Абразивный инструмент, армированный короткими волокнами
Владельцы патента RU 2421322:
СЭНТ-ГОБЭН ЭБРЕЙЗИВС, ИНК. (US)
СЭН-ГОБЭН АБРАЗИФ (FR)
Изобретение относится к инструментам для шлифования. Композиция для абразивного изделия включает органический связующий материал, абразивный материал, диспергированный в органическом связующем материале, и множество микроволокон, равномерно диспергированных в органическом связующем материале. Микроволокна представляют собой элементарные нити, имеющие среднюю длину менее, чем примерно 1000 мкм. Абразивные изделия, изготовленные с применением композиции, проявляют повышенную прочность и стойкость к ударным воздействиям по сравнению с не армированными абразивными инструментами, а также улучшенный показатель скорости износа круга и коэффицента шлифования по сравнению с обычно используемыми армированными инструментами. Активные наполнители, которые взаимодействуют с микроволокнами, могут применяться для улучшения эффективности процесса абразивной обработки. 3 н. и 27 з.п. ф-лы, 13 табл.
Рубленые пряди волокон применяются в шлифовальных кругах на плотной смоляной основе для повышения прочности и стойкости к ударным воздействиям. Рубленые пряди волокон длиной обычно 3-4 мм представляют собой множество нитей. Количество нитей может изменяться в зависимости от технологического процесса, но обычно оно составляет от 400 до 6000 нитей на пучок. Нити скрепляются адгезивом, известным как клеящий, связующий или покрывающий материал, который в конечном итоге будет совместимым с матрицей смолы. Один пример рубленой пряди волокна известен под названием Cratec®, выпускаемый компанией Owens Corning.
Включение рубленых прядей волокон в сухую смесь шлифовального круга в основном достигается смешиванием рубленых прядей волокон, смолы, наполнителей и абразивного зерна в течение определенного количества времени и дальнейшей формовке, отверждении или иного способа обработки смеси для получения готового шлифовального круга.
В любых таких случаях шлифовальные круги, армированные рублеными прядями волокна, обычно имеют ряд недостатков, включающих низкие характеристики измельчения, а также не соответствующую требованиям стойкость шлифовального круга.
Таким образом, существует потребность в более совершенных армирующих технологиях для абразивных обрабатывающих инструментов.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Один вариант настоящего изобретения обеспечивает композицию, включающую органический связующий материал (например, термоотверждающаяся смола, термопластическая смола или каучук), абразивный материал, диспергированный в органическом связующем материале, и микроволокна, равномерно диспергированные в органическом связующем материале. Микроволокна представляют собой элементарные нити и могут включать, например, волокна минеральной ваты, волокна шлаковой ваты, волокна асбестовой ваты, волокна базальтовой ваты, стеклянные волокна, керамические волокна, углеродные волокна, арамидные волокна и полиамидные волокна, а также их комбинации. Микроволокна имеют среднюю длину, например, менее чем 1000 мкм. В одном конкретном случае, микроволокна имеют среднюю длину в диапазоне примерно от 100 мкм до 500 мкм и диаметр менее чем 10 микрон. Композиция, кроме того, может включать один или более активных наполнителей. Эти наполнители могут взаимодействовать с микроволокнами для обеспечения различных преимуществ процессу абразивной обработки (например, улучшение стойкости шлифовального круга, более высокий коэффицент шлифования, и/или уменьшение осаждения металла на передней поверхности инструмента). В одном из воплощений, один или более активных наполнителей выбирают из соединений марганца, соединений серебра, соединений бора, фосфорных соединений, соединений меди, соединений железа, соединений цинка и их комбинаций. В одном конкретном случае один или более активных наполнителей включают дихлорид марганца. Композиция может включать, например, от 10% по объему до 50% по объему органического связующего материала, от 30% по объему до 65% по объему абразивного материала, и от 1% по объему до 20% по объему микроволокон. В другом конкретном случае композиция включает от 25% по объему до 40% по объему органического связующего материала, от 50% по объему до 60% по объему абразивного материала, и от 2% по объему до 10% по объему микроволокон. В другом конкретном случае композиция включает от 30% по объему до 40% по объему органического связующего материала, от 50% по объему до 60% по объему абразивного материала и от 3% по объему до 8% по объему микроволокон. В другом варианте композиция представлена в виде абразивного изделия, применяющегося в процессе абразивной обработки рабочей детали. В одном таком случае абразивным изделием является круг или другая пригодная форма для процесса абразивной обработки.
Другой вариант настоящего изобретения обеспечивает способ абразивной обработки рабочей детали. Способ включает закрепление рабочей детали на станке, предназначенном для абразивной обработки, и оперативное прикрепление абразивного изделия к станку. Абразивное изделие включает огранический связующий материал, абразивный материал, диспергированный в органическом связующем материале, и множество микроволокон, равномерно диспергированных в органическом связующем материале, отличающихся тем, что микроволокна являются элементарными нитями со средней длиной нити менее чем примерно 1000 мкм. Далее способ включает приведение в контакт абразивного изделия с поверхностью рабочей детали.
