SK10752001A3 - Brúsne zrná tvorené polykryštalickým oxidom hlinitým - Google Patents

Description

Vynález sa týka brúsnych zŕn na báze aluminy tvorených kryštálmi, ktorých rozmery sa rovnajú asi niekoľkým desiatkam mikrometrov a ktoré sú získané rýchlym stuhnutím roztavenej aluminy.

Doterajší stav techniky

Použitie brúsnych prostriedkov ne báze aluminy je veľmi staré, pričom takéto brúsne prostriedky vo forme šmirglového papiera boli už známe v starom Grécku. Už v polovici dvadsiateho storočia poskytovala syntéza korundu získaného roztavením a stuhnutím aluminy brúsne zrná tvorené kryštálmi aluminy a, ktorá mala kompaktnú hexagonálnu štruktúru a rozmery niekoľko milimetrov. Trochu zavádzajúcim spôsobom je tento typ materiálu uvádzaný pod označením elektricky roztavený korund. Jedná sa samozrejme o pevný materiál, ktorého označenie pripomína spôsob prípravy tohto materiálu.

Brúsne zrná získané mletím elektricky roztaveného korundu sú takto väčšinou tvorené hexagonálnymi monokryštálmi a ich vlastnosti, ktoré sú pri najlepšom vlastnosťami kryštálu aluminy, nemôžu byť takto ďalej zlepšené.

S cieľom získať lepšie mechanické vlastnosti a brúsne prostriedky snažili sa odborníci vyrobiť materiál tvorený kryštálmi, ktoré majú pokiaľ možno čo najmenšie rozmery, pričom každé brúsne zrno by bolo tvorené zostavou kryštálov, takže by boli získané mechanické vlastnosti, ktoré by rezultovali nielen z charakteru kryštálov tvoriacich uvedenú sústavu, ale tiež z existencie početných hraníc zŕn umožňujúcich konsolidáciu zrna.

31760 h

···· ·	• · • · • ·	·· • · ··	·· • · · • ·
• •	• · •
··	• · ·	• ·	··	·· ·

Takto patent US 1, 192, 709 (Carborundum), ktorého prihláška bola podaná v roku 1914, popisuje elektricky tavenú aluminu, ktorá má veľkosť kryštálov medzi 10 a 300 mikrometrov (v priemere 100 mikrometrov) a odliatu na tenké dosky v úzkej kokile s hrúbkou menšou ako 150 milimetrov. Tento spôsob rýchleho ochladenia bol takisto využívaný v roku 1932 spoločnosťou Alcoa (patenty US 1,798, 261 a US 1, 871, 793) a spočíval v rozprášení elektricky roztavenej aluminy za účelom prevedenia aluminy do formy dutých guľôčok, ktoré majú priemer menší ako 5 milimetrov a ktoré sú tvorené kryštálmi s veľkosťou menšou ako 250 mikrometrov. Dosť podobná technika je popísaná v patente GB 284131 spoločnosti Metallbank. Podľa patentu US 3, 781, 172 možno získať kryštály elektricky tavenej aluminy s veľkosťou menšou ako 50 mikrometrov odlievaním tejto aluminy na vrstvu chladných granulí, ktoré majú rovnaké zloženie, čo urýchľuje ochladenie odlievanej aluminy. Avšak skúsenosť ukazuje, že táto technika je málo výkonná, pričom kvapalná alumina zle preniká medzi uvedené chladné zrná.

Patent FR 1 310 102 (Norton) popisuje spôsob a zariadenie pre rýchle chladené odlievanie aluminových brúsnych prostriedkov spočívajúcich v tom, že sa odlieva tenký pás aluminy na otáčajúci sa valec. Takto sa získajú kryštály aluminy s veľkosťou medzi 1 a 30 mikrometrami.

