NO311695B1 - Fremgangsmåte for sjablontrykking av formede gjenstander - Google Patents

Description

Oppfinnelsens bakgrunn

Foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for å danne formede, keramiske gjenstander, slik som for eksempel abrasive partikler, med en høy grad av fleksibilitet og produktivitet. Den angår særlig formede gjenstander fremstilt av en dispersjon av en a-aluminaforløper.

Formede aluminagjenstander i form av filamentaktige, abrasive partikler fremstilt ved en kimet sol-gel-fremgangsmåte, har vist seg, ifølge USP 5009676, å ha visse vesentlige fordeler fremfor korn med tilfeldige former fremstilt ved sortering av knuste, større stykker av abrasivt materiale. Metoder for å forme slike formede korn beskrives i USP 5090968 og 5201916. Belagte abrasive materialer som omfatter slike formede abrasive korn, beskrives i den europeiske patentsøknad 0395088 A2. Andre typer av formede gjenstander fremstilt fra sol-gelalumina, slik som plater, fibre og tynne duker, er også beskrevet. De fleste av disse prosesser er imidlertid dårlig tilpasset fremstilling av meget små, formede, abrasive partikler.

En ny og meget fleksibel fremgangsmåte for fremstilling av formede aluminapartikler er nå utviklet, som muliggjør meget hurtig og effektiv fremstilling fra en dispersjon av et forløpermateriale.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er særlig godt egnet til fremstilling av meget fine partikler med en teknikk som lett lar seg automatisere.

Selv om denne oppfinnelse er meget fleksibel når det gjelder arten av de former som produseres, er den spesielt anvendbar ved fremstilling av formede, abrasive partikler.

Oppsummering av oppfinnelsen

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen for fremstilling av formede, keramiske gjenstander er særpreget ved at den omfatter å påføre en dimensjonsstabil dispersjon av en keramisk forløper på én overflate på en gjennomhullet sjablon i kontakt med en støtteoverflate, slik at åpningene i sjablonen fylles, og å fjerne sjablonen fra støtteoverflaten og deretter tørke og brenne de sjablontrykte former som er igjen på støtteoverflaten, for å danne sintrede, formede, keramiske gjenstander.

En foretrukken utførelsesform av fremgangsmåten omfatter å tilføre en dispersjon av en a-aluminaforløper på én overflate på en gjennomhullet duk som er støttet på en mottakende overflate således at åpningene i duken fylles, duken fjernes fra overflaten, og deretter tørkes og brennes de sjablontrykkede former som blir igjen på overflaten, slik at de danner sintrede, formede gjenstander av ce-alumina.

Dispersjonen som anvendes må være dimensjonsstabil, og med dette menes at en enkel form som dannes fra dispersjonen i sjablontrykkingsfremgangs-måten ifølge oppfinnelsen må bibeholde sin form, når sjablonen fjernes, i lang nok tid til å kunne tørkes og brennes. Denne stabilitet kunne bli oppnådd ved anvendelse av tilsatser hvor en gel av forløperen ikke er lett å oppnå. Innholdet av faste stoffer i dispersjonen er en kritisk faktor ved oppfinnelsen dersom bibeholdeise av form ikke oppnås ved anvendelse av tilsatsstoffer. Ved de lavere innhold av faststoff kan det være nødvendig å justere viskositeten for å hindre formtap når sjablonen fjernes. Dette kan gjøres ved tilsats av et viskositetsjusterende middel. Der hvor dispersjonen er en gel er den foretrukne teknikk peptisering ved anvendelse av en syre, slik som salpetersyre. Dersom dispersjonen har for høyt innhold av faststoff, kan det imidlertid være vanskelig å fylle åpningene i sjablonen konsekvent.

Dispersjonen anvendt i en foretrukken fremgangsmåte er mest hensiktsmessig en boehmittgel, og enda mer foretrukket en boehmittgel som omfatter finfordelte kimpartikler som er i stand til å kimdanne omdannelsen av aluminaforløpere til a-alumina.

Den gjennomhullede sjablon kan fremstilles av ethvert egnet materiale, slik som rustfritt stål, plast slik som PTFE, EVA, polyester eller nylon, kraftig papir og lignende. Sjablontrykking er en velkjent metode, og materialer som generelt er egnet for fremstilling av sjabloner er generelt også anvendbare for denne oppfinnelse.

