Абразив высокотемпературного связывания (варианты) и способ его получения


 


Владельцы патента RU 2415006:

СЭНТ-ГОБЭН КЕРАМИКС ЭНД ПЛАСТИКС, ИНК. (US)

Абразив высокотемпературного связывания содержит стекловидную связующую основу, в которой распределены абразивные частицы оксида алюминия. Стекловидная связующая основа имеет температуру отверждения не менее 1000°С. Абразивные частицы оксида алюминия содержат поликристаллический альфа-оксид алюминия, имеющий тонкую микрокристаллическую структуру со средним размером доменов не более 500 нм. Абразивные частицы оксида алюминия содержат также пиннинг-агент в виде фазы, диспергированной в поликристаллическом альфа-оксиде алюминия. Абразивные частицы альфа-оксида алюминия получают путем термообработки предшественника альфа-оксида алюминия, содержащего пиннинг-агент, при температуре не менее 1350°С. Смешивают абразивные частицы со стекловидной связующей основой и формуют заготовку. Заготовку подвергают термообработке при температуре отверждения не менее 1000°С. Повышается твердость абразива и стойкость к коррозии. 3 н. и 12 з.п. ф-лы, 2 табл.

 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Различные аспекты настоящего изобретения, в целом, относятся к абразивным инструментам и абразивным компонентам высокотемпературного связывания, в частности, к абразивам высокотемпературного связывания, содержащим абразивные частицы оксида алюминия с тонкой микроструктурой.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Абразивные материалы и компоненты в течение длительного времени с высокой эффективностью используются в различных областях промышленной механообработки, включая шлифование/заточку, при которых осуществляется удаление материала основы, и тонкую полировку, направленную на устранение неровностей микронного и субмикронного размера на поверхностях. Типичные материалы, подвергаемые такой механообработке, включают различные виды керамики, стекло, стеклокерамику, металлы и сплавы металлов. Абразивы могут находиться в любой из множества форм, например, в виде свободных абразивов, как в случае абразивных паст, когда для проведения механообработки применяют несвязанные частицы абразивов в виде суспензии. Кроме того, абразивы могут находиться в форме закрепленного абразива, такого как нанесенный на подложку абразив или связанный абразив. К нанесенным на подложку абразивам в общем случае относят абразивные компоненты, содержащие подложку с прикрепленными к ней абразивными частицами или зернами, полученные путем нанесения на подложку нескольких слоев абразивного материала и грунтовочных слоев. Связанные абразивы обычно не содержат подложки и представляют собой единую структуру, образованную зернами абразива, связанными с помощью связующего материала основы.

Среди известных из уровня техники связанных абразивных материалов наиболее широкое применение находят абразивы со стекловидной связующей основой, такой как связующая основа из силикатного стекла. Кроме того, отдельные связанные абразивы для некоторых применений содержат частицы суперабразивов, таких как карбид бора с кубической решеткой и алмаз, и могут быть связаны с помощью связующей основы из сплава металла.

В ходе проводимых в последние годы исследований, направленных на разработку связанных абразивов, особое внимание уделяется абразивам, полученным высокотемпературным связыванием, в которых используют связующую основу из стекловидного материала. Одним из примеров полученного высокотемпературным связыванием абразивного компонента является абразивный компонент, предложенный в патенте США 5282875. Хотя известные из уровня техники абразивы, полученные высокотемпературным связыванием, обладают улучшенными эксплуатационными характеристиками и долговечностью, в данной области техники по-прежнему существует потребность в создании более совершенных абразивных компонентов.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно одному из аспектов настоящего изобретения предложен абразив высокотемпературного связывания, содержащий абразивные частицы оксида алюминия и стекловидную связующую основу, в которой распределены указанные абразивные частицы. Стекловидная связующая основа характеризуется высокотемпературными свойствами, включая температуру отверждения не менее примерно 1000°С. Абразивные частицы оксида алюминия содержат поликристаллический альфа-оксид алюминия, имеющий тонкую микрокристаллическую структуру, характеризующуюся средним размером доменов альфа-оксида алюминия не более 500 нм. Абразивные частицы оксида алюминия также содержат пиннинг-агент, содержащий фазу, диспергированную в фазе поликристаллического альфа-оксида алюминия.

