АБРАЗИВНОЕ ЗЕРНО НА ОСНОВЕ ПЛАВЛЕНОГО СФЕРИЧЕСКОГО КОРУНДА Российский патент 2011 года по МПК C09K3/14 

Настоящее изобретение относится к абразивному зерну на основе плавленого сферического корунда, причем абразивное зерно имеет сердцевину, состоящую из сферического корунда, которая покрыта слоем, включающим связующее средство и мелкозернистые абразивные твердые частицы.

Сферический корунд известен уже почти 75 лет и в течение почти 30 лет производится в промышленном масштабе. Так, в патентах США 1871792 и 1871793 описано распыление струи расплавленного жидкого корунда с помощью сжатого воздуха или пара, причем получаются полые шарики корунда с диаметром около 0-5 мм. В вышеназванных патентных документах США уже описаны все существенные стадии применяемого до сих пор способа получения. Дальнейшие многочисленные патентные документы описывают применение получаемых таким образом полых шариков. Так, патент DE 628 936 описывает размалывание и остекловывание полых шариков с образованием зерен абразивного материала, из которых затем изготавливаются шлифовальные круги. Вследствие высокой пористости материала и невысокой прочности полых шариков при переработке в абразивные материалы образуются частицы со сравнительно тонкодисперсным зернением, которые могут быть использованы только для определенных специальных вариантов применения. Поскольку соответствующие тонкодисперсные частицы специально получаются при общепринятой подготовке в производстве плавленого корунда, получение абразивных зерен из корундовых полых шариков все же не является экономически выгодным.

При получении традиционных корундовых абразивных зерен прежде всего в электродуговой печи расплавляют глинозем или боксит в качестве сырьевого материала. Расплавленный корунд затем охлаждается и получается в виде блоков величиной 10-15 тонн. Эти корундовые блоки после полного охлаждения, которое продолжается в течение от 2 до 5 дней, в конце концов измельчаются с помощью дробилок и вальцов, и образующийся при этом материал просеивается с образованием абразивного материала с соответствующим гранулометрическим составом. При этом значительная часть расходов при получении корунда тем самым приходится на работу по раздроблению и износ при измельчении корундовых блоков с диаметром, достигающим нескольких метров, до размеров абразивных зерен, которые составляют величины в области от нескольких микрометров до нескольких миллиметров. Таким образом, в прошлом вновь и вновь предпринимались попытки избавиться от дорогостоящей операции измельчения тем, чтобы диспергировать жидкий корундовый расплав еще до его затвердевания.

Как уже однажды упоминалось, путем распыления струи расплавленного жидкого корунда удалось получить корунд в виде пористых полых шариков, который все-таки малопригоден в качестве абразивного зерна.

Так, в настоящее время сферический корунд благодаря своей незначительной теплопроводности, своей химической инертности и своей пористости нашел основное применение как огнеупорный материал. Применение сферического корунда в производстве огнеупорных материалов впервые было описано в патенте US 2261639.

Напротив, в производстве абразивных материалов сферический корунд употребляется главным образом не как абразивное зерно, а в качестве порообразователя при изготовлении шлифовальных кругов. Подобные абразивные изделия описаны, например, в патентах US 2986455 или DE 1 281 306.

Тем не менее вопрос распыления корунда поднимался вновь и вновь, чтобы этим путем приготовить абразивное зерно. Так, в патенте США 2261639 описан расплав оксида алюминия с добавлением 1-10% оксида натрия, который распыляется воздухом, причем получаются плотные кристаллические шарики, которые после измельчения могут быть использованы в качестве абразивного материала. Высокое содержание оксида натрия все же ведет к образованию алюминатов натрия, вследствие чего функциональная способность абразивного зерна сильно снижается.

Патент US 2340194 описывает добавление 1-1,5% оксида титана в расплав, которое должно приводить к прочным на сжатие полым шарикам с относительно толстыми стенками. Патент DD 134 638 описывает способ получения корундовых полых шариков, причем свойства корундовых полых шариков обусловливаются добавлением азота, связанного в составе нитрита, в частности, в форме нитрида алюминия или оксинитрида алюминия.

