CZ288100B6

CZ288100B6 - Brusný prostředek ze slinutého polykrystalického keramického korundu, způsob jeho výroby a nástroj z něho vyrobený

Info

Publication number: CZ288100B6
Application number: CZ19941049A
Authority: CZ
Inventors: Eckhard Dipl. Ing. Wagner; Günter Dr. Ing. Becker; Günter Dipl. Ing. Bartels
Original assignee: Hermes Schleifmittel Gmbh & Co.
Priority date: 1993-04-30
Filing date: 1994-04-29
Publication date: 2001-04-11
Also published as: JPH0748558A; BR9401657A; EP0622438B1; NO941500L; AU672878B2; SG46650A1; FI941949A0; AU6052294A; ES2118161T3; EP0622438A1; NO301871B1; US5531799A; ATE167225T1; FI941949A; NZ260306A; RU94015186A; HU9401259D0; HU217039B; HUT68276A; KR100253528B1

Abstract

Řešení se týká brusného prostředku, sestávajícího v podstatě ze slinutého polykrystalického keramického korundu, získatelného pomocí sol-gel-způsobu, u kterého slinutý korund obsahuje více než 0,1 % hmotnostních cínu, počítáno jako oxid cíničitý, jako součást polykrystalické struktury. Dále se týká brusného nástroje, uvedený prostředek obsahujícího, a způsobu výroby brusného prostředku postupem sol-gel.ŕ

Description

Brusný prostředek ze slinutého polykrystalického keramického korundu, způsob jeho výroby a nástroj z něho vyrobený

Oblast techniky

Vynález se týká brusného prostředku ze slinutého polykrystalického keramického korundu, způsobu výroby tohoto brusného prostředku a nástroje z něho vyrobeného.

Dosavadní stav techniky

Ve výrobě brusných prostředků se kromě taveného korundu stále více používá slinutý polykrystalický keramický korund, neboť vlivem jeho polykrystalické struktury má výhodné vlastnosti týkající se opotřebení a při obrábění zvláštních materiálů, například vysoce legovaných ocelí umožňuje významné prodloužení doby nasazení nástroje. Rozšířený způsob výroby takových brusných prostředků ze slinutého polykrystalického keramického korundu je způsob sol-gel, při kterém sol obsahující zeminu obsahující vodu, ponejvíce hydrát oxidu hlinitého, se přidáním kyseliny přemění na gel. Po usušení se tento kalcinuje, rozdrobí a nakonec spéká. Zejména během uplynulých deseti let byly provedeny četné pokusy zlepšit jakost takto získaného brusného prostředku, viz například EP263 810, zvláštními výrobně technickými kroky nebo přídavky látek. Tyto mohou podle jejich účinku při procesu spékání působit jako látky tvořící zárodky (M. Kumagai a G. L. Messing: Controlled Transformation and Sintering of a Boehmite Sol-Gel by α-Alumina Seeding, J. Am. Ceram. Soc. 68 (9), 500-505 (1987)) na jedné straně nebo jako modifikující složky na druhé straně. Tyto druhé látky ovlivňují různým způsobem proces spékání, vývoj a vlastnosti výsledného výrobku. Jako modifikující složky se například používá hořčík, hafnium, kobalt, nikl, zinek podle EP- 0 024 099, ytrium podle EP- 0 228 856, oxid železitý podle EP- 0 200 487, vzácné zeminy podle EP- 0 293 164, lithium podle EPA 0 441 640. Tyto přísady sice způsobují částečně podstatné zlepšení brusných vlastností, ukazuje se však široký rozptyl hodnot, který působí snížení jakosti.

Vynález vychází z poznatku, že kromě obvykle uváděných fyzikálních materiálových vlastností korundových brusných prostředků jako je tvrdost, houževnatost, odolnost proti šíření mikrotrhlin nebo mikroopotřebení musí být také dodatečně uvažována vysoká stálost těchto hodnot v rámci určité frakce zrna a její podstatný význam pro vznik zvýšené trvanlivosti nástroje.

Úkolem vynálezu je vytvořit brusný prostředek ze slinutého polykrystalického keramického korundu, který kromě obvyklých znaků jakosti, zejména vysoké tvrdosti, vykazuje pouze nepatrné kolísání jakosti v rámci jedné šarže zrna. Bylo s překvapením zjištěno, že toho lze dosáhnout přídavkem cínu.

