RU2036215C1 - Способ получения абразивного материала - Google Patents

Abstract

Сущность изобретения: нагревают слиток сплава на основе алюминия в контакте с наполнителем из группы: оксид алюминия, карбид кремния, оксид циркония, алмаз, диборид титана, нитрид бора, карбид бора, магнийалюминиевая шпинель до температуры выше точки плавления алюминия, но ниже точки плавления окиси алюминия в атмосфере воздуха в течение времени, достаточного для пропитывания необходимой части наполнителя оксидом алюминия. Сплав на основе алюминия содержит металлические компоненты из группы: медь, железо, марганец, никель, кремний, цинк, магний и хром. На слиток сплава дополнительно помещают слой оксида кремния. Полученные абразивные зерна смешивают со связывающим агентом и формуют изделие заданной формы или смешивают с адгезивом и наносят на листовую основу. 4 з.п. ф-лы, 1 табл.

Description

Изобретение относится к способам получения абразивных материалов, образующихся в виде продуктов окисления исходного металла парофазным окислителем с последующим измельчением с целью получения абразивных керамических или керамических композиционных гранул.

Известен способ получения абразивного материала в виде зерен на основе оксида алюминия [1] По этому способу расплавленный oкисел быстро охлаждают и измельчают в инертной газовой атмосфере. Абразивный материал, полученный известным способом, имеет невысокие абразивные характеристики.

Целью изобретения является получение абразивного материала с улучшенными свойствами.

Цель достигается тем, что в способе получения абразивного материала в виде зерен на основе оксида алюминия, включающем получение композитной керамики, ее измельчение и выделение абразивных зерен, композитную керамику получают нагревом слитка на основе алюминия в контакте с наполнителем, выбранным из группы: оксид алюминия, карбид кремния, оксид циркония, алмаз, диборид титана, нитрид бора, карбид бора, магнийалюминиевая шпинель, до температуры выше точки плавления алюминия, но ниже точки плавления окиси алюминия в атмосфере воздуха в течение времени, достаточного для пропитывания необходимой части наполнителя оксидом алюминия.

Сплав на основе алюминия содержит металлические компоненты из группы: медь, железо, марганец, никель, кремний, цинк, магний и хром. На слиток сплава на основе алюминия дополнительно помещают слой оксида кремния.

Абразивные зерна смешивают со связующим агентом и формуют изделие заданной формы или абразивные зерна смешивают с адгезивом и наносят на листовую основу.

В соответствии с настоящим изобретением осуществляется способ получения абразивного материала в виде абразивного зерна, представляющего собой измельченную форму поликристаллического керамического материала, состоящего в основном из продукта реакции окисления предшественника исходного металла парофазным окислителем и не обязательно содержащего один или более металлических компонентов, например неокисленных компонентов исходного металла. Может быть получен керамический композит, содержащий поликристаллический керамический реакционный продукт и одно или более веществ-наполнителей, которые добавляют, например, для улучшения абразивных характеристик или для уменьшения стоимости производства.

Предшественник основного металла нагревают в присутствии парофазного окислителя до температуры выше его точки плавления, но ниже точки плавления продукта реакции окисления, с образованием основы из расплавленного исходного металла. Расплавленный исходный металл реагирует с парофазным окислителем с образованием продукта реакции окисления, причем такой продукт по крайней мере частично контактирует и распространяется между основой расплавленного исходного металла и парофазным окислителем. В используемом температурном интервале расплавленный основной металл транспортируется через ранее образовавшийся продукт реакции окисления в направлении парофазного окислителя. Поскольку расплавленный исходный металл контактирует с парофазным окислителем на границе раздела между парофазным окислителем и образовавшимся продуктом реакции окисления, он окисляется парофазным окислителем и в результате этого разрастается или образует поступательно утолщающийся слой или основу продукта реакции окисления. Процесс продолжают в течение времени, достаточного для получения керамического тела. В зависимости от конечного предназначения абразива процесс окисления продолжают в течение времени, достаточного для того, чтобы в значительной степени исчерпать исходный металл, в результате чего минимизируется присутствие связанного металла в керамическом теле. Полученную керамическую основу измельчают до желаемого размера зерна путем ударного размалывания, роликового размалывания, жираторного дробления или другими общепринятыми способами в зависимости от применения абразивного материала, после чего полученный измельченный керамический материал выделяют. Выделенный измельченный керамический материал содержит абразивные зерна, состоящие в основном из продукта реакции окисления и, не обязательно, из металлических компонентов, например из неокисленных компонентов исходного металла.

