Абразивное изделие и способ его изготовления Российский патент 2024 года по МПК B24D3/00 B24D18/00 C09K3/14 A63D15/14 

Изобретение относится к изготовлению абразивных изделий и предназначено для создания шероховатости поверхностей изделий из дерева, пластика и других материалов с одновременным нанесением тонкого слоя мелкодисперсного абразивного материала на рабочую поверхность изделия для обеспечения прочного контакта и исключения проскальзывания рабочих поверхностей. Абразивное изделие предлагается использовать при игре в бильярд для придания необходимой шероховатости поверхности наконечников киев (наклеек на кий) и нанесения тонкого абразивного слоя. Абразивное изделие также может быть использовано для зачистки, полировки различных поверхностей, а также в качестве дополнительного абразивного слоя, чтобы исключить проскальзывание плотно прилегающих поверхностей.

Обычные абразивные изделия, предназначенные для шлифования поверхностей, состоят из абразивных частиц, закрепленных связующим и желательными характеристиками таких связующих являются сила сцепления, прочность, гибкость, хорошая смачиваемость поверхности абразивных частиц.

Однако важной особенностью абразивных изделий, используемых при игре в бильярд является способность одновременно придавать необходимую шероховатость поверхности кия (наклейке на кий) и оставлять тонкий слой мелкодисперсного абразивного материала, который позволяет осуществить направленный удар по бильярдному шару и исключает проскальзывание кия при ударе. При этом абразивное изделие должно иметь товарный вид, держать форму, не крошиться и не откалываться при использовании. Абразивный слой материала должен наносится без пробелов, иметь хорошую адгезию с поверхностью кия и не осыпаться при ударах по бильярдному шару.

Известен состав (SU 584025, МПК C09D 13/00, 15.12.1977), состоящий из фосфогипса, каолина, полиакриламида и воды, где формование изделия осуществляется методом экструзии (с применением шнек-машины), т.е. используется сложное и дорогое оборудование. Так как фосфогипс, состоящий более чем на 95% из двуводного сульфата кальция, не является вяжущим веществом, твердение отформованной массы осуществляется в процессе сушки, общая длительность изготовления изделия составляет более 3,5 часов. Мелок по представленному составу не обладает необходимой прочностью и не обеспечивает необходимую шероховатость поверхностного слоя наконечника (наклейки) кия.

Известен также состав классных мелков, (SU 418510, МПК C09D 13/00, 05.03.1974), состоящий из смеси гипсового вяжущего, полиакриламида и воды. Связующее на основе гипсового вяжущего не обеспечивает необходимых физико-механических характеристик (плотность, твердость), вызывает осыпание частиц с наконечника кия во время удара по шару.

Известен состав для производства писчих мелков, который содержит в качестве гипсового вяжущего продукт термической обработки гипсового сырья до полугидрата сульфата кальция (RU 2110544, МПК C09D 13/00, 10.05.1998). Помимо этого, состав содержит наполнитель в виде трепела, диатомита, мела с дисперсностью 45 мкм, а также воду при следующем содержании компонентов, мас. %: гипсовое вяжущее 19,4 – 42,9, наполнитель 14,3 - 45,2, вода - остальное. Наполнители в виде трепела, диатомита и мела не обеспечивают необходимых абразивных свойств и не подходят для получения шероховатости поверхности наконечников киев, при этом так же не обеспечивают необходимое сцепление с бильярдным шаром при ударе.

