NO326382B1 - Fremgangsmate for fremstilling av abrasivt verktoy - Google Patents

Description

Generelt er slipeartikler med bindingsmateriale kjennetegnet ved en tredimen-sjonal struktur hvor slipekornene holdes i en matriks eller et bindingsmateriale. I noen tilfeller er bindingsmaterialet et organisk bindingsmateriale, også kalt et polymert eller harpiksbasert bindingsmateriale. Verktøyer med organisk bindingsmateriale har imidlertid ofte dårlige egenskaper under våtslipingsbetingelser. Bibehold av styrke under våtsliping er særlig dårlig når det gjelder noen verktøyer fremstilt med aluminabaserte korn holdt i bindingsmaterialer av fenolharpiks. Slipehjul som innbefatter slipekorn bundet i fenolharpiks, for eksempel slike som er betegnet "38A"-korn, er kjent for hurtig slitasje av hjulet ved våtsliping. Man antar at det skyldes de sterkt vannfølsomme kjemiske forhold i overflaten, dvs. høyt Na20-innhold, hos denne type slipekorn. I nærvær av vannbasert slipevæske vil ubrukte slipekorn løsne for tidlig fra bindingsmaterialet.

I DE 3112953 beskrives en abrasiv artikkel hvor abrasive korn av alumina kombineres med en fenolharpiks og så støpes. Slipekornene kan ha et belegg med silikater eller fosfater.

I et forsøk på å forbedre våtegenskapene hos slipeverktøy hvor det er benyttet fenolharpiks som bindingsmateriale, er slipekornene blitt behandlet med silaner for derved å gjøre kornene hydrofobe. Som rapportert i US patentskrift nr. 5 042 991 innebærer imidlertid denne teknikk vanskeligheter ved tilvirkningen, og kornenes forbedrede egenskaper avtar etter noen få måneders lagring.

Med et annet tiltak beskrevet i US patentskrift nr. 3 323 885, forbedres hjulets levetid ved å forhindre for tidlig tap av brukbare korn fra bindingsmaterialet ved at fuktighet tilføres gjennom massen i et rå-hjul under det første trinn av herdeprosessen, dvs. det opprettholdes en relativ fuktighet på minst 20 % i minst 5 minutter ved ca.

100 °C. Som et tiltak for å tilføre denne relative fuktighet, blir rå-hjulet pakket inn i en fukttett film før herding. Selv om de resulterende hjul får forbedret levetid, vil trinnene med innpakking og utpakking av hvert hjul øke tilvirkningskostnadene for slipeverktøyer med bindingsmateriale. I tillegg vil filmen forhindre at uønskede reaksjonsprodukter unn-slipper, så som ammoniakk, som forblir fanget inne i kroppen hos den ferdige artikkel. I fravær av innpakking vil vanndamp bli drevet av og fordampe når rå-legemet oppvarmes til over 100 °C.

Det er derfor behov for slipeartikler med organisk bindingsmateriale, og fremgangsmåter for fremstilling av disse, hvor de ovennevnte problemer er redusert eller minimert.

Den foreliggende oppfinnelse angår generelt fremgangsmåter for fremstilling av slipeartikler med organisk bindingsmateriale, så som slipehjul, hjulsegmenter og annet.

Med oppfinnelsen tilveiebringes således en abrasiv artikkel med organisk bindingsmateriale, idet den abrasive artikkel omfatter et slipeverktøy, så som et abrasivt hjul eller slipehjul, omfattende trinnene: a) en komponent med abrasive korn kombineres med en komponent med fenolisk harpiks og

b) de kombinerte komponenter støpes.

Fremgangsmåten er kjennetegnet ved at den også omfatter trinnet:

c) den fenoliske harpikskomponent varmherdes ved en endelig herdetemperatur på minst 150 °C i hele den periode som den fenoliske harpikskomponent

polymeriserer, i en atmosfære som omfatter fuktighet, hvor atmosfæren har en relativ fuktighet som overskrider normal relativ fuktighet ved en gitt temperatur, og hvor atmosfæren er i kontakt med de støpte komponenter.

I ett eksempel oppnås atmosfæren som omfatter fuktighet, ved å føre damp direkte inn i kammeret som benyttes til å utføre varmherdingen. I en foretrukket utførelsesform blir slipekornene først kombinert med en organosilisiumforbindelse for å danne organosilisium-behandlede slipekorn, etterfulgt av å kombinere den fenolbaserte harpikskomponent og de organosilisium-behandlede slipekorn.

Et slipehjul fremstilt ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen har en styrkeretensjon på over 57 %. En slipeartikkel fremstilt ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen har en mengde ammoniakk til stede i hjulet, på mindre enn ca. 50 deler pr. million (ppm).

Oppfinnelsen har mange fordeler. For eksempel eliminerer oppfinnelsen behovet for trinnene med innpakking og utpakking ved tilvirkning av slipehjul. Videre vil mengden ammoniakk og andre uønskede reaksjonsprodukter som fanges i selve hjulet under tilvirkningen, bli redusert. Slipeverktøy fremstilt ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen vil generelt ha god bibehold av våtstyrke, dvs. at slipekornene holdes i det organiske bindingsmaterialet under hele den utnyttbare levetiden ved våtslipingsbetingelser. Oppfinnelsen er særlig fordelaktig med hensyn til å beholde våtstyrken hos slipehjul av myk kvalitet. "Slipehjul av myk kvalitet", som definert her, betyr hjul med en hardhetsgrad som er mykere enn grad Q i Norton Company's gradskala. Slipehjul fremstilt ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen beholder også god tørrstyrke og har liten reduksjon i slipeegenskaper.

De foregående og andre mål, trekk og fordeler med oppfinnelsen vil bli åpenbare ut fra den følgende nærmere beskrivelse av foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen. En beskrivelse av foretrukne utførelsesformer av oppfinnelsen følger.

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for fremstilling av slipeartikler med organisk bindingsmateriale.

Fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen innbefatter å kombinere en komponent med slipekorn og en komponent med fenolbasert harpiks. De kombinerte komponenter kan bli støpt for eksempel til et rå-legeme med en utforming som er egnet for å danne en slipeartikkel. Komponenten med fenolbasert harpiks varmherdes i en atmosfære som omfatter fuktighet som kommer i kontakt med de støpte komponenter.

I én utførelsesform vil komponenten med slipekorn benyttet ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, innbefatte alumina-baserte slipekorn. Her vil betegnelsene "alumina", "AI2O3" og "aluminiumoksid" anvendes om hverandre. Mange alumina-baserte slipekorn er kommersielt tilgjengelig, og spesielle korn kan kundetilpasses. Spesifikke eksempler på egnede alumina-baserte slipekorn som kan benyttes i den foreliggende oppfinnelse, innbefatter korn av hvitt alundum, betegnet "38 A korn", fra Saint Gobain Ceramics & Plastics Inc., eller lyserødt alundum, betegnet "86A korn", fra Treibacher Schleifmittel AG. Det kan også benyttes andre slipekorn som for eksempel kimet og ikke-kimet, sintret sol-gel-alumina med eller uten kjemisk modifikasjon, slik som sjeldne jordmetalloksider, MgO og lignende, alumina-zirkonia, bor-alumina, silisiumkarbid, diamant, kubisk bornitrid, aluminium-oksynitrid og kombinasjoner av forskjellige slipekorn.

Størrelsen på slipekornene uttrykkes ofte som korning, og diagrammer som viser sammenhengen mellom korning og den korresponderende midlere partikkelstørrelse, uttrykt i mikrometer eller tommer, er kjent i faget og korrelerer med den korresponderende siktstørrelse United States Standard Sieve (USS). Valg av korning avhenger av slipeanvendelsen eller prosessen som slipeverktøyet er ment for. Egnede korninger som kan benyttes i den foreliggende oppfinnelse er i området fra ca. 16 (som tilsvarer en midlere størrelse på ca. 1660 nm) til ca. 320 (tilsvarende en midlere kornstørrelse på ca.

32 um).

A^CVkornene blir fortrinnsvis overtrukket med et organosilisium før frem-stillingen av slipeartikkelen. Egnede organosilisiumforbindelser innbefatter organo-funksjonelle silaner, slike som typisk benyttes som koblingsmidler. Særlig foretrukket er aminosilaner, for eksempel gamma-aminopropyltrietoksysilan. Andre eksempler på organosilisiumforbindelser som kan benyttes innbefatter, men er ikke begrenset til, vinyltrietoksysilan, gamma-aminopropylmetoksysilan, diaminopropyletoksysilan.

Komponenten med fenolbasert harpiks innbefatter minst én fenolharpiks. Fenolharpikser fremstilles generelt ved å polymerisere fenoler med aldehyder, spesielt formaldehyd, paraformaldehyd eller furfural. I tillegg til fenoler kan det benyttes kresoler, xylenoler og substituerte fenoler. Resoler fremstilles generelt ved en ett-trinns-reaksjon mellom vandig formaldehyd og fenol i nærvær av en alkalisk katalysator. Novolak-harpikser, også kjent som to-trinns fenolharpikser, fremstilles generelt under sure betingelser og i nærvær av et tverrbindingsmiddel, så som heksametylentetramin (her også kalt "heksa").

Det kan anvendes enten en resol- eller en novolakharpiks. Det kan benyttes mer enn én fenolbasert harpiks. I én utførelsesform innbefatter komponenten med fenolbasert harpiks minst én fenolharpiks av resoltype og minst én av novolaktype. Fortrinnsvis er minst én fenolbasert harpiks i væskeform. Egnede kombinasjoner av fenolharpikser er beskrevet blant annet i US patentskrift nr. 4 918 116 (Gardziella et al.), idet hele innholdet i dette patentskrift innlemmes her gjennom henvisning. I en foretrukket utførelsesform kombineres slipekornkomponenten først med organosilisiumkomponenten. Fremgangsmåter for å behandle slipekorn med en organosilisiumforbindelse er kjent i faget. For å belegge kornene kan for eksempel slipekornene bli fuktet, dusjet eller dispergert i en oppløsning som inneholder en egnet organosilisiumforbindelse. De overtrukne kornene blir generelt tørket før bruk.

De organosilisiumbehandlede slipekorn kombineres deretter med den fenolbaserte harpikskomponent. I ett eksempel blir de organosilisiumbehandlede slipekorn først kombinert med én eller flere fenolbaserte harpikser i væskeform og deretter med én eller flere fenolbaserte harpikser i pulverform. I et annet eksempel blir både flytende og pulverformige fenolbaserte harpikser tilsatt samtidig til de organosilisiumbehandlede slipekorn.

De organosilisiumbehandlede slipekorn og komponenten med fenolbasert harpiks kombineres ved hjelp av en hensiktsmessig metode, så som blanding i en egnet mikser. Et eksempel på en egnet mikser er en Eirich-mikser, for eksempel modell RV02, en Little-ford-mikser eller en mikser av bolletype.

I andre utførelsesformer blir organosilisiumkomponenten først kombinert med komponenten med fenolbasert harpiks og deretter med komponenten med slipekorn. For eksempel kan organosilisiumkomponenten bli kombinert med én eller flere flytende fenolbaserte harpikser. I andre utførelsesformer blir alle komponenter kombinert i ett trinn. Fremgangsmåter for kombinering av komponentene er kjent i faget.

Det kan også bli innlemmet ytterligere ingredienser, som for eksempel fyllstoffer, herdemidler og andre forbindelser som typisk anvendes ved fremstilling av slipepartikler med organisk bindingsmateriale. Fyllstoffer kan være i form av et findelt pulver, som granuler, kuler, fibrer eller annerledes formede biter. Eksempler på egnede fyllstoffer innbefatter sand, silisiumkarbid, boble-alumina, bauxitt, kromitt, magnesitt, dolomitt, boble-mullitt, borider, røket silika, titandioksid, karbonprodukter (for eksempel sot, koks eller grafitt), tremel, leire, talkum, heksagonalt bornitrid, molybdendisulfid, feltspat, nefelinsyenitt og forskjellige former av glass som glassfiber og hule glasskuler. Generelt er mengden fyllstoff i området fra ca. 0,1 til ca. 30 vektdeler basert på vekten av hele blandingen.