Podstata vynálezu

Předmětem předloženého vynálezu tedy je brusný prostředek, sestávající v podstatě ze slinutého polykrystalického keramického korundu, získatelného pomocí sol-gel-způsobu, přičemž slinutý korund obsahuje více než 0,1 % hmotnostních cínu, počítáno jako oxid cíničitý, jako součást polykrystalické struktury.

Tvrdost a jemnozmnost mohou být, jak je známo, zlepšeny přísadou hořčíku. Dále se ukázalo velmi účelným, když brusný prostředek obsahuje také lithium, čímž se dále zlepší tvrdost a rovnoměrnost výrobku. Konečně mohou být přidány i další modifikující složky jako kobalt, yttrium, hafnium, železo a/nebo vzácné zeminy.

-1 CZ 288100 B6

Při optickém zkoušení výrobku vyrobeného podle dále uvedených příkladů je možno v obrazu lomu nebo leptaného výbrusu zjistit snadno strukturu odlišnou od dosavadních výrobků. Mezi nápadně většími částečkami, které zčásti ukazují strukturu terasovitou, typickou pro -oxid hlinitý (Petzold/Ulbricht: Tonerde und Tonerdewerkstoffe, Str. 83, Obr. 7.14), je seskupení menších částeček. Střední poměr rozměrů je alespoň 3 : 1, je však zpravidla větší než 5:1. Sousední větší částečky jsou od sebe do značné míry ve většině případů téměř úplně odděleny vrstvou menších částeček. Vrstvy menších částeček tvoří v podstatě průběžnou matrici, ve které jsou větší částečky uloženy. Přinejmenším jsou seskupení menších částeček, která se rozprostírají v jejich meziprostorech, ve značně rozvětveném vzájemném spojení. Odlišnému obrazu částeček může odpovídat odlišné složení tak, že modifikující složky jsou v morfologícky rozlišitelných částečkách obsaženy ve zvláště vysoké popřípadě v nepatrné koncentraci (krystality), a tyto jsou v leptaném výbrusu zřetelně od sebe odděleny. Mluví-li se v této souvislosti o částečkách, míní se tím ony tvarové jednotky, které jsou v leptaném výbrusu navzájem odděleny zřetelnými hranicemi. V literatuře se také uvádějí jako krystality.

Brusný prostředek podle vynálezu vykazuje kromě vysoké tvrdosti také neobvyklou odolnost proti vysokému tepelnému a mechanickému zatížení, takže například při nasazení brusných pásů, které jsou brusným prostředkem podle vynálezu povlečeny, kromě značně zvýšených odbroušených hmot v časovém intervalu je dosaženo podstatného zvýšení trvanlivosti nástroje.

Brusný prostředek podle vynálezu může být použit na podkladech, jako součást kompaktních brusných nástrojů nebo jako volný brusný prostředek, například při nanášení tryskou nebo při lapování. Ve všech oblastech použití může být provedena libovolná kvalitativní i kvantitativní kombinace s jinými brusnými prostředky. Zvláště výhodné je míchání s brusným zrnem vyšší, popřípadě zvláště vysoké tvrdosti, jako je například karbid křemičitý, kubický bómitrit nebo i diamant. Kromě toho může brusný prostředek podle vynálezu také působit jako matrice, ve které jeden nebo několik kvalitativně odlišných prostředků je zasazeno. To se docílí například tím, že se jiný brusný prostředek přimíchá k nějakému mezivýrobku, jako je přednostně sol nebo gel při výrobě brusného prostředku podle vynálezu.

Při způsobu výroby podle vynálezu se dbá na to, aby látka obsahující cín byla s ostatními surovinami jemně rozemleta a dokonale smíchána. Vychází-li se od prachových surovin, které se spolu stlačí a potom se spékají, přidá se látka obsahující cín s výhodou rovněž ve formě prachu. Tato látka obsahující cín může být ke spékané substanci přimíchána také v kapalné formě nebo může být nastříkána. Zvláště důkladné promíchání se docílí při použití způsobu sol-gel, kde se látka obsahující cín do surovin přidá již před vytvořením gelu, takže je obsažena v disperzi vedoucí ke gelu (sol). Může být použita v pevné, velmi jemně rozemleté formě nebo v roztoku. Bylo zjištěno, že potom již usušený gel má oproti způsobu bez použití cínu podstatně změněnou, mechanicky výše zatížitelnou strukturu. Z toho je možné soudit nejen na podstatný modifikační účinek, nýbrž se také zlepší lom usušeného gelu s ohledem na výtěžek a formu lámaných zrn.

