Warum Ihr hochreines Aluminiumoxidpulver?
Mühlen sorgen im Labor für Sauberkeit, verursachen jedoch weiche Stellen in Produktionsöfen

Ich habe zwölf Jahre lang beobachtet, wie sich hochreines Aluminiumoxidpulver auf dem Labortisch anders verhält als in einer echten Produktionsmühle und einem Brennofen. Die häufigste Überraschung ist nicht die Partikelgröße auf dem Zertifikat – sondern die Art und Weise, wie sich Natriumrückstände und die Art der Kalzinierung des Pulvers nach dem Brennen in Form von weichen Stellen oder ungleichmäßiger Schrumpfung bemerkbar machen.

Das meiste hochreine Aluminiumoxidpulver, das für Keramiken mit hohem Aluminiumoxidgehalt und Mahlkörpern verwendet wird, weist einen Na₂O-Gehalt zwischen 0,1 % und 0,4 % auf. Diese Zahl erscheint gering, bis man beobachtet, was bei Temperaturen über 1550 °C geschieht. Ein höherer Natriumgehalt begünstigt das Flüssigphasensintern bei niedrigeren Temperaturen, was zunächst hilfreich erscheint, bis die Flüssigphase beginnt, Aluminiumoxid aufzulösen und es anschließend in Form übergroßer Körner wieder ausfällt. Diese großen Körner hinterlassen Porositäten, die sich nicht schließen, und es entstehen lokale weiche Bereiche, die sich durch geringe Härte oder vorzeitigen Verschleiß bemerkbar machen.

Tatsächlich von uns gemessene Laborwerte

Im vergangenen Jahr haben wir einen direkten Vergleich zwischen zwei handelsüblichen kalzinierten Aluminiumoxidpulvern durchgeführt, die beide einen nominellen Al₂O₃-Gehalt von 99,5 % und eine d50 von etwa 1,2–1,5 µm aufwiesen. Pulver A wies 0,08 % Na₂O auf; Pulver B wies 0,28 % Na₂O auf. Wir pressten Scheiben mit einem Durchmesser von 50 mm bei 100 MPa und brannten sie 2 Stunden lang bei 1580 °C an der Luft.

Pulver A erreichte eine Dichte von 3,82 g/cm³ (etwa 96 % des theoretischen Wertes) bei einer relativ gleichmäßigen Korngröße unter 5 µm. Pulver B erreichte eine Dichte von 3,75 g/cm³ und wies vereinzelte Körner über 20 µm sowie Cluster mit geschlossener Porosität auf. Die Vickers-Härte an den polierten Querschnitten betrug im Durchschnitt 1680 HV für A und 1490 HV für B, wobei die niedrigen Werte bei B stets in der Nähe der großen Körner auftraten. Die Wasseraufnahme der Scheiben von B lag weiterhin bei 0,4 %, während sie bei A unter 0,1 % lag. Diese Unterschiede sind bei einem einzelnen Prüfstück nicht dramatisch, machen sich jedoch schnell bemerkbar, wenn man Mahlkörper oder Verschleißteile herstellt, die ihre Größe unter Belastung beibehalten müssen.

So sah es im Werk aus

Ein Kunde, der Mahlkugeln mit hohem Aluminiumoxidgehalt herstellte, erhielt zeitweise weiche Kugeln – deren Härtewerte um 150–200 HV unter denen der übrigen Charge lagen, und zwar stets an denselben Positionen im Ofenwagen. Er verwendete ein reaktives Aluminiumoxidpulver mit einem Na₂O-Gehalt von ≤0,2 %. Als wir die tatsächlich angelieferten Chargen überprüften, wiesen drei von fünf einen Gehalt von 0,24–0,31 % auf. Bei der Mühle handelte es sich um eine 1,5 m große Chargen-Kugelmühle, die zu 92 % mit Aluminiumoxid-Mahlkörpern befüllt war und in der das Aluminiumoxidpulver mit einer geringen Menge organischen Bindemittels 6 Stunden lang gemahlen wurde. Die Schlammtemperatur vor Ort lag bei etwa 35–40 °C, und es wurde ein endgültiger d50-Wert von etwa 0,8 µm erreicht. In der Mühle schien alles in Ordnung zu sein.

Das Problem trat nach dem Brennen auf. Die Chargen mit höherem Natriumgehalt sinterten an der Außenseite der Kugel schneller, während der Kern hinterherhinkte, was zu einem Dichtegradienten führte. Wir schnitten einige “weiche” Kugeln auf und stellten dasselbe Muster aus grobkörniger Struktur und Restporosität fest, das wir bereits bei den Laborscheiben beobachtet hatten. Nachdem der Grenzwert für den Na₂O-Gehalt im Eingangsmaterial auf ≤0,12 % verschärft und beim Aufheizen eine 30-minütige Haltezeit bei 1200 °C eingefügt worden war, um das Aluminiumoxidpulver sich ausgleichen zu lassen, gingen die Beschwerden über weiche Kugeln drastisch zurück. Die Mahlzeit in der Mühle und die Abnutzungsrate der Mahlkörper änderten sich nicht; der einzige wirkliche Unterschied bestand in der Pulverchemie und einer geringfügigen Anpassung des Aufheizprogramms.

Was auf dem Spielfeld wirklich zählt

Die Partikelgrößenverteilung spielt zwar nach wie vor eine Rolle, ist aber bei modernem kalziniertem Aluminiumoxid selten das erste Problem, auf das man stößt. Die meisten Lieferanten können einen konsistenten d50-Wert erzielen. Die Variablen, die stärker schwanken, sind der Natriumgehalt, der nach der Kalzinierung verbleibende Agglomerationsgrad und der Anteil des tatsächlich reaktiven Pulvers im Vergleich zum harten Alpha-Anteil. Kalziniertes Aluminiumoxidpulver, das auf einem Laser-Partikelgrößenanalysator gut aussieht, kann dennoch harte Agglomerate enthalten, die sich in einem 6-stündigen Mahlzyklus nicht vollständig auflösen – insbesondere, wenn die Mühle etwas zu kalt läuft oder die Mahlkörper abgenutzt sind.

Wenn Sie Teile pressen oder im Gießverfahren herstellen, die nach dem Sintern eine gleichmäßige Härte aufweisen müssen, überprüfe ich drei Dinge, bevor ich mir Gedanken über die Mahlzeit mache: den tatsächlichen Na₂O-Gehalt auf dem Zertifikat (nicht den typischen Wert), die BET-Oberfläche (ein höherer Wert bedeutet in der Regel eine höhere Reaktivität, aber auch ein erhöhtes Risiko für Agglomerate) sowie eine kurze Dichtemessung am eigenen Rohling, anstatt sich ausschließlich auf die Angaben des Lieferanten zu verlassen. Die Diskrepanz zwischen Labor und Produktion zeigt sich fast immer im gebrannten Teil, nicht in der gemahlenen Aufschlämmung.

Bei kalziniertem Aluminiumoxidpulver ist die Sache unkompliziert, bis die kleinen chemischen Unterschiede auf einen konkreten Brennplan treffen. Sobald man das gleiche Muster der weichen Stellen sowohl bei den Laborscheiben als auch bei den Serienkugeln beobachtet hat, betrachtet man den Na₂O-Wert nicht mehr nur als Hintergrundinformation.