ES2201516T3 - Material aglomerante a baja temperatura para herramientas abrasivas. - Google Patents
Material aglomerante a baja temperatura para herramientas abrasivas.Info
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Abstract
Un material aglomerante vítreo para fabricar una herramienta abrasiva de amolado, comprendiendo el material aglomerante vítreo después de la cocción un máximo de aproximadamente 45% en moles de SiO2, un máximo de aproximadamente 15% en moles de Al2O3, de 24% a 35% en moles de B2O3, de 15% a 30% en moles de óxidos alcalinos, comprendiendo los óxidos alcalinos al menos 5% en moles, sobre una base de material aglomerante, de óxido de litio, y teniendo una proporción molar de B2O3 con óxidos alcalinos de 0, 8:1 a 1, 7:1.
Description
Material aglomerante a baja temperatura para
herramientas abrasivas.
Esta invención se refiere a herramientas
abrasivas, en particular, a los discos abrasivos vitrificados
hechos con un material aglomerante a baja temperatura y que
contienen granos abrasivos de alúmina sol-gel
sinterizada. Las herramientas abrasivas se caracterizan por tener
una resistencia mejorada a la degradación del grano ocasionada por
la fatiga del material aglomerante durante la fabricación de las
herramientas. La invención incluye además una composición de
material aglomerante vitrificado que es adecuada para una cocción
a temperaturas relativamente bajas, tales como
600-875ºC.
Se sabe que las herramientas abrasivas que
comprenden granos abrasivos de alúmina sol-gel
sinterizada con o sin promotores de la cristalización, a los que
también se denominan granos abrasivos de alfa alúmina
microcristalina (MCA), proporcionan un rendimiento superior en el
amolado de diversos materiales. La fabricación y las
características de estos granos MCA y el rendimiento de éstos en
diversas aplicaciones se describen en, por ejemplo, los documentos
de patente US-A-4623364,
US-A-4314827,
US-A-4744802,
US-A-4898597 y
US-A-4543107, cuyos contenidos se
incorporan de aquí en adelante como referencia.
Las herramientas abrasivas con material
aglomerante vítreo o vidriado que contienen granos MCA tienen como
utilidad comercial la realización de amolados de las piezas
metálicas de precisión y de otros componentes industriales que
requieren que el rendimiento del amolado sea consistente y esté
mejorado. Para que al fabricar este tipo de herramientas abrasivas
se consiga una calidad consistente, se deben evitar las reacciones
entre los componentes del material aglomerante vidriado y los granos
MCA a las temperaturas típicas que se obtienen durante la cocción
del material aglomerante, por ejemplo, a
1100-1400ºC. Al controlar estas reacciones, se
minimiza el daño sobre la estructura microcristalina crítica del
grano.
Para reducir el impacto de la reacción entre el
grano MCA y el material aglomerante vitrificado, el documento
US-A-4543107 describe una
composición de material aglomerante adecuada para una cocción a una
temperatura tan baja como aproximadamente 900ºC. En un acercamiento
alternativo, el documento
US-A-4898597 describe una
composición de material aglomerante que comprende por lo menos 40%
de materiales calcinados que son adecuados para una cocción a una
temperatura tan baja como aproximadamente 900ºC. En ciertas
aplicaciones de amolado, estos materiales aglomerantes a baja
temperatura ha demostrado no tener la fuerza mecánica suficiente
para satisfacer los objetivos comerciales que impulsan el
desarrollo de otros materiales aglomerantes más fuertes.
Se han descrito materiales aglomerantes
vitrificados que se caracterizan por tener una fuerza mecánica
mejorada y que se usan tanto con óxido de alúmina o con granulados
abrasivos MCA (que también se llaman alfa alúmina
sol-gel) para fabricar discos de amolado que
tienen mejoradas las propiedades de su forma de adherencia. Dichos
materiales aglomerantes se describen en los documentos
US-A-5203886, US-
A-5401284 y
US-A-5536283, los cuales se
incorporan de aquí en adelante como referencia. Estos materiales
aglomerantes vitrificados se pueden cocer a temperaturas
relativamente bajas (por ejemplo, aproximadamente
900-1100ºC) para evitar la reacción con el grano
abrasivo de alto rendimiento alfa alúmina sol-gel
sinterizado. Los discos que se fabrican con estos materiales
aglomerantes y con el grano MCA muestran un rendimiento excelente
en el acabado de piezas móviles de precisión, en particular piezas
metálicas ferrosas.
En particular, el documento
US-A-5203886 describe dos materiales
aglomerantes específicos para abrasivos con material aglomerante
vitrificado. El material aglomerante A es un material aglomerante
sin tratar que tiene una composición de cocción de 46,3% de su
peso en SiO_{2}, 18,6% de su peso en B_{2}O_{3}, 17,8% en
peso de Al_{2}O_{3}, 1,5% en peso de CaO, 9,4% en peso de
Na_{2}O, 2,9% en peso de K_{2}O, 1,8% en peso de Li_{2}O,
1,0% en peso de CoO y 0,7% en peso de Fe_{2}O_{3}, TiO y MgO.
El material aglomerante B es una frita de material aglomerante cuya
composición de cocción es de 56,6% en peso de SiO_{2}, 26,1% en
peso de B_{2}O_{3}, 7,5% en peso de Al_{2}O_{3}, 2,2% en
peso de CaO, 5,3% en peso de Na_{2}O, 0,1% en peso de K_{2}O,
no tiene Li_{2}O, 1,2% en peso de CoO y 1,0% en peso de
Fe_{2}O_{3}, TiO y MgO. En general, las temperaturas de cocción
de los productos abrasivos del documento
US-A-5203886 son superiores a
aproximadamente 600ºC y están por debajo de aproximadamente 1050ºC,
preferiblemente en un intervalo entre aproximadamente 800ºC y
aproximadamente 1000ºC. En los ejemplos, se hace hincapié en que
los discos se cocieron a 900ºC.
El documento
EP-A-0636457 (que se corresponde con
el anteriormente mencionado documento
US-A-5401284) describe un material
aglomerante vítreo para una disco abrasivo de amolado que comprende
un abrasivo de alúmina sol-gel. El material
aglomerante vítreo contiene después de la cocción más de 47% en peso
de SiO_{2}, menos de aproximadamente 16% en peso de
Al_{2}O_{3}, menos de aproximadamente 2,5% en peso de
K_{2}O, más de aproximadamente 2,0% en peso de Li_{2}O, y menos
de aproximadamente 18% en peso de B_{2}O_{3}. La única
temperatura de cocción para los discos de amolado que se menciona
en el documento EP-A-0636457 es de
1000ºC.
Por último, los documentos
US-A-5536283 y
US-A-5573561 (que son unas
aplicaciones que en parte son continuación del documento
US-A-5401284) describen unos
materiales aglomerantes vítreos para discos abrasivos de amolado en
donde los materiales aglomerantes contienen después de la cocción
más de 47% en peso de SiO_{2}, menos de aproximadamente 16% en
peso de Al_{2}O_{3}, de aproximadamente 0,5 a aproximadamente
2,5% en peso de K_{2}O, de aproximadamente 7 a aproximadamente
11% en peso de Na_{2}O, de aproximadamente 2,0 a aproximadamente
10,0% en peso de Li_{2}O, y de aproximadamente 9 a
aproximadamente 16% en peso de B_{2}O_{3}. La temperatura a la
que se han cocido estos materiales aglomerantes es de 1000ºC, según
los ejemplos de estos documentos.
Ahora se ha descubierto que al seleccionar
materiales apropiados para la composición, los materiales
aglomerantes adecuados se pueden fabricar y cocer a aproximadamente
600-875ºC, preferiblemente a
700-800ºC. En particular, al seleccionar los
contenidos apropiados de óxido de boro, óxidos alcalinos y óxidos
alcalino-térreos y al mantener en estos materiales
aglomerantes las proporciones de óxido de boro a óxido alcalino,
óxido de sodio a óxido de litio, óxido de silicio a la combinación
de óxidos alcalinos y óxidos alcalino-térreos, y
después al formular un disco que comprende este nuevo material
aglomerante y el grano MCA, se pueden producir herramientas
abrasivas que tienen un índice G (índice de amolado) mejorado y un
rendimiento de amolado con una potencia reducida de desbaste y un
acabado aceptable de la superficie de la pieza. Estas herramientas
son una mejora de las herramientas de grano MCA con material
aglomerante vitrificado y cocción a baja temperatura que se
conocían con anterioridad en esta técnica.
La invención es una herramienta abrasiva que
comprende el grano MCA y un nuevo material aglomerante vítreo en la
que el material aglomerante vítreo después de la cocción contiene
menos de aproximadamente 45% en moles de SiO_{2}, un máximo de
aproximadamente 15% en moles de Al_{2}O_{3}, de aproximadamente
24 a aproximadamente 35% en moles de B_{2}O_{3}, de
aproximadamente 15 a aproximadamente 30% en moles de óxidos
alcalinos que comprenden al menos 5% en moles de óxido de litio,
sobre la base del material aglomerante, y la proporción molar de
B_{2}O_{3} a óxidos alcalinos va de 0,8:1 a 1,7:1. El material
aglomerante puede incluir óxidos alcalino-térreos.
