ES2181641T5 - Procedimiento de fabricacion de granos abrasivos constituidos por alumina policristalina. - Google Patents

Procedimiento de fabricacion de granos abrasivos constituidos por alumina policristalina.

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Abstract

Grano abrasivo a base de alúmina electrofundida caracterizado porque está constituido por cristales con una estructura hexagonal, con una dimensión inferior a 100 µm, y porque su densidad es superior a 97 % de la densidad teórica de la alúmina y con una dureza Knoop superior a 2000.

Description

Procedimiento de fabricación de granos abrasivos constituidos por alúmina policristalina.
Granos abrasivos constituidos por alúmina policristalina.
Ámbito técnico de la invención
La invención se refiere a un procedimiento que permite obtener granos abrasivos a base de alúmina constituidos por cristales cuya dimensión es del orden de unas decenas de micrómetros y obtenidos por solidificación rápida de alúmina en fusión.
Situación de la técnica
El uso de abrasivos a base de alúmina es muy antiguo y se remonta al uso del esmeril ya conocido por el mundo griego. Desde a mediados del siglo XX, la síntesis del corindón obtenido por fusión y solidificación de la alúmina dio granos abrasivos constituidos por cristales de alúmina \alpha con una estructura hexagonal compacta, cuyas dimensiones eran de varios milímetros. Por abuso de lenguaje, este tipo de material ha sido designado con el nombre de corindón electrofundido. Por supuesto, se trata de un material sólido cuya denominación se refiere al procedimiento de preparación.
Así, la mayor parte de los granos abrasivos obtenidos por trituración del corindón está constituida por monocristales hexagonales y sus propiedades mecánicas que son, en el mejor de los casos, las del cristal de alúmina, no pueden mejorarse.
Hace ya mucho tiempo que para obtener las mejores propiedades mecánicas y abrasivas, se procuró fabricar un material constituido por cristales con dimensiones lo más pequeñas posible, cada grano abrasivo está constituido por un ensamblaje de cristales, de suerte que sus propiedades mecánicas resultan no sólo de la naturaleza de los cristales de los que estaba constituido, sino también y sobre todo de la existencia de numerosas juntas de granos que permiten una consolidación del grano.
Así, la patente US 1192709 (Carborundum), presentada en 1914, describe alúmina electrofundida con cristales con una dimensión incluida entre 10 y
300 \mum (100 \mum por término medio) colada en placas finas, en una lingotera estrecha con un espesor inferior a 150 mm. Esta vía de solidificación rápida también fue explorada en 1932 por Alcoa (patentes US 1798261 y US 1871793) que proponía la atomización de la alúmina electrofundida para transformarla en esferas huecas con un diámetro inferior a 5 mm y constituidas por cristales inferiores a 250 \mum. Una técnica bastante parecida viene descrita en la patente GB 284131 de Metallbank. La patente US 3781172 permite obtener cristales de alúmina electrofundida con una dimensión inferior a 50 \mum colando ésta sobre un lecho de gránulos fríos de misma composición, lo que acelera la refrigeración. Sin embargo, la experiencia muestra que esta técnica no da buenos resultados, porque la alúmina líquida penetra mal entre los granos fríos.
La patente nº 136 828 de la República Checa describe un procedimiento en el que el corindón líquido se vierte en un molde y se somete a una refrigeración súbita combinada con la aplicación de ultrasonidos.
La patente FR 1319102 (Norton), presentada en 1961, describe un procedimiento y un dispositivo de colada con refrigeración rápida para abrasivos aluminosos, que consiste en colar una banda fina en un cilindro rotativo. Se obtienen cristales con una dimensión incluida entre 1 y 30 \mum. La patente FR 2242462 (Norton), presentada en 1977, se refiere a un procedimiento y a un aparato de colada de abrasivos entre dos bandas metálicas para formar una lámina fina. En este caso, el efecto de temple viene limitado por la baja conductividad térmica del corindón. Al parecer estos procedimientos de fundición en placas finas no han dado lugar a realizaciones industriales.