Согласно другому аспекту настоящего изобретения предложен абразив высокотемпературного связывания, содержащий абразивные частицы оксида алюминия и стекловидную связующую основу, в которой распределены указанные абразивные частицы. Стекловидная связующая основа имеет температуру отверждения не менее примерно 1000°С. Абразивные частицы оксида алюминия содержат поликристаллический альфа-оксид алюминия, имеющий тонкую микрокристаллическую структуру, характеризующуюся средним размером доменов альфа-оксида алюминия не более 300 нм. Указанные абразивные частицы оксида алюминия дополнительно содержат пиннинг-агент, включающий по меньшей мере фазу оксида циркония, диспергированную в фазе поликристаллического альфа-оксида алюминия.

Кроме того, в настоящем изобретении предложен способ получения абразива высокотемпературного связывания. Предложенный способ включает получение абразивных частиц альфа-оксида алюминия с тонкой кристаллической микроструктурой путем термообработки предшественника альфа-оксида алюминия, содержащего пиннинг-агент, при температуре не менее 1350°С. Далее получают формованную заготовку, содержащую частицы альфа-оксида алюминия и стекловидную связующую основу. После этого проводят термообработку формованной заготовки при температуре не менее 1000°С, при этом указанная температура превышает температуру плавления стекловидной связующей основы. Полученные после термообработки абразивные частицы оксида алюминия характеризуются средним размером кристаллического домена не более 300 нанометров.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Согласно одному из вариантов реализации настоящего изобретения абразивы высокотемпературного связывания содержат абразивные частицы оксида алюминия, характеризующиеся особо тонкой микроструктурой, и стекловидную связующую основу, в которой распределены указанные абразивные частицы оксида алюминия.

В отношении абразивных частиц оксида алюминия прежде всего следует отметить, что, как правило, указанные абразивные частицы состоят главным образом из поликристаллического альфа-оксида алюминия. Поликристаллический альфа-оксид алюминия обычно составляет основную фазу порошка, то есть не менее 50 мас.%. Тем не менее, в общем случае абразивные частицы оксида алюминия содержат по меньшей мере 60 мас.%, часто по меньшей мере 80 мас.%, а в некоторых вариантах реализации - по меньшей мере 90 мас.% поликристаллического альфа-оксида алюминия. Поликристаллический альфа-оксид алюминия имеет тонкую микрокристаллическую структуру, которая может быть охарактеризована средним размером доменов альфа-оксида алюминия, составляющим не более 500 нанометров. Кристаллические домены представляют собой отдельные поддающиеся определению области кристаллической микроструктуры, образованные за счет агрегирования отдельных кристаллов, или же образованные одним кристаллом. Тем не менее, согласно некоторым вариантам реализации кристаллический домен является монокристаллическим и легко поддается обнаружению методом сканирующей электронной микроскопии. Размер кристаллического домена может быть еще меньшим, например не более 400 нм или не более 300 нм. В этом случае домены обычно являются монокристаллическими, как указано выше. Такие домены могут представлять собой домены особенно малого размера, например, не более 200 нм, не более 190 нм, или даже не более 180 нм. Следует отметить, что указанный размер кристаллических доменов тонкой структуры приведен для полученных высокотемпературным связыванием абразивных компонентов после их обработки. Следует особо отметить, что часто процесс получения абразивов методом высокотемпературного связывания включает плавление стекловидной связующей основы в ходе термообработки. При этом такая высокотемпературная обработка зачастую вызывает укрупнение доменов, что является особенно нежелательным.

Далее приведено более подробное описание настоящего изобретения.

Как упомянуто выше, абразивные частицы оксида алюминия содержат пиннинг-агент. Пиннинг-агент представляет собой материал, который чужероден микроструктуре альфа-оксида алюминия в частицах и может быть идентифицирован в качестве второй фазы, диспергированной в основной фазе поликристаллического альфа-оксида алюминия. Пиннинг-агент в общем случае обеспечивает эффективное "скрепление" доменов, тем самым предотвращая избыточный рост доменов в ходе спекания и/или высокотемпературной обработки частиц с образованием связанного абразивного компонента. Примеры пиннинг-агентов включают оксиды, карбиды, нитриды и бориды, а также продукты их взаимодействия с поликристаллическим альфа-оксидом алюминия, представляющим собой материал основы. В соответствии с отдельными вариантами реализации пиннинг-агент включает оксид одного из элементов, выбранных из группы, включающей кремний, бор, титан, цирконий, редкоземельные элементы и продукты их взаимодействия с поликристаллическим альфа-оксидом алюминия, представляющим собой материал основы. Одним из примеров пиннинг-агента является оксид циркония, обычно в форме ZrO2 (двуокиси циркония). Оксид циркония является особенно подходящим материалом; обычно он инертен по отношению к поликристаллическому альфа-оксиду алюминия и поэтому очень слабо взаимодействует с оксидом алюминия, оставаясь в кристаллической фазе оксида циркония, обычно двуокиси циркония. Пиннинг-агент обычно содержится в абразивных частицах оксида алюминия в количестве не менее примерно 0,1 мас.%, например, не менее 0,5 мас.% или не менее 1,0 мас.%. Нижний предел содержания пиннинг-агента ограничен количеством, эффективно обеспечивающим предотвращение избыточного роста доменов.