Керамический композит получают путем размещения проницаемой массы или агрегата материала-наполнителя, который может быть предварительно сформирован в виде сырой основы, вблизи, или вводят в контакт с предшественником исходного металла, в результате чего растущий продукт реакции окисления исходного металла просачивается и внедряется в по крайней мере часть материала-наполнителя. Основной металл нагревают в соответствии с описанным выше и реакцию окисления исходного металла парофазным окислителем продолжают в течение времени, достаточного для прорастания или просачивания продукта реакции окисления через по крайней мере часть материала-наполнителя, в результате чего образуется композит-основа, имеющая керамическую матрицу из продукта реакции окисления, внедренного в материал-наполнитель, причем такая матрица может не обязательно содержать один или более металлических компонентов. Такая керамическая композитная основа измельчается до желаемого размера частиц традиционными способами, указанными выше, после чего выделяют полученный в результате измельченный материал. Регенерированный материал содержит микрокомпозитные абразивные зерна, состоящие из продукта реакции окисления исходного металла парофазным окислителем, материала-наполнителя и (не обязательно) одного или более металлических компонентов.

После формирования керамической или керамической композитной основы ей дают остыть и затем размалывают или дробят с целью получения абразивных зерен. Степень помола зерен будет зависеть от конечного предназначения продукта, и поэтому измельчающие средства выбирают на основании желаемого размера частиц и состава керамической основы. Способ и средства измельчения и классификации известны из литературы. Иногда дробят керамическую основу на крупные куски размером 1/4-1/2 0,67-1,25 см, например, с помощью щековой дробилки или молотковой мельницы, а затем на более мелкие частицы размером 8-100 меш или мельче, например, путем ударного размалывания, затем просеивают с целью получения фракций зерна желаемого размера.

Полученные в результате абразивные зерна характеризуются жесткостью и низкой крошковатостью или высокой долговечностью. Абразивные зерна характеризуются наличием микрокомпозита, содержащего продукт реакции окисления, тесно связанный с наполнителем, представляющим собой измельченню форму разросшегося керамического тела. Таким образом, в результате размалывания или дробления разросшейся керамической композитной основы полученные в результате абразивные частицы содержат компоненты как керамической матрицы, так и наполнителя в виде полностью связанных материалов, несмотря на значительное уменьшение в размере.

Гранулярный абразивный материал может применяться там, где необходимы абразивные свойства. Такой абразивный материал может использоваться в тех случаях, когда необходимо использовать сыпучий абразив, например при полировке, размалывании или обработке дутьем. Абразивный материал настоящего изобретения может использоваться в нанесенных абразивных изделиях или в связанных абразивных изделиях. В последнем случае абразивные зерна связывают со связующим веществом, например со смолой, стеклом, металлом или другой керамикой, и изготовляют из полученного материала, например, шлифовальные круги. В первом случае абразивные зерна объединяют с клеем и полученной смесью покрывают или наносят ее на твердый лист субстрата, такого как войлочная целлюлоза, ткань или картон. Абразивный материал может быть единственным абразивом в абразивном изделии или он может объединяться с другими абразивными или неабразивными материалами с целью модификации свойств изделия или для уменьшения стоимости.

Некоторые абразивные материалы изобретения были испытаны на их крошковатость в сравнении с некоторыми абразивными материалами, полученными традиционными способами. При испытании на крошковатость каждого из абразивных материалов использовали общепринятый метод размалывания в шариковой мельнице. 10 г абразивного материала, подлежащего испытанию, тщательно просеивали до конкретного мешевого размера и помещали в стальную банку (Аbbe. Co. Miji size), куда помещали также смесь шаров из закаленной стали, имеющих диаметр 2,54 см (200 г, Abbe, Co.). Стальной сосуд закрывали и помещали на вращающееся устройство, в котором осуществляли вращение в течение 14 ч со скоростью 92 оборота в минуту. Полученный в результате материал снова просеивали с помощью того же сита, и материал, не прошедший через сито, отделяли и взвешивали. Характеристики абразиваного материала в испытании на крошковатость количественно оценивали с помощью индекса крошковатости.

Полученные результаты представлены в таблице. Индекс крошковатости представляет собой процентное количество абразивного материала, оставшееся без изменения в ходе размалывания в шаровой мельнице (т.е. вес абразивного материала, оставшегося в сите при просеивании материала после размалывания на шаровой мельнице (в граммах), деленный на начальный вес образца (10 г), умноженное на 100). Чем выше индекс крошковатости, тем менее хрупок материал.

Испытанию были подвергнуты девять материалов, три из которых представляют собой традиционно выпускаемые материалы; плавленую соль алюминия (38 Алундум, Нортон Ко. размер частиц 46 меш), карбид кремния (37 Кристолон, Карборунд Ко. размер частиц 14 меш), золь-гелиевый материал, полученный на основе системы окись алюминия алюминат магния (Кубитрон, 3М Ко. размер частиц 20 меш и 40 меш), а шесть материалов были получены в соответствии с настоящим изобретением (абразивные материалы А-Г).