Tverrbindingsmidler benyttet ved herding av fenol-novolak-harpikser innbefatter heksa og andre herdemidler som er kjent i faget. Utgangsstoffer for slike materialer, som for eksempel ammoniumhydroksid, kan også bli benyttet. Hensiktsmessige mengder med herdemiddel benyttes, så som mellom ca. 5 og ca. 20 vektdeler herdemiddel pr. 100 vektdeler av all fenol-novolak-harpiks.

Andre materialer som kan bli tilsatt, innbefatter bearbeidingshjelpemidler som: antistatiske midler, metalloksider som kalk, sinkoksid og magnesiumoksid, smøremidler som stearinsyre og glyserolmonostearat, og blandinger derav. Den passende mengden av hvert av disse materialer kan også bestemmes av fagfolk på området.

I én utførelsesform formes et rå-legeme ved å anbringe de kombinerte komponenter i en passende støpeform for pressing. Som anvendt her, angir betegnelsen "rå" et legeme som beholder formen under det neste prosesstrinn, men som generelt ikke har nok styrke til å beholde formen permanent. Harpiksmaterialet som er til stede i rå-legemet er i en uherdet eller upolymerisert tilstand. De kombinerte komponenter kan bli støpt til den formen den ønskede artikkel skal ha. For eksempel kan de kombinerte komponenter bli støpt i form av hjul, skiver, hjulsegmenter, steiner og bryner. I en foretrukket utførelses-form blir de kombinerte komponenter støpt og presset til en form som er egnet for et slipehjul. Utformede stempler kan anvendes til å tette igjen for blandingen, slik det er kjent i faget.

For å fremstille slipeartiklene blir komponenten med fenolbasert harpiks i rå-legemet varmherdet, dvs. polymerisert, i en atmosfære som omfatter fuktighet. Når rå-legemet oppvarmes finner det sted fysiske og kjemiske prosesser, for eksempel vil varmherdende fenolbaserte harpikser tverrbinde, og derved formes slipeartikkelen.

Generelt blir rå-legemet oppvarmet kontrollert på en trinnvis måte til en endelig herdetemperatur. Hele prosessen er generelt betegnet "herde"- eller "bake"-syklusen. Generelt blir større legemer oppvarmet sakte for å herde produktet jevnt ved å la varme-overføringsprosessen finne sted. Trinn med "gjennomvarming" kan anvendes ved gitte temperaturer for at temperaturen i hjulmassen skal jevne seg ut under oppvarmings-perioden før man når temperaturen for polymerisering av den fenolbaserte harpiks. Et gjennomvarmingstrinn vil si å holde de støpte komponentene, for eksempel rå-legemet, ved en gitt temperatur i en gitt tidsperiode. Rå-legemet blir også oppvarmet sakte, for eksempel fra romtemperatur (omgivende temperatur) til en gjennomvarmingstemperatur for å oppnå en sakte (kontrollert) frigivelse av flyktige stoffer dannet som biprodukter ved herdingen av slipehjulet.

For eksempel kan rå-legemet bli forvarmet til en starttemperatur, for eksempel ca. 100 °C, hvor det får bli gjennomvarmet for eksempel i en tidsperiode fra ca. 0,5 time til flere timer. Deretter ble rå-legemet oppvarmet i løpet av en tidsperiode, for eksempel flere timer, til en endelig herdetemperatur. Som anvendt her betegner "endelig herdetemperatur" den temperatur hvor den støpte artikkel blir gjennomvarmet for å oppnå polymerisasjon, for eksempel tverrbinding, av en fenolbasert harpikskomponent for derved å danne en slipeartikkel. Som anvendt her betegner "tverrbinding" den kjemiske reaksjon som finner sted i nærvær av varme og generelt i nærvær av et tverrbindingsmiddel, for eksempel heksa, hvorved en komponent med fenolbasert harpiks herder. Generelt blir den støpte artikkel gjennomvarmet ved herdesyklusens endelige herdetemperatur i en tidsperiode for eksempel på mellom 10 og 36 timer, eller inntil massen i sentrum av den støpte artikkel når tverrbindingstemperaturen og herder.

Den benyttede høyeste herdetemperatur avhenger av harpiksens sammensetning. Polymerisasjon av fenolbaserte harpikser finner generelt sted ved en temperatur i området mellom ca. 110 °C og ca. 225 °C. Resolharpikser polymeriserer generelt ved en temperatur i området mellom ca. 140 °C og ca. 225 °C, og novolakharpikser polymeriserer generelt ved en temperatur i området mellom ca. 110 °C og ca. 195 °C. Herdetemperaturen til slutt kan også avhenge av andre faktorer, som for eksempel størrelsen og/eller utformingen av artikkelen, herdingens varighet, det nøyaktige katalysatorsystem som benyttes, hjulkvalitet, harpiksens molekylvekt og kjemiske sammensetning, herde-atmosfære og annet. For mange egnede fenolbaserte komponenter beskrevet her, er den endelige herdetemperatur på minst ca. 150 °C.

Varmherding, dvs. polymerisasjon, av den fenolbaserte harpikskomponent utføres i en atmosfære som omfatter fuktighet, dvs. en atmosfære som har en relativ fuktighet, r.f., som overskrider normal r.f. ved en gitt temperatur. Anvendt her betegner prosent relativ fuktighet,"% r.f.", forholdet mellom den aktuelle konsentrasjon av vanndamp i en gass, for eksempel luft, nitrogen, ved en gitt temperatur, og konsentrasjonen av vann ved metning i den samme gass og ved den samme temperatur. Atmosfæren som omfatter fuktighet er i kontakt med rå-legemet, dvs. overflaten på rå-legemet er ikke pakket inn i et barrieremateriale, så som en vanntett film, men er eksponert for atmosfæren som omfatter fuktighet, eller vanndamp. I tillegg til vanndamp kan atmosfæren som omfatter fuktighet også innbefatte luft eller annen egnet gass, som for eksempel nitrogen. Atmosfæren som omfatter fuktighet kan også innbefatte vanndråper, ammoniakkgass, karbondioksidgass og andre komponenter.

