АБРАЗИВНОЕ ЗЕРНО И СОДЕРЖАЩЕЕ ЕГО АБРАЗИВНОЕ ИЗДЕЛИЕ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2003 года по МПК C09K3/14 B24D3/14 

Изобретение имеет отношение к созданию абразивных частиц (частиц абразивного материала) из золь-гель оксида алюминия, а в частности таких абразивных частиц, которые предназначены для введения в связанные абразивы (абразивы, скрепленные связкой).

Абразивные частицы из золь-гель оксида алюминия, а в особенности такие частицы, которые имеют размер кристалла оксида алюминия, являются главным образом сверхмелкими (субмикронными) и чрезвычайно эффективными в различных областях применения, в особенности при их введении в шлифовальные круги из стекловидного связанного абразива. При изготовлении таких кругов частицы перемешивают со стекловидным связующим материалом и с различными органическими временными связками, выжигают материалы и/или смазки, а смесь помещают в форму. Временные связки и/или смазки необходимы для облегчения перемешивания и операции формования, а выжигание материалов необходимо для создания в готовом шлифовальном круге желательной степени пористости. Само собой разумеется, что выжигаемый материал полностью удаляется при обжиге круга.

В ходе процесса производства температуру смеси поднимают до такой, при которой связующие компоненты перемешиваются (если используют сырой связующий материал) и текут до тех пор, пока абразивные частицы не покрываются стекловидным связующим материалом и пока расплавленный связующий материал не образует связующие столбики, соединяющие точки смежных частиц, имеющих тесный контакт или образующих дуги. После выдержки для стабилизации (дозревания) материала структур связующих столбиков температуру снижают до такой, при которой шлифовальный круг можно извлечь из формы.

Температура, при которой производят обжиг связующего материала, является достаточно критической, так как было обнаружено, что абразивные частицы из золь-гель оксида алюминия с размерами кристалла оксида алюминия порядка 1 мкм или меньше повреждаются при воздействии температур, превышающих ориентировочно 1150^oС, в течение длительных периодов времени, необходимых для образования стекловидного связанного материала шлифовального круга. Это происходит потому, что очень мелкая кристаллическая структура, частицы которой тесно связаны для обеспечения высоких характеристик шлифования, становится огрубевшей. По этой причине настоятельно рекомендуется при использовании абразивных частиц из золь-гель оксида алюминия, а в особенности абразивных частиц из просеянного золь-гель оксида алюминия, применять связующий материал, который дозревает при температуре ниже 1150^oС, а преимущественно ориентировочно ниже 1000^oС.

Кроме того, следует иметь в виду, что чем выше температура, при которой формируется связующий материал, тем выше степень пропитки абразивных частиц диоксидом кремния из системы стекловидного связующего материала. Это взаимодействие, которое не представляет серьезной проблемы при дозревающих при низких температурах связках, в некоторых случаях приходится учитывать для достижения оптимальных характеристик.

Из ЕР 0503582 А2 известна возможность ингибировать это взаимодействие, покрыв абразивное зерно органически функциональным металсодержащим поверхностно-активным веществом. Также известно, из ЕР 0417729 А2, достижение того же результата путем покрытия диоксидом кремния. Однако эти покрытия не снимают всех проблем.

Однако обнаружили, что при использовании дозревающих при низких температурах стекловидных связующих материалов, органические материалы, которые полагают полностью выгоревшими, в действительности образуют углеродный остаток. Этот остаток накапливается в порах на поверхности частиц, которые обычно являются белыми или бесцветными, так что изготовленный шлифовальный круг может иметь черные пятна.

В настоящее время разработан процесс, который позволяет использовать низкотемпературные стекловидные связующие материалы совместно с абразивными частицами из золь-гель оксида алюминия, без развития неприглядных поверхностных дефектов или черных пятен на поверхности изделия из стекловидного связанного материала.

В настоящее время разработан также процесс, который благоприятно влияет на снижение взаимодействия между связующим материалом и абразивными частицами, в результате чего могут развиваться более прочные связи.

В соответствии с настоящим изобретением предлагаются абразивные частицы (зерно) из золь-гель оксида алюминия с покрытием ("покрытые" частицы), причем частицы из оксида алюминия покрыты керамическим оксидом и содержат кристаллы альфа оксида алюминия с размерами 2 микрометра или меньше.

