Wstęp
Biały stopiony tlenek glinu (WFA)jest przemysłowym materiałem ze stopionego tlenku glinu wytwarzanym przez stapianie łukiem elektrycznym kalcynowanego tlenku glinu. Jest stosowany w wybranych zastosowaniach materiałów ściernych i ogniotrwałych, gdzie istotne mogą być właściwości takie jak skład chemiczny, twardość, charakterystyka cząstek i zachowanie w wysokiej temperaturze.
Ocena WFA może odbywać się na dwóch różnych poziomach:
1. Charakterystyka samego ziarna lub proszku WFA
2. Badanie narzędzia ściernego lub preparatu ogniotrwałego zawierającego WFA
Nie są to wymienne miary jakości WFA. Charakterystyka materiału opisuje dostarczone ziarno lub proszek, podczas gdy testy na poziomie zastosowania oceniają zachowanie kompletnego systemu ściernego lub ogniotrwałego w określonych warunkach.
Charakterystyka materiału a testowanie na poziomie aplikacji
Charakterystyka na poziomie materiału obejmuje właściwości i specyfikacje mierzone na ziarnie lub proszku WFA. W zależności od gatunku produktu i jego przeznaczenia, mogą one obejmować wielkość cząstek lub oznaczenie ziarna, skład chemiczny, gęstość nasypową, morfologię cząstek i twardość jako charakterystykę materiału odniesienia.
Testy na poziomie aplikacji oceniają produkt lub formułę zawierającą WFA. Przykłady obejmują stopień szlifowania i chropowatość powierzchni przedmiotu obrabianego w przypadku systemów ściernych oraz badanie ogniotrwałości pod obciążeniem (RUL) lub badanie korozji ciał ogniotrwałych. Wyniki te zależą od kompletnego narzędzia lub składu materiału ogniotrwałego, procedury badawczej oraz przedmiotu obrabianego lub środowiska pracy, a nie od samego ziarna WFA.
Analiza wielkości cząstek i klasyfikacja ziarna
Rozmiar cząstek jest ważnym parametrem specyfikacji WFA. Jego znaczenie zależy od zamierzonego zastosowania materiału ściernego lub ogniotrwałego, konstrukcji produktu i warunków przetwarzania. Żadnego singlarozkład wielkości cząstekjest optymalny dla każdego zastosowania.
Klasyfikacja na podstawie sita
W przypadku odpowiednich grubszych gatunków ziaren ściernych standardowym podejściem jest sortowanie na podstawie sita. Reprezentatywna próbka przechodzi przez szereg sit o określonych otworach, a masa zatrzymana na odpowiednich sitach służy do oceny rozkładu wielkości ziaren.
Różne zakresy wielkości cząstek i systemy klasyfikacji ścierniwa mogą wykorzystywać różne procedury pomiaru lub klasyfikacji. Oznaczenia oczek, zmierzone wartości wielkości cząstek i oznaczenia ziarna ściernego opisują powiązane, ale różne cechy i nie należy zakładać, że są bezpośrednio równoważne.
W przypadku ziaren ściernych wiązanych norma ISO 8486-1 obejmuje makrogryty F4 do F220, natomiast norma ISO 8486-2 obejmuje mikrogryty F230 do F2000 w zakresach określonych przez te normy.
Dyfrakcja laserowa dla drobnych proszków
Do charakteryzowania drobniejszych proszków WFA można zastosować dyfrakcję laserową. W tej metodzie rozproszone cząstki oddziałują z wiązką lasera, a powstały wzór rozpraszania światła wykorzystuje się do obliczenia rozkładu wielkości cząstek za pomocą modelu optycznego.
Podany rozmiar opiera się na reprezentacji równoważnej kuli, a nie na bezpośrednim pomiarze trójwymiarowej geometrii każdej nieregularnej cząstki. Wyniki mogą zatem zależeć od przygotowania próbki, warunków dyspersji, aglomeracji, ustawień optycznych i procedury pomiarowej.
ISO 13320:2020 zapewnia ogólne ramy analizy wielkości cząstek metodą dyfrakcji laserowej. Jest to standard metody pomiaru i sam w sobie nie definiuje gatunków ziaren ściernych WFA.