En 1979, aparecieron las alúminas procedentes de un procedimiento sol-gel, obtenidas por calcinación y sinterización de un hidrato de alúmina, la mayoría de las veces la boehmita, obtenida por precipitación a partir de una solución de sal o de alcóxido de aluminio. Este tipo de material permite preparar granos abrasivos constituidos por un ensamblaje de cristales con una dimensión inferior al micrómetro, lo que los da excelentes propiedades mecánicas. Hoy día, este material se utiliza corrientemente para la fabricación de muelas de rectificación en las que entra con un 30% en peso de su composición, el sueldo viene constituido por corindón electrofundido clásico. El coste muy elevado de las alúminas sol-gel es la explicación comúnmente sostenida para justificar esta proporción de 30%.
La presente invención tiene por objeto proveer una alúmina electrofundida que conserve la morfología propia de las alúminas electrofundidas pero que presente una cristalización controlada mucho más fina que la del corindón del arte anterior y propiedades abrasivas claramente mejoradas.
Objeto de la invención
La invención tiene por objeto un procedimiento de fabricación de granos abrasivos a base de alúmina, que comprende la fusión de la alúmina, su colada con caudal constante inferior a 80 kg/min. y su refrigeración por dispersión de la alúmina fundida en finas gotitas para dar partículas con una dimensión inferior a 1 mm. Preferentemente, esta dispersión se hace por atomización asistida por ultrasonidos, con una frecuencia incluida entre 15 y 50 kHz.
El procedimiento según la invención permite obtener un grano abrasivo a base de alúmina electrofundida caracterizado porque está constituido por cristales con una estructura hexagonal, con una dimensión inferior a 100 \mum, y preferentemente a 30 pm y más preferentemente a 5 \mum, con una densidad superior a 97%, y preferentemente a 98%, de la densidad teórica de la alúmina y con una dureza Knoop de más de 2000. Los granos abrasivos así obtenidos no se reivindicaron en sí.
Descripción de la invención
Al analizar las propiedades de las alúminas sol- gel y los resultados obtenidos con las muelas fabricadas usando este tipo de material, la solicitante llegó a las siguientes conclusiones:
- la dureza de las alúminas sol-gel es muy elevada (dureza Knoop HK de 2100 a 2200) notablemente superior a la de los corindones electrofundidos del arte anterior.
- las partículas de alúmina sol-gel y las partículas de corindón electrofundido presentan morfologías diferentes: mientras que las partículas de corindón electrofundido son angulosas y presentan aristas vivas, las partículas de alúminas sol-gel son mucho más macizas y presentan formas redondeadas.
- la microestructura de la alúmina sol-gel es muy fina y está constituida por cristales hexagonales de alúmina \alpha con dimensiones submicrónicas, mientras que la microestructura de las alúminas electrofundidas es esencialmente monocristalina.
- muelas constituidas por diferentes proporciones de alúmina sol-gel y por corindón, mostraron que una muela preparada con 100% de alúmina sol-gel da resultados mediocres y que la asociación del corindón y de la alúmina sol-gel es imprescindible para obtener el nivel de resultados reivindicado por los fabricantes de alúmina sol-gel.
La solicitante atribuyó estos buenos resultados a la asociación de un producto cortante, el corindón, con un material de refuerzo muy duro, la alúmina sol-gel, lo que va en contra de todo lo que se dijo y escribió sobre el tema, por consiguiente, procuró reunir en un material único la morfología de los granos del corindón electrofundido y la dureza de la alúmina sol-gel. El medio explorado fue el de la solidificación rápida, precisamente para tratar de obtener una cristalización que sea lo más fina posible.
Teniendo en cuenta las propiedades físicas del corindón (calor de solidificación y conducción térmica en estado sólido), las técnicas clásicas utilizadas para obtener una solidificación rápida resultan muy insuficientes para obtener una reducción suficiente de la dimensión de los cristales.