Patent FR 2 242 462 (Norton), ktorého prihláška bola podaná v roku 1977, sa týka spôsobu a zariadenia na odlievanie brusiva medzi dva kovové pásy s cieľom vytvoriť tenkú aluminovú lamelu. Kaliaci účinok je v tomto prípade obmedzený malou tepelnou vodivosťou korundu. Nezdá sa, že vyššie uvedené spôsoby odlievania do formy tenkých dosiek alebo pásov by viedli k uplatneniu v priemyslovom meradle.

V roku 1979 sa objavili aluminy pochádzajúce z procesu sól-gél a získané kalcináciou a potom slinovaním hydrátu aluminy, najčastejšie bóhmitu, ktorý bol zase získaný zrážaním z roztoku soli alebo alkoxidu hlinitého.

Tento typ materiálu umožňuje pripraviť brúsne zrná tvorené sústavou kryštálov

31760 h ···· · · ·· ·· · ··· · ·· · · · · • · · · ·· · e « • · ·· ·· ··· · · ··· ······· ·· ··· ·· ·· ·· ··· s veľkosťou menšou ako jeden mikrometer, čo týmto zrnám dáva znamenité mechanické vlastnosti. Tento materiál je v súčasnej dobe bežne používaný na výrobu brúsnych kotúčov, v ktorých tento materiál tvorí asi 30 % hmotnosti z celkovej hmotnosti brúsnej kompozície, pričom zvyšok je tvorený klasickým elektricky vyrábaným korundom. Vysoká cena alumin typu sól-gél je vo všeobecnosti prijateľným vysvetlením len 30 % obsahu uvedenej aluminy v brúsnej kompozícii.

Cieľom vynálezu je teda poskytnúť elektricky tavenú aluminu, ktorá by si zachovala morfológiu vlastnú elektricky taveným aluminám, ale ktorá by mala omnoho jemnejšie regulovanú kryštalizáciu ako u korundu podľa doterajšieho stavu techniky, a výrazne zlepšené brúsne vlastnosti.

Podstata vynálezu

Predmetom vynálezu je brúsne zrno na báze elektricky tavenej aluminy, ktorého podstata spočíva v tom, že je tvorené kryštálmi, ktoré majú hexagonálnu štruktúru, s rozmermi menšími ako 30 mikrometrov a výhodnejšie menšími ako 5 mikrometrov, hustotu vyššiu ako 97 %, výhodne vyššiu ako 98 % teoretickej hustoty aluminy a tvrdosť podľa Knoopa vyššiu ako 2000.

Predmetom vynálezu je takisto spôsob výroby brúsnych zŕn na báze aluminy, ktorého podstata spočíva vtom, že zahŕňa roztavenie aluminy, jej odlievanie pri konštantnom prietoku nižšom ako 80 kg/mínútu a jej ochladenie rozptýlením roztavenej aluminy do formy jemných kvapôčok za vzniku častíc s veľkosťou menšou ako 1 milimeter. Toto rozptýlenie sa výhodne realizuje rozprášením za asistencie ultrazvuku s kmitočtom 15 až 50 MHz.

Popis obrázkov na výkresoch

Obr. 1, obr. 2 a obr. 3 predstavujú obrázky zo skenovacieho elektrónového mikroskopu zobrazujúce kryštály brúsnych zŕn podľa

31760 h ··· · ·· ·· ·· • · ···· ··· • · · · ·· · · ·· ··· ·· ·· ·· ··· doterajšieho stavu techniky (obr. 1) a podľa vynálezu (obr. 2 a obr. 3). Obrázky sú získané pri zväčšení 1200, 600 respektíve 2000. Obr. 1 ukazuje produkt podľa doterajšieho stavu techniky získaný podľa príkladu 3. Obr. 2 a obr. 3 ukazujú pri rôznych zväčšeniach produkt podľa vynálezu získaný podľa príkladu 4.

