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Abstract

本发明涉及基于经熔融的球形刚玉的磨粒，其中所述球形刚玉用相对厚的、由细粒的研磨料固体颗粒构成的层包覆。通过所述包覆层，使球形刚玉达到适合作为磨粒的特性。

Description

基于经熔融的球形刚玉的磨粒
本发明涉及基于经熔融的球形刚玉的磨粒，其中该磨粒由用包含粘结剂和细粒的研磨料固体颗粒的层包覆的球形刚玉核构成。
自约75年前球形刚玉已为人所知，而工业生产则是自约30年前。例如US-专利1,871,792和1,871,793描述了借助压缩空气或蒸汽喷吹液态刚玉的浇注射流，其中产生直径约0-5mm的刚玉空心球。在上述US专利文献中，已经描述了迄今为止仍应用的制备方法的所有重要步骤。大量专利文献描述了这样获得的空心球的应用。例如，DE 628 936描述了将空心球研磨和玻璃化以形成磨料颗粒，然后由此制造磨具。由于该材料的高孔隙率和空心球的较低强度，在加工成磨料颗粒时会产生相对细小的只能用于某些特殊用途的颗粒。由于在熔融刚玉的传统加工过程中会不可避免地产生相应的细粒，所以用空心球刚玉制备磨料颗粒经济意义小。
在制备传统刚玉磨粒的情况下，首先将作为原料的铝氧土或矾土在电弧炉中熔融。随即将经熔融的刚玉冷却并由此产生10-15to大小的块体形状。这种刚玉块在持续2-5天的时间完全冷却后，用破碎机和辊压机进行破碎，并将由此产生的物料筛分成相应的磨粒。因此，在制备刚玉时有相当大一部分成本是将直径达数米的刚玉块破碎成直至在几微米到几毫米范围内的磨粒的情况下的破碎加工和磨损产生的，所以，迄今为止人们一直在尝试将液态刚玉熔融体在还没凝固之前分散以避开耗费的破碎加工。
正如文端提及的那样，可以通过喷吹液态刚玉的浇注射流来实现制备多孔空心球刚玉，然而其不太适合作为磨粒。
目前，例如由于球形刚玉的低导热性、化学惰性和多孔性而主要用作耐火材料。球形刚玉在耐火材料工业中的使用最初在专利US 2,261,639中描述。
与此相比，在磨料工业中球形刚玉主要不是用作为磨粒，而是在制造砂轮时用作致孔剂。例如，在US 2,986,455或DE1 281 306中描述了这种磨具。
尽管如此，人们一直在研究喷吹刚玉，以便以此方式制备磨粒。例如在US2,261,639描述了用空气喷吹由氧化铝添加1-10％的氧化钠构成的熔体，其中获得致密的结晶球，其在破碎后也可以用作磨料。然而高含量的氧化钠导致铝酸钠的形成，由此使磨粒的性能显著降低。
US 2,340,194描述了在熔体中添加1-1.5％的氧化钛，其应该产生具有相对厚壁的耐压空心球。DD 134 638描述了制备刚玉空心球的方法，其中通过添加氮化铝或氧氮化铝形式的氮化物结合的氮来影响刚玉空心球的特性。
在GB 284 131中描述了其中首先借助空气流将液态刚玉吹入冷却室，然后在其中用冷却水流将每个颗粒进一步冷却。在此产生直径约3mm的颗粒。EP 1157 077描述了多晶磨粒的制备，其中浇注液态刚玉并在通过应用超声波的情况下将熔融的氧化铝分散为微滴而协助液态刚玉的冷却。在此，获得平均直径小于1mm的致密颗粒。所述颗粒的晶粒尺寸为小于30μm。
现有技术的所述方法的缺点是，一方面尝试通过化学组成来影响所希望的产品的物理特性诸如孔隙率和密度，其结果也导致产物化学组成的变化，由此经常降低了产物作为磨粒的功能，另一方面尝试通过方法工艺的变化方案来影响产物的物理特性，这通常与高技术耗费相关并在制备时导致相应的成本，因而，到目前为止上述方法都不能实施来直接生产磨粒。
因此，仍然存在对不必高耗费的破碎加工直接由熔体生产磨粒的方法的需要。