Абразивный материал А получали путем помещения нескольких слитков из алюминиевого сплава 380.1. (фирма Бельмонт металз, номинально установленный состав, мас. S 8-8,5; Zn 2-3; и Mg 0,1 в качестве активной присадки (как это подробно описано ниже) и Cu 3,5, а также Mn, Fe и Ni; однако действительное содержание Мо несколько выше и составляет 0,17-0,18% на слой частиц окиси алюминия (EI Алундум, Нортон, размер частиц 90 меш), который находился в огнеупопрном сосуде, так что одна поверхность каждого слитка непосредственно подвергалась действию атмосферы воздуха. Затем помещали его в печь и нагревали до 1000^оС в течение 5 ч. При таких условиях рост керамического тела осуществляется вверх от металлической поверхности в сторону воздушного пространства; врастания в частицы EI Алундума, окружающие другие металлические поверхности, не наблюдалось. Температуру печи поддерживали равной 1000^оС в течение 24 ч и затем в течение 5 ч печь охлаждали до комнатной температуры. Систему извлекали из печи и полученные керамические тела отделяли и измельчали путем размалывания между двумя стальными пластинами. Измельченный материал отделяли и подвергали просеву с целью отбора фракции с размером частиц 46 меш.

Абразивный материал В получали, помещая несколько слитков алюминиевого сплава 6061 (имеющего номинальный состав, мас. Si 0,6; Mg 1,0 и Cu и Cr 0,25) в слой частиц окиси алюминия с размером частиц 90 меш, находящийся в огнеупорном сосуде, причем одна поверхность каждого слитка оставалась под действием воздуха. На эту сторону металла насыпали тонкий слой материала-присадки из двуокиси кремния, затем помещали в печь и нагревали в течение 6 ч до 1325^оС. В таких условиях, так же как и раньше, рост керамики происходил исключительно в сторону воздушного пространства, а не в сторону материала-основы. Температуру печи поддерживали равной 1325^оС в течение 160 ч, в результате чего происходило практически полное исчерпание неокисленного алюминия из образовавшегося керамического тела. Полученный в результате керамический материал измельчали согласно описанной выше методике и подвергали просеву с целью отбора фракции с размером частиц 12 меш.

Абразивный материал С получали путем полного погружения нескольких слитков алюминиевого сплава, содержащего 10 мас. Si и 3 мас. Mg, в слой частиц окиси алюминия (38 Алундум, Нортон Ко. размер частиц 220 меш), находящийся в огнеупорном сосуде. Приготовленную систему помещали в печь и в течение 6 ч нагревали до 1250^оС. В этом случае рост происходил от металлических поверхностей в окружающий материал, в результате чего происходило внедрение частиц 38 Алундума в тело керамического композита. Температуру печи поддерживали равной 1250^оС в течение 120 ч и затем печь охлаждали в течение 6 ч до комнатной температуры. Изделие извлекали из печи, и полученные в результате композитные керамические заготовки, содержащие продукт реакции окисления, внедренный в частицы наполнителя, вынимали из печи и затем измельчали, используя для этой цели описанную выше методику размалывания. Измельченный композитный материал отделяли и подвергали просеву через сито с отверстиями 12 меш.

Абразивный материал D получали путем погружения нескольких слитков того же сплава, что применяли для получения материала С, в слой материала-наполнителя, представляющего собой пластинчатую окись алюминия (Alcoa Co. размер частиц 60 меш), содержащийся в огнеупорном сосуде, помещали в печь и нагревали в течение 6 ч до 1250^оС, причем в течение этого времени происходило врастание продукта реакции в частицы наполнителя, окружающие металл. Температуру печи поддерживали равной 1250^оС в течение 144 ч, после чего печь охлаждали до температуры окружающего воздуха в течение 6 ч. Полученное в результате композитное изделие, содержащее продукт окисления окиси алюминия, внедренный в материал-наполнитель из пластинчатой окиси алюминия, измельчали в соответствии с описанным выше, и полученный материал просеивали до размера частиц 12 меш.

Абразивный материал Е получали путем погружения нескольких слитков алюминиевого сплава 380.1, который использовали для получения материала А, в слой материала-наполнителя, представляющий собой золь-гельобразующую систему, окись алюминия-алюминат магния (Кубитрон из ЗМ Ко. с размером частиц 80 меш), который находился в огнеупорном сосуде. Полученную систему помещали в печь и нагревали в течение 6 ч до 1000^оС. Температуру печи поддерживали равной 1000^оС в течение 4 ч, после чего печь охлаждали в течение 5 ч до температуры окружающего воздуха. Полученные в результате керамические композитные изделия, содержащие продукт реакции окисления окиси алюминия, внедренный в золь-гелиевый материал-наполнитель, извлекали из печи и подвергали измельчению по описанной выше методике. Полученный в результате материал просеивали до размера частиц 12 меш.