Приведенные здесь свойства и преимущества не являются исчерпывающими и, в частности, для опытного специалиста в данной области при обращении к чертежам, спецификациям и формуле изобретения станут очевидными дополнительные свойства и преимущества. Более того, следует заметить, что используемый в описании язык был выбран главным образом для удобства восприятия и с целью обучения, но не с целью ограничения объема изобретения.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Чертеж представляет собой график анализа прочности композиций, разработанных в соответствии с различными вариантами настоящего изобретения.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Как упоминалось ранее, рубленые пряди волокон могут использоваться в шлифовальных кругах на плотной смоляной основе для увеличения прочности и стойкости к ударным воздействиям, при этом включение рубленых прядей волокон в сухую смесь шлифовального круга в основном выполняется смешиванием рубленых прядей волокон, смолы, наполнителей и абразивного зерна в течение определенного времени. Однако время смешивания играет значительную роль в получении смеси пригодного качества. Недостаточное смешивание приводит к образованию неоднородных смесей, которые затрудняют заполнение формы и распределение внутри формы, что приводит к образованию неоднородных композитов с пониженными свойствами и высокой изменчивостью. С другой стороны, чрезмерное смешивание приводит к образованию «грибов-дождевиков» (сгустки множества рубленых прядей волокон), которые не могут быть повторно диспергированы в смесь. Более того, рубленые пряди сами по себе являются фактически пучками нитей, которые скреплены вместе. Так или иначе, такие сгустки или пучки фактически снижают однородность шлифовальной смеси и делают более трудным подачу и распределение смеси в форме. Более того, присутствие таких сгустков или пучков внутри композита ухудшает такие свойства композита как прочность и модульность и увеличивает изменчивость свойств. Кроме того, высокие концентрации, например, стеклянной рубленой пряди или ее пучков, оказывают отрицательное воздействие на стойкость шлифовального круга. К тому же, увеличение уровня содержания рубленых прядей волокон в круге может также снижать характеристики измельчения (например, определенные коэффицентом шлифования и/или скоростью износа круга).
В одном конкретном варианте настоящего изобретения получение армированных микроволокном композитов включает полное диспергирование элементарных нитей внутри сухой смеси подходящего связующего материала (например, органической смолы) и наполнителей. Полное диспергирование может определяться, например, максимальными значениями свойств композитов (такими как прочность) после изготовления формы и отверждения неравномерно смешанной комбинации микроволокон, связующего материала и наполнителей. Например, недостаточное смешивание приводит к низкой прочности, а хорошее смешивание приводит к высокой прочности. Другой способ оценки дисперсности состоит в локализации и взвешивании не диспергированного материала с помощью метода разделения на ситах (например, материала, который имеет сходство с оригиналом микроволокна перед смешиванием). На практике, оценка дисперсности армирующего микроволокна может осуществляться путем визуального контроля смеси (например, с помощью или без микроскопа) перед формовкой и отверждением. Как будет очевидно в свете данного раскрытия изобретения, неполное или несоответствующее диспергирование микроволокна в основном приводит к пониженным свойствам композита и характеристикам измельчения.
В соответствии с различными вариантами настоящего изобретения микроволокна представляют собой маленькие и короткие элементарные нити, имеющие высокий модуль упругости при растяжении, и могут быть как неорганическими, так и органическими. Примерами микроволокон являются волокна минеральной ваты (также известные как волокна шлаковой ваты или волокна асбестовой ваты), стеклянные волокна, керамические волокна, углеродные волокна, арамидные волокна или арамидная пульпа, полиамидные волокна или волокна из ароматического полиамида. В одном конкретном варианте настоящего изобретения используется микроволокно, которое представляет собой неорганическую элементарную нить, имеющую длину менее чем примерно 1000 микрон и диаметр менее чем около 10 микрон. К тому же, этот образец микроволокна имеет высокую температуру плавления или температуру разложения (например, более 800°С), модуль упругости при растяжении больше, чем примерно 50 ГПа, и не имеет или имеет очень маленькое адгезионное покрытие. Также как и отдельные нити, микроволокно является высокодиспергируемым и устойчивым к образованию пучков волокна. К тому же, микроволокна должны химически соединяться с использующимся связующим материалом (например, органической смолой). В противоположность этому, рубленая прядь волокна и ее разновидности включают множество нитей, соединенных вместе адгезивом и, следовательно, подвержены разным проблемам, связанным с пучками волокна (например, «дождевые грибы») и узлами, как обсуждалось ранее. Тем не менее, некоторые рубленые пряди волокон могут быть перемолоты или раздроблены каким-либо другим способом на отдельные нити, и такие нити также могут использоваться в качестве микроволокна в соответствии с вариантом настоящего изобретения. В некоторых таких случаях полученные нити могут быть значительно ослаблены процессами измельчения/дробления (например, из-за нагрева, требуемого для удаления адгезива или связующего, который скрепляет нити вместе в рубленых прядях или пучках). Таким образом, тип микроволокна, который используется в связующей композиции, будет зависеть от предполагаемого применения и желаемых характеристик прочности.