Fortrinnsvis utføres varmherdingen ved maksimal prosent relativ fuktighet

(% r.f.) som er oppnåelig ved den endelige herdetemperaturen. I praksis vil den aktuelle % r.f. oppnådd ved en gitt temperatur ofte være noe lavere enn den teoretiske % r.f. For eksempel ved en temperatur på 150 °C vil den teoretisk maksimale % r.f. ved et trykk på 1 atm være 21,30 %. Utløpet fra en egnet fuktighetsovn har % r.f. mellom ca. 18 % og ca. 20 %, hvilket resulterer i en forskjell på ca. 5-15 % i forhold til den teoretisk maksimale % r.f. Fortrinnsvis utføres varmherdingen ved den maksimale prosent relativ fuktighet (% r.f.) som kan oppnås ved den endelige herdetemperatur. I luft foretrekkes generelt minst 85-90 % av den teoretisk maksimale % r.f.

Varmherding kan også utføres i en atmosfære som omfatter fuktighet ved å benytte mindre % r.f. enn den maksimalt oppnåelige % r.f. ved en gitt temperatur. For eksempel er det funnet at 40 %-50 % mindre enn maksimalt oppnåelige % r.f. i luft ved temperaturen for varmherding medfører at verktøyer fremstilt ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen får forbedret drift under våtbetingelser.

Atmosfæren som omfatter fuktighet kan være til stede i hele den periode da komponenten med fenolbasert harpiks polymeriseres for derved å forme slipeartikkelen. Atmosfæren kan også være til stede i kortere tid. For eksempel for herdesykluser hvor det benyttes 23 til ca. 36 timer for å oppnå polymerisasjon av komponenten med fenolbasert harpiks og derved dannelse av slipeartikkelen, kan en atmosfære som omfatter fuktighet tilføres i henholdsvis ca. 5 til ca. 16 timer. Atmosfæren kan tilføres i så kort tid som 35 % av den periode som benyttes for å herde harpikskomponenten ved den maksimale herdetemperatur.

En atmosfære som omfatter fuktighet kan også være til stede før varmherdingen av rålegemet, for eksempel under forvarmingen og/eller under oppvarmingen fra start-temperaturen for herdesyklusen til den temperatur hvor komponenten med fenolbasert harpiks varmherder. Det foretrekkes prosesser hvor atmosfæren omfattende fuktighet er til stede under hele herdesyklusen, dvs. fra romtemperatur til den endelige herdetemperatur og under hele perioden med endelig herdetemperatur. Dessuten kan en atmosfære omfattende fuktighet også være til stede under avkjølingen av slipeartikkelen, for eksempel under tidsrommet når ovnstemperaturen reduseres til ca. 100 °C. Det kan benyttes forskjellige nivåer med % r.f. på de forskjellige trinn av herdesyklusen.

Varmherdingen av komponenten med fenolbasert harpiks i en atmosfære omfattende fuktighet, kan foregå i et lukket kammer i nærvær av en kjent mengde vann ført inn i kammeret før herding. Den kjente vannmengde kan også omfatte oppløste gasser, som for eksempel ammoniakk eller karbonmonoksid, og/eller oppløste metallsalter som for eksempel metallhalogenider, karbonater, acetater, metallhydroksider, metallkomplekser og andre forbindelser. Den kan også innbefatte vandige fenoliske resoler, akryler og annet.

Andre teknikker for å generere en atmosfære omfattende fuktighet i et forseglet kammer innbefatter for eksempel å benytte adsorbenter med evne til å frigi vann ved forhøyet temperatur, for eksempel hydratiserte zeolitter, vannadsorberende molekylsikt-materialer, hydratisert silika, hydratisert alumina og andre materialer. Metallsalter og metallkomplekser som inneholder bundet vann, kan også være innelukket i et forseglet kammer for å generere en atmosfære omfattende fuktighet under varmherdingen.

Varmherdingen av komponenten med fenolbasert harpiks i en atmosfære omfattende fuktighet, kan også utføres ved å føre damp inn i et separat kammer. For eksempel kan en herdeovn eller autoklav være utstyrt med ledninger for å injisere frisk damp. Slik det anvendes her, vil "frisk damp" betegne damp fra en dampkilde utenfor herdekammeret, for eksempel fra en dampgenerator. I ett eksempel er kammeret forseglet og driften skjer ved et svakt innvendig overtrykk, for eksempel i området fra atmosfære-trykk til under ca. 13,8 kPa overtrykk. Kammeret kan også være utstyrt med innretninger for å resirkulere dampen for derved å fremme jevn fuktighet i hele kammeret. Egnede innretninger for å resirkulere damp innbefatter pumper, vifter, kondensatorer, ledeplater/- rør og annet som er kjent i faget.

Kammeret kan for eksempel være et kammer i en elektrisk ovn slik at det er mulig å oppnå herding i et miljø med høy fuktighet uten å innvirke på driften av den elektriske ovnen og med sikring mot skade på elektriske kretser. For eksempel kan kammeret være utstyrt med en perforert plate for å fordele dampen jevnt. Kammeret kan være utstyrt med et justerbart spjeld i utløpsledningen for å regulere luftvekslingen i kammeret, innløpsporter for luftinntak og det kan være innført termoelementer og fuktighetsfølere samt reguleringsventiler for dampinntak. Det kan benyttes dampkammer som er store nok til å herde organiske hjul i full størrelse, for eksempel opp til 860 mm i diameter.

I én utførelsesform benyttes frisk damp alene eller i kombinasjon med andre teknikker kjent i faget, for å oppvarme rå-legemet til for eksempel den endelige herdetemperatur eller til en temperatur under den endelige herdetemperatur. Frisk damp kan tilføres til et rå-legeme etter at lufttemperaturen i omgivelsene rundt hjulet har nådd minst 80 °C for derved å minimere kondensering av vanndamp på kammerveggene under starten av temperaturøkningen. Damp som kommer ut gjennom utløpsledningen har en temperatur på ca. 110 °C, og ekstern varme tilføres for å heve temperaturen i herdemiljøet til den endelige temperatur for gjennomvarming.

