ПОКРЫТЫЕ ОБОЛОЧКОЙ АБРАЗИВНЫЕ ЗЕРНА, СПОСОБ ИХ ПОЛУЧЕНИЯ, А ТАКЖЕ ИХ ПРИМЕНЕНИЕ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АБРАЗИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 2012 года по МПК B24D3/14 C09K3/14 

Предлагаемое изобретение относится к абразивным зернам из группы обычных абразивных зерен, таких как, например, корунд, плавленый корунд, спеченный корунд, цирконовый корунд, карбид кремния и карбид бора, а также из группы суперабразивов, таких как, например, кубический нитрид бора и алмаз и/или их смеси, которые могут быть покрыты неорганическим связующим и мелкозернистым неорганическим порошком. Предлагаемое изобретение относится также к способу получения такого рода абразивных зерен, а также к их применению в абразивных материалах.

Абразивные зерна используют с различным размером зерен в связанной и свободной форме для различного рода шлифовальных процессов, которыми могут быть обработаны все известные материалы. При применении абразивных зерен в связанной форме различают так называемые связанные абразивные материалы, под которыми понимают абразивные диски, абразивный камень или также абразивные штифты, в которых абразивные зерна отформованы с керамической массой или синтетическим полимером в соответствующее абразивное тело и затем отверждены термической обработкой, а также абразивные материалы на подложке или гибкие абразивные материалы, в которых абразивные зерна с помощью связующего закреплены на подложке (бумаге или полотне).

Производительность различных абразивных материалов зависит не только от введенных абразивных зерен, но также в большой степени от сцепления абразивных зерен в абразивном материале. При этом особое значение придается пограничным поверхностям между абразивными зернами и связующей фазой, так как они определяют силу, которая требуется, чтобы выломать абразивное зерно из связующего. Чем тверже и жестче абразивное зерно, тем выше также требования к связи и силе сцепления на пограничной поверхности. Большинство абразивных зерен, в частности, таких, которые получены способом из расплава, имеют относительно гладкую поверхность, что является недостатком для сцепления. Так, нередки операции шлифовки, при которых более 50% абразивных зерен теряются из связующего за счет выламывания и тем самым вообще не участвуют в собственно шлифовальном процессе.

В прошлом уже было предложено и принято большое число мероприятий для придания шероховатости, соответственно увеличения поверхности абразивных зерен и тем самым для улучшения их сцепления. Большинство указанных мероприятий основываются на том, что на поверхность абразивного зерна наносят мелкозернистый пигмент или порошок, и они прочно связываются с абразивным зерном. Для этого поверхность абразивного зерна, как правило, смачивают связующим и затем смешивают с неорганическим пигментом или порошком, так что поверхность зерна по возможности равномерно и гомогенно покрывается слоем тончайших частиц. Затем обработанные таким образом абразивные зерна подвергают термической обработке, при которой упрочняется сцепление между тонкозернистыми частицами и абразивным зерном.

В качестве связующего часто используют силикатное связующее, такое как, например, жидкое стекло или коллоидальная кремневая кислота. Недостаток указанной обработки состоит в том, что требуются относительно высокие температуры, чтобы достичь упрочнения сцепления, так что такого рода обработки не только потребляют относительно много энергии, но также исключают чувствительные к температуре абразивные зерна из покрытия, нанесенного указанным способом.

Так, в патенте США 2527044 А описаны плавленые абразивные зерна из оксида алюминия или карбида кремния, которые для улучшения сцепления, в частности, в связанных синтетической смолой абразивных материалах покрывали покрытием из мелкозернистых частиц оксида металла, например оксида железа (3) или оксида молибдена. В данном случае в качестве связующего использовали низкоплавкую спекшуюся стеклянную массу, и температура окислительной термообработки была от 1350° до 1500°F, что соответствует температуре от 732°С до 1222°С. Для чувствительных к температуре и/или чувствительных к окислению абразивных зерен, таких как, например, эвтектический цирконовый корунд, кубический нитрид бора или алмаз, указанная обработка не подходит.

В публикации ЕР 0014236 А1 описана обработка абразивного зерна на основе оксида алюминия, при которой на абразивное зерно наплавляют или наносят спеканием слой керамической массы, такой как, например, глина, каолин или спекшаяся стеклянная масса. Одновременно со спеканием или наплавлением покрытия производят преобразование содержащегося в корунде диоксида титана из трехвалентной в четырехвалентную степень окисления. Указанный способ нанесения покрытия подходит исключительно для абразивных зерен, которые наряду с оксидом алюминия содержат долю оксида титана. К тому же термообработка должна проходить при температуре от 1250°С до 1350°С и в окислительных условиях, так что указанная обработка равным образом исключается для абразивных зерен, чувствительных к окислению и температуре.

Более низкие температуры термообработки реализуемы с фосфатными связующими или органическими связующими, такими как, например, синтетический полимер. Указанные связующие однако имеют тот недостаток, что они обладают относительно незначительной силой адгезии, направляемой к абразивному зерну, и при этом прочность нанесения покрытия на поверхность оказывается недостаточной.