Известен способ изготовления абразивных изделий на связке из бакелита с добавкой гипса и окиси цинка и абразивной составляющей, в качестве которой применяют смесь из карборунда, окиси хрома, термитного шлака и плавленого кварца в весовом отношении 12:4:4:1 (SU 55532, МПК B24D 3/04, 31.08.1939). Известен способ получения абразивных изделий, (SU 74976, МПК C09K 3/14, 30.04.1949), заключающийся в обработке дубильным веществом белкового клея при изготовлении шлифовально-полировального инструмента. Способы изготовления абразивных изделий по указанной рецептуре предназначены для изготовления бакелитовых кругов и шлифовально-полировальных инструментов и не применимы для изготовления абразивных изделий, используемых при игре в бильярд, т.к. связующее на обнове бакелитового лака после затвердевания представляет собой твердое смоловидное вещество (прочный, твердый материал) и не позволяет наносить слой абразивного материала на обрабатываемое изделие.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому изделию является абразивное изделие (RU 2402415 С2, B24D 3/28, B24D 11/00, B24B 1/00, C08L 61/06, C08L 61/24, C08L 61/28, 27.10.2010), включающее множество абразивных частиц и смолу, сшитую политиольным соединением. Недостатком данного абразивного изделия является использование политиольного соединения для сшивания связующего, что приводит к повышенной твердости абразивного изделия и высокой силе сцепления частиц абразивного материала с матрицей. Данное изделие не позволяет нанести слой абразивного материала на рабочую поверхность обрабатываемого изделия (наконечника кия).

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу изготовления абразивного изделия является способ изготовления композиции для абразивного инструмента (RU 2104857, МПК B24D 3/22, 20.02.1998), включающий смешивание связующего с отвердителем и охлаждение их до твердого состояния, измельчение и смешивание в твердом виде с абразивом, формование и отверждение при температуре 20-80^oC в течение 2-20 ч. Недостатком способа изготовления является предварительный перевод связующего в твердое состояние с последующим его измельчением. Сухое смешение связующего в порошковом виде с абразивными частицами не обеспечивает его равномерное распределение и обволакивание абразивных частиц, что приводит к снижению прочности и твердости готового абразивного изделия в составах с высоким содержанием (97-99 % мас.) абразивного наполнителя.

Заявляемое техническое решение включает два изобретения, относящиеся к абразивному изделию и способу его изготовления, связанные между собой единым изобретательским замыслом.

Технический результат изобретений заключается в повышении прочности абразивного изделия, которым обрабатывают (натирают) кий для бильярда, придавая необходимую шероховатость и оставляющего тонкий противоскользящий равномерный слой мелкодисперсного абразивного материала при его обработке, что обеспечивает необходимое сцепление и исключает проскальзывание кия при ударе по бильярдному шару.

Технический результат достигается тем, что предложены:

1. Абразивное изделие, изготовленное из смеси, содержащей множество абразивных частиц и связующее, отличающееся тем, что в качестве абразивных частиц используют полифракционный состав абразивных порошков на основе B₄C или SiC, или Al₂O₃, или SiO₂, а в качестве связующего – поливиниловый спирт в виде 10% водного раствора, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

абразивный порошок фракции с размером зерен 60-120 мкм 1-10;

абразивный порошок фракции с размером зерен 5-10 мкм 80-94;

абразивный порошок фракции с размером зерен 1-3 мкм 1-10;

поливиниловый спирт 1-3.

2. Способ изготовления абразивного изделия, включающий изготовление смеси, содержащей множество абразивных частиц и связующее, путем смешивания компонентов, формование заготовки абразивного изделия и сушку, отличающийся тем, что в качестве абразивных частиц для изготовления смеси используют полифракционный состав абразивных порошков на основе B₄C или SiC, или Al₂O₃, или SiO₂, а в качестве связующего – поливиниловый спирт, при этом осуществляют сухое смешивание абразивных порошков фракции с размером зерен 60-120 мкм в количестве 1-10 мас. %, фракции с размером зерен 5-10 мкм в количестве 80-94 мас. % и фракции с размером зерен 1-3 мкм в количестве 1-10 мас. % в шаровой мельнице с мелющими телами при соотношении по массе мелющих тел к абразивному порошку 1:1 в течение 2,5 часов, затем через 2 часа после начала сухого смешивания в шаровую мельницу вводят связующее в виде 10% водного раствора поливинилового спирта, после чего проводят смешивание указанных компонентов в течение 0,5 часа, далее осуществляют грануляцию смеси путем протирки через сито с размером ячеек 1 мм, доводят смесь до остаточной влажности 8-12% путем естественной сушки на воздухе и осуществляют формование заготовки абразивного изделия одноосным прессованием при давлении 2000 кгс/см² с последующей сушкой абразивного изделия в течение не менее 3,5 часов, при которой производят подъем температуры до 150°С со скоростью 100°С/час и выдержку при температуре 150°С в течение не менее 2 часов.

