Neden yüksek saflıkta alümina tozu?
Mills, laboratuvarda temiz sonuç verir ancak üretim fırınlarında yumuşak noktalar oluşmasına neden olur

On iki yıl boyunca, yüksek saflıkta alümina tozunun laboratuvar tezgahında bir şekilde davranırken, gerçek bir üretim değirmenine ve fırına girdiğinde ise bambaşka bir şekilde davrandığını gözlemledim. En sık karşılaşılan sürpriz, sertifikadaki parçacık boyutu değil; pişirme sonrasında kalıntı sodyumun ve tozun kalsine edilme şeklinin, zayıf noktalar veya dengesiz büzülme olarak ortaya çıkmasıdır.

Yüksek alümina içeren seramikler ve öğütme ortamları için kullanılan yüksek saflıkta alümina tozlarının çoğu, %0,1 ile %0,4 arasında Na₂O içeriğine sahiptir. Bu rakam, 1550°C’nin üzerindeki sıcaklıklarda neler olduğunu görene kadar küçük görünür. Daha yüksek sodyum içeriği, daha düşük sıcaklıklarda sıvı faz sinterlemesini teşvik eder; bu, sıvı faz alüminayı çözmeye başlayıp ardından aşırı büyük taneler halinde yeniden çökelene kadar yararlı gibi görünür. Bu büyük taneler, kapanmayan gözenekler bırakır ve sonuçta düşük sertlik veya erken aşınma olarak ortaya çıkan yerel yumuşak alanlar oluşur.

Gerçekten ölçtüğümüz laboratuvar değerleri

Geçen yıl, her ikisi de nominal olarak ,5 Al₂O₃ içeren ve d50 değeri yaklaşık 1,2–1,5 µm olan iki ticari kalsine alümina tozunu yan yana karşılaştırdık. Toz A’da %0,08 Na₂O, Toz B’de ise %0,28 Na₂O bulunmaktaydı. 50 mm çapında diskleri 100 MPa basınçta presledik ve bunları havada 1580°C’de 2 saat boyunca pişirdik.

A tozu, 5 µm’nin altında oldukça homojen bir tane boyutuna sahip olarak 3,82 g/cm³’e (teorik değerin yaklaşık ’sı) ulaştı. B tozu ise 3,75 g/cm³’e ulaştı ve 20 µm’nin üzerinde dağınık taneler ile kapalı gözeneklilik kümeleri sergiledi. Parlatılmış kesitlerdeki Vickers sertliği, A için ortalama 1680 HV, B için ise 1490 HV olarak ölçüldü; B'deki düşük değerler her zaman iri tanelerin yanında yer alıyordu. B disklerindeki su emilimi hala %0,4 iken, A'da %0,1'in altındaydı. Bu farklılıklar tek bir test parçası üzerinde çok belirgin olmasa da, yük altında boyutunu koruması gereken öğütme ortamları veya aşınma parçaları üretirken hızla ortaya çıkar.

Fabrikada durum nasıldı?

Yüksek alümina içerikli öğütme bilyeleri üreten bir müşteri, aralıklı olarak sertlik değerleri partinin geri kalanından 150–200 HV daha düşük çıkan yumuşak bilyelerle karşılaşıyordu; bu durum her zaman aynı fırın vagonu konumlarında meydana geliyordu. Müşteri, Na₂O içeriği ≤%0,2 olarak belirtilen reaktif alümina tozu kullanıyordu. Gelen partileri incelediğimizde, beş partiden üçünün Na₂O içeriğinin %0,24–0,31 arasında olduğunu gördük. Değirmen, alümina öğütme malzemesi ile doldurulmuş 1,5 m'lik bir kesikli bilyalı değirmendi ve alümina tozunu az miktarda organik bağlayıcı ile 6 saat boyunca öğütüyordu. Tesis içindeki bulamaç sıcaklığı 35–40°C civarında kalıyordu ve yaklaşık 0,8 µm’lik bir nihai d50 değerine ulaşıyorlardı. Değirmende herhangi bir sorun görünmüyordu.

Sorun, fırınlamadan sonra ortaya çıktı. Sodyum içeriği daha yüksek olan partiler, topun dış kısmında daha hızlı sinterlenirken, çekirdek kısımda bu süreç gecikti ve bu da bir yoğunluk gradyanı oluşturdu. Birkaç “yumuşak” topu kesitlere ayırdık ve laboratuvar disklerinde gördüğümüzle aynı iri taneli + kalıntı gözeneklilik örüntüsünü tespit ettik. Gelen Na₂O sınırını %0,12'ye indirip, alümina tozunun dengelenmesi için ısınma sürecinde 1200°C'de 30 dakikalık bir bekletme süresi ekledikten sonra, yumuşak top şikayetleri keskin bir şekilde azaldı. Değirmen öğütme süresi ve öğütme malzemesi aşınma oranı değişmedi; tek gerçek fark, tozun kimyasal bileşimi ve ısıtma programında yapılan küçük bir ayarlamaydı.

Sahada asıl önemli olan şey

Parçacık boyutu dağılımı hâlâ önemlidir, ancak modern kalsine alümina söz konusu olduğunda bu, nadiren ilk sorun olarak karşınıza çıkar. Çoğu tedarikçi tutarlı bir d50 değeri sağlayabilir. Daha fazla değişkenlik gösteren faktörler ise sodyum seviyesi, kalsinasyon sonrası kalan aglomerasyon derecesi ve tozun ne kadarının gerçekten reaktif, ne kadarının ise sert alfa olduğu konusudur. Lazer partikül boyutu analizöründe iyi görünen kalsine alümina tozu, özellikle değirmen biraz soğuk çalışıyorsa veya değirmen çakılları aşınmışsa, 6 saatlik bir öğütme döngüsünde tamamen parçalanmayan sert aglomeralar içerebilir.

Sinterleme sonrasında homojen sertlik gerektiren parçaları presleme veya kayma döküm yöntemiyle üretiyorsanız, frezeleme süresini düşünmeden önce üç hususu kontrol ederim: sertifikadaki gerçek Na₂O değeri (tipik değer değil), BET yüzey alanı (genellikle daha yüksek değer, daha reaktif olduğu anlamına gelir, ancak aynı zamanda aglomerasyon olasılığı da artar) ve sadece tedarikçinin verilerine güvenmek yerine, kendi gövdeniz üzerinde hızlı bir pişirme yoğunluğu testi. Laboratuvar ile üretim tesisi arasındaki fark, neredeyse her zaman frezelenmiş bulamacında değil, pişirilmiş parçada ortaya çıkar.

Kalsine alümina tozu, küçük kimyasal farklılıklar gerçek bir fırın programıyla karşılaştığı ana kadar oldukça basittir. Hem laboratuvar disklerinde hem de üretim toplarında aynı yumuşak nokta desenini gördüğünüzde, Na₂O değerini artık sadece arka plan bilgisi olarak değerlendirmeyi bırakırsınız.