Formen av åpningene er ikke kritisk og kan velges i henhold til gjenstandenes natur. Det vil imidlertid være klart at fremgangsmåten tilbyr en metode for å fremstille praktisk talt identiske former i store mengder eller, dersom det er ønskelig, en eksakt blanding av et utvalg av forutbestemte former. Den foretrukne anvendelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen er fremstilling av formede, keramiske, abrasive partikler. Disse former kan være kantede eller runde, men de mest foretrukne er regelmessige rektangulære former med et sideforhold, hvilket er forholdet mellom lengden og den største tverrsnittsdimensjon, på fra 2:1 til 50:1, og fortrinnsvis fra 5:1 til 25:1. Det vil innses at en begrensning av dimensjonsvariasjonen bevirkes av tykkelsen på sjablonen. Dersom tykkelsen er for stor, er det ikke lett for dispersjonen å frigjøres fra åpningene når sjablonen fjernes. Således er den maksimale tykkelse for sjablontrykning vanligvis omkring 10 mm, og mer vanlig 3 mm eller mindre, så sant det ikke foretas behandling av sjablonen med slippmidler, slik som silikoner, fluorkarboner eller hydrokarbonderivater. Dersom flate former er ønskelig, behøver imidlertid ikke denne begrensning ved sjablontrykning å være av betydning.

Detaljert beskrivelse av oppfinnelsen

Dispersjonen som benyttes ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan være enhver dispersjon av en keramisk forløper, og med dette menes et finfordelt materiale som etter at det er underkastet fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, er i form av en formet, keramisk gjenstand. Forløperen kan være en kjemisk forløper, slik som for eksempel boehmitt er en kjemisk forløper for a-alumina; en morfologisk forløper slik som for eksempel 7-alumina er en morfologisk forløper for «-alumina; så vel som (eller alternativt) en fysisk forløper i betydning av at en finfordelt form av a-alumina kan formes til en form og sintres for å bibeholde denne form.

Der hvor dispersjonen omfatter en fysisk eller morfologisk forløper, slik begrepet her anvendes, er forløperen i form av finfordelte pulverkorn som, etter at de er sintret sammen, danner en keramisk gjenstand, slik som en abrasiv partikkel for bruk innen konvensjonelle bundne og belagte abrasive anvendelser. Slike materialer omfatter vanligvis pulverkorn med en midlere størrelse på mindre enn 20 /mi, fortrinnsvis mindre enn 10 /nm, og mest foretrukket mindre enn 1 fim.

Innholdet av faste stoffer i en dispersjon av en fysisk eller en morfologisk forløper er fortrinnsvis fra 40 til 65 % selv om høyere innhold av faste stoffer kan anvendes, opp til omkring 80 %. En organisk forbindelse er hyppig anvendt sammen med de finfordelte korn i slike dispersjoner som et suspensjonsmiddel, eller muligens som et midlertidig bindemiddel inntil partikkelen er tørket tilstrekkelig til å opprettholde sin form. Dette kan være ethvert av de vanlig kjente for slike formål, som polyetylenglykol, sorbitanestere og lignende.

Innholdet av faste stoffer i en kjemisk forløper som endres til den endelige, stabile, keramiske form ved oppvarming, kan behøve å ta hensyn til vann som kan frigjøres fra forløperen under tørking og brenning for å sintre partiklene. I slike tilfeller er innholdet av faste stoffer vanligvis noe lavere, slik som omkring 75 % eller lavere, og mer foretrukket mellom 30 % og 50 %. Med en boehmittgel er et maksimalt innhold av faste stoffer på 60 % eller endog 40 % foretrukket, og en gel med et heptisert minimumsinnhold av faste stoffer på omkring 20 % kan også anvendes.

Gjenstander fremstilt av fysiske forløpere vil vanligvis måtte brennes ved høyere temperaturer enn de som er dannet av en krystallkim-kjemisk forløper. For eksempel mens partikler av en kimet boehmittgel danner et i det vesentlige helt fortettet a-alumina ved temperaturer under ca. 1250 °C, krever partikler fremstilt fra a-aluminageler en brenntemperatur på over ca. 1400 °C for full fortetning.

Materialene kan fremstilles til formede, keramiske objekter ved anvendelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ved å innbefatte fysikalske forløpere slik som finfordelte partikler av kjente keramiske materialer, som a-alumina, silisiumkarbid, alumina-zirkoniumoksid og CBN. Innbefattet er også kjemiske- og/eller morfologiske forløpere, som aluminiumtrihydrat, boehmitt, y-alumina og andre overgangsaluminaer og bauxitt. Den mest anvendbare av de ovenstående er vanligvis basert på alumina og dets fysikalske eller kjemiske forløpere, og i den nærmere beskrivelse som følger illustreres oppfinnelsen med spesifikk henvisning til alumina. Det vil imidlertid innses at oppfinnelsen ikke er således begrenset, men kan tilpasses for anvendelse med et mangfold av ulike forløpermaterialer.

