Абразивные изделия и абразивный материал с покрытием - RU2279966C2
Код документа: RU2279966C2
Чертежи
Описание
Предпосылки к созданию изобретения
Настоящее изобретение в общем имеет отношение к созданию абразивных материалов с покрытием, а в частности абразивных изделий, адаптированных к работе с улучшенными показателями в условиях шлифования в диапазоне от умеренного до низкого давлений шлифования.
При изготовлении абразивных материалов с покрытием используют материал подложки, который может быть обработан для изменения его абсорбирующих свойств, с формирующим покрытием, которое содержит отверждаемую связующую смолу, причем абразивные шлифовальные зерна наносят на формирующее покрытие ранее момента, когда связующий материал становится по меньшей мере частично отвержденным. После этого наносят размерное покрытие, которое содержит отверждаемую связующую смолу, поверх абразивного шлифовального зерна, чтобы обеспечить надежное сцепление зерен с подложкой.
Когда абразивный материал с покрытием используют для шлифования заготовки, кончики абразивных шлифовальных зерен лежат в плоскости поверхностного контакта с заготовкой и начинают процесс шлифования. При этом зерна, контактирующие с заготовкой, испытывают большие напряжения и, если зерно недостаточно прочно удерживается в размерном покрытии, то оно может отрываться с поверхности ранее завершения шлифования. Таким образом, необходимо, чтобы связка надежно удерживала зерно. В процессе шлифования зерно со временем затупляется (полируется), за счет чего при шлифовании начинает выделяться значительная теплота трения и уменьшается съем материала с обрабатываемой детали. Кроме того, механические напряжения нарастают еще больше и зерно может полностью оторваться за счет его разлома, при этом теряется его большая часть. Однако в этом случае возникают (открываются) новые острые грани, так что шлифование может быть продолжено. Идеальным случаем разлома является возможно меньший разлом, так чтобы каждое зерно могло работать в течение длительного времени. Это может быть достигнуто с использованием абразивных шлифовальных зерен из золь гель оксида алюминия, каждое из которых содержит кристаллиты микронного размера или меньше, которые, в условиях шлифования, могут отламываться и открывать новые режущие кромки. Однако это происходит при давлении шлифования в диапазоне от среднего до высокого, и только небольшой процент самозаточки происходит в условиях низкого давления шлифования. Поэтому существует необходимость в создании имеющих высокую эффективность абразивных частиц, которые хорошо работают при давлении шлифования в диапазоне от среднего до низкого.
Одной из возможностей решения этой задачи является использование агломерированных абразивных шлифовальных зерен (гранул), причем агломерированная абразивная частица (гранула) содержит несколько более мелких абразивных частиц, которые удерживаются вместе при помощи связующего материала, который по своей природе может быть органическим или стекловидным. Так как связка обычно является более хрупкой, чем абразивные частицы, то она разламывается при условиях шлифования, которые в противном случае могли бы приводить к затуплению или полному разрушению абразивного шлифовального зерна.
Агломерированное абразивное шлифовальное зерно обычно позволяет использовать частицы более мелких размеров, при обеспечении такой же эффективности шлифования, что и с частицами более крупных размеров. Известно, что агломерированное абразивное шлифовальное зерно позволяет повысить эффективность шлифования.
В патенте США №A-2,194,472 раскрыт абразивный инструмент с покрытием, изготовленный с использованием агломератов, содержащих множество относительно мелких абразивных шлифовальных зерен и любую из связок, которые обычно используют в абразивном инструменте с покрытием или со связкой. Органические связки используют для сцепления агломератов с подложкой (основой) абразивного материала с покрытием. Агломераты создают открытую для нанесения покрытия поверхность в абразивных материалах с покрытием, изготовленных с использованием относительно мелкого зерна. Абразивные материалы с покрытием, изготовленные с использованием агломератов вместо индивидуальных абразивных шлифовальных зерен, характеризуются относительно быстрым съемом материала с заготовки, большим сроком службы и пригодностью для чистовой обработки поверхности заготовки с высоким качеством.
В патенте США №A-2,216,728 раскрыты агломераты абразивного шлифовального зерна/ связующего материала, изготовленные с использованием любого типа связующего материала. Причиной для использования агломератов является желание получить очень плотные структуры круга для удержания алмазного зерна или зерна CBN (кубического нитрида бора) в ходе операций шлифования. Если агломераты имеют пористую структуру, то тогда создают поток внутриагломератных связующих материалов, который втекает в поры агломератов и обеспечивает полную плотность структуры в ходе обжига. Агломераты позволяют использовать мелочь абразивного шлифовального зерна, которая в противном случае теряется в процессе изготовления инструментов.
В патенте США №A-3,048,482 раскрыты фасонные абразивные микросегменты агломерированных абразивных шлифовальных зерен и органических связующих материалов в виде пирамид или других конических форм. Фасонные абразивные микросегменты, которые приклеены к волокнистой основе, используют для изготовления абразивов с покрытием и для облицовки поверхности тонких шлифовальных кругов. Сообщается, что обеспечиваются повышение срока службы, контролируемая гибкость инструмента, высокая прочность и безопасность работы на высоких скоростях резания, упругое действие и высокая эффективность шлифования, по сравнению с инструментами, которые изготовлены без микросегментов агломерированных абразивных шлифовальных зерен.
В патенте США №A-3,982,359 описано формование агломератов полимерного связующего материала и абразивного шлифовального зерна, имеющих величины твердости, превышающие величины твердости полимерного связующего материала, использованного для связывания агломератов в абразивном инструменте. Более высокие скорости шлифования и более длительные сроки службы инструмента были получены в кругах с полимерной связкой, содержащих агрегаты.
В патенте США №A-4,355,489 раскрыто абразивное изделие (круг, ремень, лист, блок и т.п.), изготовленное из матрицы индивидуальных нитей, связанных вместе в точках физического контакта, и абразивных агломератов, имеющие объем пустот ориентировочно 70-97%. Агломераты могут быть изготовлены с использованием застеклованных или полимерных связок и любого абразивного шлифовального зерна.
В патенте США №A-4,364,746 рассмотрены абразивные инструменты, содержащие абразивные агломераты, имеющие различные прочности. Агломераты могут быть изготовлены с использованием абразивного шлифовального зерна и полимерных связок, а также могут содержать другие материалы, такие как рубленые волокна, вводимые для повышения прочности или твердости.
В патенте США №A-4,393,021 раскрыт способ изготовления абразивных агломератов с использованием абразивного шлифовального зерна и полимерной связки, в котором используют полотно из сетки и прокатывают пасту зерна и связки через указанное полотно, чтобы получить экструдат в виде червяков. Полученный экструдат отверждают при помощи нагревания и затем измельчают для образования агломератов.
В патенте США №A-4,799,939 описаны эродируемые агломераты абразивного шлифовального зерна, полых тел и органического связующего материала, а также использование этих агломератов в абразивах с покрытием и в абразивах со связкой. Сообщается, что абразивные изделия, содержащие агломераты, обеспечивают снятие большого слоя материала заготовки при шлифовании, имеют высокий срок службы и могут быть использованы в условиях шлифования с охлаждением. Агломераты преимущественно имеют наибольший размер 150-3,000 мкм. Для изготовления агломератов перемешивают в виде суспензии полые тела, зерно, связующий материал и воду, а затем отверждают смесь при помощи теплоты или излучения, чтобы удалить воду, после чего размалывают твердую смесь в щековой дробилке или в валковой дробилке и просеивают полученный материал.
В патенте США №A-5,129,189 раскрыты абразивные инструменты, имеющие матрицу полимерного связующего материала, содержащую конгломераты абразивного шлифовального зерна, полимера и материала наполнителя, такого как криолит.
В патенте США №А-5,651,729 описан шлифовальный круг, имеющий сердечник и абразивный ободок, сделанный из полимерного связующего материала и дробленых агломератов алмазного или CBN абразивного шлифовального зерна, с металлическим или керамическим связующим материалом. Установленные преимущества кругов, сделанных с использованием агломератов, включают в себя наличие свободного пространства для удаления стружки, высокую износостойкость, характеристику самозаточки, высокое механическое сопротивление круга и возможность непосредственного соединения абразивного ободка с корпусом круга. В соответствии с одним из вариантов используют ободки шлифования, связанные с использованием алмаза или CBN, которые раздроблены до размера от 0.2 до 3 мм, чтобы образовать агломераты.
В патенте США №A-4,311,489 раскрыты агломераты из мелкого (не более 200 мкм) абразивного шлифовального зерна и криолита, при необходимости с силикатной связкой, а также их использование при изготовлении абразивных инструментов с покрытием.