因此，本发明的任务在于，提供无现有技术的缺点并以此以简单的方式制备更有效的磨粒，而不必实施以往高耗费的破碎加工的方法。
通过具有根据权利要求13的特征的方法以及具有权利要求1的特征的磨粒，解决了该任务。
本发明的改进方案和实施方案是从属权利要求的主题。
令人惊讶地发现，通过用细粒的、研磨料固体颗粒和粘结剂一起构成的层来包覆普通多孔球形刚玉并随即对这种经包覆的球形刚玉进行退火处理，获得多孔的、基本球形的、具有作为磨粒的出色特性的固体颗粒。
例如通过附加的包覆层，使所述刚玉获得有资格用作为磨粒的特性。
首先通过使用细粒的固体颗粒提高了比表面积，由此改善球形刚玉在磨料中的粘结力，例如在砂轮中或在基体(Unterlage)上的磨料中。因此采用所述包覆层，获得0.1-0.3m2/g的比表面积。由此，经包覆的刚玉的表面积相比未包覆的刚玉表面积高约二十倍。
通过这种附加的微孔包覆层，本发明的磨粒具有极其高的总孔隙率，其中，开孔孔隙率为在10％和30％之间且闭孔孔隙率为在60和90％之间，由开孔孔隙率加上闭孔孔隙率之和与闭孔孔隙率之比得出总孔隙率(R)并根据下式计算：
Figure A200780015336D00071
R具有在3与10之间的值。
由于高孔隙率，本发明的磨粒具有相对低的0.5-1kg/l的堆密度，其显著低于磨粒以往的常规数值。
用水银孔隙率计和数字图像分析仪测量孔隙率值，而堆密度则采用常规方法通过磨粒的体积量取(auslitern)和称重来测量。
作为粘结剂既可以考虑有机粘结剂也可以考虑无机粘结剂。在本发明的优选的实施方案中，使用无机粘结剂，特别是硅酸盐粘结剂和/或磷酸盐粘结剂。
依据磨粒的使用目的，也可以使用有机粘结剂，其中优选的粘结剂为合成树脂。基于磨粒的总固体含量计，粘结剂的含量为0.05-10重量％。通常使用相对高的粘结剂含量，因为包覆层相对较厚并必须使用相应的粘结剂含量以便使磨粒达到必要的强度。
包覆层本身基本由细粒的研磨料固体颗粒构成。优选白刚玉、普通刚玉、半脆刚玉或锆刚玉。然而优选的实施方案也可以含有锆多铝红柱石、碳化硅、金刚石和/或立方氮化硼。固体颗粒的粒度为在0.1-100μm之间。在优选的实施方案中，固体颗粒的平均粒度为在3-25μm之间。
如上所述，本发明的磨粒用相对厚的层包覆，且基于磨粒的总固体含量计，研磨料固体颗粒的含量为在20％和40重量％之间。层厚本身为在50和500μm之间，优选在150μm和300μm之间，并根据本发明为固体颗粒各自的平均粒度的数倍。因此，本发明的本质在于包覆层在固体颗粒上具有多层。结果发现，只有经包覆的球形刚玉才能达到必要的强度，以便有效地用作磨粒。
依据应用情况可能有利的是，在包覆层中除了粘结剂和细粒的研磨料固体外，还构入附加的添加剂。作为添加剂考虑烧结添加剂、粘固组分(Zementbildner)和/或磨削活性(schleifaktive)物料。优选在作为层施涂到球形刚玉上之前，将附加的添加剂与细粒的研磨料固体混合。
制备本发明的磨粒的方法相对简单且低耗费。以传统的方式通过用空气-水-混合物喷吹液态熔体来制备球形刚玉本身。将其中产生的多孔球形Al2O3-体在强制式混合机中与粘结剂混合。随即向用粘结剂润湿的球形刚玉添加细粒的研磨料固体颗粒，其随后粘附于球形刚玉的表面。一旦包覆层达到了所希望的厚度，就将这种经涂层的多孔球形Al2O3成型体进行热处理，以便以此方式强化该包覆层。
采用何种类型的粘结剂，取决于磨粒后来的使用目的。如果考虑用在结合陶瓷的砂轮方面，其中优选使用无机粘结剂，其中在特别有利的变化方案中使用价廉物美的可以大量获得的水玻璃。在使用无机粘结剂的情况下，随即的热处理在400-1400℃之间的温度范围内实施，其中粘结剂与细粒的研磨料固体一起烧结成坚固的层。
