Абразивное зерно

 

Использование: в качестве абразива. Сущность изобретения: абразивное зерно на основе корунда или карбида кремния содержит в качестве покрытия высокодисперсную гидрофобную двуокись кремния в количестве 0,01 - 5,00 % от массы необработанного абразивного зерна. Размер частиц двуокиси кремния составляет 7 - 100 нм по значению 50, а удельная поверхность - 80 - 300 м²/г по ВЕТ. 1 з. п. ф-лы, 6 табл.

Изобретение относится к абразивному зерну с гидрофобным покрытием на основе корунда или карбида кремния.

Эффективность упруго или жестко связанных абразивов определяется не только твердостью и вязкостью абразивного зерна, но в значительной мере и прочностью связывания. В случае абразивов, содержащих синтетическую смолу в качестве связующего, водостойкость связи является необходимой предпосылкой для шлифования с охлаждением заготовки. Но как раз обеспечение водостойкости связывания является большой технологической проблемой. Наиболее распространенные абразивные зерна на основе корунда или карбида кремния без специальной предварительной обработки хорошо смачиваются водой, что способствует проникновению воды в пространство между зерном и связующим, что после хранения абразивов или их эксплуатации под водой вызывает понижение прочности связи.

Поэтому часто пытались предотвратить резкое понижение прочности связи под воздействием воды или по крайней мере уменьшить его гидрофобизацией абразивного зерна, т.е. приданием ему водоотталкивающих свойств, подвергая его специальной поверхностной обработке. Это отчасти осуществляется обработкой зерна силанами, например, (3-аминопропил)-триэтокси-силаном, как описано в публикации SF-1159 фирмы Union Carbide Corp. (Silicons Division). Однако оказалось, что таким образом можно достичь только временного улучшения свойств абразивного зерна, теряющегося уже через несколько месяцев складирования. Обработанное таким образом абразивное зерно приходилось как можно скорее подвергнуть дальнейшей переработке. Это привело к тому, что абразивное зерно обрабатывали необходимыми партиями на заводе изготовителя абразива, а не большими партиями на заводе изготовителя абразивного зерна, что в принципе более экономично. Далее сам способ представляется не таким несложным, как он может показаться на первый взгляд. Дело в том, что мелкие зерна, например, зерна типов F120-F1200, проявляют тенденцию к образованию агломератов. Условия высушивания абразивного зерна после его смачивания раствором силана следует строго соблюдать, чтобы предотвратить гидролиз или термическое разложение силана. Наконец, силан с точки зрения токсикологии не безопасен, что на заводах изготовителей абразивов, у которых часто не имеется оборудования, необходимого при обращении с опасными веществами, может вызывать загрязнение окружающей среды.

Известно абразивное зерно, содержащее керамическое покрытие (1). Однако это покрытие относительно дорого и способ нанесения его сложен.

Цель изобретения удешевление и улучшение гидрофобности продукта.

Указанная цель достигается тем, что абразивное зерно на основе корунда или карбида кремния, содержащее покрытие, содержит в качестве покрытия высокодисперсную гидрофобную двуокись кремния в количестве 0,01-5,00% от веса необработанного абразивного зерна.

Кроме того, размер частиц высокодисперсной гидрофобной двуокиси кремния составляет 7-100 нм по значению d₅₀, а удельная поверхность (80-300) м²/г по ВЕТ.

Было обнаружено, что абразивное зерно на основе корунда, под которым подразумеваются все виды электрокорунда, например, корунд обыкновенного качества, синий корунд, электрокорунд повышенной чистоты и электрокорунд высшего качества, циркониевый корунд и спекшийся корунд, а также абразивное зерно на основе карбида кремния или смеси зерен удается гидрофобизовать надолго путем их покрытия высокодисперсной гидрофобной двуокисью кремния в отсутствии связки и без высокотемпературной обработки. Исходя из известных свойств высокодисперсной гидрофобной двуокиси кремния можно было ожидать понижение или даже устранение смачиваемости зерна водой, измеряемой через высоту подъема в капилляре методом FEPA. Однако совершенно неожиданно оказалось, что поверхностно-прилипающий слой двуокиси кремния под воздействием механической нагрузки не просто отслаивается, понижая тем самым прочность образцов или шлифовальных кругов, а наоборот даже повышает прочность изделия.

Целесообразное количество наносимой высокодисперсной гидрофобной двуокиси кремния составляет 0,001-5,0% предпочтительно 0,1-1,0% считая на массу абразивного зерна. Оптимальное количество двуокиси кремния зависит от крупности зерна и тем самым от удельной поверхности абразивного зерна, причем однако выгодное действие двуокиси кремния при превышении оптимального его количества в довольно широких пределах существенно не изменяется, так что точная дозировка не играет решающей роли.

Первичная величина частиц (указанная значением d₅₀) высокодисперсной гидрофобной двуокиси кремния составляет предпочтительно 5-100 нм, а удельная поверхность (по ВЕТ) 80-300 м²/г. Особенно предпочтительным является продукт с первичной величиной частиц в интервале 7-20 нм и с удельной поверхностью в интервале 100-150 м²/г. Подобный продукт выпускается, например, фирмой Дегусса под названием Aerosil® R 972 или Aerosil® R 812 или фирмой Кабот под названием Cab-0-sil TS 720®.