Varmherdingen av komponenten med fenolbasert harpiks i en atmosfære omfattende fuktighet, kan også utføres i en fuktighetskontrollert ovn. Egnede eksempler på fuktighetskontrollerte ovner er beskrevet for eksempel av M. Grande, "Process Heating", s. 22-24 (april 2000). Det kan benyttes injeksjon av både tåke og vanndamp. Det foretrekkes ovner med dampinjeksjon og fuktighetsregulering. En egnet kommersiell ovn med fuktighetsregulering er kommersielt tilgjengelig fra Despatch Industries, Minneapolis, MN, USA. Kommersielle fuktighetsovner er generelt utstyrt med profiler for den maksimale % r.f. som kan oppnås ved driftstemperaturene for ovnen.

Siden rå-legemet er i kontakt med eller er eksponert for atmosfæren, dvs. at gjenstandens overflate ikke er pakket inn i en vanntett film, kan vannet i herdeatmosfæren sirkulere inn og ut av rå-legemet og produkter dannet ved reaksjonene som finner sted under oppvarmingen og gjennomvarmingen kan unnslippe. Mengden reaksjonsprodukter, som for eksempel ammoniakk, fanget inne i den ferdige artikkel, blir redusert sammenlignet med mengdene som finnes i artikler fremstilt med innpakking. En fremgangsmåte for å måle ammoniakkinnholdet i en slipeartikkel er metoden med totalt Kjeldahl-nitrogen (TKN) beskrevet i "EPA Method 351.3".

Med én utførelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen har en slipeartikkel, for eksempel et slipehjul, fremstilt ved fremgangsmåten, en styrkeretensjon på over 57 %. I en annen utførelsesform er mengden ammoniakk som er til stede i en artikkel fremstilt ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen på mindre enn 50 ppm.

Med fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen kan det fremstilles slipehjul med en åpen porestruktur. Generelt vil slike hjul ha en åpen porøsitet fortrinnsvis i området fra ca.

20 til ca. 40 voI%, og eventuelt fra 2 til ca. 60 vol%.

Uten å være bundet til noen bestemt tolkning av den kjemiske mekanisme ved oppfinnelsen, så antas at vannmolekyler vil hindre noen funksjonelle grupper i organo-silisiumforbindelsen i å feste seg til kornoverflaten, samtidig som en del av organo-sihsiumforbindelsen er bundet til shpekornets overflate. Når det for eksempel gjelder aminofunksjonelle silaner, vil tilstedeværende vann frigjøre amino i enden på silanet. Under herding reagerer en aminogruppe (-NH2) med en hydroksygruppe.(-OH) i den fenolbaserte harpiks, og derved oppnås en sterk grenseflate mellom slipekornet og det organiske bindingsmaterialet.

Dessuten kan tilsetningen av vann under herdingen også ha en innvirkning på likevektsreaksjonen ved tverrbinding av resol. Det antas at tilstedeværende vann i noen grad kan inhibere tverrbindingsreaksjonen og derved tilveiebringe ytterligere frie alkyl-hydroksygrupper (for eksempel -CH2OH) som kan reagere med et aminosilan, for eksempel aminopropylsilan. Når det gjelder novolakharpikser, antas at vannet katalyserer hydrolyse av heksa. Dette er en nødvendig prosess for tverrbindingsreaksjonen mellom heksa og novolakharpikser og resulterer i en økt tverrbindingstetthet. Det antas at novolakharpikser med økt tverrbindingstetthet er mer utsatt for angrep av vann.

I tillegg antas at ammoniakkonsentrasjonen i hjul fremstilt ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen blir kraftig redusert. Dette vil i sin tur resultere i økt livslengde for hjulet, samt at kjølevæsken varer lenger. Ammoniakk er et biprodukt ved herdereaksjonen av novolak og dannes under harpiksens herdeprosess. Ammoniakk er skadelig ved våtsliping fordi det øker pH i kjølevæskene, og dette vil så påskynde degraderingen av slipehjulet ved å akselerere hydrolytisk nedbrytning av grenseflaten harpiks/slipemiddel, hvilket resulterer i redusert levetid for hjulet. Konvensjonelle fremgangsmåter for herding av hjul i lukkede miljøer, for eksempel innpakking i en film, medfører at ammoniakk blir fanget i hjulet når dette herdes. Ved fremgangsmåten beskrevet her foregår herdingen i et åpent miljø, dvs. rå-legemet eksponeres for herdeatmosfæren og derved kan ammoniakkgass fordampe fra hjulet når dette herder.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere med følgende eksempler.

Eksempel 1

Det ble fremstilt elleve sammenligningsprøver ved å anvende slipekorn betegnet "38 A", anskaffet fra Saint-Gobain Ceramics and Plastics, Inc., Worcester, MA, USA. Disse slipekorn er hvitt, smuldrende alundum, kjent for å ha dårlig bibehold av styrke når det anvendes ved våtslipingsprosesser. Aminopropyltrietoksysilan ble anskaffet fra Witco Corp., Greenwich, CT, USA. Flytende fenolharpiks (LPR) ble anskaffet fra Oxychem-Durez, Buffalo, CT, USA. Det ble benyttet to tørre fenolharpikser som bindingsmaterialer, A og B, anskaffet fra Oxychem-Durez, som inneholdt 9 % heksa. Begge harpikser ble fuktet med decylalkohol (TDA) (44,1 cm<3>/kg tørr harpiks) for kontroll av støving. Både bindingsmateriale A og bindingsmateriale B hadde middels viskositet og middels molekylvekt.