Analýzou vlastností alumin sól-gél a výsledkov získaných pre brúsne kotúče zhotovené za použitia tohto typu materiálu možno dôjsť k ďalej uvedeným záverom:

1. tvrdosť alumin sól-gél je výrazne vyššia (tvrdosť podľa Knoopa HK 2100 až 2200), čo je zjavne vyššia hodnota tvrdosti, než aká sa dosahuje u elektricky tavených korundov;

2. častice aluminy sól-gél a častice elektricky taveného korundu majú rôzne morfológie: zatiaľ čo častice elektricky taveného korundu sú hranaté a majú ostré hrany, 'sú častice alumin sol-gel omnoho masívnejšie a majú zaoblené tvary;

3. mikroštruktúra aluminy sól-gél je veľmi jemná a je tvorená hexagonálnými kryštálmi aluminy alfa submikrometrických rozmerov, zatiaľ čo mikroštruktúra elektricky tavených alumin je v podstate monokryštalická;

4. brúsne kotúče tvorené rôznymi podielmi aluminy sól-gél a korundu ukazujú, že brúsny kotúč pripravený za použitia 100 % aluminy sol-gel vedie k nevýhodným výsledkom a že kombinácia korundu a aluminy solgel je nevyhnutná na získanie výsledkov požadovaných výrobcami alumin sól-gél.

Ak sa tieto dobré vlastnosti pripisujú kombinácii rezného produktu, ktorým je korund, a veľmi tvrdého vystužovacieho materiálu, ktorým je alumina sol-gel, čo zodpovedá tomu, čo bolo povedané a napísané na túto tému, potom

31760 h

···· • •	• ·· •	··	·· • · ··	··
• •	• •	• e	• · •
• ·	•	•	•	• ·	•	•
··	···	··		··		·· ·

sa prihlasovateľ usiloval spojiť v jedinom materiáli morfológiu zŕn elektricky taveného korundu a tvrdosť aluminy so'l-ge'l. Cesta k dosiahnutiu tohto výsledku bolo rýchle tuhnutie taveniny s cieľom snažiť sa dosiahnuť pokiaľ možno čo najjemnejšiu kryštalizáciu.

Berúc do úvahy fyzikálne vlastnosti korundu (skupenské teplo tuhnutia a tepelná vodivosť v pevnom stave) ukázali sa klasické techniky používané na dosiahnutie rýchleho stuhnutia veľmi nedostatočné na dosiahnutie dostatočného zmenšenia veľkosti kryštálov.

Skúsenosť takto ukazuje, že na dosiahnutie veľkosti kryštálov rovnajúcej sa asi 200 mikrometrom, je potrebné odlievať taveninu v hrúbke 5 mm, čo je jednak veľmi obmedzujúce a jednak málo výkonné vzhľadom k veľkosti získaných kryštálov. V už citovanom patente US 1, 871, 793 bolo navrhnuté rozprášenie taveniny umožňujúce získať duté guľôčky s rozmermi menšími ako 5 mm a hrúbke steny menšej ako 250 mikrometrov. V uvedenom patente nie je uvedený žiadny údaj týkajúci sa veľkosti kryštálov. Neskôr boli navrhnuté ďalšie spôsoby rýchleho stuhnutia, ktoré sú napríklad popísané v patentoch Norton FR 1 319 102 a FR 2 422 462, v ktorých sú popísané rýchlosti chladenia, porovnateľné s rýchlosťami chladenia a ktoré sa dosahujú pri klasických technikách kalenia' a vedú k relatívne hrubším kryštálom veľkosti asi 200 mikrometrov. Tieto postupy majú len malú technickú využiteľnosť. Avšak je potrebné poznamenať, že získanie jemnejšej kryštalizácie je zaujímavé, pretože takáto kryštalizácia modifikuje chovanie materiálu pri mletí a umožňuje získať granulometrické rozdelenie, ktoré má veľkosti kryštálov zodpovedajúce maximu..