В одном таком варианте микроволокна, пригодные для использования в настоящем изобретении, представляют собой волокна минеральной ваты, такие как имеющиеся в наличии у Sloss Industries Corporation, AL, и реализуемые под торговой маркой PMF®. Похожие волокна минеральной ваты имеются у Fibertech Inc, MA и имеют обозначение Mineral wool FLM. Fibertech также реализует стеклянные волокна (например, Microglass 9110 и Microglass 9132). Эти стеклянные волокна, а также другие натуральные или синтетические минеральные волокна, или стекловидные элементарные нити волокон, такие как базальтовые, стеклянные, и керамические волокна, имеющие похожие свойства, тоже могут использоваться. Минеральная вата в основном включает волокна, изготовленные из минералов или оксидов металлов. Пример состава и набор свойств микроволокна, которое может использоваться в связующем армированного шлифовального инструмента, в соответствии с одним из вариантов настоящего изобретения, приведены в Таблицах 1 и 2 соответственно. Другие многочисленные составы микроволокна и наборы свойств будут очевидны в свете раскрытия этого изобретения, и настоящее изобретение не предполагает ограничиваться какой-либо конкретной композицией или их совокупностью.
| Таблица 1: Состав Sloss PMF® Fibers | |
| Оксиды | Масса, % |
| SiO2 | 34-52 |
| Аl2O3 | 5-15 |
| СаО | 20-23 |
| MgO | 4-14 |
| Na2O | 0-1 |
| К2O | 0-2 |
| TiO2 | 0-1 |
| Fe2O3 | 0-2 |
| Другие | 0-7 |
| Таблица 2: Физические свойства Sloss PMF® Fibe | |
| Число твердости по Моосу | 7.0 |
| Диаметр волокна | 4-6 микрон в среднем |
| Длина волокна | 0.1-4.0 мм в среднем |
| Предел прочности при растяжении волокна | 506,000 psi |
| Удельная масса | 2.6 |
| Точка плавления | 1260°С |
| Скорость расстекловывания | 815.5°С |
| Коэффицент расширения | 54.7 Е-7°С |
| Температура отжига | 638°С |
| Температура деформации | 612°С |
Связующие материалы, которые могут использоваться в связующем шлифовального инструмента, разработанного в соответствии с вариантом настоящего изобретения, включают органические смолы, такие как эпоксидная смола, сложный полиэфир, фенольные и цианатоэфирные смолы, а также другие пригодные термоотверждающиеся или термопластические смолы. В одном конкретном варианте используются полифенольные смолы (например, такие как Novolac смолы). Конкретные примеры смол, которые могут использоваться, включают следующие смолы: смолы, реализуемые Durez Corporation, ТХ, имеющие артикулы: 29722, 29344 и 29717; смолы, реализуемые Dynes Оу, Finland под торговой маркой Peracit® и имеющие артикулы 8522G, 8723G и 8680G; и смолы, реализуемые Hexion Specialty Chemicals, ОН, под торговой маркой Rutaphen® и имеющие артикулы по каталогу 9507Р, 8686SP и 8431SP. Другие многочисленные пригодные связующие материалы будут видны из раскрытия данного изобретения (например, каучук), и данное изобретение не предполагает ограничиваться какими либо конкретными материалами или их совокупностью.
Абразивные материалы, которые могут использоваться для производства шлифовального инструмента, разработанного в соответствии с вариантами настоящего изобретения, включают имеющиеся в продаже материалы, такие как глинозем (например, прессованный боксит, спеченный глинозем и золь-гелевый спеченный глинозем, плавленый глинозем), карбид кремния и кремнезем-циркониевые зерна. Суперабразивные зерна, такие как алмаз или кубический нитрид бора (cBN) могут также использоваться в зависимости от заданной цели применения. В одном конкретном варианте абразивные частицы имеют твердость по Кнупу между 1600 кг/мм2 и 2500 кг/мм2 и имеют размер примерно между 50 микрон и 3000 микрон, или даже более конкретно, между примерно 500 микрон и 2000 микрон. В одном таком случае композиция, из которой производят шлифовальный инструмент, включает 50% по массе или более абразивного материала.
Композиция кроме того может включать один или более реактивных наполнителей (также называемых как «активные наполнители»). Примеры активных наполнителей, которые используются в разных вариантах настоящего изобретения, включают соединения марганца, соединения серебра, соединения бора, фосфорные соединения, соединения меди, соединения железа и соединения цинка. Конкретные примеры пригодных активных наполнителей включают фторалюминат калия, фтороборат калия, натрийалюминийфторид (например, Cyrolite®), фторид кальция, хлорид калия, дихлорид марганца, сульфид железа, сульфат калия, оксид кальция, оксид магния, оксид цинка, фосфат кальция, полифосфат кальция и борат цинка. Множество компонентов, пригодных для использования в качестве активных наполнителей, будет очевидным в свете раскрытия данного изобретения (например, соли металлов, оксиды и галогениды). Активные наполнители выступают в качестве диспергирующего средства для микроволокон и могут взаимодействовать с микроволокнами для достижения желаемых преимуществ. Такие преимущества, обусловленные взаимодействием выбранных активных наполнителей с микроволокнами, в основном включают, например, увеличение устойчивости к тепловым воздействиям микроволокон, а также улучшенную стойкость шлифовального круга и/или коэффицент шлифования. К тому же, реакции между волокнами и активными наполнителями успешно обеспечивают уменьшение осаждения металла на наружной поверхности при применении абразивов. Другие преимущества, вытекающие из синергичного взаимодействия между микроволокнами и наполнителями, станут очевидными в свете раскрытия сущности данного изобретения.