Bindingsmateriale A og bindingsmateriale B hadde spesifikasjoner nr. IA og IB, med følgende sammensetninger og egenskaper:

Bindingsmateriale A, spesifikasjon nr. IA Bindingsmateriale B, spesifikasjon nr. IB

Blandinger ble støpt til enten teststaver eller testhjul. Dimensjonene på teststav-ene var 101,60 mm x 25,40 mm x 12,70 mm. Dimensjonene på testhjulene var 130,175 mm x 25,40 mm x 10,16 mm. En mengde blanding på 74,8 g ble anvendt til å fremstille de støpte teststengene.

For å simulere innpakking som beskrevet i US patentskrift nr. 3 323 885 (Rowse et al.), ble prøveartikler anbrakt i en beholder og denne ble forseglet med papirtape etter støping og før oppvarming. Ikke noe vann ble tilsatt i beholderen før varmherdingen av komponenten med fenolbasert harpiks.

De ubehandlede sammenligningsprøver ble herdet i en ovn ved kontrollert økning av temperaturen fra romtemperatur til 160 °C og så holde temperaturen på 160 °C i 10 timer.

Det ble utført målinger av bøyestyrke (ASTM D790-91) ved å anvende en tre-punkts bøyetest med 50,8 mm avstand mellom opplagringer og 2,54 mm/min hastighet på tverrbjelken. Både tørr- og våtstyrker ble bestemt for hver prøve ved å samle opp totalt 6 til 8 datapunkter for hver prøve. Dataene rapportert i tabell 1 er gjennomsnittlige bøye-styrker (a) og korresponderende standardavvik, s.d. Resultatene for hver av de elleve prøver og gjennomsnittsresultatene for de elleve prøver er vist i tabell 1.

Eksempel 2

Ubehandlede teststykker fremstilt som beskrevet i eksempel 1, ble anbrakt i en forseglet beholder i nærvær av 10,25 og 75 cm vann. Vannet ble fylt i en liten metall-panne og plassert i bunnen av beholderen. Teststykkene ble anbrakt på solid keramisk vatt over vannpannen. Vanndamp kunne lett oppnås i hele beholderen under herdingen. Vann-konsentrasjonens innvirkning under herding (dampens partialtrykk) på våtstyrken ble evaluert ved å justere vannvolumet i beholderen under herding. Basert på resultater med teststykker, ble det anvendt en tilstrekkelig mengde med vann til å maksimere våtstyrken. Herdebetingelsene var de samme som beskrevet i eksempel 1, med unntak av at fuktighet var til stede under herding.

I tabell 2 nedenfor er det vist tørr og våt bøyestyrke, samt prosent beholdt styrke for prøver fremstilt ifølge oppfinnelsen ved forskjellige nivåer av vannkonsentrasjon. Det er gitt sammenligningsdata for prøver nr. 2, 3, 6 og 11 rapportert i tabell 1, som ble herdet uten at vann var tilsatt.

Eksempel 3

Virkningene av fuktighet ble også undersøkt ved å føre inn damp ved et trykk på I atmosfære i ovnen under herding.

Resepter for fremstilling av disse prøver er rapportert i eksempel 1, hvor det i spesifikasjon nr. IA ble anvendt en gummimodifisert fenolharpiks og i spesifikasjon nr. IB en umodifisert fenolharpiks.

Ubehandlede prøvestykker med sammensetningen beskrevet i eksempel 1, ble anbrakt på et trådnett og holdt over vannet anbrakt i bunnen av en ikke trykksatt 37,9 1 kjelereaktor. Det avluftede, tildekkede kar inneholdt prøvestykkene, og ca. 5,7 1 vann ble anbrakt i ovnen for herdingen. Fuktighet var til stede under hele syklusen. Temperaturer og varigheter var som beskrevet i eksempel 1, med unntak av at etter herdingen var det tilbake vann i pannen, hvilket viser at det ble oppnådd en vannmettet atmosfære under herdingen, innbefattende gjennom vanningen ved den endelige herdetemperatur (under hele herdesyklusen forekom ikke mangel på vann).

Resultatene er vist i tabell 3 og sammenlignet med gjennomsnittet for prøver 1 til II vist i tabell 1.

Eksempel 4

Virkningen av % r.f. og tidsrommet med regulert fuktighet ble undersøkt ved å anvende 157 x 86 mm testbolter. De ubehandlede boltene ble fremstilt som beskrevet i eksempel 1 ved å benytte den gummimodifiserte tørre harpiks (bindingsmateriale A) beskrevet i eksempel 1.

Det ble fremstilt en sammenligningsprøve som beskrevet i eksempel 1. Det ble herdet 17 ubehandlede prøver i nærvær av fuktighet ved et trykk på 1 atm i et "Despatch Modell 519" kondisjoneringskammer tilvirket av Despatch Industries, Minneapolis, MN,

USA.

Det ble observert at ved høye temperaturer falt r.f.-verdiene eksponensielt som funksjon av temperatur over 100 °C. Innstilte verdier for % r.f. ble derfor ikke oppnådd når temperaturene økte til over 100 °C under herdesyklusen. For eksempel falt prosent relativ fuktighet fra 90 % til 15 % ved 160 °C, selv om det ble benyttet en innstilling på 90 %. Maksimalt oppnåelige r.f.-verdier som funksjon av temperatur er rapportert i tabell 4A for temperaturer over kokepunktet for rent vann (100 °C). Disse verdier er teoretiske og ble beregnet basert på vannets damptrykk i temperaturområdet.

Vanndamptabellen kan finnes i CRC Handbook of Chemistry and Physics, vol. 76, side 6-15, CRC Press, Boca Raton, FL, USA. Dette representerer de første tre kolonner i tabell 4A nedenfor. Den fjerde kolonne i tabell 4A (% r.f.) ble beregnet basert på følgende ligning:

r.f. = (p/p0) x 100 % eller r.f. = l/p0 x 100 %

hvor p er trykket i systemet (antatt å være 1 atm) og p0 er vannets damptrykk ved en gitt temperatur (denne verdi er rapportert i kolonne 3 i tabellen).

Fuktighetsprofilen i ovnen varierte med temperaturen. Maksimalt oppnåelig r.f. ved en gitt temperatur i ovnene kan finnes i tabellen for ovnstemperatur/fuktighetsprofil.