Авторами заявленного изобретения установлено, что наполнитель должен иметь полифракционный состав, содержащий: 1-10 % мас. крупной фракции абразивного порошка на основе карбида бора (B₄C) или карбида кремния (SiC) или оксида алюминия (Al₂O₃) или кварца (SiO₂) с размером зерна 60-120 мкм, которая обеспечивает необходимую шероховатость поверхностного слоя обрабатываемого изделия (наконечника кия или наклейки на кий); 80-94 % мас. абразивного порошка на основе В₄С, SiC, Al₂O₃, SiO₂ с размером зерна 5-10 мкм, который совместно с тонкодисперсным порошком закрывает дефекты поверхности, оставленные крупными абразивными частицами и обеспечивает равномерное нанесение тонкого слоя порошка на поверхность обрабатываемого изделия (бильярдного кия) и обеспечивает необходимое сцепление обработанной поверхости кия с шаром во время удара, исключая проскальзывание кия во время удара; 1-10 % мас. тонкодисперсного порошка на основе В₄С, SiC, Al₂O₃, SiO₂ с размером зерна 1-3 мкм, придает структуре абразивного изделия особую прочность за счет образования плотноупакованной структуры, которая позволяет исключить расслаивание, раскалывание и крошение абразивного изделия во время эксплуатации, а также исключает осыпание нанесенного тонкого слоя порошка во время эксплуатации (удара кием по бильярдному шару). В качестве связующего используют поливиниловый спирт в количестве 1-3 % мас.

В качестве абразивных частиц могут быть использованы шлифовальные порошки абразивного назначения на основе карбида бора (B₄C), карбида кремния (SiC), оксида алюминия (Al₂O₃) или кварца (SiO₂). Использование каждого из вышеуказанных порошков (или их смеси) дает практически одинаковый результат и позволяет получать абразивные изделия высокого качества, обеспечивающие необходимую шероховатость поверхности наконечников киев (наклеек) и высокое сцепление с бильярдным шаром во время удара.

Увеличение размера зерна крупной фракции свыше 120 мкм приводит к увеличению глубины и количества царапин на обрабатываемой поверхности, при снижение размера зерна крупной фракции меньше 60 мкм абразивная способность изделия теряется и тонкий слой порошка перестает налипать на обрабатываемую поверхность и осыпается при ударе кия по бильярдному шару.

Увеличение количества крупной фракции свыше 10 % приводит к удалению части рабочей поверхности обрабатываемого изделия. Снижение количества крупной фракции менее 1 % не позволяет создавать равномерную шероховатость поверхностного слоя наконечника (наклейки) кия и оставляет единичные царапины на его поверхности.

Увеличение количества средней фракции выше 94% приводит к потере эксплуатационных свойств абразивного изделия. Изделие перестает создавать шероховатость поверхности обрабатываемого изделия, необходимую для последующего нанесения абразивного слоя. Снижение количества средней фракции ниже 80 % мас. приводит к снижению прочностных характеристик абразивных изделий. Изделия крошатся при эксплуатации.

Размер зерна средней фракции абразивного порошка должен находится в пределах от 5 до 10 мкм. Основная функция порошка средней фракции обеспечить необходимое сцепление обработанной поверхности кия с бильярдным шаром во время удара. Для этого тонкий слой порошка должен равномерно покрывать поверхность обрабатываемого изделия (кия). Частицы размером 5-10 мкм при эксплуатации абразивного изделия остаются в бороздках, оставленных крупными абразивными частицами размером 60-120 мкм. Размер частиц средней фракции должен быть не менее, чем в 10 раз меньше размера дефектов (царапин), оставляемых на поверхности обрабатываемого изделия, для того, чтобы его можно было нанести плотным слоем без пробелов.