Jako zvláště vhodná sloučenina se osvědčil oxid cíničitý, kteiý se ve formě prachu přidává k surovinám, popřípadě k meziproduktům. Použitelné jsou ovšem také jiné látky obsahující cín, například soli cínu.

Je účelné, když sol obsahuje jemnozmný, popřípadě mletý gama-oxid hlinitý.

Zvláště výhodný výsledek se dosáhne dalším přidáním lithia, které se s výhodou jako sůl lithia ve formě rozpuštěné ve vodě přidá v některém mezistupni. Zvláště účelná je přítomnost sloučeniny lithia, přednostně soli lithia, již v sólu v rozpuštěné formě. Dále je výhodné, když některé další modifikující složky, zejména ony uvedené výše, jsou již v sólu v jemnozmné pevné nebo rozpuštěné formě. Mohou být také přidány do některého jiného meziproduktu. Výhodná množství jako oxid jsou:

-2CZ 288100 B6

Hořčík:	0,1-1 %,
Yttrium:	0,1-1 %,
Lithium:	0,01 - 5 % přednostně 1,5 - 3 %,
Kobalt:	0,01-0,4%,
Vzácné zeminy:	0,1-2%.

Jinak nevyžadují kroky způsobu sol-gel žádného bližšího vysvětlení, neboť je možné o nich získat informace v obecně přístupném dosavadním stavu techniky, zejména ve výše uvedených patentových spisech.

Účelně se jako surovina použije hydroxid hlinitý, přednostně oxidohydroxid hlinitý typu Boehmit. Osvědčil se například „Disperal Aluminas“ společnosti Condea-Chemie, Brunsbůttel. Přidáním demineralizované vody a kyseliny dusičné se dostane suspenze, která se případně k odstranění hrubších látek může odstředit. Je výhodné, ne však nutné, přidat látku tvořící zárodky nebo gama-oxíd hlinitý. Tento může být ve vodné suspenzi s kyselinou dusičnou, která se rovněž odstředí. Smícháním určitých množství těchto suspenzí jakož i případně dalších, přednostně vodných roztoků nebo suspenzí modifikujících složek se získá suspenze, která se prostřednictvím kyseliny dusičné a/nebo jejích solí ve vodném roztoku přemění na gel. Tento gel se usuší akalcinuje. Usušený nebo kalcinovaný meziprodukt se rozdrobí a případně roztřídí. Kalcinovaný meziprodukt se spéká. Nakonec se takto získaný brusný prostředek prošije a přimíchá k zrnitým šaržím jednotné zrnitosti.

Bylo zjištěno, že použití lithia, případně spolu s výše uvedenými složkami, avšak bez cínu, vede také k velmi dobrým výsledkům. To platí zejména pro přídavek lithia v podílu 2 % hmotnostních jako oxidu ve spékaném výrobku. Přídavek lithia je sice o sobě známý zEP0441 640, avšak pouze ve množstvích do 1,5 % hmotnostních oxidu ve spékaném výrobku. Při větších množství má nastat zhoršení technických parametrů broušení. Podle vynálezu byl však zjištěn opak. Výhodný výrobek podle vynálezu se tedy vyznačuje - nezávisle na přídavku cínu - podílem více než 1,5 % hmotnostních lithia jako oxidu ve spékaném výrobku. Zvláště výhodné je ovšem kombinované použití lithia a cínu.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

2000 kg demineralizované vody o teplotě 50 °C, 28 litrů HNO₃ - roztoku (53%) jakož i 1000 kg látky Disperal se smíchá na suspenzi, ze které se po odstředění získá Předstupeň 1. Podíl pevných látek je asi 30 % hmotnostních.

1000 kg demineralizované vody o teplotě 50 °C, 27 kg gamma-Al₂O₃ („Puralox 400“ společnosti Condea, Brinsbůttel) jakož i 5 litrů HNO₃ - roztoku (53%) tvoří po odstředění Předstupeň 2 s podílem pevných látek 2,5 % hmotnostních.

Smíchá se 1000 kg Předstupně 1, 500 kg Předstupně 2, 1 kg oxidu cíničitého jako vodné suspenze, 3,3 kg hexahydrátu dusičnanu hořečnatého ve vodném roztoku 0,2 kg hexahydrátu dusičnanu kobaltnatého ve vodném roztoku a 1 kg oxidu yttritého. Tím se získá Předstupeň 3.