El material aglomerante de preferencia después de la cocción
contiene un máximo de 40% en moles de SiO_{2} y la proporción
molar de SiO_{2} a los contenidos combinados de óxidos alcalinos
y óxidos alcalino-térreos, si éstos últimos están
presentes en el material aglomerante, es de al menos 1,15:1,0.
En el procedimiento de la invención, el nuevo
material aglomerante puede ser cocido a 600-875ºC,
preferiblemente a 700-800ºC, para formar una
herramienta abrasiva que posee propiedades mecánicas adecuadas para
realizar operaciones de amolado. El disco abrasivo comprende de 3 a
25% en volumen de material aglomerante vitrificado, de 10 a 56% en
volumen de grano abrasivo MCA, y, de manera opcional, entre
aproximadamente 0,1 y aproximadamente 60% en volumen de granos
abrasivos secundarios, de agentes de relleno y de complementos. La
invención incluye además una herramienta abrasiva que tiene un
rendimiento mejorado de amolado, en particular al realizar un
amolado de las piezas móviles ferrosas de precisión.
Las herramientas abrasivas con material
aglomerante vitrificado de la presente invención contienen grano
abrasivo MCA. El grano MCA o alúmina sol-gel se
produce usando un procedimiento sol-gel tanto con
promotores de la cristalización como sin ellos. Como se usa en el
presente documento, el término "granulado de alúmina
sol-gel" es un granulado de alúmina que se
fabrica mediante un procedimiento que comprende la peptización de
un sol de un óxido de aluminio monohidrato de manera que se forme
un gel, el secado y cocción del gel para sinterizarlo, y después la
rotura, el tamizado y la separación por tamaños del gel
sinterizado para formar granos policristalinos hechos con
microcristales de alfa alúmina (por ejemplo, al menos
aproximadamente 95% de alúmina).
Además de los microcristales de alfa alúmina, el
sol inicial puede incluir también hasta 15% en peso de espinela,
mullita, dióxido de manganeso, dióxido de titanio, óxido de
magnesio, óxidos metálicos de tierras raras, polvo de óxido de
circonio o un precursor del óxido de circonio (que se puede añadir
en grandes cantidades, por ejemplo, en 40% en peso o más), u otros
aditivos compatibles o precursores del mismo. Estos aditivos se
incluyen con frecuencia para modificar propiedades tales como la
resistencia a la fractura, la dureza, la fragilidad, la mecánica de
las fracturas o el comportamiento de secado.
Se ha informado acerca de la existencia de muchas
modificaciones en el grano de alfa alúmina
sol-gel. Todos los granos dentro de esta clase son
apropiados para su uso en la presente invención y el término grano
MCA se define de manera que incluye a cualquier grano que contenga
al menos 60% de microcristales de alfa alúmina con al menos 95% de
densidad teórica y una dureza Vickers (500 gramos) de al menos 18
GPa a 500 gramos. Los microcristales típicamente pueden tener un
tamaño que varía de aproximadamente 0,2 a aproximadamente 1,0
\mum para un grano con promotores de la cristalización y de más
de 1,0 a 5,0 \mum para un grano sin promotores de la
cristalización.
Una vez que el gel se ha formado, se le puede dar
forma mediante cualquier procedimiento conveniente, tal como
presión, moldeado o extrusión y después se seca cuidadosamente
para fabricar una masa sin grietas de la forma deseada.
Se puede dar forma y cortar el gel para que tenga
el tamaño adecuado para su cocción o simplemente se puede extender
en un molde para que tenga la forma conveniente y después secarse,
típicamente a una temperatura por debajo de la temperatura de
formación de espuma del gel. Se pueden usar cualquiera de los
diversos procedimientos de deshidratación, incluyendo la extracción
con disolventes, para eliminar el agua libre del gel y formar un
sólido.
Después de que se seque el sólido, se puede
cortar o maquinar para darle la forma deseada o se puede prensar o
partir mediante cualquier procedimiento adecuado, tal como un
molino de martillos o de bolas, para formar partículas o granos. Se
puede usar cualquier procedimiento que sirva para fragmentar
sólidos.
Después de darle forma, el gel seco se puede
entonces calcinar para esencialmente eliminar todas las sustancias
volátiles y transformar los diversos componentes de los granos en
materiales cerámicos (óxidos de metales). En general, el gel seco
se calienta hasta que se elimina el agua libre y la mayoría del agua
ligada. El material calcinado es entonces sinterizado por
calentamiento y se mantiene en un intervalo de temperatura adecuado
hasta que prácticamente todo el óxido de aluminio monohidrato se
convierte en cristales de alfa alúmina.
Como se ha mencionado anteriormente, la alúmina
sol-gel puede tener promotores de la cristalización
o no. En las alúminas sol-gel con promotores de la
cristalización, los lugares de la nucleación se introducen de manera
deliberada o se crean in situ en la dispersión del óxido de
aluminio monohidrato. La presencia en la dispersión de lugares de
nucleación disminuye la temperatura a la que se forma alfa alúmina
y produce una estructura cristalina extremadamente precisa.
Los promotores de la cristalización adecuados son
de sobra conocidos en la técnica. En general, tienen una estructura
cristalina y parámetros de entramado que son lo más parecido
posibles a los de alfa alúmina. Los promotores de la cristalización
que se pueden usar incluyen, por ejemplo, alfa alúmina particulada,
óxido férrico alfa (Fe_{2}O_{3}), precursores de alfa alúmina
o de óxido férrico alfa que se convierten respectivamente en alfa
alúmina o en óxido férrico alfa a una temperatura por debajo de la
cual alúmina monohidrato se transformaría en alfa alúmina. Sin
embargo, estos tipos de promotores de la cristalización se indican
como un ejemplo, no como una limitación. Estas partículas
promotoras de la cristalización deberían tener preferiblemente un
tamaño submicroscópico para que resulten eficaces.
Preferiblemente, si se usa una alúmina
sol-gel con promotores de la cristalización, la
cantidad de material promotor no debería exceder en aproximadamente
10% en peso de alúmina hidratada y normalmente no existe beneficio
alguno en cantidades que exceden en aproximadamente 5% en peso. Si
el promotor de la cristalización tiene una precisión adecuada (un
área superficial de aproximadamente 60 m^{2} por gramo o más),
preferiblemente se usarán cantidades que van de aproximadamente 0,5
a 10% en peso, y más preferiblemente aproximadamente de 1 a 5% en
peso. Los promotores de la cristalización también se pueden añadir
usando un precursor que se convierte en una forma de promotor de
la cristalización activo a una temperatura por debajo de la cual
se forma alfa alúmina.
También se puede usar en algunos casos un
abrasivo de alúmina sol-gel sin promotores de la
cristalización. Este abrasivo se puede fabricar usando el mismo
procedimiento que se describe arriba, excepto por la etapa que
indica la introducción de partículas promotores de la
cristalización; se pueden añadir al sol o gel suficiente cantidad
de óxidos metálicos de tierras raras o sus precursores para que tras
la cocción resulte al menos aproximadamente 0,5% en peso y
preferiblemente de aproximadamente 1 a 30% en peso de óxido
metálico de tierras raras.
Las herramientas abrasivas de la invención
comprenden un grano abrasivo MCA, un material aglomerante
vitrificado, típicamente de 35 a 65% en volumen de porosidad en la
herramienta, y, de forma opcional, uno o más tipos de granos
abrasivos secundarios, de agentes de relleno o de complementos. Las
herramientas abrasivas preferiblemente comprenderán de 10 a 56% en
volumen de grano abrasivo MCA. La cantidad de grano abrasivo que se
usa en la herramienta y el porcentaje de abrasivo secundario
pueden variar ampliamente. Las composiciones de las herramientas
abrasivas de la invención tienen preferiblemente un contenido total
de grano abrasivo que varía entre aproximadamente 34 y
aproximadamente 56% en volumen, y más preferiblemente entre
aproximadamente 40 y aproximadamente 54% en volumen, y la más
preferible entre aproximadamente 44 y aproximadamente 52% en
volumen de grano.
El abrasivo MCA proporciona preferiblemente entre
aproximadamente 5 y aproximadamente 100% en volumen de todo el
grano abrasivo de la herramienta y más preferiblemente entre
aproximadamente 30 y aproximadamente 70% en volumen de todo el
abrasivo de la herramienta.
Cuando se usan granos abrasivos secundarios,
dichos granos abrasivos preferiblemente suponen entre
aproximadamente 0,1 y aproximadamente 95% en volumen de todo el
grano abrasivo de la herramienta, y más preferiblemente, entre
aproximadamente 30 y aproximadamente 70% en volumen. Los granos
abrasivos secundarios que se pueden usar incluyen los de óxido de
aluminio, carburo de silicio, nitruro de boro cúbico, diamante,
granos de granate y pedernal y las combinaciones de los mismos,
sin que esto suponga una limitación.