В патенте DE 10257554 А1 описаны абразивные зерна из группы обычных абразивных зерен, в частности плавленого или спеченного корунда, цирконового корунда, карбида кремния и карбида бора, для введения в связанные синтетическим полимером абразивные материалы, которые по поверхности были снабжены оболочкой из водного связующего на основе силиката и мелкозернистого оксидного соединения. В случае мелкозернистых оксидных соединений речь идет о комплексном соединении общей формулы АхByOz с элементом А из группы металлов и элементом В из группы амфотерных элементов, а также кислородом в стехиометрическом отношении к А и В.

Для термообработки предусмотрен температурный интервал от 100° до 900°С, и после термообработки абразивного зерна с нанесенным покрытием при 400°С может быть достигнуто явное повышение производительности по сравнению с необработанным абразивным зерном. Точные исследования обработанных таким образом абразивных зерен, в частности определение силы сцепления с помощью акустической кавитации, показали, что сцепление оксидного соединения с поверхностью относительно слабо, и что указанное повышение производительности было достигнуто несмотря на то, что сцепление покрытия с поверхностью абразивного зерна слабо, и причина повышения производительности возможно основывается на кристаллической структуре пигмента (решетка рутила) и композиции пигмента с амфотерным элементом, который возможно помогает процессу шлифовки в качестве вспомогательного абразивного материала.

Таким образом, дальнейшая проблема состоит в нахождении системы связующего для покрытия абразивных зерен, которая не имеет недостатков существующего уровня техники и уже при низких температурах образует прочное сцепление с поверхностью абразивного зерна. С системой связующего такого рода должно быть достигнуто дальнейшее улучшение производительности шлифования, в частности, с термически нестойкими абразивными зернами. В центре интереса при этом стоит, в частности, обработка эвтектического цирконового корунда, термическое разложение которого начинается при температурах выше 400°С, путем модифицикационных превращений оксида циркония и связанных с этим изменений объема.

Задача была решена за счет абразивных зерен, покрытых системой связующего с признаками пункта 1 формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления являются предметом зависимых пунктов.

Задачей изобретения является также предоставить в распоряжение способ получения таких покрытых абразивных зерен, а также показать применение таких покрытых абразивных зерен в абразивных материалах.

Уже в 1976 году в публикации J. Davidovits: Solyd phase synthesis of a mineral blockpolymer by low temperature polycodensation of alumosilicate polymers. I.U.P.A.C. International Symposium on Macromolecules, Stockholm; сентябрь 1976; Topic III, New Polymers of high stability (1976) описан новый тип керамических материалов, которые позднее были известны под названием геополимеров. Геополимерами обозначают группу алюмосиликатных материалов, которые подобно органическим полимерам могут быть получены способом поликонденсации, но при этом имеют чисто неорганическую природу и поэтому имеют высокую термическую и химическую стойкость. Основной структурный элемент геополимера образует SiO₄- и AlO₄-тетраэдры, которые при геополимеризации совместно укладываются в трехмерную сеть.

В патенте ЕР 0518962 В1 описано связующее на основе геополимера, которое наряду с силикатными и алюминатными группами содержит, по меньшей мере, один комплексный фторид щелочного металла, который снижает скорость затвердевания геополимера и тем самым препятствует поликонденсации.

В качестве связующего для нанесения покрытия на абразивные зерна геополимеры ранее не принимались во внимание, соответственно не использовались специалистами, поскольку образование геополимеров требует высокой концентрации твердых веществ, причем концентрация сухого вещества должна быть выше 60 мас.%, чтобы поликонденсация остановилась. При нанесении покрытия на абразивные зерна обычно используют связующее, сильно разбавленное водой, чтобы достичь гомогенного и тонкого покрытия поверхности. Обычно для этого используют разбавленное промышленное жидкое стекло или коллоидальную кремневую кислоту, где содержание твердого вещества лежит намного ниже требуемых для геополимера 60 мас.%.

Неожиданно было обнаружено, что с помощью смеси связующих, содержащих реакционноспособные Al₂O₃ и SiO₂ (алюмосиликат) и разбавленных водой, удается при температурах ниже 400°С нанести на поверхность абразивных зерен исключительно прочно сцепляющееся покрытие, в котором для увеличения поверхности может быть применен мельчайшей неорганический порошок или неорганический оксидный пигмент. Это было неожиданно, так как при указанном соотношении Al₂O₃ и SiO₂ обычно образуются не твердые плотные геополимеры, а чистые вязкие силикатные фазы, которые не принимают участия в трехмерной сети и при нагревании обычно вспучиваются и образуют пузырьки, так что в указанном случае при температурах выше 300°С обычно получаются пористые тела.