В патенте США №A-4,541, 842 раскрыты абразивные материалы с покрытием и абразивные круги, сделанные с использованием агломератов абразивного шлифовального зерна и вспененной смеси застеклованных связующих материалов с другими исходными материалами, такими как углеродная сажа или карбонаты, пригодные для вспенивания в ходе обжига агломератов. "Гранулы" агломератов содержат больший процент связующего материала, чем зерна, в объемных процентах. Эти гранулы используют для изготовления абразивных кругов, причем их спекают при 900°С (до плотности 70 фунтов на куб. фут; 1.134 г./куб. см), при этом для изготовления круга используют застеклованный связующий материал, который обжигают при 880°С. Круги, изготовленные с использованием 16 объем.% гранул, имеют уровень эффективности шлифования, аналогичный эффективности шлифования кругов сравнения, изготовленных с использованием 46 объем.% абразивного шлифовального зерна. Гранулы имеют открытые ячейки в матрице застеклованного связующего материала, с относительно мелкими абразивными шлифовальными зернами, которые образуют кластеры по периметрам открытых ячеек. Для обжига сырых агломератов используют барабанную печь.
В патенте США №5,975,988 раскрыты обычные абразивные агломераты, которые содержат абразивные частицы, диспергированные в матрице связующего материала, но в виде фасонных гранул, нанесенных в определенном порядке на подложку и сцепленные с ней.
В патенте США №6,319,108 описана жесткая подложка, с которой сцеплены, при помощи металлического покрытия, множество абразивных композиционных материалов, которые содержат множество абразивных частиц, диспергированных по всему объему пористой керамической матрицы.
Ни одна из предшествующих работ не раскрываете на изготовление абразивного материала с покрытием, с использованием пористого агломерированного абразивного шлифовального зерна и связки. Ни одна из них не указывает также на изготовление изделия с абразивными частицами, которые удерживаются вместе за счет использования относительно небольшого объема связки, причем фаза связующего материала для частиц является дисперсной. Способы изготовления абразивных инструментов и инструменты в соответствии с настоящим изобретением позволяют получить новые структуры и обеспечить преимущества за счет использования такого агломерированного абразивного шлифовального зерна, причем они позволяют обеспечить контролируемое проектирование и изготовление широкого диапазона структур абразивных изделий, имеющих благоприятные характеристики взаимосвязанной пористости. Такая взаимосвязанная пористость повышает качество работы абразивного инструмента в операциях точного шлифования с большой контактной зоной и вообще в приложениях с давлением шлифования в диапазоне от относительно умеренного до низкого.
Краткое изложение изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагается абразивное изделие с покрытием, которое содержит материал подложки и абразивные гранулы агломерата (агломерированные абразивные шлифовальные зерна), сцепленные с подложкой при помощи связующего материала, которое характеризуется тем, что в гранулах агломерата, использованных при изготовлении абразивного материала с покрытием, имеется множество абразивных частиц, сцепленных вместе в трехмерной структуре, причем каждая частица соединена по меньшей мере с одной смежной частицей при помощи связующего материала для частиц, который присутствует в грануле агломерата как дисперсная фаза, которая практически полностью имеет форму стоек связки, соединяющих смежные частицы, так что агломерат имеет объем неплотной упаковки, который по меньшей мере на 2% ниже, чем для абразивных частиц в индивидуальном состоянии.
В описании настоящего изобретения термин "гранула" обозначает агломерат, состоящий из множества абразивных "частиц". Таким образом, гранулы будут иметь упомянутые выше характеристики пористости, в то время как частицы имеют главным образом нулевую пористость. Кроме того, связующий материал, который удерживает частицы вместе и который называют здесь как "связующий материал для частиц", может быть таким же (или чаще другим), что и связующий материал, при помощи которого гранулы сцеплены с материалом подложки.
Связующий материал для частиц в грануле агломерата практически полностью имеет форму стоек связки, а это означает, что по меньшей мере 70% связующего материала, а преимущественно свыше 80%, используют для того, чтобы образовать стойки связки, соединяющие смежные частицы. Стойки связки образованы при условиях формования агломерата, когда связующий материал для частиц находится в жидком состоянии и стремится сначала покрыть частицы, а затем втекает в точки контакта со смежными частицами или в ближайшую к ним область и сливается со связующим материалом, связанным с такими смежными частицами. Когда температура понижается и связующий материал отверждается, то такой связующий материал образует твердые контактные участки между частицами, которые называют "стойками связки". Само собой разумеется, что каждая стойка связки соединена также и с поверхностью частиц, которые она соединяет, однако этот связующий материал для упрощения описания считают частью стойки связки. Это не исключает возможности того, что некоторое относительно малое количество связующего материала присутствует в виде покрытия по меньшей мере на части поверхности частицы, не связанной со стойкой связки. Однако подразумевается, что исключена ситуация, в которой частицы встроены в матрицу связующего материала, что имеется в обычных агрегатах абразивных зерен. Как это показано на фиг.5-7, индивидуальные абразивные частицы, образующие гранулу агломерата, могут быть индивидуально идентифицированы, причем главным образом все эти частицы можно видеть в тепличных гранулах агломерата в соответствии с настоящим изобретением. Поэтому такие частицы можно назвать "агломерированными", причем это означает, что они скорее соединены вместе, а не удерживаются в матрице, которая заполняет большую часть пространства между частицами. Само собой разумеется, что когда агломерировано большое число частиц, то некоторые из индивидуальных частиц в агломерате не будет видны, но если сделать поперечное сечение (шлиф), то можно увидеть некоторую картину индивидуальных частиц.
Очевидно, что если число агломерированных частиц велико, то необходимо создавать при агломерации значительные объемы пористости, которые могут составлять до 70% полного кажущегося объема агломерата. Однако если число агломерированных частиц мало и составляет считанные единицы, то концепция "пористости" становится менее полезной в описании агломератов. Примеры таких агломератов и использованных в них типов структур показаны на фиг.5-7.
По этой причине в настоящем описании использован термин "объем неплотной упаковки" (LPV). Величину LPV получают путем деления объема твердых веществ (то есть полного реального объема твердых веществ в абразивной грануле или частице, включая и компонент связки) на кажущийся объем гранулы агломерата. Самые высокие возможные значения могут быть получены для самих частиц, без проведения какой-либо агломерации. Чем больше число агломерированных частиц, тем больше отклонение от максимального значения. Таким образом, несмотря на то, что отклонение может быть таким малым, как 2%, оно может возрастать до 40% или даже больше, когда большое число частиц агломерировано вместе описанным здесь образом.
Далее приведен пример вычисления LPV с использованием следующих данных, которые соответствуют реальному агломерату, изготовленному с использованием частиц размером 60 единиц (меш) из затравочного золь гель оксида алюминия в качестве абразивных частиц и обычной стекловидной связки, подходящей для использования с такими частицами, с использованием процесса, главным образом соответствующего описанному далее в Примере 2.
Изделия идентифицированы по размеру гранулы агломерата, указанному в шапке каждой колонки таблицы. В каждом случае измерения были проведены с использованием фиксированного объема абразивных гранул агломерата, обозначенного здесь как "кажущийся объем".
Из приведенной таблицы можно сделать вывод о том, что чем крупнее гранула агломерата, тем меньше LPV по сравнению с неагломерированными частицами. Самые мелкие гранулы показывают падение LPV на 4.6%, в то время как самые крупные (-20+25) показывают падение LPV почти на 34% по сравнению с LPV для частиц 60 единиц.
Гранулы агломерата обычно имеют диаметр (определенный как размер ячейки сита (из ряда стандартных сит США) с самыми крупными ячейками, на котором удерживаются гранулы), который по меньшей мере в 2 раза превышает диаметр индивидуальных абразивных частиц, входящих в агломерат. Форма абразивных гранул агломерата не является критической и поэтому они могут иметь случайную форму или, преимущественно, несколько удлиненную форму. Они могут также иметь заранее заданную форму, что часто является предпочтительным для некоторых применений.
Абразивные частицы, присутствующие в агломератах, в соответствии с настоящим изобретением могут содержать один или несколько абразивных материалов, которые обычно используют в абразивных инструментах, таких как оксид алюминия, в том числе плавленый глинозем, спеченный глинозем и зольгелиевый спеченный глинозем, спеченный боксит и т.п., карбид кремния, смесь оксида алюминия с диоксидом циркония, гранат, флинт, алмаз, в том числе природный и синтетический алмаз, кубический нитрид бора (CBN), а также их комбинации. Может быть использована абразивная частица любой формы и размера. Например, гранула может содержать удлиненные частицы из спеченного зольгелиевого глинозема, имеющие высокий коэффициент формы, такого типа, как описанные в патенте США №5,129,919, или волокнистые фигурные абразивные частицы, описанные в патенте США №5,009,676.