Forsøk ble utført ved å variere enten den relative fuktighet og opprettholde fuktigheten under hele herdesyklusen, eller ved å variere lengden på den tid prøvene var eksponert for maksimal fuktighet under herdingen. Lengden på det tidsrom prøvene var eksponert for fuktighet, var i området fra 5 timer og opp til 15 timer for full herdesyklus. I forsøk med et settpunkt på 90 % r.f., ble maksimal fuktighet oppnådd i systemet for den spesifiserte tidslengde. Dataene er rapportert i tabeller 4B og 4C.

Resultatene viser at når relativ fuktighet og varigheten av eksponering for fuktighet blir økt, så resulterer dette i forbedrede egenskaper. Optimale betingelser var den høyest oppnåelige fuktighet i ovnen ved en gitt temperatur, under hele herdesyklusen. Målte våte bøyestyrker for prøver herdet under optimaliserte betingelser var mer enn dobbelt så store som våtstyrken hos sammenligningsprøven.

Eksempel 5

Standardhjul ble støpt til 130,175 mm x 10,16 mm x 25,4 mm for å oppnå en ferdig størrelse på 127,00 mm x 5,08 mm x 31,75 mm. Hjulene ble fremstilt ved å benytte korn, silan, resol og tørrbindingsmateriale A beskrevet i eksempel 1.

To testede prøver, nr. 3 A og nr. 4A, hadde sammensetningen og egenskapene vist nedenfor:

Bindingsmateriale A, prøve nr. 3A

Bindingsmateriale A, prøve nr. 4A

Hjulene ble herdet ved kontrollert økning av temperaturen fra romtemperatur til 160 °C i løpet av 10 timer.

Standardhjul ble stablet på separate keramiske vatt og lukket inne i et kar (boks) uten tilsetning av vann og ble herdet under tørre betingelser. Disse hjul var sammen-ligningshjul.

Fuktighetsbehandlede (dampede) ubehandlede hjul ble anbrakt på individuelle vatt etter støping i en forseglet beholder som inneholdt 0,25 1 vann for å evaluere virkningen på hjulene som ble varmherdet under høy relativ fuktighet.

Initielt vannmettede hjul ble mettet ved gjennomfukting i vann (ca. 10 vekt% vann/hjulvekt) før herding, og anbrakt på åpne vatt i ovnen for å evaluere virkningen av høy fuktighet under de første trinn av selve herdesyklusen. Det ble ikke tilsatt noe ytterligere vann og varmherdingen ble utført i fravær av fuktighet.

Det ble utført tester med overflatesliping, hvor MPM står for meter pr. minutt.

Hjul ble testet som fremstilt og etter to døgns gjennomfukting i kjølemiddel for å simulere langtidseksponering for kjølemiddel under sliping og for å evaluere testhjulenes vannbestandighetsegenskaper. Resultatene for fuktighetsherdede standardhjul og hjul som til å begynne med var vannmettet, er vist i tabell 5A (MMR representerer materialfjern-ingshastighet). "Hioki Power"-data for standardhjul og fuktighetsherdede hjul er vist i tabell 5B. Data for overflatesliping viser at testhjulene fremstilt ved fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse hadde en forbedret retensjon av G-forhold på opp til 90 %. I tillegg oppnådde disse hjul konstante slipebetingelser tidlig i slipeprosessen.

Eksempel 6

Anvendelse av superkrystallisert aluminagel (SG) som slipemiddel i slipeprodukter med organisk bindingsmateriale ble undersøkt ved sliping av overflatespor. Det ble benyttet en blanding med 30/70 vektforhold mellom korn av superkrystallisert (sintret) sol-gel a-alumina og korn av 38A alundum, begge anskaffet fra Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., for å forme standardhjul. Hjul herdet ved å anvende konvensjonell teknologi ble bedømt mot hjul herdet ved å anvende den fuktighetsregulerte bakesyklus beskrevet i eksempel 2.

Prøver ble fremstilt som følger:

Bindingsmateriale A, prøve nr. 5A

Hjul ble støpt i dimensjonene 130,175 mm x 9,47 mm x 25,40 mm. Hjulene ble ferdiglaget i en størrelse på 127,00 mm x 6,35 mm x 31,75 mm for testen.

Hjul ble testet slik de var fremstilt og etter to døgns gjennomfukting i kjølemiddel for å simulere langtidsvirkninger av kjølemiddel ("Master Chemical Trim SC210" semisyntetisk kjølemiddel anvendt med 5 % i vann) på degradering av det bundne slipeprodukt. Hjul ble testet under maskinoppstillingsbetingelsene vist nedenfor.

Resultatene oppnådd med denne test er rapportert i tabell 6A og 6B. Disse resultater viser at hjul bearbeidet under fuktighetsinduserte varmherdingsbetingelser er mer enn 50 % bedre enn standardproduktet ved overflatesliping. Retensjonen i G-forhold etter eksponering for kjølemidlet var nær eller større enn 90 % under forskjellige slipebetingelser med harde og myke kvaliteter. Data for kraftforbruk er gitt både for standardhjul og hjul som er varmherdet i en atmosfære omfattende fuktighet ved drift under de samme kraftregimer.

Tabell 6A

Prosent retensjon i G-forhold før og etter eksponering for vannbasert kjølemiddel (2 døgn gjennomfukting i kjølemiddel) ved å anvende slipekorn av krystallisert sol-gel-alumina (SG-alumina).

Eksempel 7

En serie med 127,00 mm x 50,8 mm x 38,10 mm koppskiver ble fremstilt for kontaktsliping av store overflatearealer med en slipemaskin med vertikal spindel.

Bindingssystemet benyttet for denne test er vist nedenfor:

Bindingsmateriale C

Det ble fremstilt hjul med tre forskjellige hjulspesifikasjoner i forskjellige kvaliteter (H, J, L,) som alle innbefattet tørrbinding, og disse er beskrevet nedenfor.

BINDINGSMATERIALE C, prøve nr. 1C

BINDINGSMATERIALE C, prøve nr. 2C BINDINGSMATERIALE C, prøve nr. 3C

Hjul ble herdet ved å anvende enten den vanlige (konvensjonelle) herdesyklus beskrevet i eksempel 1, eller den fuktighetsregulerte herdesyklus beskrevet i eksempel 2.

