Почему именно ваш порошок оксида алюминия высокой чистоты
Миллс обеспечивает чистоту в лабораторных условиях, но приводит к появлению мягких участков в производственных печах

В течение двенадцати лет я наблюдал, как порошок глинозема высокой чистоты ведет себя одним образом на лабораторном столе, а совсем иначе — когда попадает в реальную производственную мельницу и печь. Чаще всего удивляет не размер частиц, указанный в сертификате, а то, как остаточный натрий и способ прокаливания порошка проявляются в виде мягких участков или неравномерной усадки после обжига.

Большинство сортов порошка оксида алюминия высокой чистоты, используемых для производства керамики с высоким содержанием оксида алюминия и измельчающих тел, содержат от 0,1 % до 0,4 % Na₂O. Это значение кажется незначительным, пока не посмотришь, что происходит при температурах выше 1550 °C. Повышенное содержание натрия способствует жидкофазному спеканию при более низких температурах, что кажется полезным до тех пор, пока жидкая фаза не начнёт растворять оксид алюминия, а затем вновь осаждаться в виде чрезмерно крупных зёрен. Эти крупные зерна оставляют после себя пористость, которая не замыкается, и в результате возникают локальные мягкие участки, проявляющиеся в виде низкой твёрдости или преждевременного износа.

Лабораторные показатели, которые мы действительно измерили

В прошлом году мы провели сравнительный анализ двух коммерческих сортов прокаленного порошка оксида алюминия, оба из которых номинально содержали 99,5 % Al₂O₃ и имели d50 около 1,2–1,5 мкм. Порошок A содержал 0,08 % Na₂O; порошок B — 0,28 % Na₂O. Мы спрессовали диски диаметром 50 мм при давлении 100 МПа и обжигали их при температуре 1580 °C в течение 2 часов на воздухе.

Плотность порошка A составила 3,82 г/см³ (около 96 % от теоретической) при достаточно однородном размере зерен менее 5 мкм. Плотность порошка B составила 3,75 г/см³; в его структуре наблюдались разбросанные зерна размером свыше 20 мкм, а также скопления с закрытой пористостью. Твёрдость по Виккерсу на отполированных участках в среднем составила 1680 HV для порошка A и 1490 HV для порошка B, причём низкие показатели у порошка B всегда наблюдались рядом с крупными зернами. Водопоглощение дисков образца B по-прежнему составляло 0,4 %, тогда как у образца A — менее 0,1 %. Эти различия не столь заметны на отдельном испытательном образце, но быстро проявляются при изготовлении измельчающих тел или изнашиваемых деталей, которые должны сохранять размеры под нагрузкой.

Как это выглядело на заводе

У одного из наших клиентов, производящего мельничные шары с высоким содержанием глинозема, периодически получались «мягкие» шары — их показатели твердости были на 150–200 HV ниже, чем у остальной партии, причем это всегда происходило в одних и тех же местах вагона печи. В производстве использовался реактивный глиноземный порошок с содержанием Na₂O не более 0,2 %. Когда мы проверили поступающие партии, в трёх из пяти содержание Na₂O составляло 0,24–0,31 %. Сама мельница представляла собой периодическую шаровую мельницу диаметром 1,5 м, загруженную на 92 % мелющими элементами из оксида алюминия, в которой оксид алюминия измельчался с небольшим количеством органического связующего в течение 6 часов. Температура суспензии на производстве оставалась на уровне 35–40 °C, и достигался конечный показатель d50 около 0,8 мкм. В работе мельницы не наблюдалось никаких отклонений.

Проблема проявилась после обжига. Партии с более высоким содержанием натрия спекались быстрее на внешней поверхности шарика, в то время как сердцевина отставала, что приводило к образованию градиента плотности. Мы разрезали несколько “мягких” шариков и обнаружили ту же картину крупнозернистости и остаточной пористости, что и на лабораторных дисках. Как только они ужесточили допустимый предел содержания Na₂O в поступающем сырье до ≤0,12% и добавили 30-минутную выдержку при 1200 °C на этапе нагрева, чтобы дать возможность порошку оксида алюминия выровняться, количество жалоб на мягкие шары резко сократилось. Время измельчения в мельнице и скорость износа измельчающих элементов не изменились; единственным реальным отличием был химический состав порошка и небольшая корректировка графика нагрева.

Что на самом деле имеет значение на площадке

Распределение частиц по размерам по-прежнему имеет значение, но в случае с современным прокаленным оксидом алюминия это редко становится главной проблемой. Большинство поставщиков способны обеспечить стабильное значение d50. Более изменчивыми параметрами являются содержание натрия, степень агломерации, остающаяся после прокаливания, а также соотношение между долей действительно реактивного порошка и долей твердого альфа-оксида. Порошок прокаленного оксида алюминия, который выглядит хорошо на лазерном анализаторе размера частиц, всё равно может содержать твёрдые агломераты, которые не разбиваются полностью за 6-часовой цикл измельчения, особенно если мельница работает с небольшим перегревом или изнашиваются измельчающие элементы.

Если вы изготавливаете детали методом прессования или литья в формы, которым после спекания требуется равномерная твердость, я проверяю три параметра, прежде чем беспокоиться о времени фрезерования: фактическое содержание Na₂O, указанное в сертификате (а не типичное значение), площадь поверхности по методу БЭТ (более высокое значение обычно означает большую реакционную способность, но также и более высокую вероятность образования агломератов), а также быстрое испытание плотности обожженного изделия, проведенное вами самостоятельно, а не полагаясь исключительно на данные поставщика. Разница между лабораторными и производственными условиями почти всегда проявляется в обожженной детали, а не в фрезерованной суспензии.

Работа с порошком прокаленного оксида алюминия не представляет сложности до тех пор, пока незначительные химические различия не начнут сказываться на реальной программе обжига. Как только вы заметите одинаковую картину образования «мягких зон» как на лабораторных дисках, так и на производственных шариках, вы перестанете рассматривать показатель Na₂O как второстепенную информацию.