Абразивные частицы могут содержать смеси абразивных материалов различного качества, так как характеристики частиц высшего качества только незначительно снижаются за счет добавления небольшого количества частиц низшего качества. Можно также смешивать абразивные частицы с небольшими количествами неабразивных материалов, таких как шлифовальные добавки, средства создания пор и материалы наполнителя известного рода.
Подходящие для использования в соответствии с настоящим изобретением размеры зерна лежат в диапазоне от обычного абразивного зерна (например, больше 60 и до 7,000 мкм) до микроабразивного зерна (например, от 2 до 60 мкм), и содержат смеси таких размеров. Для конкретной операции абразивного шлифования, может быть, желательно, агломерировать абразивное шлифовальное зерно с размерами, меньшими чем размеры обычного абразивного шлифовального зерна (неагломерированного), которые обычно выбирают для этой операции абразивного шлифования. Например, агломерированные абразивы с размером 80 единиц могут быть использованы вместо обычных абразивов с размером 54 единицы, агломерированные абразивы 100 единиц могут быть использованы вместо абразивов 60 единиц, а агломерированные абразивы 120 единиц могут быть использованы вместо абразивов 80 единиц.
Абразивные частицы в агломерате могут быть связаны вместе при помощи металлического, органического или стекловидного связующего материала, которые в общем называются здесь как "связующие материалы для частиц".
Связующие материалы для частиц, полезные для изготовления агломератов, включают в себя стекловидные материалы (которые включают в себя как обычные стекловидные материалы, так и стеклокерамические материалы), преимущественно такого вида, которые используют в качестве систем связки для абразивных инструментов с застеклованной связкой. Такими связующими материалами может быть предварительно обожженное стекло, размолотое в порошок (фритта), или смесь различных исходных материалов, таких как глина, полевой шпат, известь, бура и сода, или комбинации обожженных и сырых материалов. Такие материалы плавятся и образуют фазу жидкого стекла при температурах в диапазоне ориентировочно от 500 до 1400°С, смачивают поверхность абразивных частиц и втекают в точки ближайшего контакта между смежными частицами с созданием соединительных стоек после охлаждения, удерживающих абразивные частицы в структуре композиционного материала. Связующий материал для частиц используют в виде порошка, причем он может быть введен в жидкий разбавитель для создания однородной, гомогенной смеси покрытия абразивных частиц в ходе изготовления гранул агломерата.
Временные органические связующие материалы преимущественно добавляют в компоненты порошкового неорганического связующего материала в качестве формующей добавки или технологической добавки. Такие связующие материалы могут содержать декстрины, крахмал, животный протеиновый клей и другие типы клеев; жидкий компонент, такой как вода или этиленгликоль, модификаторы вязкости или модификаторы рН; и улучшающие перемешивание добавки. Использование таких временных связующих материалов улучшает однородность агломерата и качество структуры предварительно обожженных или сырых агломератов. Так как органические связующие материалы выгорают при обжиге агломератов, они не становятся частью готового агломерата.
Неорганический активатор склеивания (адгезии), такой как фосфорная кислота, может быть добавлен в смесь для улучшения адгезии связующего материала для частиц с абразивными частицами. Добавление фосфорной кислоты к частицам из оксида алюминия существенно улучшает качество смеси, когда используют связующий материал для частиц, содержащий фритту. Неорганический активатор склеивания может быть использован с органическим связующим материалом для частиц или без него, при приготовлении гранул агломерата.
Предпочтительным связующим материалом для частиц является неорганический материал, такой как стекловидный связующий материал. Он имеет явное преимущество по сравнению с органическими связующими материалами для частиц потому, что он позволяет производить осаждение гранул агломерата на подложку при формировании абразивного материала с покрытием, с использованием техники осаждения вверх ("UP technique"). Техника осаждения вверх также очень хорошо подходит в том случае, когда частицы соединяют вместе с использованием металлического связующего материала. Так как этот процесс является более эффективным и контролируемым по сравнению с техникой осаждения под действием силы тяжести, то это позволяет получить существенные преимущества по сравнению со случаем обычных гранул, изготовленных с использованием матрицы органической связующей смолы.
В качестве связующего материала для частиц также может быть использован органический связующий материал, такой как термореактивная смола, фенолоальдегидный полимер, эпоксидная смола, мочевиноформальдегидная смола, или же отверждаемая при помощи излучения смола, такая как полиакрилатная смола, уретанакрилатная смола, эпоксиакрилатная смола, полиэфиракрилатная смола и т.п. Как правило, термореактивные смолы являются предпочтительными для использования в качестве органических связующих материалов.
Связующий материал для частиц составляет ориентировочно от 2 до 25 объем.%, преимущественно от 3 до 15 объем.%, а еще лучше от 3 до 10 объем.%, в пересчете на объединенный объем частиц и связующего материала.
Можно также предусмотреть полное удаление компонента связующего материала для частиц, если обеспечивается контролируемое спекание абразивных частиц вместе, таким образом, что за счет перемещения материала между контактирующими частицами возникают стойки связки. Альтернативно, в том случае, когда абразивные частицы изготовлены из оксида алюминия, они могут быть перемешаны с золем относительно малого количества предшественника альфа оксида алюминия, таким как бемит. После обжига бемит преобразуется в альфа-фазу и может выполнять такую же функцию, что и стойки связки, соединяющие смежные частицы.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается абразивный материал с покрытием, содержащий абразивные гранулы агломерата (агломерированное абразивное шлифовальное зерно), причем указанные гранулы изготовлены по способу, который включает в себя следующие операции:
a) подача абразивных частиц и связующего материала для частиц, выбранного из группы, в которую главным образом входят материалы с застеклованной связкой, застеклованные материалы, керамические материалы, неорганические связующие материалы, органические связующие материалы, вода, растворитель, а также их комбинации, во вращающуюся обжиговую печь с контролируемой скоростью подачи;
b) вращение печи с контролируемой скоростью;
c) нагревание смеси со скоростью нагрева, которая определяется скоростью подачи материала и скоростью вращения печи, до температуры ориентировочно от 145 до 1,300°С;
d) галтовка частиц и связующего материала для частиц в печи до тех пор, пока связующий материал не пристанет к частицам, а множество частиц, сцепленных вместе, не образуют множество спеченных гранул агломерата; и
e) извлечение из печи спеченных гранул агломерата, имеющих начальную трехмерную форму, которые содержат множество частиц и имеют объем неплотной упаковки, который по меньшей мере на 2% ниже, чем соответствующий объем неплотной упаковки образующих частиц.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается также абразивный материал с покрытием, содержащий спеченные абразивные гранулы агломерата, изготовленные по способу, который включает в себя следующие операции:
a) подачу абразивных частиц вместе со связующим материалом для частиц во вращающуюся обжиговую печь с контролируемой скоростью подачи;
b) вращение печи с контролируемой скоростью;
c) нагревание смеси со скоростью нагрева, которая определяется скоростью подачи материала и скоростью вращения печи, до температуры ориентировочно от 145 до 1,300°С;
d) галтовка частиц и связующего материала для частиц в печи до тех пор, пока связующий материал не пристанет к частицам, а множество частиц, сцепленных вместе, не образуют множество спеченных гранул агломерата; и
e) извлечение из печи спеченных гранул агломерата, имеющих начальную трехмерную форму, которые содержат множество частиц и имеют объем неплотной упаковки, который по меньшей мере на 2% ниже, чем соответствующий объем неплотной упаковки образующих частиц.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана вращающаяся обжиговая печь, которая может быть использована для изготовления агломератов в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 показан график съема материала с заготовки при помощи четырех абразивных кругов, оценка которых производилась в соответствии с Примером 1.
На фиг.3 показан график съема материала с заготовки при помощи четырех абразивных кругов, оценка которых производилась в соответствии с Примером 2.
На фиг.4 показан график съема материала с заготовки при помощи четырех абразивных кругов, оценка которых производилась в соответствии с Примером 3.
На фиг.5-7 показаны с увеличением фотографии агломератов, которые были использованы для изготовления абразивных материалов с покрытием в соответствии с настоящим изобретением.
Подробное описание изобретения
В этом разделе описаны природа и способы изготовления абразивных гранул агломерата и абразивных материалов с покрытием, изготовленных с использованием таких гранул, приведенные со ссылкой на несколько Примеров, иллюстрирующих улучшенные удивительным образом свойства, которые получены за счет использования абразивных гранул агломерата в качестве компонентов абразивных материалов с покрытием.
