NO167972B - Fremgangsmaate til fremstilling av slipekorn og anvendelseav de fremstilte slipekorn. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører en fremgangsmåte til fremstilling av slipekorn på basis av sintret aluminiumoksid og metallholdige tilsetningsstoffer av en dispersjon som tørkes, findeles til slipekornstørrelse og underkastes en flertrinns varmebehandling.

Oppfinnelsen vedrører også anvendelse av slipekornet fremstilt ved fremgangsmåten i bånd-, blad- eller skiveformet slipe-verktøy.

o-aluminoksidsmeltekorund som er fremstilt ved elektro-smelteprosesser, f.eks. i lysbueovner, spiller for hele slipe-middelindustrien for tiden den dominerende rolle ved fremstil-lingen av slipeverktøy. Som råstoffer for normalt smeltekorund tjener bauxitt som er opparbeidet til kalsinert alumina enten direkte av naturlige forekomster eller kjemisk, samt tilsetningsstoffer, f.eks. reduksjonskoks og jernskrap. Det kalsinerte alumina fremstilles ved termisk opparbeidelse av aluminiumhydroksid som primært dannes i Bayer-prosessen og inneholder avhengig av kalsineringstemperatur og -tid varierende mengder a-aluminiumoksid og representanter fra y-aluminiumoksidene.

Slipeverktøy som er fremstilt med bauxitt- eller alumina-korund fra smelte, oppviser under fastlagte prøvebetingelser en bestemt, tidsavhengig slitasje og en bestemt levetid, målt som tidsrom eller vekt av det avslipte materiale. Forbedringer av vanlig smeltekorunds slipeytelse oppnås f.eks. ved hjelp av termisk etterbehandlingsprosesser ("blåbrenning av bauxitt-korund") eller ved legering med andre metalloksider, f.eks. kromoksid eller zirkoniumoksid. Således er det f.eks. fra DE-PS 22 27 642 kjent en smeltekorund som består av aluminiumoksid og zirkoniumoksid med eutektisk sammensetning (ca. 57 vekt% Al2°3°9 4^ vekt% Zr C^) med tofaset mikrokrystallinsk størkningsstruktur, oppnådd ved spontan avkjøling av smeiten. Dette materiale som i det etterfølgende vil bli betegnet "zirkoniumkorund" har sammenliknet med vanlig smeltekorund overlegen slipeytelse (avslipning avhengig av tiden samt levetid). De høye råstoffkostnader for zirkoniumoksid og den omfattende fremgangsmåte for den nødvendige hurtige avkjøling fordyrer slipekorn av zirkoniumkorund til det 5-eller 6-dobbelte i forhold til vanlig smeltekorund.

Zirkoniumkorund-slipekorns økte ytelse i forhold til vanlig korund avtar ved sliping av metalliske materialer, f.eks. stål, sterkt med avtagende kornstørrelse, og ytelsene blir like store omtrent i kornstørrelsesområdet P 80, noe som på liknende måte iakttas også hos andre slipemidler med høy ytelse.

Det er dessuten kjent å fremstille korundslipekorn med overlegen yteevne på basis av sintret aluminiumoksid (DE-off. skrift 32 19 607). Til fremstilling av sintringskorundslipekorn med høy ytelse blandes derved meget finkrystallinsk aluminiumoksidmonohydrat i salpetersur, vandig dispersjon med andre løste, metallholdige sintringshjelpemidler og overføres til en gel, som etter forsiktig tørking forhåndsfindeles til slipekornstørrelse. Ved etterfølgende kalsinering mellom 250 og 800°C avdrives kjemisk bundet vann og syrerester, først og fremst de ytterst giftige og miljøskadelige nitrogenoksider. Deretter følger opp-varming av kornene til sintringstemperaturer på opptil 1650°C inntil det er oppnådd en densitet på minst 85% av den teoretiske densitet.

Lignende fremgangsmåter til fremstilling av sintringskorundslipekorn er kjent fra EP-off.skrift 0 024 099 og US-patentskrift 4 518 397, med den begrensning at det findisperse aluminiumoksidmonohydrat som anvendes som råstoff tillates å være forurenset med alkali- eller jordalkalimetallioner i et totalt innhold på høyst 0,05 vekt%.

