FI60582C - Malningsskiva eller -stycke - Google Patents

Description

® SUOMI—FINLAND patenttijulkaisu—patentskrift 60582 <g> Kv.lk^/Int.CI.3 D 21 D 1/30 ® (g) Patenttihakemus — Patentansöknlng 79h.jkk •&8P ® (g) Hakemispäivä — Ansökningsdag 21.12.79 (g) Alkupäivä—Giltighetsdag 21.12.79 (g) Tullut julkiseksi — Blivit offentlig 22.06.8l @ Nähtäväksipanon ja kuul.julkaisun pvm.— _

Ansökan utlagd och utl.skriften publicerad 30.10.81

Patentti- ja rekisterihallitus ® Patentti myönnetty~ Patent meddelat 05.0U.83

Patent- och registerstyrelsen

Pyydetty etuoikeus — Begärd prloritet (73) Oittivalu Oy, 12100 Oitti, Suomi-Finland(FI) (72) Pentti 0. Kettunen, Nattari, Tapio Mäntylä, Tampere,

Heikki Ristolainen, Tampere, Suomi-Finland(FI) (7U) Berggren Oy Ab (5U) Jauhinlevy tai -kappale - Malningsskiva eller -stycke Tämä keksintö kohdistuu jauhinlevyyn tai -kappaleeseen. Keksinnön tarkoituksena on aikaansaada erilaisessa jauhannassa käytettävä jauhinlevy tai -kappale, jonka kulumiskestävyys on ylivoimainen tähän asti käytettyihin verrattuna.

Puumassan tai selluloosan hiertämisessä käytetty hierrejauhi-men jauhinlevy on lopullisen tuotteen, hierremassan, kannalta ratkaisevin koneenosa. Jauhinlevyn tulee olla, taloudellisesti kilpailukykyisen hierremassan aikaansaamiseksi, mahdollisimman pitkäikäinen, jotta jauhinlevyjen vaihdon aiheuttamat tuotantokatkokset jäisivät pieniksi ja toisaalta jauhinlevyistä itsestään aiheutuneet kustannukset myöskin minimoituisivat.

Nykyisenä, jatkuvasti kohoavien energiakustannusten aikana hierremassan kilpailukyky on entistä voimakkaammin riippuvaista juuri jauhinlevyjen käyttökelpoisuusiästä.

Pitkä käyttöikä edellyttää jauhinlevyltä hyvää kulumiskestävyyt-tä ja kohtuullista korroosionkestävyyttä. Kuitenkaan jauhinlevy ei saa kiillottua käytössä, koska hierremassan laatu tällöin heikkenee. Jauhinlevyn tulisi siten pysyä tietynasteises- 2 60582 ti karheana huolimatta sen kulumis- ja korroosionkestovaati-muksista. Yleensä tämä karheusvaatimus on ristiriidassa hyvin kulumiskestävyyden (ja tietyssä määrin myös riittävän korroosionkestävyyden) kanssa.

Jauhinlaitteiden turvallisuuden ja käyttökelpoisuuden perusteella jauhinlevyltä vaaditaan lisäksi myös tiettyä isku-sitkeyttä, jotta jauhinlevyt kestäisivät niihin kohdistuvat iskumaiset rasitukset hierrejauhatuksen aikana.

i

Lopuksi mainittakoon, että nopeammissa hierrejauhimissa tai kohotetussa lämpötilassa (T ^ 80 C) toimivissa hierrejauhi-missa jauhinlevyyn kohdistuu melkoisia kavitaatiorasituksia, joten jauhinlevyn tulee kaiken lisäksi olla myös kavitaatiota kestävä. Tämä vaatimus on yleensä aina myös ristiriidassa kulumiskestävyysvaatimuksen kanssa.

Koska jauhinlevyyn kohdistuvat perusvaatimukset ovat keskenään ristiriidassa, käyttökelpoisen ratkaisun löytäminen on työlästä ja perustuu erilaisiin kompromisseihin eri ominaisuuksien keskinäisessä painotuksessa.