Таким образом, обеспечена композиция абразивного изделия, которая включает смесь стеклянных волокон и активных наполнителей. К преимуществам композиции относятся, например, улучшение характеристик измельчения для применения в грубом шлифовании. Шлифовальные инструменты, изготовленные с использованием данной композиции, имеют более высокую прочность по сравнению с неармированными или обычно используемыми инструментами и высокую температуру размягчения (например, примерно 1000°С) для улучшения термической устойчивости матрицы. К тому же, обеспечивается снижение коэффицента термического расширения матрицы по сравнению с обычно используемым инструментом, что приводит к улучшению термостойкости. Более того, взаимодействие между волокнами и активными наполнителями позволяет изменить режим кристаллизации активных наполнителей, что приводит к улучшению характеристик инструмента.
Ряд примеров армированных микроволокном абразивных композитов представлено для дальнейшей иллюстрации характеристик и преимуществ композитов абразивного инструмента, разработанного в соответствии с вариантами настоящего изобретения. В частности, Пример 1 иллюстрирует свойства брусков из связующего и композитных брусков с минеральной ватой и без нее; Пример 2 иллюстрирует зависимость свойств композита от качества смеси; Пример 3 иллюстрирует зависимость показателей характеристик измельчения от качества смеси; и Пример 4 иллюстрирует зависимость характеристик измельчения от активных наполнителей с минеральной ватой или без нее.
Пример 1:
Пример 1, который включает Таблицы 3, 4 и 5, демонстрирует свойства брусков из связующего и композитных брусков с минеральной ватой и без нее. Следует обратить внимание, что бруски из связующего не содержат абразива, тогда как композитные бруски включают абразив и отражают композицию шлифовального круга. В Таблице 3 представлены компоненты восьми образцов связующих композиций (в объемных процентах или об.%). Некоторые образцы связующих не включают армирующие компоненты (пример 1 и 5), некоторые включают молотые стеклянные волокна или рубленые пряди волокон (примеры 3, 4, 7 и 8) и некоторые включают минеральную вату Sloss PMF® (примеры 2 и 6) в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения. Также могут использоваться другие типы элементарных нитей волокон (например, керамическое или стеклянное волокно), что будет видно в свете раскрытия настоящего изобретения. Следует заметить, что коричневый плавленый глинозем (зерно 220) в связующем используется в качестве наполнителя в этих образцах связующего, но может также выполнять функции вторичного абразива (первичным абразивом может быть, например, экструдированный боксит, зерно 16). Кроме того, следует отметить, что Saran™ 506 является поливинлиденхлоридом, связующим агентом, производимым Dow Chemical Company, и коричневый плавленый глинозем был получен от Washington Mills.
| Таблица 3: Образцы связующих с минеральной ватой и без минеральной ваты | ||||||||
| Образцы | #1 | #2 | #3 | #4 | #5 | #6 | #7 | #8 |
| Компоненты | ||||||||
| Durez 29722 | 48.11 | 48.11 | 48.11 | 48.11 | 42.09 | 42.09 | 42.09 | 42.09 |
| Saran 506 | 2.53 | 2.53 | 2.53 | 2.53 | 2.22 | 2.22 | 2.22 | 2.22 |
| Коричневый плавленый глинозем - 220 зерно | 12.68 | 6.33 | 6.33 | 6.33 | 18.99 | 9.50 | 9.50 | 9.50 |
| Sloss PMF® | 6.33 | 9.50 | ||||||
| Измельченное стекловолокно | 6.33 | 9.50 | ||||||
| Рубленая стеклопряжа | 6.33 | 9.50 | ||||||
| Пирит | 20.4 | 20.4 | 20.4 | 20.4 | 20.4 | 20.4 | 20.4 | 20.4 |
| Хлорид/сульфат калия (60:40 шихта) | 9.8 | 9.8 | 9.8 | 9.8 | 9.8 | 9.8 | 9.8 | 9.8 |
| Известь | 6.5 | 6.5 | 6.5 | 6.5 | 6.5 | 6.5 | 6.5 | 6.5 |
Композиции набора образцов связующих с 1 по 4 Таблицы 3 являются одинаковыми, за исключением типа использующегося армирующего материала. В образцах 1 и 5, в которых армирующий материал отсутствует, содержание (об.%) наполнителя (в этом случае, коричневого плавленого глинозема) было соответственно увеличено. Таким же образом, композиции набора образцов с 5 по 8 Таблицы 3 являются одинаковыми, за исключением типа использующегося армирующего материала.
Таблица 4 иллюстрирует свойства брусков из связующего (без абразивного агента), включающие напряжение и модуль упругости (E-Mod) для каждого из восьми образцов Таблицы 3.
| Таблица 4: Свойства брусков из связующего (трехточечный изгиб) | ||||||||
| Образцы | #1 | #2 | #3 | #4 | #5 | #6 | #7 | #8 |
| Напряжение (МПа) | 90.1 | 115.3 | 89.4 | 74.8 | 103.8 | 118.4 | 97 | 80.7 |
| Среднеквадратичное отклонение (МПа) | 8.4 | 8.3 | 8.6 | 17 | 8 | 6.5 | 8.6 | 10.8 |
| Модуль упругости (МПа) | 17831 | 17784 | 17197 | 16686 | 21549 | 19574 | 19191 | 19131 |
| Среднеквадратичное отклонение (МПа) | 1032 | 594 | 1104 | 1360 | 2113 | 1301 | 851 | 1242 |
Таблица 5 иллюстрирует свойства композитных брусков (которые включают связующие Таблицы 3 и абразив, такой как экструдированный боксит), включающие напряжение и модуль упругости (E-Mod) для каждого из восьми образцов Таблицы 3. Как видно в каждой из Таблиц 4 и 5, связующее/композит, армированные минеральной ватой, (примеры 2 и 6) имеют большую прочность по сравнению с другими представленными образцами.
