PL217186B1

PL217186B1 - Sposób wytwarzania ceramicznych narzędzi ściernych

Info

Publication number: PL217186B1
Application number: PL393462A
Authority: PL
Inventors: Daniela Herman; Wiesław Walkowiak; Tomasz Okupski; Krzysztof Nadolny
Original assignee: Politechnika Koszalińska
Priority date: 2010-12-29
Filing date: 2010-12-29
Publication date: 2014-06-30
Also published as: PL393462A1

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania ceramicznych narzędzi ściernych, przeznaczonych zwłaszcza do wydajnej obróbki gładkościowej.

Znany jest sposób wytwarzania ceramicznych narzędzi ściernych z topionego tlenku glinu ze spoiwem ceramicznym, znane jako konwencjonalne, lub ceramiczne narzędzia z ziarnami typu zol-żel, o wyższych właściwościach eksploatacyjnych, łączone są w narzędzie ścierne za pomocą spoiw szklanych. Spoiwo takie opisane jest w opisie patentowym PL 129025. Spoiwo to ma postać szkła i zawiera w % wag.: 50:75% SiO2, 3:15% TiO2, 1:35% B2O3, 1:10% Na2O, 10:25% AI2O3, 1:7% ZrO₂, 1:10% K₂O, 3:10% Li₂O. Szczególnie korzystną zaletą spoiwa wg tego wynalazku jest to, że znajduje ono zastosowanie do każdego rodzaju ziarna ściernego i pozwala spiekać narzędzia w zakresie temperatur 700-1100°C.

W innym rozwiązaniu, przedstawionym w opisie U.S. Pat. 5.863.308, ziarna ścierne z Al2O3 wiązane są spoiwem szklanym, które ma następujący skład chemiczny w % wag.: 31-38% SiO2, 13-16% AI2O3, 3,5:10% U2O, 22:35% B2O3, 11:15% Na2O, 0,06:0,15 K2O, O, 1-4,5 CaO. Umożliwia ono obróbkę termiczną narzędzi w zakresie 600-800°C.

W pewnych zastosowaniach szlifierskich te niskotemperaturowe spoiwa szklane wykazują niewystarczającą wytrzymałość mechaniczną i zmuszają do opracowania nowych, bardziej wytrzymałych spoiw.

W celu podwyższenia jakości szlifowanych materiałów i trwałości ściernic, spoiwa ceramiczne są modyfikowane albo poddawane krystalizacji, powodującej otrzymanie spoiwa szklanokrystalicznego, jak to przedstawiono w polskim opisie patentowym nr 167555. Przedstawione tam spoiwo szklanokrystaliczne, zwłaszcza diopsydowe, ma następujący skład chemiczny w % mol.: 30: 70 SiO2, 2:10% Al2O3, 10-30% CaO, 8-30 MgO, 00,1:15% ZnO, 1:10 Fe2O3, 00,5:2% CuO, 00,5:0,5% MnO. 0,1:0,5% Na2O, 1:5% K2O, 0,5:5% Li2O, 2:15% B2O3, 0:15% TiO2. Narzędzia ścierne po uformowaniu wypalane są w temperaturze nie wyższej niż 1180°C.

Szczególnie istotne jest podwyższenie wytrzymałości spoiwa ceramicznego dla bardziej wytrzymałych ziaren ściernych z Al2O3 typu mikrokrystalicznego, np. otrzymywanego technologią zol-żel. W porównaniu do tlenku glinu topionego, umożliwiają one uzyskanie wysokiej efektywności szlifowania, m.in. wysokich wartości wskaźnika szlifowania G oraz istotne obniżenie mocy szlifowania P.

Dotychczas w ceramicznych narzędziach ściernych, jak podano wyżej, stosowane są głównie spoiwa szklane. Spoiwa szklane są bardziej wrażliwe na skazy i pęknięcia niż ziarna ścierne, które mają wyższą odporność na kruche pękanie niż spoiwa szklane.

Wynalazek rozwiązuje zagadnienie wytwarzania ceramicznych narzędzi ściernych ze spoiwem ceramicznym, w którym ziarna ścierne z tlenku glinu połączone są spoiwem szklanokrystalicznym o wysokiej odporności na kruche pękanie. Ceramiczne narzędzie ścierne wytworzone jest z ziaren mono-, lub mikrokrystalicznych, połączonych spoiwem będącym tworzywem szklanokrystalicznym.