Andre komponenter som er funnet å være ønskelige i visse tilfeller for fremstilling av aluminabaserte gjenstander innbefatter kimdannelsesmidler, slik som findelt a-alumina, jernoksid, kromoksid og andre materialer som er i stand til å kimdanne omdannelsen av forløperformene til a-aluminaformen; magnesia; titanoksid; zirkoniumoksid; yttriumoksid; og sjeldne jordmetalloksider. Slike tilsatser virker ofte som krystallveksthemmere eller korngrensemodifikatorer. Mengden av slike tilsatser til forløperen er vanligvis mindre enn ca. 10 vekt%, og ofte mindre enn 5 vekt%, etter vekt (basert på faste stoffer).

Istedenfor en kjemisk eller morfologisk forløper for a-alumina er det også mulig å anvende en slikker av findelt a-alumina som sådant sammen med en organisk forbindelse som vil opprettholde det i suspensjon og virke som et midlertidig bindemiddel, mens partiklene brennes for i det vesentlige full fortetning. I slike tilfeller er det ofte mulig å innbefatte i suspensjonen materialer som vil danne en separat fase ved brenning eller som kan virke som et hjelpemiddel til å opprettholde den strukturelle integritet til de formede partikler enten under tørking og brenning, eller etter brenning. Slike materialer kan være til stede som urenheter. Dersom for eksempel forløperen er findelt bauxitt, vil det være en liten andel av glassaktig materiale til stede som vil danne en andre fase etter at pulverkornene er sintret sammen for å danne den formede partikkel.

Den gjennomhullede sikt som anvendes ved sjablontrykking kan lett tilpasses for anvendelse på satsvis måte eller kontinuerlig måte. Der hvor sjablon-tykkelsen er i den øvre ende av området, (omkring 10 mm), er sjablonen vanligvis ikke fleksibel nok til å anvendes en kontinuerlig prosess, i hvilken sjablonen har form av et belte. For de fleste andre anvendelser er imidlertid den foretrukne driftsform kontinuerlig produksjon. Ved slik automatisert drift har den gjennomhullede sjablon vanligvis form av et drevet belte, og dette innebærer at de dominerende spenninger i beltet er i den langsgående retning, dvs., beltet har tendens til å bli strukket. Dersom åpningene er orientert i beltets bevegelsesretning, vil denne tendens til strekk ikke medføre vesentlig endring i partikkelens tverrsnitt. Dette er derfor et foretrukket trekk ved belter for anvendelse ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen. En slik form har den ytterligere fordel at den gjør det mulig å orientere mer av materialet som beltet er fremstilt av, i den langsgående retning, og dette bidrar til en optimalisering av styrken av beltet i denne retning.

Ved anvendelse er det gjennomhullede sjablontryk-ningsbelte i kontakt med fleksible belter ettersom det passerer gjennom anvendelsessonen. Det fleksible belte bør derfor fortrinnsvis være fremstilt av et fuktighetsbestandig materiale for å sikre at det ikke påvirkes av vannet eller syreinnholdet i gelen. Ettersom beltet også drives, er det foretrukket at det er relativt ustrekkbart. I det vesentlige bør det fortrinnsvis også være glatt, for således å unngå gelinntrengning i beltematerialet, hvilket gjør separasjon vanskelig. Mange aluminageler har en sur pH, særlig hvis de er blitt peptisert ved tilsats av en syre, og derfor bør de foretrukne belter ha god korrosjonsbestandighet. De foretrukne materialer som oppfyller alle disse kriterier er rustfritt stål, selv om andre materialer, slik som krombelagt nikkel, kan anvendes. Polytetrafluoretylen, kopolymerer som omfatter en fluorert etylenmonomerkom-ponent, og polypropylen, kan anvendes isteden under egnede forhold.

Det er ofte ønskelig å belegge materialet som det gjennomhullede sjablontrykningsbelte er fremstilt av, med et frigjøringsbelegg for å lette fjerning av partikler fra sjablonen. Frigjøringsbelegget kan for eksempel være en påbakt fluorpolymer, slik som den som vanligvis selges under DuPont Co.-varemerket "Teflon". Alternativt kan belegget påsprøytes før anvendelse. Slik påsprøyting av belegg kan innbefatte organiske smøremidler, slik som oktanol, dekan, heksadekan og lignende. Det innses selvfølgelig at de samme betraktninger gjelder ved utforming av den gjennomhullede sjablon når denne har en ulik form, slik som en enkel plate, hvilken kan være egnet for satsvis drift.