Dlaczego metody pomiaru wielkości cząstek nie są wymienne
Klasyfikacja sitowa i dyfrakcja laserowa działają według różnych zasad pomiaru i ich wyników nie należy traktować jako bezpośrednio wymiennych.
Na przykład D50 uzyskany metodą dyfrakcji laserowej jest parametrem statystycznym w ramach zmierzonego rozkładu wielkości cząstek. Nie jest to automatycznie równoważne oznaczeniu ziarna F, P lub innego oznaczenia gatunku ściernego.
Dane dotyczące wielkości cząstek należy zatem interpretować łącznie z metodą badania, zgłaszanym parametrem, systemem klasyfikacji i obowiązującą specyfikacją produktu.
Gęstość nasypowa
Gęstość nasypowa to masa określonej ilości ziarna ściernego podzielona przez objętość zajmowaną przez nie w określonych warunkach badania. Ponieważ wynik zależy od sposobu wprowadzenia materiału do pojemnika pomiarowego, przy porównywaniu wartości gęstości nasypowej należy podać obowiązującą procedurę.
Gęstość nasypowa różni się od gęstości nasypowej i pomiarów gęstości materiału, takich jak gęstość szkieletowa lub rzeczywista.
W przypadku ziaren ściernych norma ISO 9136-1:2004 określa metodę badania gęstości nasypowej makroziarnistości, natomiast norma ISO 9136-2:1999 dotyczy mikroziarnistości. Ich zastosowanie powinno być zgodne z zakresem materiałowym i wymiarowym określonym w odpowiednich normach.
Wyższa wartość gęstości nasypowej nie powinna być automatycznie interpretowana jako lepsza wydajność materiału lub zastosowania. Na wynik może mieć wpływ rozkład wielkości cząstek, morfologia i określona procedura pomiarowa.
Morfologia cząstek
Morfologia cząstek, w tym kształt ziarna i właściwości powierzchni, można również ocenić, w stosownych przypadkach.
Morfologia może oddziaływać z rozkładem wielkości cząstek i innymi zmiennymi materiałowymi, wpływając na obsługę proszku, zachowanie pakowania i zachowanie w kontakcie ze ścierniwem. Dlatego też należy go rozpatrywać łącznie z innymi cechami gatunku, a nie stosować go jako samodzielnego wskaźnika wyników.
Skład chemiczny i profile tlenków
Skład chemiczny jest ważnym obszarem specyfikacji klasy WFA. WFA składa się głównie z tlenku glinu (Al2O3), natomiast stężenia składników wtórnych różnią się w zależności od klasy i specyfikacji produktu.
W zależności od gatunku zgłaszany skład chemiczny może obejmować parametry takie jak Na2O, SiO2, Fe2O3 i TiO2. Przykłady te nie są wyczerpujące, a odpowiednie limity składu zależą od obowiązującej specyfikacji produktu.
Do analizy elementarnej powszechnie stosuje się fluorescencję rentgenowską (XRF), a wyniki analiz często podaje się jako stężenia równoważne tlenkom. W przypadku wybranych analitów można także stosować mokre metody chemiczne, stosując procedury przygotowania próbki i procedury analityczne odpowiednie dla materiału i składnika docelowego.
Skład chemiczny należy ocenić pod kątem wymagań określonego gatunku WFA i zamierzonego zastosowania. Sama wyższa wartość Al2O3 nie zapewnia lepszych właściwości ściernych lub ogniotrwałych.
Twardość jako cecha materiału
Twardośćjest cechą WFA związaną ze strukturą korundu, czyli alfa-tlenku glinu. Można go stosować jako właściwość materiału odniesienia, ale niekoniecznie jest to rutynowy test specyficzny dla danej partii dla każdego dostępnego na rynku gatunku WFA.
Korundowi zwykle przypisuje się twardość około 9 w skali Mohsa. Skala Mohsa jest skalą porządkową, a nie liniową, zatem różnic liczbowych pomiędzy sąsiednimi poziomami nie należy interpretować jako równych ilościowych różnic w twardości.