如果要将经包覆的空心球刚玉用于人造树脂结合的砂轮中，也可以使用有机粘结剂，其中优选使用本身也用作为砂轮中的粘结剂的粘结剂类型。这类有机结合体系在200-500℃之间固化。有机粘结剂同样也适合于将用于基体上的磨料的球形刚玉涂层。
通过使用附加的添加剂，可以改善本发明的磨粒的磨削效果、烧结行为或者结合的形成。例如在应用合成树脂作为粘结剂的情况下有利的是，使用附加的磨削活性材料，例如硫化物、碳酸盐、卤化物或其它促进磨削过程的材料。在应用无机粘结剂的情况下，可以添加有助包覆层本身的强度的附加的烧结添加剂或粘固组分。
经包覆的球形刚玉的强度可以在所谓的CFF试验(抗压断裂力试验)中测定。在该试验中，用液压冲头将单个粗糙磨粒压碎，并测量压碎磨粒所必需的力。用这种方法可以确定，本发明的经包覆的球形刚玉具有相比未经包覆的球形刚玉约3-5倍的强度，并因此处于相当于传统熔融刚玉的强度范围内。
因此，采用上述方法实现通过包覆球形刚玉制备磨粒，所述磨粒由于包覆层的许多变化可能性可以出色地适合其各种使用目的。
以下将依据数个经选择的实施例对本发明进行详细解释。
实施例1
制备经包覆的球形刚玉
将63kg平均粒度为2-3mm的球形刚玉(ALODUR KKW，Treibacher磨料AG)添加到强制式混合机中，并用水玻璃与水的6kg混合物(比例为1∶1)混合，直至球形刚玉的表面均匀地润湿。向该混合物中添加27kg最大粒度为20μm的普通刚玉(ESK P1400，Treibacher磨料AG)。将该混合物均化约2-3分钟。将如此获得的均匀包覆的球形刚玉在50℃下干燥，并随即在旋转管式炉中于1300℃下烧结。在烧结炉中的停留时间为约20分钟。在电子显微镜下测得包覆层的平均层厚为约250μm。
实施例2
磨削试验(平面磨削)
将根据实施例1所获得的磨粒与粒度为F46的普通刚玉磨粒一起加工成树脂粘结的砂瓦(Schleifsegment)，其中普通刚玉：磨粒(实施例1)的比例为3:1。在磨具表面积为0.059m2的情况下，砂瓦的尺寸为280×55mm。结果制备出不同硬度级别(G或H)的砂瓦。
用如此获得的砂瓦对工件表面积为0.206m2的非合金硬质钢(1018)工件进行试验。为了进行对比，使用类似砂瓦，其中使用传统的球形刚玉代替经包覆的球形刚玉。
在机械功率为18.4kW或36.8kW、切削速度为18转/分、进给速度为0.5mm/min及总进给量为10.2mm的情况下，将砂瓦(Segmente)用于平面磨削。所获得的磨削结果在下表1中总结：
表1
*B1＝用根据实施例1的经包覆的球形刚玉的样品，
V1＝用普通球形刚玉的对比例
**由磨削量×工件面积/磨损×磨具面积计算系数G。
如由表1中的结果可知，通过使用本发明经包覆的球形刚玉，可以实现系数G提高直至25％。
实施例3
磨削试验(深度磨削)
与实施例1所述方法类似地制备平均粒度为260μm(颗粒F60)的经包覆的球形刚玉并加工成尺寸为500×65×203.2mm的结合陶瓷的砂轮。为了进行对比，在相同条件下用白刚玉(F60)制备结合陶瓷的砂轮。
用上述砂轮对工具钢(DIN 1.2242)进行深度磨削。
与用白刚玉的砂轮相比，在使用本发明的球形刚玉的情况下，可以实现工具速度提高约17％，同时不会发生工件氧化变色或型面损失。因此，显示节省时间并允许较高机械负荷的优点。

Claims (25)

1.具有由经熔融的球形刚玉构成的核的磨粒，其特征在于，该球形刚玉包覆着由至少一种粘结剂和细粒的研磨料固体颗粒构成的层。
2.根据权利要求1所述的磨粒，其特征在于，所述球形刚玉的平均直径为0.05-5mm。
3.根据权利要求1或2的磨粒，其特征在于，所述层的厚度为在50和500μm之间，优选在150和300μm之间。