Ifølge EP-off.skrift 0 152 768 foreslås det at solen eller gelen males ytterligere i en svingmølle, hvorved det oppnås et sintringsprodukt med høyere densitet. Felles for alle de fire ovennevnte fremgangsmåter er det at de bare kan gjennomføres via en sol-gel-prosess med meget findisperst aluminiumoksidmonohydrat av type bøhmitt. De forholdsvis kostbare råstoffer, som kan fremstilles ved hydrolyse av aluminium-organiske forbindelser, og den omfattende fremgangsmåte, fører likeledes til at kostnadene for sol-gel-slipemidler også stiger flere ganger i forhold til kostnadene ved vanlig smeltekorund. Prismessig gunstig sintrings-korundmateriale, f.eks. korallalumina, (Tabulartonerde) har i forhold til smeltekorund en tydelig dårligere slipeytelse og er derved fullstendig uegnet for generell anvendelse i slipeverktøy.

Formålet med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe en fremgangsmåte til prismessig gunstig fremstiling av et slipekorn som er klart overlegent vanlig smeltekorund når det gjelder slipeytelse.

Dette er ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen oppnådd ved at dispersjonen som består av aluminaholdige råstoffer, kiselsyreholdige forbindelser og tilsetningsmidlene males til en par-tikkelstørrelse på under 1 um til en sintringsbar pasta.

Hensiktsmessig komprimeres den tørkede pasta i en

presse.

I en meget fordelaktig utførelsesform av fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen, hvor varmebehandlingen utføres i tre trinn, forvarmes den tørkede pasta i det første trinn til 250-600°C, holdes i det andre trinn på 1100-1400°C i et tidsrom på 10-30 minutter og oppvarmes deretter i det tredje trinn til 1400-1700°C og sintres til en densitet på mer enn 85% av korunds teoretiske densitet, slik at det i tillegg til a-aluminiumoksid dannes en silikatfase og slik at korundkrystallenes diameter blir mindre enn 5 um.

Med fordel er korundkrystallenes diameter mindre enn 1 um.

Det er imidlertid også mulig, når fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen utføres i to trinn, å forvarme den tørkede pasta i det første trinn til 250-600°C og i det andre trinn til 1400-1700°C.

Ytterligere trekk ved fremgangsmåten ifølge oppfinnelsen fremgår av de uselvstendige krav.

Oppfinnelsen ligger i første rekke i at det av prismessig gunstige råstoffer, som underkastes en definert keramisk opparbeidelse under opprettholdelse av en definert brennkurve, fremstilles en meget finkrystallinsk sintringskorund med en densitet på minst 85% av korunds teoretiske densitet. Slipekornet som fremstilles ifølge oppfinnelsen inneholder a-aluminiumoksid som hovedbestanddel og som bibestanddeler en silikatfase, samt minst én krystallinsk fast forbindelse av to-, tre- eller fireverdige metaller eller en kombinasjon derav. Bibestanddeler betyr at summen av disse ikke overskrider 45 vekt%. De krystallinske forbindelser kan være enkle eller sammensatte oksider, f.eks. spineller. De kan enten være fordelt i grunnmassen som separate faser, f.eks. zirkoniumoksid, eller være helt eller delvis løst i korundgitteret, f.eks. kromoksid. Silikatfasen kan foreligge helt eller delvis som glass.

Korundkrystallene som danner basis for slipekornet som fremstilles ifølge oppfinnelsen skal ha en diameter på mindre enn 5 um, fortrinnsvis mindre enn 2 um og helst mindre enn 1 um, og de er med sine krystallografiske akser vilkårlig fordelt i forhold til hverandre..

Hos et sintret sol-gel-slipemiddel, f.eks. ifølge ovennevnte DE-off.skrift 32 19 607, er krystallittene i området fra 0,5 til 20 um enhetlig orientert. Denne begrensning bortfaller idet slipekornet ifølge oppfinnelsen ikke må fremstilles via en sol og etterfølgende geldannelse og de anvendte råstoffer heller ikke må være i stand til det.

Fra andre sintrede aluminiumoksider, avviker slipekornet ved sin homogene, meget finkrystallinske struktur og den spesi-elle, flerfasede sammensetning, som tilfører slipekornet dets større seighet og utmerkede slipeegenskaper og derved gjør dette til et slipekorn med høy ytelse og overlegne slipeegenskaper. Til fremstilling av slipemidlet kan det anvendes enkle og prismessig gunstige råstoffer, f.eks. aluminiumhydroksid eller derav fremstilt kalsinert alumina, enten alene eller som blanding av disse to. En begrensning når det gjelder renhet, som er nødvendig ifølge ovennevnte EP-off.skrift 0 024 099, eller finhet res-pektivt spesifikk overflate som kreves ifølge de ovennevnte patentsøknader eller ifølge ovennevnte DE-off.skrift 32 19 607, foreligger ikke. Det kalsinerte alumina kan inneholde a-aluminiumoksid i mengder på fra 0 til 98%.

