NO140005B - Slipemateriale. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår slipematerialer.

Sintrede slipemidler kan fremstilles ved å oppvarme finfordelt bauxitt eller andre aluminiumholdige sammensetnin-

ger til en sintringstemperatur (f.eks. mellom 1350 og 1600°C),

i motsetning til smeltede slipemidler som fremstilles ved å smelte aluminiumholdige materialer i en bueovn ved temperatu-

rer over 2000°C, og begge disse typer slipemidler har vært fremstilt i ca. 13 år. De er beskrevet i U.S. patentene 2.725.286, 3.079.243, 3.454.385, 3.387.957, 3.637.360 og 3.679.383, japansk søknad nr. 68-4595 (publisert 20. februar 1968) og beskriver sintrede aluminiumsholdige slipekorn som inneholder fra 4 til 34% zirkoniumoksyd og fra 0,5 til 4,5% manganoksyd. Tysk patent nr. 1.9 08.4 75, publisert 13. november 1969, beskriver sintrede slipemidler fremstilt fra aluminiumoksyd blandet med zirkoniumoksyd og hvor man har tilsatt fra 1 til 10% additiver valgt fra gruppen bestående av hva vi kaller jordmetalloksyder og halogenider, kromoksyder, mangan-oksyder, koboltoksyder og halogenider av aluminium, mangan, kobolt og krom samt blandinger av disse. Ungarsk patent nr. 158.576 beskriver, skjønt den ikke angår slipemidler, ikke desto mindre aluminiumholdige sammensetninger inneholdende aluminiumoksyd og zirkoniumoksyd med ceriumoksyd, magnesium-oksyd og siliciumdioksyd. Disse sammensetninger ble sintret ved temperaturer over 1600°C til produkter så som elektriske isolatorer.

Sintret aluminiumoksyd-zirkoniumoksyd er nylig blitt beskrevet og kommersialisert for bruk i slipeskiver (beregnet for materialfjerning) .

Det er et behov for sintrede aluminiumholdige slipe-.Ttidler med høy slagstyrke og sliteresistens som tilsvarer eller er bedre enn tidligere kjente sintrede slipemidler.

Foreliggende oppfinnelse tilveiebringer et slipemiddel av sintrede formede partikler som er egnet for sammenbinding i slipehjul tilpasset for grov sliping med materialfjerning av rustfritt stål, og slipemidlet karakteriseres ved at de individuelle slipende partikler har en sammensetning som innbefatter aluminiumoksyd, ceriumoksyd og eventuelt zirkoniumoksyd i de mengder som er definert av grensen AEBC på det vedlagte ternære sammensetningsdiagram, og hvor aluminiumoksydet, zirkoniumoksydet og ceriumoksydet utgjør minst 95 vekt-% av sammensetningen, og inntil 5 vekt-% av oksyder av silicium, titan, jern, kalsium, magnesium, mangan, vanadium, krom, nikkel og kobolt som urenheter.

Slipemidlene ifølge oppfinnelsen kan bindes sammen til slipehjul som er tilpasset gorv sliping hvor en finfordelt pulverisert blanding på forhånd blir opparbeidet til slipende kornpartikler og siden fiksert ved sintringstemperaturer på for eksempel 1350 til 1600°C.

Slipemidlet er således et sintret aluminiumholdig eller aliminium-zirkoniumholdig materiale inneholdende fra 2 til 25% ceriumoksyd.

Skjønt det er foretrukket sammensetninger som inneholder vesentlige mengder zirkoniumoksyd, dvs. mellom 10 og 45%, har man funnet at ceriumoksyd-aluminiumoksydholdige produkter har utmerkede male- eller slipeegenskaper som tidligere ikke var kjent.

Den vedlagte tegning er et ternært sammensetningsdiagram for ceriumoksyd-aluminiumoksyd-zirkoniumoksydsystemet der det område som innelukkes av kurven AEBC representerer sammensetninger ifølge foreliggende oppfinnelse. Parallelogrammet DEBF representerer de foretrukne grenser ifølge foreliggende oppfinnelse.