В качестве исходных веществ для алюмосиликата могут быть использованы метакаолин, летучая зола, доменные шлаки, рудничная пыль, мелкий песок и активированная глина. Указанные материалы исключительно мелкозернисты и обладают достаточной активностью, чтобы образовывать алюмосиликатные гели реакцией поликонденсации силикатных и алюмосиликатных структурных групп. Наряду с указанным сырьем, которое в больших количествах образуется как побочные продукты и отбросы при производстве энергии и в промышленности основных материалов, можно однако использовать любые другие материалы, которые содержат оксид алюминия и оксид кремния в достаточном количестве и в достаточно реакционноспособной форме, чтобы вступать в реакцию поликонденсации и образовывать трехмерную сеть из SiO₄- и AlO₄-тетраэдров. Таким образом, оказалось, что вместо алюмосиликата могут также быть использованы оксид алюминия или гидроксид алюминия вместе с жидкими стеклами, обогащенными SiO₂.

Наряду с алюмосиликатом, который предпочтительно вводят в молярном отношении Al₂O₃ к SiO₂ от 1:2 до 1:20, система связующего содержит жидкое стекло, воду и, в преимущественном варианте осуществления предлагаемого изобретения, по меньшей мере, один комплексный фторид щелочного металла. В расчете на необработанное абразивное зерно при этом вводят от примерно 0,01 до примерно 10,0 мас.% связующего, причем связующее состоит из от примерно 0,005 до примерно 4,0 мас.% жидкого стекла, от примерно 0,005 до примерно 4,0 мас.% воды, от примерно 0,005 до примерно 1,0 мас.% алюмосиликата и от примерно 0,001 до примерно 1,0 мас.% комплексного фторида щелочного металла, причем каждый раз доля дана в расчете на необработанное абразивное зерно.

По меньшей мере один комплексный фторид щелочного металла выбирают из группы Na₃AlF₆, K₂NaAlF₆, Na₂SiF₆, K₂SiF₆, NaBF₄ и KBF₄.

Наряду с вышеприведенными компонентами связующее может содержать дополнительные наполнители и/или вспомогательные шлифовальные материалы. Для указанной цели могут быть использованы все известные наполнители и вспомогательные шлифовальные материалы из группы сульфидов, фосфатов, карбонатов и/или галогенидов и/или комплексных соединений, содержащих сульфид, фосфат, карбонат и/или галогенид, из группы элементов натрий, литий, калий, магний, кальций, алюминий, марганец, медь, цинк, железо, титан, сурьма и/или олово.

Мелкозернистый неорганический порошок, как правило, представляет собой оксидный пигмент, который вводят в количестве от 0,05 до примерно 5,0 мас.% в расчете на необработанное абразивное зерно, причем предпочтительный вариант осуществления предлагаемого изобретения предусматривает количество от примерно 0,1 до примерно 2,0 мас.% мелкозернистого неорганического порошка в расчете на необработанное абразивное зерно.

Связующее может быть отверждено при температурах ниже 400°С и позволяет достичь в указанных условиях отличной прочности, которая заметно выше прочности, которая может быть достигнута при указанных температурах со связующими согласно уровню техники.

Способ нанесения покрытия сам по себе относительно несложен, причем сначала абразивные зерна смачивают связующим в высокоэффективном смесителе, затем смоченные абразивные зерна смешивают с мелкозернистым неорганическим порошком и, наконец, перемешивают до равномерного распределения мелкозернистого неорганического порошка на поверхности абразивных зерен. Отверждение покрытия осуществляют при температуре ниже 400°С, например, во вращающейся трубчатой печи.

Полученные указанным способом абразивные зерна находят применение для получения абразивных материалов, в частности абразивных материалов на подложке.

Далее предлагаемое изобретение будет подробно пояснено на примерах.

Примеры

Определение силы сцепления

В случае покрытого оболочкой абразивного зерна качество сцепления, то есть прочность, с которой связан пигмент, определяли с помощью акустической кавитации. При указанном способе обработанные абразивные зерна в стеклянном сосуде покрывали водой и облучали ультразвуковыми волнами. В результате интенсивного облучения возникают маленькие вакуумные пузырьки, так называемые кавитации, которые, в частности, схлопываются и при этом молниеносно создают высокую температуру и давление, так называемые «микроструи» («Microjets»). Указанными «микроструями» слабосвязанные на поверхности абразивного зерна частицы освобождаются и отделяются. Количество отделенных частиц затем определяли в декантированной суспензии фотометрическими способами как показатель помутнения (значение NTU).

Примеры 1 и 2, сравнительные примеры 1 и 2

Всякий раз 1 килограмм абразивного зерна (эвтектический цирконовый корунд, Alodur ZK40 P 36, Treibacher Sсhleifmittel) с системой связующего загружали в лабораторный смеситель свободного падения и перемешивали в течение 5 минут. Затем прибавляли пигмент и абразивное зерно перемешивали со связующим и пигментом в течение следующих 5 минут. Полученное сырье затем в течение 20 минут сушили на воздухе и потом в течение 15 минут термически обрабатывали при 350°С во вращающейся трубчатой печи.