Изготовление абразивных агломератов
Гранулы агломерата различных размеров и форм могут быть приготовлены при помощи различных технологий. Эти технологии могут быть осуществлены до проведения начальной стадии обжига сырой смеси зерна и связующего материала для частиц, во время этой стадии или после нее. Операция нагревания смеси приводит к тому, что связующий материал для частиц плавится и течет, в результате чего связующий материал прилипает к зерну и фиксирует зерно в агломерированной форме, что называют обжигом, прокаливанием или спеканием. Любой известный процесс агломерации смеси частиц может быть использован для приготовления абразивных агломератов.
В соответствии с первым вариантом способа изготовления агломератов по настоящему изобретению исходную смесь частиц и связующего материала для частиц агломерируют до обжига смеси так, чтобы создать относительно слабую механическую структуру, называемую "сырыми агломератами" или "агломератами до обжига."
Для осуществления первого варианта абразивные частицы и неорганический связующий материал для частиц агломерируют в сыром состоянии при помощи одной из ряда различных технологий, например в чашевом грануляторе, и затем направляют во вращающуюся обжиговую печь для обжига. Сырые агломераты могут быть помещены на лоток или стеллаж и обожжены в печи, без галтовки, с использованием непрерывного или периодического процесса.
В другом способе абразивные частицы направляют в псевдоожиженный слой, где их смачивают жидкостью, содержащей связующий материал для частиц, для прилипания связующего материала к поверхности частиц, просеивают для получения нужного размера агломерата и затем обжигают в печи или в кальцинаторе.
В чашевом грануляторе частицы помещают в чашу для перемешивания и добавляют к частицам дозированное количество жидкого компонента, содержащего связующий материал для частиц (например, воду или органическую связку и воду), при перемешивании, чтобы агломерировать их вместе. Альтернативно жидкая дисперсия связующего материала для частиц, возможно, с органическим связующим материалом, может быть распылена на частицы, после чего частицы с покрытием могут быть перемешаны, для того, чтобы образовать агломераты.
Экструзионное устройство низкого давления может быть использовано для экструзии пасты, содержащей частицы и связующий материал для частиц, с получением сырых агломератов необходимых форм и размеров, которые после сушки образуют агломераты. Паста может быть получена из связующих материалов для частиц и частиц, возможно, с использованием временного органического связующего материала и экструдирована с получением удлиненных частиц с использованием устройства и способа, раскрытых в патенте США №A-4,393,021.
В процессе сухой грануляции лист или блок, изготовленный из абразивных частиц, введенных в дисперсию или пасту связующего материала для частиц, может быть высушен и затем направлен в устройство уплотнения прокаткой для того, чтобы образовать (за счет дробления) предшественники гранул агломерата.
В другом способе изготовления сырых агломератов или их предшественников смесь связующего материала для частиц и частиц может быть введена в устройство формования для получения за счет формования точных форм и размеров, например, как это описано в патенте США №6,217,413 B1.
Во втором варианте полезного способа изготовления агломератов смесь абразивных частиц, связующего материала для частиц и системы временного органического связующего материала подают в печь без предварительной агломерации и производят нагрев. Смесь нагревают до температуры, достаточно высокой для того, чтобы связующий материал для частиц мог плавиться, течь и прилипать к частицам, после чего смесь охлаждают, чтобы получить композиционный материал. Затем композиционный материал размалывают и просеивают, чтобы получить спеченные гранулы агломерата.
Возможно также производить спекание агломератов при введении частиц и связующего материала в фасонную полость, так что полученные агломераты имеют специфические конфигурации, например, такие как пирамида с квадратным основанием. Такие конфигурации не обязательно должны иметь точные размеры, причем, так как количество связующего материала для частиц относительно мало, боковые поверхности таких конфигураций часто являются достаточно шероховатыми. Однако такие агломерированные гранулы являются чрезвычайно полезными для изготовления абразивных материалов с покрытием, получающих весьма однородную поверхность и позволяющих производить агрессивную операцию шлифования.
Предпочтительный способ изготовления абразивных агломератов
В соответствии с предпочтительным способом изготовления агломератов простую смесь частиц и неорганического связующего материала для частиц (возможно, с временным органическим связующим материалом) направляют в роторное устройство прокаливания (во вращающуюся обжиговую печь) такого типа, как показанное на фиг.1. Смесь галтуют с определенной скоростью вращения при заданном наклоне устройства, при приложении теплоты. Агломераты образуются по мере того, как связующий материал для частиц нагревается, плавится, течет и прилипает к частицам. Операции обжига и агломерации проводят одновременно, с контролируемыми скоростями и объемами подачи, при приложении теплоты. Скорость подачи обычно устанавливают таким образом, чтобы получить поток, занимающий ориентировочно 8-12% по объему трубы роторного устройства прокаливания (вращающейся обжиговой печи). Максимальную температуру внутри устройства выбирают таким образом, чтобы поддерживать такую вязкость связующих материалов для частиц, чтобы они были в жидком состоянии, а именно вязкость, составляющую по меньшей мере около 1000 пуаз. Это позволяет избежать чрезмерного течения связующего материала для частиц на поверхности трубы и потери абразивных частиц с указанной поверхности.
Вращающаяся обжиговая печь такого типа, как показанная на фиг.1, может быть использована для осуществления процесса агломерации и обжига агломератов в едином технологическом процессе. Как это показано на фиг.1, бункерное загрузочное устройство (10) содержит исходный материал (11) в виде смеси связующего материала для частиц и абразивных частиц, подаваемый в дозатор (12) для дозированной подачи смеси в полую нагревательную трубу (13). Труба (13) установлена с углом наклона (14), составляющим ориентировочно 0.5-5.0 градусов, так что исходный материал (11) может проходить самотеком через полую нагревательную трубу (13). Одновременно полая труба (13) вращается в направлении стрелки (а) с контролируемой скоростью для того, чтобы галтовать исходный материал (11) и нагревать смесь (18) по мере ее прохождения вдоль длины полой трубы.
Участок полой трубы (13) нагревается. В соответствии с одним из вариантов участок нагрева может иметь 3 зоны нагрева (15, 16, 17), имеющие длину (d1) 60 дюймов (152 мм) вдоль длины (d2) 120 дюймов (305 мм) полой трубы (13). Зоны нагрева позволяют оператору контролировать температуру обработки и изменять ее по мере необходимости для спекания агломератов. В других моделях устройства полая труба может иметь только одну или две зоны нагрева или может содержать больше трех зон нагрева. Несмотря на то, что это и не показано на фиг.1, устройство содержит нагревательное устройство, а также устройства механического, электронного и температурного контроля и соответствующие датчики, необходимые для осуществления процесса нагрева. Как это показано на фиг.1, где приведено поперечное сечение полой трубы (13), исходный материал (11) преобразуется в нагретую смесь (18) внутри трубы, а затем выходит из трубы и накапливается в виде гранул агломерата (19). Полая труба может иметь размер внутреннего диаметра (d3) в диапазоне от 5.5 до 30 дюймов (14-76 мм) и внешнего диаметра (d4) в диапазоне от 6 до 36 дюймов (15-91 мм) в зависимости от модели устройства и типа материала, использованного для конструирования полой трубы (таким материалом может быть, например, жаропрочный сплав, огнеупорный кирпич, карбид кремния, муллит). Выбор материала для изготовления трубы в большой степени зависит от достигаемых температур. При температурах до 1000°С обычно используют трубу из нержавеющей стали, однако при превышении этой температуры труба из карбида кремния часто является предпочтительной.
Угол наклона трубы может лежать в диапазоне от 0.5 до 5.0 градусов, причем труба может иметь скорость вращения от 0.5 до 10 об/мин. Скорость подачи для небольшой вращающейся обжиговой печи может лежать в диапазоне ориентировочно от 5 до 10 кг/ч, а для промышленной печи скорость подачи может лежать в диапазоне ориентировочно от 227 до 910 кг/ч. Вращающаяся обжиговая печь может обеспечить температуру обжига от 800 до 1400°С, причем загружаемый материал может быть нагрет со скоростью до 200°С в минуту, при поступлении исходного материала в зону нагрева. Охлаждение происходит в последней части трубы, когда исходный материал выходит из зоны нагрева и поступает в зону, где нагрева нет. Продукт может охлаждаться до комнатной температуры, например, с использованием системы водяного охлаждения, после чего производят его накопление.