| Таблица 5: Свойства композитных брусков (трехточечный изгиб) | ||||||||
| Образцы | #1 | #2 | #3 | #4 | #5 | #6 | #7 | #8 |
| Напряжение (МПа) | 59.7 | 66.4 | 61.1 | 63.7 | 50.1 | 58.2 | 34 | 34 |
| Среднеквадратич. отклон. (МПа) | 8.1 | 10.2 | 8.5 | 7.2 | 9.8 | 4.6 | 4.4 | 4.1 |
| Модуль упругости (МПа) | 6100 | 6236 | 6145 | 6199 | 5474 | 5544 | 4718 | 4427 |
| Среднеквадратич.отклон.(МПа) | 480 | 424 | 429 | 349 | 560 | 183 | 325 | 348 |
В каждом из образцов абразивного композита с 1 по 8, примерно 44 об.% является связующим (включая упомянутые компоненты связующего, за вычетом абразива), и примерно 56 об.% являются абразивом (например, экструдированный боксит или другие пригодные абразивные зерна). К тому же, небольшое, но достаточное количество фурфурола (примерно 1 об.% или менее общего количества абразива) было использовано для смачивания абразивных частиц. Композиции образцов с 1 по 8 были смешаны с абразивными зернами, которые предварительно были выдержаны в смачивателе фурфуроле в течение 2 часов перед формованием. Каждая смесь была предварительно взвешена и затем перенесена в форму, имеющую три полости (26 мм×102.5 мм) (1.5 мм×114.5 мм) и прессована на горячем прессе при 160°С в течение 45 минут под давлением 140 кг/см2, затем подвергалась отжигу в течение 18 часов в конвекционной печи при 200°С. Полученные композитные арматуры были испытаны в трех точках изгиба (5:1 отношение длины прогиба к высоте) с использованием стандарта ASTM D790-03.
Пример 2:
Пример 2, который включает Таблицы 6, 7 и 8, иллюстрирует зависимость свойств композита от качества смеси. Как видно из Таблицы 6, представлены компоненты восьми образцов композиций (в об.%). Образец А не включает армирующего компонента, и образцы от В до Н включают минеральную вату Sloss PMF® в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения. Другие типы микроволокна, состоящие из элементарных нитей (например, керамическое или стеклянное волокно), также могут использоваться, как описано выше. Связующий материал примера А включает карбид кремния (зерно 220) в качестве наполнителя, и связующие образцов от В до Н в качестве наполнителя используют коричневый плавленый глинозем (зерно 220). Как было отмечено ранее, такие наполнители способствуют диспергированию и могут также выступать в качестве вторичных абразивов. В каждом из образцов от А до Н в качестве первичного абразива используется комбинация коричневого плавленого глинозема зерна 60 и зерна 80. Следует заметить, что со связующим может смешиваться зерно первичного абразива одного размера, и размер зерна может изменяться (например, от зерна 6 до зерна 220) в зависимости от таких факторов, как желаемая скорость снятия и качество обработки поверхности.
| Таблица 6: Примеры композитов с минеральной ватой и без минеральной ваты | ||||||||
| Образцы | А | В | С | D | Е | F | G | Н |
| Компоненты | ||||||||
| Durez 29722 | 17.77 | 16.88 | 16.88 | 16.88 | 16.88 | 16.88 | 16.88 | 16.88 |
| Saran 506 | 1.69 | 1.57 | 1.57 | 1.57 | 1.57 | 1.57 | 1.57 | 1.57 |
| Карбид кремния - 220 зерно | 5.92 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 | 0.00 |
| Коричневый плавленый глинозем - 220 зерно | 0.00 | 3.98 | 3.98 | 3.98 | 3.98 | 3.98 | 3.98 | 3.98 |
| Sloss PMF® | 0.00 | 3.81 | 3.81 | 3.81 | 3.81 | 3.81 | 3.81 | 3.81 |
| Серный колчедан | 10.15 | 9.64 | 9.64 | 9.64 | 9.64 | 9.64 | 9.64 | 9.64 |
| Сульфат калия | 4.23 | 4.02 | 4.02 | 4.02 | 4.02 | 4.02 | 4.02 | 4.02 |
| Известь | 2.54 | 2.41 | 2.41 | 2.41 | 2.41 | 2.41 | 2.41 | 2.41 |
| Коричневый плавленый глинозем - 60 зерно |
28.5 | 28.5 | 28.5 | 28.5 | 28.5 | 28.5 | 28.5 | 28.5 |
| Коричневый плавленый глинозем - 80 зерно | 28.5 | 28.5 | 28.5 | 28.5 | 28.5 | 28.5 | 28.5 | 28.5 |
| Фурфурол | ~1 мас.% или менее всего абразива |
Можно видеть, что образцы от В до Н являются одинаковыми по составу. В образце А, в котором отсутствует армирующий компонент, объемное содержание (об.%) других связующих компонентов соответственно увеличено, как показано в Таблице 6.