Под термином "покрытые" частицы понимают такие абразивные частицы из альфа оксида алюминия, которые были обработаны раствором предшественника керамического оксида и затем прокалены при температуре, достаточной для удаления растворителя, в котором был растворен предшественник, и для формирования керамического оксида из предшественника. На практике керамический оксид обычно диффундирует в поверхностный слой частиц и снижает пористость абразивных частиц. Снижение пористости может достигать 50%, хотя обычно уменьшение площади поверхности (которое измеряют при помощи методики BET) составляет ориентировочно от 10% до 40%. В некоторых случаях имеются свидетельства того, что керамический оксид вступает в реакцию, по меньшей мере частично, с оксидом алюминия и образует алюминат (который содержит шпинели в случае некоторых оксидов, таких как оксид магния). В описании настоящего изобретения такие образовавшиеся алюминаты рассматриваются как керамические оксиды, кроме случая расчета количества добавленного керамического оксида, когда керамический оксид в его состоянии набольшего окисления используют в качестве расчетной базы.

В соответствии с настоящим изобретением предлагается также способ получения абразивных частиц из золь-гель оксида алюминия, который предусматривает формирование абразивных частиц из альфа оксида алюминия с кристаллическим размером около 2 микрометра или меньше, а затем обработку частиц раствором или дисперсией предшественника керамического оксида и последующее нагревание обработанных частиц при температуре, достаточной для удаления растворителя и преобразования предшественника в керамический оксид.

Температура обработки обычно составляет от 900 до 1300^oС, а преимущественно от 1000 до 1200^oС, хотя могут быть использованы более низкие и более высокие температуры, при условии отсутствия материального изменения кристаллического размера частиц из оксида алюминия и при условии формирования керамического оксида. Преимущественно температура должна быть достаточно высокой для того, чтобы произошло снижение BET площади поверхности обработанных частиц, о котором упоминалось выше.

Предшественником керамического оксида преимущественно является соль, которая является растворимой в воде и которая при нагревании разлагается с образованием оксида и газов и не образует остаточного материала. В качестве соли может быть использована, например, нитратная соль органической кислоты. В качестве собственно керамического оксида понимают оксид металла, стабильный при температурах свыше 1500^oС. В качестве типичных примеров керамических оксидов можно привести оксид магния, диоксид титана, оксид кобальта, оксид никеля и оксид хрома. Как уже было упомянуто здесь ранее, керамический оксид может иметь вид соответствующих алюминатов, которые образовались за счет реакции соответствующего оксида с оксидом алюминия. Достаточное количество добавленного керамического оксида составляет до 1% от полного веса частиц из оксида алюминия.

Керамический оксид может быть добавлен, как уже было упомянуто здесь ранее, в виде водного раствора растворимой соли, которая выделяет оксид при нагревании до температур, превышающих температуру нагрева при обработке оксида алюминия. Альтернативно и зачастую преимущественно, соль керамического оксида растворяют или диспергируют в дисперсии или золе предшественника альфа оксида алюминия, таком как, например, золь бемита или водная дисперсия тригидрата оксида алюминия. Добавку можно также производить путем нанесения слоя альфа оксида алюминия или предшественника альфа оксида алюминия, такого как гамма оксид алюминия, вокруг абразивных частиц. Однако обычно основная масса оксида алюминия вступает в реакцию с образованием алюмината. Это покрытие или слой также повышают защиту частиц от воздействия стекловидного связующего материала, когда частицы используют для изготовления стекловидных связанных материалов.

Золь-гель оксид алюминия, из которого изготовлены абразивные частицы, преимущественно представляет собой просеянный золь-гель оксида алюминия со сверхмелким кристаллическим размером. В контексте настоящего изобретения кристаллический размер измеряют при помощи "способа пересечений", в соответствии с которым анализируют микрофотографию, полученную при помощи растровой электронной микроскопии (РЭМ), наносят на нее множество диагональных линий и делят полную длину линий на число пересекаемых линиями кристаллов, и умножают затем полученную величину на поправочный коэффициент 1,5.

На фиг. 1 показана гистограмма BET площадей поверхности для покрытых и непокрытых зерен, для трех различных размеров частиц.

На фиг. 2 показаны несколько фотографий с преобладанием черных пятен в стекловидных связанных материалах, изготовленных из зерен без покрытия.

Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примеров, не имеющих ограничительного характера.

Пример 1.

