Einführung
Weißes geschmolzenes Aluminiumoxid (WFA)ist ein industrielles geschmolzenes Aluminiumoxidmaterial, das durch Lichtbogenschmelzen von kalziniertem Aluminiumoxid hergestellt wird. Es wird in ausgewählten Schleif- und Feuerfestanwendungen eingesetzt, bei denen Eigenschaften wie chemische Zusammensetzung, Härte, Partikeleigenschaften und Hochtemperaturverhalten relevant sein können.
Die Bewertung der WFA kann auf zwei unterschiedlichen Ebenen erfolgen:
1. Charakterisierung des WFA-Korns oder -Pulvers selbst
2. Prüfung eines Schleifwerkzeugs oder einer feuerfesten Formulierung, die WFA enthält
Dabei handelt es sich nicht um austauschbare Maßstäbe für die WFA-Qualität. Die Materialcharakterisierung beschreibt das zugeführte Korn oder Pulver, während Tests auf Anwendungsebene das Verhalten eines vollständigen Schleif- oder Feuerfestsystems unter definierten Bedingungen bewerten.
Materialcharakterisierung vs. Tests auf Anwendungsebene
Die Charakterisierung auf Materialebene umfasst Eigenschaften und Spezifikationen, die an WFA-Körnern oder -Pulvern gemessen werden. Abhängig von der Produktqualität und dem Verwendungszweck können dies Partikelgröße oder Körnungsbezeichnung, chemische Zusammensetzung, Schüttdichte, Partikelmorphologie und Härte als Referenzmaterialeigenschaften sein.
Tests auf Anwendungsebene bewerten ein Produkt oder eine Formulierung, die WFA enthält. Beispiele hierfür sind Schleifverhältnis und Werkstückoberflächenrauheit für Schleifsysteme sowie Feuerfestigkeit unter Last (RUL) oder Korrosionsprüfung für feuerfeste Körper. Diese Ergebnisse hängen von der vollständigen Werkzeug- oder Feuerfestformulierung, dem Testverfahren und der Werkstück- oder Betriebsumgebung ab und nicht nur vom WFA-Korn.
Partikelgrößenanalyse und Kornklassifizierung
Die Partikelgröße ist ein wichtiger WFA-Spezifikationsparameter. Seine Bedeutung hängt von der beabsichtigten Schleif- oder Feuerfestanwendung, dem Produktdesign und den Verarbeitungsbedingungen ab. Kein SinglePartikelgrößenverteilungist für jede Anwendung optimal.
Siebbasierte Sortierung
Für geeignete gröbere Schleifkornqualitäten ist die Sortierung auf Siebbasis ein Standardansatz. Eine repräsentative Probe wird durch eine Reihe von Sieben mit definierten Öffnungen geleitet und die auf den entsprechenden Sieben zurückgehaltene Masse wird zur Beurteilung der Korngrößenverteilung herangezogen.
Unterschiedliche Partikelgrößenbereiche und Schleifmittelklassifizierungssysteme können unterschiedliche Mess- oder Klassifizierungsverfahren verwenden. Maschenbezeichnungen, gemessene Partikelgrößenwerte und Schleifkornbezeichnungen beschreiben verwandte, aber unterschiedliche Eigenschaften und sollten nicht als direkt gleichwertig angesehen werden.
Für gebundene Schleifkörner deckt ISO 8486-1 die Makrokörnungen F4 bis F220 ab, während ISO 8486-2 die Mikrokörnungen F230 bis F2000 innerhalb der in diesen Normen definierten Bereiche abdeckt.
Laserbeugung für feine Pulver
Zur Charakterisierung feinerer WFA-Pulver kann Laserbeugung eingesetzt werden. Bei dieser Methode interagieren dispergierte Partikel mit einem Laserstrahl und das resultierende Lichtstreumuster wird verwendet, um mithilfe eines optischen Modells eine Partikelgrößenverteilung zu berechnen.
Die angegebene Größe basiert auf einer äquivalenten Kugeldarstellung und nicht auf einer direkten Messung der dreidimensionalen Geometrie jedes unregelmäßigen Partikels. Die Ergebnisse können daher von der Probenvorbereitung, den Dispersionsbedingungen, der Agglomeration, den optischen Einstellungen und dem Messverfahren abhängen.
ISO 13320:2020 bietet einen allgemeinen Rahmen für die Partikelgrößenanalyse mittels Laserbeugung. Es handelt sich um einen Standard für Messmethoden, der nicht die WFA-Schleifkornqualitäten definiert.