Всякий раз 5 граммов покрытого указанным способом абразивного зерна покрывали по 10 мл воды в стакане с круглыми краями и в течение одной минуты обрабатывали в ультразвуковой ванне (Haver USC 200). Затем в отстоявшейся воде фотометром (WTW Turbo 550) определяли концентрацию пигмента как значение NTU. В указанной серии опытов использовали калиевое жидкое стекло 42/43 (Moersil H, Cognis Deutchland GmbH) в качестве жидкого стекла, метакаолин (Metastar 501, Imerys Minerals Ltd.) в качестве алюмосиликата, K₂SiF₆ (Brenntag CEE GmbH) в качестве фторида щелочного металла, а также РК 12100 (Ferro Corp.) c приблизительным составом 10 мас.% MnO₂, 24 мас.% Sb₂O₃ и 66 мас.% TiO₂ в качестве оксидного пигмента.

Состав связующего, а также результаты фотометрических измерений (значения NTU; обратно пропорционально прочности сцепления) приведены в таблице 1.

Таблица 1 Образец Композиция связующего (г) Оксидный пигмент (г) Значение NTU Жидкое стекло Вода Алюмосиликат Фторид щелочного металла Пример 1 3,6 2,4 0,15 0,3 2,0 550 Сравнитель-ный пример 1 3,6 2,4 - 0,3 2,0 902 Сравнитель-ный пример 2 3,6 2,4 - - 2,0 >>1000 Пример 2 3,6 2,4 0,15 - 2,0 817

Из результатов, приведенных в таблице 1, явствует, что сила сцепления покрытия в предложенном примере 1 явно больше значения в сравнительных примерах. Причем сравнительный пример 1 соответствует обычному покрытию, согласно уровню техники, жидким стеклом, при котором к связующему дополнительно был прибавлен комплексный фторид щелочного металла. Сравнительный пример 2 соответствует чисто обычному нанесению покрытия жидким стеклом с последующим прибавлением в качестве связующего оксидного пигмента без дополнительных присадок. В случае примера 2 отказывались от фторида щелочного металла. Из значений NTU в вышеупомянутой таблице видно, что действие алюмосиликата в качестве связующего для нанесения покрытия на абразивное зерно полностью раскрывается, в частности, в комбинации с фторидом щелочного металла.

Примеры с 3 по 13

Снова, как в примере 1, каждый раз по 1 килограмму абразивного зерна (эвтектического цирконового корунда, Alodur ZK40 P 36) загружали в смеситель свободного падения и перемешивали в течение 5 минут. Затем прибавляли пигмент (РК 12100, Ferro Corp.) и перемешивали абразивное зерно со связующим и пигментом еще в течение 5 минут. Далее полученную смесь в течение 20 минут сушили на воздухе, а затем в течение 15 минут термически обрабатывали при 350°С во вращающейся трубчатой печи.

Всякий раз 5 граммов покрытого указанным способом абразивного зерна покрывали по 10 мл воды в стакане с круглыми краями и в течение одной минуты обрабатывали ультразвуком в ультразвуковой ванне (Haver USC 200). Затем в отстоявшейся воде фотометром (WTW Turbo 550) определяли концентрацию пигмента как значение NTU.

В указанной серии опытов в качестве жидкого стекла использовали калиевое жидкое стекло (Morsil H, Cognis Deuchland GmbH), в качестве источника алюмосиликата (использовали) метакаолин (Metastar 501, Imerys Minerals Ltd), в качестве фторида щелочного металла - K₂SiF₆ (Brenntag CEE GmbH) и в качестве оксидного пигмента - РК 12100 (Ferro).

Состав связующего, а также результаты фотометрических измерений (значение NTU; обратно пропорционально силе сцепления) представлены в таблице 2.

Таблица 2 Образец (1 кг) Состав связующего (г) Оксидный пигмент Значение NTU Жидкое стекло Вода Алюмосиликат Фторид щелочного металла Пример 3 3,6 2,4 0,05 0,3 2,0 557 Пример 4 3,6 2,4 0,1 0,3 2,0 452 Пример 5 3,6 2,4 0,3 0,3 2,0 196 Пример 6 3,6 2,4 0,6 0,3 2,0 364 Пример 7 3,6 2,4 1,0 0,3 2,0 489 Пример 8 3,6 2,4 0,3 0,0 2,0 789 Пример 9 3,6 2,4 0,3 0,15 2,0 268 Пример
10 3,6 2,4 0,3 0,6 2,0 241 Пример
11 3,6 2,4 0,3 0,9 2,0 406 Пример
12 3,6 2,4 0,3 1,2 2,0 529 Пример
13 3,6 2,4 0,1 0,9 2,0 307

Из результатов, приведенных в таблице 2, явствует, что количества алюмосиликата и комплексного фторида могут варьироваться в относительно широких пределах без понижения силы сцепления. Оптимальный диапазон для нанесения покрытия на относительно грубое абразивное зерно (Р36) со средним диаметром зерна примерно 500 мкм оказывается, в расчете на абразивное зерно, для алюмосиликата от примерно 0,001 до примерно 0,006 мас.% и для комплексного фторида щелочного металла от примерно 0,003 до примерно 0,01 мас.%. В случае более тонких абразивных зерен, которые имеют соответственно большую поверхность на кг абразивного зерна, должны быть использованы соответственно большие количества связующей смеси.