Подходящие вращающиеся обжиговые печи могут быть закуплены на фирме Harper International, Buffalo, New York (США) или Alstom Power, Inc., Applied Test Systems, Inc., а также у других изготовителей такого оборудования. Устройство при необходимости может быть снабжено датчиками и электронными средствами активного контроля, системой охлаждения, питающими устройствами различных конструкций и другими вспомогательными устройствами.
Изготовление абразивных материалов с покрытием
Абразивный материал с покрытием в соответствии с настоящим изобретением может иметь форму абразивного ремня, листа, индивидуального абразивного круга или композиционного абразивного материала любой структуры или формата. Таким образом, подложкой, с которой сцеплены абразивные гранулы агломерата, может быть пленка, бумага, текстиль, волокно (как в виде нетканого полотна, так и в виде высокой (lofty) волокнистой структуры) или даже вспененный материал. Использованный здесь термин "абразивный материал с покрытием" включает в себя как обычные абразивные изделия, такие как ремни и круги с использованием планарной (плоской) подложки, изготовленные из обычных материалов, так и другие изделия, часто называемые "композиционными абразивными материалами", в которых абразивные агломераты в соответствии с настоящим изобретением сцеплены с высокой волокнистой структурой, а также изделия, в которых указанные агломераты диспергированы в поверхностных слоях вспененного материала с открытыми ячейками и сцеплены с ними.
Абразивный материал с покрытием в соответствии с настоящим изобретением может быть образован при помощи любой известной технологии. Агломераты могут быть нанесены на подложку поверх формирующего покрытия, после чего наносят размерное покрытие; кроме того, абразивные гранулы агломерата могут быть диспергированы в соответствующем отверждаемом связующем материале на подложке. Отверждаемый связующий материал может быть отвержден после нанесения агломератов или же поверхность может быть обработана при помощи известных процессов, чтобы создать поверхностную структуру.
Аналогичным образом, при помощи известных процессов могут быть получены абразивные материалы с покрытием, в которых абразивные гранулы агломерата осаждены на высоких волокнистых структурах или по меньшей мере введены в поверхностные слои полимерного вспененного материала.
Абразивный материал с покрытием может быть образован за счет осаждения абразивных гранул агломерата на подложку, на которую известным образом нанесено формирующее покрытие. В этом случае осаждение может быть осуществлено при помощи процесса осаждения при подаче самотеком или при помощи осаждения вверх. Когда стекловидный связующий материал для частиц используют для того, чтобы образовать агломераты, становится возможным использование техники осаждения вверх, которая обычно является предпочтительной для изготовления абразивных материалов с покрытием. Эта техника меньше подходит для осаждения агломератов, изготовленных с использованием органической смолы в качестве связующего материала для частиц, так как такие гранулы агломерата трудно перемещать за счет воздействия электростатического поля.
Абразивные гранулы агломерата могут быть осаждены изолированно или в смеси с другими обычными абразивными зернами. Уровень осаждения простирается от закрытого (полного) покрытия (100% покрытия площади поверхности подложки, на которую наносят гранулы) до более открытого покрытия, в котором гранулы разделены в некоторой степени открытыми промежутками. В некоторых случаях желательно наносить абразивные гранулы агломерата поверх ранее осажденного слоя другого абразива, может быть более худшего качества, чтобы иметь лучшую опору для абразивных гранул агломерата.
В том случае, когда абразивный материал с покрытием образуют обычным путем с использованием формирующего и размерного покрытий для закрепления гранул агломерата часто является желательным, чтобы нанесение размерного покрытия не приводило к существенному снижению пористости абразивных гранул агломерата. Размерное покрытие обычно образуют при помощи относительно жидкого состава отверждаемой смолы, причем если его наносить с некоторым давлением, например с использованием валкового аппликатора, то отверждаемый состав может быть принудительно введен в поры гранул, за счет чего ухудшается важное свойство абразивных гранул агломерата. Поэтому размерное покрытие следует наносить с использованием не контактной техники, например при помощи распыления. В дополнение или альтернативно часто желательно модифицировать характеристики смолы размерного покрытия, чтобы увеличить ее вязкость, возможно, при помощи добавки наполнителей, таких как диоксид кремния, чтобы снизить тенденцию проникновения смолы в структуру гранулы. Преимущественно вязкость доводят до величины, составляющей по меньшей мере 1000 сантипуаз, а еще лучше, по меньшей мере 1500 сантипуаз или выше. В том случае, когда связующий материал используют в качестве матрицы для удержания гранул агломерата и одновременно для их сцепления с подложкой, также следует преимущественно производить аналогичную регулировку вязкости.
При изготовлении абразивного материала с покрытием, с использованием формирующего покрытия, гранулы не полностью погружаются в формирующее покрытие, которое в любом случае является частично отвержденным и поэтому не очень жидким, когда в него вводят абразивные агломераты. Однако размерное покрытие, которое обычно наносят поверх гранул агломерата, имеет поэтому существенно большие возможности для проникновения в структуру агломерата. В то время как чрезмерное снижение открытости структуры агломерата, которая содержит много частиц, является нежелательным, некоторое проникновение в структуру агломерата не обязательно является вредным, так как это приводит к повышению площади поверхности гранулы в контакте с размерным покрытием и за счет этого упрочняет захват гранулы размерным покрытием.
Абразивный материал с покрытием может быть образован за счет нанесения суспензии, которая содержит абразивные гранулы агломерата, диспергированные в составе отверждаемого связующего материала, на соответствующий материал подложки. В этом случае связующий материал также может быть обработан, чтобы снизить проникновение связующей смолы в структуру абразивных гранул агломерата. Нанесение суспензии можно производить при выполнении одной или двух операций, возможно, с использованием различных составов при последовательных осаждениях. Это позволяет получить некоторую гибкость в изменении природы абразивного воздействия по мере износа абразивного материала с покрытием.
Абразивные ремни с покрытием в соответствии с настоящим изобретением могут потребовать осуществления изгиба до их использования, что является обычным для ремней, изготовленных с использованием связующей смолы, которая затвердевает с образованием негибкого слоя. Кроме того, зачастую желательно производить правку поверхности шлифования ранее применения, чтобы обеспечить однородные скорости резания с самого начала.
Высокие волокнистые структуры в соответствии с настоящим изобретением могут быть изготовлены, например, при помощи обработки мата волокон при помощи связующего материала, часто с использованием техники распыления, с последующим осаждением абразивных гранул агломерата, ранее отверждения связующей смолы. Такие изделия в соответствии с настоящим изобретением особенно полезны для полирования и чистовой отделки металлических поверхностей.
Примеры
Далее изобретение будет описано со ссылкой на Примеры, чтобы показать удивительные полезные свойства изделий в соответствии с настоящим изобретением.
Изготовление абразивных гранул агломерата со стекловидной связкой
Гранулы агломерата, оценка которых произведена в приведенных Примерах, были изготовлены по способу, описанному в разделе "Предпочтительный способ изготовления абразивных агломератов", с использованием оборудования, показанного на фиг.1.
В первых шести Примерах описано изготовление абразивных агломератов в соответствии с настоящим изобретением. Полученные при этом гранулы агломерата были введены в абразивные материалы с покрытием, чтобы оценить их свойства по сравнению со свойствами обычных, имеющих высокое качество, серийных абразивных гранул. Результаты, приведенные в Примерах 7-9, служат для пояснения настоящего изобретения и не имеют ограничительного характера.
Пример 1
Ряд образцов агломерированного абразивного шлифовального зерна был приготовлен во вращающейся обжиговой печи (печь с электронагревом, модель # HOU-5D34-RT-28 фирмы Harper International, Buffalo, New York (США), максимальная температура 1,200°С, потребляемая мощность 30 кВт, причем печь имеет огнеупорную металлическую трубу длиной 72″ (183 см) с внутренним диаметром 5.5″ (14 см). Огнеупорную металлическую трубу заменили на трубу таких же размеров из карбида кремния, причем устройство было модифицировано для работы при максимальной температуре 1,550°С. Процесс агломерирования проводили в атмосферных условиях, при поддержании заданной температуры 1,180°С в горячей зоне, причем труба вращалась со скоростью 9 об/мин, с наклоном от 2.5 до 3 градусов, при скорости подачи материала 6-10 кг/час. Использованное устройство главным образом соответствует устройству, показанному на фиг.1. Выход годных к употреблению сыпучих гранул (проходящих через сито 12 меш (-12/ pan) составляет от 60 до 90% полного веса сырья до проведения обжига.