A las composiciones de las herramientas abrasivas
opcionalmente se añade la porosidad. Las composiciones de las
herramientas abrasivas de la invención contienen preferiblemente
entre aproximadamente 0,1 y aproximadamente 68% en volumen de
porosidad, más preferiblemente entre aproximadamente 28 y
aproximadamente 56% en volumen, y lo más preferible entre
aproximadamente 30 y aproximadamente 53% en volumen. La porosidad
se forma gracias tanto al espaciado natural que proporciona
naturalmente la densidad de empaquetamiento de los materiales como
al procedimiento convencional para inducir el poro, que incluye el
uso de cuentas de vidrio huecas, cáscaras de nuez, cuentas de
materiales plásticos o de compuestos orgánicos, partículas de lana
de vidrio y bolas de alúmina, y las combinaciones de los mismos, sin
que esto suponga una limitación.
Las herramientas abrasivas de la presente
invención están ligadas con un material aglomerante vítreo. El
material aglomerante vítreo usado contribuye de manera
significativa al rendimiento mejorado del amolado que tienen las
herramientas abrasivas de la presente invención. Las materias
primas para el material aglomerante incluyen preferiblemente
arcilla plástica de Kentucky nº 6 (Kentucky Ball Clay nº 6),
caolín, alúmina, carbonato de litio, borax pentahidrato o ácido
bórico y cenizas de sosa, pedernal y wollastonita. Se pueden
añadir fritas a las materias primas o usarlas en vez de dichas
materias. Estos materiales aglomerantes en combinación contienen
preferiblemente los siguientes óxidos: SiO_{2}, Al_{2}O_{3},
Na_{2}O, Li_{2}O y B_{2}O_{3}. Además se presentan con
frecuencia óxidos alcalino-térreos, tales como CaO,
MgO y BaO.
La composición del disco abrasivo contiene
preferiblemente de aproximadamente 3 a aproximadamente 25% en
volumen de material aglomerante, más preferiblemente contiene de
aproximadamente 4 a aproximadamente 20% en volumen de material
aglomerante, y lo más preferible es que contenga de aproximadamente
5 a aproximadamente 18,5% en volumen de material aglomerante.
El material aglomerante después de la cocción
contiene menos de aproximadamente 40% en peso de SiO_{2},
preferiblemente de aproximadamente 31 a aproximadamente 38% en
peso de SiO_{2}, y lo más preferible, de aproximadamente 32 a
aproximadamente 37% en peso de SiO_{2}; menos de aproximadamente
17% en peso de Al_{2}O_{3}, preferiblemente de aproximadamente
13 a aproximadamente 16% en peso de Al_{2}O_{3}, y lo más
preferible, de aproximadamente 14 a aproximadamente 16% en peso de
Al_{2}O_{3}; más de aproximadamente 2,5% en peso de Li_{2}O,
preferiblemente de aproximadamente 3,5 a aproximadamente 10,0% en
peso de Li_{2}O, más preferiblemente de aproximadamente 3,5 a
aproximadamente 5,0% en peso de Li_{2}O, y lo más preferible, de
aproximadamente 3,5 a aproximadamente 4,7% en peso de Li_{2}O; más
de aproximadamente 20% en peso de B_{2}O_{3}, preferiblemente
de aproximadamente 22 a aproximadamente 35% en peso de
B_{2}O_{3}, y más preferiblemente de aproximadamente 24 a
aproximadamente 33% en peso de B_{2}O_{3}. En la mayoría de los
materiales aglomerantes de la invención, los óxidos alcalinos
incluyen, sobre una base del % en peso del material aglomerante,
entre aproximadamente 10 y aproximadamente 16% en peso de
Na_{2}O, y más preferiblemente entre aproximadamente 11 y
aproximadamente 15% en peso de Na_{2}O; y cantidades menores, por
ejemplo aproximadamente entre 0,06 y 0,15% en peso de K_{2}O. El
óxido de cobalto (CoO) y otras fuentes de color no son necesarias
en la invención, pero se pueden incluir allí donde se desea
conseguir un color para el material aglomerante. Otros óxidos,
tales como Fe_{2}O_{3}, TiO_{2} y P_{2}O_{5}, y óxidos
alcalino-térreos, que incluyen CaO, MgO y BaO, se
dan como impurezas en las materias primas y se pueden encontrar o
añadir al material aglomerante de la invención, pero no resultan
esenciales al fabricar el material aglomerante.
En una realización de la invención, las materias
primas se seleccionan para producir hasta aproximadamente 5% en
peso de CaO, más preferiblemente entre aproximadamente 0,1 y
aproximadamente 4,5% en peso de CaO, y lo más preferible
aproximadamente 0,15% en peso de CaO, en el material aglomerante
cocido. Los óxidos alcalino-térreos, que no sean
CaO, también son útiles. Sin embargo, los óxidos
alcalino-térreos se pueden usar en el material
aglomerante de la invención sólo si el material aglomerante vítreo
después de la cocción comprende una proporción molar de SiO_{2} a
los contenidos combinados de óxidos
alcalino-térreos y óxidos alcalinos de al menos
1,15:1,0, cuando el material aglomerante comprende un máximo de 40%
en moles de SiO_{2}. Cantidades mayores de estos óxidos
combinados, en relación con SiO_{2}, hacen que el material
aglomerante de la invención sea demasiado blando para usarse en
muchas operaciones de amolado. Las cantidades preferibles de óxidos
alcalino-térreos sólo se seleccionan en
herramientas abrasivas diseñadas para ser usadas en procedimientos
de amolado donde los relativamente altos índices de desgaste de la
herramienta y del disco son deseables para producir una potencia
baja de desbaste, o para conseguir un acabado mejorado de la
superficie o para eliminar mejor los restos del amolado, o para
conseguir otros beneficios relacionados.
Los aglutinantes orgánicos se añaden
preferiblemente a los componentes del material aglomerante
pulverizado, ya sea en frita o sin tratar, como unas ayudas para
moldearlos o procesarlos. Estos aglutinantes pueden incluir
dextrinas y otros tipos de pegamentos, un componente líquido, como
es agua o etilenglicol, modificadores de la viscosidad o del PH y
coadyuvantes del mezclado. Usar aglutinantes mejora la uniformidad
del disco y la calidad estructural del disco presionado antes de la
cocción o en crudo y del disco después de la cocción. Como los
aglutinantes se queman durante el procedimiento de cocción, no
pasan a formar parte del material aglomerante final o de la
herramienta abrasiva.
Los discos abrasivos pueden ser cocidos a las
temperaturas relativamente bajas que se indican en la presente
invención mediante procedimientos conocidos por aquellos expertos
en la materia. Las condiciones de cocción se determinan en primer
lugar por el material aglomerante y por los abrasivos reales que
se usan. El material aglomerante se cuece de 600 a 875ºC,
preferiblemente de 700 a 800ºC, para proporcionar las propiedades
mecánicas necesarias para amolar metales y otras piezas.
La masa aglomerante vitrificada puede además
estar también impregnada, después de la cocción de una manera
convencional, de un coadyuvante del amolado, tal como azufre, o
con un vehículo, tal como resina epoxy, para introducir un
coadyuvante del amolado en los poros del disco. Sorprendentemente,
las herramientas abrasivas resultantes tienen un rendimiento
mejorado de amolado con respecto a herramientas hechas con
materiales aglomerantes comerciales cocidos a temperaturas más
altas.
Se facilitan los siguientes ejemplos como una
forma de ilustrar la invención, y no se consideran
limitaciones.
Las muestras de discos abrasivos se hicieron para
los ensayos y para comparar las propiedades de los discos de
materiales aglomerantes experimentales con las de los discos
hechos con material aglomerante de Norton Company que se usa
comercialmente con granos abrasivos MCA. Los materiales
aglomerantes experimentales tenían antes del procedimiento de
cocción la composición que se muestra en la Tabla 3. Las fritas de
vidrio pulverizadas (A o B) que se obtuvieron de Ferro Corporation,
Cleveland, Ohio y que se usaron en los materiales aglomerantes
tienen las composiciones que se muestra en la Tabla 1 más abajo.