Абразивный материал F получали путем раздельного нагревания слоя частиц карбида кремния (37 Кристолон, Нортон Ко. 220 меш) и примерно 100 г сплава 380.1, используемого выше, до температуры 1000^оС. Затем расплавленный алюминиевый сплав переливали на слой материала-наполнителя из карбида кремния и на поверхность расплавленного металла слоями наносили еще некоторое количество наполнителя из карбида кремния, нагревали в течение 48 ч до температуры 1000^оС и извлекали из печи. Отделяли полученный в результате керамический композит, содержащий продукт реакции окисления окиси алюминия, внедренный в материал-наполнитель из карбида кремния. Керамический композит измельчали в соответствии с указанным выше и просеивали через сито с размером отверстий 12 меш.

Полученные материалы подвергали описанным выше испытаниям на крошковатость, результаты которых приведены в таблице. Как следует из этой таблицы, пять из шести материалов, полученных в соответствии с настоящим изобретением, оказались менее хрупкими, чем материалы, полученные традиционным способом. Хотя материал А, полученный в соответствии с настоящим изобретением, обладает более низкой крошковатостью, чем испытанные абразивные материалы, полученные традиционными способами, этот результат иллюстрирует желаемые отличительные признаки настоящего изобретения, а именно, тот факт, что материалы могут быть получены с широким интервалом характеристик крошковатости, что может оказаться полезным при удовлетворении требований, предъявляемых к различным абразивным материалам.

Используемые в описании и формуле изобретения термины имеют следующее значение.

Термин "керамика" не следует ограничивать керамическими изделиями в классическом смысле слова, т.е. в том смысле, что такое изделие состоит полностью из неметаллических и неорганических материалов, поскольку такой термин относится к изделию преимущественно керамическому в отношении его состава или основных свойств, хотя такое изделие может содержать небольшие или значительные количества одного или более металлических компонентов, являющихся производными основного металла, или небольшое количество присадки 1-40 об. причем количество металла может быть и более высоким.

Термин "продукт реакции окисления" обычно обозначает один или более металлов в любом окисленном состоянии, причем металл отдает электроны или делит электроны с другим элементом, соединением или их комбинацией. В соответствии с этим определением "продукт реакции окисления" включает продукт или реакцию одного или более металлов с окислителем, описанным в настоящем изобретении.

Термином "окислитель" обозначается один или более акцепторов электронов или веществ, способных делить электронную пару, вещества представляют собой газ (пар) или компонент газа в условиях процесса.

Под термином "исходный металл" подразумевается такой металл, например алюминий, который является предшественником поликристаллического продукта реакции окисления и включает такой металл в относительно чистом состоянии (выпускаемый промышленностью металл, содержащий примеси и/или компоненты сплава, или сплав, в котором такой металлический предшественник представляет собой основной компонент). Когда конкретный металл упоминается как исходный металл, например алюминий, следует иметь ввиду приведенное выше определение, если в контексте не имеется особых оговорок.

Под термином "композит" подразумевается гетерогенный материал, основа или изделие, выполненное из двух или более различных материалов, тесно связанных друг с другом с целью достижения желаемых свойств композита. Так, например, два различных материала могут быть тесно связаны в результате внедрения одно из них в матрицу другого. Керамическая композитная структура обычно включает керамическую матрицу, которая включает в себя один или более различных типов материалов-наполнителей, таких как мелкозернистые материалы, волокна, бруски и т.п.

В соответствии с настоящим изобретением, абразивный материал представляет собой измельченную форму керамики или керамического композитного изделия, образовавшегося в ходе окисления металлического предшественника. При получении такого изделия основной металл, который представляет собой предшественник продукта реакции окисления, применяется, например, в виде слитка, заготовки, пластины и т.п. размещается в слое инертного вещества и/или материала-наполнителя, находящегося в тигле или другом огнеупорном контейнере. Инертный материал представляет собой вещество, которое практически непроницаемо в отношении прорастания через него в условиях процесса продукта реакции окисления. Такой инертный слой отличается от проницаемого слоя наполнителя, используемого для получения композитных структур, через который прорастает продукт реакции окисления, внедряясь в наполнитель внутри полученной в результате керамической матрицы. Инертный материал служит средством сохранения основы расплавленного исходного металла для его окисления и прорастания в окружающую атмосферу или в проницаемый наполнитель.

Полученную в результате систему, включающую исходный металл, слой инертного материала и/или наполнителя, помещают в подходящий тигель или другой конвейер и нагревают до температуры выше точки плавления исходного металла, но ниже точки плавления продукта реакции окисления. Однако применяемый или предпочтительный интервал температр может и не охватывать весь температурный интерал между точками плавления исходного металла и продукта реакции окисления. В соответствии с этим при такой температуре или в указанном температурном интервале исходный металл плавится с образованием массы или части расплавленного исходного металла и при контактировании с окислителем расплавленный металл реагирует с образованием слоя продукта реакции окисления. При непрерывном воздействии окислительных условий оставшаяся часть расплавленного металла постепенно втягивается и проходит через продукт реакции окисления в направлении окислителя с тем, чтобы вызвать непрерывный рост поликристаллического материала вблизи или на границе раздела системы керамикa-окислитель с образованием керамического или керамического композиционного продукта.