Из примера 8 явствует, что отсутствие комплексного фторида щелочного металла очень сильно влияет на силу сцепления. Как показано на примере 3, в присутствии фторида щелочного металла достаточно уже небольшого количества алюмосиликата, чтобы достичь заметного повышения силы сцепления.

Примеры 14 и 15, сравнительный пример 3

В примерах 14 и 15 варьировали тип абразивного зерна, причем в качестве альтернативы цирконовому корунду использовали карбид кремния и благородный корунд, как обычные абразивные зерна.

Снова каждый раз по 1 килограмму обычного абразивного зерна с системой связующего загружали в лабораторный смеситель свободного падения и перемешивали в течение 5 минут. Затем прибавляли пигмент и перемешивали абразивное зерно со связующим и пигментом еще в течение 5 минут, причем использовали смесь связующего и оксидный пигмент, аналогичные использованным в примере 4. Далее полученную смесь в течение 20 минут сушили на воздухе, а затем в течение 15 минут термически обрабатывали при 350°С во вращающейся трубчатой печи.

Силу сцепления определяли аналогично вышеописанным примерам. В указанной серии опытов в качестве абразивных зерен использовали стандартный корунд (Alodur ESK P 36, Treibacher) и SiC (Alodur SiC, P 36, Treibacher). В сравнительном примере 5 стандартный корунд обычно покрывали жидким стеклом и оксидным пигментом.

Состав связующего, а также результаты фотометрических измерений (значения NTU; обратно пропорционально силе сцепления) представлены в таблице 3.

Таблица 3 Образец
(1 кг) Состав связующего (г) Оксидный пигмент Значение NTU Жидкое стекло Вода Алюмосиликат Фторид щелочного металла Пример 14
SiC 3,6 г 2,4 г 0,3 г 0,3 г 2,0 г 438 Пример 15
ESK 3,6 г 2,4 г 0,3 г 0,3 г 2,0 г 523 Сравнительный пример 3
ESK 3,6 г 2,4 г - - 2,0 г >>1000

Результаты, приведенные в таблице 3, показывают, что результаты, достигнутые в случае цирконового корунда, могут быть перенесены также на другие обычные абразивные зерна, такие как, например, карбид кремния и стандартный корунд.

Примеры 16 и 17, сравнительные примеры 4 и 5 (CBN, алмаз)

Каждый раз 500 карат кубического нитрида бора (SBN-B B 151; 100/120 меш, Showa Denko KK) или 500 карат алмаза (RVG D 126; 100/120 меш, Diamond Innovation) с системой связующего, аналогичной (использованной в) примере 4, помещали в специальный лабораторный смеситель и в течение 5 минут интенсивно перемешивали. Затем прибавляли пигмент и перемешивали абразивное зерно со связующим и пигментом в течение следующих 5 минут. Полученный зернистый материал затем в течение 20 минут сушили на воздухе и далее термически обрабатывали при 350°С в течение 15 минут во вращающейся трубчатой печи.

Силу сцепления определяли аналогично вышеприведенным примерам с помощью акустической кавитации.

Состав связующего, а также результаты фотометрических измерений (значение NTU обратно пропорционально силе сцепления) представлены в таблице 4.

Таблица 4 Образец
(500 карат) Состав связующего Оксидный пигмент (г) Значение NTU Жидкое стекло Вода Алюмосиликат Фторид щелочного металла Пример 14 алмаз 2,0 г 1,0 г 0,15 г 0,15 г 1,0 г 812 Пример 15
CBN 2,0 г 1,0 г 0,15 г 0,15 г 1,0 г 734 Сравнительный пример 6
Алмаз 2,0 г 1,0 г - - 1,0 г >>1000 Сравнительный пример 7
CBN 2,0 г 1,0 г - - 1,0 г >>1000

При обработке суперабразивов CBN и алмаза было использовано, в расчете на долю абразивного зерна, примерно пятикратное количество композиции связующего, что объясняется тем, что в указанном случае использовали зерна со средним диаметром примерно 100 мкм, и, таким образом, была обработана большая поверхность на единицу массы абразивного зерна. В совокупности, в расчете на поверхность, использовали сравнимые количества связующего по сравнению с обычными абразивными зернами. Результаты, приведенные в таблице 4, показывают, что и в случае суперабразивов с помощью предложенной системы связующего в мягких условиях может быть достигнута относительно высокая сила сцепления, которая правда немного менее сильно выпадает по сравнению с обычными абразивными зернами, что может привести к тому, что в случае обычных абразивных зерен устанавливается более сильное сцепление с поверхностью абразивного зерна за счет кислородных мостиков.