Las composiciones químicas de la arcilla plástica de Kentucky nº
6, silicato de sodio, carbonato de litio y wollastonita que se
usaron en los materiales aglomerantes se muestran en la Tabla
2.
| Composición de las fritas (% en peso) | ||
| Óxido (% en peso) | Frita A | Frita B |
| SiO_{2} | 58,8 | 54,1 |
| Al_{2}O_{3} | 8,6 | |
| Na_{2}O | 5,3 | 7,7 |
| CaO | 0,2 | |
| B_{2}O_{3} | 26,8 | 38,2 |
| Composición de la materia prima (% en peso) | |||||||||
| Ignición | |||||||||
| Óxido: | SiO_{2} | Al_{2}O_{3} | CaO | Na_{2}O | K_{2}O | Li_{2}O | B_{2}O_{3} | Impur. | Pérdida |
| KBC nº 6 | 63,8 | 23,1 | 0,1 | 0,2 | 0,4 | 3,7 | 8,7 | ||
| Caolín | 46,0 | 37,6 | 0,2 | 0,1 | 0,4 | 1,5 | 14,2 | ||
| Alúmina | 99,8 | 0,1 | 0,1 | ||||||
| Cenizas de sosa | 58,5 | 41,5 | |||||||
| Carbonato de litio | 0,2 | 40,1 | 59,7 | ||||||
| Borax 5 mol | 21,3 | 47,8 | 30,9 | ||||||
| Wollastonita | 50,9 | 0,2 | 46,9 | 0,9 | 1,1 |
| Componentes de los materiales aglomerantes experimentales | ||||||
| Componente | Material | Material | Material | Material | Material | Material |
| aglom. 1 | aglom. 2 | aglom. 3 | aglom. 4 | aglom. 5 | aglom. 6 | |
| Arcilla plástica de Kentucky nº 6 | 1,0 | 1,5 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| Caolín | 32,4 | 28,3 | 22,0 | 37,5 | 11,0 | 14,5 |
| Carbonato de litio | 7,4 | 9,2 | 6,5 | 7,8 | 7,7 | 9,5 |
| Borax 5 mol | 33,7 | 28,0 | 29,6 | 30,0 | 34,0 | 28,0 |
| Frita A | 3,5 | 18,6 | 17,1 | 9,8 | 13,6 | 17,0 |
| Frita B | 22,0 | 8,0 | 10,9 | 3,3 | 18,4 | 10,8 |
| Cenizas de sosa | 0 | 6,4 | 0 | 4,1 | 0 | 6,8 |
| Alúmina | 0 | 0 | 13,9 | 7,5 | 7,8 | 6,0 |
| Wollastonita | 0 | 0 | 0 | 0 | 7,5 | 7,4 |
El material aglomerante se produce al mezclar en
seco cantidades de 1.000 g de materias primas en un recipiente
plástico con 10 bolas de una pulgada (2,54 cm) en un mezclador de
pintura durante 15 minutos (30 minutos para los materiales
aglomerantes 3-6). Los ensayos de cocción
preliminares que se realizaron en bolitas fabricadas con estos
materiales aglomerantes confirmaron que los materiales aglomerantes
experimentales 1-6 maduraron en un material
aglomerante eficaz a temperaturas que oscilan entre 600 y
800ºC.
En la Tabla 4, abajo, se muestran las
composiciones en porcentajes molares de los materiales
aglomerantes experimentales cocidos y de un material aglomerante
comercial que se usa con los granos abrasivos MCA.
| Composiciones en porcentajes molares de los materiales aglomerantes experimentales | |||||||
| Materiales aglomerantes | SiO_{2} | Al_{2}O_{3} | B_{2}O_{3} | Na_{2}O | Li_{2}O | K_{2}O | CaO |
| experimentales | |||||||
| Material aglomerante 1 | 39,72 | 10,08 | 29,57 | 11,87 | 8,03 | 0,12 | 0,13 |
| Material aglomerante 2 | 39,44 | 10,00 | 24,92 | 14,83 | 10,00 | 0,11 | 0,16 |
| Material aglomerante 3 | |||||||
| (comparativa) | 35,60 | 18,99 | 26,95 | 10,70 | 7,15 | 0,08 | 0,14 |
| Material aglomerante 4 | |||||||
| (comparativa) | 35,44 | 18,88 | 22,47 | 13,31 | 8,98 | 0,14 | 0,18 |
| Material aglomerante 5 | 34,78 | 10,01 | 30,09 | 11,81 | 8,04 | 0,04 | 4,97 |
| Material aglomerante 6 | 34,58 | 10,01 | 25,03 | 14,92 | 10,07 | 0,05 | 5,00 |
| Material aglomerante comercial 1 | 51,28 | 11,61 | 17,79 | 10,12 | 3,94 | 2,04 | 1,72 |
Los materiales aglomerantes se combinaron con un
grano abrasivo MCA, grano abrasivo de alúmina
sol-gel con promotores de la cristalización, con
granulado 120, Norton Company Targa® (con una proporción de
partículas filamentosas de aproximadamente 4:1) fabricados según el
documento de patente US-A-5009676,
expedido a Rue y col.). Los componentes del material aglomerante se
han mezclado previamente. El grano, la dextrina y el componente
aglutinante orgánico que contiene una mezcla que consiste en un
40% en peso de pegamento animal líquido, 30% en peso de ácido
málico en polvo y 30% en peso de agua, y etilenglicol, se mezclaron
en una amasadora Hobart N-50 (capacidad de mezcla
de 2 kg) a velocidad lenta. Se añade entonces al grano la mezcla
del material aglomerante previamente preparado.
La mezcla se tamiza usando un tamiz con malla de
abertura 18 para deshacer cualquier grumo. Después la mezcla se
presiona con barras que tienen unas medidas de 10,16 cm x 2,54 cm
x 1,77 cm (4'' x 1'' x 1/2'') en un aparato de tres cavidades para
moldear con barras. Las pérdidas en la ignición se calculan y la
gravedad específica del vidrio en cada material aglomerante se
considera al ajustar los porcentajes en peso de los componentes
del material aglomerante usados en cada muestra del ensayo para
obtener herramientas abrasivas experimentales que tienen
aproximadamente la misma dureza después de la cocción, es decir,
un compuesto de aproximadamente 9 por ciento en volumen de
material aglomerante de vidrio. En la Tabla 5 se muestran las
partes por peso de los componentes de la mezcla de barras de ensayo
antes de la cocción y las densidades en crudo (después del
presionado, antes de la cocción).
| Composiciones de las barras de ensayo (partes por peso) | |||||||
| Componentes | Mat. | Mat. | Mat. | Mat. | Mat. | Mat. | Control |
| Aglom.1 | Aglom.2 | Aglom.3 | Aglom.4 | Aglom.5 | Aglom.6 | ||
| Abrasivo | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 | 1,0000 |
| Aglutinante | 0,0334 | 0,0364 | 0,0314 | 0,0356 | 0,0314 | 0,0344 | 0,0324 |
| Material aglomerante | 0,1443 | 0,1468 | 0,1385 | 0,1469 | 0,1394 | 0,1438 | 0,1353 |
| Densidad en crudo - g/cc | 2,215 | 2,225 | 2,200 | 2,224 | 2,202 | 2,216 | 2,196 |
Las barras se cocieron en las siguientes
condiciones: a 50ºC por hora partiendo de la temperatura ambiente
hasta conseguir 350ºC, manteniendo la temperatura durante 4 horas,
entonces a 50ºC hasta conseguir 725ºC (procedimiento nº 1) o hasta
750ºC (procedimiento nº 2) o hasta 800ºC (procedimiento nº 3),
manteniendo durante 8 horas esa temperatura máxima, y después se
enfrían a temperatura ambiente en un horno periódico. Las barras
comparativas de muestra se hicieron en el horno periódico con un
material aglomerante comercial de Norton Company (componentes sin
tratar, cocidos a 900ºC durante 8 horas) usando el procedimiento de
mezclado y moldeado que se indica arriba.
Se ensayaron las barras para conseguir los
módulos de rotura en una máquina de ensayo mecánica Instron modelo
1125 con un tamiz inclinado de 4 puntos con un bastidor de carga de
7,62 cm (3''), una célula de carga de 2,54 cm (1'') y un índice de
carga de 0,127 cm (0,050'') por minuto a velocidad de cruce. La
información de la penetración del chorro de arena se genera
mediante barras de ensayo en una máquina de Norton Company para
medir chorros de arena (cámara nº 2) a 103,5 Kpa (15 p.s.i. (libras
por pulgada al cuadrado)) durante 10 segundos. El módulo de
elasticidad se determina usando una máquina para ensayos
Grindo-Sonic MK3S. En la Tabla 6 se muestran los
resultados (la media de 6 muestras).
Los resultados del ensayo indican que todos los
materiales aglomerantes experimentales han madurado durante la
cocción a temperaturas que no exceden de 800ºC para crear un
material aglomerante con la fuerza y las propiedades mecánicas
suficientes como para ser útil en la fabricación de herramientas
abrasivas adecuadas para el amolado de piezas metálicas.
| Fuerza y dureza de las barras de ensayo | |||||
| Material | Densidad de | Temperatura de | Módulo de | Módulo de | Penetración del |
| aglomerante: | cocción en | cocción en ºC | elasticidad en | rotura en Mpa | chorro arena en |
| g/cc | Gpa | (psi) | mm | ||
| Material aglom. 1: | 2,092 | 725 | 48,35 | 48,49 | 1,72 |
| (7028) | |||||
| Material aglom. 2: | 2,088 | 725 | 45,58 | 33,30 | 2,14 |
| (4826) | |||||
| Material aglom. 3: | 2,087 | 800 | 47,87 | 42,53 | 1,86 |
| (6164) | |||||
| Material aglom. 4: | 2,087 | 800 | 46,77 | 39,22 | 2,07 |
| (5685) | |||||
| Material aglom. 5: | 2,086 | 725 | 48,63 | 43,07 | 1,80 |
| (6243) | |||||
| Material aglom. 6: | 2,081 | 725 | 42,85 | 39,22 | 2,65 |
| (5685) |
El procedimiento nº 1 para los materiales
aglomerantes 1, 2, 5 y 6 y el otro procedimiento, procedimiento nº
3 para los materiales aglomerantes 3 y 4 (cocidos a 800ºC durante
8 horas) se usaron para hacer discos con un tamaño de acabado de 5
x 0,5 x 0,88 pulgadas (12,7 x 1,27 x 2,24 cm) a partir de los
materiales aglomerantes experimentales
1-6 y del material aglomerante de control. Los discos de control se hicieron usando un material aglomerante comercial usado con grano abrasivo MCA (un material aglomerante de materias primas descrito en el documento de patente
US-A-4543107, y cocido a 900ºC durante 8 horas) como se describió arriba para las barras de ensayo. Se usó el mismo grano MCA usado en las barras de ensayo a 48% en volumen en todos los discos.