4.根据权利要求1至3之一的磨粒，其特征在于，细粒的研磨料固体颗粒具有在0.1和100μm之间，优选在3和25μm之间的平均颗粒直径。
5.根据权利要求1至4之一的磨粒，其特征在于，细粒的研磨料固体颗粒的含量基于磨粒的总固体含量计为20-40重量％。
6.根据权利要求1至5之一的磨粒，其特征在于，所述层的厚度为球直径的1/20-1/5。
7.根据权利要求1至6之一的磨粒，其特征在于，所述层为所述固体颗粒的平均粒度的5-100倍，优选20-50倍。
8.根据权利要求1或7的磨粒，其特征在于，磨粒的开孔孔隙率为10-30％，闭孔孔隙率为60-90％，以及总孔隙率(开孔孔隙率+闭孔孔隙率)与闭孔孔隙率的比值R根据下式
Figure A200780015336C00021
为3-10。
9.根据权利要求1至8之一的磨粒，其特征在于，磨粒的比表面积BET为0.1-0.3m2/g。
10.根据权利要求1至9之一的磨粒，其特征在于，磨粒的堆密度为0.5-1.0kg/l。
11.根据权利要求1至10之一的磨粒，其特征在于，粘结剂为无机粘结剂，特别是硅酸盐或磷酸盐粘结剂。
12.根据权利要求1至10之一的磨粒，其特征在于，粘结剂为有机粘结剂，特别是合成树脂。
13.根据权利要求1至12之一的磨粒，其特征在于，基于磨粒的总固体含量计，粘结剂的量为0.05-5重量％。
14.根据权利要求1至13之一的磨粒，其特征在于，细粒的研磨料固体颗粒选自下组，该组包括白刚玉、普通刚玉、半脆刚玉、锆刚玉、锆多铝红柱石、碳化硅、金刚石和立方氮化硼。
15.根据权利要求1至14之一的磨粒，其特征在于，在包覆层中，除了粘结剂和细粒的研磨料固体外，还含有附加的添加剂，所述添加剂选自包括烧结添加剂、粘固组分和磨削活性物质的组，例如选自包括Na、K、Li、Mg、Ca、Al、Mn、Cu、Sn、Fe、Ti、Sb和Zn的元素的组的硫化物、碳酸盐、卤化物和磷酸盐。
16.根据权利要求1至15之一的磨粒，其特征在于，由经熔融的球形刚玉构成的核是空心球刚玉。
17.根据权利要求1至15之一的磨粒，其特征在于，由经熔融的球形刚玉构成的核是多孔球形刚玉。
18.制备基于经熔融的球形刚玉的磨粒的方法，其包括以下步骤：
-在电弧炉中熔融氧化铝，
-用空气/水的混合物将液态熔体吹制成多孔球形的Al2O3成型体，
其特征在于，
-在混合机中将所获得的多孔、球形的Al2O3成型体与至少一种粘结剂混合，
-将用所述至少一种粘结剂润湿的多孔球形Al2O3成型体通过混入细粒的研磨料固体颗粒而被配置细粒的研磨料固体颗粒层，和
-随即将用细粒的研磨料固体颗粒涂覆的多孔球形Al2O3成型体进行热处理，以便加固包覆层。
19.根据权利要求18的方法，其特征在于，使用用水稀释的无机粘结剂。
20.根据权利要求18或19的方法，其特征在于，热处理在400和1400℃之间的温度范围内进行。
21.根据权利要求18的方法，其特征在于，使用有机粘结剂。
22.根据权利要求18或21的方法，其特征在于，热处理在200和500℃之间的温度范围内进行。
23.根据权利要求18至22之一的方法，其特征在于，与细粒的研磨料固体颗粒一起添加附加的添加剂，所述添加剂选自包括烧结添加剂、粘固组分和磨削活性物质的组，例如，选自包括Na，K，Li，Mg，Ca，Al，Mn，Cu，Sn，Fe，Ti，Sb和Zn的元素的组的硫化物、碳酸盐、卤化物和磷酸盐。
24.根据权利要求1至17之一的磨粒用于制造砂轮的用途。
25.根据权利要求1至17之一的磨粒用于制造基体上的磨料的用途。
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