Dlaczego warto wybrać proszek tlenku glinu o wysokiej czystości?
Młyny działają bez zarzutu w laboratorium, ale powodują powstawanie miękkich miejsc w piecach produkcyjnych

Przez dwanaście lat obserwowałem, jak proszek tlenku glinu o wysokiej czystości zachowuje się w jeden sposób na stole laboratoryjnym, a zupełnie inaczej, gdy trafia do prawdziwego młyna produkcyjnego i pieca. Najczęstszą niespodzianką nie jest wielkość cząstek podana w certyfikacie — chodzi o to, jak resztkowa zawartość sodu oraz sposób kalcynacji proszku przejawiają się w postaci miękkich miejsc lub nierównomiernego skurczu po wypalaniu.

Większość proszków tlenku glinu o wysokiej czystości, stosowanych w ceramice o wysokiej zawartości tlenku glinu oraz jako środki mielące, zawiera od 0,1% do 0,4% Na₂O. Liczba ta wydaje się niewielka, dopóki nie przyjrzymy się temu, co dzieje się w temperaturach powyżej 1550°C. Wyższa zawartość sodu sprzyja spiekaniu w fazie ciekłej w niższych temperaturach, co wydaje się korzystne, dopóki faza ciekła nie zacznie rozpuszczać tlenku glinu, a następnie ponownie wytrącać go w postaci nadmiernie rozdrobnionych ziaren. Te duże ziarna pozostawiają po sobie porowatość, która nie ulega zamknięciu, co prowadzi do powstania lokalnych miękkich obszarów, objawiających się niską twardością lub przedwczesnym zużyciem.

Wyniki badań laboratoryjnych, które faktycznie zmierzyliśmy

W zeszłym roku przeprowadziliśmy bezpośrednie porównanie dwóch dostępnych na rynku proszków kalcynowanego tlenku glinu, z których oba miały nominalną zawartość 99,5% Al₂O₃ oraz wartość d50 wynoszącą około 1,2–1,5 µm. Proszek A zawierał 0,08% Na₂O, a proszek B – 0,28% Na₂O. Wycisnęliśmy krążki o średnicy 50 mm pod ciśnieniem 100 MPa i wypalaliśmy je w temperaturze 1580°C przez 2 godziny w atmosferze powietrza.

Proszek A osiągnął gęstość 3,82 g/cm³ (około 96% wartości teoretycznej) przy dość jednolitej wielkości ziaren poniżej 5 µm. Proszek B osiągnął gęstość 3,75 g/cm³ i wykazywał rozproszone ziarna o wielkości powyżej 20 µm oraz skupiska o zamkniętej porowatości. Twardość w skali Vickersa na wypolerowanych przekrojach wyniosła średnio 1680 HV dla proszku A i 1490 HV dla proszku B, przy czym niskie odczyty dla proszku B zawsze występowały w pobliżu dużych ziaren. Wchłanianie wody przez krążki z proszku B nadal wynosiło 0,4%, podczas gdy w przypadku proszku A było poniżej 0,1%. Różnice te nie są znaczące w przypadku pojedynczego egzemplarza testowego, ale szybko stają się widoczne podczas produkcji środków mielących lub części zużywających się, które muszą zachować rozmiar pod obciążeniem.

Jak to wyglądało w zakładzie

Klient produkujący kulki mielące z wysoką zawartością tlenku glinu napotykał problem sporadycznego występowania zbyt miękkich kulek — ich twardość była o 150–200 HV niższa od reszty partii, zawsze w tych samych miejscach w wagonie piecowym. Wykorzystywano proszek reaktywnego tlenku glinu o zawartości Na₂O ≤0,2%. Kiedy sprawdziliśmy faktyczne partie dostarczanego proszku, trzy z pięciu miały zawartość 0,24–0,31%. Sam młyn był 1,5-metrowym młynem kulowym okresowym, zasilanym w 92% kulami z tlenku glinu, w którym proszek tlenku glinu mielono z niewielką ilością spoiwa organicznego przez 6 godzin. Temperatura zawiesiny na miejscu utrzymywała się na poziomie około 35–40°C, a uzyskiwano końcową wartość d50 wynoszącą około 0,8 µm. W młynie nie stwierdzono żadnych nieprawidłowości.

Problem pojawił się po wypalaniu. Partie o wyższej zawartości sodu ulegały szybszemu spiekaniu na zewnętrznej powierzchni kulki, podczas gdy jej rdzeń pozostawał w tyle, co powodowało powstanie gradientu gęstości. Przecięliśmy kilka “miękkich” kulek i stwierdziliśmy ten sam wzór dużych ziaren oraz porowatości resztkowej, jaki zaobserwowaliśmy w krążkach laboratoryjnych. Gdy zaostrzono dopuszczalny poziom Na₂O w surowcu do ≤0,12% i dodano 30-minutową fazę utrzymywania temperatury 1200°C podczas wzrostu temperatury, aby umożliwić wyrównanie się proszku tlenku glinu, liczba skarg dotyczących miękkich kul gwałtownie spadła. Czas mielenia w młynie i tempo zużycia elementów mielących nie uległy zmianie; jedyną rzeczywistą różnicą był skład chemiczny proszku oraz niewielka korekta harmonogramu ogrzewania.

Co naprawdę ma znaczenie na parkiecie

Rozkład wielkości cząstek nadal ma znaczenie, ale w przypadku nowoczesnego kalcynowanego tlenku glinu rzadko jest to pierwsza rzecz, która sprawia kłopoty. Większość dostawców jest w stanie zapewnić stałą wartość d50. Czynnikami, które ulegają większym wahaniom, są zawartość sodu, stopień aglomeracji pozostały po kalcynacji oraz stosunek ilości proszku prawdziwie reaktywnego do twardego alfa. Proszek kalcynowanego tlenku glinu, który wygląda dobrze na laserowym analizatorze wielkości cząstek, może nadal zawierać twarde aglomeraty, które nie ulegają całkowitemu rozpadowi podczas 6-godzinnego cyklu mielenia, zwłaszcza jeśli młyn pracuje w nieco niższej temperaturze lub śruty mielące są zużyte.

Jeśli zajmujesz się formowaniem tłoczonym lub odlewaniem ślizgowym elementów, które po spiekaniu muszą charakteryzować się jednolitą twardością, przed podjęciem decyzji o czasie frezowania sprawdzam trzy rzeczy: rzeczywistą zawartość Na₂O podaną w certyfikacie (a nie wartość typową), powierzchnię właściwą metodą BET (wyższa wartość zazwyczaj oznacza większą reaktywność, ale także większe prawdopodobieństwo tworzenia się aglomeratów) oraz szybki test gęstości wypalonego wyrobu wykonany na własnym materiale, zamiast polegania wyłącznie na danych dostawcy. Różnice między wynikami laboratoryjnymi a produkcyjnymi prawie zawsze ujawniają się w wypalonym elemencie, a nie w mielonej zawiesinie.

Proszek kalcynowanego tlenku glinu nie sprawia trudności, dopóki drobne różnice chemiczne nie zderzą się z rzeczywistym harmonogramem pracy pieca. Gdy tylko zauważysz ten sam wzór miękkich punktów zarówno na krążkach laboratoryjnych, jak i kulkach produkcyjnych, przestajesz traktować wartość Na₂O jako informację drugorzędną.