В одном из вариантов реализации настоящего изобретения содержание пиннинг-агента в абразивных частицах составляет не более 40 мас.%, например, не более 30 мас.%, не более 20 мас.% или даже не более 10 мас.%. В общем случае, установленный размер частиц пиннинг-агента в полученном высокотемпературным связыванием абразиве составляет не более 5 микронов, например, не более 1 микрона. Было установлено, что малый размер частиц применяемого пиннинг-агента, например, не более 500 нм, не более 300 нм или не более 200 нм, является предпочтительным. Как более подробно указано ниже в контексте способов получения абразивных компонентов с помощью высокотемпературного связывания, пиннинг-агент может быть введен в состав абразивных частиц оксида алюминия в твердой форме, например в субмикронной форме, включая, в частности, коллоидную форму. Кроме того, пиннинг-агент может быть введен в состав абразивных частиц оксида алюминия в виде вещества-предшественника таким образом, чтобы в ходе высокотемпературной обработки предшественник пиннинг-агента превращался в заданную кристаллическую фазу, например заданный оксид, карбид, нитрид или борид.

Согласно вариантам реализации настоящего изобретения процесс получения абразива высокотемпературным связыванием в общем случае начинается с получения абразивных частиц оксида алюминия. В одном из вариантов реализации абразивные частицы оксида алюминия получают путем кристаллизации, когда подходящий материал затравки объединяют с предшественником альфа-оксида алюминия, после чего проводят термическую обработку для перевода предшественника альфа-оксида алюминия в желаемую фазу альфа-оксида алюминия. Указанные затравочные кристаллы можно получить в соответствии с патентом США 4623364, согласно которому высушенный гель на основе вещества-предшественника оксида алюминия, содержащий затравочные кристаллы, кальцинируют с получением альфа-оксида алюминия. Кальцинированный альфа-оксид алюминия можно далее подвергнуть обработке, например, путем размола с образованием подходящего для инициации кристаллизации материала с развитой площадью поверхности. Обычно площадь поверхности количественно оценивается в виде удельной площади поверхности (УПП), составляющей не менее 10 м2/г, обычно не менее 20 м2/г, например, не менее 30 м2/г или не менее 40 м2/г. Согласно отдельным вариантам реализации настоящего изобретения площадь поверхности составляет не менее 50 м2/г. В общем случае площадь поверхности ограничена значением, равным, например, не более 300 м2/г, например, не более 250 м2/г. Вещество-инициатор кристализации затем смешивают с предшественником оксида алюминия, который может находиться в любой из нескольких форм соединений алюминия, которые подходят для превращения в оксид алюминия. Такие соединения-предшественники включают, например, гидратированный оксид алюминия, включая тригидрат оксида алюминия (ТОА) и бемит. Согласно настоящему описанию термин «бемит» обозначает гидраты оксида алюминия, включая минеральный бемит, обычно имеющий формулу Al2O3·H2O, содержание воды в котором составляет примерно 15%, а также псевдобемит, содержание воды в котором составляет свыше 15%, например от 20% до 38%. Рассматриваемый в отдельности термин «бемит» используется для обозначения гидрата оксида алюминия с содержанием воды от 15 до 30%, например от 15 до 30 мас.% воды. Следует отметить, что бемит, включая псевдобемит, имеет конкретную идентифицируемую кристаллическую структуру, и соответственно, уникальную рентгеновскую дифракционную картину, и может быть выделен среди других соединений алюминия, включая другие гидратированные оксиды алюминия.

Обычно предшественник оксида алюминия, например бемит, соединяют с затравочными кристаллами таким образом, чтобы количество указанных затравочных кристаллов составляло не менее 0,2 мас.% по отношению к общему содержанию твердого вещества указанных кристаллов и предшественника альфа-оксида алюминия. Обычно содержание затравочных кристаллов составляет менее 30 мас.%, или обычно не более 20 мас.%.