De aluminaholdige råstoffer underkastes sammen med 0,3-8, fortrinnsvis 1-2, vekt% Si02, samt 0,2-12, fortrinnsvis 1-6, vekt% av et spinelldannede, toverdig metalloksid eller en annen forbindelse av metallet, og eventuelt ytterligere tilsetnings-midler, en våtmaling. Angivelsene regnes i vekt% av de tilsvar-ende oksider og regnes av mengden ferdig slipemiddel.

Maleprosessen kan utføres i vandig suspensjon eller i suspensjon i organiske væsker og føres så langt at de anvendte råstoffer hovedsakelig har partikkelstørrelser på under 1 um, fortrinnsvis under 0,1 um. Med "hovedsakelig" menes her mer enn 9 5%, regnet av volumandelen faststoff. Det kan benyttes enhver måle-metode som gir den nødvendige finhet.

Det malte materiale som er tørket eller befridd for organiske løsningsmidler kan deretter enten direkte eller etter ytterligere blande- og komprimeringstrinn, fortrinnsvis en kom-primering i tørrpresser og derved fortrinnsvis isostatisk, til-føres til den egentlige sintringsprosess. Tørkingen kan foregå ved temperaturer på mellom 50 og 600°C, fortrinnsvis mellom 100 og 160°C. Findelingen av det formede eller uformede materiale til slipekornstørrelse kan foregå både før og etter sintringstrinnet.

Den keramiske brenning av det stykkeformede eller findelte, formede eller uformede materiale til sintret slipekorn foregår i flere trinn: I et første oppvarmingstrinn bringes materialet forsiktig på temperatur på mellom 250 og 600°C og holdes der noen minutter. Dette trinn tjener til utdriving av det kjemisk bundne vann eller utbrenning av eventuelle organiske bestanddeler. Deretter bringes materialet hurtig på en temperatur på mellom 1100 og 1400°C, holdes mellom 10 og 30 minutter på denne temperatur og oppvarmes deretter hurtig til en temperatur på mellom 1400 og 1700°C, fortrinnsvis 1450-1500°C og sintres til en densitet på mer enn 85% av den teoretiske densitet. Dersom utgangsmaterialene ikke inneholder aluminiumhydroksid (Al (OH)^) kan det andre trinn utelates, og materialet oppvarmes fra det første kalsineringstrinn til den endelige sintringstemperatur. Høyere brenntemperaturer enn det som foreslås ifølge oppfinnelsen, langvarige sintringstider og langsomme oppvarmingshastigheter minsker det ferdige materialets slipeytelse. Overlegenheten til sintringsslipekornet som fremstilles ifølge oppfinnelsen sammenliknet med konvensjonelt smeltekorund, vil bli belyst i de etter-følgende eksempler, uten at disse dekker det totale område for oppfinnelsen.

Eksempel 1

Av 2000 g kalsinert alumina, 1000 g aluminiumhydroksid, 42 g kvartsmel, 130 g magnesiumoksid, 5 1 vann samt 250 ml 60 prosentig eddiksyre ble det under intens maling i kulemølle fremstilt en pasta med en partikkelstørrelse for det meste på under 0,1 um, og denne ble i et elektrisk oppvarmet tørkeapparat forsiktig tørket. Den således avvannede pasta ble pulverisert og kalsinert i 45 minutter ved 500°C. Deretter ble det av dette pulver fremstilt et formlegeme ved hjelp av en isostatisk presse under et trykk på 2kbar, og dette formlegeme ble oppvarmet i en elektrisk laboratorieovn. Ovnen ble i løpet av ca. 60 minutter brakt fra omgivelsestemperatur til 600°C, deretter hurtig, i løpet av 10 minutter, oppvarmet til 1300°C og holdt i 10 minutter på denne temperatur. Deretter ble temperaturen i løpet av mindre enn 5 minutter økt til 1500°C og formlegemet brent ytterligere i 30 minutter. Etter avkjøling viste densiteten seg til å være 93% av den teoretiske densitet, og formlegemene ble knust i en kjeftknuser. Av det findelte materiale ble det frasiktet slipekorn med kornstørrelse P36 ifølge FEPA-standard, og opparbeidet på vanlig måte til et slipemiddel på underlag. For dette formål ble et underlag av handelsvanlig vulkanfiber med en tykkelse på 0,84 mm påført et bindemiddel. Bindemidlet besto av 50% av en væskeformet fenol-resol med et molforhold mellom fenol og formaldehyd på ca. 1:1,5 og et tørrstoffinnhold på ca. 80%, og ca. 50% malt kritt med en midlere partikkelstørrelse på ca. 20 um. Det ble ved hjelp av fargeknivbelegging påført i en mengde på o ca. 230 g/m 2, og deretter ble ved en fremgangsmåte som er vanlig til fremstilling av slipemidler på underlag, slipekornet P36 anbrakt elektrostatisk i en mengde på o ca. 900 g/m 2 på o vulkanfiberen som var belagt med harpiks. Det således belagte underlag ble deretter tørket og herdet ifølge et temperaturprogram som er vanlig for dette. Deretter ble det ved hjelp av valsebelegging påført et andre bindingssjikt i en mengde på o ca. 490 g/m 2. For den andre be-legging ble det samme bindemiddelsystem anvendt som for grunn-bindingen, men ca. 50 vekt% av krittet ble erstattet med synte-tisk kryolitt. Den således belagte vulkanfiber ble deretter holdt oppvarmet 30 minutter ved 90°C, 60 minutter ved 100°C, 30 minutter ved 110°C, 30 minutter ved 120°C samt til slutt i 60 minutter ved 130°C og bindemiddelsystemet derved utherdet. Etter tørkingen ble slipemidlet på vulkanfiberunderlaget jevnt fleksibilisert og skiver med 125 mm diameter stanset, som på vanlig måte ble reklimatisert til et fuktighetsinnhold på under 8%.

