミルメーカーの推奨値に保ち、ジルコニアビーズが詰まることなく懸濁状態を維持できるよう、粘度を注意深く監視しました。 さらに40時間経過後もスクリーンは汚染されず、製品中に測定可能なチップは認められず、ビーズの摩耗量は0.006～0.007%でした。洗浄間隔を長く取れるようになったため、処理能力が向上しました。 汚染検査（スラリーのICP分析）では、ジルコニウム濃度が低ppm範囲に収まり、当該顔料にとって許容範囲内であった。その後、工場ではより厳格な粒子径仕様を維持し続けた。.

高品質なイットリア安定化ジルコニア製粉砕ビーズの密度と靭性は、微粉砕において真の利点となります。これらにより、より小さなメディアを使用しても粒子にエネルギーを伝達することができ、摩耗率も低いため、金属やセラミックの粉塵を絶えず補充する必要がありません。しかし、ビーズが破損してしまうと、これらの利点は失われてしまいます。 粒度分布が広すぎたり、先端速度に対してビーズが大きすぎたりすると、充填物は粉砕ツールではなく、チップの発生源となってしまいます。データシート上では、ジルコニアビーズとアルミナビーズの摩耗比較は極めて良好に見えますが、実際の粉砕機内では、ジルコニアビーズが破損せずにそのままの状態を保っている場合にのみ、その比較が成り立ちます。.

現場で確認すべき点がいくつかあります。新しいロットごとにサンプルをふるい分けましょう。袋のラベルだけを鵜呑みにしてはいけません。ジルコニアボールの直径を、分離機のギャップと目標の細度に合わせて調整してください。大きめのボールを使っても効果が得られることはほとんどなく、むしろ破損が増えることがよくあります。 ビーズが詰まったりスクリーンに激突したりしないよう、固形分と粘度をミルが設計された範囲内に保つこと。また、微粉砕用のジルコニア媒体が排出口を詰まらせたり、製品に欠けが生じたりしている場合は、スラリーやミル速度のせいにする前に、粒度分布を測定し、破断の有無を確認すること。 松江の顔料生産ラインでは、0.8 mmという細粒のメディアに切り替えたことで破損が解消され、Y-TZPの低い摩耗率が長時間の運転でも実際に発揮されるようになりました。この地域で見かけるほとんどのミルは、すべてのジルコニアボールを同一のものとして扱うのをやめ、チャンバー内に実際にどのサイズのボールがあるかを確認し始めると、同様の結果が得られます。.