ES2225188T3 - Grano abrasivo de alumina solñ-gel. - Google Patents

Abstract

Método para producir un producto abrasivo ligado vítreo, comprendiendo grano abrasivo de alúmina alfa sol-gel revestido con un óxido cerámico, comprendiendo dicho método las etapas de: (a) formar grano abrasivo de alúmina sol-gel comprendiendo cristales de alúmina alfa de dos micrómetros o más pequeños, (b) tratar los granos abrasivos con una solución o dispersión de un precursor de óxido cerámico, estando presente el precursor de óxido cerámico en la solución o dispersión en tal cantidad que el grano abrasivo de alúmina alfa sol-gel revestido sea recubierto con hasta un uno por ciento en peso, basado en el peso del grano abrasivo, de un óxido cerámico en la etapa de calentamiento (c), y en el que el óxido cerámico es un óxido de metal que es estable a temperaturas superiores a 1500oC y es seleccionado del grupo consistente en óxido de magnesio, óxido de titanio, óxido de cobalto, óxido de níquel, óxido de cromo, los correspondientes aluminatos de estos óxidos, mezclas de uno o más de tales óxidos y aluminatos con un precursor de alúmina alfa, y sus mezclas, (c) calentar los granos tratados a una temperatura suficiente para extraer el disolvente y convertir el precursor de óxido cerámico en un óxido cerámico, formando así granos abrasivos de alúmina alfa sol-gel revestidos con el óxido cerámico y teniendo un área de superficie BET que es reducida entre un 10 y 40% por el revestimiento de óxido cerámico, y (d) formar un artículo abrasivo ligado vítreo usando el grano abrasivo de alúmina sol-gel revestido y una ligazón vítrea madurada a baja temperatura.

Description

Grano abrasivo de alúmina sol-gel.

Antecedentes de la invención

La presente invención se refiere a productos abrasivos ligados vítreos que comprenden granos abrasivos de alúmina sol-gel.

Los granos abrasivos de alúmina sol-gel, particularmente los que tienen un tamaño de cristal de alúmina que es esencialmente submicrónico, son extremadamente eficaces en muchas aplicaciones especialmente cuando se incorporan en muelas abrasivas ligadas vítreas. En la producción de tales muelas, los granos se mezclan con un material de ligazón vítreo y varios ligantes orgánicos temporales, materiales quemados y/o lubricantes y se pone la mezcla en un molde. Los ligantes temporales y/o lubricantes son necesarios para facilitar la operación de mezclado y moldeo y los materiales quemados se necesitan para asegurar que la muela tenga un grado deseado de porosidad una vez acabada. El material quemado está destinado, por supuesto, a ser eliminado completamente durante la cocción de la muela.

Durante el proceso de producción se eleva la temperatura de la mezcla hasta el punto al que se mezclan los componentes de ligazón, (si se usa una ligazón bruta), y fluyen hasta que los granos abrasivos son revestidos con el material de ligazón vítreo y la ligazón fundida forma un poste de ligazón que conecta los puntos de granos adyacentes que están en contacto o en proximidad inmediata unos de otros. Después de permitir la maduración de las estructuras de poste de ligazón, se permite que descienda la temperatura hasta que se pueda extraer la muela del molde.

La temperatura a la que se cuece la ligazón es más bien crítica porque se ha comprobado que los granos abrasivos de alúmina sol-gel con tamaño de cristal de alúmina del orden de una micra o menos se deterioran al ser expuestos a temperaturas superiores a 1150ºC aproximadamente durante los largos periodos de tiempo requeridos para la formación de una muela ligada vítrea. Esto se debe a que la estructura de cristal muy fino, que está íntimamente relacionada con el excelente rendimiento de amolado, comienza a volverse gruesa. Por esta razón se recomienda vivamente que, cuando se usa granos abrasivos de alúmina sol-gel, particularmente con granos abrasivos de alúmina sol-gel sembrada, se debería usar una ligazón que madure a una temperatura inferior a 1154ºC y preferiblemente inferior a 1000ºC aproximadamente.

Además, cuanto más alta sea la temperatura a la que se forma la ligazón, mayor será el grado de penetración de los granos abrasivos por la sílice formada a partir del sistema de ligazón vítreo. Si bien esta interacción no constituye un serio problema con ligazones maduradas a baja temperaturas, es algo que es preciso considerar en el desarrollo de un rendimiento óptimo.

Se ha observado sin embargo que, usando tales materiales de ligazón vítreos, madurados a baja temperatura, los materiales orgánicos que se supone están completamente quemados en realidad dejan un residuo de carbono. Este residuo se acumula en los poros superficiales de los granos, que son usualmente blancos o incoloros, por lo que la muela producida puede tener puntos negros.

