SE523504C2 - Process för malning av alpha-aluminiumoxidpulver i en kulkvarn - Google Patents

Description

25 30 523 504 2 störa ett pulvers egenskaper och då dessa fragment inte skulle separeras lätt.

Zirkonium är mycket hårt, och ingen stor förlust av detta sker genom friktion, men det är i allmänhet inte effektivt vid malning av aluminiumoxid, där aluminium- malkroppar typiskt används, eftersom det avnötta materialet i huvudsak är det- samma som det material som mals. Malkroppar av aluminiumoxid framställs genom sintring av fint aluminiumoxidp ulver under högt tryck och hög temperatur.

Sådana produkter saknar i huvudsak porositet, har teoretisk densitet och är myck- et effektiva vid finmalning av aluminiumoxid, då de har fördelen att vara kemiskt identiska med det material som skall finmalas. Med aluminiumoxid med hög renhet (93%+) bryts dock malkropp arna sönder vid användning och ger fragment som är oacceptabelt stora om syftet är att framställa aluminiumoxidpulver av míkronstorlek eller finare. Med aluminiumoxidmalkroppar av lägre renhet ger istället sönderbrytningen, om en sådan över huvud taget sker, mikroflisor av en storlek som är kompatibel med den önskade slutprodukten. Sådana malkroppar innehåller dock en signifikant mängd kisel, som kan vara en oacceptabel kontami- nant i vissa tillämpningar.

Det finns därför ett stort behov av malkroppar som är lämpliga att använda vid finmalning av aluminiumoxid, som om de över huvud taget bryts sönder bryts i godtagbara fragment och som i huvudsak inte innehåller några orenheter.

Beskrivning av uppfinningen Föreliggande uppfinning tillhandahåller malkropp ar som ihuvudsak består av alfa-aluminiumoxid framställd med en sol-gel-process med ympning.

Aluminiumoxid framställd med en sol-gel-process med ympning känneteck- nas av en enhetlig kristallin struktur i vilken kristallerna har en genomsnittlig diameter på högst cirka 2 mikron. Den genomsnittliga diametern är den som mäts med användning av en korrigerad interceptmetod i vilken de diagonala linjerna dras över ett SEM-fotografi av ett polerat tvärsnitt, de totala längderna av linjerna delas med det antal kristaller som skärs av linjerna och resultatet multipliceras med 1,5 så att kristallernas verkliga genomsnittliga diameter erhålls. Föredragna malkropp ar enligt uppfinningen har kristaller av alfa-aluminiumoxid med genom- snittliga diametrar på en mikron eller mindre såsom från 0,1 mikron upp till 1 mikron.

Sol-gel-processen inleds typiskt med en böhmit-sol som sedan ympas med ett material som främjar bildningen av alfa-aluminiumoxid vid upphettning till till- 10 15 20 25 30 35 523 504 3 räckligt hög temperatur. Lämpliga material är vanligen isostrukturella med alfa- aluminiumoxid med gitterdimensioner som ligger mycket nära alfa- aluminiumoxi- dens. Det uppenbara oftast använda ympmaterialet är självfallet alfa-aluminiu- moxid sj älv i form av fina partiklar av sub-mikrostorlek. Solen med ympen enhet- ligt dispergerad däri får stelna till en gel, varefter den torkas och kalcineras för avlägsnande av vatten, vilket ger en mellanprodukt i form av en prekursorform av alfa-aluminiumoxid som sedan sintras alfa-aluminiumoxid.

Aluminiumoxiden kan innehålla mindre mängder modifierande keramiska oxider, antingen som tillsats till gelen eller från infiltrering av prekursor-alfa- aluminiumoxiden med en prekursor av den keramiska oxiden medan mellanpro- dukten fortfarande föreligger i poröst tillstånd. Mängden av sådana modifierande keramiska oxideri aluminiumoxid-slutprodukten kan vara upp till 5 vikt-% utan att malkropparnas huvudsakliga alfa-aluminiumoxidkaraktär försämras.

Sintring av en sådan aluminiumoxid från en sol-gel-process med ympning till i huvudsak teoretisk densitet ger en alfa- aluminiumoxid med ett Vickers-värde på minst 20 GPa, och föredraget 2 1 GPa (mätt under en 500 g belastning), och sker vid en omvandlingstemperatur som är minst 100°C lägre än omvandlingstempera- i turen i frånvaro av ympning. Eftersom högre temperaturer främjar kristalltillväxt " är det möjligt att uppnå så höga densiteter och hårdheter utan att aluminiumoxi- dens fina, enhetliga mikrokristallina struktur går förlorad.

Den traditionella formen för malkropp arna är såsom anges ovan cylindrisk, och detta kan uppnås mycket lätt genom extrudering av den ymp ade sol-gelen och uppklippning av extrudatet i partiklar av lämplig storlek före den torkning och bränning som ger alfa-aluminiumoxidformen.

Det har dock anmärkningsvärt nog visat sig att denna form inte är nödvän- dig för framställning av malkroppar. Cylindriska malkroppar är effektiva, men detta gäller också för sfäriska eller slumpmässiga former. Partiklar med slump- mässiga former är faktiskt lika effektiva eller effektivare än cylindriska när det gäller att ge finmalning, särskilt efter initial konditionering, som inbegriper trum- lingi en kvarn för avlägsnande av flertalet kanter och hörn.