| Таблица 7: Зависимость свойств композита от способа смешивания | ||||||||
| Образцы | А | В | С | D | E | F | G | H |
| Способ смешивания | Hobartwith Paddle | Hobart with Paddle | Hobart with Wisk | Hobart w/Paddl &Interlator@6500 об/мин | Eirich | Interlator@3500 об/мин | Interlator@6500 об/мин | Eirich& Interlator @3500 об/мин |
| Время смешивания | 30 мин | 30 мин | 30 мин | 30 мин | 15 мин | - | - | 15 мин |
| Недиспергированная минеральная вата | - | 0.9 г | 0.6 г | 0 | 0.5 | 0 | 0 | 0 |
Таблица 7 показывает способы смешивания, использовавшиеся для каждого образца. Каждый из образцов А и В смешивался с течение 30 минут мешалкой Hobart с лопастями. Образец С смешивался в течение 30 минут мешалкой Hobart with Wisk. Образец D смешивался в течение 30 минут мешалкой Hobart с лопастями и затем обрабатывался Interlator (или другим пригодным устройством Hammermill) при 6500 об/мин. Образец Е смешивался в течение 15 минут мешалкой Eirich. Образец F обрабатывался через Interlator при 3500 об/мин. Образец G пропускался через Interlator при 6500 об/мин. Образец Н смешивался в течение 15 минут мешалкой Eirich и затем пропускался через Interlator при 3500 об/мин. Тест на диспергирование использовался для оценки количества не диспергированной минеральной ваты для каждого из образов от В до Н. Тест на диспергирование состоял в следующем: количество остатка, образованного от 100 грамм смеси, встряхивалось в течение одной минуты с помощью метода Rototap путем просеивания через сито №20. Как можно видеть, наблюдалось, что образец В имеет 0.9 грамм осадка минеральной ваты, оставшейся на экране сита, образцы С имеют 0.6 грамм остатка, и образец Е 0.5 грамм остатка. Каждый из образцов D, F, G и Н не имели значительного количества остатка на поверхности сита. Таким образом, могут использоваться различные способы смешивания в зависимости от желаемой степени диспергирования минеральной ваты.
Образцы композиций от А до Н были смешаны с абразивными зернами, которые были предварительно выдержаны в смачивателе фурфуроле в течение 2 часов перед формованием. Каждая смесь была предварительно взвешена и перенесена в форму, имеющую 3 полости (26 мм×102.5 мм) (1.5 мм×114.5 мм) и подвергалась горячему прессованию при 160°С в течение 45 минут под давлением 140 кг/см2, за которым следовало отверждение в течение 18 часов в конвекционной печи при 200°С. Полученные композитные арматуры испытывались в трех точках изгиба (5:1 отношение длины прогиба к высоте) с использованием стандарта ASTM D790-03.
| Таблица 8: Средние значения и среднеквадратичные отклонения | ||||||
| Образцы | № тестов | Среднее значение | Среднее отклонение | Среднеквадратическая погрешность | Нижний 95% | Верхний 95% |
| А | 18 | 77.439 | 9.1975 | 2.1679 | 73.16 | 81.72 |
| В | 18 | 86.483 | 9.2859 | 2.1887 | 82.16 | 90.81 |
| С | 18 | 104.133 | 10.2794 | 2.4229 | 99.35 | 108.92 |
| D | 18 | 126.806 | 5.9801 | 1.4095 | 124.02 | 129.59 |
| Е | 18 | 126.700 | 5.5138 | 1.2996 | 124.13 | 129.27 |
| F | 18 | 127.678 | 4.2142 | 0.9933 | 125.72 | 129.64 |
| G | 18 | 122.983 | 4.8834 | 1.1510 | 120.71 | 125.26 |
| Н | 33 | 123.100 | 6.4206 | 1.1177 | 120.89 | 125.31 |
Фигура представляет собой односторонний ANOVA анализ прочности композита для каждого из образцов от А до Н. Таблица 8 иллюстрирует средние значения и стандартные отклонения. Среднеквадратичная погрешность использует суммарную оценку дисперсии ошибок. Как можно заметить, прочность композита для каждого из образцов от В до Н (каждый армирован минеральной ватой в соответствии с вариантом настоящего изобретения) значительно лучше, чем не армированного образца А.
Пример 3:
Пример 3, который включает Таблицы 9 и 10, иллюстрирует зависимость характеристик измельчения от качества смеси. Как видно в Таблице 9, представлены компоненты двух примеров рецептур смеси (в об.%). Рецептуры являются одинаковыми, за исключением того, что Рецептура 1 смешивалась в течение 45 минут и Рецептура 2 смешивалась в течение 15 минут (способы смешивания были также одинаковыми, за исключением времени смешивания, как отмечено выше). Каждая рецептура включает минеральную вату Sloss PMF® в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения. Другие типы элементарной нити микроволокна (например, стеклянное или керамическое волокно) также могут использоваться, как описано ранее.