Se ha desarrollado ahora un proceso que permite usar ligazones vítreas a baja temperatura con granos abrasivos de alúmina sol-gel sin que se produzcan defectos feos, o puntos negros, en la superficie del producto ligado vítreo.

Se ha comprobado que el proceso tiene también un efecto beneficioso al reducir la interacción entre la ligazón y los granos abrasivos, permitiendo así el desarrollo de ligazones más fuertes.

Descripción de la invención

La presente invención proporciona un producto abrasivo ligado vítreo que comprende grano abrasivo de alúmina sol-gel revestido en el que los granos de alúmina están revestidos con un óxido cerámico y comprenden cristales de alúmina alfa que tienen un tamaño de dos micras o menos.

Por el término "revestido" se desea significar que los granos abrasivos de alúmina alfa han sido tratados con una solución de un precursor del óxido cerámico y después calcinados a una temperatura suficiente para extraer el disolvente en que se disolvió el precursor y formar el óxido cerámico a partir del precursor. En la práctica el efecto más usual es que el óxido cerámico se difunda dentro de la capa superficial del grano y reduzca la porosidad del grano abrasivo. Dentro de la presente invención se ha comprobado que esta reducción de área superficial, (medida por el método BET), es del 10 al 40% aproximadamente. En algunos casos hay evidencia de que el óxido cerámico reacciona, al menos en parte, con la alúmina para formar un aluminato, (que incluiría espinelas en el caso de ciertos óxidos tales como el óxido de magnesio). Para los fines de esta invención tales aluminatos, cuando se forman, son considerados óxidos cerámicos, excepto para el propósito de calcular la cantidad del óxido cerámico añadido cuando se usa como base de cálculo el óxido cerámico en su estado máximo de oxidación.

La invención proporciona también por consiguiente un proceso para la producción de grano abrasivo de alúmina sol-gel que comprende la formación de granos abrasivos de alúmina alfa con un tamaño de cristal de aproximadamente 2 micras o menos y tratando después los granos con una solución o dispersión de un precursor de óxido cerámico y calentando posteriormente los granos tratados a una temperatura suficiente para extraer el disolvente y convertir el precursor en un óxido cerámico.

La temperatura del tratamiento es preferiblemente de 900 a 1300ºC y más preferiblemente de 1000 a 1200ºC aunque se puede usar temperaturas superiores o inferiores a condición de que el tamaño del cristal de alúmina no se vea alterado materialmente y a condición de que se forme el óxido cerámico. También es altamente preferido que la temperaturas fuese suficientemente alta para lograr la reducción del área superficial (BET) de los granos tratados como se ha indicado más arriba.

El precursor de óxido cerámico es preferiblemente una sal que es soluble en agua y que por calentamiento se descompone en el óxido y gases sin dejar material residual. La sal puede ser, por ejemplo, un nitrato o una sal de ácido orgánico. Se entiende que el óxido cerámico mismo es un óxido de metal estable a temperaturas superiores a 1500ºC seleccionado entre el óxido de magnesio, dióxido de titanio, óxido de cobalto, óxido de níquel y óxido de cromo. Como se ha indicado anteriormente el óxido cerámico puede estar bajo la forma de los correspondientes aluminatos cuando se forma éstos por reacción del óxido con la alúmina. La cantidad del óxido cerámico añadido es suficiente para dar hasta 1% en peso (medido como óxido), del peso de grano de alúmina total.

El óxido cerámico puede añadirse, como se ha indicado anteriormente, bajo la forma de una solución acuosa de una sal soluble que da el óxido cuando se calienta a temperaturas a las que se expone el grano tratado durante la elaboración. Alternativamente, y a menudo preferiblemente, la sal de óxido cerámico está disuelta o dispersada en una dispersión o sol de un precursor de alúmina alfa tal como, por ejemplo, un sol de boehmita o una dispersión acuosa de trihidrato de alúmina. Este modo de adición puede poner también una capa de una alúmina alfa o un precursor de alúmina alfa tal como alúmina gamma alrededor de los granos abrasivos. Sin embargo, más usualmente el grueso de la alúmina reacciona para formar un aluminato. Este revestimiento o capa añade también protección para los granos contra el ataque de una ligazón vítrea cuando se usa los granos para fabricar materiales ligados vítreos.

La alúmina sol-gel con la que se fabrica los granos abrasivos es preferiblemente una alúmina sol-gel sembrada con un tamaño de cristal submicrónico. En el contexto de esta invención, el tamaño del cristal se mide por el "método de interceptación" en el que se analiza una micrografía SEM trazando una pluralidad de líneas diagonales a través de la micrografía y dividiendo la longitud total de las líneas por el número de cristales cruzados por las líneas y multiplicando entonces el valor obtenido por un factor de corrección de 1,5.