Поликристаллический продукт реакции окисления растет с практически постоянной скоростью (т. е. с практически постоянной скоростью увеличения толщины во времени) при условии достаточной смены окислителя. Обмен окислительной атмосферы в случае воздуха может обеспечиваться общепринятыми вентильными средствами, имеющимися в печи. Рост продукта реакции продолжается до тех пор, пока не реализуется одна из следующих ситуаций: израсходован практически весь исходный металл; окислитель истощен или израсходован или окислительная атмосфера заменена на неокислительную, либо она эвакуирована, температуру реакции изменяют таким образом, что она выходит за пределы рекомендованного температурного интервала, например ниже точки плавления основного металла. Обычно температуру понижают путем уменьшения температуры в печи и затем материал извлекают из печи.

Полученный в результате керамический продукт в основном состоит из продукта реакции окисления основного металла окислителем, и (не обязательно) из одного или более металлических компонентов, например, таких, как неокисленные компоненты исходного металла. Полученный в результате поликристаллический материал может иметь пористость, являющуюся результатом частичного или почти полного замещения металлической фазы, причем объемный процент пустот в продукте будет зависеть главным образом от таких условий, как температура, время, и от типа используемого исходного металла. Поликристаллический продукт реакции окисления образуется в виде кристаллитов, которые по крайней мере частично связаны друг с другом. Хотя настоящее изобретение описывается особым акцентом на алюминий и конкретные воплощения, в которых алюминий является исходным металлом, следует иметь ввиду, что ссылка на такой металл приводится лишь в качестве примера и что другие металлы, такие как кремний, титан, гафний, цирконий и т.п. также могут использоваться в рассматриваемом процессе при условии, что они удовлетворяют критениям настоящего изобретения.

Парофазный окислитель представляет собой вещество, являющееся в естественном состоянии газообразным или способным испаряться в условиях процесса с образованием окислительной атмосферы. Типичные парофазные окислители включают, например, кислород или кислородсодержащий газ, азот или азотсодержащий газ, галоген, серу, фосфор, мышьяк, углерод, бор, селен, теллур, а также их соединения и смеси, например, метан, кислород, этан, пропан, ацетилен, этилен, пропилен (углеводород, служащий источником углерода), а также такие смеси, как воздух, Н₂/H₂O и СО/СО₂, причем две последние смеси (т.е. Н₂/H₂O и СО/СО₂) используются для понижения активности кислорода атмосферы. В том случае, когда парофазный окислитель идентифицируется как вещество, содержащее или включающее конкретный газ или пар, под этим подразумевается парофазный окислитель, в котором указанный газ или пар представляет собой единственный окислитель исходного металла в условиях, полученных в используемой окислительной атмосфере. Поэтому воздух охватывается определением "кислородсодержащий газообразный" окислитель, но не попадает под определение "азотсодеражщий газообразный" окислитель. Примером азотсодержащего газообразного окислителя, используемого в процессе и упоминаемого в формуле изобретения может служить формирующий газ, обычно содержащий около 96 об. азота и около 4 об. водорода.

Некоторые исходные металлы в конкретной окисляющей атмосфере и при конкретной температуре удовлетворяют критерию, необходимому для осуществления явления окисления согласно настоящему изобретению без специальных добавок и модификаций. Однако присадочные материалы, используемые в комбинации с исходным металлом, могут оказывать благоприятное влияние или могут промотировать процесс окисления. По видимому некоторые присадки оказываются полезными в тех случаях, когда нарушается соответствие поверхностных энергий исходного металла и его продукта окисления. Так, например, некоторые присадки или их комбинации, которые понижают энергию на поверхности раздела твердое тело-жидкость, имеют тенденцию к промотированию или ускорению появления поликристаллической структуры, образующейся в ходе окисления металла в продукт, содержащий каналы для транспорта расплавленного металла, что и требуются для нового процесса. Другая функция присадки может заключаться в инициировании явления роста керамики за счет того, что присадка служит кристаллизующим агентом, способствующим образованию устойчивых продуктов окисления кристаллитов, или за счет осуществляемого каким-либо образом разрушения слоя первоначально пассивного продукта окисления, либо присадки выполняют обе названные функции. Присадки последнего класса не обязательно вызывают рост керамики, однако они выполняют важную роль в отношении уменьшения инкубационного периода инициирования такого роста до практически приемлемых пределов для некоторых систем исходного металла.

