Чому саме ваш порошок оксиду алюмінію високої чистоти
Mills Clean ефективний у лабораторних умовах, але спричиняє появу м’яких ділянок у виробничих печах

Протягом дванадцяти років я спостерігав, як порошок глинозему високої чистоти поводиться по-одному на лабораторному столі, а по-іншому — коли потрапляє на справжню виробничу млин і в піч. Найчастішою несподіванкою є не розмір частинок, зазначений у сертифікаті, а те, як залишки натрію та спосіб прожарювання порошку проявляються у вигляді м’яких ділянок або нерівномірної усадки після випалу.

Більшість видів порошку оксиду алюмінію високої чистоти, що використовуються для виготовлення кераміки з високим вмістом оксиду алюмінію та подрібнювальних тіл, містять від 0,1% до 0,4% Na₂O. Цей показник здається незначним, доки не подивитися, що відбувається при температурах вище 1550 °C. Підвищений вміст натрію сприяє рідкофазному спіканню при нижчих температурах, що здається корисним, доки рідка фаза не починає розчиняти оксид алюмінію, а потім знову осідає у вигляді надмірно великих зерен. Ці великі зерна залишають після себе пористість, яка не закривається, і в результаті утворюються локальні м’які ділянки, що проявляються у вигляді низької твердості або передчасного зносу.

Лабораторні показники, які ми фактично виміряли

Минулого року ми провели порівняльний аналіз двох комерційних сортів прокаленого порошку оксиду алюмінію, обидва з номінальним вмістом Al₂O₃ 99,5 % та величиною d50 приблизно 1,2–1,5 мкм. Порошок А містив 0,08 % Na₂O; порошок Б — 0,28 % Na₂O. Ми пресували диски діаметром 50 мм під тиском 100 МПа та випалювали їх при температурі 1580 °C протягом 2 годин на повітрі.

Порошок А мав щільність 3,82 г/см³ (приблизно 96 % від теоретичної) та досить однорідний розмір зерен — менше 5 мкм. Порошок Б мав щільність 3,75 г/см³ і містив розкидані зерна розміром понад 20 мкм, а також скупчення з закритою пористістю. Твердість за Вікерсом на відполірованих зрізах становила в середньому 1680 HV для порошку А та 1490 HV для порошку В, причому низькі показники для порошку В завжди спостерігалися поруч із великими зернами. Водопоглинання дисків з порошку B все ще становило 0,4 %, тоді як для порошку A — менше 0,1 %. Ці відмінності не є суттєвими для окремого зразка, але вони швидко стають помітними під час виготовлення подрібнювальних тіл або зношуваних деталей, які повинні зберігати розміри під навантаженням.

Як це виглядало на заводі

Клієнт, який виготовляв подрібнювальні кулі з високим вмістом глинозему, періодично отримував м’які кулі — показники твердості яких були на 150–200 HV нижчими за решту партії, причому це завжди траплялося в одних і тих самих місцях вагона печі. Вони використовували реактивний порошок глинозему, у якому вміст Na₂O не перевищував 0,2 %. Коли ми перевірили фактичні партії, що надходили, у трьох із п’яти вміст становив 0,24–0,31 %. Сама млин — це періодична кульова млин довжиною 1,5 м, завантажена на 92 % куль з глинозему, у якій порошок глинозему подрібнювався з невеликою кількістю органічного сполучного протягом 6 годин. Температура суспензії на виробництві залишалася на рівні 35–40 °C, а кінцеве значення d50 становило приблизно 0,8 мкм. У роботі млина не було помітно жодних відхилень.

Проблема виникла після випалу. Партії з вищим вмістом натрію швидше спеклися на зовнішній поверхні кулі, тоді як серцевина відставала у процесі, що призвело до утворення градієнта щільності. Ми розрізали кілька “м’яких” куль і виявили ту саму картину з великими зернами та залишковою пористістю, яку бачили на лабораторних дисках. Після того як обмеження вмісту Na₂O у сировині було знижено до ≤0,12 % та додано 30-хвилинну паузу при температурі 1200 °C під час нагрівання, щоб дати можливість порошку оксиду алюмінію вирівнятися, кількість скарг на м’які кулі різко зменшилася. Час подрібнення в млині та швидкість зносу подрібнювальних елементів не змінилися; єдиною реальною відмінністю був хімічний склад порошку та невелике коригування графіка нагрівання.

Що насправді має значення на майданчику

Розподіл частинок за розміром, як і раніше, має значення, але у випадку з сучасним прокаленим оксидом алюмінію це рідко є першою проблемою, з якою доводиться стикатися. Більшість постачальників можуть забезпечити стабільне значення d50. Більш мінливими параметрами є вміст натрію, ступінь агломерації, що залишається після прокалювання, а також співвідношення між часткою справді реактивного порошку та часткою твердого альфа-оксиду. Порошок прокаленого оксиду алюмінію, який виглядає добре на лазерному аналізаторі розміру частинок, все одно може містити тверді агломерати, що не розпадаються повністю за 6-годинний цикл подрібнення, особливо якщо подрібнювач працює з дещо зниженою температурою або подрібнювальні елементи зношені.

Якщо ви виготовляєте деталі методом пресування або лиття у форми, які після спікання повинні мати рівномірну твердість, я перевіряю три речі, перш ніж турбуватися про час фрезерування: фактичний вміст Na₂O, зазначений у сертифікаті (а не типове значення), площу поверхні за методом БЕТ (вища зазвичай означає більшу реакційну здатність, але й більшу ймовірність утворення агломератів), а також швидкий випробування щільності обпаленої деталі, виготовленої власноруч, замість того, щоб покладатися лише на дані постачальника. Розбіжність між лабораторними та виробничими умовами майже завжди проявляється в обпаленій деталі, а не у фрезерованій суспензії.

Питання з порошком прокаленого оксиду алюмінію є досить простим, доки незначні хімічні відмінності не зіткнуться з реальним режимом роботи печі. Як тільки ви помітите однакову картину утворення м’яких ділянок як на лабораторних дисках, так і на виробничих кулях, ви перестанете розглядати показник Na₂O як другорядну інформацію.