Затравочные кристаллы и предшественник альфа-оксида алюминия в общем случае соединяют в виде суспензии, которую затем переводят в гель, например, путем добавления подходящей кислоты или основания, например азотной кислоты. После этого гель обычно высушивают, измельчают, и высушенный материал просеивают сквозь распределяющие сита. Твердую фракцию с определенным размером частиц затем можно подвергнуть спеканию в течение ограниченного периода времени. Обычно спекание проводят в течение периода времени, не превышающего 30 минут, например не более 20 минут, не более 15 минут. В соответствии с одним из вариантов реализации настоящего изобретения время спекания является особенно малым, например не более 10 минут.

В соответствии с конкретным вариантом реализации к суспензии, содержащей предшественник альфа-оксида алюминия и затравочные кристаллы, добавляют пиннинг-агент или предшественник пиннинг-агента. Обычно пиннинг-агент или его предшественник содержится в количестве не более 40 мас.% от совокупного содержания твердого вещества предшественника оксида алюминия, затравочных кристаллов и пиннинг-агента или его предшественника (рассчитывается на основании содержания пиннинг-агента в полученных частицах альфа-оксида алюминия). В общем случае пиннинг-агент содержится в количестве не менее 0,1 мас.%, например, не менее 0,5 мас.% или даже не менее 1 мас.% по отношению к общему содержанию твердых веществ, как указано выше.

Далее, в соответствии с конкретным вариантом реализации спекание проводят при температуре, превышающей температуру, необходимую для превращения предшественника оксида алюминия в альфа-оксид алюминия. В известном смысле, в некоторых вариантах реализации предложено "перепекание" соединения-предшественника оксида алюминия. В частности, подходящие температуры составляют не менее 1350°С, например не менее 1375°С, не менее 1385°С не менее 1395°С или не менее 1400°С. В этом отношении следует отметить, что при получении материалов на основе альфа-оксида алюминия с тонкой микроструктурой по способам, известным из уровня техники, обработку обычно проводят при более низких температурах, часто ниже 1350°С, например примерно 1300°С. Дополнительные сведения в отношении совокупного эффекта от применения, пиннинг-вещества и перепекания представлены далее в настоящей заявке.

После спекания возможно подвергнутые распределению по размерам абразивные частицы объединяли со стекловидным связующим материалом и подвергали формованию с получением подходящий геометрического профиля (например, шлифовального круга), при этом такие профили и формы хорошо известны в области техники, относящейся к связанным абразивам. После завершения обработки связанный абразивный компонент обычно подвергают тепловой обработке при температуре отверждения. Согласно настоящему описанию температура отверждения представляет собой материальный параметр, относящийся к материалу связующей основы, в общем случае превышающий температуру плавления и, в частности, температуру стеклования Tc связующей основы. Температура отверждения является минимальной температурой, при которой материал связующей основы не только становится мягким и текучим, но также становится текучим настолько, чтобы обеспечить полное смачивание и связывание абразивных частиц. Обычно согласно вариантам реализации изобретения температура отверждения составляет не менее 1000°С, что в общем случае является показателем образования абразива высокотемпературного связывания.

Конкретные примеры были выполнены в соответствии со следующими описаниями.

ПРИМЕРЫ

ПРИМЕР I (сравнительный)

В химическом стакане на 400 мл в 61 мл деионизованной воды (проводимость 2 мега Ом/см) размешивали 30 граммов порошка гидратированного оксида алюминия (псевдобемита), выпускаемого под торговым названием DISPERAL, полученного от Sasol Inc., Гамбург, Германия.

Высушенный гель предшественника оксида алюминия, полученный в соответствии с патентом США 54,623,364, кальцинировали при 1100°С в течение 5 минут в ротационной печи для преобразования оксида алюминия в альфа-форму с площадью поверхности, измеренной методом BET, составляющей от 15 до 28 м2/г. 72 кг исходного альфа-оксида алюминия смешивали со 150 кг деионизованной воды и помещали в горизонтальную шаровую мельницу производства Netzsch Company (штаб-кварира в Зельбе, Германия). Модель устройства LMZ-25. В течение 24 часов сквозь мельницу обеспечивали непрерывную циркуляцию жидкого раствора. Примерно 40 кг абразива оксида алюминия получали по Сент-Гобейну с жерновом размера 46 в качестве инструмента размола. После помола площадь поверхности составляла примерно 75 м2/г.

