SK285629B6 - Spôsob výroby brúsnych zŕn na báze elektricky tavenej aluminy - Google Patents

Abstract

Vynález sa týka spôsobu výroby brúsnych zŕn na báze elektricky tavenej aluminy, ktorého podstata spočíva v tom, že zahŕňa roztavenie aluminy, jej odlievanie pri konštantnom prietoku nižšom ako 80 kg/minútu a jej ochladenie rozptýlením roztavenej aluminy na jemné kvapôčky za asistencie ultrazvuku s kmitočtom 15 až 50 kHz na získanie častíc s veľkosťou menšou ako 1 mm.

Description

Oblasť techniky

Vynález sa týka spôsobu výroby brúsnych zŕn na báze elektricky tavenej aluminy.

Doterajší stav techniky

Použitie brúsnych prostriedkov na báze aluminy je veľmi staré, pričom takéto brúsne prostriedky vo forme šmirgľového papiera boli známe už 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. Ide 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.

Takto patent US 1 192 709 (Carborundum), ktorého prihláška bola podaná v roku 1914, opisuje 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 s cieľom previesť aluminu do formy dutých guľôčok, ktoré majú priemer menši ako 5 milimetrov a ktoré sú tvorené kryštálmi s veľkosťou menšou ako 250 mikrometrov. Dosť podobná technika je opísaná 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 granúl, ktoré majú rovnaké zloženie, čo urýchľuje ochladenie odlievanej aluminy. Ale skúsenosť ukazuje, žc táto technika je málo výkonná, pričom kvapalná alumina zle preniká medzi uvedené chladné zrná.

Patent FR I 310 102 (Norton) opisuje spôsob a zariadenie na 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 brúsiva medzi dva kovové pásy s cieľom vytvoriť tenkú aluminovú lamelu. Kaliaci účinok je v tomto prípade obmedzený malou tepelnou vodivosťou korundu. Nezdá sa, že uvedené spôsoby odlievania do formy tenkých dosiek alebo pásov by viedli k uplatneniu v priemyselnom meradle.

V roku 1979 sa objavili aluminy pochádzajúce z procesu sól-gél a získané kalcináciou a potom slinovaním hydrátu aluminy, najčastejšie bohmitu, ktorý bol zase získaný zrážaním z roztoku soli alebo aikoxidu hlinitého. Tento typ materiálu umožňuje pripraviť brúsne zrná tvorené sústavou kryštálov s veľkosťou menšou ako jeden mikrometer, čo týmto zmám dáva znamenité mechanické vlastnosti. Tento materiál je v súčasnosti 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 spôsob výroby elektricky tavenej aluminy, ktorá by si zachovala morfológiu vlastnú elektricky taveným aluminám, ale ktorá by mala omnoho jemnejšie regulovanú kryštalizáciu ako pri korunde podľa doterajšieho stavu techniky, a výrazne zlepšené brúsne vlastnosti.

Podstata vynálezu

Predmetom vynálezu je spôsob výroby brúsnych zŕn na báze elektricky tavenej aluminy, ktorého podstata spočíva v tom, že zahŕňa roztavenie aluminy, jej odlievanie pri konštantnom prietoku nižšom ako 80 kg/minútu a jej ochladenie rozptýlením roztavenej aluminy na jemné kvapôčky za asistencie ultrazvuku s kmitočtom 15 až 50 kHz na získanie častíc s veľkosťou menšou ako 1 mm.

Výhodne sa odlievanie roztavenej aluminy vykonáva pri prietoku nižšom ako 50 kg /minútu.

Výhodne sa odlievanie vykonáva cez výlevku ohrievanú indukčné.

Analýzou vlastností alumin sól-gél a výsledkov získaných pre brúsne kotúče zhotovené s použitím 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 pri elektricky tavených korundoch;

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 sól-gél omnoho masívnejšie a majú zaoblené tvary;

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

4. brúsne kotúče tvorené rôznymi podielmi aluminy sólgél a korundu ukazujú, že brúsny kotúč pripravený s použitím 100 % aluminy sól-gél vedie k nevýhodným výsledkom a že kombinácia korundu a aluminy sól-gél 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 sól-gél, čo zodpovedá tomu, čo bolo povedané a napísané na túto tému, potom sa prihlasovateľ usiloval spojiť v jedinom materiáli morfológiu zŕn elektricky taveného korundu a tvrdosť aluminy sól-gél. Cestou na dosiahnutie 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 na veľkosť 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 opísané v patentoch Norton FR 1 319 102 a FR 2 422 462, v ktorých sú opísané 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. Aleje potrebné poznamenať, že získanie jemnejšej kryštalizácie je zaujímavé, pretože takáto kryštalizácia modifikuje správanie 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 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 guľôčok 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 sól-gél, predstavuje lepší kompromis, pokiaľ ide o tvar zŕn, ich tvrdosť a náklady spojené s ich produkciou.

V nasledujúcej časti opisu bude vynález bližšie opísaný pomocou konkrétnych príkladov jeho uskutočnenia, pričom tieto príklady majú iba ilustračný charakter a nijako neob medzujú vlastný rozsah vynálezu, ktorý je jednoznačne definovaný definíciou patentových nárokov a obsahom opisnej časti.

Príklady uskutočnenia vynálezu

Príklad 1

V klasickej oblúkovej taviacej peci sa roztaví alumina obsahujúca 99,5 % A1₂O₃ zahriatím na teplotu 2200 °C. Obsah pece sa potom odlieva diskontinuálnym spôsobom. S použitím 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 Européenne 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, ale 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.

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 dýzy. 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. 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° 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 rozstup rovnajúci sa asi 1 mm.

Testovanie získaného materiálu ukazuje, že je prevažne tvorený elementárnymi kryštálmi, ktorých veľkosť jc menšia ako 5 mikrometrov. Hustota je 3,95 a tvrdosť podľa Knoopa je 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 sól-gél a tiež brúsny kotúč získaný výlučne z aluminy sól-gél.

Stanovili sa pomery medzi hmotou odbrúseného mate-

riálu 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: pre zmes 70 % produktu podľa	120
príkladu 2 a 30 % aluminy sól-gél: pre produkt získaný výlučne	150	a
z aluminy sól-gél:	60.

PATENTOVÉ NÁROKY

Claims (3)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Spôsob výroby brúsnych zŕn na báze elektricky tavenej aluminy, vyznačujúci sa tým, že zahŕňa roztavenie aluminy, jej odlievanie pri konštantnom prietoku nižšom ako 80 kg/minútu ajej ochladenie rozptýlením roztavenej aluminy na jemné kvapôčky za asistencie ultrazvuku s kmitočtom 15 až 50 kHz na získanie častíc s veľkosťou menšou ako 1 mm.
2. 2. Spôsob podľa nároku 1, vyznačujúci sa tým, že prietok , pri ktorom sa vykonáva odlievanie roztavenej aluminy, je nižší ako 50 kg/minútu.
3. 3. Spôsob podľa niektorého z nárokov 1 alebo 2, vyznačujúci sa tým, že odlievanie sa vykonáva cez výlevku ohrievanú indukčné.