Seuraavassa näitä kompromissejä valotetaan ensin tähänastisen tekniikan pohjalta ja sitten nyt esitettävän uuden ratkaisun mahdollistamissa rajoissa.

Malmeja, kivennäisaineita (kalkkikiveä, sementtiä, kvartsia, maasälpää, jne.) yms. jauhetaan yleisesti myllyillä, joissa jauhinkappaleet pyöriessään jauhettavan massan seassa suorittavat jauhamisen. Jauhinkappaleet ovat muodoltaan yleensä pallomaisia, sylinterimäisiä tai muita yksinkertaisia geometrisia kappaleita. Koska jauhamisefekti suurelta osalta perustuu jauhinkappaleen iskuefektiin, jauhinkappaleilla tulee olla tietty massa hyvän jauhatuskyvyn ylläpitämiseksi. Nämä iskut sekä jauhettavan massan aiheuttama eroosio kuluttavat myös jauhinkappaleita ja tästä syystä jauhinkappaleita joudutaan lisäämään tietyin välein myllyjen jauhatuskyvyn pitämiseksi halutulla tasolla. Tämä jauhinkuulien kuluminen onkin eräs tärkeimmistä kustannustekijöistä tämäntapaisessa jauhatusprosessissa. Kovia malmeja ja kvartsia jauhettaessa 3 60582 jauhinkappaleiden kuluminen on erittäin voimakasta, koska jau-hinkappaleiden kovuus tällöin on yleensä pienempi kuin jauhettavan massan.

Tähänastiselle jauhinlevyjen valmistustekniikalle tyypillistä on ollut, että jauhinlevyt on tehty läpeensä samasta aineesta, tavallisesti joko valuraudasta tai -teräksestä, mutta myös muovisia jauhinlevyjä on käytetty hyvin laimean sakeuden jau-himissa. Käytetyt valuraudat ovat olleet joko tavallisia valkoisia valurautoja (esim. Cleva), runsaskromisia valkoisia valurautoja (esim. OV-alloy) tai martensiittis-bainiittisia valurautoja (esim. erilaiset Nihard-laadut). Valuteräksistä on jauhinlevyihin käytetty eniten martensiittisen ruostumattoman teräksen erilaisia muunnoksia, joko tavanomaisesti tai erikoisesti (esim. Sundsin Ti-seostus) seostettuina. Martensiit-tisten ruostumattomien rinnalla vähäisessä määrin on käytetty myös maraging-teräksiä, kontrolloidun faasimuutoksen teräksiä sekä erkaumakarkenevia austeniittisia tai ferriittisausteniit-tisia teräksiä. Eräänlaista huippua tähänastisessa jauhinlevy-kehityksessä edustaa Sundsin titaaniseosteinen teräs, missä rakenteeseen jakautunut titaanikarbidi hyvin kulutuskestävänä rakenneosana huolehtii jauhinlevyn karheuden säilymisestä, kun se samalla lisää myös martensiittisen perusrakenteen kulumis-kestävyyttä.

Jauhinlevyjen tähänastisessa kehityksessä päähuomio on kohdistettu kulumiskestävyyden lisäämiseen. Ensin lisättiin yleensä materiaalin makrokovuutta (Cleva, Nihard, martensiittiset ruostumattomat, jne.), mutta kun havaittiin kulumiskestävyyden paremmin korreloivan mikrokovuuden kanssa, kehitys on vienyt enemmän kohti dispersiolujitettuja laatuja (Sunds, jne.). Edellisen ryhmän suuri haitta, kiillottuminen käytön aikana, on jälkimmäisen kehitysvaiheen mukana vähentynyt. Silti molempien kehitysvaiheiden materiaaleille tyypillistä on niiden heikko iskusitkeys ja lähes olematon kavitaationkestävyys. Siten tällaiset jauhinlevyt soveltuvat tilanteisiin, missä kavitaa-tio ei yleensä ole läsnä. Austeniittipohjäiset säätötransformaa-tioteräkset, kuten myös osa maraging-teräksistä, ovat osoittaneet kohtuullista kavitaation kestävyyttä samalla, kun niiden 4 60582 iskusitkeys on ollut hyvä. Kulumiskestävyys on kuitenkin ollut rajoitettua, selvästi heikompaa kuin esim. Sundsin Ti-seostei-sella laadulla.