В патенте GB 284 131 описан способ, в котором жидкий корунд сначала распыляется с помощью воздушного потока в камере охлаждения, где отдельные частицы затем охлаждаются дальше под действием потока охлаждающей воды. При этом получаются частицы с диаметром около 3 мм. Патент ЕР 1 157 077 описывает получение поликристаллических абразивных зерен, причем жидкий корунд отливается в форму, и его охлаждение поддерживается путем диспергирования расплавленного оксида алюминия на мелкие капельки с использованием ультразвука. При этом получаются плотные частицы со средним диаметром менее чем 1 мм. Размер кристаллического зерна в частицах составляет менее 30 мкм.

Названные способы при современном состоянии технологии имеют тот недостаток, что либо делались попытки повлиять на физические свойства, такие как пористость и плотность желаемых продуктов, путем вариации химического состава, что в свою очередь обусловливает также изменение химического состава продуктов, вследствие чего часто снижается функциональная способность таких продуктов, как абразивное зерно, либо предпринимались попытки усовершенствовать физические свойства путем вариации технологических условий, что, как правило, связано с высокими техническими издержками и ведет к соответствующим производственным расходам, так что до настоящего времени ни одним из вышеназванных способов не удалось добиться прямого получения абразивного зерна.

Тем самым остается существенная потребность в способе получения абразивного зерна непосредственно из расплава без дорогостоящей процедуры измельчения.

Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы разработать способ, который не имеет недостатков современной технологии, и с помощью которого простым путем может быть получено эффективное абразивное зерно, без необходимости проведения при этом все еще обычной дорогостоящей операции измельчения.

Эта задача решается с помощью способа с признаками согласно пункту 16 формулы изобретения, а также абразивного зерна с признаками согласно пункту 1 формулы изобретения.

Предметом зависимых пунктов формулы изобретения являются производные модификации и варианты исполнения изобретения.

Согласно настоящему изобретению предлагается абразивное зерно с сердцевиной из плавленого сферического корунда, при этом плавленый сферический корунд представляет собой образованные распылением жидкого расплава водно-воздушной смесью пористые сферические Аl₂O₃-зерна, причем сферический корунд покрыт слоем оболочки по меньшей мере из одного связующего средства и мелкозернистых абразивных твердых частиц.

Предпочтительно сферический корунд имеет средний диаметр от 0,05 до 5 мм.

В одном варианте толщина слоя оболочки составляет 50-500 мкм, предпочтительно 150-300 мкм.

Неожиданно было обнаружено, что путем нанесения оболочки на традиционный пористый сферический корунд, состоящей из слоя мелкозернистых абразивных твердых частиц вместе со связующим средством, и последующего отжига таким образом покрытого оболочкой сферического корунда получается пористый, в основном сферический твердый материал, который обладает выдающимися свойствами как абразивное зерно.

Таким образом, с помощью дополнительного нанесения оболочки сферический корунд приобретает свойства, которые характеризуют его как материал для использования в качестве абразивного зерна.

Прежде всего, путем введения мелкозернистых твердых частиц увеличивается удельная площадь поверхности, благодаря чему улучшается закрепление сферического корунда в абразивном материале, как, например, в шлифовальном круге, или абразивных материалах на подложке. Так, при нанесении оболочки получается удельная площадь поверхности на уровне от 0,1 до 0,3 м²/г. Тем самым поверхность покрытого оболочкой корунда становится почти в двадцать раз больше, чем у корунда без нанесенной оболочки.

Предпочтительно, доля мелкозернистых абразивных твердых частиц составляет от 20 до 40 весовых процентов, в расчете на общее содержание твердого вещества в абразивном зерне.

Также может быть предусмотрено, что толщина слоя оболочки составляет от 1/20 до 1/5 диаметра шарика. Слой оболочки также может составлять величину от 5-кратного до 100-кратного, предпочтительно от 20-кратного до 50-кратного, значения среднего размера зерна твердых частиц.