В этом примере описано изготовление стекловидного связанного абразивного изделия, содержащего абразивные частицы из просеянного золь-гель оксида алюминия, стекловидный связующий материал, который дозревает (стабилизируется) при температуре 950^oС, и органические выжигаемые материалы, которые содержат формирователи пор, смазки и временные связки. Были приготовлены два комплекта образцов с одинаковым составом, за исключением того, что образцы, изготовленные в соответствии с настоящим изобретением, содержат абразивные частицы, которые были пропитаны раствором нитрата кобальта и затем прокалены для получения покрытых абразивных частиц в соответствии с настоящим изобретением.

Приготовление покрытых абразивных частиц.

Во всех примерах в качестве абразивных частиц из золь-гель оксида алюминия было использовано абразивное зерно, которое продается фирмой Saint-Gobain Industrial Ceramics, Inc. под торговым названием "Cerpass-XTL". Это зерно состоит из просеянного золь-гель оксида алюминия и содержит по меньшей мере 98% альфа оксида алюминия с твердостью по Виккерсу около 21 ГПа. Для защиты покрытого зерна в соответствии с настоящим изобретением пробу 1000 г зерна с размером 54 единицы поместили в смеситель Хобарта и добавили туда раствор нитрата кобальта. Количество раствора подсчитали таким образом, чтобы получить содержание алюмината кобальта в готовом зерне, составляющее 0,25% (измеренное как оксид кобальта); при этом подсчитанное количество гексагидрата нитрата кобальта, которое следует добавить, составило 4,1 г. Добавку производили в виде 10 г водного раствора, который имеет рН около 2,0. Очевидно, что количество покрывающего предшественника керамического оксида зависит от размера частиц, так как более мелкие частицы имеют большую площадь поверхности, которую надо покрывать. Было подсчитано, например, что для достижения такого же уровня покрытия поверхности частиц с размером 36 единиц количество предшественника керамического оксида может быть снижено на 15%, однако это количество должно быть увеличено на 10% для частиц с размером 80 единиц.

Создают условия перемешивания, которые позволяют получать однородное покрытие, что обычно определяют при помощи визуального осмотра, при этом раствор предшественника должен иметь яркий цвет. После нанесения однородного покрытия покрытое зерно сушат в обычной сушильной печи при температуре 100^oС в течение времени более 18 ч. Если смеситель оборудован сушилкой, то само собой разумеется, что сушку можно проводить в смесителе. При использовании нитрата кобальта температура плавления составляет всего 55^oС, что желательно, так как позволяет получать однородное распределение (покрытия) по всей поверхности зерна. Сушку заканчивают при получении текучего зерна с однородной окраской. Пересушивание не рекомендуется, так как это может приводить к отслаиванию или осыпанию покрытия. Задачей на этой стадии является не потерять воду гидрации, так как это может приводить к дальнейшему разложению нитрата, а сушильная печь обычно не приспособлена для отвода NOx испарений.

Высушенное покрытое зерно помещают затем в обжиговую печь и производят обжиг. В качестве обжиговой печи используют барабанную обжиговую печь с температурой 1100^oС в горячей зоне при продолжительности обработки 20 мин.

Альтернативно, может быть использована статическая обжиговая печь, в которой повышают температуру зерна до 1050-1150^oС и выдерживают его втечение ориентировочно 15 мин перед снижением температуры до комнатной. Сначала зерно становится черным, что свидетельствует об образовании оксида кобальта (в диапазоне ориентировочно от 200 до 900^oС), после чего цвет изменяется на синий, что свидетельствует об образовании алюмината кобальта при температуре свыше 900^oС.

Испытания зерна с покрытием.

Провели сравнение BET площади поверхности покрытого зерна, приготовленного в соответствии с изложенным выше, при размерах зерна 36, 54 и 80 единиц, с идентичным зерном без покрытия. Для частиц всех размеров имеется существенное снижение (до 40%) измеренной площади поверхности за счет покрытия. Полученные результаты приведены на фиг.1.

Сравнительные испытания покрытого и непокрытого зерна показывают, что покрытие не оказывает вредного влияния на твердость, электростатическую метательную способность или на профиль диффузии элемента через границу раздела зерна со связкой в стекловидном связанном изделии. Кристаллический размер оксида алюминия увеличивается незначительно (в диапазоне от 0,01 до 0,02 мкм).