Содержание тонкой фракции должно находится в пределах от 1 до 10 %. Введение тонкодисперсного порошка позволяет добиться плотной упаковки абразивных частиц в структуре абразивного изделия путем заполнения пустот между абразивными частицами средней фракции, что приводит к резкому повышению прочности на сжатие и как следствие, эксплуатационных характеристик (изделие перестает крошится и раскалываться). Превышение количества тонкодисперсной фракции более 10 % и увеличение размера зерна выше 3 мкм приводит к нарушению структуры и снижению прочности абразивных изделий. Уменьшение размера частиц менее 1 мкм приводит к резкому увеличению удельной поверхности и насыпной плотности тонкодисперсного порошка. Такие структуры сложно уплотняются и требуют значительного увеличения количества связующего для их равномерного смачивания, что приводит к увеличению трудоемкости и затрат на изготовление абразивных изделий. Снижение количества тонкодисперсной фракции менее 1 % мас. не позволяет создавать структуру с плотной упаковкой частиц, между абразивными частицами средней фракции остаются пустоты, что также приводит к снижению прочности абразивного изделия.

Качество абразивных изделий существенно зависит от связующего, его количества, соотношения между связующим и абразивными частицами. Как установлено авторами заявленного изобретения связующие на основе поливинилового спирта (ПВС), при содержании от 1 до 3 % мас. обеспечивает необходимый уровень прочности на сжатие. Прочность абразивного изделия на сжатие должна быть не менее 3,0 кгс/мм², чтобы обеспечить необходимые эксплуатационные качества (изделие не должно расслаиваться, раскрашиваться и при этом наносить минимальный слой абразивного порошка на поверхность обрабатываемого изделия).

Применение ПВС обусловлено тем, что он является водорастворимым полимером, имеет высокую адгезию к абразивным порошкам на основе карбида бора, карбида кремния, оксида алюминия или кварца, обладает способностью образовывать тонкие пленки на поверхности абразивных частиц, а также в сухом состоянии обладает высокой прочностью на разрыв и гибкостью, что способствует хорошему равномерному смачиванию порошков, снижению межчастичного трения, а также обеспечивает прочность сырцов абразивных изделий и хорошее качество их поверхности, что позволяет изготавливать изделия со сложным профилем.

Количество ПВС более 3,0 % мас. является избыточным и повышает пластичность шихты, что вызывает ее прилипание к пресс-форме при изготовлении заготовок. Количество ПВС менее 1 % мас. недостаточно для смачивания всей поверхности полидисперсного порошка и приводит к разупрочнению заготовки и снижению прочности абразивных изделий на сжатие менее 2 кгс/мм² и как следствие расслаиванию и осыпанию заготовок.

Сбалансированный состав, при котором абразивные частицы разной фракции равномерно распределены между собой и содержат тонкую оболочку из связующего на поверхности абразивных частиц, позволяет получать абразивные изделия с высоким уровнем предела прочности при сжатии. Прочность при сжатии должна быть не менее, чем 3 кгс/мм². Также данный состав не позволяет крупным частицам выкрашиваться из общей структуры.

Для изготовления абразивного изделия сначала проводят сухое смешение абразивных порошков различных фракций абразивных частиц карбида бора, карбида кремния, оксида алюминия или кварца в шаровой мельнице в следующем соотношении компонентов, в % мас.: крупнозернистой фракции, 60-120 мкм в количестве от 1 до 10 %, среднезернистой фракции с размером зерна от 5 до 10 мкм в количестве от 80 до 94 %, мелкозернистой фракции с размером зерна от 1 до 3 мкм в количестве от 1 до 10 %. Смешение проводят с мелющими шарами на основе оксида алюминия при соотношении по массе мелющих шаров к абразивному порошку 1:1. При увеличении соотношения мелющих шаров к абразивному порошку более чем 1:1 начинается измельчение абразивных частиц и увеличивается количество мелкодисперсной фракции, что приводит к нарушению соотношения компонентов и приводит к отклонению от гранулометрического состава заготовки. При уменьшении соотношения мелющих шаров к абразивному порошку менее чем 1:1 необходимо увеличивать время смешения абразивных порошков различных фракций, что приводит к повышению затрат и увеличению себестоимости абразивного изделия.