| Таблица 9: Зависимость характеристик измельчения от качества смеси | |||
| Последовательность | Компоненты | Рецептура 1 (об.%) | Рецептура 2 (об.%) |
| Стадия 1: Приготовление связующего | Durez 29722 | 22.38 | 22.38 |
| Коричневый плавленый глинозем- зерно 220 | 3.22 | 3.22 | |
| Sloss PMF® | 3.22 | 3.22 | |
| Серный колчедан | 5.06 | 5.06 | |
| Сульфид цинка | 1.19 | 1.19 | |
| Криолит | 3.28 | 3.28 | |
| Известь | 1.19 | 1.19 | |
| Tridecyl alcohol | 1.11 | 1.11 | |
| Стадия 2: Смешивание | 45 минут | 15 минут | |
| Оценка качества связующего | Мас.% не диспергированной минеральной ваты методом Rotatop | 1.52 | 2.36 |
| Стадия 3: Приготовление композита | Абразивы | 48 | 48 |
| Varcum 94-906 | 4.37 | 4.37 | |
| Фурфурол | 1 мас.% общего количества абразива | ||
| Стадия 4: Заполнение формы и холодное прессование |
Пористость | 8% | 8% |
| Стадия 5: Отжиг | 30 ч подъем до 175°С с последующей выдержкой в течение 17 ч при 175°С |
Как видно из Таблицы 9, последовательность производства микроволокна, армированного абразивным композитом, разработанным в соответствии с одним вариантом настоящего изобретения, включает пять стадий: приготовление связующего; смешивание, приготовление композита; заполнение формы и холодное прессование; и отжиг.Оценка качества связующего была сделана после приготовления связующего и стадий смешивания. Как обсуждалось ранее, одним из способов оценки качества связующего является проведение тестов на диспергирование для определения массового процентного содержания недиспергированной минеральной ваты с помощью Rototap метода. В этом конкретном случае Rotatop метод включал добавление 50 г-100 г образца связующего в 40 ячеечный экран и измерение количества, оставшегося на 40 ячеечном экране через 5 минут встряхивания на Rotatop. Абразивом, использовавшимся в обеих рецептурах на стадии 3, являлся эктрудированный боксит (зерно 16). Коричневый плавленый глинозем (зерно 220) используется в качестве наполнителя в приготовлении связующего на стадии 1, но он может выступать в качестве вторичного абразива, как пояснялось ранее. Следует заметить, что Varcum 94-906 является резолом на основе фурфурола, который имеется в наличии у Durez Corporation.
Таблица 10 иллюстрирует характеристики измельчения армированных шлифовальных кругов, сделанных по Рецептуре 1 и Рецептуре 2, при разной скорости резки, включая 0.75,1.0 и 1.2 сек/рез.
| Таблица 10: Иллюстрация характеристик измельчения | ||||
| Рецептура | Скорость резки (сек/рез) | (MRR) Скорость удаления материала (куб.дюйм/мин) | (WWR) Скорость износа круга (куб.дюйм/мин) | G-Ratio Коэффицент шлифования |
| Рецептура 1 | 0.75 | 31.53 | 4.35 | 6.37 |
| Рецептура 1 | 1.0 | 23.54 | 3.29 | 7.15 |
| Рецептура 1 | 1.2 | 19.97 | 2.62 | 7.63 |
| Рецептура 2 | 0.75 | 31.67 | 7.42 | 4.27 |
| Рецептура 2 | 1.0 | 23.75 | 4.96 | 4.79 |
| Рецептура 2 | 1.2 | 19.88 | 3.64 | 5.47 |
Как видно, скорости удаления материала (MRR) Рецептуры 1, которые измерены в кубических дюймах за минуту, были относительно идентичны Рецептуре 2. Однако скорость износа круга (WWR) Рецептуры 1, измеренная в кубических дюймах за минуту, каждый раз была ниже, чем Рецептура 2. Кроме того, следует заметить, что коэффицент шлифования Рецептуры 1, который рассчитывался путем деления MRR на WWR, каждый раз был выше, чем Рецептуры 2. Напомним, что в Таблице 9 образец связующего Рецептуры 1 смешивался в течение 45 минут, и Рецептуры 2 в течение 15 минут. Таким образом, время смешивания имеет прямую зависимость от характеристик измельчения. В этом конкретном примере использующееся для Рецептуры 2 время смешивания в течение 15 минут было фактически недостаточным по сравнению с улучшенными характеристиками Рецептуры 1 и его времени смешивания в течение 45 минут.
Пример 4:
Пример 4, который включает Таблицы 11, 12 и 13, иллюстрирует зависимость характеристик измельчения от активных наполнителей с минеральной ватой или без минеральной ваты. Как видно из Таблицы 11, представлены компоненты четырех образцов композитов (в об.%). Образцы композитов А и В являются идентичными, за исключением того, что образец А включает рубленые пряди волокна, и не включает коричневый плавленый глинозем (зерно 220) или минеральную вату Sloss PMF®. Пример В, напротив, включает минеральную вату Sloss PMF® и плавленый глинозем (зерно 220), и не включает рубленые пряди волокна. Плотность композиции (которая измеряется в граммах на кубический сантиметр) для образца В немного выше по сравнению с образцом А. Образцы композитов С и D являются идентичными, за исключением того, что образец С включает рубленые пряди волокна и не включает минеральную вату Sloss PMF®. Образец D, напротив, включает минеральную вату Sloss PMF® и не включает рубленые пряди волокна. Плотность композита для образца С немного выше по сравнению с образцом D. К тому же, небольшое, но достаточное количество фурфурола (примерно 1 об.% или менее общего объема абразива) было использовано для смачивания абразивных частиц, которые в этом случае являлись зернами глинозема для образцов С и D и зернами алюминий-цирконий для образцов А и В.