Lopuksi todettakoon, että riippumatta siitä, minkälaisesta materiaalista jauhinlevyt on tehty, ne ovat tähän saakka aina olleet kertakäyttöisiä. Jauhinlevyjä ei ole voitu uudelleen-käsitellä niin,että uudelleenkäsittely olisi ollut taloudellisesti kannattavaa. Yleensä käytetyt jauhinlevyt ovat menneet romuksi. Kiillottumisen, heikon iskusitkeyden tai kavitaation vaikutuksesta jauhinlevyjen käyttöikä on yleensä ollut melko lyhyt.

Tähän asti jauhinkappaleet on enimmäkseen valmistettu valuraudasta tai teräksestä. Tapauksissa, missä ei sallita raudan tulemista jauhettavan massan mukaan (esim. lasinvalmistuksessa käytettävän kvartsin jauhatus), jauhinkappaleina on käytetty myös umpikeraamisia kappaleita. Valtaosassa tapauksia jauhinkappaleet ovat kuitenkin valurautaa ja terästä. Kulumiskes-tävyyden lisäämiseksi nämä tehdään seostamalla tai lämpökäsit-telemällä pintakerrokseltaan tai läpi koko kappaleen martensiit-tisiksi, bainiittisiksi, runsaasti karbideja sisältäviksi tai niiden erilaisiksi yhdistelmiksi.

Koska jauhinkappaleita valmistetaan massatuotantona, ne on yleensä pidetty hinnaltaan kohtuullisina; on taloudellisempaa kompensoida jauhinkappaleiden kuluminen uusien kappaleiden lisäyksellä myllyyn kuin käyttää hieman kestävämpiä, mutta kalliimpia jauhinkappaleita.

Tyypillistä tähänastisille jauhinkappaleille on ollut, että ne - ovat samaa ainetta läpi koko kappaleen, joskin pintakerros on saatettu lämpökäsittelyllä tai nopealla jäähdytyksellä sy-dänosaa kovemmaksi - kulumiskestävyyttä on lisätty nostamalla kappaleen - pintakerrosten - nakrokovuutta - teräs- ja valurautakappaleilla maksimikovuus on yleensä rajoittunut suuruusluokkaan 700-900 HV. Kun jauhettavan massan kovuus malmeilla ja kvartsilla usein nousee suuruusluokkaan 1500 HV, jauhinkappaleet parhaimmillaankin ovat olleet selvästi 5 60582 pehmeämpiä kuin tällainen kova massa - iskusitkeys on ollut vähäinen tai korkeintaan kohtuullinen, joka on ollut eräs syy yksinkertaisten geometristen muotojen käyttöön jauhinkappaleissa - ovat kertakäyttöisiä luonteeltaan.

Tämän keksinnön mukaisen uudentyyppisen jauhinlevyn tai -kappaleen pääasiallisimmat tunnusmerkit selviävät oheisesta patenttivaatimuksesta 1.

Nyt esiteltävän uuden jauhinlevyn tai -kappaleen tekniikka perustuu seuraavaan perusperiaatteeseen: - Jauhinlevyltä tai -kappaleelta vaadittavien ominaisuuksien kokonaisuuteen ei pyritä yhden ja saman, läpi menevän materiaalin ominaisuuksien avulla, vaan yhdistämällä eri materiaaleja sopivaksi komposiitiksi, jolloin kukin komposiittiin osaa ottava materiaali tuo siihen tietyn ominaisuuden. Pääpaino on keraamisten ja metallisten materiaalien muodostamissa komposiiteissa.