Приготовление стекловидных связанных образцо.в
Приготовленное в соответствии с изложенным покрытое зерно сравнивали с непокрытым зерном, которое в других отношениях было идентичным. Из указанных видов зерна изготавливали испытательные стержни. Использованный связующий материал представляет собой низкотемпературный связующий материал, который дозревал при температуре 900^oС в течение 10 ч. Непокрытое зерно дало существенное число черных пятен, что хорошо видно на фиг.2. В отличие от этого покрытое зерно не дает черных пятен. Это связано со снижением площади поверхности, что подтверждает заключение о том, что черные пятна получают в результате накопления не полностью выгоревшего органического материала в поверхностных порах зерна.

После этого проводили испытания стержней для определения MOR прочности и проникновения песчаной струи в испытательные стержни, изготовленные с использованием покрытого и непокрытого зерна. Существенных различий не обнаружили, хотя характеристики стержней из покрытого зерна были несколько лучше.

После этого из покрытого зерна формовали испытательный стержень с равным объемом белого плавленого оксида алюминия, с использованием прозрачного стекловидного связующего материала, дозревающего при температуре 950^oС в течение времени свыше 10 ч. Никакого "выцветания" покрытого зерна и появления на поверхности белого плавленого оксида алюминия не наблюдали, что свидетельствует о том, что покрытие полностью интегрировано в поверхность зерна.

Пример 2
В этом примере были использованы методики, примененные в Примере 1, с той разницей, что добавляли соль кобальта в золь бемита, причем добавленное количество было достаточно для получения после обжига при температуре, использованной в Примере 1, покрытия на абразивных частицах, содержащего 1,00 вес. % кобальта, измеренного как оксид кобальта, в виде слоя, который содержит алюминат кобальта и предшественник альфа оксида алюминия. Полученные абразивные частицы имеют стойкую окраску, не изменяющуюся в течение длительных процедур обжига, требующихся для формования стекловидного связанного абразивного изделия. Измерение площади поверхности частиц до и после образования покрытия показывает, что снижение площади поверхности существенно превышает 10%.

Использование: для создания абразивных частиц из золь-гель оксида алюминия, которые предназначены для введения в связанные абразивы. Сущность: абразивное зерно из золь-гель оксида алюминия содержит кристаллы альфа оксида алюминия размером 2 мкм или меньше, имеет покрытие из керамического оксида, составляющее до 1% от веса абразивных частиц. Керамический оксид выбирают из группы, в которую входят оксид магния, оксид титана, оксид кобальта, оксид никеля и оксид хрома, соответствующие алюминаты указанных оксидов, смеси одного или нескольких указанных оксидов и алюминатов с предшественником альфа оксида алюминия, и их смеси. BET площадь поверхности покрытого зерна меньше BET площади поверхности зерна до покрытия на 10-40%. Предпочтительно, оксид алюминия представляет собой просеянный золь-гель оксид алюминия. Покрытие может содержать алюминат кобальта. Абразивное изделие содержит вышеописанные покрытые абразивные частицы и стекловидный связующий материал. Технический результат - снижение площади поверхности частиц и возможность производить стекловидные связанные изделия с использованием низкотемпературных стекловидных связующих материалов без возникновения черных пятен в результате неполного выжигания органических компонентов, используемых в процессе производства. 4 с. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Абразивное зерно из золь-гель оксида алюминия, содержащее частицы альфа оксида алюминия размером 2 мкм или меньше, имеющие покрытие из керамического оксида, выбранного из группы, в которую входят оксид магния, оксид титана, оксид кобальта, оксид никеля и оксид хрома, соответствующие алюминаты указанных оксидов, смеси одного или нескольких указанных оксидов и алюминатов с предшественником альфа оксида алюминия, и их смеси, причем указанное покрытие составляет до 1% от веса абразивных частиц, а ВЕТ площадь поверхности покрытых частиц меньше ВЕТ площади поверхности частиц до покрытия на 10-40%. 2. Абразивное зерно по п. 1, отличающееся тем, что оксид алюминия представляет собой просеянный золь-гель оксид алюминия. 3. Абразивное зерно по п. 1, отличающееся тем, что покрытие содержит алюминат кобальта. 4. Абразивное изделие, содержащее покрытые абразивные частицы и стекловидный связующий материал, отличающееся тем, что оно содержит покрытые абразивные частицы по п. 1. 5. Абразивное изделие, содержащее покрытые абразивные частицы и стекловидный связующий материал, отличающееся тем, что оно содержит покрытые абразивные частицы по п. 2. 6. Абразивное изделие, содержащее покрытые абразивные частицы и стекловидный связующий материал, отличающееся тем, что оно содержит покрытые абразивные частицы по п. 3.