1-6 y del material aglomerante de control. Los discos de control se hicieron usando un material aglomerante comercial usado con grano abrasivo MCA (un material aglomerante de materias primas descrito en el documento de patente
US-A-4543107, y cocido a 900ºC durante 8 horas) como se describió arriba para las barras de ensayo. Se usó el mismo grano MCA usado en las barras de ensayo a 48% en volumen en todos los discos.
Los ensayos de amolado se llevaron a cabo con
estos discos, usando las siguientes condiciones de ensayo:
Máquina para amolar: Amoladora Heald CF nº 1.
Amolado en húmedo por inmersión O.D.: 5% de
aceite, refrigerado con agua corriente, Trim E200 soluble en
agua.
Material de la pieza: Acero 52100, Rc60.
Tamaño de la parte de la pieza: 4,25 pulgadas
(10,80 cm) diámetro exterior.
Velocidad de la parte: 150 rpm; 167 sfpm (pies
superficiales por minuto) (51 smpm (metros superficiales por
minuto))
Índice de introducción en la pieza: 0,00016
pulgadas/segundo (0,0004 cm/segundo) 0,00032 pulgadas/segundo
(0,00081 cm/segundo).
Acabado de la cara del disco: disco giratorio CDP
nº 6766 True a una velocidad de acabado de 0,004 pulgadas (0,01
cm)/ revolución principal; 0,0005 pulgadas (0,0013 cm) profundidad
en día. del acabado por amolado.
Velocidad del disco: 6,250 rpm; 8180 sfpm (2495
smpm).
Número de amolados por ensayo: 2.
Índices de arranque de metal: 0,6 pulgada^{3} /
minuto en MRR; 0,240 de la pieza (3,87 cm^{3} / minuto cm MRR;
0,61 cm sobre el diámetro de la pieza) 1,2 pulgada^{3} / minuto
pulgada MRR; 0,240 sobre el diámetro de la parte (7,74 cm^{3} /
minuto cm MRR; 0,61 cm sobre el diámetro de la pieza).
Tiempo de apagado de las chispas: 5,2 segundos
después de cada amolado.
Los resultados se muestran en la Tabla 7. Entre
los materiales aglomerantes experimentales, el rendimiento del
amolado, es decir, los parámetros del índice G, de la potencia de
desbaste, de la triturabilidad y del acabado de la superficie, a un
índice de arranque de metal (MRR) constante, fueron superiores a
los de los discos comerciales de materiales aglomerantes de
control para los materiales aglomerantes 1, 2 y 5. Los materiales
aglomerantes experimentales 3, 4 y 6 no mostraron ventajas en el
rendimiento total sobre el material aglomerante de control.
| Rendimiento del amolado | ||||||
| Material | Alimentación | Índice G | Potencia | Triturabilidad | Acabado de | Ondulación de |
| aglom.: | MRR | MRR / | (en HP / | (pulgada^{3} / | superficie | la superficie |
| (pulgadas^{3} | WWR | pulgada) | HP \cdot | RA (en | (en | |
| / minuto \cdot | en KW / | minuto)** | \mupulgadas) | \mupulgadas) | ||
| pulgadas) | cm | en cm^{3} / KW | en \mum | |||
| En cm^{3} / | \cdot minuto | |||||
| minuto cm | ||||||
| Control | (0,573) 3,69 | 202 | 3,2 (10,9) | (10,61) | (35) 0,89 | (60) 1,52 |
| comercial | 233,06 | |||||
| 189 | 4,5 (15,4) | (13,18) | (45) 1,14 | (105) 2,66 | ||
| (1,076) 6,94 | 289,51 | |||||
| Exp. 1 Exp. | (0,576) 3,71 | 261 | 3,0 (10,3) | (14,58) | (33) 0,84 | (90) 2,28 |
| 320,27 | ||||||
| 196 | 4,2 (14,2) | (14,74) | (38) 0,96 | (70) 1,78 | ||
| (1,060) 6,83 | 323,78 | |||||
| Exp. 2 | (0,576) 3,71 | 242 | 2,8(9,5) | (14,68) | (35) 0,89 | (90) 2,28 |
| 322,46 | ||||||
| 189 | 4,0(13,8) | (14,69) | (45)1,14 | (80)2,03 | ||
| (1,074) 6,92 | 322,68 | |||||
| Exp. 3 | (0,514) 3,70 | 226 | 3,0 (10,3) | (12,61) | (35) 0,89 | (90) 2,28 |
| 276,99 | ||||||
| 179 | 4,2 (14,3) | (13,47) | (45) 1,14 | (130) 3,30 | ||
| (1,077) 6,95 | 295,89 | |||||
| Exp. 4 | (0,572) 3,69 | 226 | 3,0 (10,2) | (12,68) | (38) 0,96 | (85) 2,15 |
| 278,53 | ||||||
| 146 | 4,1 (13,9) | (11,07) | (43) 1,09 | (95) 2,41 | ||
| (1,054) 6,80 | 243,17 | |||||
| Exp. 5 | (0,572) 3,69 | 258 | 2,9(10,0) | (14,76) | (33) 0,84 | (70) 1,78 |
| 324,22 | ||||||
| 179 | 4,2 (14,2) | (13,55) | (40) 1,01 | (80) 2,03 | ||
| (1,076) 6,94 | 297,64 | |||||
| Exp. 6 Exp. | (0,571) 3,68 | 165 | 2,7 (9,2) | (10,22) | (40) 1,01 | (120) 3,04 |
| 224,49 | ||||||
| 135 | 3,6 (12,5) | (11,57) | (53) 1,34 | (115) 2,92 | ||
| (1,068) 6,89 | 254,15 | |||||
| ** La triturabilidad es igual al índice G X MRR / Potencia. |
Estos resultados muestran que el rendimiento del
amolado que se obtiene al usar discos que contienen los materiales
aglomerantes experimentales de la invención con grano de alúmina
sol-gel mejoraba en relación con los discos hechos
con un material aglomerante comercial cocido a 900ºC. La selección
de una formulación de material aglomerante que tenga una
proporción molar de B_{2}O_{3} a óxidos alcalinos de
aproximadamente 1:1 a 1,5:1 mejora el rendimiento del amolado y es
preferible. Un aumento en el contenido de Al_{2}O_{3} del
material aglomerante de 10 a 19% en moles no proporciona ningún
beneficio al amolado.
La sustitución de 5% en moles de SiO_{2} por 5%
en moles de CaO (muestra Exp. 6) tuvo un efecto mixto en el
rendimiento del amolado. Aunque el disco del Exp. 6 era demasiado
blando para realizar un amolado del diámetro exterior del acero,
tenía las propiedades mecánicas y un rendimiento de amolado
apropiado para su uso comercial en el amolado de piezas más
blandas o de piezas que requieran índices de arranque de metal
menos agresivos. De este modo, el Exp. 6 muestra que es preferible
una proporción molar de óxido de silicio a los contenidos
combinados de óxidos alcalino-térreos y óxidos
alcalinos de al menos 1,15:1,0 para operaciones típicas de amolado
de metales duros.
Los procedimientos nº 1 y nº 2 se usaron para
hacer ruedas (5 x 0,5 x 0,88 pulgadas) (12,7 x 1,27 x 2,24 cm)
usando el mismo % en volumen de los componentes del disco que se
usó en el Ejemplo 1, pero usando un componente de grano diferente.