Bedømmelse av slipemidler for materialfjerning eller finsliping er en videnskap som er under utvikling. Et mål på hvorvidt et partikkelformet slipemiddel er godt egnet eller ikke, er slipemidlets sprøhet. Denne egenskap kan måles ved forskjellige fremgangsmåter som varierer fra hvor lett det er å knuse et gitt korn med hånd mellom kjevene i en tang, til mer utviklede og forfinede kvantitative målemetoder hvor man måler hvor mange korn som er knust eller brutt ned når en prøve inneholdende et stort antall korn av et gitt materiale underkastes slip eller maling i en kulemølle eller på annen måte. En metode som er mye anvendt innbefatter at hver enkelt partikkel av en stor prøve av partikler med lik størrelse og form underkastes et enkelt slag mot et raskt roterende stålblad, hvoretter de oppståtte partikler siktes og analyseres. Lengere prøving på denne måten i lange tidsrom har vist at sprøtt materiale så som slipemidler, når de brytes eller slåes på denne måte, brytes ned på en måte som kan beskrives ved hjelp av følgende ligning:

hvor R er den vektfraksjon av korn som blir igjen på en gitt sikt med åpninger med en dimensjon x; xq er den effektive opprinnelige størrelse på kornene (før slaget), og k er et dimensjonsløst tall som kan være representativt for antallet dårlige korn i det materiale som prøves. Jo lavere verdi man får for k, jo sterkere er materialet. Denne slagprøvemetode er utprøvet og diskutert i "Single Impact Testing of Brittle Materials" av Karpinski og Tervo, sidene 126 til 130 i juniut-gaven 1965 av "Transaction of the Society of Mining Engineers".

Når man skal bestemme k-verdien, blir en prøve som er fremstilt av grovt slipemiddel knust og siktet. Selve prøven vil utgjøres av den del av det knuste slipemiddel som holdes tilbake mellom to spesifiserte tilstøtende sikter i Tylerserien, etter at man har siktet det hele i en halv time med en ristende siktemaskin. Prøvens vekt velges slik at man får ca. 10 000 individuelle slipekorn. For 14-korn som vanligvis brukes for slagprøving, er en 100 grams prøve passende.

Kornene slippes i alt vesentlig ett for ett inn i et evakuert kammer (f.eks. 2 mm H ) hvor de treffer ved et direkte sentralt slag av et stålblad som beveger seg med en forutbestemt hastighet. Ved slaget føres kornet over i et oppsamlingskammer. Sekundære slag nedsettes til et minimum ved å fore alle tilstø-tende metalloverflater med gummi.

De korn som er blitt oppsamlet i oppsamlingskammeret blir så siktet i en halv time på neste Tyler-sikt (tilstøtende størrelse) i en rister slik at man kan bestemme størrelsesfor-delingen etter slaget med hensyn til vekten av korn på hver sikt. Ved bestemmelser av k-verdier var stålbladets sentrum 30 cm fra rotasjonssentret, og bladets hastighet var 2000 om-dreininger pr. minutt, noe som tilsvarer en hastighet på 62,7 m pr. sekund.

Ved en virkelig bestemmelse av en k-verdi, vil man typisk bruke fire sikter med et oppsamlingskar under dem i en ristemaskin. Den første sikten (vilkårlig angitt som 2,5 cm sikten) er den sikt hvorpå prøvematerialet ble holdt tilbake under selve sikteoperasjonen. De etterfølgende sikter som angis 1, 2, 3, 4 etc. er hver mindre enn den foregående sikt ved en faktor på 1.189 (fjerderot av 2) i Tyler-siktsystemet. Dette faktum kan brukes for å forenkle beregninger ved på forhånd å fremstille tabeller for verdier av den resiproke verdi for logaritmen av 1 - ^— for forskjellige verdier av x (som nor-xo °

malt vil være mellom 1 og 1,5, når "2,5 cm" sikten vilkårlig angis med verdien på en enhet for denne åpningsstørrelse).

Vekten av korn på forskjellige sikter blir angitt i rekkefølge idet man starter med "2,5" sikten og de samlede fraksjoner R av den totale vekt på hver sikt blir så beregnet. En verdi på xq, f.eks. 1,02, velges vilkårlig og ut fra R på hver sikt kan k beregnes ved hjelp av følgende formel:

for hver enkelt av R. Hvis verdiene for k er de samme for hver R, så har man valgt den korrekte xq, og k og xq er kjente. Hvis verdiene for k skiller seg med mer enn en enhet i tredje desimal-plass, så må man velge en ny verdi for xq. Dette gjentas inntil k blir bestemt med den forønskede nøyaktighetsgrad.

