Prečo prášok z oxidu hlinitého s vysokou čistotou
Mlyny sú v laboratóriu čisté, vo výrobných peciach však spôsobujú mäkké miesta

Dvanásť rokov som sledoval, ako sa prášok z oxidu hlinitého s vysokou čistotou správa v laboratóriu inak než v skutočnom výrobnom mlyne a peci. Najčastejším prekvapením nie je veľkosť častíc uvedená v certifikáte, ale to, ako sa zvyšky sodíka a spôsob kalcinácie prášku prejavujú po výpale vo forme mäkkých miest alebo nerovnomerného zmrštenia.

Väčšina práškov oxidu hlinitého s vysokou čistotou, ktoré sa používajú na výrobu keramiky s vysokým obsahom oxidu hlinitého a mlecích telies, má obsah Na₂O v rozmedzí 0,1 % až 0,4 %. Toto číslo sa zdá malé, kým si nevšimnete, čo sa deje pri teplotách nad 1550 °C. Vyšší obsah sodíka podporuje spekanie v kvapalnej fáze pri nižších teplotách, čo znie ako výhoda, kým kvapalná fáza nezačne rozpúšťať oxid hlinitý a následne ho opäť nevylučuje vo forme nadmerne veľkých zŕn. Tieto veľké zrná zanechávajú pórovitosť, ktorá sa nezatvára, a výsledkom sú miestne mäkké oblasti, ktoré sa prejavujú nízkou tvrdosťou alebo predčasným opotrebením.

Laboratórne hodnoty, ktoré sme skutočne namerali

Minulý rok sme vykonali priame porovnanie dvoch komerčných práškov kalcinovaného oxidu hlinitého, ktoré mali oba nominálny obsah 99,5 % Al₂O₃ a hodnotu d50 v rozmedzí 1,2 – 1,5 µm. Prášok A obsahoval 0,08 % Na₂O; prášok B obsahoval 0,28 % Na₂O. Vytlačili sme disky s priemerom 50 mm pri tlaku 100 MPa a vypaľovali sme ich 2 hodiny pri teplote 1580 °C na vzduchu.

Prášok A dosiahol hustotu 3,82 g/cm³ (približne 96 % teoretickej hodnoty) s pomerne jednotnou veľkosťou zŕn pod 5 µm. Prášok B dosiahol hustotu 3,75 g/cm³ a vykazoval roztrúsené zrná s veľkosťou nad 20 µm, ako aj zhluky s uzavretou pórovitosťou. Tvrdosť podľa Vickersa na vyleštených rezoch dosahovala v priemere 1680 HV pre prášok A a 1490 HV pre prášok B, pričom nižšie hodnoty u prášku B sa vždy vyskytovali v blízkosti veľkých zŕn. Absorpcia vody na diskoch B bola stále 0,4 %, zatiaľ čo u A bola pod 0,1 %. Tieto rozdiely nie sú na jednom skúšobnom kuse dramatické, ale rýchlo sa prejavia pri výrobe brúsnych telies alebo opotrebovateľných dielov, ktoré musia zachovať veľkosť aj pod zaťažením.

Ako to vyzeralo v závode

Zákazník vyrábajúci mlecie gule s vysokým obsahom oxidu hlinitého zaznamenával občasné výskyt mäkkých gúľ – namerané hodnoty tvrdosti klesali o 150–200 HV pod úroveň zvyšku šarže, a to vždy na rovnakých miestach vo vozni pece. Používali reaktívny prášok oxidu hlinitého so špecifikovaným obsahom Na₂O ≤ 0,2 %. Keď sme skontrolovali skutočné dodané šarže, tri z piatich mali obsah 0,24–0,31 %. Samotný mlyn bol 1,5 m dávkový guľový mlyn naplnený 92 % mlecími telieskami z oxidu hlinitého, v ktorom sa prášok oxidu hlinitého s malým množstvom organického spojiva melie 6 hodín. Teplota suspenzie na mieste sa pohybovala okolo 35–40 °C a dosahovali konečnú hodnotu d50 približne 0,8 µm. V mlyne sa nič nezdalo byť v neporiadku.

Problém sa objavil po výpale. Šarže s vyšším obsahom sodíka sa na vonkajšej strane gule spekali rýchlejšie, zatiaľ čo jadro zaostávalo, čo viedlo k vzniku hustotného gradientu. Rozrezali sme niekoľko “mäkkých” gúľ a zistili sme ten istý vzor veľkých zŕn a zvyškovej pórovitosti, aký sme pozorovali u laboratórnych diskov. Akonáhle sprísnili limit prichádzajúceho Na₂O na ≤0,12 % a pridali 30-minútové zdržanie pri 1200 °C počas nábehu, aby sa prášok oxidu hlinitého vyrovnal, sťažnosti na mäkké gule prudko poklesli. Doba mletia v mlyne a miera opotrebenia mlecích telies sa nezmenili; jediným skutočným rozdielom bolo chemické zloženie prášku a malé úpravy programu ohrevu.

Čo naozaj záleží na ihrisku

Rozdelenie veľkosti častíc má stále význam, ale pri modernom kalcinovanom oxidu hlinitom to zriedka býva prvý problém, s ktorým sa stretnete. Väčšina dodávateľov dokáže dosiahnuť konzistentnú hodnotu d50. Premenné, ktoré sa menia častejšie, sú obsah sodíka, stupeň aglomerácie zostávajúci po kalcinácii a pomer skutočne reaktívneho prášku k tvrdému alfa-oxidom. Kalcinovaný oxid hlinitý, ktorý na laserovom analyzátore veľkosti častíc vyzerá v poriadku, môže stále obsahovať tvrdé aglomeráty, ktoré sa počas 6-hodinového cyklu mletia úplne nerozpadnú, najmä ak je mlyn prevádzkovaný pri nižšej teplote alebo sú mlecie telesa opotrebované.

Ak lisujete alebo odlievate diely, ktoré po spekaní vyžadujú rovnomernú tvrdosť, skontrolujem tri veci, než sa začnem zaoberať časom frézovania: skutočný obsah Na₂O uvedený v certifikáte (nie typickú hodnotu), povrchovú plochu podľa BET (vyššia hodnota zvyčajne znamená vyššiu reaktivitu, ale aj väčšiu pravdepodobnosť tvorby aglomerátov) a rýchly test hustoty po výpale na vašom vlastnom telese, namiesto toho, aby ste sa spoliehali iba na údaje dodávateľa. Rozdiel medzi laboratórnymi a výrobnými podmienkami sa takmer vždy prejaví na vypálenej súčiastke, nie na frézovanej kaši.

Prášený kalcinovaný oxid hlinitý je jednoduchý na spracovanie, pokiaľ sa drobné chemické rozdiely neprejavia v skutočnom programe vypaľovania. Akonáhle zistíte, že sa rovnaký vzor mäkkých miest vyskytuje tak na laboratórnych diskoch, ako aj na výrobných guličkách, prestanete hodnotu Na₂O považovať za vedľajšiu informáciu.