Los discos contenían 48% en volumen de grano abrasivo que comprendía
una mezcla 1 a 1 de alúmina sol-gel filamentosa con
promotores de la cristalización: grano Alundum blanco 38A (grano
Targa® de granulado 120 y grano 38A de granulado 80, fabricado por
Norton Company). El porcentaje de material aglomerante (ajustado a
aproximadamente 9% en volumen, como en el Ejemplo 1) era el mismo
para todos los discos y proporcionó el mismo grado de dureza en
todos los discos. La misma formulación comercial que se usó en el
Ejemplo 1 se puso a prueba como una muestra de control. Se
pusieron a prueba los discos usando los mismos procedimientos de
ensayo que se describen arriba para las barras de ensayo. La
densidad de cocción, la penetración del chorro de arena y el
módulo de elasticidad para estos discos se midieron y los
resultados se muestran en la Tabla 8.
| Propiedades del disco | ||||
| Material aglom.: | Temperatura del | Densidad de cocción | Módulo de | Penetración del |
| procedimiento en ºC | en g/cc | elasticidad en GPa | chorro de arena en mm | |
| Control comercial | 900ºC | 2,115 | 45,38 | 2,03 |
| Exp. 1 | 725ºC | 2,107 | 45,41 | 1,92 |
| Exp. 2 | 750ºC | 2,104 | 45,39 | 2,03 |
| Exp. 5 | 750ºC | 2,105 | 46,70 | 1,88 |
| Exp. 5 | 725ºC | 2,094 | 43,65 | 2,17 |
Los ensayos de amolado se llevaron a cabo con
estos discos usando las mismas condiciones de ensayo de amolado
del Ejemplo 1, salvo que se cambiaron los siguientes
parámetros:
0,3 pulgadas^{3} / minuto pulgada MRR; 0,240
pulgadas sobre el diámetro de la pieza.
(1,94 cm^{3} / minuto cm MRR; 0,61 cm sobre el
diámetro de la pieza)
0,6 pulgadas^{3} / minuto pulgada MRR; 0,240
pulgadas sobre el diámetro de la pieza.
(3,87 cm^{3} / minuto cm MRR; 0,61 cm sobre el
diámetro de la pieza)
1,0 pulgadas^{3} / minuto pulgada MRR; 0,240
pulgadas sobre el diámetro de la pieza.
(6,45 cm^{3} / minuto cm MRR; 0,61 cm sobre el
diámetro de la pieza)
Los resultados se muestran en la Tabla 9. El
rendimiento de amolado, es decir, el índice G (Índice de arranque
de metal / Índice desgaste del disco), potencia de desbaste,
triturabilidad (Índice G / Potencia X MRR) y el acabado de la
superficie conseguidos con los material aglomerantes experimentales
a una MRR constante, fueron superiores a aquellos conseguidos con
discos de materiales aglomerantes comerciales de control.
| Rendimiento del amolado | ||||||
| Material | Alimentación | Índice G | Potencia | Triturabilidad | Acabado de la | Ondulación de la |
| aglom.: | MRR (en | MRR / | (en HP / | (en pulgadas^{3} | superficie | superficie |
| pulgadas^{3} / | WWR | pulgadas | / HP \cdot minuto)** | RA (en | Ra (en | |
| minuto \cdot | de ancho) | en cm^{3} / KW \cdot | \mupulgadas) | \mupulgadas) | ||
| pulgada) | en KW / cm | en minuto | en \mum | en \mum | ||
| En cm^{3} / | ||||||
| minuto cm | ||||||
| Control | (0,28) 1,80 | 125,6 | 1,4 (4,8) | (7,25) 159,25 | (29) 0,73 | (93) 2,36 |
| comercial | (0,58) 3,74 | 116,3 | 2,2( 7,7) | (8,79) 193,08 | (41) 1,04 | (148) 3,75 |
| (0,95) 6,13 | 94,8 | 3,0 (10,2) | (8,76) 192,42 | (65) 1,65 | (164) 4,16 | |
| Exp. 1 | (0,29) 1,87 | 158,5 | 1,3 (4,6) | (9,94) 218,34 | (30) 0,76 | (95) 2,41 |
| 725 ºC | (0,57) 3,67 | 138,1 | 2,1 (7,2) | (11,00) 241,63 | (36) 0,91 | (106) 2,69 |
| (0,93) 6,00 | 117,1 | 2,6 (8,9) | (12,17) 267,73 | (46)1,16 | (142) 3,60 | |
| Exp. 2 | (0,29) 1,87 | 156,7 | 1,3 (4,7) | (9,60) 270,87 | (35) 0,88 | (77) 1,95 |
| 750 ºC | (0,59) 3,80 | 139,2 | 1,7 (7,1) | (11,46) 251,73 | (37) 0,93 | (84) 2,13 |
| (0,94) 6,06 | 120,8 | 2,7 (9,3) | (12,23) 268,65 | (51)1,29 | (151) 3,83 | |
| Exp. 5 | (0,29) 1,87 | 156,7 | 1,3 (4,7) | (9,67) 212,41 | (35) 0,88 | (77) 1,95 |
| 750 ºC | (0,57) 3,67 | 139,5 | 2,2 (7,6) | (10,52) 231,08 | (37) 0,93 | (84) 2,13 |
| (0,94) 6,06 | 114,6 | 2,8 (9,5) | (11,40) 250,41 | (51)1,29 | (151) 3,83 | |
| Exp. 5 | (0,29) 1,87 | 149,5 | 1,3 (4,5) | (9,48) 208,24 | (30) 0,76 | (89) 2,25 |
| 725 ºC | (0,57) 3,67 | 119,4 | 1,9 (6,7) | (10,25) 225,15 | (37) 0,93 | (127) 3,22 |
| (0,93) 6,00 | 106,9 | 2,6 (9,1) | (10,96) 240,75 | (53) 1,34 | (173) 4,39 | |
| ** La triturabilidad es igual al índice G X MRR / Potencia. |
Los discos adicionales se fabricaron según se
describe en el Ejemplo 2, salvo que se usó un grano de alúmina
sol-gel diferente (grano MCA alfa alúmina con
promotores de la cristalización, con granulado 80, obtenido de
Norton Company) en lugar de la mezcla de grano usada en el Ejemplo
2. El material aglomerante experimental 1 (fabricado en el
procedimiento nº 1, a 725 ºC) se comparó en los ensayos de amolado
con el material aglomerante comercial de control que se puso a
prueba en los ejemplos 1 y 2 (Control 1) y con un segundo material
aglomerante de control (Control 2) descrito en los documentos de
patente US-A-5401284 y
US-A-5573561, y usados
comercialmente con un grano de alúmina sol-gel.
Estos discos se pusieron a prueba tal y como se describe arriba, y
tenían las propiedades que se muestran en la Tabla 10.
| Propiedades del disco | ||||
| Material | Temperatura del | Densidad de | Módulo de | Penetración del chorro |
| aglomerante | procedimiento en ºC | cocción en g/cc | elasticidad en Gpa | de arena en mm 2/15 |
| Control comercial 1 | 900ºC | 2,087 | 45,31 | 2,15 |
| Control comercial 2 | 1000ºC | 2,085 | 48,39 | 1,93 |
| Exp. 1 | 735ºC | 2,081 | 47,32 | 1,83 |
Las condiciones del ensayo de amolado fueron las
mismas que las que se usaron en el Ejemplo 2, salvo que el
arranque de metal en el diámetro de la pieza fue de 0,180 pulgadas
(0,46 cm).
Los resultados se muestran en la Tabla 11. El
material aglomerante experimental fue superior a los materiales
aglomerantes comerciales en índice G, potencia de desbaste,
triturabilidad ((índice G X MRR) / Potencia), ondulación y acabado
de la superficie.
| Rendimiento del amolado | ||||||
| Material | MRR (en | Índice G | Potencia | Triturabilidad | Acabado de | Ondulación de la |
| aglom.: | pulgadas^{3} / | MRR / | (en HP / | (pulgada^{3} / | superficie | superficie |
| minuto \cdot | WWR | pulgadas) | HP \cdot minuto)** | RA (en | Ra (en | |
| pulgada) | en KW / | en cm^{3} / KW | \mupulgadas) | \mupulgadas) | ||
| En cm^{3} / | cm | en \mum | ||||
| minuto cm | ||||||
| Control | (0,29) 1,87 | 127,1 | (6,50) 1,91 | (5,76) 126,52 | (23) 0,58 | (55) 1,39 |
| comercial 1 | (0,57) 3,67 | 175,3 | (9,97) 2,93 | (10,03) 220,32 | (30) 0,76 | (55) 1,39 |
| (1,10) 7,09 | 113,6 | (14,22) 4,17 | (8,81) 193,52 | (35) 0,88 | (95) 2,41 | |
| Exp. 1 | (0,29) 1,87 | 177,3 | (5,66) 1,66 | (9,15) 200,99 | (25) 0,63 | (55) 1,39 |
| (0,58) 3,74 | 162,9 | (8,36) 2,45 | (11,26) 247,34 | (25) 0,63 | (65) 1,65 | |
| (1,11) 7,16 | 146,0 | (13,38) 3,93 | (12,10) 265,79 | (38) 0,96 | (80) 2,03 | |
| Control | (0,29) 1,87 | 177,3 | (6,69) 1,96 | (7,68) 168,70 | (25) 0,63 | (50) 1,27 |
| comercial 2 | (0,57) 3,67 | 131,4 | (10,87) 3,19 | (6,91) 151,78 | (35) 0,88 | (105) 2,66 |
| (1,10) 7,09 | 119,4 | (16,09) 4,72 | (8,18) 179,68 | (40) 1,01 | (95) 2,41 | |
| ** La triturabilidad es igual al índice G X MRR / Potencia. |
Los discos adicionales se fabricaron como se ha
descrito en el Ejemplo 1, salvo una variación en la que los
materiales aglomerantes experimentales 1 y 5 se fabricaron
totalmente a partir de una frita y se compararon en los ensayos de
amolado con los materiales aglomerantes comerciales de control que
se pusieron a prueba en los ejemplos 1, 2 y 3, y con los
materiales aglomerantes experimentales 1 y 5 fabricados con
materias primas como se describe en los ejemplos 1 y 2. Los discos
tenían las características que se muestran en la Tabla 12.