Ettersom mange av de samme kriterier gjelder for valget av materialet for støtteplaten som for det gjennomhullede sjablontrykningsbelte, er det ofte hensiktsmessig å utforme støtteplaten av det samme materiale. Omgivelsene som det gjennomhullede sjablontrykningsbelte og støtteplaten eksponeres for under fremgangsmåten gjør vanligvis et korrosjonsbestandig metall til det foretrukne valg.

Formede gjenstander som er blitt brent for å danne slipekorn kan innarbeides i et bundet slipemiddel, slik som et slipehjul, eller et belagt slipemiddel, slik som en slipe-skive eller et -belte.

Beskrivelse av tegninger

Figur 1 er en skjematisk fremstilling av en fremgangsmåte for sjablontrykking ifølge oppfinnelsen, tilpasset for drift på kontinuerlig måte. Figur 2 er et fotografi av toppoverflaten på en sjablon som er egnet for en satsvis fremgangsmåte for sjablontrykking ifølge oppfinnelsen. Figur 3 er et fotografi av slipepartikler fremstilt ved anvendelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen og en sjablon som vist på Figur 2.

Beskrivelse av foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen

I denne del av beskrivelsen vil det hovedsakelig fokuseres på anvendelse av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ved fremstilling av formede slipepartikler. Veiledningene som gis er tilpasningsbare for fremstilling av andre former, slik som flate skiver, slipemedier for kulemøller og lignende.

Oppfinnelsen beskrives nå med særlig henvisning til tegningene. Dette er bare i den hensikt å illustrere og er ikke ment å innebære noen som helst begrensning av oppfinnelsens vesentlige omfang.

En trykksjablon 1, i form av et kontinuerlig belte, passerer rundt en samling av fire ruller, 2, 3, 4 og 5, hvor rommet mellom rullene 2 og 3 definerer en påføringssone 6, rommet mellom rullene 3 og 4 en frigjøringssone 7, rommet mellom rullene 4 og 5 en rengjøringssone 8 og rommet mellom rullene 5 og 2 en behandlings-sone 9.

I påføringssonen 6 holdes sjablonen 1 i god kontakt med et sammenhengende rustfritt stålbelte 10 langs dets ytre overflate samtidig som begge belter beveger seg i samme retning med i hovedsak lik hastighet og en dispersjon av abrasive forløperpartikler tilføres på den indre overflaten av sjablonen (tilførsels-mekanismen er ikke vist) foran en skrapekniv, 11. Passasjen under skrapekniven tvinger dispersjonen inn i åpningene i sjablonbeltet, hvilket på dette punkt er i god kontakt med det kontinuerlige stålbelte, 10.

I frigjøringssonen 7 frigjøres sjablontrykkbeltet fra det sammenhengende rustfrie stålbelte og etterlater seg de sjablontrykkede former på overflaten av beltet 10. Formene transporteres av beltet til en tørkesone 12, hvor fuktigheten trekkes ut av formene i det minste i den grad som er nødvendig for å omdanne dem til partikler som beholder sin strukturelle integritet ved håndtering. De tørkede partikler fjernes deretter fra det kontinuerlige stålbelte og brennes i en egnet ovn for å omdanne dem til slipepartikler. Før beltet kommer inn i påføringssonen i kontakt med sjablontrykkbeltet, kan det gis en frigjøringsbehandling (slik som en fluorkarbon-dusj) dersom beltet ikke er blitt forbehandlet for å gi det et påbakt frigjøringslag.

I mellomtiden passerer sjablontrykningsbeltet, etter å ha forlatt frigjør-ingssonen, gjennom rengjøringsseksjonen 8, hvor beltet først tørkes og deretter fjernes ethvert gjenværende materiale med hensiktsmessig rettet børsting, luftblest, kom-binasjoner av blest og børsting, eller lignende.

Fra rengjøringssonen føres sjablontrykningsbeltet til behandlingssonen 9 hvor et frigjøringsmiddel kan påføres, om ønsket, for å lette separasjonen av formene fra sjablontrykningsbeltet i frigjøringssonen.