Свойства предлагаемого абразивного зерна можно еще улучшить тем, что его подвергают дополнительной обработке силаном общей формулы Н₂N-(CH₂)_n-Si(OR)₃, где n целое число от 2 до 4; R алкил С₁-С₄. Целесообразно обработать известным образом уже покрытое зерно. Для этой дообработки действуют описанные ограничения относительно длительности достигнутого улучшения и относительно недостатков при выполнении предлагаемого способа.

Абразивное зерно с предлагаемым покрытием получают предпочтительно простым смешением торгового необработанного абразивного зерна желаемого типа зерен с соответствующим количеством высокодисперсной гидрофобной двуокиси кремния. Процесс смешения можно осуществить с применением торгового смесителя (например, барабанного смесителя типа "пьяной бочки", вращающегося смесителя, смесителя со свободным перемешиванием) без дополнительных добавок.

Однако можно и сначала взвешивать высокодисперсную гидрофобную двуокись кремния в пригодной неводной жидкости, после чего полученную взвесь наносят на необработанное абразивное зерно путем смешения его со взвесью или набрызгиванием взвеси на зерно с последующим испарением жидкости.

Для взвешивания высокодисперсной гидрофобной двуокиси кремния годятся, например, жидкие углеводороды и их смеси, например, бензин, а также кетоны, например, ацетон, спирты, например, изопропанол, или сложные эфиры, например, этилацетат.

Предлагаемое абразивное зерно пригодно в частности для получения абразивов со смолой в качестве связки для изготовления шлифовальных, отрезных шлифовальных или наждачных кругов, причем в частности для таких, применяемых для шлифования с охлаждением. В рамки изобретения входит также изготовление абразивов, получаемых путем нанесения предлагаемого зерна на подложку, таких как абразивные ленты.

П р и м е р 1. Получение покрытого абразивного зерна методом смешения в сухом состоянии.

В смесителе типа "пьяной бочки" в течение 30 мин смешивали 100 кг необработанного абразивного зерна с 0,5 кг (0,5 мас.) высокодисперсной гидрофобной кремневой кислоты (Aerosil® R 972 ф-мы Дегусса). Удельная поверхность по ВЕТ 110±20 м²/г, первичная величина частиц 16 нм по значению d₅₀. Обработке подвергались следующие типы абразивного зерна: Корунд нормальный Dural® F30 и Р120 Корунд синий Dural® HT F24 Корунд повышенной частоты Abramant® F36 Корунд высшего качества Abramax® F46 и F54 Карбид кремния Carbogran® темный F36, F80 и F180.

П р и м е р 2. (Силанирование в соответствии с уровнем техники).

В смесителе типа "пьяной бочки" в течение 20 мин смешивали 100 кг необработанного абразивного зерна с 1%-ным водным раствором силана (силан А1100 фирмы Union Carbide). Затем высушивали абразив при 110-120^оС. Количество силана зависело от крупности зерна. Для зерна 24, например, требовалось 1,7 л, а для зерна 54 3,6 л.

П р и м е р 3. Испытание на смачиваемость.

Обработанные по примеру 1 абразивные зерна использовали для определения их смачиваемости путем измерения высоты подъема в капилляре стандартным методом FEPA 44-D-1386). Аналогичные испытания проводили и с соответствующими необработанными и с двумя силанированными согласно примеру 2 абразивными зернами. Измеренные при этом высоты подъема приведены в таблице 1.

Все обработанные по предлагаемому способу зерна оказывались практически несмачиваемыми (высота подъема 0).

П р и м е р 4. (Прочность на изгиб).

Из необработанного, обработанного предлагаемым образом по примеру 1, силанированного по примеру 2, а также из обработанного по примеру 1 и дополнительно обработанного по примеру 2 абразива из корунда высшего качества (Abramax®) зернистости F54 из двух разных партий изготовляли образцы размером 120х60х15 мм³. В этих целях смешивали в каждом случае 15,8 кг абразивного зерна и 4,2 кг смеси фенольных смол (30% жидкой и 70% твердой смолы) до получения однородной массы. В пресс-форме под давлением 210 бар массу спрессовывали в образцы требуемой величины и отверждали при 180^оС в течение 7 ч. Плотность готовых образцов составляла 2,7 г/см³.

В каждом случае подвергали испытанию по 10 образцов. Определялась их прочность на изгиб в сухом состоянии и после 5-дневного хранения в насыщенном содовом растворе с температурой 40^оС.

Полученные результаты приведены в табл. 2.

П р и м е р 5. (Производительность кругов при плоском шлифовании).

Из тех же абразивных зерен, что и в примере 4, изготовляли шлифовальные круги со смоляной связкой размером 400х40х40 мм (форма 1): 75 мас. абразивного зерна, 17 мас. смеси жидкой и твердой фенольной смолы и 8 мас. наполнителей перерабатывали в однородную сыпучую массу, которую затем под давлением 210 бар спрессовывали в круги. Затем в целях отверждения круги нагревали в печи в течение 10 ч при температуре 180^оС. Потом их выдерживали при этой температуре в течение еще 8 ч и наконец их охлаждали до комнатной температуры в течение 6 ч. Плотность кругов составляла 2,55 г/см³.