Образцы агломерата были изготовлены из простой смеси абразивных частиц, связующего материала и воды, приведенной в Таблице 1-1. Композиции застеклованного связующего материала для частиц, использованные для приготовления образцов, приведены в Таблице 1-2. Образцы были приготовлены из трех типов абразивных частиц: оксид алюминия 38А, плавленый глинозем 32А и спеченный золь гель альфа оксид алюминия Norton SG, полученный на фирме Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA, США, при размерах зерна, приведенных в Таблице 1-1.
После агломерации во вращающейся обжиговой печи образцы агломерированного абразивного шлифовального зерна (образцы абразивных гранул агломерата) были разделены на ситах и были проверены на плотность неплотной упаковки (LPD), гранулометрический состав (распределение по размерам) и прочность агломерата. Полученные результаты приведены в Таблице 1-1.
Объем.% связующего материала агломератов после обжига был определен с использованием средней LOI (потери веса на прокаливание) связующего материала в исходных материалах.
Спеченные агломераты были распределены по размерам при помощи стандартных ситовых анализаторов США, установленных на вибрационном устройстве для сит (Ro-Tap; Model RX-29; W.S. Tyier Inc. Mentor, ОН). Сита имели размер ячеек от 18 до 140 меш, в соответствии с размерами различных образцов. Плотность неплотной упаковки спеченных агломератов (LPD) измеряли при помощи методики Американского национального института стандартов, для определения объемной плотности абразивных шлифовальных зерен.
Начальную среднюю относительную плотность, выраженную в процентах, вычисляли как частное от деления LPD (ρ) на теоретическую плотность агломератов (ρо), допуская и нулевую пористость. Теоретическую плотность вычисляли в соответствии с объемным правилом для смесей из весового процентного содержания и удельной массы связующего материала для частиц и абразивных частиц, содержащихся в агломератах.
Прочность агломератов измеряли при помощи проверки уплотнения. Проверки уплотнения проводили с использованием смазанного стального пуансона диаметром 1 дюйм (2.54 см), на универсальной машине для испытаний Instron® (модель MTS 1125, 20,000 фунтов (9072 кг)), с использованием образца агломерата весом 5 г. Образец агломерата загружали в пуансон и слегка выравнивали, постукивая снаружи по пуансону. Вводили верхний пробойник и ползун опускали до тех пор, пока на самописце не появляется усилие ("начальное положение"). Увеличивали давление, прикладываемое к образцу, с постоянной скоростью (2 мм/мин) до максимального давления 180 МПа. Объем образца агломерата (LPD сжатого образца), наблюдаемый как перемещение ползуна (деформация), регистрировали как относительную плотность в функции логарифма приложенного давления. Материал остатка затем просеивали для определения процента раздробленной фракции. Измеряли различные давления для построения графика соотношения между логарифмом приложенного давления и процентом раздробленной фракции. Полученные результаты приведены в Таблице 1-1 как логарифм давления в точке, в которой процент раздробленной фракции составляет 50 весовых процентов образца агломерата. Раздробленная фракция представляет собой отношение веса раздробленных частиц, проходящих через сито с меньшими ячейками, к начальному весу образца.
Готовые, спеченные агломераты имеют различные трехмерные конфигурации, в том числе треугольные, сферические, кубические, прямоугольные и другие геометрические формы. Агломераты содержат множество индивидуальных абразивных зерен (частиц) (например, от 2 до 20 шт.), связанных вместе при помощи застеклованного связующего материала в точках контакта зерен друг с другом.
Размер гранулы агломерата увеличивается с увеличением количества связующего материала в грануле агломерата в диапазоне от 3 до 20 вес.% связующего материала для частиц.
Адекватную прочность уплотнения наблюдали для всех образцов 1-9, что свидетельствует о том, что застеклованный связующий материал был нагрет до плавления и создавал эффективную связку за счет втекания между абразивными частицами в грануле агломерата. Агломераты, изготовленные с использованием 10 вес.% связующего материала для частиц, имеют существенно более высокую прочность уплотнения по сравнению с теми, которые были изготовлены с использованием 2 или 6 вес.% связующего материала для частиц.
Более низкие значения LPD являются индикатором более высокой степени агломерирования. LPD агломератов снижаются с увеличением вес.% связующего материала для частиц и со снижением размера абразивных частиц. Относительно большая разница между 2 и 6 вес.% связующего материала для частиц, по сравнению с относительно малой разницей между 6 и 10 вес.% связующего материала, показывает, что содержание связующего материала меньше чем 2 вес.% может не обеспечить образование агломератов. При более высоких весовых процентах, ориентировочно выше 6 вес.%, добавка дополнительного связующего материала для частиц может быть бесполезной для получения существенно больших по размерам или более прочных агломератов.
Как показывают результаты, связанные с размером гранулы агломерата, связующий материал С образцов, имеющий самую низкую вязкость расплавленного стекла при температуре агломерирования, имеет самую низкую LPD из трех связующих материалов для частиц. Тип абразива не оказывает существенного влияния на LPD.
Пример 2
Дополнительные образцы агломератов были приготовлены с использованием различных других вариантов обработки и исходных материалов.
Ряд агломератов (образцы nos. 10-13) был приготовлен при различных температурах обжига, в диапазоне от 1100 до 1250°С, с использованием вращающейся обжиговой печи (модель #HOU-6D60-RTA-28, фирма-изготовитель Harper International, Buffalo, New York), оборудованной трубой из муллита длиной 120 дюймов (305 см), с внутренним диаметром 5.75 дюйма (15.6 см) и толщиной 3/8 дюйма (0.95 см), имеющей длину нагревания 60 дюймов (152 см) с тремя зонами контроля температуры. Для дозированной подачи смеси абразивных частиц и связующего материала для частиц в нагревательную трубу вращающейся обжиговой печи использовали устройство подачи Brabender® с регулируемым объемным расходом. Процесс агломерации проводили в атмосферных условиях, при скорости вращения трубы 4 об/мин, с наклоном трубы 2.5 градуса и при расходе материала 8 кг/час. Использованное устройство (печь) главным образом соответствует устройству, показанному на фиг.1. Выбор температуры и других переменных, которые используют при приготовлении указанных агломератов, производят в соответствии с Таблицей 2-1.
Все образцы содержат смесь, в вес.%, в которую входят 89.86% абразивных частиц (зерно из оксида алюминия 38А, 60 единиц, полученное на фирме Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc.), 10.16% временного связующего материала (6.3 вес.% жидкого протеинового связующего материала AR30, 1.0% Carbowax® 3350 PEG и 2.86% связующего материала А). Эта смесь образует 4.77 объем.% связующего материала для частиц и 95.23 объем.% абразивных частиц в грануле спеченного агломерата. Расчетная теоретическая плотность гранул агломерата (в предположении отсутствия пористости) составляет 3.852 г/см3.
Ранее введения смеси в блок питателя были образованы сырые агломераты при помощи имитации экструзии. Для приготовления экструдированных агломератов жидкий протеиновый связующий материал был нагрет для того, чтобы растворить Carbowax® 3350 PEG. Затем медленно добавляли связующий материал А при перемешивании смеси. После этого абразивные частицы вводили в смеситель с высоким сдвигающим усилием (диаметр 44 дюйма (112 см)) и приготовленную смесь связующего материала медленно заливали на частицы в смесителе. Полученную комбинацию перемешивали в течение 3 минут. После перемешивания комбинацию в мокром состоянии просеивали через коробчатое сито 12 меш (размер ячеек стандартного сита США) на подносы, чтобы получить слой с максимальной толщиной 1 дюйм (2.54 см), для того чтобы образовать мокрые, сырые (необожженные), экструдированные агломераты. Слой экструдированных агломератов сушили в печи при 90°С в течение 24 часов. После сушки агломераты вновь просеивали с использованием коробчатого сита от 12 до 16 меш (размер ячеек стандартного сита США).
Во время обжига во вращающейся обжиговой печи наблюдали, что агломераты в сыром состоянии разрушаются при нагревании и затем вновь формируются, по мере их галтовки, на выходном конце участка нагрева трубы вращающейся обжиговой печи. При визуальном осмотре образцов легко различить агломерированные гранулы, полученные в сыром состоянии, от агломерированных гранул после обжига.
После обжига размеры агломерированных гранул являются достаточно однородными для промышленного применения, с распределением по размерам в диапазоне ориентировочно 500-1200 мкм. Данные относительно распределения по размерам приведены ниже в Таблице 2-2.