V snahe preskúmať prostriedky, ktoré by boli schopné ešte ďalej zlepšiť výkon brúsnych zŕn na báze elektricky tavenej aluminy, získaných rýchlym tuhnutím, prihlasovateľ zistil, že parameter, ktorý je dôležitý na získanie veľmi jemnej kryštalizácie, je prietok, pri ktorom sa odlieva kvapalný korund a ktorý je potrebné udržiavať pod hodnotou 80 kg/minútu, výhodne nižší ako 50 kg/minútu. Takýto lejací prietok, ktorý je výrazne nižší ako lejací prietok, ktorý sa obvykle používa, môže byť dosiahnutý pomocou napríklad indukčné

31760 h

···· • •	• ·· •	··	·· • · ··	• •	··	• •	• ·· •
• •	• •
• ·	•	•	•	• ·	•		•	•
··	···		··	··		··		• · ·

vyhrievanej výlevky (na dne lejacej panvy) s cieľom zabrániť predčasnému stuhnutiu taveniny v uvedenej výlevke.

Takisto bolo zistené, že by mohlo byť oproti technikám doterajšieho stavu techniky zlepšené rozptýlenie korundu v kvapalnom stave, a to ešte pred stuhnutím taveniny. Rozprášenie do vzduchu alebo granulácia vo vode sa ukázali ako postupy, ktoré sú nedostatočné na dosiahnutie adekvátnej disperzie kvapalného korundu; je teda potrebné ich kombinovať s dodatočnými prostriedkami umožňujúcimi získať častice s veľkosťou nepresahujúcou 1 mm a zodpovedajúce veľkosti približne niekoľkým desatinám milimetra. Pri takýchto rozmeroch má uvedený materiál formu takmer sférických častíc, a to plných, prípadne dutých, ktoré sú prevažne tvorené kryštálmi s veľkosťou medzi 20 a 30 mikrometrami v prípade guličiek s priemerom blízkym 1 mm a veľkosťou až 10 mikrometrov a ešte menšou v prípade guľôčok s priemerom 0,2 milimetra.

Prostriedkom obzvlášť účinným na získanie tejto disperzie je rozprášenie realizované za asistencie ultrazvuku s kmitočtom medzi 15 a 50 kHz. V prípade, že je stuhnutie realizované týmto spôsobom, potom si elektricky tavený korund zachová svoju prvotnú kvalitu, ktorou je kvalita poskytujúca zrná, ktorých morfológia má ostré hrany; inak má lepšiu hustotu a tvrdosť ako elektricky tavený korund podľa doterajšieho stavu techniky; uvedenou technikou je možné dosiahnuť hustotu 3,95, t.j. hustotu vyššiu ako 98 % teoretickej hustoty aluminy (t.j. 3,98) a tvrdosť podľa Knoopa rovnú 2050. Vďaka tejto zvýšenej hustote sa blížia vlastnosti polykryštalického zrna vlastnostiam dokonale monokryštalického zrna.

Takto získaný materiál, ktorého tvrdosť sa nerovná tvrdosti aluminy solgel, predstavuje lepší kompromis, pokiaľ ide o tvar zŕn, ich tvrdosť a náklady spojené s ich produkciou.

V nasledujúcej časti opisu bude vynález bližšie popísaný pomocou konkrétnych príkladov jeho uskutočnenia, pričom tieto príklady majú iba

31760 h

	····	•	• ·	··	··
	•	··	• ·	• ·	• ·	··
	•	•	• ·	··	• ·
7	··	···	··	··	··	··

ilustračný charakter a nijako neobmedzujú vlastný rozsah vynálezu, ktorý je jednoznačne definovaný definíciou patentových nárokov a obsahom opisnej časti.

Príklady uskutočnenia vynálezu i

Príklad 1

V

V klasickej oblúkovej taviacej peci sa roztaví alumina obsahujúca 99,5 % AI2O3 zahriatím na teplotu 2200 °C. Obsah pece sa potom odlieva diskontinuálnym spôsobom. Za použitia kokíl určených na prijatie asi desiatich ton roztaveného korundu sa pomalým tuhnutím získajú ingoty tvorené materiálom s hrubou štruktúrou prerušovanou početnými pórmi: pri obvode ingotu je veľkosť kryštálov niekoľko milimetrov, zatiaľ čo v strede ingotu dosahuje veľkosť týchto kryštálov niekoľko centimetrov.

