氧化铈研磨液应用技术

氧化铈是一种重要的稀土氧化物,主要用于冶炼金属铈和各种材料的添加剂。从1940年开始,高氧化铈含量的稀土抛光粉开始取代氧化铁(即铁红)用于玻璃抛光,成为玻璃抛光加工过程中的关键工艺材料之一。与传统抛光粉—氧化铁相比,稀土抛光粉具有抛光速度快,光洁度高和使用寿命长的优点,而且能改变抛光质量和操作环境。例如用氧化铈抛光粉抛光透镜,一分钟完成工作量,如用氧化铁抛光粉则需要30~60分钟。

氧化铈在玻璃抛光中的优异性能在于铈元素的多价态及其易转化特性,Ce(+3)/Ce(+5)的氧化还原反应会破坏硅酸盐晶格,并通过化学吸附作用,使玻璃表面与抛光剂接触的物质(包括玻璃及水解化合物)被氧化或形成络合物而被除去。此外,氧化铈对二氧化硅质玻璃、晶体,氟化钙等晶体具有同样的抛光特性。

一、 氧化铈抛光粉分类

由于氧化铈对二氧化硅质玻璃、晶体等具有优异的性能,氧化铈研磨液的分类主要依据氧化铈含量及微粉粒度进行。

1. 低铈抛光粉

低铈抛光粉一般含有50%左右的CeO2,其余50%为La2O3,Nd2O3,Pr6O11等或LaOF、NdOF、PrOF等碱性氟化物。由于含有镨元素(Pr),外观表现为红色或棕红色,镨含量越高颜色越深。随着科技的进步以及对镨元素的开发利用,低铈抛光粉镨元素被提炼出来,因此也出现白色低铈抛光粉产品。此类抛光粉价格低,但初始抛光能力与高铈抛光粉几乎没有差别,因而广泛用于平板玻璃、显像管玻璃、眼镜片等低端产品玻璃的抛光,但使用寿命要比高铈抛光粉低。

   
                                  图 1低铈抛光粉
2.高铈抛光粉
氧化铈含量在80%以上称为高铈抛光粉,此种抛光粉氧化铈的含量越高,抛光能力越大,使用寿命也越长,主要用于硬质玻璃和光学晶体表面抛光。颜色有白色和土红色。
   
                                                           
                                   图 2高铈抛光粉
3. 纯铈抛光粉
氧化铈含量在99%以上的称为纯铈抛光粉,颜色为淡黄色或米黄色。纯铈抛光粉用在高技术指标要求的领域,如航空航天、军事科技等领域。其优点是抛光持续性能好,可以保证加工工艺的稳定性和加工精度一直性。

  SEQ 图表 \* ARABIC  3 高纯氧化铈

 

根据粒度大小分为微米级、亚微米级和纳米级,一般规律是粒度越大抛光力越大,但抛光精度越低。

二、 影响氧化铈研磨液抛光性能的因素

氧化铈研磨液是由氧化铈抛光粉分散在某种液体中而成,其中氧化铈抛光粉起磨削抛光作用,分散液相具有分散、携带、降温、润滑等作用。因此影响抛光液的因素主要有氧化铈抛光粉和分散液的功能。

1. 氧化铈抛光粉

氧化铈微粉在氧化铈研磨液中起关键作用,其质量直接影响研磨液的研磨效果。而影响氧化铈微粉质量的因素主要有微粉的粒度及其分布、微粉的微观形貌及聚集状态、微粉的晶体结构。

微粉的颗粒大小成正太分布,一般用中位粒径(D50)表示微粉粒径值。但是仅仅用中位粒径表示微粉粒径大小没有实际意义,必须和粒度分布曲线结合才能科地表征真实的微粉粒径。在研磨过程中,微粉的粒径反映研磨的切削力和效率,而粒度分布却决定微粉的研磨精度。理想的粒度分布应该是尽可能窄,并且向中位粒径靠拢。

   图 4 微粉粒度分布曲线


微粉微观形貌和聚集状态影响研磨效果。圆滑的颗粒形貌不易产生研磨缺陷,如划痕、崩边、斑点等。颗粒边缘清晰、颗粒以化学方式聚集同样不易产生研磨缺陷。

   

                                 图 5 微粉的SEM照片

此外,氧化铈微粉的晶体结构也是一个重要因素。当晶体中存在晶格缺陷时,铈元素的化学活性提高,这样就加速了其与被研磨材料的化学反应速度,从而提高了研磨抛光能力和效率。

1. 分散液相 

分散液的主要作用是使抛光粉分散均匀,并保持恒定的分散状态。当抛光粉分散不均匀时,则在研磨过程中,研磨液很容易在被研磨面造成抛光缺陷。此外,分散液同时还要对在研磨过程中产生的磨屑具有良好的分散作用和悬浮作用,否则沉积的磨屑也会对研磨面造成抛光缺陷。 

在某些特殊的研磨工艺中,如机器高速研磨工艺,还需要研磨液具有冷却降温、润滑等功能,这些功能是否具备同样影响正果研磨过程。 

一、国内氧化铈研磨液现状

国内氧化铈抛光粉生产企业主要有两类。一类是稀土开采加工类企业,其氧化铈抛光粉只是一个副产品,在生产过程中,氧化铈经过球磨筛分成不同粒度即成产品,此类企业以内蒙、江西稀土产区为代表。这类产品只能用在低端玻璃产品加工,使用者将产品加水直接使用。另一类是专门生产氧化铈抛光粉的企业,此类企业对抛光粉粒度分布进行优化处理,并针对不同的使用领域进行配方设计,其中某些企业会对氧化铈进行提纯处理,但很少有企业具有对微粉进行形貌控制、晶型制备的技术。这类产品一般能用在中低端行业。国内中、高端行业主要由国外产品控制。

氧化铈研磨液发展趋势

作为研磨抛光材料使用,氧化铈有70多年的历史,其生产使用技术也日臻成熟,但由于其对玻璃及硅质材料的特效研磨性能,寻找开发替代产品的可能性不大。随着加工要求的不断提高,氧化铈研磨液被赋予了更高的技术要求。首先是纯度已经达到99.99%,现有的产品及工艺远不能满足电子、高精密光学领域的使用要求。其次是粒度在纳米级,且大小均一,对于传统原料和设备工艺都是一个难题。