Примеры с 18 по 21

В серии испытаний примеров с 18 по 21 в качестве исходных материалов для алюмосиликата использовали летучую золу (Holcim AG, Германия) или смесь из реакционноспособного гидроксида алюминия (Pseudoboehmit, Sasol Germany) и реакционноспособного оксида кремния (Hochdisperse Kieselsauere HDK, Wacker Chemie AG). В рамках указанных испытаний дополнительно в качестве альтернативы кремнийфториду калия в качестве комплексного фторида был выбран гексафторалюминат натрия (Solvay Fluor GmbH).

В качестве абразивного зерна каждый раз загружали 1 килограмм эвтектического цирконового корунда (Alodur ZK40 P 36, Treibacher Schleifmittel) с системой связующего, аналогичной примеру 4, в лабораторный смеситель свободного падения и перемешивали в течение 5 минут. Затем прибавляли пигмент и абразивное зерно со связующим и пигментом перемешивали в течение следующих 5 минут. Полученное сырье далее сушили на воздухе в течение 20 минут и затем термически обрабатывали при 350°С в течение 15 минут во вращающейся трубчатой печи.

Каждый раз 5 граммов покрытого указанным способом абразивного зерна в стеклянном стакане с круглыми стенками покрывали 10 мл воды и обрабатывали в течение одной минуты ультразвуком в ультразвуковой ванне (Haver USC 200). Затем определяли концентрацию пигмента в отстоявшейся воде фотометром (WTW Turbo 550) как значение NTU. В указанной серии опытов в качестве жидкого стекла использовали калиевое жидкое стекло 42/43 (Moersil H, Cognis Deutschland GmbH), в качестве источника алюмосиликата (использовали) летучую золу (Holcim AG, Германия) или смесь реакционноспособного гидроксида алюминия (Pseudoboehmit, Sasol Germany) и реакционноспособного оксида кремния (Hochdisperse Kieselsaeure HDK, Wacker Chemie AG) и в качестве комплексного фторида как альтернативу кремнийфториду калия - гексафторалюминат натрия.

Точный состав связующего, а также результаты фотометрических измерений (значения NTU; обратно пропорционально силе сцепления) представлены в таблице 5.

Таблица 5 Образец
(1 кг) Состав связующего Оксидный пигмент (г) Значе-ние NTU Жидкое стекло Вода Алюмосиликат (0,3 г) Фторид щелочного металла (0,3 г) Пример 18 3,6 г 2,4 г Летучая зола K₂SiF₆ 2,0 г 315 Пример 19 3,6 г 2,4 г Бемит+HDK K₂SiF₆ 2,0 г 345 Пример 20 3,6 г 2,4 г Мета-каолин Na₃AlF₆ 2,0 г 220 Пример 21 3,6 г 2,4 г Бемит+HDK Na₃AlF₆ 2,0 г 433

Результаты, приведенные в таблице 5, показывают, что наряду с метакаолином в качестве исходных веществ для геополимеров из Al₂O₃ и SiO₂ речь идет также о другом реакционноспособном сырье, чтобы получить в мягких условиях прочное сцепление на поверхности абразивного зерна.

Испытание шлифования

Ленточное абразивное шлифование 1

На основе выбранных образцов (пример 3, пример 5, необработанный ZK40) получали испытуемые шлифовальные абразивные ленты (тканевая подложка с полимерным креплением), которыми обрабатывали обычную конструкционную сталь (ST37) или сталь повышенного качества (V2A). Производительность шлифования определяли как съем (г) в единицу времени (мин). Результаты испытания шлифования представлены в таблице 6.

Таблица 6 Образец ST 37 (стальная трубка)
Время шлифовки 12 мин Поверхность V2A
Время шлифовки 30 мин Съем Производительность Съем Производительность Пример 5 982 г 147% 739 г 164% Пример 3 854 г 127% 615 г 137% Необработанный ZK 40 670 г 100% 450 г 100%

Как явствует из таблицы 6, нанесением покрытия можно достичь явного повышения производительности по сравнению с непокрытым абразивным зерном. Последующий оптический анализ лент делает ясным, что повышение производительности в первую очередь приводит к тому, что в одинаковых условиях для лент, полученных с абразивными зернами с предложенным покрытием, было отмечено намного меньше выброса зерен.

Ленточное абразивное шлифование 2

Равным образом связанными полимером тканевыми лентами под прижимным давлением 35 Н при времени шлифования 50 минут обрабатывали сплошной материал диаметром 30 мм. В качестве заготовки использовали С45-сталь и сталь повышенного качества V2A. Результаты испытания шлифования приведены в таблице 7.