Благодаря дополнительному микропористому покрытию абразивное зерно согласно изобретению обладает исключительно высокой общей пористостью, причем открытая пористость составляет между 10 и 30%, и закрытая пористость варьирует между 60 и 90%, общая пористость R получается из отношения суммы открытой пористости и закрытой пористости к величине открытой пористости и рассчитывается по формуле

R=(открытая пористость + закрытая пористость)/открытая пористость.

Величина R принимает значения между 3 и 10.

Благодаря высокой пористости абразивное зерно согласно изобретению обладает относительно низкой насыпной плотностью, которая при значении 0,5-1 кг/л меньше обычных до сих пор значений для абразивных зернистых материалов.

Значения пористости были измерены с помощью ртутной порометрии и цифрового анализа изображений, в то время как насыпную плотность измеряли обычным путем измерения объема наполнением сыпучим материалом и взвешиванием абразивных зернистых материалов.

Абразивное зерно также может иметь удельную площадь поверхности, измеренную по методу БЭТ (Брунауэра-Эммета-Теллера), от 0,1 до 0,3 м²/г.

В качестве связующего средства принимается в расчет как органическое, так и неорганическое связующее средство. В предпочтительном варианте осуществления настоящего изобретения применяются неорганические связующие средства, в частности силикатные связующие средства и/или фосфатные связующие средства.

В зависимости от цели применения абразивного зерна, могут быть также использованы органические связующие средства, причем предпочтительным связующим является синтетический полимер. Доля связующего средства, в расчете на общее содержание твердых веществ в абразивном зерне, составляет 0,05-10 весовых процентов. Часто употребляется относительно высокое содержание связующего средства, поскольку слой оболочки согласно изобретению является толстым, и должно использоваться соответствующее содержание связующего средства, чтобы достигнуть требуемой для абразивного зерна прочности.

Оболочка как таковая состоит в основном из мелкозернистых абразивных твердых частиц. Предпочтительно употребляются белый электрокорунд, нормальный корунд, электрокорунд повышенной чистоты или циркониевый корунд. Предпочтительными вариантами осуществления все же могут быть также циркониевый муллит, карбид кремния, алмаз и/или кубический нитрид бора. Размеры зерен твердых частиц составляют между 0,1-100 мкм. В предпочтительных вариантах осуществления средний размер зерен твердых частиц варьирует между 3 и 25 мкм.

Как уже упоминалось выше, абразивное зерно согласно изобретению покрывается относительно толстым слоем, и доля абразивных твердых частиц составляет между 20 и 40 весовыми процентами, в расчете на общее содержание твердого вещества в абразивном зерне. Толщина самого слоя варьирует между 50 и 500 мкм, предпочтительно между 150 мкм и 300 мкм, и согласно изобретению составляет кратную величину от данного среднего размера зерна твердых частиц. Тем самым согласно изобретению является существенным, что оболочка на твердой частице составлена из многих слоев. Было найдено, что только таким путем достигается необходимая прочность покрытого оболочкой сферического корунда, чтобы он мог быть эффективно применен в качестве абразивного зерна.

В зависимости от варианта применения может быть предпочтительным введение в слой оболочки дополнительных добавок наряду со связующим средством и мелкозернистым абразивным твердым материалом. В качестве добавок принимаются в расчет добавки для спекания, цементобласт и/или шлифовальный материал. Дополнительные добавки предпочтительно смешиваются с мелкозернистым абразивным твердым материалом перед нанесением такового в качестве слоя на сферический корунд.

Предпочтительно в слое оболочки наряду со связующим средством и мелкозернистыми абразивными твердыми частицами содержатся дополнительные добавки из группы, состоящей из добавки для спекания, цементобласта и вспомогательного шлифовального материала, например, такого как сульфиды, карбонаты, галогениды и фосфаты из группы элементов, включающих Na, К, Li, Mg, Са, Al, Mn, Сu, Sn, Fe, Ti, Sb и Zn.

Способ получения абразивных зерен согласно изобретению является относительно простым и экономичным. Сферический корунд как таковой получается общеупотребительным путем с помощью распыления жидкого расплава под воздействием водно-воздушной смеси. Полученные при этом пористые сферические частицы Аl₂O₃ смешивают со связующим средством в смесителе принудительного действия. Затем к смоченному связующим средством сферическому корунду добавляют мелкозернистые абразивные твердые частицы, которые при этом налипают на поверхность сферического корунда. Когда слой оболочки достигает желаемой толщины, покрытые пористые сферические Аl₂O₃-зерна подвергают термической обработке, чтобы этим путем упрочнить оболочку.