En annen målbar egenskap for slipemidler er.den såkalte "destruerbarfaktoren" eller "a"-verdi, definert ved følgende ligning:

Denne ligning representerer forholdet mellom hjulslipe-hastigheten W i kubikktommer pr. time, og materialfjerningshas-tigheten M i pund pr. time hvor P er den vertikale kraft i pund av slipehjulet og V er overflatehastigheten på hjulet i fot pr. minutt, K er en konstant som representerer slipbarheten eller målbarheten av det metall som males eller slipes, og a er den forannevnte "destruerbarhetsfaktoren" som har enhetene kubikktommer pr. time. Ligningen representerer optimal metall-fjerningshastighet for et slipemiddel for en gitt verdi av a for fast trykk og hjulhastighet og en gitt hjulslipehastighet W. I male- eller slipeprøve er det hensiktsmessig å beregne PV/M og l/W fra målinger av W og M. Når resultatene avsettes med PV/M på Y-aksen og l/W på X-aksen, vil resultatet være en rett linje som går gjennom l/K på Y-aksen og hvis helling er a/K. K-verdiene for prøvemetallene kan være kjente fra tidligere prøver eller kan bestemmes ved å ta måleresultatene for et gitt hjul med en kjent a-verdi eller ved å måle metallfjerningen ved mer enn en hjulslipehastighet (ved varierende hastighet, trykk eller hardhet på hjulet), slik at man bestemmer to punk-ter på den rette linje for avsetting av PV/M i forhold til l/W.

I de spesielle engelske enheter som er anvendt ovenfor vil dimensjonene på konstanten K være 60 pund pr. fot. Man kan selvsagt bruke alle typer enheter med konstante dimensjoner, men i slike tilfeller vil selvsagt de numeriske verdier av K

og a være forskjellig fra de som er anvendt her. En teoretisk diskusjon og utledning av ligning (1) er gitt i boken "Abrasives" av Loring Coes Jr., utgitt i 19 71 av Springer-Verlag, Wien og New York. Det ligningen i virkeligheten angir er at hastigheten med hensyn til fjerning av metall er direkte proporsjonal med den energi som tilføres hjulet (PV) hvis det ikke er noe avsli-ping av slipemidlet (a=o). Dette betyr at for det "perfekte" slipemiddel er M = KPV. Ettersom verdien for a alltid er noe større enn 0, vil metallfjerningshastigheten i virkeligheten ikke være lik KPV, men vil bli redusert ved en effektivitets-faktor som tilsvarer W/(W+a). Dette betyr således at jo mindre verdien for a er, jo bedre vil slipemidlet være. Hastigheten for metallfjerning slik den er angitt ved ligning (1) er den som oppnås når slipemidlet brukes med optimal effektivitet. Hvis bindingen er for myk eller slipemidlet for svakt for de gitte

slipebetingelser eller malebetingelser, så vil metallfjerningshastigheten være mindre enn den som forutsies av ligning (1), og slipemidlet vil således ikke utnyttes fullt ut.

Således kan et slipende korn brytes ned under malingen slik at det ikke effektivt utnyttes i hjulet. Dette kan skje på grunn av at slipemidlet i seg selv er for svakt eller for svakt bundet for de spesielle betingelser som opptrer, eller det kan lett splintres. Dette siste betyr at det har en for svak form for den spesielle binding som brukes i hjulet.

Selve slipemidlets styrke er således en viktig faktor som sammen med egenskaper ved sammenbindingen og den såkalte "destruerbarhetsfaktoren" a, bestemmer slipehastigheten (og kuttehastigheten) for et malende eller slipende hjul under et gitt sett av betingelser. Den dimensjonsløse K-verdien eller slagstyrken slik den er beskrevet ovenfor (må ikke sammenglan-des med slipbarheten K for et metall) er et mål for styrken i det slipende korn. Den spesielle verdi man finner for K for et gitt slipemiddel er avhengig av både materialets styrke ved resistens mot slag og kornets form.

Det fremgår av det ovenstående at det ved hard sliping så som ved materialfjernende sliping, hvor man bruker høye has-tigheter og krefter, så vil de målbare egenskaper for slipemidlet som er viktige for slipemidlets opptreden være slagstyrken K og destruerbarhetsfaktoren a. Som pekt på av Coes,

så vil lave destruerbarhetsfaktorer (a-verdier) være korreler-bare med høye smeltepunkter for visse typer slipemidler.

Slipemidler ifølge foreliggende oppfinnelse er en viss klasse sintrede slipekorn av ny sammensetning med høy styrke og lav a-verdi som er spesielt godt egnet for bruk i organisk sam-menbundede slipehjul for hard sliping, slik som f.eks. materialfjernende sliping av rundstaver av stål.