Функция или функции присадочных материалов могут зависеть от целого ряда факторов помимо природы самой присадки. Такие факторы включают, например, природу конкретного основого металла, природу целевого продукта, тип конкретной комбинации присадок в том случае, когда применяют две или более присадок, использование присадки, применяемой извне в комбинации с присадкой расплава, концентрацию присадки, природу окислительной атмосферы и условия осуществления процесса.

Полезными присадками для алюминия в качестве исходного металла, особенно в случае использования в качестве окислителя воздуха, являются например, металлический магний или металлический цинк в комбинации друг с другом или в комбинации с другими присадками, описанными ниже. Такие металлы или подходящие источники таких металлов могут примешиваться к алюминию, используемому в качестве исходного металла с концентрацией 0,1-16 мас. в расчете на общий вес металла с присадкой. Концентрационный интервал для любых присадок будет зависеть от таких факторов, как комбинация присадок и температуре процесса. Концентрация в указанном интервале инициирует рост керамики, облегчает транспорт металла и благоприятно влияет на морфологию роста полученного в результате продукта реакции окисления.

Другие присадки, являющиеся эффективными для промотирования роста поликристаллического продукта реакции окисления для систем на основе алюминия, в качестве исходного металла, включают, например, кремний, германий, олово и свинец, особенно в том случае, когда они используются в комбинации с магнием или цинком. Одна или более из таких присадок или их подходящих источников примешиваются к алюминию в качестве исходного металла с концентрацией от 0,5 до 15 мас. в расчете на общий вес сплава; однако наиболее желательная кинетика и морфология роста достигается при концентрации присадки, лежащей в интервале 1-10 мас. в расчете на общий вес сплава исходного металла. При использовании свинца в качестве присадки его обычно сплавляют с исходным металлом на основе алюминия при температуре по крайней мере 1000^оС, учитывая его низкую растворимость в алюминии; однако добавление других компонентов сплава, например олова, обычно повышает растворимость свинца и позволяет сплавлять материалы при более низких температурах.

В зависимости от обстоятельства могут использоваться одна или более присадок. Так, например, в случае использования в качестве исходного металла алюминия, а в качесте окислителя воздуха, полезная комбинация присадок включает магний и кремний или магний, цинк и кремний. В таких примерах предпочтительная концентрация магния составляет, мас. 0,1-0,3 мас. цинка 1-6; кремния 1-10%
Дополнительные примеры присадочных материалов, используемых совместно с основным металлом алюминием, включают натрий, литий, кальций, бор, фосфор и иттрий, которые могут использоваться индивидуально или в комбинации с одной или более другими присадками в зависимости от типа окислителя и условий процесса. Натрий и литий могут использоваться в очень малых количествах, порядка частей на миллион, обычно 100-200 ч/млн, и каждая из таких присадок может использоваться отдельно или совместно, либо в комбинации с другими присадками. Такие редкоземельные элементы, как церий, лантан, празеодимий, неодимий и самарий, также являются ценными присадками, но в том случае, когда они используются в комбинации с другими присадками.

Не всегда необходимо сплавлять присадочный материал с исходным металлом. Так, например, селективное применение одного или более присадочных материалов в виде тонкого слоя на всей или на части поверхности исходного металла позволяет осуществить локальный рост керамики с поверхности или части поверхности основного металла и приводит к врастанию поликристаллического керамического материала в проницаемый наполнитель на выбранной площади. Таким образом, рост поликристаллического керамического материала может контролироваться путем локализованого помещения присадочного материала на поверхности исходного металла. Применяемые покрытия или слой присадки являются тонкими относительно толщины тела исходного металла, и рост или образование продукта реакции окисления существенно выходит за пределы слоя присадки, т. е. выходит за пределы глубины применяемого слоя присадки. Такой слой присадочного материала может создаваться окрашиванием, окунанием, просеиванием через шелк, испарением, или в результате какого-либо другого применения присадочного материала в жидкой или пастообразной форме, либо путем распыления, или путем отложения слоя твердой присадки, либо твердого тонкого слоя или пленки присадки на поверхность исходного металла. Присадочный материал может не обязательно включать органические или неорганические связующие вещества, наполнители, расторители и/или загустители. Один из наиболее предпочтительных способов применения присадок на поверхности исхоного металла заключается в использовании жидкой суспензии присадок в смеси вода-органическое связующее вещество, которую распрыскивают на поверхность исходного металла с целью получения клейкого покрытия, которое облегчает ручное обращение содержащим присадку исходным металлом перед обработкой.