Сорт используемого связующего средства зависит от цели дальнейшего применения абразивного зерна. Если предполагается использование в шлифовальных кругах с керамическим связующим материалом, где главным образом употребляются неорганические связующие средства, причем в особенно предпочтительном варианте используется жидкое стекло, то последнее является недорогим и доступно в больших количествах. При использовании неорганических связующих средств последующая термическая обработка проводится в температурном диапазоне между 400-1400°С, причем связующее средство подвергается спеканию вместе с мелкозернистым абразивным твердым веществом с образованием единого твердого слоя.

Если покрытые оболочкой корундовые полые шарики применяются в шлифовальных кругах с синтетическим полимерным связующим материалом, то также возможно употребление органического связующего средства, причем предпочтительно используется тип связующего средства, который сможет исполнять функцию связующего материала также в самом шлифовальном круге. Такого рода системы органических связующих средств отверждаются при температурах между 200-500°С. Органические связующие средства равным образом пригодны для нанесения покрытий на сферический корунд для применения в качестве абразивных материалов на подложке.

Путем применения дополнительных добавок может быть улучшено абразивное действие, поведение при спекании или даже формирование связей в соответствующем изобретению абразивном зерне. Так, при использовании синтетического полимера в качестве связующего средства предпочтительно употребляются дополнительные вспомогательные шлифовальные материалы, например, такие как сульфиды, карбонаты, галогениды или прочие вещества, которые способствуют процессу шлифования. При использовании неорганических связующих средств могут быть применены дополнительные добавки для спекания или цементобласт, которые способствуют упрочнению самой покровной оболочки.

Прочность покрытого оболочкой сферического корунда может быть определена в так называемом CFF-тесте (испытание на растрескивание при приложении сжимающей силы). В этом испытании отдельное крупное абразивное зерно сдавливают в гидравлическом прессе и измеряют силу, которая требуется, чтобы разрушить абразивное зерно. По этому способу можно было установить, что покрытый оболочкой сферический корунд согласно изобретению имеет прочность, примерно в 3-5 раз большую по сравнению с не имеющим покрытия сферическим корундом, и тем самым находится в диапазонах прочности, которые соответствуют общепринятому плавленому корунду.

Таким образом, с помощью вышеописанного способа, путем нанесения оболочки на сферический корунд, удалось получить абразивное зерно, которое благодаря многочисленным возможностям модифицирования при нанесении покрытия может быть замечательно приспособлено к любой конкретной цели применения.

Далее настоящее изобретение разъясняется подробнее с помощью некоторых примеров.

Пример 1

Получение покрытого оболочкой сферического корунда

63 кг сферического корунда (ALODUR KKW, фирма Treibacher Schleifmittel AG) со средним размером частиц 2-3 мм поместили в смеситель принудительного действия и смешали с 6 кг смеси, состоящей из жидкого стекла и воды в отношении 1:1, до равномерного смачивания поверхности сферического корунда. К этой смеси добавили 27 кг нормального корунда (ESK Р1400, фирма Treibacher Schleifmittel AG) с максимальным размером частиц 20 мкм. Смесь гомогенизировали в течение примерно 2-3 минут. Полученные таким образом однородно покрытые корундовые шарики высушили при температуре 50°С и затем подвергли спеканию во вращающейся трубчатой печи при температуре 1300°С. Время удерживания в печи для спекания составило около 20 минут. Средняя толщина слоя оболочки была определена с помощью электронного микроскопа и составила около 250 мкм.

Пример 2

Абразивное испытание (плоское шлифование)

Полученные согласно Примеру 1 абразивные зерна были переработаны вместе с абразивными зернами из нормального корунда с зернением F46 для получения шлифовального сегмента с полимерным связующим материалом, причем соотношение «нормальный корунд: абразивное зерно (Пример 1)» составило 3:1. Размеры шлифовального сегмента составляли 280×55 мм при площади поверхности шлифовального материала 0,059 м². Были приготовлены шлифовальные сегменты с различными степенями твердости (G и Н).