Można również zmierzyć twardość wgłębienia Vickersa, ale nie jest to bezpośredni test sypkiego proszku i wymaga odpowiednio przygotowanej próbki, takiej jak oprawione i wypolerowane ziarno lub przygotowana powierzchnia materiału. Podane wartości zależą od takich czynników, jak przygotowanie próbki i warunki testu.
Testowanie ścierności na poziomie aplikacji
Stopień mielenia
Współczynnik szlifowania, powszechnie nazywany współczynnikiem G, jest jednym ze wskaźników stosowanych do oceny zachowania ściernicy w określonych warunkach. Powszechnie wyraża się go jako objętość usuniętego materiału obrabianego w stosunku do wielkości zużycia ściernicy.
Współczynnik G nie jest nieodłączną właściwością ziarna WFA. Zależy to od pełnej specyfikacji koła, materiału przedmiotu obrabianego, parametrów roboczych, warunków chłodziwa, praktyki obciągania i innych zmiennych procesowych.
Wyższy współczynnik G wskazuje, że w warunkach danego testu usunięto więcej materiału z przedmiotu obrabianego w porównaniu ze zużyciem ściernicy. Należy go interpretować łącznie z wymaganym zachowaniem przy usuwaniu materiału, stanem powierzchni i wymaganiami procesu, a nie traktować jako uniwersalną miarę jakości ścierniwa.
Chropowatość powierzchni
Chropowatość powierzchni to kolejny wynik na poziomie aplikacji, który można zmierzyć po szlifowaniu lub wykańczaniu. Można zastosować profilometrię kontaktową lub optyczną, a w stosownych przypadkach można podać parametry takie jak Ra.
Na chropowatość powierzchni wpływa narzędzie ścierne, przedmiot obrabiany, specyfikacja ziarna, parametry procesu i metoda pomiaru. Niższa wartość chropowatości nie jest z natury preferowana w każdym zastosowaniu; kryteria akceptacji zależą od wymaganego stanu powierzchni i celu produkcyjnego.
Testowanie materiałów ogniotrwałych na poziomie aplikacji
Ogniotrwałość pod obciążeniem
Ogniotrwałość pod obciążeniem (RUL) ocenia zachowanie odkształcenia ukształtowanego produktu ogniotrwałego pod określonym obciążeniem ściskającym w miarę wzrostu temperatury.
W ramach określonej procedury badawczej mierzone są zmiany wymiarów próbki materiału ogniotrwałego w funkcji temperatury. W normie ISO 1893:2007 określono różnicową metodę określania ogniotrwałości pod obciążeniem kształtowanych wyrobów ogniotrwałych w stopniowo rosnącej temperaturze.
RUL jest zatem właściwością ciała ogniotrwałego, a nie rutynowym testem luźnego ziarna WFA. Wyniki zależą od kompletnej receptury materiału ogniotrwałego, porowatości, układu faz i spoiwa, historii przetwarzania i warunków testu.
Badanie odporności chemicznej i żużlowej
Badania korozji chemicznej lub żużlowej oceniają interakcję pomiędzy gotową formułą materiału ogniotrwałego a określonym ośrodkiem korozyjnym w określonych warunkach ekspozycji.
Wyniki mogą zależeć od składu materiału ogniotrwałego, porowatości, rozkładu faz, składu chemicznego środka korozyjnego, temperatury, atmosfery, czasu trwania ekspozycji i procedury testowej. Takie wyniki charakteryzują system ogniotrwały i nie powinny być przypisywane wyłącznie zawartości WFA.
Co kupujący powinni sprawdzić w umowie TDS lub COA
Na potrzeby zamówień i specyfikacji informacje dotyczące produktu WFA zależą od jego klasy i przeznaczenia.