Sposób według wynalazku polega na tym, że ścierniwo miesza się ze spoiwem szklanokrystalicznym o następującym składzie chemicznym: 10:35% wag. Al2O3, 5:25% wag. B2O3, 1:10% wag. CaO, 0,01:0,2% wag. CuO, 0,01:2,0% wag. FeO+Fe2O3, 1-15% wag. K2O, 0,1:10% wag. Li2O, 0,1:5% wag. MgO, 0,01 : 1% wag. MnO, 0,01 : 15% wag. Na2O, 10: 50% wag. SiO2. 5: 35% wag. ZnO. Ścierniwo miesza się w proporcji od 38% do 62% objętościowego udziału ziarna ściernego i od 0,5% do 35% objętościowego udziału spoiwa szklanokrystalicznego.

Korzystna cecha wynalazku polega na tym, że ziarna ścierne są ziarnami z mikrokrystalicznego tlenku glinu typu zol-żel, a wypalanie uformowanych ściernic po wymieszaniu ze spoiwem przeprowadza się w temperaturze 800: 1100°C.

Inna korzystna cecha wynalazku polega na tym, że ziarna ścierne są ziarnami z tlenku glinu topionego, a wypalanie ściernic przeprowadza się w temperaturze 850:1250°C.

Korzystnie w rozwiązaniach tych wykorzystuje się spoiwo szklanokrystaliczne z główną fazą krystaliczną w postaci gahnitu o wielkości mikrokryształków od 0,01:10 μm.

Kolejne korzystne rozwiązania według wynalazku polegają na tym, że ziarna ścierne stanowią mieszankę ziaren z mikrokrystalicznego tlenku glinu i tlenku glinu topionego albo są ziarnami z azotku boru albo stanowią mieszankę ziaren z tlenku glinu i azotku boru.

Dalsza cecha wynalazku polega na tym, że spoiwo szklanokrystaliczne zawiera dodatki w postaci TiO₂, ZrO₂, Y₂O₃, P₂O₅, V₂O₅, Bi₂O₃, PbO.

PL 217 186 B1

Zastosowanie składu narzędzia ceramicznego według wynalazku pozwala na utworzenie cienkiej warstwy spoiwa na ziarnach i systemu mostków wiążących ziarna ścierne w narzędzie. Utworzenie systemu mostków i cienkiej warstwy spoiwa na ziarnach możliwe jest podczas obróbki termicznej ziarna ściernego ze spoiwem szklanokrystalicznym.

Podczas obróbki termicznej według wynalazku, w spoiwie ceramicznym stanowiącym tworzywo szklanokrystaliczne dokonuje się przemiana fizyczna i powstaje główna faza krystaliczna w postaci spinelu właściwego (gahnitu), równomiernie rozproszona w pozostałości szklistej. Wygenerowana główna faza krystaliczna gahnitu powoduje wzrost wytrzymałości mechanicznej spoiwa szklanokrystalicznego, a zwłaszcza odporności na kruche pękanie. Obecność fazy krystalicznej gahnitu w postaci mikrokryształków o wielkości 0,01 - 10 μm umożliwia kontrolę procesu mikrowykruszania spoiwa. Dzięki temu, ze względu na obecność mikrokryształków gahnitu w spoiwie szklanokrystalicznym, mikro- wykruszanie spoiwa podczas pracy ściernicy zachodzi na mniejszą skalę niż w spoiwie szklanym. Mikrostruktura takiego spoiwa jest bardziej dopasowana do mikrostruktury ziarna ściernego, zwłaszcza mikrokrystalicznego, dzięki czemu mechanizm zużywania się spoiwa jest bardziej zbliżony do mechanizmu zużywania się mikrokrystalicznego tlenku glinu.

Dopasowanie tempa mikrozużywania się ziarna i spoiwa w procesie szlifowania skutkuje wystąpieniem procesu samoostrzenia czynnej powierzchni roboczej ściernicy, dzięki łatwiejszemu odnawianiu się ostrych mikrowierzchołków ziaren ściernych.