De derved frembrakte vulkanfiberslipeskiver ble testet på et handelsvanlig høyfrekventtallerken slipeapparat mot kald-valsede tynnplater av CK45-03 (DIN 17200) med dimensjonene 500 x 100 x 2 mm. For dette formål ble slipeskiven under en helnings-vinkel på 10° og med en hastighet på 6500 omdr./min. per syklus ført 5 ganger med hver 9,5 sekunders varighet langs stålplatens lengdekant, og deretter ble mengden avslipt prøvemateriale bestemt ved veiing. Anleggskraften var ved begynnelsen av for-søket 40 N og ble for hver ny syklus økt med 5 N til en konstant belastning på 60 N. Forsøket ble fortsatt inntil det i løpet av en syklus ble avslipt mindre enn 10 g. Den totale avslipte metallmengde er lik slipeytelsen for en forsøksskive i gram. Til sammenlikning ble en vulkanfiberslipeskive fremstilt på ellers samme måte med vanlig smeltekorund av kornstørrelsen P36 og testet under samme betingelser. Slipeytelsen for denne skive ble satt til 100% for den innbyrdes sammenlikning.

Skiven med sintret slipekorn fremstilt ifølge oppfinnelsen oppnådde en slipeytelse på 350% av slipeytelsen til sammenlikningsskiven som var bestrødd med vanlig smeltekorund.

Eksempel 2

Av 2500 g kalsinert alumina, 50 g kvartsmel, 150 g magnesiumoksid, 6 1 vann og 240 ml 90 prosentig eddiksyre ble det ved fremgangsmåten ifølge eksempel 1 fremstilt et sintret slipekorn med en densitet på 94% av den teoretiske densitet, og dette ble på samme måte bearbeidet til vulkanfiberskiver og testet. Den oppnådde slipeytelse utgjorde 374% av slipeytelsen til sammenlikningsskiven som var påført vanlig korund.

Eksempel 3

Fremgangsmåten ifølge eksemplene 1 og 2 ble (i det vesent-lige) gjentatt, imidlertid med en blanding av 2500 g kalsinert alumina, 35 g kvartsmel, 75 g zirkoniumsilikat, 150 g magnesiumoksid, 5 1 vann og 240 ml 90 prosentig eddiksyre. Det isostatisk komprimerte formlegeme ble langsomt oppvarmet til 600°C og deretter hurtig til 1250°C der det ble holdt i 25 minutter. Deretter ble temperaturen hurtig økt til 1450°C og formlegeraet i løpet av 30 minutter sintret til en densitet på 93% av den teoretiske densitet. Slipeprøven ble utført på den ovenfor beskrevne måte og ga en slipeytelse på 384% av slipeytelsen til en vulkanfiberslipeskive som var bestrødd med vanlig korund.