Полученные таким образом шлифовальные сегменты были испытаны на детали из нелегированной твердой стали (1018) с площадью поверхности детали 0, 206 м². Для сравнения использовали аналогичные сегменты, в которых вместо покрытого оболочкой сферического корунда употребляли обычный сферический корунд.

Сегменты были использованы при производственной мощности машины 18,4 кВт и соответственно 36,8 кВт, скорости резания 18 м/мин, скорости подачи 0,5 мм/мин и общей подачей на врезание 10,2 мм для плоского шлифования. Полученные результаты шлифования обобщены в нижеприведенной Таблице 1:

Таблица 1 Мощность 18,4 кВт 36,8 кВт Твердость G Н G Н Образец В1* V1* В1 V1 В1 V1 В1 V1 Съем материала 3,8 3,2 4,2 3,2 6,7 5,4 7,6 5,6 Износ 7,3 6,9 7,1 6,6 7,6 7,3 7,6 7,1 G-фактор** 1,8 1,6 2,1 1,7 3,1 2,6 3,5 2,8 * В1 = образец с покрытым оболочкой сферическим корундом по Примеру 1,
V1 = Сравнительный пример с обычным сферическим корундом
**G-фактор рассчитывается из выражения «съем материала * площадь поверхности детали/износ × площадь поверхности шлифовального инструмента»

Как можно понять из результатов в Таблице 1, путем применения покрытого оболочкой сферического корунда может быть достигнуто повышение значений G-фактора до 25%.

Пример 3

Абразивные испытания (врезное шлифование)

По аналогии с описанным в Примере 1 способом приготовили покрытый оболочкой сферический корунд со средним размером зерен 260 мкм (зернение F60), и изготовили из него шлифовальный круг с керамическим связующим материалом, имеющий размеры 500×65×203,2 мм. Для сравнения при таких же условиях приготовили круг с керамическим связующим материалом из белого электрокорунда (F60).

С применением вышеупомянутых шлифовальных кругов провели врезное шлифование стальной детали согласно стандарту DIN 1.2242.

При использовании сферического корунда согласно изобретению, по сравнению с кругом из белого электрокорунда, было достигнуто повышение скорости подачи режущего инструмента примерно на 17%, без возникновения при этом побежалости на обрабатываемой детали или потери формы. Из этого следуют преимущества в экономии времени и более высокой производительности оборудования.

Группа изобретений относится к абразивному зерну на основе плавленого сферического корунда, а также - к его получению и применению. Абразивное зерно имеет сердцевину из плавленого сферического корунда, при этом плавленый сферической корунд представляет собой образованные распылением жидкого расплава водно-воздушной смесью пористые сферические Al₂O₃-зерна, в котором сферический корунд покрыт слоем оболочки по меньшей мере из одного связующего средства и мелкозернистых абразивных твердых частиц. Также представлены способ получения и варианты применения вышеуказанных зерен. Достигается повышение качества абразивного зерна и обработки с его применением. 4 н. и 19 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Абразивное зерно с сердцевиной из плавленого сферического корунда, при этом плавленый сферической корунд представляет собой образованные распылением жидкого расплава водно-воздушной смесью пористые сферические Al₂O₃-зерна, в котором сферический корунд покрыт слоем оболочки по меньшей мере из одного связующего средства и мелкозернистых абразивных твердых частиц.

2. Абразивное зерно по п.1, отличающееся тем, что сферический корунд имеет средний диаметр от 0,05 до 5 мм.

3. Абразивное зерно по п.1, отличающееся тем, что толщина слоя составляет 50-500 мкм, предпочтительно 150-300 мкм.

4. Абразивное зерно по п.1, отличающееся тем, что мелкозернистые абразивные твердые частицы имеют средний диаметр частиц 0,1-100 мкм, предпочтительно между 3-25 мкм.

5. Абразивное зерно по п.1, отличающееся тем, что доля мелкозернистых абразивных твердых частиц составляет от 20 до 40 вес.%, в расчете на общее содержание твердого вещества в абразивном зерне.