В жидкий раствор Disperal при перемешивании добавляли 1,43 г приготовленного выше кристаллизующего жидкого раствора.

В эту смесь затем при перемешивании добавляли 7,5 г 20% раствора по массе HNO3, при этом перемешивание продолжали до превращения указанной смеси в гель.

Гель высушивали в течение суток при 95°С и затем дробили деревянной скалкой. Фракцию, проходящую сквозь сито с отверстиями 30 меш и остающуюся на сите с отверстиями 45 меш, оставляли.

Пять граммов указанной оставшейся на сите фракции затем помещали в сосуд из оксида алюминия и помещали в предварительно нагретую трубчатую печь (Lindberg Blue М серия STF 55433) для спекания. Спекания проводили в общей сложности 5 минут.

Образцы спекались при 3 различных температурах, 1300°С, 1350°С и 1400°С. Измеряли показатели твердости и размер кристаллов.

Связанные абразивные компоненты спеченных частиц, содержащие связывающую стекловидную основу, получали путем смешения 1,22 граммов спеченного абразива и 0,72 граммов порошкообразного стекла с добавлением 2 капель 7,5 мас.% раствора поливинилового спирта (ПВС). Композиция порошкообразного стекла в общем случае основана на оксиде кремния и содержит в качестве основного компонента кремнезем. Типичное содержание оксида кремния составляет не менее 50% по весу, обычно не менее 60% по весу, например, не менее 65% по весу. Дополнительные компоненты порошкообразного стекла включают оксиды, такие как оксид алюминия, натрия, магния, калия, лития, бора, титана, железа, кальция, другие оксиды и их комбинации. Конкретную композицию порошкообразного стекла, образующую связующую основу, выбирают на основе желаемой температуры отверждения и Tc, как подробно обсуждалось ранее. Затем смесь помещали в форму размером 1,25 см из нержавеющей стали и прессовали при 10,000 пси. Полученный диск затем помещали в холодную муфельную печь (Lindberg тип 51524) и нагревали до 1250°С в течение 8 часов, оставляли при этой температуре на 4 часа, и затем охлаждали 8 часов. Готовый диск получали в виде отшлифованной секции и измеряли его твердость и размер кристаллов.

ПРИМЕР 2

Этот пример иллюстрирует действие пиннинг-агента ZrO2 в отношении предотвращения нежелательного роста кристаллов и устойчивости к коррозии.

Керамическую заготовку с абразивными частицами получили так, как описано в Примере 1, за исключением того, что коллоидный ZrO2 добавляли в количестве 0,5% по весу относительно веса оксида алюминия, 1% по весу относительно веса оксида алюминия, 2% по весу относительно веса оксида алюминия. Источником ZrO2 была стабилизированная форма коллоидного ацетата ZrO2 NYACOL с размером частиц 20 нм, полученная от Nyacol. Образцы получали и проводили измерения, как в Примере 1.

ПРИМЕР 3

Этот пример иллюстрирует действие пиннинг-агента SiO2 в предотвращении нежелательного роста кристаллов и устойчивости к коррозии.

Керамическую заготовку с абразивными частицами получили, как описано в Примере 1, за исключением того, что коллоидный SiO2 добавляли в количестве 0,5% по весу относительно веса оксида алюминия, 1% по весу относительно веса оксида алюминия, 2% по весу относительно веса оксида алюминия. Источником SiO2 была стабилизированная аммониевая форма коллоидного SiO2 NYACOL с размером частиц 20 нм, полученная от Nyacol inc., Эшленд, США. Образцы получали и проводили измерения, как в Примере 1.

ПРИМЕР 4

Этот пример иллюстрирует действие пиннинг-агента Y2O3 в предотвращении нежелательного роста кристаллов и устойчивости к коррозии.

Керамическую заготовку с абразивными частицами получили так, как было описано в Примере 1, за исключением того, что раствор нитрата иттрия добавляли на уровне эквивалента оксида иттрия 0,5% по весу относительно веса оксида алюминия, 1% по весу относительно веса оксида алюминия, 2% по весу относительно веса оксида алюминия. Источником нитрата иттрия была Aldrich chemicals. Образцы получали и проводили измерения, как в Примере 1.

ПРИМЕР 5

Этот пример иллюстрирует действие пиннинг-/противокоррозионного вещества в композитном теле, которое включает оксид магния. Вещество получили так, как было описано в Примере 2, с использованием 2% ZrO2 и 1% MgO, добавленного в виде раствора нитрата магния. Пример также включал применение оксида кобальта (0,08%), цветного маркера визуального индикатора распространения коррозии. Предшественником оксида кобальта был нитрат кобальта.