Для пластификации сухих абразивных порошков в заявляемом изобретении используется связующее в виде 10 % водного раствора поливинилового спирта в количестве 1,0–3,0 % мас. (по сухому веществу).

Для приготовления связующего расчетное количество сухого связующего растворяют в небольшом количестве дистиллированной воды, подогретой до 50±5°С. Полное растворение ПВС проводят на водяной бане при постоянном перемешивании. После того, как поливиниловый спирт растворился, полученный объем раствора доводят до расчётного объема путем введения необходимого количества дистиллированной воды.

Связующее вводят в шаровую мельницу через 2 часа после начала сухого смешения абразивных порошков и проводят смешение в течение 0,5 часа.

Пластифицированные абразивные порошки гранулируют путем протирки через сито с сеткой из нержавеющей стали с размером ячеек 1 мм вручную с помощью резинового шпателя или на механическом протирочном сите и доводят до остаточной влажности 8-12 % путем естественной сушки на воздухе. При снижении или увеличении остаточной влажности ниже 8% или выше 12 % масс пластифицированная смесь теряет способность к формообразованию. При снижении влажности заготовки рассыпаются, а при увеличении влажности на изделиях образуются дефекты в виде перепрессовок и расслоений.

Масса для формования на основе абразивных порошков и связующего, получаемая после протирки через сито и естественной сушки на воздухе визуально равномерно увлажнена, не склонна к комкованию, имеет хорошую сыпучесть, что способствует ее равномерной и плотной укладке в пресс-форме.

Из полученной массы формуют заготовки абразивного изделия на одноосном гидравлическом прессе при давлении 2000 кгс/см². Увеличение давления прессования приводит к образованию дефектов в виде перепрессовок и трещин. Снижение давления ниже 2000 кгс/см² не позволяет получать изделия требуемой прочности.

Отверждение связующего проводят при конечной температуре 150°С не менее 2 часов. Температура отверждения выбрана ниже температуры разложения (220 °С) и выше температуры стеклования (85 °С) ПВС. При 150 °С полностью удаляется растворитель (вода) и ПВС приобретает высокую прочность. Увеличение длительности сушки при максимальной температуре более двух часов нецелесообразно, в связи с увеличением длительности технологического процесса и энергозатрат.

Скорость подъема температуры при сушке не более 100 °С/час. Увеличение скорости подъема температуры более 100°С в час приводит к нарушению целостности заготовок абразивных изделий. Снижение скорости подъема температуры ниже 100°С в час нецелесообразно в связи с увеличением длительности технологического цикла и энергозатрат на изготовление изделий

Примеры осуществления изобретения с указанием составов шихты, технологических параметров ее приготовления и прочности полученного материала на ее основе приведены в таблице 1.

Пример осуществления способа изготовления абразивного изделия. В шаровую мельницу загружали 0,1 кг абразивных частиц карбида кремния размером 120 мкм, 9,8 кг абразивных частиц карбида кремния размером 10 мкм, 0,1 кг абразивных частиц карбида кремния размером 3 мкм и 10 кг мелющих тел. Проводили смешение в течении 2 часов, затем вводили 10 % водный раствор поливинилового спирта в количестве 1,0 кг и проводили смешение в течение 0,5 ч.

Таблица 1

Компоненты шихты и
технологические параметры Состав шихты пример 1 пример 2 пример 3 пример 4 пример 5 Абразивный порошок крупнозернистой фракции 60-120 мкм, % мас. 1 5 10 10 1 Абразивный порошок среднезернистой фракции, 5 - 10 мкм, % мас. 94 90 89 80 89 Абразивный порошок мелкозернистой фракции, 1 - 3 мкм % мас. 1 5 1 10 10 Количество ПВС, % мас. 1,0 2,0 3,0 3,0 3,0 Прочность на сжатие, кгс/мм² >3,0 >3,0 >3,0 >3,0 >3,0

Абразивные порошки, смешенные со связующим, выгружали из мельницы и протирали через сито с размером ячейки 1 мм, затем доводили до остаточной влажности 9 % сушкой на воздухе. Остаточную влажность определяли путем прокаливания 3-х проб порошка весом по 20 г при температуре 100 °С в течение 1 часа, измерения потерь по массе после прокаливания и вычисления его среднего значения.