Así, la experiencia muestra que para obtener cristales de unos 200 \mum, se tiene que colar a 5 mm de espesor, lo que a la vez requiere muchos medios y da pocos resultados con respecto a la dimensión de los cristales obtenidos. La atomización ha sido propuesta en la patente US 1871793 ya mencionada y permite obtener esferas huecas con un diámetro inferior a 5 mm y con un espesor de pared inferior a 250 \mum. No viene ninguna indicación sobre la dimensión de los cristales. Otros procedimientos de solidificación rápida fueron propuestos después, tales como los que vienen descritos en las patentes Norton FR 1319102 y FR 2422462, que indican velocidades de refrigeración comparables a las de las técnicas clásicas de temple y conducen a dimensiones de cristales relativamente elevadas, del orden de 200 \mum. Presentan pues poco interés práctico. Sin embargo, notaremos que la obtención de una cristalización más fina es interesante, porque modifica el comportamiento del material durante la trituración y permite obtener una repartición granulométrica que presenta un máximo hacia la malla correspondiente a la dimensión de los cristales.
Deseosa de explorar medios capaces de mejorar aún más los resultados de los granos abrasivos a base de alúmina electrofundida obtenidos por solidificación rápida, la solicitante ha encontrado que un parámetro importante para obtener una cristalización muy fina era el caudal de colada del corindón líquido, que es necesario mantener por debajo de 80 kg/min. y preferentemente por debajo de 50 kg/min. Tal caudal, muy inferior al que se suele practicar, puede obtenerse gracias a una boquilla de colada calentada, por ejemplo por inducción, para evitar una solidificación prematura en la boquilla.
También ha encontrado que se podía mejorar, con respecto a las técnicas del arte anterior, la dispersión del corindón en estado líquido antes de solidificarlo. La atomización en el aire o la granulación acuosa resultan ser medios insuficientes para obtener una dispersión adecuada del corindón líquido y es preciso adjuntarlos medios suplementarios que permiten obtener partículas con una dimensión que no excede
1 mm y del orden de unas décimas partes de mm. Con tales dimensiones, el material se presenta en forma de bolas casi esféricas, macizas o huecas según el caso, y mayormente constituidas por cristales con una dimensión que varía entre unos 20 y 30 \mum para las bolas con un diámetro de aproximadamente 1 mm hasta
10 \mum e inferior para las bolas de 0,2 mm de diámetro.
Un medio particularmente eficaz para obtener esta dispersión es la atomización asistida por ultrasonidos con una frecuencia preferentemente incluida entre 15 y 50 kHz.
Solidificado de esta manera, el corindón electrofundido conserva su cualidad primera que es la de dar granos cuya morfología presenta aristas vivas; por otra parte, presenta una densidad y una dureza superiores a las del corindón electrofundido del arte anterior; según esta técnica se puede lograr una densidad de 3,95, es decir una densidad superior a 98% de la densidad teórica de la alúmina (3,98) y una dureza Knoop de 2050. Gracias a su densidad elevada, las propiedades del grano policristalino se aproximan de las de un grano monocristalino perfecto.
Sin embrago, el material así obtenido, cuya dureza no iguala la de la alúmina sol-gel, presenta un mejor compromiso en términos de forma de los granos, de dureza y de coste.
Ejemplos Ejemplo 1
En un horno de arco de fusión clásico, se funde alúmina que contiene 99,5% de Al_{2}O_{3} llevándola a unos 2200ºC. El contenido del horno se cuela de forma discontinua.
Con lingoteras previstas para recibir una masa de unas diez toneladas de corindón fundido, se obtienen por solidificación lenta lingotes constituidos por un material con una estructura basta perturbada por numerosas porosidades: a la periferia de los lingotes, la dimensión de los cristales es de unos mm, mientras que en el corazón, la dimensión de estos cristales logra varios cm.
Después de la trituración a 1 mm, el material obtenido está constituido mayormente por granos monocristalinos con una estructura hexagonal cuya densidad es de unos 3,7 y la dureza de 1900 Knoop. La proporción de granos con una granulometría P80 (según la nomenclatura de la FEPA: Federación Europea de Fabricantes de Abrasivos), es decir que la mitad de los granos ha de tener un grosor superior a 185 \mum, es de unos 18%.