Размер кристаллических доменов в примерах измеряли путем анализа методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) полирующей секции, полученной согласно Примерам. Обычно использовали увеличение 50000, образцы термически вытравливали при температуре на 100°С ниже спекания, и размер кристаллических доменов получали без статистической корректировки. В соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения кристаллические домены довольно стабильны при высокой температуре, при этом стабильность можно количественно определить в терминах стабильности кристаллов. Стабильность кристаллов определяют в заявке как температуру, при которой абразивный порошок оксида алюминия подвергается ограниченному росту доменов, определяемому по среднему размеру домена не более 500 нм после 5 минут экспозиции при указанной температуре. Реализации настоящего изобретения имеют стабильность кристаллов по меньшей мере 1400°С, например по меньшей мере примерно 1500°С.

Дополнительно к подсчету размера доменов кристаллов несколькими способами определяли протяженность коррозии. В течение образования высокотемпературного связанного абразива вещество стекловидной связующей основы проникает и реагирует с оксидом алюминия. Такая атака весьма нежелательна и может быть измерены с точки зрения твердости. Твердость измеряли путем сбора данных о твердости маленьких сплавленных тел (около 0,5 мм) у их центра и около края (приблизительно от 15 до 30 микрон от внешнего края). Использовали хорошо известный способ микроотпечатков Викерса. Известно, что в подвергнутом коррозии керамическом теле уменьшается твердость около внешнего (незащищенного) края, так как в реакции с силикатным стеклом образуется мягкая фаза. Коррозию также измеряли по внедрению цветного маркера, как например, оксида кобальта, который при уровне нескольких сотен частей на миллион образует алюминат кобальта синего цвета в сплавленном теле. Глубину коррозии может оценить визуально, наблюдая затухание синего цвета алюмината кобальта благодаря реакции с силикатной фазой. Коме того, особенно следует отметить, что коррозию можно определить как индекс коррозии, представленный средней глубиной проникновения Si после инкубации абразивного порошка оксида алюминия в силикатном стекле при 1250°С в течение 4 часов. Приведенные выше реализации показывают индекс коррозии не более 15 микронов, например не более 10 микронов или даже не более 8 микронов.

Характеристики керамических тел из Примеров 1-5 суммированы в Таблицах 1 и 2.

Таблица 1 показывает сопротивление росту кристаллических доменов в виде функции от температуры, выраженное в микронах.

Таблица 1
Темп Пр.1 Пр.2 ZrO2 Пр.3 SiO2 Пр.4 Y2O3 Пр.5 (2% ZrO2 + 1% MgO + 0,08% CoO)
0,5 1,0 2,0 0,5 1,0 0,2 0,5 1,0 0,2
1300 0,15 Н.О. Н.О. Н.О. Н.О. Н.О. Н.О. Н.О. Н.О. Н.О. Н.О.
1350 Н.О. 0,12 0,13 0,13 0,10 0,09 0,07 0,17 0,15 0,15 0,14
1400 0,56 0,16 0,16 0,16 0,11 0,08 0,07 0,16 0,19 0,17 0,15
1500 >1 Н.О. Н.О. Н.О. 0,15 0,20 0,13 0,43 0,42 0,28 Н.О.
Н.О. - не обнаружено.

Результаты в Таблице 1 ясно показывают, что в продукте из Примера 1 происходил значительный рост доменов, являющийся функцией температуры. Примеры, содержащие разное количество пиннинг-агента, демонстрируют снижение подверженности зерен росту, как функции от температуры, и таким образом, расширяют приемлемый для применения диапазон температур.

Таблица 2
Устойчивость к коррозии. Все сплавленные образцы >97% от теоретической плотности
Пр.1 1400°С Пр.2 ZrO2 1400°С Пр.3 SiO2 1500°C Пр.4 Y2O3 1500°С Пр.5 (2% ZrO2 + 1% MgO + 0,08% CoO) 1400°C
0,5 1,0 2,0 0,5 1,0 2,0 0,5 1,0 2,0
Твердость края до теста (Gpa) 20,3 20,7 20,6 21,3 20,1 17,6 13,6 19,7 20,0 20,6 20,4
Твердость края после теста (Gpa) 16,3 16,0 18,2 19,4 14,5 12,5 11,8 19,0 18,8 17,5 19,0
проникновение Si (EDS) мкм 20-30 5 5
* Пример 1 с добавлением 0,08 мас.% CoO, как описано в примере 5