Пример 3
Агломераты (образцы nos. 14-23) были приготовлены в соответствии с описанным в Примере 2, за исключением того, что поддерживали постоянную температуру 1000°С и использовали модель #KOU-8D48-RTA-20 вращающейся обжиговой печи (фирма-изготовитель Harper International, Buffalo, New York), оборудованную трубой из плавленого кварца длиной 108 дюймов (274 см), с внутренним диаметром 8 дюймов (20 см), имеющую длину нагрева 48 дюймов (122 см) с тремя зонами контроля температуры.
Были исследованы различные способы приготовления предварительно обожженной смеси абразивных частиц и связующего материала. Процесс агломерации проводили в атмосферных условиях, при скорости вращения трубы от 3 до 4 об/мин, с наклоном трубы 2.5 градуса и при расходе материала от 8 до 10 кг/час. Использованное устройство (печь) главным образом соответствует устройству, показанному на фиг.1.
Все образцы содержат 30 фунтов (13.6 кг) абразивных частиц (таких же частиц, что и в Примере 2, за исключением образца 16, который содержит 25 фунтов (11.3 кг) зерна 70 единиц Norton SG® из золь гель оксида алюминия, полученного на фирме Saint-Gobain Ceramics and Plastics, Inc.) и 0.9 фунтов (0.41 кг) связующего материала А (что дает 4.89 объем.% связующего материала для частиц в спеченных агломератах). Связующий материал для частиц был диспергирован в различных системах временной связки ранее его добавления к абразивным частицам. Система временной связки Примера 2 ("Связка 2") была использована для тех же самых образцов, а другие образцы были изготовлены с использованием жидкого протеинового временного связующего материала AR30 ("Связка 3"), при весовых процентах, указанных далее в Таблице 3-1. Образец 20 был использован для приготовления агломератов в сыром, необожженном состоянии, при помощи имитации процесса экструзии Примера 2.
Переменные испытаний и результаты испытаний приведены в Таблице 3-1.
Полученные результаты подтверждают, что агломерация сырой стадии не является необходимой для того, чтобы обеспечить приемлемое качество и выход спеченных агломерированных гранул (образцы сравнения 18 и 20). При увеличении вес.% Связки 3 в исходной смеси от 1 до 8%, LPD умеренно снижается, что говорит о том, что связка оказывает полезное, но не основное влияние на процесс агломерации. Таким образом, совершенно неожиданно оказалось, что нет необходимости предварительно формовать гранулы агломерата желательной формы или размера до проведения их спекания во вращающейся обжиговой печи. Такая же LPD может быть обеспечена просто за счет подачи сырой смеси компонентов агломерата во вращающуюся обжиговую печь и галтовки смеси по мере ее прохождения через нагретый участок устройства.
Пример 4
Агломераты (образцы nos. 24-29) были приготовлены в соответствии с описанным в Примере 2, за исключением того, что температура поддерживалась постоянной на уровне 1200°С и были исследованы различные методики приготовления предварительно обожженной смеси абразивных частиц и связующего материала для частиц. Все образцы (за исключением образцов 28-29) содержали смесь 300 фунтов (136.4 кг) абразивных частиц (таких же частиц, что и в Примере 2: оксид алюминия 38А, 60 единиц) и 9.0 фунтов (4.1 кг) связующего материала А (что дает 4.89 объем.% связующего материала в спеченном агломерате).
Образец 28 (с таким же составом, что и в Примере 2) содержит 44.9 фунта (20.4 кг) абразивных частиц и 1.43 фунта (0.6 кг) связующего материала А. Связующий материал комбинировали со смесью жидкой связки (37.8 вес.% (3.1 фунта) связки AR30 в воде), и 4.98 фунта этой комбинации добавляли в абразивные частицы. Вязкость жидкой комбинации составляла 784 сантипуаз при 22°С (вискозиметр Brookfield LVF).
Образец 29 (с таким же составом, что и в Примере 2) содержит 28.6 фунта (13 кг) абразивных частиц и 0.92 фунта (0.4 кг) связующего материала А (что дает 4.89 объем.% связующего материала для частиц в спеченном агломерате). Связующий материал комбинировали со смесью жидкой связки (54.7 вес.% (0.48 фунта) смолы Duramax® В1052 и 30.1 вес.% (1.456 фунта) смолы Duramax® B1051 в воде), и эту комбинацию добавляли в абразивные частицы. Смолы Duramax® были получены на фирме Rohm and Haas, Philadelphia, PA.
Процесс агломерации проводили при атмосферных условиях, со скоростью вращения трубы устройства 4 об/мин, при угле наклона трубы 2.5 градуса и при скорости подачи от 8 до 12 кг/ч. Использованное устройство было главным образом идентично устройству, показанному на фиг.1.
Образец 28 был предварительно агломерирован, ранее обжига, в устройстве с псевдоожиженным слоем, изготовленным фирмой Niro, Inc., Columbia, Maryland (модель MP-2/3 Multiprocessor™), оборудованным конусом размера МР-1 (диаметр 3 фута (0.9 метра) в самой широкой его части). Были выбраны следующие параметры для проведения процесса обработки образца в псевдоожиженным слое:
температура воздуха на входе 64-70°С
скорость потока воздуха на входе 100-300 м3 в час
скорость потока грануляционной жидкости 440 г/мин
толщина слоя (начальная загрузка 3-4 кг) около 10 см
давление воздуха 1 бар
два внешних сопла для перемешивания с отверстием 800 мкм
Абразивные частицы загружали на дно устройства и воздух направляли через пластину диффузора псевдоожиженного слоя вверх и на частицы. Одновременно жидкую смесь связующего материала для частиц и временной связки подавали насосом к внешним соплам для перемешивания и затем распыляли с использованием сопел через пластину диффузора и на частицы, в результате чего производится покрытие индивидуальных абразивных частиц. Агломераты сырой стадии формировали во время сушки смеси связующего материала для частиц и связки.
Образец 29 был предварительно агломерирован, до проведения обжига, в процессе экструзии с низким давлением, с использованием устройства Benchtop Granulator™, выпускаемого фирмой LCI Corporation, Charlotte, North Carolina (оборудованного перфорированной корзиной с отверстиями диаметром 0.5 мм). Смесь абразивных частиц, связующего материала для частиц и временной связки вручную вводили в перфорированную корзину (сетку экструдера), принудительно пропускали через сетку при помощи вращающихся лопаток и собирали в приемном лотке. Экструдированные сырые агломераты сушили в печи при 90°С в течение 24 часов и использовали в качестве исходного сырья для процесса обжига во вращающейся обжиговой печи.
Параметры и результаты испытаний приведены далее в Таблицах 4-1 и 4-2. Эти испытания подтверждают результаты, полученные в Примере 3, для более высоких температур обжига (1200°С в сравнении с 1000°С). Эти испытания также показывают, что экструзия при низком давлении и предварительная агломерация в псевдоожиженным слое могут быть использованы для изготовления агломерированных гранул, однако следует иметь в виду, что операция агломерации ранее обжига во вращающейся обжиговой печи не является необходимой для изготовления агломератов в соответствии с настоящим изобретением.
Пример 5
Дополнительные агломераты (образцы nos. 30-37) были приготовлены в соответствии с описанным в Примере 3, за исключением того, что спекание производили при 1180°С и производили испытание различных типов абразивных частиц. Перемешивали 30 фунтов (13.6 кг) абразивных частиц с 1.91 фунта (0.9 кг) связующего материала А (что дает 8.94 объем.% связующего материала для частиц в гранулах спеченных агломератов). Связку 3 Примера 3 сравнивали с водой в качестве временного связующего материала для агломерации сырой стадии. Образцы 30-34 содержали 0.9 фунта (0.4 кг) воды в качестве временного связующего материала. Образцы 35-37 содержали 0.72 фунта (0.3 кг) Связки 3. Параметры испытаний приведены ниже в Таблице 5-1.
Процесс агломерации проводили при атмосферных условиях, при вращении трубы устройства со скоростью 8.5-9.5 об/мин, при угле наклона трубы 2.5 градуса и при скорости подачи 5-8 кг/ч. Использованное устройство было главным образом идентично устройству, показанному на фиг.1.
После агломерации образцы абразивных гранул агломерата были просеяны и испытаны на плотность неплотной упаковки (LPD), распределение по размерам и прочность агломерата. Полученные результаты приведены в Таблице 5-1.
Эти результаты вновь демонстрируют, что вода может быть использована в качестве временной связки для агломератов в процессе обжига во вращающейся обжиговой печи. Кроме того, подтверждается, что смеси различных типов или размеров зерна (частиц), или того и другого, могут быть агломерированы по способу в соответствии с настоящим изобретением, причем полученные агломераты могут быть покрыты при температуре 1180°С во вращающейся обжиговой печи. Наблюдали существенное повышение прочности на раздавливание, когда в агломератах использовали удлиненное абразивное шлифовальное зерно с высоким коэффициентом формы (например, ≥4:1) (образец 33).