Hyvin toimivan jauhinlevyn pinnalta vaaditaan, että se on 1) kulumiskestävää, 2) karheuden säilyttävää ja 3) kohtuullisesti korroosiota kestävää. Nämä ominaisuusvaatimukset rajoittuvat vain pintakerroksiin. Koska metalleilla näitä vaatimuksia ei voida tyydyttävästi täyttää samanaikaisesti, toteutettakoon ne jauhinlevyn pintaan tuotavalla keraamisella kerroksella. Lämpötiloissa alle 200°C timantti on kulumiskestävyydeltään parhainta, mutta kalleutensa ja valmistusvaikeuksiensa vuoksi se ei taloudellisesti ole jauhinlevyyn sopiva. Sen sijaan timantista seuraava, titaanikarbidi, sekä sitä lähellä olevat titaa-ninitridi ja alumiinioksidi ovat taloudellisuuden rajoissa, kun pinnoitekerros pidetään riittävän ohuena, esim. suuruusluokassa alle 25yum. Paitsi kulumiskestäviä, nämä keraamiset aineet ovat kohtuullisesti korroosiota kestäviä hierreprosessin olosuhteissa. Mainitussa paksuusluokassa niiden sitkeyskin on 6 60582 riittävä jauhinlevytarkoituksiin. Mikäli pinnoitteen alle jäävän materiaalin pinta on alunperin sopivan karheata, pintaan tuleva keraaminen kerros säilyttää tämän karheuden ja siten myös karheusvaatimus saadaan täytetyksi.

Hyvin toimivan jauhinlevyn perusmateriaalilta, siis pinnan alla olevalta materiaalilta, vaaditaan riittävää iskusitkeyttä ja kavitaationkestävyyttä. Iskusitkeysvaatimus on yleinen, sen sijaan kavitaation kestävyyden vaatimus riippuu hierrejauhamisen olosuhteista. Näiden vaatimusten saaminen halutulle tasolle toteutetaan ferriittisellä, ferriittisperliittisellä, perliit-tisellä, austeniittisella tai muulla teräkselle ja valuraudalle tyypillisellä faasirakenteella, jolloin faasirakenne voi sisältää myös erilaisia erkaumia tai sulkeumia (esim. grafiittia), tms. Yleensä kuitenkin materiaali voi tällöin olla suhteellisen halpaa ja helposti valettavaa.

Kun kulutustakestävä ja karheutta suojaava keraaminen kerros kuluu niin, että suojausefekti heikkenee, jauhinlevy voidaan pinnoittaa uudelleen mainitulla keraamisella kerroksella, jolloin jauhinlevy on kelvollinen palaamaan taas käyttöön. Käsittelyn voi toistaa, joten jauhinlevyn luonne muuttuu enemmän tai vähemmän pysyväiskäyttöiseksi.

Kun iskusitkeydestä ja kavitaation kestävyydestä huolehtiva perusmateriaali tehdään hinnaltaan edullisesta teräksestä tai valuraudasta, koko jauhinlevyn hinta saadaan kilpailukykyiseksi. Kilpailukykyisyyttä lisää se, että jauhinlevy kestää kauemmin kuin aikaisemmat jauhinlevyt, joten tuotannon pakollisia seisahduksia on uusilla jauhinlevyillä vähemmän.

Siten uuden komposiittirakenteisen jauhinlevyn edut entisiin jauhinlevyihin verrattuna ovat lyhyesti seuraavat: - jauhinlevyn käyttöikä on pitempi ja siten myös levyjen vaihdon vaatimat tuotannon seisahdukset harvempia - jauhinlevyt voidaan uudelleenkäsitellä ja siten palauttaa niiden käyttökykyisyys - jauhinlevyjen iskusitkeys on hyvä, joten jauhimien kesto ja työturvallisuus lisääntyvät 7 60582 - jauhinlevyjen kavitaatlonkestävyys saadaa nousemaan, joka mahdollistaa nykyistä nopeampia hierreprosesseja tai nykyistä korkeampia käyttölämpötiloja - tietyissä tapauksissa jauhinlevyn valmistuskustannukset saadaan laskemaan nykyisestä tasosta.