Dibujos

La figura 1 es un gráfico de barras que muestra las áreas de superficie BET para granos revestidos y no revestidos con tres tamaños de grano diferentes.

La figura 2 es una serie de fotografías que muestra la prevalencia de puntos negros en los materiales ligados vítreos fabricados usando grano no revestido.

Descripción de realizaciones preferidas

Se ilustra ahora la invención con referencia al siguiente ejemplo no limitativo

Ejemplo 1

En este ejemplo describimos la producción de un artículo abrasivo ligado vítreo que comprende granos abrasivos de alúmina sol-gel sembrada, una ligazón vítrea que madura a una temperatura de 950ºC y materiales orgánicos quemados que comprenden formadores de poros, lubricantes y ligantes temporales. Se prepararon dos grupos de muestra con formulaciones idénticas excepto que la muestra fabricada de acuerdo con la invención comprendía grano abrasivo que había sido remojado en una solución de nitrato de cobalto y después calcinado para dar un grano abrasivo revestido de acuerdo con la invención.

Preparación de grano abrasivo revestido

Se usó grano abrasivo vendido por Saint-Gobain Industrial Ceramics, Inc. bajo el nombre comercial "Cerpass-XTL" como grano abrasivo de alúmina sol-gel en todos los ejemplo siguientes. Es una alúmina de sol-gel sembrada que comprende al menos 98% de alúmina alfa y que tiene una dureza Vickers de aproximadamente 21 Gpa. Para garantizar una muestra de un grano revestido de acuerdo con la invención, se puso en una mezcladora Hobart una muestra de 1000 g del grano con un tamaño de 54 grit y se añadió una solución de nitrato de cobalto. Se calculó la cantidad de la solución para dar un contenido de aluminato de cobalto en el grano final del 0,25%, medido como óxido de cobalto, y con tal fin la cantidad calculada de hexahidrato de nitrato de cobalto que sería necesario añadir fue de 4,1 g. Esto se añadió en forma de 10 g de una solución acuosa que tenía un pH de aproximadamente 2,0. Como es obvio, la cantidad del precursor de óxido cerámico de revestimiento dependerá del tamaño del grano puesto que los granos más pequeños presentan una mayor área de superficie para revestir. Se calcula por ejemplo, que para lograr el mismo nivel de revestimiento sobre la superficie del grano para un grano de 36 grit, se puede disminuir un 15% la cantidad del precursor de óxido cerámico pero se incrementaría en un 10% si el tamaño del grano fuese 80.

Se ajusta las condiciones de mezcla para dar un revestimiento uniforme y esto puede determinarse usualmente por inspección visual cuando la solución de precursor tiene un color intenso. Después de haber conseguido el revestimiento uniforme, se secó el grano revestido en un horno de convección a 100ºC durante 18 horas. Si la mezcladora está equipada con un secador, el secado puede llevarse a cabo en la mezcladora, evidentemente. Con nitrato de cobalto, el punto de fusión es de solamente 55ºC y esto es en efecto deseable ya que ayuda a asegurar una distribución uniforme en la superficie del grano. La conclusión del secado fue indicada por un grano fluible con un color uniforme. No se recomienda secado excesivo ya que ello puede conducir a fisuración o pulverización del revestimiento. El objetivo es no perder el agua de hidratación en esta etapa ya que ello podría conducir a la degradación adicional del nitrato y el horno de secado no está adaptado usualmente para eliminar los humos de NO_{x}.

El grano revestido y secado se pone entonces en un horno y se cuece. El horno usado fue un horno rotatorio con la zona caliente a 1100ºC y usando un tiempo de residencia de 20 minutos. Alternativamente puede usarse un horno de cocción estático en el que los granos ascienden hasta una temperatura de 1050 a 1150ºC y se mantienen así durante 15 minutos antes de enfriarlos a temperatura ambiente. El grano se ennegreció inicialmente indicando la formación de óxido de cobalto (entre aproximadamente 200 y 900ºC) que cambió a un color azul indicando la formación de aluminato de cobalto por encima de 900ºC.

Ensayo del grano revestido

Se compararon entonces las áreas superficiales BET de granos revestidos, preparados como se ha indicado más arriba, en tamaños de grano de 36, 54 y 80 con grano idéntico no tratado. A todos los tamaños de grano se observó una importante reducción de hasta el 40% en el área de superficie medida como resultado del revestimiento. Los resultados aparecen en la figura 1.

El ensayo de comparación de los granos revestidos y no revestidos indicó que el revestimiento no tenía efectos adversos en la dureza, proyectabilidad electrostática o perfil de difusión elemental a través de la interfaz grano/ligazón en productos ligados vitrificados. El tamaño de cristal de la alúmina mostró un pequeño incremento de 0,01 a 0,02 micrómetro.