Ejemplo 2
Con los mismos medios de fusión que los del ejemplo 1, pero limitando el basculamiento del horno para que el caudal de corindón líquido no exceda 1,5 t en 10 min., se cuela el corindón líquido sobre una placa de cobre interiormente refrigerada por circulación de agua. La placa de cobre viene inclinada a 30º para limitar el espesor de la placa de corindón que se solidifica sobre el cobre. Así, se obtuvieron placas de unos 5 mm de espesor que se trituraron después a 1 mm.
La proporción de granos P80 es de 38%, notablemente más elevada que en el caso precedente. El examen de los granos así obtenidos hace aparecer que el material preparado de esta manera está constituido mayormente por cristales hexagonales cuya dimensión se extiende de 150 a 250 \mum. La densidad es de 3,8 y la dureza Knoop de 1925.
Ejemplo 3
Con los mismos medios de fusión que los del ejemplo 1 y en las condiciones de basculamiento del horno del ejemplo 2, se cuela el corindón líquido sobre un canal a la salida del que se atomiza con un chorro de aire. Se obtienen bolas huecas cuyo diámetro exterior es inferior a unos 5 mm. Estas bolas están constituidas por cristales con una estructura hexagonal cuya dimensión se sitúa entre 100 y 250 \mum. La densidad es de 3,85 y la dureza Knoop de 1950.
Ejemplo 4
En el fondo de la cuba de un horno de arco de fusión de 1 MW, se adapta una boquilla de colada continua cuyo canal de colada tiene un diámetro de 12 mm; la boquilla se calienta por inducción mediante un generador de 10 kHz; la potencia disponible en el generador es de 50 kW. El horno se alimenta con la misma materia prima que en los tres ejemplos precedentes. El caudal de corindón líquido obtenido a través de la boquilla es de 36 kg/min.
Este chorro de corindón líquido se dirige hacia un sonotrodo constituido por una lámina de titanio inclinada a 45º y puesta en vibración por una fuente de ultrasonidos con una frecuencia de 15 kHz. Así es como se dispersa el chorro de corindón fundido en partículas de más o menos 0,1 mm y se comprueba que el chorro de material en fusión no entra en contacto con el sonotrodo y deja un espacio de aproximadamente
1 mm entre el sonotrodo y el chorro de líquido.
El examen del material obtenido muestra que está constituido mayormente por cristales elementales cuya dimensión es inferior a 5 \mum, con una densidad de 3,95 y con una dureza Knoop de 2050.
Ejemplo 5
Después de la trituración para la obtención de un grano P80 según la norma FEPA, los productos procedentes de los cuatro ejemplos precedentes se utilizan para la realización de muelas en condiciones idénticas. Después, se realiza una prueba de las muelas mediante un esmerilado en un acero 100C6 bajo una presión de 0,25 Mpa y una velocidad de avance de 60 m/s.
También se probaron en las mismas condiciones una muela preparada a partir de una mezcla de 70% (en peso) de producto del ejemplo 2 y 30% de alúmina sol-gel y una muela totalmente preparada a partir de alúmina sol-gel.
Se examinan las relaciones entre la masa de metal sacado y la masa de muela perdida, lo que da:
Para el producto del ejemplo 1: 30
Para el producto del ejemplo 2: 50
Para el producto del ejemplo 3: 55
Para el producto del ejemplo 4: 120
Para la mezcla 70% de producto del ejemplo 2 y 30% de sol-gel: 150
Para la alúmina sol-gel pura: 60

Claims (3)

1. Procedimiento de fabricación de granos abrasivos a base de alúmina electrofundida, que comprende la fusión de la alúmina, su colada con un caudal constante inferior a 80 Kg/min. y su refrigeración por dispersión de la alúmina fundida en finas gotitas por atomización asistida por ultrasonidos con una frecuencia incluida entre 15 y 50 kHz para dar partículas con una dimensión inferior a 1 mm.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, caracterizado porque el caudal de colada es inferior a 50 kg/min.
3. Procedimiento según una de las reivindicaciones 1 o 2, caracterizado porque la colada se hace a través de una boquilla calentada por inducción.
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