Таблица 2 иллюстрирует, что добавки циркония или иттрия ясно уменьшают реакционоспособность зерен со стеклом, что демонстрируется по лучшему сохранению твердости. К тому же использование добавок, таких как ZrO2, минимизирует проникновение или внедрение SiO2 в зерна и обеспечивает более стабильные зерна при рассмотрении расплавленного стекла. К тому же при использовании в качестве цветного индикатора добавки оксида кобальта наблюдали, что протяженность реакции при использовании ZrO2 была значительно ниже, о чем свидетельствовало сохранение синего цвета.

В соответствии с вариантами реализации в настоящем изобретении предложены особенно желательные компоненты абразива высокотемпературного связывания с тонкой микроструктурой. Надо отметить, что такие компоненты с тонкой микроструктурой выходят за рамки области техники, обычно ограничивающейся высокотемпературными связанными абразивами со средней микроструктурой, описанные в патенте США 5282875, в котором говорится, что наилучшая микроструктура содержит кристаллические домены с размером 600 нм, и одиночные кристаллы альфа оксида алюминия, имеющие размер 350 нм и более (см. патент США 4,744,802, включенный посредством ссылки в патент США 5,282,875). В то время, как абразивные частицы оксида алюминия с тонкой микроструктурой ранее использовали в качестве свободного абразива, такие абразивные частицы оксида алюминия с тонкой микроструктурой обычно не используются в контексте применения в высокотемпературных связанных абразивах. Было обнаружено, что материалы с такой тонкой микроструктурой растворяются в стекловидной связующей основе во время обработки и подвергаются усиленному росту кристаллических доменов при термической обработке таких высокотемпературных связанных абразивов. Это ясно показано в описанном выше Примере 1, в котором исходное вещество с тонкой микроструктурой показывало усиленный рост доменов и чрезмерную коррозию.

В то же время, не желая быть связанными какой-либо конкретной теорией, полагают, что совместное применение пиннинг-агента и перепекания приводит к получению высокостабильного абразива, который устойчив к изменениям микроструктуры во время термической обработки, такой как высотемпературная обработка. Полагают, что пиннинг-агент является эффективным в отношении роста зерен, который в норме наблюдается при повышенных температурах, в то время как условия процесса перепекания, как полагают, вносят заметные улучшения в антикоррозионные характеристики и дополнительно повышают скрепляющий эффект пиннинг-агента. Описанные в заявке высокие температуры спекания могут привести к образованию фаз на границе зерна, более устойчивых к коррозии, посредством модифицикации кристаллизации границ зерна, или унификации распределения в объеме границы зерна, и/или избирательного растворения определенных элементов границы зерна в основе. Условия перепекания могут также синергически влиять на пиннинг-агент таким образом, что у абразивных зерен появляется дополнительная устойчивость к коррозии. Каким бы ни был механизм, очевидны наблюдаемые эффекты того, что абразивы высокотемпературного связывания в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения показывают характеристики устойчивости к коррозии.

Далее следует отметить, что существующая технология кристаллизации, как было сказано, использует стабилизаторы зерен, включая различные оксиды-стабилизаторы, а также спекание при температуре выше 1300°С, в норме связанное со спеканием золя/геля абразивного порошка оксида алюминия. Тем не менее, такие ингибиторы роста зерен и температура спекания изучены в связи с общим производством материалов альфа-оксида алюминия, и предполагают, что такие материалы с тонкой микроструктурой также подвержены усиленному росту зерен и/или чрезмерной коррозии в контексте компонентов высокотемпературных связанных абразивов. Однако неожиданно было обнаружено, что комбинация пиннинг-агента и условий перепекания приводит не только к подавлению роста кристаллических доменов в течение условий обработки высокотемпературных связанных абразивов, но также к их устойчивости к коррозии.

В то время как варианты реализации настоящего изобретения являются иллюстративными и описывают конкретные примеры, изобретение не ограничивается представленными конкретными деталями, при этом в рамках области настоящего изобретения могут быть сделаны различные модификации и замены. Например, могут быть применены дополнительные или эквивалентные этапы получения. Как таковые, дальнейшие раскрытые модификации и эквиваленты изобретения могут быть сделаны специалистом в данной области при использовании не более чем обычных экспериментов и предполагается, что такие модификации и эквиваленты будут находиться в объеме настоящего изобретения, который определен формулой изобретения.