При внешнем использовании материалов-присадок их обычно применяют на части поверхности исходного металла в виде однородного покрытия. Количество присадки является эффективным в широком интервале относительно количества исходного металла, на котором применяют данную присадку, и в случае использования алюминия эксперименты невозможно определить верхним или нижним рабочим пределом. Так, например, при использовании кремния в виде двуокиси кремния, внешне применяемой в качестве присадки к исходному металлу на основе алюминия, и при использовании кислорода в качестве окислителя, количества менее 0,00003 г кремния на грамм основного металла, или около 0,0001 г кремния на квадратный сантиметр экспонированной поверхности исходного металла, совместно с второй присадкой, обеспечивающей источник магния и/или цинка, обеспечивают явление роста поликристаллической керамики. Было также установлено, что керамическая структура получается из исходного металла на основе алюминия при использовании кислорода в качестве окислителя, при применении MgO или MgAl₂O₄ в качестве присадки в количестве выше 0,003 г Mg на квадратный сантиметр поверхности исходного металла, в который вводят присадку, и выше 0,0008 г Mg в расвете на грамм исходного металла, подлежащего окислению.

В некоторых предпочтительных воплощениях настоящего изобретения исходный металл, который, например, может включать алюминий, кремний, цирконий, гафний или титан, и проницаемая масса материала наполнителя располагаются рядом друг с другом и ориентируются относительно друг друга таким образом, что рост продукта реакции окисления в соответствии с описанным выше будет происходить в направлении материала-наполнителя с тем, чтобы наполнитель или его часть пропитывалась растущим продуктом реакции окисления и внедрялась в него. Такое размещение и ориентация исходного металла и наполнителя относительно друг друга могут осуществляться в результате простого вставления тела исходного металла в слой частиц конкретного материала-наполнителя или в результате размещения одного или более тел исходного металла внутри или близко от слоя или другой структуры материала-наполнителя. Наполнитель может представлять собой пластинки, слой сфер (твердых или полых пузырьков), порошки или другие мелкозернистые состояния, агрегат, огнеупорное волокно, трубочки, венчики и т. п. или их комбинации. В любом случае собранная система монтируется таким образом, что направление роста продукта реакции окисления будет обеспечивать проникновение или поглощение через часть материала-наполнителя, в результате чего пустые пространства между частицами наполнителя или изделия будут заполняться растущей матрицей продукта реакции окисления.

В том случае, когда требуется или желательно использовать один или более материалов присадок с целью промотирования или облегчения прорастания продукта реакции окисления через проницаемую массу наполнителя, присадка может применяться на и/или в исходном металле, а с другой стороны, присадка может использоваться на материале-наполнителе или может обеспечитьваться им. Так, например, присадка или присадки могут обеспечиваться в виде компонентов сплава исходного металла, или они могут применяться на по крайней мере части поверхности исходного металла в соответствии с описанным выше, либо они могут применяться или поставляться наполнителем или частью слоя наполнителя, или могут применяться любые комбинации из двух или более указанных выше методов. В случае применения метода, посредством которого присадка или присадки применяются на наполнителе, такое применение может реализоваться любым подходящим способом, например путем диспергирования присадок в части или во всей массе наполнителя в виде мелких капелек или частиц, предпочтительно в части слоя наполнителя вблизи исходного металла. Применение любых присадок на наполнителе может также осуществляться путем нанесения слоя из одной или более присадок на и внутри указанного слоя, включающего любые его внутренние отверстия, щели, проходы, промежуточные пространства и т.п. которые делают его проницаемым. Источник присадки может также обеспечиваться путем помещения жесткого тела, содержащего присадку, таким образом, чтобы оно контактировало и находилось между по крайней мере частью поверхности исходного металла и слоя наполнителя. Так, например, если нужна кремниевая присадка, то тонкий слой кремнийсодержащего стекла или другого материала может быть размещен на поверхности исходного металла, на которой предварительно уже применяли вторую присадку. Когда основной металл, покрытый кремнийсодержащим материалом, плавят в окислительной атмосфере (например, в случае алюминия в атмосфере воздуха при температуре 850-1450^оС, предпочтительно при 900-1350^оС), происходит рост поликристаллического керамического материала в проницаемый наполнитель. В том случае, когда присадку применяют извне на по крайней мере части поверхности исходного металла, поликристаллическая оксидная структура обычно растет внутри проницаемого наполнителя в основном за пределами слоя присадки (т.е. вне пределов глубины примененного слоя присадки). В любом случае одна или более присадок могут внешним образом применяться на поверхности исходного металла и/или на проницаемом слое наполнителя.

Помимо этого, присадки, расплавленные в исходном металле и/или примененные на таком металле извне, могут пополняться присадками, примененными на слое наполнителя. Таким образом, любой дефицит концентрации присадок, сплавленных с исходным металлом и/или примененных извне на исходном металле может пополняться дополнительной концентрацией, соответствующей присадки, примененной в слое, и наоборот.