Det bredeste sammensetningsområdet for sintrede slipemidler ifølge foreliggende oppfinnelse er angitt av kurven AEBC på det vedlagte diagram. Den foretrukne sammensetning for slipemidler ifølge foreliggende oppfinnelse er angitt ved det område som er innelukket av parallelogrammet DEBF. Skjønt man foretrek-ker utgangsmaterialer med høy renhet, så vil materialer med en renhet på over 98% være kostbare. Det kan tolereres og endog være foretrukket med opp til 5%, dvs. totalt, pr. vekt av urenheter så som oksyder av jern, silisium, titan, magnesium, kalsium, krom, kobolt, vanadium, nikkel og mangan.

Fremstillingen av slipekorn innbefatter (1) at man blander råmaterialene, (2) opparbeider blandingen til slipekorn til en gitt størrelse og form og (3) tørker og brenner de formede kornene.

Råmaterialet bør blandes meget godt og i en finfordelt tilstand, og partiklene av aluminiumoksyd, ceriumoksyd og zirkoniumoksyd bør være mellom 0,5 og 10 ym i størrelse eller finere, og bør være mellom 4ym eller finere i midlere størrelse. Selve brenningen bør ikke frembringe en krystallvekst på over

5 ym i midlere størrelse

Den patentlitteratur som er angitt ovenfor antyder flere forskjellige formingsmetoder som kan brukes med sammensetninger ifølge foreliggende oppfinnelse, så som pressing til firkantede stykker som så granuleres til slipepartikler med en viss størrelse, ekstrudering, uthelling i tynne sjikt som så tørkes og brytes opp, støping etc. Suspensjonen blir fortrinns-vis fremstilt inneholdende deflokkulerende midler som kan brukes ved støping i former av forønsket størrelse uten ytterli-gere behov for pressing, noe som er nødvendig når man bruker tørre blandinger. Egnet deflokkuleringsmiddel er treverdig ammoniumcitrat slik det er beskrevet i US-PS 2.637.360 eller kommersielle deflokkuleringsmidler.

Brenningen kan utføres ved temperaturer fra 1350 til 1600°C i tidsrom fra 1 til 24 timer.

Det brente slipekorn kan brukes i harpiksbundne slipehjul som er tilpasset for rotasjon ved høye overflatehastig-heter og høye trykk.

Utgangsmaterialene i dette eksempel var kulemalt kommersielt ceriumoksyd. Disse pulvere i et vektforhold på 71,25% aluminiumoksyd, 23,75% zirkoniumoksyd og 5,0% CeC^ ble tørr-blandet i en time i en valseblander og så våtmalt i en vibre-rende mølle inntil man hadde en midlere partikkelstørrelse på mellom to og tre pm. Den resulterende suspensjon ble så ovns-tørket ved ca. 95°C. Det tørkede materiale ble så redusert til pulver ved svak valsing på en metallvalse. Pulveret ble presset til kaker med en diameter på 7,5 cm idet man brukte et trykk på 850 kg pr. cm 2. Intet bindemiddel var tilstede i prøven bortsett fra det vann som ikke var fjernet under tørkingen. De pressede kaker ble ført gjennom en granulator. Dette granulerte materiale ble så ført gjennom 8 og 10 mesh sikter. De ubrente kornene ble så rotert i en fibertrommel på en valseblander for å gi sterkt formede korn i det man brukte følgende fremgangsmåte. +8-fraksjonen av nylig granulert materiale ble rotert i fra 5 til 10 minutter og så igjen siktet. Eventuelt gjenværende +8-fraksjon ble så presset for hånd gjennom en 8 mesh sikt. Hele +10-mesh fraksjonen ble så rotert i 10 minutter og igjen siktet. + 10-fraksjonen ble så brent idet man brukte en stavovn til 1580°C

i luft slik at man fikk en oppholdstid på ca. 2 timer ved denne temperatur. De brente kornene ble så skilt i en sterkt formet fraksjon og en svakt formet fraksjon idet man brukte en Sutton-tabell. En røntgendiffraksjonsanalyse anga at følgende kry-stallinske faser var tilstede: alfa-aluminiumoksyd; av fast oppløsning tetragonal zirkoniumoksyd-ceriumoksyd; monoklinisk zirkoniumoksyd, ceriumzirkonat { Ce2^'! 0^ >- j) t det siste i spor-mengder som nesten ikke lot seg påvise.

Verdier for k ble bestemt ved å bruke ca. 100 g materiale og en hastighet på 62,7 m pr. sekund. Den sterkt formede fraksjonen ga en k-verdi på o.ol3, den svakt formede fraksjonen en verdi på o.o50.

Et annet eksempel er følgende:

Denne prøve ble behandlet på samme måte som angitt ovenfor. Intet monoklinisk zirkoniumoksyd ble påvist i de brente kornene ved røntgendiffraks jon. De k-verdier som ble oppnådd for de sterkt og svakt formede fraksjoner av denne prøve bar henholdsvis 0,046 og 0,107.