Таблица 7 Образец Съем (г) Производительность шлифования (%) С45 V2A C45 V2A Пример 5 5332 1649 132 141 Пример 3 5009 1392 124 119 Необработан-ный ZK40 4040 1170 100 100

Результаты, приведенные в таблице 7, также показывают четкое повышение производительности для лент с предложенными покрытыми оболочкой абразивными зернами. Поскольку в данном испытании ленты шлифовали до предела их производительности, последующий оптический анализ не показал большого различия между отдельными лентами. На основании кривой съема на единицу времени можно однако установить, что ленты с необработанным цирконовым корундом истирались гораздо быстрее.

Ленточное абразивное шлифование 3

Равным образом заготовки нержавеющей стали, а также конструкционной стали обрабатывали связанными полимерами тканевыми лентами при различных нагрузках и с различной продолжительностью. Результаты серии испытаний представлены в таблице 8.

Таблица 8 Образец Нержавеющая сталь SUS304, высокая нагрузка, 5 мин Конструкционная сталь S50C, средняя нагрузка, 30 мин Съем Прозводительность Съем Производительность Пример 5 797 г 145% 3758 г 131% Пример 3 687 г 125% 3243 г 113% Необработан-ный ZK40 550 г 100% 2870 г 100%

Результаты, приведенные в таблице 8, показывают, что, в частности, при высоких нагрузках, а также при обработке трудношлифуемых материалов (нержавеющей стали) проявляются преимущества предложенных покрытых оболочкой абразивных зерен.

Испытания отрезного шлифовального круга

Изготовление отрезного шлифовального круга

Изготовляли каждый раз 5 отрезных шлифовальных кругов из абразивных зерен по примеру 5 и примеру 3, а также с необработанным эвтектическим цирконовым корундом ZK40, причем смешивали по 780 г абразивного зерна с 55 г жидкого полимера (фенольного полимера) и указанную смесь затем примешивали к 240 г порошковой смеси, состоящей из 50,0 мас.% фенольной порошковой смолы, 25,0 мас.% криолита, 24,0 мас.% пирита и 1,0 мас.% СаО. Затем соответствующую долю смеси каждый раз прессовали в круги диаметром 178 мм и толщиной 2,8 мм и отверждали в течение 14 часов при 180°.

Параметры испытания (испытание отделения)

Диаметр круга 178 мм Число оборотов 8000 об/мин Подача 2,0 см/с

После того как круги сначала зачищали тремя срезами, производили по 20 срезов на отрезной шлифовальный круг, причем время обработки на срез составляло 5,5 секунды. При этом обрабатывали следующие материалы.

Материалы: плоская сталь V2A (18% Cr, 10% Ni) 30 мм × 8 мм

Круглая сталь, ST 37, 20 Ø

Каждый раз рассчитывали G-фактор после 20 срезов из средних значений 5 кругов по формуле:

Результаты испытаний при обработке V2A представлены в таблице 9, а результаты обработки конструкционной стали ST 37 приведены в таблице 10.

Таблица 9 V2A Отделенная поверхность (мм²) Потеря круга (мм²) G-фактор Пример 4 4800 182 26,4 Пример 2 4800 215 22,3 Необработанный ZK40 4800 350 13,7

Таблица 10 ST 37 Отделенная поверхность (мм²) Потеря круга (мм²) G-фактор Пример 4 6280 165 38,1 Пример 2 6280 197 31,9 Необработанный ZK40 6280 259 24,2

В обоих случаях обработки обнаружено, что в результате предложенного покрытия достигнуто явное повышение G-фактора. Поскольку в обоих произведенных случаях обработки число срезов для всех образцов было одинаковым, и заготовки, а также основное абразивное зерно были идентичными, более высокий G-фактор почти исключительно каждый раз объясняется незначительной потерей круга, которая, в свою очередь, зависит от сцепления зерна. Поскольку также каждый раз был использован одинаковый состав связующего, из результатов, приведенных в таблицах 9 и 10, можно сделать прямое заключение о качестве покрытия.

Изобретение относится к абразивным зернам, покрытым оболочкой из мелкозернистого неорганического порошка и связующего, и способу их получения. Абразивное зерно из группы корунда, плавленого корунда, спеченного корунда, цирконового корунда, карбида кремния, карбида бора, кубического нитрида бора, алмаза и/или их смесей с покрытием, содержащим связующее и мелкозернистый неорганический порошок. Основа связующего состоит из алюмосиликата с молярным отношением Аl₂О₃ к SiO₂ от 1:2 до 1:20, жидкого стекла и воды. Абразивные зерна смачивают связующим в высокоэффективном смесителе, смешивают смоченные зерна с мелкозернистым неорганическим порошком и перемешивают до равномерного распределения порошка на поверхности абразивных зерен. Отверждение покрытия осуществляют при температуре ≤400°С. Обеспечено прочное сцепление покрытия с абразивным зерном при низких температурах и повышение производительности шлифования. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 10 табл., 21 пр.