1. Абразив высокотемпературного связывания, содержащий абразивные частицы оксида алюминия и стекловидную связующую матрицу, в которой распределены указанные абразивные частицы, и которая имеет температуру отверждения не менее 1000°С, отличающийся тем, что абразивные частицы оксида алюминия содержат поликристаллический альфа-оксид алюминия, имеющий тонкую микрокристаллическую структуру, характеризующуюся средним размером доменов альфа-оксида алюминия не более 500 нм, и дополнительно пиннинг-агент в виде фазы, диспергированной в поликристаллическом альфа-оксиде алюминия.

2. Абразив высокотемпературного связывания по п.1, отличающийся тем, что пиннинг-агент представляет собой оксид по меньшей мере одного элемента, выбранного из группы, включающей кремний, бор, титан, цирконий, редкие элементы, продукты их взаимодействия с поликристаллическим альфа-оксидом алюминия и их комбинации.

3. Абразив высокотемпературного связывания по п.2, отличающийся тем, что пиннинг-агент содержит оксид циркония.

4. Абразив высокотемпературного связывания по п.1, отличающийся тем, что содержание пиннинг-агента в абразивных частицах оксида алюминия составляет не менее примерно 0,1 мас.%.

5. Абразив высокотемпературного связывания по п.4, отличающийся тем, что содержание указанного пиннинг-агента в абразивных частицах оксида алюминия находится в пределах от примерно 0,1 до примерно 20 мас.%.

6. Абразив высокотемпературного связывания по п.1, отличающийся тем, что средний размер частиц пиннинг-агента составляет не более примерно 1 мкм.

7. Абразив высокотемпературного связывания по п.1, отличающийся тем, что абразивные частицы оксида алюминия характеризуются средним размером кристаллического домена, составляющим не более 400 нм.

8. Абразив высокотемпературного связывания по п.7, отличающийся тем, что абразивные частицы оксида алюминия характеризуются средним размером кристаллического домена, составляющим не более 200 нм.

9. Абразив высокотемпературного связывания по п.1, отличающийся тем, что абразивные частицы оксида алюминия характеризуются кристаллической стабильностью, составляющей по меньшей мере 1400°С, причем указанная кристаллическая стабильность представляет собой температуру, при которой в абразивных частицах оксида алюминия происходит рост доменов, характеризуемый количественно средним размером домена не более 500 нм после 5 мин выдержки при указанной температуре.

10. Абразив высокотемпературного связывания по п.1, отличающийся тем, что абразивные частицы оксида алюминия характеризуются показателем коррозии, составляющим не более 15 мкм, причем показатель коррозии представляет собой среднюю глубину проникновения Si после воздействия на абразивные частицы оксида алюминия расплавленного силикатного стекла при 1250°С в течение 4 ч.

11. Абразив высокотемпературного связывания по п.1, отличающийся тем, что стекловидная связующая основа имеет температуру отверждения не менее 1100°С.

12. Абразив высокотемпературного связывания по п.1, отличающийся тем, что стекловидная связующая основа имеет температуру стеклования Тс не менее примерно 1000°С.

13. Абразив высокотемпературного связывания, содержащий абразивные частицы оксида алюминия и стекловидную связующую основу, в которой распределены абразивные частицы алюминия, и которая имеет температуру отверждения не менее 1000°С, отличающийся тем, что абразивные частицы оксида алюминия содержат поликристаллический альфа-оксид алюминия с тонкой кристаллической микроструктурой, характеризующейся средним размером домена не более 300 нм, и дополнительно пиннинг-агент, содержащий фазу оксида циркония, диспергированную в поликристаллическом альфа-оксиде алюминия.

14. Способ получения абразива высокотемпературного связывания, включающий получение абразивных частиц альфа-оксида алюминия с тонкой кристаллической микроструктурой путем термообработки предшественника альфа-оксида алюминия, содержащего пиннинг-агент, при температуре не менее 1350°С, получение формованной заготовки, содержащей абразивные частицы альфа-оксида алюминия и материал стекловидной связующей основы, и термообработку формованной заготовки при температуре отверждения, составляющей не менее 1000°С и превышающей температуру плавления материала стекловидной связующей основы, при этом абразивные частицы оксида алюминия после термообработки характеризуются средним размером кристаллического домена не более 300 нм.

15. Способ по п.14, отличающийся тем, что предшественник альфа-оксида алюминия подвергают термообработке в присутствии затравочных кристаллов.



 

Наверх