Devolopment of dense ceramic tiles from mixtures of alumina powders with different PSD

Abstract

Ülkemizde genellikle metalik alüminyum üretiminde ara ürün olarak kullanılan yerli üretim aluminanm seramik endüstrisinde teknik seramik hammaddesi olarak kullanılması son zamanlarda önem kazanmıştır. Bu durum gözönüne alınarak tez çalışmasında yerel tozlarla birlikte ithal tozların farklı kombinasyonlarda karıştırılması sonucu yoğun seramik fayansların elde edilebileceği düşünülmüştür. Yerel alumina tozun teknik seramik olarak kullanılabilmesi için özelliMerinin iyileştirilmesi gerekmektedir. Yerel tozlar iri tanelidir ve yüksek miktarda sodyum oksit (Na2Û) içerir, ayrıca tam olarak kararlı yapıya dönüşmemiştir. Bunun için tozların bünyesindeki üretim esnasmda fiziksel ve kimyasal olarak bağlanmış olan sodanın yapıdan uzaklaştırılması gerekmektedir. Bu çalışmada sıcak yıkama işlemiyle tozların sodyum oksit içeriği uygun seviyelere (<%0.15 Na2Û) düşürülmüştür. Yerel tozların kararlı alfa fazına dönüştürülmesi için kalsine edilmişlerdir. Orjinal ve kalsine edilmiş tozların faz karakterizasyonu X-Işını Kırınımı (XRD) cihazı ile yapılmıştır. Tozların kimyasal analizleri için Atomik Absopsiyon Spektrometre (AAS) ve Endüktif Eşleşmiş Plazma-Atomik Emisyon Spektrometre (ICP-AES) cihazları kullamlmıştrr. İri taneli bu tozlar öğütme işlemine tabi tutulmuşlardu-. Orjinal ve öğütülen tozların morfolojisi ve tane boyutu analizi için Taramalı Elektron Mikroskobu (SEM) resimleri kullanılmıştır. Tozların tane boyut dağılımları çizgisel kesişme metodu kullanılarak çizilmiştir. Bu çalışmada, farklı tane boyut dağılımına sahip yerel Bayer ve süper öğütülmüş alumina tozların farklı kombinasyonlarda (ikili ve üçlü toz karışımları) kanştırılıp maximum paketlenebilirliğinin sağlanmasına çalışılmıştır. Böylelikle maximum yoğunlaşmanın sağlandığı karışımlardan yoğun seramik fayanslar üretilmiştir. Bu çalışmada özellikleri iyileştirilmiş yerel Bayer (iri boyutlu-SKA ve orta boyutlu-SEA) ve süper öğütülmüş (Alcoa CT3000SG) tozlar olmak üzere üç farklı tane boyut dağılımına sahip alumina toz kullamlmıştır. İkili (SEA-CT3000SG) ve üçlü (SKA-SEA- CT3000SG) toz karışımlannm paketlenmesi MXENTRY ve MTX10 gibi bilgisayar yazılımları kullanılarak sağlanmıştır. Bu programlar yardımıyla uygun ikili ve üçlü kombinasyonlar sonucu belirli kompozisyonlara karşılık tahmini gözenek değerleri belirlenmiştir. Bu programlar paketlenme tahminleri için Dinger-Funk denWemini kullanmaktadır. Belirlenen komposizyonlardan hazırlanan karışımlar preslenip sinterlendikten sonra peletlerin yoğunluk ve gözenek ölçümleri yapılmıştır. %100 vısüper-öğütülmüş alumina toz içeren pelet 1550°C'de %98 teorik yoğunluğa ulaşmıştır, ince taneli tozların oranının nispeten yüksek olduğu ikili ve üçlü karışımlarda peletlerin yoğunluklarının yüksek olduğu gözlenmiştir. SEA oranının %50'nin üzerinde olduğu ikili karışımlarda gözenek oram artmıştır. Ayrıca bu çalışmada ikili toz karışımlarında TİO2 ve Mn02 gibi ilave katkı malzemeleri kullanılmış ve katkı malzemelerinin yoğunlaşmaya ve malzemenin sertliğine etkileri incelenmiştir. Bu katkı malzemeleri peletlerin %91-99 arasında teorik yoğunluğa ulaşılmasını sağlamıştır. Sinterlenen peletlerin mekanik özellikleri için sertlik değerleri ölçülmüştür. İnce taneli tozların oranının nispeten yüksek olduğu karışımlarda peletlerin Vikers sertlik değerleri 1500 ile 2100 kg.mm`2 aralığındadır. Ayrıca, sinterlenen peletlerin ayrıntılı mikroyapısal karakterizasyonu SEM kullanılarak yapılmıştır. Sonuçta, yoğunluğu ve sertliği en yüksek olan pelet baz alınarak istenen boyutlarda fayanslar üretilmiştir. Bu fayanslar için de yoğunluk ve gözenek ölçümleri, mikroyapısal ve mekanik karakterizasyonlan yapılmıştır.

In Turkey, domestic alumina powders are generally used as an intermediate product in metallic aluminum production. Recently, its usage as a raw material for technical applications in ceramic industry has gained importance. The properties of domestic powders must be improved in order to be used in technical ceramic applications. Because these powders have coarse particle size with a high amount of sodium oxide as well as incomplete transformation to stable form. Therefore, sodium oxide that has been physically and chemically bound to aluminum oxide during Bayer process must be removed. In this study, sodium oxide (Na2Û) content of the domestic powders was decreased to desirable levels (<0.15% NaaO) by hot washing treatments. These powders were calcined to transform into stable alpha form. X-Ray Diffraction (XRD) was preformed to analyze the calcined and as-received powders. Chemical analyses of the powders were done using Atomic Absorption Spectrometry (AAS) and Inductively Coupled Plasma-Atomic Emission Spectrometry (ICP-AES). Domestic powders were ground. Scanning Electron Microscopy (SEM) was performed to analyze the morphology and particle size distributions of as-received and ground powders. Particle size distributions (PSD) were plotted using lineal intercept method. In this study, it was aimed to provide maximum packing by blending the powders in different combinations (binary and ternary powder blends). In addition to this, dense ceramic tiles were produced by blending different proportions of the powders that provide maximum packing. In this study, the improved domestic (coarse size-SKA and medium size-SEA) and superground (Alcoa CT3000SG) alumina powders with three different particle size distributions were used. The packing of binary (SEA-CT3000SG) and ternary (SKA-SEA-CT3000SG) blends were predicted by using the softwares, MXENTRY® and MDC10®. These softwares utilized the Dinger-Funk (DF) equation for predictions of packing. Prepared blends were uniaxially dry-pressed and sintered. Archimedes' method was used to measure the density and porosity of the pellets. All results showed that the blend contained 100% superground alumina powders achieved almost full density (98%) at 1550°C. The binary and ternary blends that contained a relatively higher proportion of fine alumina powders provided higher fired IVdensities. In binary blends, if the proportion of SEA was up to 50%, porosity values of these blends increased. Also the effects of additives such as TİO2 and M11O2 on densification and mechanical properties of pellets were investigated. The additives provided higher fired densities between 91 and 99%. Vickers hardness tests were conducted to determine mechanical properties of the sintered pellets. The samples that contained relatively higher proportions of fine particles provided higher hardness values in a range of 1500 and 2100 kg.mm`2. Also, microstructural characterization of the pellets was done using SEM. Finally, the tiles at desired dimensions were produced based on the blends that give the highest density and hardness values. Porosity and density measurements, microstructural and mechanical characterizations of the tiles were carried out.