Aluminiumoxid framställd med en sol-gel-process med ympning används i stor omfattning för framställning av slipkorn. I den kommersiella processen för tillverkning av sådana slipkorn finm als det torkade och brända prekursormateria- let så att slumpmässiga former erhålls, som sedan sintras för omvandling till alfa- aluminiumoxid. Detta ger ett brett intervall av partikelstorlekar som sedan sorte- 10 15 20 25 30 525 504 4 ras med siktar med allt finare maskvidder. Slipkorn som faller genom en sikt men hålls kvar på nästa, finare siktnät betecknas med den kornstorlek som motsvarar den sikt på vilken de hålls kvar. Det har visat sig att slipkornp artiklar med korn- storlek 46 eller större, 36, 24, 20, 16 eller 14 i kornstorlek, fungerar mycket bra som malkroppar för aluminiumoxid. Teoretiskt skulle dock mycket finare kornstor- lekar, såsom ända ned till kornstorlek 50, kunna användas i vissa tillämpningar.

Beskrivning av föredragna utföringsformer Effektiviteten av malkroppar enligt uppfinningen åskådliggörs med exem- plet nedan, som visar den höga effektivitet i finmalningen som uppnås med an- vändning av malkroppar enligt uppfinníngen.

Exempel 1 En kommersiellt tillgänglig alfa-aluminiumoxid (15,8 kg), inköpt från Alcoa Comp any, användes som råmaterial för malning. Denna aluminiumoxid, som hade en specifik yta (mätt med EET-metoden) på 6 mz/g (motsvarande en genomsnittlig partikelstorlek p å ungefär 1 mikron), placeradesi en kulkvarn saluförd av Netzsch Inc. i Exton, PA under beteckningen “Labstar LMZ-IO". Denna kvarn hade en polyuretaninfodring för att förhindra kontaminering av erhållet pulver. Slipkorn av aluminiumoxid med slumpmässiga former, framställda med sol-gel-teknik med ympning och saluförda av Saint-Gobain Ceramics and Plastics Inc. som kornstorlek 46A (0,27-0,8 mm), "SG" slipkorn (12% av den totala laddningsvolymen), användes som malkroppar och avjonat vatten (69, 5% av den totala laddningsvolymen) tillsat- tes, vilket gav en total laddning på 4,82 liter med ett innehåll av fast material på 30,5 vikt-%. Malningen inleddes därefter.

Ytterligare malkropp ar tillsattes då och då för att hålla halten malkropp ar konstant. Under 21 timmars malning krävdes totalt endast 3,7 kg tillsats för att malkropp arna skulle hållas vid en konstant nivå. Den automatiska laddnin gskon- trollen på kvarnen användes för att hålla ineffekten på en sådan nivå att tempera- turen förblev tillräckligt låg för att polyuretanínfodringen inte skulle skadas.

Ett alfa-aluminiumoxidpulver med en yta på över 120 mz/g erhölls på strax under 1200 minuter.

Som jämförelse kan nämnas att när samma aluminiumoxid maldes i en konventionell Sweco-vibrationskvarn med konventionella centimeterstora mal- kroppar av aluminiumoxid uppnåddes denna finmalningsgrad inte förrän efter nano: 10 15 523 504 5 cirka 6 dagar. Medan 75 kg aluminiumoxidpulver laddades var produkten 120 kg aluminiumoxidpulver, vilket tydde på en väsentlig förlust av malkroppar genom avnötning. Slutprodukten innehöll därför utöver den finmalda produkten från det ursprungliga aluminiumoxidpulver som laddades alla orenheter i cirka 45 kg av malkropp arna.

För att bedöma malkropparnas sprödhet kördes en laddning av 90% av samma malkroppar som beskrivs ovan i en Labstar 'Prinex-kvarn som finns till- gänglig från Netzsch Inc. med tillsats av endast vatten. Körningen pågick i två timmar, och efter detta var viktförlusten av malkroppar endast 3,9%, vilket är mycket bra jäxnfört med konventionella malkroppar som testades på samma sätt.

De partiklar som utorde viktförlusten på 3,9% var alla av sub-mikronstorlek, vilket tydligt visade att ingen högre grad av sönderbrytningi större delar av mal- kropparna skedde.

Resultaten ovan visar tydligt att användningi en kulkvam av aluminium- oxidmalkroppar framställda med en sol-gel-process med ympning utgör ett mycket effektivt och fördelaktigt malalternativ.

Claims (3)

f~uon 523 504 6 PATE NTKRAV

1. Process for malning av alfa-aluminiumoxidp ulveri en kulkvarn som inbegri- per användning som malkroppar av partiklar av aJfa-aluminiumoxid framställd med en sol-gel-process med ympning.

2. Process enligt patentkrav 1 i vilken malkropp arna är aluminiumoxidp arti- klar som i huvudsak består av alfa-aluminiumoxidkxistaller med en genomsnittlig diameter på mindre än en mikron.

3. Process enligt patentkrav 1 i vilken malkropparna är alfa-aluminiumozcid- partiklar med slumpmässiga former.