Пример 6
Другие группы агломератов (образцы nos.38-45) были приготовлены в соответствии с описанным в Примере 3, за исключением того, что были использованы другие температуры обжига и испытаны другие типы смесей абразивных частиц, с другими размерами и другие связующие материалы для частиц. В некоторых смесях исходных материалов использовали скорлупу грецких орехов в качестве органического средства создания пор (скорлупу грецких орехов получали на фирме Composition Materials Co., Inc., Fairfield, Connecticut, при размере стандартного сита США 40/60 единиц). Параметры испытаний приведены далее в Таблице 6-1. Все образцы содержали смесь 30 фунтов (13.6 кг) абразивных частиц и 2.5 вес.% Связки 3, от веса зерна, с различными количествами связующих материалов для частиц, как это показано в Таблице 6-1.
Процесс агломерации проводили при атмосферных условиях, при вращении трубы устройства со скоростью 8.5-9.5 об/мин, при угле наклона трубы 2.5 градуса и при скорости подачи 5-8 кг/ч. Использованное устройство было главным образом идентично устройству, показанному на фиг.1.
После агломерации образцы абразивных гранул агломерата были просеяны и испытаны на плотность неплотной упаковки (LPD), средний размер и прочность агломерата на раздавливание (см. Таблицу 6-1). Свойства всех агломератов приемлемы для использования при промышленном изготовлении абразивных шлифовальных кругов. Эти данные показывают, что использование органического средства создания пор, то есть скорлупы грецких орехов, не оказывает существенного влияния на характеристики агломерата.
Пример 7
В этом Примере было проведено сравнение характеристик круга диаметром 17.8 см (7 дюймов), изготовленного с использованием абразивных агломератов в соответствии с настоящим изобретением, с характеристиками серийного абразивного круга, изготовленного с использованием обычных материалов и абразивных шлифовальных зерен.
Абразивный круг в соответствии с настоящим изобретением был изготовлен с использованием абразивных гранул агломерата, которые содержат абразивные частицы размером 90 единиц из затравочного золь гель оксида алюминия, полученные на фирме Saint-Gobain Ceramics and Plastics, Inc. Из этих частиц были образованы абразивные гранулы агломерата в соответствии с описанным выше для Образца 7 в Примере 1. Была выделена фракция гранул -28+40, которую сохранили для использования.
Эти абразивные гранулы агломерата были использованы для того, чтобы образовать абразивный круг с покрытием за счет осаждения на подложку в виде обычного волокнистого диска, с использованием обычного формирующего и размерного покрытий. Для создания формирующего и размерного покрытий использовали обычный фенолоальдегидный полимер. Формирующее покрытие было образовано с расходом полимера 0.12 кг/м2 (8.3 фунта на стопу), а абразивные гранулы агломерата были осаждены при помощи техники осаждения вверх, при расходе 0.28 кг/м2, (19 фунтов на стопу). Размерное покрытие было нанесено с использованием техники распыления, с расходом 0.49 кг/м2 (33 фунта на стопу), при этом стандартный фенолоальдегидный полимер с вязкостью 800 сантипуаз был модифицирован добавкой диоксида кремния типа Cab-О-Sil фирмы Cabot Corporation, чтобы получить вязкость 2000 сантипуаз. В каждом случае "стопа" относится к стопе наждачной бумаги, что соответствует 330 квадратным футам или 30.7 квадратным метрам.
Круг в соответствии с настоящим изобретением был использован для шлифования плоской заготовки (бруска) из стали марки 1008. Круг входил в контакт с заготовкой на 30 секунд, при контактном давлении 131 фунт на кв. дюйм, причем вес бруска измеряли после каждого контакта, для того чтобы определить количество снятого металла при каждом контакте. Полученные результаты представлены в виде одного из графиков на фиг.2.
Для сравнения были проведены такие же испытания трех конкурирующих серийных кругов такого же размера. Полученные результаты показаны в виде соответствующих графиков на фиг.2. В качестве кругов сравнения были использованы:
круг 984С фирмы 3М Company с волокнистой основой, с покрытием 44 из затравочного золь гель оксида алюминия, абразивное зерно 80 единиц;
круг 987С фирмы 3М Company, аналогичный кругу 984С, за исключением того, что в нем применено абразивное зерно 80 единиц "321 20 Cubitron®" и круг имеет сверхразмерное покрытие; и
круг 983С фирмы 3М Company, аналогичный кругу 984С, за исключением того, что в нем применено абразивное зерно 80 единиц из материала MgO - модифицированный золь гель оксид алюминия, причем 100% зерна было нанесено с использованием техники осаждения вверх.
Из рассмотрения фиг.2 можно сделать вывод о том, что, несмотря на то, что все круги начинают съем материала с заготовки ориентировочно с одной и той же скоростью, круг в соответствии с настоящим изобретением работает дольше и лучше, чем круги сравнения фирмы 3М.
Пример 8
В этом Примере была проведена оценка использования модифицированного размерного покрытия. Два одинаковых в других отношениях абразивных круга были приготовлены в соответствии с описанным в Примере 1 для круга в соответствии с настоящим изобретением, с различными размерными покрытиями. Первый образец круга точно соответствует кругу в соответствии с настоящим изобретением Примера 1, в то время как во втором образце круга было использовано немодифицированное размерное покрытие. Была проведена оценка указанных кругов в соответствии с описанным в Примере 1. Полученные результаты показаны на фиг.3.
Легко можно увидеть, что показатели круга, в котором было использовано немодифицированное размерное покрытие, превышают показатели известных ранее кругов, однако они ниже показателей круга, в котором было использовано модифицированное по вязкости размерное покрытие. Это подтверждает точку зрения, в соответствии с которой размерное покрытие с более низкой вязкостью в некоторой степени снижает благоприятный эффект наличия пористости в абразивных гранулах агломерата.
Пример 9
В этом Примере было проведено сравнение характеристик двух кругов в соответствии с настоящим изобретением, каждый из которых имеет стандартное (то есть не модифицированное для повышения вязкости, как в круге, испытанном в Примере 8) размерное покрытие. В этом случае единственное различие между кругами заключается в том, что в них были использованы различные связующие материалы для сцепления абразивных частиц вместе, чтобы образовать абразивные гранулы агломерата. В образце с застеклованным SCA стандартным размерным покрытием была использована стекловидная связка, причем этот образец был испытан в Примере 8. В образце с органическим SCA стандартным размерным покрытием была использована органические связка, причем абразивные частицы из затравочного золь гель оксида алюминия в агломератах были несколько крупнее (размер 80 единиц). Однако пористость образцов была практически одинаковой. Сравнительные данные для указанных двух образцов, полученные с использованием методики испытаний предыдущих Примеров, отложены на графике, показанном на фиг.4.
Из рассмотрения этого графика можно сделать вывод о том, что агломераты со стекловидной связкой имеют несколько лучшие характеристики по сравнению с агломератами с органической связкой, несмотря на то, что можно было бы ожидать, что более крупное зерно в круге с органическим SCA стандартным размерным покрытием приведет к повышению скорости съема материала с заготовки. Различие становится более значительным на последней стадии срока службы кругов.
Приведенные данные четко показывают, что использование абразивных гранул агломерата приводит к существенным улучшениям характеристик по сравнению с известными кругами, в особенности в том случае, когда связка, которая удерживает агломераты вместе, является стекловидной связкой, причем размерному покрытию придана более высокая вязкость, чем используемая обычно, что снижает потерю пористости, когда агломераты используют для изготовления абразивного материала с покрытием.
Реферат
Изобретения относятся к области абразивной обработки и могут быть использованы при создании абразивных изделий и материалов с покрытием. Последние имеют абразивные гранулы агломерата, связанные с подложкой при помощи связующего материала. Абразивные частицы в гранулах агломерата сцеплены вместе в трехмерной структуре при помощи связующего материала для частиц, присутствующего в агломерате как дисперсная фаза. Смежные частицы в агломерате соединены так, что он имеет объем неплотной упаковки, который по меньшей мере на 2% ниже, чем для абразивных частиц в индивидуальном состоянии. Гранулы агломерата изготавливают путем галтовки частиц и связующего материала во вращающейся обжиговой печи. В результате получаются абразивные материалы, имеющие высокую пористость и низкое отношение объема твердых частиц к номинальному объему, что позволяет использовать их на операциях шлифования с низким давлением. 3 н. и 36 з.п. ф-лы, 7 ил., 9 табл.