В случае использования алюминия или его сплавов в качестве исходного металла и использования в качестве окислителя кислородсодержащего газа в процессе получения керамической композитной структуры, соответствующие количества присадок применяются на исходном металле в соответствии с описанным выше. Затем исходный металл помещают в тигель или другой огнеупорный контейнер, причем в указанном контейнере металлическая поверхность находится под воздействием соседней или окружающей массы проницаемого материала-наполнителя и в присутствии окисляющей атмосферы (в качестве которой обычно используется воздух при окружающем атмосферном давлении). Полученную в результате систему затем нагревают в печи с целью повышения температуры до значения, обычно составляющего 850-1450^оС, более предпочтительно 900-1350^оС, в зависимости от типа материала-наполнителя, природы присадки или ее концентрации, или комбинации любых из указанных факторов, в результате чего осуществляется транспорт исходного металла через оксидную оболочку, обычно защищающую исходный металл алюминий.

Продолжающееся высокотемпературное воздействие окислителя на исходный металл приводит к образованию поликристаллического продукта реакции в соответствии с описанным выше. При использовании для получения керамической композитной структуры твердого окислителя он может диспергироваться во всем объеме материала-наполнителя или в части материала-наполнителя вблизи от исходного металла.

Если используют жидкий окислитель, то весь объем материала-наполнителя может покрываться или пропитываться подходящим жидким окислителем. В любом случае растущий продукт реакции окисления постепенно импергнируется проницаемый соседний материал-наполнитель, связанный матрицей продукта реакции окисления, которая может также содержaть неокисленные компоненты исходного металла, или металлические компоненты способной к восстановлению присадки, в результате чего образуется когезивный оксидат. Растущая поликристаллическая матрица импергнирует или проницает материал-наполнитель.

Примеры наполнителей, используемых в настоящем решении в зависимости от исходного металла и выбранных окислительных систем, включают один или более оксидов, нитридов, боридов или карбидов. Такие материалы включают, например, оксид алюминия, карбид кремния, окись кремния, оксинитрид кремния-алюминия, оксид циркония, борид циркония, нитрид титана, титанат бария, нитрид бора, нитрид кремния, алмаз, диборид титана, магнийалюминатную шпинель, и их смеси. Однако в настоящем изобретении может применяться любой подходящий наполнитель.

Следующий ниже пример иллюстрирует некоторые аспекты настоящего изобретения.

Абразивный материал, полученный в соответствии с настоящим изобретением, сравнивали с традиционно получаемым абразивным материалом на основе окиси алюминия (38 Алундум, Нортон Ко. просеянный до размеров частиц 14 меш) на его способность шлифовать выпускаемые промышленные стальные изделия.

Абразивный материал настоящего изобретения содержал микрокомпозитные зерна, состоящие, в основном, из продукта реакции окисления алюминиевого сплава воздухом, применяемым в качестве парофазного окислителя, а также материал-наполнитель, в качестве которого использовали карбид кремния.

Материал получали в соответствии с методикой, описанной для получения абразивного материала. Полученный материал просеивали до размера частиц 14 меш.

20 г описанного выше традиционного абразива Алундум 38 на базе окиси алюминия и 20 г абразивного композита на основе системы оксид алюминия-карбид кремния, полученного в соответствии с настоящим изобретением, помещали в отдельные стальные сосуды (Abbe Co. размер Mijit). Две группы из трех стальных стержней с резьбой тщательно взвешивали, и помещали каждую группу в каждый сосуд. Сосуды закрывали и помещали на вращающееся устройство и в течение 1,5 ч осуществляли вращение со скоростью 92 об/мин. Стальные стержни вынимали из каждого сосуда и снова взвешивали с целью определения потери массы каждым стальным стержнем.

Масса стержней до обработки традиционным абразивом составила 36,37 г по сравнению с массой 36,32 г после обработки абразивом. Потеря массы, равная 0,05 г. составляет 0,13% за 1,5 ч абразивной обработки. Масса стержней до обработки абразивным материалом настоящего изобретения составила 36,49 г по сравнению с 36,44 г после обработки. Потеря массы в 0,05 г составляет 0,14% за то же время обработки.

Claims (5)

1. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ АБРАЗИВНОГО МАТЕРИАЛА в виде зерен на основе оксида алюминия, включающий получение композитной керамики, ее измельчение и выделение абразивных зерен, отличающийся тем, что композитную керамику получают нагревом слитка сплава на основе алюминия в контакте с наполнителем, выбранным из группы: оксид алюминия, карбид кремния, оксид циркония, алмаз, диборид титана, нитрид бора, карбид бора, магнийалюминиевая шпинель, до температуры выше точки плавления алюминия, но ниже точки плавления окиси алюминия в атмосфере воздуха в течение времени, достаточного для пропитывания необходимой части наполнителя оксидом алюминия.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сплав на основе алюминия содержит металлические компоненты из группы: медь, железо, марганец, никель, кремний, цинк, магний и хром.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что на слиток сплава на основе алюминия дополнительно помещают слой оксида кремния.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что абразивные зерна смешивают со связующим агентом и формуют изделие заданной формы.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что абразивные зерна смешивают с адгезивом и наносят на листовую основу.

Images