Hjul ble testet slik de var fremstilt og etter 5 døgns gjennomfukting med kjøle-middel for å simulere langtidsvirkningen ved kjølemiddelnedbrytning av det bundne slipeprodukt ved å anvende maskinoppstillingsbetingelsene vist nedenfor for sliping med stort kontaktareal, hvor rpm står for rotasjoner pr. minutt:

Resultatene er vist i tabell 7A og 7B nedenfor.

Resultatene i tabeller 7A og 7B viser klart at de bundne slipeprodukter herdet under betingelser med høy fuktighet (90 % ved 95 °C til 15 % ved 160 °C) viste sterk bestandighet mot nedbrytning forårsaket av kjølemiddel ved slipebetingelser med slipeskive. Dataene gitt over viser at retensjonen i G-forhold på 100 % kan oppnås ved å anvende fenolisk bundne slipeprodukter bearbeidet i henhold til oppfinnelsen. En resulterende økning på 40 % i hjulets levetid kan forventes for disse produkter, basert på verdier for retensjon av G-forhold.

Eksempel 8

Hjul fremstilt ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen ble underkastet splintringstesting.

Anvendte spesifikasjoner er vist nedenfor.

Bindingsmateriale A, prøve nr. 7A

Bindingsmateriale C, prøve nr. 4C

Prosedyre for kvalifisering av hjul ved å anvende kriterier for våtsplintringsstyrke

Hjul med dimensjoner 304,79 mm x 25,4 mm x 101,60 mm for splintringstest ble fremstilt med bindingsmateriale C og bindingsmateriale A beskrevet i henholdsvis eksempler 7 og 1. Myk kvalitet og grov korning ble anvendt for å teste våtsplintrings-styrken. Disse tester ble utført ved å anvende abrasiv 38A, kjent for å ha dårlig våtstyrke, i både bindingsmateriale C og bindingsmateriale A. Testspesifikasjoner for anvendelser ved overflatesliping var bindingsmateriale A, prøve nr. 7A, og for anvendelser til slipeskive bindingsmateriale C, prøve nr. 4C. Standardproduktene ble fremstilt med konvensjonell innpakking beskrevet over. Minimum kvalifikasjonshastigheter og våtsplintringsdata er vist i tabell 8.

For forsøksproduktet ble det observert en 35 % økning i våtsplintringshastighet sammenlignet med standardproduktet for overflatesliping. For hjulet som var varmherdet i en atmosfære omfattende fuktighet, ble det observert en 9 % økning i våtsplintringshastighet ved sliping med slipeskive sammenlignet med standardhjulet.

Eksempel 9

Både standardprøver og prøver som var varmherdet i en atmosfære omfattende fuktighet, ble fremstilt i henhold til fremgangsmåten beskrevet i eksempel 5 (bindingsmateriale A, prøver nr. 3A og 4A). Resulterende prøver ble anbrakt i en trykksatt ekstraheringsbeholder (autoklav) med vann for å ekstrahere ammoniakk fra prøvene. Autoklaven ble tatt ut av ovnen og bråkjølt før reaktoren ble åpnet. Ammoniakk-konsentrasjoner i den resulterende vannekstrakt ble analysert ved å anvende "EPA Method 351.3" for totalt Kjeldahl-nitrogen (TKN). Resultatene er vist i tabell 9.

Ammoniakkonsentrasjonen er angitt i mg/l (ppm). Den representerer mengden ammoniakk ekstrahert fra et 1000 g hjulsegment i et kontrollert vannvolum (1000 cm<3>).

Claims (15)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av en abrasiv artikkel med organisk bindingsmateriale, idet den abrasive artikkel omfatter et slipeverktøy, så som et abrasivt hjul eller slipehjul, omfattende trinnene: a) en komponent med abrasive korn kombineres med en komponent med fenolisk harpiks og b) de kombinerte komponenter støpes, karakterisert ved at fremgangsmåten også omfatter trinnet: c) den fenoliske harpikskomponent varmherdes ved en endelig herdetemperatur på minst 150 °C i hele den periode som den fenoliske harpikskomponent polymeriserer, i en atmosfære som omfatter fuktighet, hvor atmosfæren har en relativ fuktighet som overskrider normal relativ fuktighet ved en gitt temperatur, og hvor atmosfæren er i kontakt med de støpte komponenter.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor komponenten med abrasive korn er korn av alumina.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor komponenten med fenolisk harpiks innbefatter en fenolisk harpiks i væskeform.

4. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor komponenten med fenolisk harpiks innbefatter en resol.

5. Fremgangsmåte ifølge krav 4, hvor resolen er oppløst i vann.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor komponenten med fenolisk harpiks innbefatter en novolakharpiks.

7. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor den også omfatter å kombinere en organosilisiumkomponent med minst én av komponentene abrasive korn eller fenolisk harpiks i trinn a).

8. Fremgangsmåte ifølge krav 7, hvor komponenten med abrasive korn kombineres med organosilisiumkomponenten slik at det dannes organosilisium-behandlede abrasive korn som deretter kombineres med komponenten med fenolisk harpiks.

9. Fremgangsmåte ifølge krav 8, hvor de organosilisium-behandlede abrasive korn først kombineres med en fenolisk harpiks i væskeform og deretter med en fenolisk harpiks i pulverform.

10. Fremgangsmåte ifølge krav 7, hvor organosilisiumkomponenten kombineres med komponenten med fenolisk harpiks og deretter med de abrasive kornene.

11. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor atmosfæren også innbefatter luft.

12. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor atmosfæren også innbefatter ammoniakk.

13. Fremgangsmåte ifølge krav 1, hvor varmherdingen utføres i nærvær av damp.

14. Fremgangsmåte ifølge krav 13, hvor varmherdingen utføres i nærvær av frisk damp.

15. Fremgangsmåte ifølge krav 15, hvor varmherdingen utføres i et kammer og dampen resirkuleres gjennom kammeret.