Часть кругов выдерживали в насыщенном содовом растворе при 40^оС в течение 7 сут.

Производительность кругов определяли в процессе плоского шлифования хромникелевой стали (18/8). Ее принято выражать с помощью фактора G: G Полученные данные о производительности кругов приведены в табл. 3.

П р и м е р 6. Производительность отрезных шлифовальных кругов.

Из необработанной и из обработанной согласно предлагаемому способу по примеру 1 смесей абразивного зерна из корунда повышенной чистоты (Abramant), состоявших каждая из 25 мас. зерна F24, 50 мас. зерна F30 и 26 мас. зерна F36, изготовляли, как ниже описано, связанные синтетической смолой отрезные шлифовальные круги размером 230 х 2,5 х 22 мм: 65 мас. смеси абразивного зерна, 20 мас. смеси жидкой и твердой фенольной смолы и 15 мас. наполнителей (криолит, пирит) смешивали до образования однородной влажной массы и с обоюдносторонней тканевой основой спрессовывали в пресс-форме при 270 бар в отрезные шлифовальные круги. Круги отверждали при 180^оС. Часть кругов каждой серии выдерживали в кипящей воде в течение 75 мин.

Производительность кругов определяли на плоских профилях из хромникелевой стали (18/8, материал N 4305) площадью сечения 50 х 20 мм²с помощью стандартного абразивно-отрезного станка. С каждым кругом осуществляли 10 разрезов, после чего определяли уменьшение диаметра круга.

В табл. 4 приведены результаты испытаний.

П р и м е р 7. Производительность отрезных шлифовальных кругов.

Аналогично примеру 6 из разных смесей карбида кремния (Carbogran®) крупностью зерна 0,4-1,0 мм изготовляли шлифовальные круги, часть которых выдерживали в кипящей воде.

Круги имели следующий состав: 75 мас. карбида кремния 0,4-1,0 мм; 15 мас. смеси жидкой и твердой фенольной смолы;
10 мас. наполнителей (криолит, пирит).

Давление в пресс-форме составляло 200 бар, отверждение осуществлялось при 190^оС.

Производительность кругов определяли на бетонных балках, подвергнутых вибрационному уплотнению. Балки имели площадь сечения 80х60 мм². С каждым кругом осуществляли 5 разрезов с использованием стандартного абразивно-отрезного станка, после чего определяли уменьшение диаметра круга.

Результаты испытания указаны в табл. 5.

П р и м е р 8. Как описано в примере 1, на 100 кг необработанного абразивного зерна из корунда повышенной чистоты Abramant® F36 наносили 0,01 кг (0,01 мас.) высокодисперсной гидрофобной кремневой кислоты (Aerosil® R 972 фирмы Дегусса). При испытании на смачиваемость по FEPA 44-D-1986 (см. пример 3) измеряли высоту подъема 5±2 мм по сравнению с 26±3 мм, полученным при использовании необработанного абразивного зерна.

П р и м е р 9. Как описано в примере 1, на 100 кг необработанного абразивного зерна из карбида кремния Carbogran® F180 наносили 5,0 кг (5,0 мас.) высокодисперсной гидрофобной кремневой кислоты (Aerosil® R 972 фирмы Дегусса). При испытании на смачиваемость по FEPA 44-D-1986 (см. пример 3) измеряли высоту подъема 0 мм по сравнению с 190±5 мм, полученным при использовании необработанного абразивного зерна.

П р и м е р 10. Как описано в примере 1, на две партии по 100 кг необработанного абразивного зерна из корунда высшего качества Abramax®F54 наносили 0,5 кг (0,5 мас. ) высокодисперсной гидрофобной кремневой кислотой. Одну партию обрабатывали кремневой кислотой с величиной частиц (указанной значением d₅₀) 7 нм и отдельной поверхностью (по ВЕТ) 300 м²/г, а другую партию кремневой кислоты с величиной частиц (указанной значением d₅₀) 100 нм и отдельной поверхностью (по ВЕТ) 80 м²/г. Из обеих обработанных абразивов изготовляли, как описано в примере 4, размеры для определения прочности на изгиб. Прочность на изгиб определяли в сухом состоянии и после хранения в содовом растворе, как описано в примере 4. Результаты приведены в табл. 6.

Формула изобретения

1. АБРАЗИВНОЕ ЗЕРНО на основе корунда или карбамида кремния, содержащее покрытие, отличающееся тем, что, с целью удешевления и улучшения гидрофобности продукта, оно содержит в качестве покрытия высокодисперсную гидрофобную двуокись кремния в количестве 0,01 - 5,00% от массы необработанного абразивного зерна.

2. Зерно по п.1, отличающееся тем, что размер частиц высокодисперсной гидрофобной двуокиси кремния составляет 7 - 100 нм по значению d₅₀, а удельная поверхность - (80 - 300) м²/г по ВЕТ.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2