Warum Partikelgrößenmethoden nicht austauschbar sind
Siebbasierte Gradierung und Laserbeugung basieren auf unterschiedlichen Messprinzipien und ihre Ergebnisse sollten nicht als direkt austauschbar angesehen werden.
Beispielsweise ist ein durch Laserbeugung erhaltener D50 ein statistischer Parameter innerhalb einer gemessenen Partikelgrößenverteilung. Es ist nicht automatisch gleichbedeutend mit der Bezeichnung F-Körnung, P-Körnung oder einer anderen Schleifmittelsorte.
Daten zur Partikelgröße sollten daher zusammen mit der Testmethode, den gemeldeten Parametern, dem Bewertungssystem und der geltenden Produktspezifikation interpretiert werden.
Schüttdichte
Die Schüttdichte ist die Masse einer Schleifkornmenge dividiert durch das Volumen, das sie unter den angegebenen Testbedingungen einnimmt. Da das Ergebnis von der Art der Einbringung des Materials in den Messbehälter abhängt, sollte beim Vergleich der Schüttdichtewerte angegeben werden, welches Verfahren anzuwenden ist.
Die Schüttdichte unterscheidet sich von der Stampfdichte und von Materialdichtemessungen wie der Skelettdichte oder der wahren Dichte.
Für Schleifkörner legt ISO 9136-1:2004 ein Verfahren zur Prüfung der Schüttdichte von Makrokörnern fest, während sich ISO 9136-2:1999 mit Mikrokörnern befasst. Ihr Einsatz sollte sich an den in den jeweiligen Normen festgelegten Material- und Größenbereich orientieren.
Ein höherer Wert für die Schüttdichte sollte nicht automatisch als bessere Material- oder Anwendungsleistung interpretiert werden. Das Ergebnis kann durch Partikelgrößenverteilung, Morphologie und das vorgegebene Messverfahren beeinflusst werden.
Partikelmorphologie
Partikelmorphologie, einschließlich Kornform und Oberflächeneigenschaften, können gegebenenfalls ebenfalls bewertet werden.
Die Morphologie kann mit der Partikelgrößenverteilung und anderen Materialvariablen interagieren, um die Pulverhandhabung, das Packungsverhalten und das Schleifkontaktverhalten zu beeinflussen. Es sollte daher zusammen mit anderen Notenmerkmalen betrachtet werden und nicht als eigenständiger Leistungsindikator verwendet werden.
Chemische Zusammensetzung und Oxidprofile
Die chemische Zusammensetzung ist ein wichtiger Bereich der WFA-Qualitätsspezifikation. WFA besteht überwiegend aus Aluminiumoxid (Al2O3), während die Konzentrationen der Nebenbestandteile je nach Produktqualität und Spezifikation variieren.
Abhängig von der Sorte kann die gemeldete Chemie Parameter wie Na2O, SiO2, Fe2O3 und TiO2 umfassen. Diese Beispiele erheben keinen Anspruch auf Vollständigkeit und die relevanten Zusammensetzungsgrenzen hängen von der jeweiligen Produktspezifikation ab.
Für die Elementaranalyse wird häufig Röntgenfluoreszenz (XRF) verwendet, wobei die Analyseergebnisse häufig als oxidäquivalente Konzentrationen angegeben werden. Für ausgewählte Analyten können auch nasschemische Methoden eingesetzt werden, wobei die Probenvorbereitung und Analyseverfahren auf das Material und die Zielkomponente abgestimmt sind.
Die chemische Zusammensetzung sollte anhand der Anforderungen der angegebenen WFA-Klasse und der beabsichtigten Anwendung bewertet werden. Ein höherer Al2O3-Wert allein führt nicht zu einer besseren Schleif- oder Feuerfestleistung.
Härte als Werkstoffeigenschaft
Härteist ein Merkmal von WFA, das mit seiner Korund- oder Alpha-Aluminiumoxid-Struktur zusammenhängt. Es kann als Referenzmaterialeigenschaft verwendet werden, es handelt sich jedoch nicht unbedingt um einen routinemäßigen, chargenspezifischen Test für jede kommerzielle WFA-Qualität.
Korund wird üblicherweise eine Härte von etwa 9 auf der Mohs-Skala zugeordnet. Die Mohs-Skala ist eher ordinal als linear, daher sollten numerische Unterschiede zwischen benachbarten Stufen nicht als gleiche quantitative Unterschiede in der Härte interpretiert werden.