Det er mange variasjoner som kan foretas med arrangementet vist på tegningene. For eksempel kan påføringen av dispersjon på sjablontrykningsbeltet gjennomføres idet beltet passerer vertikalt, i motsetning til horisontalt. Sjablontrykningsbeltet kan også tilveiebringes som overflaten til en enkel, hul trommel hvor sonene 6 til 9 tilveiebringes av ulike segmenter på trommelens omkrets. Alle slike variasjoner er omfattet av oppfinnelsens vesentlige omfang.

Eksempel 1

Dette eksempel illustrerer anvendelsen av en variant av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen utført på satsvis måte. Ved denne fremgangsmåte blir en flat 0,1 mm tykk sjablontrykningsplate av rustfritt stål med et mangfold av åpninger med 1 mm lengde og 0,1 mm bredde, i det vesentlige som vist på Figur 3, sprøytet med et hydrokarbon-frigjøringsmiddel og deretter plassert på en flat støtteplate av rustfritt stål. En krystallisert boehmittgel med 30-35 % faste stoffer ble deretter avsatt på sjablontrykningsplaten og tvunget inn i åpningene ved anvendelse av en skrapekniv. Sjablontrykningsplaten ble fjernet slik at gelformene ble etterlatt på støtteplaten. Støtteplaten med gelformene ble deretter plassert i en ovn og varmet ved 80 °C i 5 minutter og deretter ved 1325 °C i ytterligere 3 minutter. De abrasive partikler som ble tilveiebragt er vist på Figur 3.

Tettheten til de brente partikler var 3,92 g/cm<3> (målt med helium-metoden), den midlere krystallstørrelse, målt med den korrigerte avskjæringsmetode, var 0,15 fim, hardheten var 18,3 GPa (med 50 g last), og løspakket tetthet var 0,9 g/cm<3>. Den endelige dimensjon til partiklene, som i det vesentlige hadde firkantet tverrsnitt, var: lengde 697 /im, gjennomsnittlig lengde av sidene i tverrsnittet 79 fim, hvilket gir et sideforhold på omtrent 8,7:1. Den løspakkede tetthet til kornene var 0,9, og den ekvivalente diameter til kornene var 79 /mi.

Slipekornene ifølge oppfinnelsen viste seg å være meget virksomme da de ble innarbeidet i et glassaktig bundet slipehjul.

Eksempel 2

Ved en annen operasjon, tilsvarende den som er beskrevet ovenfor i Eksempel 1, ble en perforert rustfri stålplate behandlet for å bake på et Teflon FEP fluorpolymerbelegg. Platen var 0,2 mm tykk, og perforeringene hadde rektangulær form med en bredde på omtrent 0,2 mm og lengde på omtrent 6,4 mm. De samme påførings-, tørke- og brenneprosedyrer som ble beskrevet ovenfor ble anvendt for å danne filamentaktige abrasive partikler med følgende egenskaper: Tetthet (vann) 3,88-3,93 g/cm<3>

Krystallstørrelse 0,18/im

Hardhet (Vickers, 200 g last) 22,5 GPa

Ekvivalent diameter (rektangulær) 90 [ im x 135 /im

Sideforhold 25:1

Løspakket tetthet omtrent 0,5

Claims (10)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av formede, keramiske gjenstander, karakterisert ved at den omfatter å påføre en dimensjonsstabil dispersjon av en keramisk forløper på én overflate på en gjennomhullet sjablon i kontakt med en støtteoverflate, slik at åpningene i sjablonen fylles, og å fjerne sjablonen fra støtte-overflaten og deretter tørke og brenne de sjablontrykte former som er igjen på støtteoverflaten, for å danne sintrede, formede, keramiske gjenstander.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den keramiske forløper er en o;-aluminaforløper.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at forløperen er en kjemisk forløper.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at dispersjonen er en boehmittgel.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at gelen har et innhold av faste stoffer fra 30 % til 60 %.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den gjennomhullede sjablon er bestandig mot syrer og vann.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den gjennomhullede sjablon har form av et drevet belte.

8. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at den fremstiller filamentaktige, keramiske, abrasive partikler.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 4, karakterisert ved at boehmitt-aluminagelen omfatter opp til 10 vekt%, (basert på faste stoffer), av tilsatsstoffer valgt blant kimdanningsmidler, magnesia, zirkoniumoksid, titanoksid, yttriumoksid og sjeldne jordmetalloksider.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 9, karakterisert ved at partiklene sjablontrykkes ved anvendelse av et kontinuerlig, gjennomhullet belte i hvilket åpningene har dimensjoner for å fremstille trykte former med et sideforhold fra 2:1 til 50:1.