Předstupeň 4 obsahuje 75 kg demineralizované vody jakož i 48 kg nonahydrátu dusičnanu hlinitého.

Směs 1505,5 kg Předstupně 3 a 123 kg Předstupně 4 vede ke tvorbě gelu, který se při 130 °C během 20 minut usuší.

-3CZ 288100 B6

Po rozdrobení usušeného materiálu se tento kalcinuje při 850 °C po dobu 15 minut. Potom následuje spékání v otáčivé peci při 1450 °C po dobu 12 minut jakož i prosívání a třídění. Takto získané brusné zrno má podíl cínu jako oxidu cíničitého 0,36 % hmotnostních. Mělo průměrnou tvrdost 19,1 GPa.

Příklad 2

Postup jako v příkladu 1 s 5,5 kg oxidu cíničitého v Předstupni 3. Vyrobené zrno mělo střední tvrdost 18,1 GPa.

Hustota byla vyšší než v příkladu 1.

Příklad 3

Postup jako v příkladu 1 s přídavkem 25,4 kg dusičnanu lithného. Získané zrno obsahovalo podíl lithia jako oxidu lithného 2 % hmotnostních. Mělo průměrnou tvrdost 22,22 GPa.

Příklad 4 až 10

Postup a látkové složení bylo jako v příkladu 3, podíl dusičnanu lithného byl měněn tak, že podíl oxidu lithného ve výsledném výrobku byl:

% hmotnostních	Číslo příkladu
0,1	4
0,2	5
0,3	6
0,4	7
0,5	8
1,0	9
3,0	10

Měření tvrdosti způsobem podle Knoopa bylo prováděno zkušebním zařízením výrobce Shimadzu, typu HMV-2000.

Číslo příkladu	Střední tvrdost podle Knoopa (GPa)
4	18,9
5	20,3
6	20,5
7	20,5
8	20,6
9	20,7
10	19,7

Příklad 11

Podle příkladu 3 byl v technickém měřítku vyroben brusný prostředek podle vynálezu, přičemž v časovém intervalu 60 minut byly z plynulého výrobního procesu odebrány vždy dva vzorky brusného zrna.

Vždy 10 brusných zrn ze vzorku bylo podrobeno měření tvrdosti podle Knoopa GPa s těmito výsledky:

Vzorek 1	Vzorek 2
22,22	22,22
21,21	23,70
20,57	20,88
21,88	22,58
21,88	22,22
20,72	21,54
21,88	20,41
21,04	20,72
21,88	21,04
22,22	21,04
m_A = 21,55	m_A = 21,64

Příklad 12

Pro určení výkonnosti brusného prostředku podle vynálezu byly s brusným zrnem vyrobeným podle příkladů 1 a 3, vyrobeny brusné kotouče z vulkanfibru, se změním P 36.

Jako srovnávací vzorky byly použity stejně vyrobené brusné kotouče z vulkanfibru obsahující tavený korund, srovnávací vzorek A.

Průměr kotoučů byl stejný, 180 mm, provedení se křížovou drážkou, počet otáček 6000 ot/min. Byla broušena ocelová trubka ST 37 o průměru 195 mm, která měla otáčky 16,3 ot/min ve smyslu proti otáčení brusného kotouče. Číselné hodnoty udávají odbroušenou hmotu v (g) vždy za 60 s.

Odbroušená hmota v (g)

Užitý brusný prostředek	0 s - 60 s	60 s- 120 s	120 s-180 s	180s-240s
Brusné zrno podle příkladu 3	65	47	39	35
Brusné zrno podle příkladu 1	52	35	27	23
Srovnávací vzorek A	32	17	12	9

Příklad 13

Pro další srovnávací pokus byly vyrobeny brusné pásy rozměrů 50 mm x 2000 mm, přičemž byl použit tavený korund jako srovnávací vzorek B, brusný prostředek podle příkladu 1 a brusný prostředek podle příkladu 3.

Byla broušena ocelová trubka ST 35—8/1 o průměru 219,1 mm s tloušťkou stěny 6,3 mm otáčející se otáčkami 33,4 ot/min. Oběhová rychlost brusného pásu byla 38 m/s.

Číselné hodnoty jsou vztaženy na celkovou odbroušenou hmotu v (kg) až do příslušného okamžiku.