Die Eindruckhärte nach Vickers kann ebenfalls gemessen werden, es handelt sich dabei jedoch nicht um einen direkten Test mit losem Pulver, sondern es ist eine entsprechend vorbereitete Probe erforderlich, beispielsweise ein montiertes und poliertes Korn oder eine vorbereitete Materialoberfläche. Die angegebenen Werte hängen von Faktoren wie der Probenvorbereitung und den Testbedingungen ab.
Schleifmitteltests auf Anwendungsebene
Mahlverhältnis
Das Schleifverhältnis, allgemein als G-Verhältnis bezeichnet, ist eine Metrik zur Bewertung des Schleifscheibenverhaltens unter definierten Bedingungen. Sie wird üblicherweise als das Volumen des abgetragenen Werkstückmaterials im Verhältnis zum Volumen des Schleifscheibenverschleißes ausgedrückt.
Das G-Verhältnis ist keine intrinsische Eigenschaft von WFA-Getreide. Dies hängt von der vollständigen Radspezifikation, dem Werkstückmaterial, den Betriebsparametern, den Kühlmittelbedingungen, der Abrichtpraxis und anderen Prozessvariablen ab.
Ein höheres G-Verhältnis zeigt an, dass im Verhältnis zum Scheibenverschleiß unter den Bedingungen dieses bestimmten Tests mehr Werkstückmaterial entfernt wurde. Es sollte zusammen mit dem erforderlichen Materialabtragsverhalten, der Oberflächenbeschaffenheit und den Prozessanforderungen interpretiert werden und nicht als universelles Maß für die Schleifqualität.
Oberflächenrauheit
Die Oberflächenrauheit ist ein weiteres Ergebnis auf Anwendungsebene, das nach dem Schleifen oder Endbearbeiten gemessen werden kann. Kontakt- oder optische Profilometrie kann verwendet werden, und gegebenenfalls können Parameter wie Ra angegeben werden.
Die Oberflächenrauheit wird durch das Schleifwerkzeug, das Werkstück, die Kornspezifikation, die Prozessparameter und die Messmethode beeinflusst. Ein niedrigerer Rauheitswert ist nicht grundsätzlich in jeder Anwendung vorzuziehen; Die Akzeptanzkriterien hängen von der erforderlichen Oberflächenbeschaffenheit und dem Fertigungsziel ab.
Feuerfeste Prüfungen auf Anwendungsebene
Feuerfestigkeit unter Last
Die Feuerfestigkeit unter Last (RUL) bewertet das Verformungsverhalten eines geformten feuerfesten Produkts unter einer bestimmten Drucklast bei steigender Temperatur.
Im Rahmen eines definierten Prüfverfahrens werden Dimensionsänderungen der feuerfesten Probe in Abhängigkeit von der Temperatur gemessen. ISO 1893:2007 legt ein differenzielles Verfahren zur Bestimmung der Feuerfestigkeit geformter feuerfester Produkte unter Last bei fortschreitend steigender Temperatur fest.
Bei RUL handelt es sich daher eher um eine Eigenschaft des feuerfesten Körpers als um einen Routinetest von losem WFA-Korn. Die Ergebnisse hängen von der vollständigen feuerfesten Formulierung, der Porosität, dem Phasen- und Bindemittelsystem, der Verarbeitungshistorie und den Testbedingungen ab.
Prüfung der Chemikalien- und Schlackenbeständigkeit
Bei chemischen oder Schlackenkorrosionstests wird die Wechselwirkung zwischen einer fertigen feuerfesten Formulierung und einem bestimmten korrosiven Medium unter definierten Expositionsbedingungen bewertet.
Die Ergebnisse können von der Zusammensetzung des Feuerfestmaterials, der Porosität, der Phasenverteilung, der Chemie des korrosiven Mediums, der Temperatur, der Atmosphäre, der Expositionsdauer und dem Testverfahren abhängen. Solche Ergebnisse charakterisieren das Feuerfestsystem und sollten nicht allein dem WFA-Gehalt zugeschrieben werden.
Was Käufer auf einem TDS oder COA überprüfen sollten
Für Beschaffungs- und Spezifikationszwecke hängen die für ein WFA-Produkt relevanten Informationen von seiner Qualität und dem Verwendungszweck ab.