Eksempel 4

Ved fremgangsmåten ifølge eksempel 1 ble det av 2500 g kalsinert alumina, 40 g kvartsmel, 125 g magnesiumoksid, 225 g sitronsyre og 4 1 vann fremstilt en oppslemming med partikkel-størrelser som overveiende var mindre enn 0,1 um, og den ble tørket på skånende måte i løpet av 24 timer. I løpet av dette tidsrom skrumpet suspensjonen sammen til et mykt, men likevel sprøtt fast stoff. De enkelte klumper ble knust i en kjeftknuser, og av det knuste materiale ble fraksjonen mellom 0,5 og 1 mm fraskilt. Det siktede materiale ble fylt i digler av aluminiumoksid og oppvarmet langsomt fra omgivelsestemperatur til 500°C i en elektrisk ovn, og holdt på denne temperatur i 100 minutter. Deretter ble temperaturen økt raskt, i løpet av 15 minutter til 1500°C og holdt konstant i 45 minutter. De sintrede korn var harde og seige og hadde en densitet på 95% av den teoretiske densitet for korund. Av de derav utvunnede slipekorn P36 ifølge FEPA ble det ved fremgangsmåten ifølge eksempel 1 fremstilt vulkanfiberslipeskiver. Slipeprøven ga 381% i forhold til slipeytelsen til sammenlikningsskiven som var bestrødd med vanlig korund.

Eksempel 5

Av 2500 g kalsinert alumina, 45 g kvartsmel, 125 g magnesiumoksid, 225 g sitronsyre og 4 1 vann ble det ved fremgangsmåten ifølge eksempel 4 fremstilt slipekorn ved en sintringstemperatur på 1450°C. Slipeprøven ga en ytelse på 414% i forhold til sammenlikningsskiven som var bestrødd med vanlig korund og 135% i forhold til slipeytelsen til en vulkanfiberslipeskive som var be-strødd med zirkoniumkorund.

Eksempel 6

Fremgangsmåten" i eksempel 5 ble gjentatt, men med 50 g

kvartsmel istedenfor 45 g. Det på forhånd findelte materiale ble langsomt, i løpet av 8 timer, oppvarmet fra omgivelsestemperatur til 1500°C og sintret der i 12 timer. Det ferdige slipekorn hadde en densitet på 97% av den teoretiske densitet for korund og

krystallittdiameter på mer enn 1 um. Slipeprøven ga en slipeytelse på 289% av slipeytelsen til vulkanfiberskiven som var be-strødd med vanlig korund og ytterligere 95% i forhold til slipeytelsen for en slipeskive som var bestrødd med zirkoniumkorund.

Claims (9)

1. Fremgangsmåte til fremstilling av slipekorn på basis av sintret aluminiumoksid og metallholdige tilsetningsstoffer av en dispersjon som tørkes, findeles til slipekornstørrelse og underkastes en flertrinns varmebehandling, karakterisert ved at dispersjonen som består av aluminaholdige råstoffer, kiselsyreholdige forbindelser og tilsetningsmidlene males til en partikkelstørrelse på under 1 um til en sintringsbar pasta.

2. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1, karakterisert ved at suspensjonen males til en sintringsbar pasta med partikkelstørrelse på mindre enn 0,1 um.

3. Fremgangsmåte i samsvar med krav 1 og 2, karakterisert ved at den tørkede pasta komprimeres i en presse;

4. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-3, karakterisert ved at det som aluminaholdige råstoffer anvendes kalsinert alumina med et innhold av a-aluminiumoksid på 0-98 vekt% eller aluminiumhydroksider eller blandinger derav og ytterligere forbindelser av metallene silisium, zirkonium, titan, krom, jern, magnesium, sink, kobolt og nikkel, alene eller i kombinasjon.

5. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-4, hvor varmebehandlingen utføres i tre trinn, karakterisert ved at den tørkede pasta forvarmes i et første trinn ved 250-600°C, holdes i et andre trinn ved 1100-1400°C med en varighet på 10-30 minutter og deretter oppvarmes i et tredje trinn ved 1400-1700°C hvor den sintres til en densitet på mer enn 85% av den teoretiske densitet for korund, slik at det i tillegg til «-aluminiumoksid dannes en silikatholdig fase, og korundkrystallenes diameter blir mindre enn 5 um.

6. Fremgangsmåte i samsvar med krav 5, karakterisert ved at korundkrystallenes diameter er mindre enn 1 um.

7. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-4, hvor varmebehandlingen utføres i to trinn, karakterisert ved at den tørkede pasta forvarmes i et første trinn ved 250-600°C og varmes i et andre trinn ved 1400-1700°C.

8. Fremgangsmåte i samsvar med et av kravene 1-7, karakterisert ved at i det ferdige slipekorn er andelen av silikatholdig fase 0,3-10 vekt%, og at denne fase er et glass.

9. Anvendelse av slipekornet fremstilt ved fremgangsmåten ifølge et av kravene 1-8 i bånd-, blad- eller skiveformet slipeverktøy.