Заготовки абразивного изделия формовали в металлических формах на одноосном гидравлическом прессе при давлении 2000 кгс/см².

Сушку заготовок проводили на воздухе в печи SNOL в течение 3,5 часов. Скорость подъема температуры до 100°С/час. При конечной температуре 150°С сушку проводили в течение 2 часов. После чего изделие инерционно охлаждали до комнатной температуры.

Сбалансированный гранулометрический состав, и предложенный способ изготовления, позволяют получать абразивные изделия высокого качества. Испытания абразивных изделий при игре в биллиард показали их оптимальную абразивную способность в сочетании со способностью оставлять тонкий слой абразивного материала на кие. При эксплуатации абразивные изделия не пачкают руки и полотно стола, наносимый слой не осыпается с кия при ударе о шар и обеспечивает необходимое сцепление.

Группа изобретений относится к изготовлению абразивных изделий и предназначено для создания шероховатости поверхностей с одновременным нанесением тонкого слоя мелкодисперсного абразивного материала на рабочую поверхность изделия для обеспечения прочного контакта и исключения проскальзывания рабочих поверхностей. Абразивное изделие изготовлено из смеси, содержащей множество абразивных частиц и связующее. В качестве абразивных частиц использован полифракционный состав абразивных порошков на основе B₄C, или SiC, или Al₂O₃, или SiO₂, а в качестве связующего – поливиниловый спирт в виде 10% водного раствора при указанном соотношении компонентов. Раскрыт способ изготовления абразивного изделия. При использовании абразивного изделия в бильярде обеспечивается сцепление поверхностей, что исключает проскальзывание кия при ударе по бильярдному шару. 2 н.п. ф-лы, 1 табл.

1. Абразивное изделие, изготовленное из смеси, содержащей множество абразивных частиц и связующее, отличающееся тем, что в качестве абразивных частиц используют полифракционный состав абразивных порошков на основе B₄C, или SiC, или Al₂O₃, или SiO₂, а в качестве связующего - поливиниловый спирт в виде 10% водного раствора при следующем соотношении компонентов, мас.%:

абразивный порошок фракции с размером зерен 60-120 мкм 1-10;

абразивный порошок фракции с размером зерен 5-10 мкм 80-94;

абразивный порошок фракции с размером зерен 1-3 мкм 1-10;

поливиниловый спирт 1-3.

2. Способ изготовления абразивного изделия, включающий изготовление смеси, содержащей множество абразивных частиц и связующее, путем смешивания компонентов, формование заготовки абразивного изделия и сушку, отличающийся тем, что в качестве абразивных частиц для изготовления смеси используют полифракционный состав абразивных порошков на основе B₄C, или SiC, или Al₂O₃, или SiO₂, а в качестве связующего - поливиниловый спирт, при этом осуществляют сухое смешивание абразивных порошков фракции с размером зерен 60-120 мкм в количестве 1-10 мас. %, фракции с размером зерен 5-10 мкм в количестве 80-94 мас. % и фракции с размером зерен 1-3 мкм в количестве 1-10 мас. % в шаровой мельнице с мелющими телами при соотношении по массе мелющих тел к абразивному порошку 1:1 в течение 2,5 часов, затем через 2 часа после начала сухого смешивания в шаровую мельницу вводят связующее в виде 10% водного раствора поливинилового спирта, после чего проводят смешивание указанных компонентов в течение 0,5 часа, далее осуществляют грануляцию смеси путем протирки через сито с размером ячеек 1 мм, доводят смесь до остаточной влажности 8-12% путем естественной сушки на воздухе и осуществляют формование заготовки абразивного изделия одноосным прессованием при давлении 2000 кгс/см² с последующей сушкой абразивного изделия в течение не менее 3,5 часов, при которой производят подъем температуры до 150°С со скоростью 100°С/ч и выдержку при температуре 150°С в течение не менее 2 часов.