| Propiedades del disco | ||||
| Material | Temperatura del | Densidad de | Módulo de | Penetración del chorro |
| aglomerante | procedimiento en ºC | cocción en g/cc | elasticidad en Gpa | de arena en mm 2/15 |
| Control comercial 1 | 900ºC | 2,104 | 48,75 | 1,65 |
| Exp. 1 sin tratar | 725ºC | 2,100 | 46,88 | 1,67 |
| Exp. 1 en frita | 725ºC | 2,107 | 49,19 | 1,43 |
| Exp. 5 sin tratar | 750ºC | 2,099 | 47,43 | 1,59 |
| Exp. 5 en frita | 750ºC | 2,114 | 50,26 | 1,34 |
Las condiciones de ensayo de amolado fueron las
mismas que las que se usaron en el Ejemplo 2, salvo que se tuvo
como objetivo arrancar el metal a 0,120 pulgadas (0,31 cm) sobre
el diámetro de la pieza, y el metal real arrancado se muestra en la
Tabla 13.
Los resultados se muestran en la Tabla 13. Los
materiales aglomerantes experimentales fueron superiores, o al
menos equivalentes, a los materiales aglomerantes comerciales en
índice G, potencia de desbaste, triturabilidad, ondulación y
acabado de la superficie.
| Rendimiento del amolado | ||||||
| Material | MRR (en | Índice G | Potencia | Triturabilidad | Acabado de | Ondulación de |
| aglom.: | pulgadas^{3} / | MRR / | (en HP / | (pulgada^{3} / | superficie | la superficie |
| minuto \cdot | WWR | pulgadas) | HP \cdot minuto)** | RA (en | Ra (en | |
| pulgada) | en KW / | en cm^{3} / KW \cdot | \mupulgadas) | \mupulgadas) | ||
| En cm^{3} / | cm | minuto | en \mum | |||
| minuto cm | ||||||
| Control | (0,36) | 121,9 | (5,5) 1,6 | (6,91) 151,78 | (29) 0,73 | (55) 1,39 |
| comercial | (0,55) | 107,2 | (7,3) 2,1 | (7,50) 164,74 | (33) 0,83 | (79) 2,00 |
| (1,10) | 94,6 | (10,0) 2,9 | (9,52) 209,12 | (42) 1,06 | (101) 2,56 | |
| Exp. 1 sin tratar | (0,36) | 125,5 | (4,7) 1,3 | (8,09) 177,70 | (32) 0,81 | (81) 2,05 |
| (0,54) | 128,5 | (6,3) 1,8 | (9,92) 217,90 | (36) 0,91 | (87) 2,20 | |
| (1,12) | 99,6 | (9,2) 2,7 | (11,45) 251,51 | (35) 0,88 | (79) 2,00 | |
| Exp. 1 en frita | (0,38) | 113,3 | (5,6) 1,6 | (6,74) 148,05 | (29) 0,73 | (74) 1,87 |
| (0,55) | 101,1 | (7,2) 2,1 | (7,03) 154,42 | (35) 0,88 | (95) 2,41 | |
| (1,10) | 91,8 | (10,5) 3,1 | (9,03) 198,35 | (39) 0,99 | (76) 1,93 | |
| Exp. 5 sin tratar | (0,37) | 143,8 | (4,8) 1,4 | (10,25) 225,15 | (29) 0,73 | (75) 1,90 |
| (0,56) | 118,0 | (6,1) 1,7 | (9,80) 215,27 | (31) 0,78 | (75) 1,90 | |
| (1,09) | 104,6 | (9,3) 2,7 | (11,25) 247,12 | (41) 1,04 | (89) 2,26 | |
| Exp. 5 en frita | (0,36) | 122,1 | (5,5) 1,6 | (6,88) 151,13 | (31) 0,78 | (76) 1,93 |
| (0,55) | 103,9 | (6,04) 1,8 | (7,63) 167,60 | (32) 0,81 | (73) 1,85 | |
| (1,07) | 90,3 | (9,9) 2,9 | (8,90) 195,50 | (37) 0,93 | (63) 1,60 | |
| ** La triturabilidad es igual al índice G X MRR / Potencia. |
Los discos de fritas de materiales aglomerantes
fueron iguales en todo el rendimiento a los materiales aglomerantes
comerciales de control, pero, en general, no rindieron tan bien en
este ensayo de amolado como los discos fabricados con los
correspondientes materiales aglomerantes sin tratar. Esto se puede
deber a la pérdida de componentes volátiles de litio y boro de la
composición durante el procedimiento de preparación de las fritas
(las fritas se forman a temperaturas de al menos 1100ºC), de
manera que la composición de las fritas de materiales aglomerantes
se volvió diferente de la de los materiales aglomerantes hechos
con materias primas. La compensación por la pérdida de componentes
relativamente volátiles se podría hacer ajustando los porcentajes
en peso de las materias primas que se usan al fabricar la frita de
vidrio para conseguir la composición final deseada de material
aglomerante. De este modo, se puede usar una frita de material
aglomerante para llevar a cabo la invención.
En el rendimiento de amolado, los discos
fabricados a partir de materiales aglomerantes sin tratar fueron de
nuevo superiores a los controles comerciales cocidos a una
temperatura mayor.
Los discos abrasivos (29 mm x 20 mm x 9,525 mm)
se fabricaron como se describe en el Ejemplo 1, usando el material
aglomerante Exp. 1 cocido a 735ºC y el material aglomerante
comercial de control 2 cocido a 1000ºC, respectivamente, con la
excepción de que se utilizó un grano abrasivo MCA
sol-gel sin promotores de la cristalización (de
granulado 100) fabricado por 3M Corporation, Minneapolis, MN, y
que se vende por el nombre registrado 321, en vez del grano
abrasivo MCA con promotores de la cristalización. Las composiciones
de los discos que se usaron y sus propiedades se enumeran en las
tablas 14 y 15. Estos discos se compararon con los discos
comerciales (29 mm x 20 mm x 10 mm) fabricados con grano abrasivo
321 con un tamaño de granulado 100 en un material aglomerante
vitrificado. (Control 3).
| Composición de los discos antes de la cocción (partes por peso) | ||
| Componentes | Material aglomerante Exp. 1 | Control 2 |
| Abrasivo | 1,0000 | 1,0000 |
| Aglutinante orgánico | 0,0487 | 0,0500 |
| Material aglom. | 0,1068 | 0,0918 |
| Densidad en crudo g/cc | 2,051 | 2,027 |
| Propiedades del disco* | |||
| Muestra: Densidad del | Temperatura de | Módulo de elasticidad | Penetración del chorro |
| material aglom. cocido en g/cc | cocción en ºC | en Gpa | de arena en mm |
| Material aglomerante Exp. | 735 | 23,69 | 3,98 |
| 1: 1,943 | |||
| Control 2: 1,946 | 1000 | 24,69 | 4,07 |
| Control 3: 2,052 | desconocida | 35,23 | - - |
| * Los datos son una media entre cinco discos para el Exp. 1 y el Control 2 y una media entre 2 discos | |||
| para el Control 3. |
Se probaron dos juegos de estos discos en una
amoladora ID/bore, usando las condiciones de ensayo enumeradas
abajo. Los resultados del primer ensayo y del ensayo de réplica se
muestran en la Tabla 16.
Máquina para amolar: Amoladora Bryant.
Amolado en húmedo I.D.: 3% aceite, refrigerado
con agua corriente, Trim E210 soluble en agua.
Material de la pieza: Acero 52100, Rc60.
Ancho de la parte de la pieza: 9,525 mm.
Diámetro de la parte de la pieza: 32 mm (primer
ensayo) 35 mm (segundo ensayo).
Velocidad de la parte: 1000 rpm.
Introducción total en la pieza: 1,499 mm.
Acabado de la cara del disco: diamante de una
sola punta; True a una velocidad de acabado de 20 mm/s de acabado
principal; 0,0127 mm comp. de acabado.
Velocidad del disco: 29,200 rpm; 42,7 m/s.
Número de amolados por ensayo: 2.
Introducción por amolado: 0,025 mm/s; 0,049 mm/s.