1. Абразивное зерно из группы корунда, плавленого корунда, спеченного корунда, цирконового корунда, карбида кремния, карбида бора, кубического нитрида бора, алмаза и/или их смесей, с покрытием, содержащим связующее и мелкозернистый неорганический порошок, отличающееся тем, что основа связующего состоит из алюмосиликата с молярным отношением Аl₂О₃ к SiO₂ от 1:2 до 1:20, жидкого стекла и воды.

2. Абразивное зерно по п.1, отличающееся тем, что связующее дополнительно содержит по меньшей мере один комплексный фторид щелочного металла.

3. Абразивное зерно по п.2, отличающееся тем, что химическая композиция связующего состоит из от примерно 5 до примерно 30 мас.% SiO₂, от примерно 60 до примерно 90 мас.% Н₂О, от примерно 1 до примерно 10 мас.% Аl₂О₃ и от примерно 5 до примерно 15 мас.% фторида щелочного металла.

4. Абразивное зерно по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что доля связующего составляет от примерно 0,01 до примерно 10,0 мас.% в расчете на необработанное абразивное зерно.

5. Абразивное зерно по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что связующее состоит из от примерно 0,005 до примерно 4,0 мас.% жидкого стекла, от примерно 0,005 до примерно 4,0 мас.% воды, от примерно 0,0005 до примерно 1,0 мас.% алюмосиликата и от примерно 0,001 до примерно 1,0 мас.% фторида щелочного металла, каждый раз в расчете на необработанное абразивное зерно.

6. Абразивное зерно по п.1, отличающееся тем, что алюмосиликат выбран из группы, состоящей из метакаолина, летучей золы, доменных шлаков, мелкозернистого песка и активной глины.

7. Абразивное зерно по п.1 или 6, отличающееся тем, что алюмосиликат представляет собой продукт, образующийся при нанесении покрытия in situ из реакционноспособного Аl₂O₃, такого, например, как бемит, и реакционноспособного SiO₂, такого как, например, коллоидальная кремневая кислота.

8. Абразивное зерно по п.7, отличающееся тем, что алюмосиликат представляет собой гель, образованный в результате поликонденсации из реакционноспособных Аl₂O₃ и SiO₂, с трехмерной сетью из SiO₄- и АlO₄-тетраэдров.

9. Абразивное зерно по п.2 или 3, отличающееся тем, что, по меньшей мере, один комплексный фторид щелочного металла выбран из группы Nа₃АlF₆, K₂NaAlF₆, Na₂SiF₆, K₂SiF₆, NaBF₄ и KBF₄.

10. Абразивное зерно по одному из пп.1-3, отличающееся тем, что связующее дополнительно содержит наполнители и/или вспомогательное абразивное средство, выбранное из группы сульфидов, фосфатов, карбонатов и/или галогенидов и/или сульфид, фосфат-, карбонат- и/или галогенидсодержащих комплексных соединений из группы элементов Na, Li, К, Mg, Ca, Al, Mn, Сu, Sn, Fe, Ti, Sb и/или Zn.

11. Абразивное зерно по п.1, отличающееся тем, что мелкозернистый неорганический порошок представляет собой оксидный пигмент.

12. Абразивное зерно по п.1, отличающееся тем, что покрытие содержит от примерно 0,002 до примерно 5,0 мас.% мелкозернистого неорганического порошка в расчете на необработанное абразивное зерно.

13. Абразивное зерно по п.12, отличающееся тем, что покрытие предпочтительно содержит от примерно 0,1 до примерно 2,0 мас.% мелкозернистого неорганического порошка в расчете на необработанное абразивное зерно.

14. Абразивное зерно по п.1, отличающееся тем, что связующее способно отверждаться при температуре ≤400°С.

15. Абразивное зерно по п.1, отличающееся тем, что оно пригодно для изготовления абразивных материалов, в частности для изготовления абразивных материалов на подложке.

16. Способ получения абразивного зерна по одному из пп.1-15, включающий смачивание абразивных зерен связующим в высокоэффективном смесителе, смешение смоченных абразивных зерен с мелкозернистым неорганическим порошком, перемешивание абразивных зерен с мелкозернистым неорганическим порошком до равномерного распределения порошка на поверхности абразивных зерен и отверждение покрытия при температуре ≤400°С, при этом используют связующее на основе алюмосиликата с молярным отношением Аl₂О₃ к SiO₂ от 1:2 до 1:20, жидкого стекла и воды.

17. Способ по п.16, отличающийся тем, что используют связующее, которое дополнительно содержит, по меньшей мере, один комплексный фторид щелочного металла.

18. Способ по п.17, отличающийся тем, что используют связующее с химическим составом от примерно 5 до примерно 30 мас.% SiO₂, от примерно 60 до примерно 90 мас.% H₂O, от примерно 1 до примерно 10 мас.% Аl₂О₃ и от примерно 5 до 15 мас.% фторида щелочного металла.