Miksi zirkoniapallosi rikkoutuvat jatkuvasti ja tukkivat seulan hienojauhamyllyissä

Olen viettänyt kaksitoista vuotta Shanghain ympäristön märkäjauhatuslaitoksissa – pigmenttitehtaissa Songjiangissa, elektroniikkakeramiikkatehtaissa ja muutamilla akkumateriaalilinjoilla esikaupunkialueiden teollisuusalueilla. Zirkoniumoksidipallojen yhteydessä yleisimmin esiin nouseva valitus ei ole se, että ne kuluisivat liian nopeasti. Ongelmana on, että pallot hajoavat, purkausseula tukkeutuu, ja mylly sammuu tai tuotteeseen jää karkeita sirpaleita. Yhdeksän kertaa kymmenestä syynä on yttriumoksidilla stabiloidut zirkoniumoksidijauhatuspallot, joiden kokojakauma on liian laaja tai joiden halkaisija on väärä suhteessa kärkinopeuteen ja viskositeettiin.

Y-TZP-helmet ovat tiheitä, noin 6,0 g/cm³, ja sitkeitä faasimuutoksen aiheuttaman sitkeyden ansiosta. Oikein ladatussa helimyllyssä ne siirtävät törmäystä kohden enemmän energiaa kuin alumiinioksidi ja irtoavat materiaalia hyvin vähän. Hyvän 0,8–1,2 mm:n Y-TZP:n kulumisnopeudet laboratoriossa ovat usein selvästi alle 0,01% tunnissa tavallisissa lietetesteissä, ja rauta- tai alumiinioksidisaasteet pysyvät alhaisina. Ongelma ilmenee, kun kokojakauma on laaja tai helmet ovat liian suuria myllyyn. Suuremmat helmet kantavat enemmän kineettistä energiaa. Jos lietteen viskositeetti on korkea tai täyttö ei ole oikea, ne iskeytyvät seulaan tai toisiinsa niin voimakkaasti, että niistä irtoaa palasia. Kun palasia muodostuu, ne toimivat ylimääräisenä hankaavana aineena, kuluminen kiihtyy ja erottelija tukkeutuu. Olen avannut myllyjä, joissa puolet syötöstä oli vielä pyöreää ja toinen puoli murtuneita palasia, joiden ei olisi koskaan pitänyt olla siellä.

Viime vuonna tein kokeilun eräässä pigmenttitehtaassa Songjiangissa. Siellä jauhettiin orgaanista pigmenttislurrya, jonka kiintoainepitoisuus oli noin 55–60%, tavoitteena D90-arvo alle 5 µm. Jauhatus tapahtui vaakasuorassa helimyllyssä, jossa oli nimelliskokoisia jauhatuskuulia 0,8 mm. Heidän aiemmin käyttämänsä zirkoniumoksidipallomyllyn hiomamateriaali oli merkitty 0,6–1,0 mm:n Y-TZP:ksi, mutta kun seulomme näytteen, todellinen kokojakauma oli noin 0,4–1,4 mm, ja siinä oli huomattava hännä, joka koostui suuremmista zirkoniumoksidipalloista. 40 tunnin kuluttua seulan paine-ero nousi, ja löysimme purkausaineesta rikkoutuneita helmiä ja sirpaleita. Jäljelle jääneiden ehjien helmien mitattu kuluminen oli edelleen vähäistä – noin 0,008% painosta – mutta rikkoutumisaste teki myllystä käyttökelvottoman. Laboratoriossa suoritetut murskaustestit kyseisen erän suuremmille helmiille osoittivat, että ne murtuivat pienemmillä kuormituksilla kuin käytössämme ollut tiukempi 0,8 mm:n vertailulaatu.

Siirryimme käyttämään kapeajakoista 0,8 mm:n Y-TZP-panosta, jolla oli sama tiheys ja sama nimellinen koostumus. Täyttöastetta pidettiin myllynvalmistajan suosituksen mukaisena, ja seurattiin viskositeettia niin, että zirkoniumdioksidipallot pysyivät suspensiossa tiivistymättä. Vielä 40 tunnin kuluttua seula pysyi puhtaana, tuotteessa ei ollut mitattavissa olevia sirpaleita, ja helmen kuluminen oli 0,006–0,0071 TP3T. Tuotanto kasvoi, koska pystyimme jatkamaan tuotantoa pidempään puhdistusten välillä. Zirkoniumin pitoisuus (ICP-mittaus lietteestä) pysyi alhaisella ppm-tasolla, mikä oli kyseisen pigmentin kannalta hyväksyttävää. Laitos pystyi sen jälkeen noudattamaan tiukempia kokovaatimuksia.

Laadukkaiden, yttriumoksidilla stabiloitujen zirkoniumoksidijauhatushelmien tiheys ja lujuus ovat todellisia etuja hienojauhatuksessa. Niiden ansiosta voidaan käyttää pienempiä jauhatushelmiä ja silti siirtää energiaa hiukkasiin, ja kulumisnopeus pysyy alhaisena, joten metallia tai keraamista pölyä ei tarvitse lisätä jatkuvasti. Nämä edut kuitenkin katoavat, jos helmet rikkoutuvat. Laaja kokojakauma tai kärkinopeuteen nähden liian suuret helmet muuttavat täytteen hiomakoneen sijaan lastujen lähteeksi. Zirkoniumoksidihelmien ja alumiinioksidin kulumisen vertailu näyttää erinomaiselta tuotetiedoissa; myllyssä vertailu pätee kuitenkin vain silloin, kun zirkoniumoksidi pysyy ehjänä.

Muutamia asioita, jotka tarkistan paikan päällä. Seulo näyte jokaisesta uudesta erästä – älä luota pelkästään pussin etikettiin. Sovita zirkoniapallojen halkaisija erottimen raon ja tavoitellun hienouden mukaan; suurempi halkaisija auttaa harvoin ja lisää usein rikkoutumista. Pidä kiintoainepitoisuus ja viskositeetti siinä vaihteluvälissä, jolle mylly on suunniteltu, jotta pallot eivät tiivisty tai iske seulaa. Ja jos hienojauhatukseen käytettävät zirkoniapallot tukkivat poistoputken tai tuotteessa näkyy sirpaleita, mittaa kokojakauma ja etsi murtumia ennen kuin syytät lietettä tai myllyn nopeutta. Songjiangin pigmenttilinjalla siirtyminen kapeaan 0,8 mm:n syöttökokoon lopetti rikkoutumisen ja antoi Y-TZP:n alhaisen kulumisasteen todella näkyä pidemmillä tuotantojaksoilla. Useimmat myllyt, joita näen täälläpäin, saavat saman tuloksen, kun ne lakkaavat kohtelemasta kaikkia zirkoniumoksidipalloja identtisinä ja alkavat tarkistaa, minkä kokoinen materiaali kammiossa todella on.