Przydatna dokumentacja i dane mogą obejmować:
- Klasa WFA i forma produktu
- Skład chemiczny
- Oznaczenie ziarna lub wielkości cząstek
- Rozkład wielkości cząstek i metoda pomiaru
- Obowiązująca norma dotycząca klasyfikacji ścierniwa
- Gęstość nasypowa, jeśli ma to zastosowanie
- Morfologia cząstek, jeśli ma to zastosowanie
- Dane testowe specyficzne dla aplikacji, jeśli są wymagane
- Karta danych technicznych (TDS)
- Certyfikat analizy (COA)
- Karta Charakterystyki (SDS)
TDS zazwyczaj dostarcza typowych lub nominalnych informacji technicznych o produkcie, podczas gdy COA podaje określone wyniki analiz lub inspekcji dla konkretnej partii lub partii. Karta charakterystyki zawiera informacje dotyczące bezpieczeństwa i informowania o zagrożeniach.
Nie każdy parametr lub dokument jest wymagany dla każdego produktu WFA. Kryteria akceptacji powinny opierać się na obowiązującej specyfikacji gatunku, uzgodnionych wymaganiach klienta i zamierzonym zastosowaniu.
Dlaczego porównywalność metod testowych ma znaczenie
Znaczące porównanie wartości testowych wymaga wystarczająco porównywalnych metod pomiarowych i warunków testowych.
Na przykład:
- Pomiary wielkości cząstek na podstawie klasyfikacji sitowej i dyfrakcji laserowej nie są bezpośrednio zamienne.
- Wartości gęstości nasypowej należy porównać stosując zgodne procedury.
- Wyniki twardości zależą od metody twardości i przygotowania próbki.
- Współczynnik G zależy od ściernicy, przedmiotu obrabianego i warunków pracy.
- Wyniki RUL dotyczą badanego korpusu ogniotrwałego i określonej procedury badawczej.
Wartość liczbowa bez metody pomiaru lub kontekstu testowego może zatem stanowić niepełną podstawę do porównywania klas WFA lub systemów zawierających WFA.
Wniosek
Biały stopiony tlenek glinu można ocenić zarówno na poziomie materiału, jak i na poziomie zastosowania. Specyfikacja wielkości cząstek lub ziarna, skład chemiczny, gęstość nasypowa, morfologia i referencyjna charakterystyka twardości opisują samo ziarno lub proszek WFA.
Stopień szlifowania, chropowatość powierzchni przedmiotu obrabianego, ogniotrwałość pod obciążeniem oraz odporność na żużel lub korozję opisują zachowanie narzędzi ściernych lub systemów ogniotrwałych zawierających WFA w określonych warunkach.
Aby uzyskać sensowne porównanie, nabywcy i inżynierowie powinni ocenić wyniki testów wraz z odpowiednią metodą, normą oceniania, specyfikacją produktu i wymaganiami aplikacji, a nie polegać na izolowanych wartościach liczbowych.
Referencje
- Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna. ISO 8486-1:1996. Materiały ścierne wiązane - Oznaczanie i oznaczanie rozkładu wielkości ziaren - Część 1: Makrogryty F4 do F220.
- Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna. ISO 8486-2:2007. Materiały ścierne wiązane - Oznaczanie i oznaczanie rozkładu wielkości ziaren - Część 2: Mikrogryty F230 do F2000.
- Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna. ISO 13320:2020. Analiza wielkości cząstek - Metody dyfrakcji laserowej.
- Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna. ISO 9136-1:2004. Ziarna ścierne - Oznaczanie gęstości nasypowej - Część 1: Makrogryty.
- Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna. ISO 9136-2:1999. Ziarna ścierne - Oznaczanie gęstości nasypowej - Część 2: Mikrogryty.
- Międzynarodowa Organizacja Normalizacyjna. ISO 1893:2007. Wyroby ogniotrwałe - Oznaczanie ogniotrwałości pod obciążeniem - Metoda różnicowa ze wzrostem temperatury.
- Malkin, S. i Guo, C. (2008). Technologia szlifowania: teoria i zastosowania obróbki z użyciem materiałów ściernych. wydanie 2. Prasa przemysłowa.
- Schafföner, S., Dietze, C., Möhmel, S., Fruhstorfer, J. i Aneziris, CG (2017). Materiały ogniotrwałe zawierające topione i spiekane agregaty tlenku glinu: Badania nad przetwarzaniem, rozkładem wielkości cząstek i morfologią cząstek. Ceramics International, 43(5), 4252–4262. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.12.067.