Man har funnet at slipemidler fremstilt med de mengder zirkoniumoksyd, aluminiumoksyd og ceriumoksyd som er definert innenfor området ABCD på det vedlagte diagram, har k-verdier (ved en slaghastighet på 62,7 m pr. sekund og i 8- til 20-korn-størrelsen) på 0,2 eller lavere eller så lavt som 0,01, og a-verdier som er lavere enn det som er oppnådd for sintrede bauxitt-slipemidler.

Istedenfor å presse og granulere pulverblandingene har

man funnet at støping for å fremstille formede korn kan oppnås ved å støpe en suspensjon av de malte pulverne med et tilsatt deflokkuleringsmiddel slik at man får blandinger som har høyt innhold av faste stoffer, men enda er hellbare, og disse blandinger kan helles over i former av den forønskede fornform. En hensiktsmessig fremgangsmåte for å gjøre dette er å bruke en

perforert metallplate som er festet til en plate av stukkgips. Perforeringene er av den forønskede form og platen av en slik tykkelse at man får tilveiebrakt den forønskede geometri og størrelse på de brente kornene.

Den følgende blanding ble fremstilt og brukt under støpemetoden:

Det anvendte zirkoniumoksyd hadde følgende sammensetning: 98,6% zirkoniumoksyd pluss hafniumoksyd (ca. 3% hafniumoksyd) og resten var mindre enn 1% hver av kalk, siliciumdioksyd, titan-oksyd, jern og aluminiumoksyd. Det blandede tørre pulveret ble redusert i partikkelstørrelse ved våt- eller tørrmaling til midlere størrelse på fra 2 til 4 ym. Det ble fremstilt en suspensjon ved å tilsette 200 deler vann og 25 deler av et kommersielt deflokkuleringsmiddel til hver 850 deler av den tørre pul-verblandingen. For å redusere porøsiteten i de støpte produktene er det ønskelig å fjerne luftbobler fra suspensjonen ved vakuum-blanding eller ved å sikte suspensjonen.

Suspensjonen ble så helt over i former som tilsvarte de individuelle slipende korn, deretter tørket og kornene ble fjernet fra formene og brent. Brenningen fant sted ved 1350°C i en lang periode så som 24 timer, eller ved 1580°C i fra 1 til 2 timer, eller ved mellomliggende temperatur i et mellomliggende tidsrom. Produkter fremstilt ifølge foreliggende oppfinnelse ble brent i luft i en elektrisk oppvarmet ovn, og har dessuten blitt brent i en gassovn med en oksyderende atmosfære. Den midlere krystallstørrelse på det tørkede produkt bør være mindre enn 5 ym.

Målinger av k-verdier på produkter ifølge foreliggende oppfinnelse i 8- til 12-kornområdet, har vist at slipemidlet har ekstremt høy slagstyrke som vanligvis ligger over det man finner for smeltede slipemidler med høy styrke og med andre sintrede slipemidler. Slipeprøver eller maleprøver på rustfritt stål og karbonstål har vist at materialet har lavere destruer-barhetsf aktor (a-verdi) enn kommersielt tilgjengelige sintrede slipemidler.

Claims (4)

1. Slipemateriale av aluminiumoksyd og eventuelt zirkoniumoksyd i form av sintrede formede partikler som er egnet for sammenbinding i slipehjul som er tilpasset grov sliping av rustfritt stål, karakterisert ved at de individuelle slipende partikler har en sammensetning som innbefatter aluminiumoksyd, ceriumoksyd og eventuelt zirkoniumoksyd i mengder som er definert av grensen AEBC på det vedlagte ternære diagram, og hvor aluminiumoksydet, zirkoniumoksydet og ceriumoksydet sammen utgjør minst 9 5 vekt-% av sammensetningen og inntil 5 vekt-% av oksyder av silicium, titan, jern, kalsium, magnesium, mangan, vanadium, krom, nikkel og kobolt som urenheter.

2. Slipemateriale ifølge krav 1, karakterisert ved at mengdene av zirkoniumoksyd, aluminiumoksyd og ceriumoksyd ligger innenfor grensene DEBF på den vedlagte tegning.

3. Slipemateriale ifølge ethvert av de forannevnte krav, karakterisert ved at den midlere krystallstør-relse er mindre enn 5 pm.

4. Slipemateriale ifølge ethvert av de forannevnte krav, karakterisert ved at det har en slagstyrke k ved en hastighet på 6 2,7 m pr. sekund på mindre enn 0,2 for 8-korn.