Po rozomletí na veľkosť 1 mm je získaný materiál prevažne tvorený monokryštalickými zrnami s hexagonálnou štruktúrou, ktorých hustota je asi 3,7 a ich tvrdosť podľa Knoopa je 1900. Podiel zŕn s granulometriou P80 (podľa nomenklatúry FEPA: Fédération Européénne des Producteur d'Abrasifs), t.j. podiel zŕn, z ktorých polovica je hrubšia ako 185 mikrometrov, je asi 18 %.

Príklad 2

S použitím rovnakých taviacich prostriedkov, aké boli použité v príklade 1, avšak pri zmenšení sklonu pece na dosiahnutie prietoku kvapalného korundu, ktorý nepresahuje hodnotu 1,5 tony v priebehu 10 minút, sa odlieva kvapalný korund na medenú dosku vnútorne chladenú cirkulujúcou vodou. Táto medená doska je sklonená v uhle 30 ⁰ s cieľom obmedziť hrúbku vrstvy korundu tuhnúcu na medenej doske. Takto sa získajú dosky korundu, ktoré majú hrúbku asi 5 mm. Tieto dosky sa potom rozomelú na veľkosť častíc 1 mm.

31760 h

····	• ·· •	• •	··	·· • · ·	·· • · • ·	99
•	•
•	··
e	•	•	•		•	• ·	• 9
··		···		··		··	99	··

Podiel zŕn P80 je 38 %, čo je zjavne vyšší podiel ako v prípade príkladu

1. Testovanie takto získaných zŕn ukázalo, že materiál pripravený týmto spôsobom je prevažne tvorený hexagonálnymi kryštálmi, ktorých veľkosť sa pohybuje medzi 150 a 250 mikrometrami. Hustota v tomto prípade je 3,8 a tvrdosť podľa Knoopa je 1925.

Príklad 3

S použitím rovnakých taviacich prostriedkov ako v príklade 1 a pri rovnakom sklone pece ako v príklade 2 sa kvapalný korund odlieva do žľabu, na konci ktorého je kvapalný korund rozprašovaný pomocou vzduchovej trysky. Takto sa získajú duté guľôčky, ktorých vnútorný priemer je menší ako asi 5 mm. Tieto guľôčky sú tvorené kryštálmi s hexagonálnou štruktúrou, ktorých veľkosť sa pohybuje medzi 100 a 250 mikrometrami, ako je možné zmerať na obr. 1. Hustota je 3,85 a tvrdosť podľa Knoopa je 1950.

Príklad 4

Pri dne oblúkovej taviacej pece s príkonom 1 MW sa umiestni výlevka na kontinuálne odlievanie, pričom priemer kanála tejto výlevky je 12 mm; táto výlevka je zahrievaná indukčné pomocou generátora s výkonom 10 kHz. Dostupný príkon generátora je 50 kW. Do pece sa zavádza rovnaká surovina ako v predchádzajúcich troch príkladoch. Prietok kvapalného korundu cez výlevku je 36 kg/minútu.

Tento prúd kvapalného korundu sa vedie na ultrazvukovú sondu tvorenú titánovou lamelou sklonenou v uhle 45 ⁰ a uvádzanú do vibrácie ultrazvukovým zdrojom poskytujúcim ultrazvuk s kmitočtom 15 kHz. Takto sa uvedený prúd roztaveného korundu rozptýli na častice s veľkosťou asi 0,1 mm; je potrebné uviesť, že prúd roztaveného materiálu neprichádza do styku s ultrazvukovou sondou, pretože medzi uvedeným prúdom a ultrazvukovou sondou sa ponechá rozostúp rovný asi 1 mm.