Wprowadzenie szklanokrystalicznej struktury spoiwa, innej niż spoiwa szklanego, ma wyraźny wpływ na przebieg i rezultaty szlifowania. Istotny jest wpływ składu fazowego spoiwa szklanokrystalicznego. Wygenerowana faza ma wpływ na mechanizm zużycia narzędzia ściernego, ponieważ zużywanie się spoiwa szklanokrystalicznego według wynalazku może być utrzymywane w dynamicznej równowadze ze zużyciem ziarna ściernego. Zastosowanie takiego spoiwa szklanokrystalicznego pozwala na kontrolowane mikrozużycie czynnej powierzchni ściernicy dzięki możliwości dopasowywania mikrostruktury spoiwa szklanokrystalicznego do mikrostruktury ziarna ściernego. Oznacza to, że odpowiednio dobrana struktura spoiwa, które charakteryzuje się odpowiednio wysokim współczynnikiem odporności na kruche pękanie w porównaniu do spoiw szklanych, zapobiega propagacji pęknięć mostków spoiwa na dużą skalę, umożliwiając jednocześnie stopniowe odsłanianie kolejnych ostrych fragmentów zużywających się ziarn ściernych. W rezultacie możliwe jest pełne wykorzystanie potencjału skrawnego ziarn ściernych, zwłaszcza mikrokrystalicznych, przy liniowym charakterze zmian średnicy ściernicy. Kontrolowany charakter zużycia czynnej powierzchni ściernicy pozwala na zachowanie żądanych wyników szlifowania, tj. np. wzrost wskaźnika G i obniżenie mocy szlifowania P nawet po przeszlifowaniu 100 powierzchni wewnętrznych pierścieni łożyskowych o średnicy 40 mm wykona₃ nych ze stali 100Cr6 i usunięciu 46400 mm³ materiału obrabianego bez potrzeby obciągania narzędzia ściernego.

Wynalazek przedstawiają niżej podane przykłady. Właściwości narzędzi uzyskanych sposobem według wynalazku przedstawiono na rysunkach, na których fig. 1 przedstawia schemat budowy strukturalnej narzędzia ściernego wg wynalazku, fig. 2 - sposób formowania się czynnej powierzchni roboczej ściernicy w trakcie procesu szlifowania, fig. 3 - wskaźnik szlifowania G dla ściernicy wg wynalazku oraz ściernicy konwencjonalnej, fig. 4 - przyrost mocy szlifowania P dla ściernicy wg wynalazku oraz ściernicy konwencjonalnej.

P r z y k ł a d 1

Próbki narzędzi ściernych do badań właściwości eksploatacyjnych (wskaźnika G, poboru mocy P) przygotowywano wykorzystując ziarno ścierne z mikrokrystalicznego tlenku glinu 2 (fig. 1) SG46 firmy Norton ze spoiwem szklanokrystalicznym 1 o składzie chemicznym: 16,73% wag. AI2O3, 10,70% wag. B2O3, 2,26% wag. CaO, 0,05% wag. CuO, 0,62% wag. FeO+Fe2O3, 5,05% wag. K2O, 0,51% wag. Li2O, 0,71% wag. MgO, 0,03% wag. MnO, 0,31% wag. Na2O, 41,91% wag. SiO2, 21,12% wag. ZnO, w następujących proporcjach: ziarno ścierne SG 46 - 16,41 g co stanowi 48,0% udziału objętościowego, spoiwo szklanokrystaliczne - 2,78g co stanowi 11,5% udziału objętościowego, dekstryna stanowiąca tymczasowe lepiszcze organiczne - 1,12g co odpowiada 13,0% udziału objętościowego ściernicy. Składniki miesza się ze sobą i formuje do zadanej objętości, po czym suszy i wypala w temperaturze 1100°C przez 2 godziny. W efekcie uzyskuje się kompozyt ścierny o porowatości około 40% objętości ściernicy 3. Opracowane w ten sposób narzędzie zawiera w objętości spoiwa fazę krystaliczną w postaci gahnitu 4 rozmieszczoną w pozostałości szklistej 5. Dzięki zastosowaniu spoiwa szklanokrystalicznego wg wynalazku możliwe jest uzyskanie zbliżonego mechanizmu mikrofragmentaryzacji spoiwa 1 (fig. 2) i ziarna ściernego 2.