Preparación de muestras ligadas vítreas

El grano revestido preparado como se indica más arriba fue comparado entonces con un grano no revestido que era por lo demás idéntico en la formación de barras de ensayo ligadas vítreas. La ligazón usada fue una ligazón de baja temperatura que maduró a una temperatura de 900ºC durante 10 horas. El grano no revestido mostró números significativos de puntos negros. Estos aparecen claramente en la figura 2. El revestido no presentó puntos negros. Esta correlación con la reducción en el área de superficie constituye un apoyo importante para la conclusión de que los puntos negros son el resultado de la acumulación de material orgánico incompletamente quemado en los poros superficiales de un grano.

Las barras de prueba se sometieron entonces a pruebas para determinar la resistencia MOR y la penetración de granallado para barras fabricadas usando granos revestidos y no revestidos. No se observó diferencia significativa. De todos modos, las barras fabricadas con grano revestido fueron ligeramente mejores.

Luego se transformó el grano revestido en una barra de ensayo con un volumen igual de óxido de aluminio fundido blanco usando una ligazón vítrea transparente madurada a 950ºC durante un periodo de 10 horas. No se detectó "corrimiento" del color del grano revestido dentro del grano de alúmina fundida poniendo de manifiesto que el recubrimiento estaba completamente integrado en la superficie del grano.

Ejemplo 2

En este ejemplo se adoptaron mismos procedimientos que se ha expuesto en el ejemplo 1, con la diferencia de que se añadió la sal de cobalto a un sol de boehmita y la cantidad añadida fue suficiente para dar lugar, después de la cocción a las temperaturas usadas en el ejemplo 1, a la deposición sobre los granos abrasivos de 1,00% en peso de cobalto, medido como óxido de cobalto, bajo la forma de una capa que comprende aluminato de cobalto y un precursor de alúmina alfa. Los granos abrasivos así producidos eran muy resistentes a los cambios de color incluso después de programas de cocción prolongada necesarios para formar un producto abrasivo ligado vítreo. La medición del área de superficie de los granos antes y después de la formación del revestimiento indicó una reducción del área de superficie de más del 10%.

Claims (6)

1. Método para producir un producto abrasivo ligado vítreo, comprendiendo grano abrasivo de alúmina alfa sol-gel revestido con un óxido cerámico, comprendiendo dicho método las etapas de:

(a)

formar grano abrasivo de alúmina sol-gel comprendiendo cristales de alúmina alfa de dos micrómetros o más pequeños,

(b)

tratar los granos abrasivos con una solución o dispersión de un precursor de óxido cerámico, estando presente el precursor de óxido cerámico en la solución o dispersión en tal cantidad que el grano abrasivo de alúmina alfa sol-gel revestido sea recubierto con hasta un uno por ciento en peso, basado en el peso del grano abrasivo, de un óxido cerámico en la etapa de calentamiento (c), y en el que el óxido cerámico es un óxido de metal que es estable a temperaturas superiores a 1500ºC y es seleccionado del grupo consistente en óxido de magnesio, óxido de titanio, óxido de cobalto, óxido de níquel, óxido de cromo, los correspondientes aluminatos de estos óxidos, mezclas de uno o más de tales óxidos y aluminatos con un precursor de alúmina alfa, y sus mez- clas,

(c)

calentar los granos tratados a una temperatura suficiente para extraer el disolvente y convertir el precursor de óxido cerámico en un óxido cerámico, formando así granos abrasivos de alúmina alfa sol-gel revestidos con el óxido cerámico y teniendo un área de superficie BET que es reducida entre un 10 y 40% por el revestimiento de óxido cerámico, y

(d)

formar un artículo abrasivo ligado vítreo usando el grano abrasivo de alúmina sol-gel revestido y una ligazón vítrea madurada a baja temperatura.

2. Método de acuerdo con la reivindicación 1, en el que se lleva a cabo el calentamiento en la etapa (c) a una temperatura comprendida entre 900 y 1300ºC, preferiblemente entre 1000 y 1200ºC.

3. Método de acuerdo cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, en el que el grano de alúmina alfa sol-gel es una alúmina alfa sol-gel sembrada.

4. Método de acuerdo cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el revestimiento de los granos abrasivos de alúmina alfa sol-gel comprende aluminato de cobalto.

5. Método de acuerdo cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 4, en el que la ligazón vítrea madurada a baja temperatura madura a una temperatura inferior a 1150ºC, con preferencia inferior a 1000ºC.

6. Producto abrasivo ligado vítreo que se puede obtener por el proceso de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5.