Použitý brusný	5	10	15	20	25	30	35	40	45
prostředek	min	min	min	min	min	min	min	min	min
Srovnávací vzorek B	0,91	1,46	1,93	2,35	2,75	2,98	3,16	3,29	3,44
Příklad 1	0,95	1,67	2,29	2,85	3,28	3,73	4,12	4,45	4,71
Příklad 3	1,29	2,27	3,18	4,01	4,80	5,57	6,26	6,87	7,42

-5CZ 288100 B6

Příklad 14

Jako příklad 3, avšak bez přídavku cínu. Bylo vyrobeno zrno mající tvrdost 19,1 GPa.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Brusný prostředek, sestávající v podstatě ze slinutého polykrystalického keramického korundu, získatelného pomocí sol-gel-způsobu, vyznačující se tím, že slinutý korund obsahuje více než 0,1 % hmotnostních cínu, počítáno jako oxid cíničitý, jako součást polykrystalické struktury.
2. Brusný prostředek podle nároku 1, vyznačující se tím, že obsah cínu, počítáno jako oxid cíničitý, není vyšší než 5 % hmotnostních.
3. Brusný prostředek podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že dále obsahuje hořčík.
4. Brusný prostředek podle některého z nároků laž3, vyznačující se tím, že dále obsahuje lithium.
5. Brusný prostředek podle nároku 4, vyznačující se tím, že obsah lithia činí alespoň 2 % hmotnostní, počítáno jako oxid lithný.
6. Brusný prostředek podle některého z nároků laž5, vyznačující se tím, že dále obsahuje kobalt, yttrium, hafni um, železo a/nebo vzácné zeminy.
7. Brusný prostředek podle některého z nároků laž6, vyznačující se tím, že ve výbrusovém obrazu obsahuje dvě frakce částic výrazně rozdílné velikosti, jejichž střední poměr rozměrů je alespoň 3:1.
8. Brusný prostředek podle nároku 7, vyznačující se tím, že cín a popřípadě lithium jsou v menších částicích obsažené ve větším podílu než ve větších částicích.
9. Brusný prostředek podle nároku 7 nebo 8, vyznačující se tím, že alespoň menší částice mají submikronovou střední velikost.
10. Brusný nástroj, vyznačující se tím, že obsahuje brusný prostředek podle některého z nároků 1 až 9.
11. Brusný nástroj podle nároku 10, vyznačující se tím, že alespoň 5 % hmotnostních v něm obsaženého brusného prostředku je tvořeno brusným prostředkem podle některého z nároků 1 až 9.
12. Brusný nástroj podle nároku 10 nebo 11, vyznačující se tím, že kromě toho obsahuje jeden nebo více brusných prostředků vyšší tvrdosti, jako je diamant, kubický nitrid boru a/nebo karbid křemíku.

ί
13. Způsob výroby keramického korundového brusného prostředku pomocí následujících kroků:

a) výroba sólu, obsahujícího hydroxid hlinitý jako výchozí látku, přičemž se vyrobí přídavkem demineralizované vody a kyseliny dusičné k výchozí látce suspenze, která se za účelem oddělení hrubých obsahových látek odstředí,

b) převedení sólu na gel,

c) sušení a/nebo kalcinování gelu,

d) rozdrobení a popřípadě třídění usušeného nebo kalcinovaného meziproduktu a

e) slinování rozdrobeného meziproduktu, vyznačující se tím, že se přidá v kroku a) k sólu nebo v kroku b) ke gelu látka obsahující cín a popřípadě ještě lithium a/nebo hořčík v takovém množství, že v kroku e) získaný slinutý materiál obsahuje více než 0,01 % hmotnostních cínu, počítáno jako oxid cíničitý.
14. Způsob podle nároku 13, vyznačující se tím, že látka obsahující cín je v sólu přítomná v jemně rozptýlené, pevné a/nebo rozpuštěné formě.
15. Způsob podle nároku 13 nebo 14, vyznačující se tím, že sol obsahuje gama-oxid hlinitý.
16. Způsob podle některého z nároků 13 až 15, vyznačující se tím, že látka obsahující lithium je v sólu přítomná v jemně rozptýlené, pevné a/nebo rozpuštěné formě.
17. Způsob podle některého z nároků 13 až 16, vyznačující se tím, že hořčík je v sólu přítomen v jemně rozptýlené, pevné a/nebo rozpuštěné formě.
18. Způsob podle některého z nároků 13ažl7, vyznačující se tím, že slinování se provádí po dobu 1 až 20 minut při teplotě v rozmezí 1100 °C až 1600 °C.