PL 217 186 B1

P r z y k ł a d 2

Narzędzie ścierne wykonane jest z tlenku glinu topionego 99A46 firmy Norton ze spoiwem szklanokrystalicznym 1 (fig. 1) o składzie chemicznym: 22,13% wag. Al2O3, 7,38% wag. B2O3, 3,17% wag. CaO, 0,08% wag. CuO, 0,86% wag. FeO+Fe2O3, 3,71% wag. K2O, 0,35% wag. Li2O, 0,99% wag. MgO, 0,04% wag. MnO, 0,28% wag. Na2O, 31,59% wag. SiO2, 29,42% wag. ZnO, w następujących proporcjach: ziarno ścierne 99A46

- 16,93 g co stanowi 48,0% udziału objętościowego ściernicy, spoiwo szklanokrystaliczne

- 2,93 g co stanowi 11,5% udziału objętościowego, dekstryna stanowiącej tymczasowe lepiszcze organiczne - 1,18 g co odpowiada 13,1% udziału objętościowego ściernicy. Składniki miesza się ze sobą i formuje do zadanej objętości, po czym suszy i wypala w temperaturze 1150°C przez 2 godziny. W efekcie uzyskuje się kompozyt ścierny o porowatości około 40,5% objętości ściernicy.

P r z y k ł a d 3

W narzędziu ściernym o wymiarach 35 x 10 x 10, w którym udział objętościowy mikrokrystalicznego ziarna ściernego z AI2O3 2 (fig. 1) wynosi: 48,0%, spoiwa szklanokrystalicznego wynosi 11,5%, dekstryny stanowiącej tymczasowe lepiszcze organiczne - 13,0% udziału objętościowego ściernicy, masy poszczególnych składników ściernicy wynoszą odpowiednio: masa ziarna - 16,41 g, masa spoiwa - 2,78 g, dekstryna - 1,12 g.

Spoiwo ma następujący skład chemiczny: 19,04% wag. Al2O3, 9,31% wag. B2O3, 2,64% wag. CaO, 0,06% wag. CuO, 0,72% wag. FeO+Fe2O3, 4,49% wag. K2O, 0,44% wag. Li2O, 0,83% wag. MgO, 0,03% wag. MnO, 0,3% wag. Na2O, 37,6% wag. SiO2, 24,54% wag. ZnO. Składniki te miesza się ze sobą, formuje i wypala w temperaturze 1100°C przez 2 godziny. Narzędzie takie może być przeznaczone do szlifowania wgłębnego z oscylacjami pierścieni łożysk tocznych wykonanych ze stali 100Cr6. Sposób wytwarzania narzędzia wg wynalazku pozwala na uzyskanie wysokich wskaźników właściwości eksploatacyjnych narzędzi, m.in. wskaźnika szlifowania G (fig. 3) i niskiej mocy szlifowania P (fig. 4).

Claims

1. Sposób wytwarzania ceramicznych narzędzi ściernych, w którym ścierniwo miesza się ze spoiwem szklanokrystalicznym, następnie formuje się i poddaje obróbce termicznej, znamienny tym, że ścierniwo miesza się w proporcji od 38% do 62% objętościowego udziału ziarna ściernego i od 0,5% do 35% objętościowego udziału spoiwa szklanokrystalicznego, o następującym składzie chemicznym: 10-35% wag. AI₂O₃, 5:25% wag. B₂O₃, 1:10% wag. CaO, 0,01:0,2% wag. CuO, 0,01:2,0% wag. FeO+Fe2O3, 1-15% wag. K2O, 0,1-10% wag. Li2O, 0,1-5% wag. MgO, 0,01-1% wag. MnO, 0,01 :15% wag. Na₂O, 10-50% wag. SiO₂, 5:35% wag. ZnO.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ścierniwem są ziarna z mikrokrystalicznego tlenku glinu typu zol-żel.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ziarna ścierne są ziarnami z tlenku glinu topionego.

4. Sposób według zastrz. 2, znamienny tym, że wypalanie przeprowadza się w temperaturze

800:1100°C w czasie od 1 do 5 godzin.

5. Sposób według zastrz. 3, znamienny tym, że wypalanie przeprowadza się w temperaturze

850:1250°C w czasie od 1 do 5 godzin.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wykorzystuje się spoiwo szklanokrystaliczne z główną fazą krystaliczną w postaci gahnitu o wielkości mikrokryształków od 0,01:10 μm.

7. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ziarna ścierne stanowią mieszankę ziarn z mikrokrystalicznego tlenku glinu i tlenku glinu topionego.

8. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ziarna ścierne są ziarnami z azotku boru.

9. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że ziarna ścierne stanowią mieszankę ziarn z tlenku glinu i azotku boru.

10. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że spoiwo szklanokrystaliczne zawiera dodatki w postaci TiO2, ZrO2, Y2O3, P2Os, V2Os, Bi2O3, PbO.