B.
| Rendimiento del amolado | |||||||
| Material | Índice | Índice G | Potencia | Fuerza | Energía | Triturabilidad | Acabado |
| aglom.: | introducción | MRR / | en W / | tangencial | específica | en mm^{3} | superficial |
| en la | WWR | mm | en | en | en | RA | |
| pieza | F't N / | Vatios \cdot | Vatios \cdot | en \mum | |||
| en mm / s | mm | s / mm^{3} | s | ||||
| Control | 0,025 | 340,0 | 122 | 2,83 | 48,61 | 6,99 | 0,50 |
| comer. 2 | 0,049 | 341,5 | 181 | 4,21 | 36,16 | 9,45 | 0,51 |
| 0,025 | 197,0 | 126 | 2,98 | 50,35 | 3,91 | 0,38 | |
| 0,049 | 172,3 | 183 | 4,37 | 36,93 | 4,67 | 0,53 | |
| Material | 0,025 | 327,4 | 118 | 2,69 | 47,80 | 6,85 | 0,43 |
| aglom. | 0,049 | 331,8 | 181 | 4,14 | 36,38 | 9,12 | 0,47 |
| Exp.1 | 0,025 | 204,5 | 108 | 2,56 | 41,73 | 4,90 | 0,53 |
| 0,049 | 183,9 | 164 | 3,94 | 31,22 | 5,89 | 0,64 | |
| Control | 0,025 | 335,0 | 130 | 3,05 | 53,09 | 6,31 | 0,35 |
| comer. 3 | 0,049 | 266,8 | 206 | 4,85 | 42,34 | 6,30 | 0,47 |
| 0,025 | 208,1 | 133 | 3,17 | 50,70 | 4,11 | 0,40 | |
| 0,049 | 183,8 | 181 | 4,35 | 34,49 | 5,33 | 0,53 |
Estos resultados demuestran que el material
aglomerante de la invención en combinación con un grano abrasivo
MCA sin promotores de la cristalización proporciona un rendimiento
total comparable con el del material aglomerante de control 2
cocido a 1000ºC y con el del disco comercial de control 3.
Además, los discos que contenían el material
aglomerante experimental de la invención tuvieron una mejor
actuación que los controles. Esto es evidente en los datos que
muestran que la fuerza tangencial que se requería para conseguir
índices de arranque de metal comparables fue menor en el material
aglomerante experimental de la invención que en los materiales
aglomerantes de control de todas las muestras, excepto en una. La
excepción fue el material aglomerante de control 2 que fue
comparable al material aglomerante experimental en una serie a
0,049 MRR. Como otra medida de la efectividad del disco, la
energía específica (Potencia / MRR) que se requirió para conseguir
índices de arranque de metal comparables fue menor, como término
medio, en el material aglomerante experimental de la invención que
en los materiales aglomerantes de control. Para el operario de un
procedimiento de amolado, la disminución de la fuerza tangencial y
de la energía específica representa menos desgaste en una máquina
de amolado y menos daño sobre la pieza y, de esta manera, puede
resultar tan beneficioso como una triturabilidad mejorada.
Estos resultados demuestran que el material
aglomerante de la invención cocido a baja temperatura mejora el
rendimiento del amolado de los granos abrasivos MCA
sol-gel tanto si tienen promotores de la
cristalización como si no.
Se entiende que otras modificaciones diferentes
resultarán evidentes para aquellos expertos en la materia y se
podrán fabricar fácilmente sin desviarse del alcance y el espíritu
de la presente invención. De la misma manera, no se pretende que el
alcance de las reivindicaciones se limite a la descripción expuesta
arriba. Se deberán interpretar que las reivindicaciones acompañan
a todas las características que suponen una novedad a patentar y
que residen en la presente invención, incluyendo todas aquellas
características consideradas por los expertos en la materia como
equivalentes a las mismas.
Claims (24)
1. Un material aglomerante vítreo para fabricar
una herramienta abrasiva de amolado, comprendiendo el material
aglomerante vítreo después de la cocción un máximo de
aproximadamente 45% en moles de SiO_{2}, un máximo de
aproximadamente 15% en moles de Al_{2}O_{3}, de 24% a 35% en
moles de B_{2}O_{3}, de 15% a 30% en moles de óxidos
alcalinos, comprendiendo los óxidos alcalinos al menos 5% en moles,
sobre una base de material aglomerante, de óxido de litio, y
teniendo una proporción molar de B_{2}O_{3} con óxidos
alcalinos de 0,8:1 a 1,7:1.
2. El material aglomerante vítreo de la
reivindicación 1, en el que el material aglomerante vítreo después
de la cocción comprende un máximo de 40% en moles de SiO_{2}.
3. El material aglomerante vítreo de la
reivindicación 2, en el que el material aglomerante vítreo después
de la cocción comprende óxidos alcalino-térreos y la
proporción molar de SiO_{2} con los contenidos combinados de
óxidos alcalinos y óxidos alcalino-térreos es de
al menos 1,15:1,0.
4. El material aglomerante vítreo de la
reivindicación 2, en el que los óxidos alcalinos se seleccionan de
un grupo formado por óxido de sodio y óxido de litio y el material
aglomerante vítreo después de la cocción comprende de 7 a 11% en
moles de óxido de litio.
5. El material aglomerante vítreo de la
reivindicación 2, en el que el material aglomerante vítreo se
cuece a
600-875ºC.
600-875ºC.
6. El material aglomerante vítreo de la
reivindicación 5, en el que el material aglomerante vítreo se
cuece a
700-800ºC.
700-800ºC.
7. Una herramienta abrasiva que comprende un
grano abrasivo (MCA) de alúmina sol-gel
sinterizada con o sin promotores de la cristalización y un material
aglomerante vítreo según la reivindicación 1.
8. La herramienta abrasiva de la reivindicación
7, en la que el material aglomerante vítreo después de la cocción
comprende un máximo de 40% en moles de SiO_{2}.
9. La herramienta abrasiva de la reivindicación
8, en la que el material aglomerante vítreo después de la cocción
comprende óxidos alcalino-térreos y la proporción
molar de SiO_{2} con los contenidos combinados de óxidos
alcalinos y óxidos alcalino-térreos es de al menos
1,15:1,0.
10. La herramienta abrasiva de la reivindicación
7, en la que los óxidos alcalinos se seleccionan de un grupo
formado por óxido de sodio y óxido de litio y el material
aglomerante vítreo después de la cocción comprende de 7 a 11% en
moles de óxido de litio.
11. La herramienta abrasiva de la reivindicación
7, en la que el material aglomerante vítreo se cuece a
600-875ºC.
12. La herramienta abrasiva de la reivindicación
11, en la que el material aglomerante vítreo se cuece a
700-800ºC.
13. La herramienta abrasiva de la reivindicación
7, en la que la herramienta comprende de 3 a 25% en volumen de
material aglomerante vítreo y de 10 a 56% en volumen de grano
abrasivo MCA.
14. La herramienta abrasiva de la reivindicación
13, en la que la herramienta además comprende de 0,1 a 60% en
volumen de componentes adicionales seleccionados de un grupo
formado por granos abrasivos secundarios, agentes de relleno y
complementos.
15. La herramienta abrasiva de la reivindicación
14, en la que la herramienta comprende un total de 34 a 56% en
volumen de grano abrasivo.
16. La herramienta abrasiva de la reivindicación
7, en la que el grano abrasivo MCA consiste esencialmente en
microcristales de alfa alúmina fabricados mediante un procedimiento
sol-gel con promotores de la cristalización.
17. La herramienta abrasiva de la reivindicación
7, en la que el grano abrasivo MCA consiste esencialmente en
microcristales de alfa alúmina fabricados mediante un procedimiento
sol-gel sin promotores de la cristalización.
18. La herramienta abrasiva de la reivindicación
7, en la que el material aglomerante después de la cocción
comprende además menos de aproximadamente 0,5% en moles de al menos
un óxido seleccionado del grupo formado por TiO_{2}, ZnO,
ZrO_{2}, CaO, MgO, CoO, MnO_{2}, BaO, Bi2O_{3},
P_{2}O_{5} y Fe_{2}O_{3}, y las combinaciones de los
mismos.
19. Un procedimiento para fabricar una
herramienta abrasiva que comprende las siguientes etapas:
- a)
- Mezclar de 70 a 95% en peso de grano abrasivo y de 5 a 30% en peso de una mezcla de material aglomerante según la reivindicación 1 para formar una mezcla;
- b)
- Moldear la mezcla para crear un compuesto crudo; y
- c)
- Cocer el compuesto crudo a una temperatura de menos de 875ºC para formar la herramienta abrasiva.
20. El procedimiento de la reivindicación 19, en
el que el compuesto crudo se cuece a una temperatura de menos de
aproximadamente 775ºC.
21. El procedimiento de la reivindicación 19, en
el que la herramienta abrasiva es un disco de amolado.
22. El procedimiento de la reivindicación 19, en
el que el grano abrasivo comprende un grano de alúmina
sol-gel.
23. El procedimiento de la reivindicación 19, en
el que el grano abrasivo comprende un superabrasivo seleccionado
de un grupo consistente en diamante, nitruro de boro cúbico y las
mezclas de los mismos.
24. El procedimiento de la reivindicación 19, en
el que la etapa de la cocción se lleva a cabo en una atmósfera de
oxidación.
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