Zu den nützlichen Unterlagen und Daten können gehören:
- WFA-Sorte und Produktform
- Chemische Zusammensetzung
- Körnungs- oder Partikelgrößenbezeichnung
- Partikelgrößenverteilung und Messmethode
- Anwendbarer Schleifmittel-Sortierungsstandard
- Schüttdichte, sofern relevant
- Partikelmorphologie, sofern relevant
- Anwendungsspezifische Testdaten bei Bedarf
- Technisches Datenblatt (TDS)
- Analysezertifikat (COA)
- Sicherheitsdatenblatt (SDB)
Ein TDS liefert im Allgemeinen typische oder nominelle technische Informationen zu einem Produkt, während ein COA spezifizierte Analyse- oder Inspektionsergebnisse für eine bestimmte Charge oder Charge meldet. Ein Sicherheitsdatenblatt enthält Informationen zur Sicherheit und Gefahrenkommunikation.
Nicht jeder Parameter oder jedes Dokument ist für jedes WFA-Produkt erforderlich. Die Akzeptanzkriterien sollten auf der geltenden Sortenspezifikation, den vereinbarten Kundenanforderungen und der beabsichtigten Anwendung basieren.
Warum die Vergleichbarkeit von Testmethoden wichtig ist
Für einen aussagekräftigen Vergleich von Prüfwerten sind ausreichend vergleichbare Messmethoden und Prüfbedingungen erforderlich.
Zum Beispiel:
- Siebbasierte Sortierung und Laserbeugungs-Partikelgrößenmessungen sind nicht direkt austauschbar.
- Schüttdichtewerte sollten mit kompatiblen Verfahren verglichen werden.
- Die Härteergebnisse hängen von der Härtemethode und der Probenvorbereitung ab.
- Das G-Verhältnis hängt von der Schleifscheibe, dem Werkstück und den Betriebsbedingungen ab.
- Die RUL-Ergebnisse gelten für den getesteten feuerfesten Körper und das definierte Testverfahren.
Ein numerischer Wert ohne Messmethode oder Testkontext kann daher eine unvollständige Grundlage für den Vergleich von WFA-Qualitäten oder WFA-haltigen Systemen darstellen.
Abschluss
Weißes Quarzglas kann sowohl auf Materialebene als auch auf Anwendungsebene bewertet werden. Partikelgrößen- oder Körnungsspezifikation, chemische Zusammensetzung, Schüttdichte, Morphologie und Referenzhärteeigenschaften beschreiben das WFA-Korn oder -Pulver selbst.
Schleifverhältnis, Werkstückoberflächenrauheit, Feuerfestigkeit unter Last und Schlacke- oder Korrosionsbeständigkeit beschreiben stattdessen das Verhalten von Schleifwerkzeugen oder feuerfesten Systemen, die WFA enthalten, unter bestimmten Bedingungen.
Für einen aussagekräftigen Vergleich sollten Käufer und Ingenieure die Testergebnisse zusammen mit der relevanten Methode, dem Bewertungsstandard, der Produktspezifikation und den Anwendungsanforderungen bewerten, anstatt sich auf isolierte Zahlenwerte zu verlassen.
Referenzen
- Internationale Organisation für Normung. ISO 8486-1:1996. Gebundene Schleifmittel – Bestimmung und Bezeichnung der Korngrößenverteilung – Teil 1: Makrokörnungen F4 bis F220.
- Internationale Organisation für Normung. ISO 8486-2:2007. Gebundene Schleifmittel – Bestimmung und Bezeichnung der Korngrößenverteilung – Teil 2: Mikrokörnungen F230 bis F2000.
- Internationale Organisation für Normung. ISO 13320:2020. Partikelgrößenanalyse – Laserbeugungsmethoden.
- Internationale Organisation für Normung. ISO 9136-1:2004. Schleifkörner – Bestimmung der Schüttdichte – Teil 1: Makrogrits.
- Internationale Organisation für Normung. ISO 9136-2:1999. Schleifkörner – Bestimmung der Schüttdichte – Teil 2: Mikrogrits.
- Internationale Organisation für Normung. ISO 1893:2007. Feuerfeste Produkte - Bestimmung der Feuerfestigkeit unter Belastung - Differenzverfahren bei steigender Temperatur.
- Malkin, S. & Guo, C. (2008). Schleiftechnik: Theorie und Anwendungen der Bearbeitung mit Schleifmitteln. 2. Aufl. Industriepresse.
- Schafföner, S., Dietze, C., Möhmel, S., Fruhstorfer, J., & Aneziris, CG (2017). Feuerfeste Materialien mit geschmolzenen und gesinterten Aluminiumoxid-Aggregaten: Untersuchungen zur Verarbeitung, Partikelgrößenverteilung und Partikelmorphologie. Ceramics International, 43(5), 4252–4262. DOI: 10.1016/j.ceramint.2016.12.067.