31760 h

···· • •	• ·· •	··	·· • · • e	··	··
• •	• •	• •	• •
• e	•	•	•	• ·	•	•
··	···	··		··		··	··

Testovanie získaného materiálu ukazuje, že je prevažne tvorený elementárnymi kryštálmi, ktorých veľkosť je menšia ako 5 mikrometrov (ako je možné túto veľkosť zmerať na obr. 2 a obr. 3.). Hustota je 3,95 a tvrdosť podľa Knoopaje 2050.

Príklad 5

Po rozomletí na zrno P80 podľa normy FEPA sú produkty získané podľa štyroch predchádzajúcich príkladov použité na výrobu brúsnych kotúčov za rovnakých podmienok. Tieto brúsne kotúče sú potom testované s použitím testu brúsenia ocele za tlaku 0,25 MPa a rýchlosti postupu 60 m/s.

Za rovnakých podmienok bol takisto testovaný brúsny kotúč vyrobený zo zmesi obsahujúcej 70 % hmotnosti produktu podľa príkladu 2 a 30 % hmotnosti aluminy sol-gel a tiež brúsny kotúč získaný výlučne z aluminy sól-gél.

Stanovili sa pomery medzi hmotou odbrúseného materiálu a hmotou oddelenou z brúsneho kotúča, pričom boli získané nasledujúce výsledky:

pre produkt podľa príkladu 1: 30 pre produkt podľa príkladu 2: 50 pre produkt podľa príkladu 3: 55 pre produkt podľa príkladu 4: 120 pre zmes 70 % produktu podľa príkladu 2 a 30 % aluminy sol-gel: 150 a pre produkt získaný výlučne z aluminy sol-gel: 60.

31760 h

···· • •	• ·· •	··	·· • · ··	··	• • e •
• •	• •	• •	• •
• ·	•	•	•	• ·	•	•	•
··	···	··		··		• ·	• · ·

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (10)

1. Brúsne zrno na báze elektricky tavenej aluminy, vyznačujúce sa tým, že je tvorené kryštálmi s hexagonálnou štruktúrou s rozmermi menšími ako 100 mikrometrov, pričom jeho hustota je vyššia ako 97 % teoretickej hustoty aluminy a ich tvrdosť podľa Knoopa je vyššia ako 2000.

2. Brúsne zrno podľa nároku 1, vyznačujúce sa tým, že rozmery kryštálov sú menšie ako 30 mikrometrov.

3. Brúsne zrno podľa nároku 2, vyznačujúce sa tým, že rozmery kryštálov sú menšie ako 5 mikrometrov.

4. Brúsne zrno podľa nároku 1, vyznačujúce sa tým, že jeho hustota je nižšia ako 98 % teoretickej hustoty aluminy.

5. Brúsne zrno podľa niektorého z nárokov 1 až 4, vyznačujúce sa tým, že jeho tvrdosť podľa Knoopa je vyššia ako 2050.

6. Spôsob výroby brúsnych zŕn na báze elektricky tavenej aluminy, vyznačujúce sa tým, že zahŕňa roztavenie aluminy, jej odlievanie pri konštantnom prietoku nižšom ako 80 kg/minútu a jej ochladenie rozptýlením roztavenej aluminy na jemné kvapôčky na získanie častíc s veľkosťou menšou ako 1 mm.

7. Spôsob podľa nároku 6, vyznačujúce sa tým, že prietok , pri ktorom sa vykonáva odlievanie roztavenej aluminy, je nižší ako 50 kg/minútu.

8. Spôsob podľa niektorého z nárokov 6 alebo 7, vyznačujúci sa tým, že odlievanie sa vykonáva cez výlevku ohrievanú indukčné.

31760 h

···· e e · • · ·· • ·· • • • e • • ·· • • • a ·· • • • · • • • • · • · ·· ··· ·· ·· • · • e

9. Spôsob podľa niektorého z nárokov 6 až 8, vyznačujúci sa tým, že rozptýlenie roztavenej aluminy sa dosiahne rozprášením za asistencie ultrazvuku.

10. Spôsob podľa nároku 9, vyznačujúci sa tým, že kmitočet ultrazvuku sa rovná 15 až 50 kHz.