6. Абразивное зерно по п.1, отличающееся тем, что толщина слоя составляет от 1/20 до 1/5 диаметра шарика.

7. Абразивное зерно по п.1, отличающееся тем, что слой оболочки составляет величину от 5-кратного до 100-кратного, предпочтительно от 20-кратного до 50-кратного значения среднего размера зерна твердых частиц.

8. Абразивное зерно по п.1, отличающееся тем, что абразивное зерно имеет открытую пористость от 10 до 30%, а также закрытую пористость от 60 до 90%, причем отношение R общей пористости (открытой пористости + закрытой пористости) к открытой пористости, определяемое согласно формуле

составляет от 3 до 10.

9. Абразивное зерно по п.1, отличающееся тем, что абразивное зерно имеет удельную площадь поверхности, измеренную по методу БЭТ (Брунауэра-Эммета-Теллера), от 0,1 до 0,3 м²/г.

10. Абразивное зерно по п.1, отличающееся тем, что абразивное зерно имеет насыпную плотность от 0,5 до 1,0 кг/л.

11. Абразивное зерно по п.1, отличающееся тем, что связующее средство представляет собой неорганическое, в частности силикатное или фосфатное, связующее средство.

12. Абразивное зерно по п.1, отличающееся тем, что связующее средство представляет собой органическое связующее средство, в частности синтетический полимер.

13. Абразивное зерно по п.1, отличающееся тем, что количество связующего средства составляет от 0,05 до 5 вес.%, в расчете на общее содержание твердого вещества в абразивном зерне.

14. Абразивное зерно по п.1, отличающееся тем, что мелкозернистые абразивные твердые частицы выбираются из группы, состоящей из белого электрокорунда, нормального корунда, электрокорунда повышенной чистоты, циркониевого корунда, циркониевого муллита, карбида кремния, алмаза и кубического нитрида бора.

15. Абразивное зерно по п.1, отличающееся тем, что в покровном слое наряду со связующим средством и мелкозернистыми абразивными твердыми частицами содержатся дополнительные добавки из группы, состоящей из добавки для спекания, цементобласта и вспомогательного шлифовального материала, например, такого как сульфиды, карбонаты, галогениды и фосфаты из группы элементов, включающих Na, К, Li, Mg, Са, Al, Mn, Cu, Sn, Fe, Ti, Sb и Zn.

16. Способ получения абразивных зерен на основе расплавленного сферического корунда, включающий стадии:
- расплавления оксида алюминия в электродуговой печи,
- распыления жидкого расплава водно-воздушной смесью с образованием пористых сферических Al₂O₃-зерен, в котором
- полученные пористые сферические Al₂O₃-зерна смешивают в смесителе по меньшей мере с одним связующим средством,
- смоченные по меньшей мере одним связующим средством пористые сферические Al₂O₃-зерна путем примешивания мелкозернистых абразивных твердых частиц снабжают слоем из мелкозернистых абразивных твердых частиц, и
- покрытые мелкозернистыми абразивными твердыми частицами пористые сферические Al₂O₃-зерна подвергают термической обработке для упрочнения покровной оболочки.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что применяется разбавленное водой неорганическое связующее средство.

18. Способ по п.16, отличающийся тем, что термическая обработка проводится в температурном диапазоне 400-1400°С.

19. Способ по п.16, отличающийся тем, что применяется органическое связующее средство.

20. Способ по п.16, отличающийся тем, что термическая обработка проводится в температурном диапазоне 200-500°С.

21. Способ по п.16, отличающийся тем, что вместе с мелкозернистыми абразивными твердыми частицами вносятся дополнительные добавки из группы, состоящей из добавки для спекания, цементобласта и вспомогательного шлифовального материала, например, такого как сульфиды, карбонаты, галогениды и фосфаты из группы элементов, включающих Na, К, Li, Mg, Са, Al, Mn, Cu, Sn, Fe, Ti, Sb и Zn.

22. Применение абразивного зерна по одному из пп.1-15 для получения шлифовальных кругов.

23. Применение абразивного зерна по одному из пп.1-15 для получения шлифовальных средств на подложке.