Hyvin toimivalta jauhinkappaleelta taas vaaditaan, että se ainakin pintaosaltaan on kulumiskestävää.

Hyvin toimivalta jauhinkappaleelta vaaditaan tiettyä iskusit-keyttä. Kulutustakestävän kovan pintakerroksen on pystyttävä kestämään sellaisenaan tai välittämään kappaleeseen kohdistuvat iskut alla mahdollisesti olevaan sitkeämpään rakenteeseen. Erittäin kovien keraamisten aineiden ollessa kysymyksessä molemmat tapaukset edellyttävät hyvin ohutta ainepaksuutta, yleensä suuruusluokkaa < 25^um

Jauhinlevy tai -kappale pyritään tekemään pysyväiskäyttöisek-si sikäli, että käymällä läpi tietyn uudelleenkäsittelyn, se voidaan palauttaa käyttöön yhden tai useamman kerran.

Näiden kolmen perusvaatimuksen samanaikainen toteuttaminen on mahdollista, kun - jauhinkappaleen sisus eli perusosa tehdään halvasta, seosta-mattomasta tai lievästi seostetusta teräksestä tai valuraudasta ja - pinta, kerrospaksuudeltaan < 25 ^um, tehdään titaanikarbidis-ta, titaaninitridistä, alumiinioksidista tai niiden erilaisista yhdistelmistä - näiden peruskerrosten välillä voi lisäksi olla erilaisia, keskinäistä sopeutumista edistäviä kerroksia.

8 60582- • < Tällaisen komposiittirakenteisen jauhinkappaleet edut tähänastisiin jauhinkappaleisiin verrattuna ovat: 1) Jauhinkappaleen pinnan kovuus on suuruusluokkaa 2000-4500 HV, kun se tähän saakka teräksillä tai valurautaisilla jauhin-kappaleilla on ollut vain suuruusluokkaa & goo HV. Täten jauhinkappaleen kovuus saadaan suuremmaksi kuin kvartsin tai kovien malmien.

2) Jauhinkappaleiden käyttöikä on pitempi kuin tähänastisten, joten jauhinkappaleiden lisäystarve myllyihin pienenee.

3) Kuluneet jauhinkappaleet voidaan uudelleenkäsitellä ja palauttaa taas käyttöön. Uusien jauhinkappaleiden valamis-tarve siten pienenee.

4) Jauhinkappaleiden iskusitkeyttä voidaan laajasti varioida valitsemalla sopivasti sisusmateriaali.

5) Jauhinkappaleen hinta voidaan pitää kohtuullisena valitsemalla sisustamateriaaliksi halpa, heikosti valmistettava teräs tai valurauta.

Kun teräksisen tai valurautaisen jauhinlevyn tai -kappaleen pintaan pyritään saamaan alustamateriaalissa hyvin kiinnipysyvä keraaminen kerros, paksuudeltaan tasaisesti vain 25 ^um tai vähemmän, on soveltuvia pinnoitusmenetelmiä lähinnä kaksi: - kemiallinen kaasufaasipinnoitus (Chemical Vapor Deposition) ja - sputterointi.

Molemmat menetelmät ovat perusmuodossaan tunnettuja. Vaikeudet esiintyvät yleensä keraamisten kerrosten ja alla olevan metallin keskinäisessä sopeutumisessa. Esim. titaanikarbidin tarttuminen niukkahiiliseen teräkseen tai grafiittia sisältävään valurautaan on tähän saakka ollut vaikeaa. Nyt esitetyssä tekniikassa se toteutetaan sopivien ohuiden välikerrosten avulla.

Samaa periaatetta voidaan soveltaa myös titaaninitridi- tai alumiinioksidikerrosten tapauksissa.