| Таблица 11: Зависимость характеристик измельчения от активных наполнителей | ||||
| Компонент | Состав композита (об.%) | |||
| А | В | С | D | |
| Зерна алюминия | 0.00 | 0.00 | 52.00 | 52.00 |
| Зерна алюминий-цирконий | 54.00 | 54.00 | 0.00 | 0.00 |
| Durez 29722 | 20.52 | 20.52 | 19.68 | 19.68 |
| Пирит | 7.20 | 7.20 | 8.36 | 8.36 |
| Сульфат калия | 0.00 | 0.00 | 3.42 | 3.42 |
| Хлорид калия/Сульфат калия (смесь 60:40) | 3.60 | 3.60 | 0.00 | 0.00 |
| МКС-8 | 3.24 | 3.24 | 3.42 | 3.42 |
| Гидроокись кальция | 1.44 | 1.44 | 1.52 | 1.52 |
| Коричневый плавленый глинозем - зерно 220 | 0.00 | 3.52 | 0.00 | 0.00 |
| Пористость | 2.00 | 2.00 | 2.00 | 2.00 |
| Sloss PMF® | 0.00 | 8.00 | 0.00 | 8.00 |
| Рубленые пряди волокна | 8.00 | 0.00 | 8.00 | 0.00 |
| Фурфурол | 1 мас.% всего абразива | |||
| Плотность, т/см3 | 3.07 | 3.29 | 3.09 | 3.06 |
| Размер круга (мм) | 760×76×203 | 760×76×203 | 610×63×203 | 610×63×203 |
Таблица 12 иллюстрирует тестирования, проведенные для сравнения характеристик измельчения между образцами В и D, каждый из которых был приготовлен со смесью минеральной ваты и образцом активного наполнителя дихлорида марганца (MCK-S, имеющийся в наличии у Washington Mills), и между образцами А и С, которые были приготовлены с рублеными прядями вместо минеральной ваты.
| Таблица 12: Иллюстрация характеристик измельчения | ||||||
| № теста | Образец | Материал плит | (MRR) Скорость удаления материала (кг/час) | (WWR) Скорость износа круга (дм3/час) | G-ratio Коэффицент шлифования (кг/дм3) | Процент улучшения |
| 1 | А | Аустенитная нержавеющая сталь | 193.8 | 0.99 | 196 | 27.77% |
| В | 222.6 | 0.89 | 250 | |||
| 2 | А | Ферритная нержавеющая сталь | 210 | 1.74 | 121 | 27.03% |
| В | 208.5 | 1.36 | 153 | |||
| 3 | С | Аустенитная нержавеющая сталь | 833.1 | 4.08 | 204 | 35.78% |
| D | 808.8 | 2.92 | 277 | |||
| 4 | С | Углеродистая сталь | 812.4 | 2.75 | 296 | 30.07% |
| D | 784.1 | 2.03 | 385 |
Как можно видеть, шлифовальные круги, изготовленные из каждого образца, были использованы для шлифовки различных рабочих деталей, называемых заготовками. В частности, образцы А и В были протестированы на заготовках, изготовленных из аустенитной нержавеющей стали и ферритной нержавеющей стали, и образцы С и D были протестированы на заготовках, изготовленных из аустенитной нержавеющей стали и углеродистой стали. Как можно видеть далее в Таблице 12, использование смеси минеральной ваты и дихлорида марганца в образцах В и D обеспечивает примерно от 27% до 36% улучшения по сравнению с образцами А и С (изготовленными с рубленой прядью вместо минеральной ваты). Это ясно показывает улучшения характеристик измельчения благодаря положительной реакции между минеральной ватой и наполнителем (в этом случае дихлоридом марганца). Такой положительной реакции не происходит в комбинации рубленой пряди и дихлорида марганца. В Таблице 13 представлен перечень условий при которых были протестированы композиты от А до D.
| Таблица 13: Иллюстрация условий измельчения | |||
| Номер теста | Мощность измельчителя (кВт) | Материал плит | Состояние плит |
| 1 | Первый проход при 120 с последующим 85 | Аустенитная нержавеющая сталь | Холодное |
| 2 | Первый проход при 120 с последующим 85 | Ферритная нержавеющая сталь | Холодное |
| 3 | 105 | Аустенитная нержавеющая сталь | Горячее |
| 4 | 105 | Углеродистая сталь | Горячее |
Вышеприведенное описание вариантов изобретения представлено с целью иллюстрации. Данное описание не предполагается быть исчерпывающим или ограничивающим изобретение рамками раскрытия изобретения. Множество модификаций и вариантов возможны в свете раскрытия данного изобретения. Предполагается, что объем изобретения ограничивается не данным подробным описанием, но в большей степени формулой изобретения.
1. Композиция для абразивного изделия, содержащая органический связующий материал, абразивный материал, диспергированный в органическом связующем материале, и множество микроволокон, равномерно диспергированных в органическом связующем материале, причем микроволокна представляют собой элементарные нити, имеющие среднюю длину менее, чем 1000 мкм.
2. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что органический связующий материал выбран из термоотверждающейся смолы, термопластичной смолы или каучука.
3. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что органический связующий материал представляет собой фенолоальдегидную смолу.
4. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что микроволокна являются органическими.
5. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что микроволокна являются неорганическими.
6. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что микроволокна выбраны из стеклянных волокон, керамических волокон, углеродных волокон, арамидных волокон и полиамидных волокон или их смесей.
7. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что микроволокна включают волокна минеральной ваты.
8. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что микроволокна включают, по меньшей мере, одни из волокон шлаковаты, асбестовой ваты и базальтовой ваты.
9. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что микроволокна имеют среднюю длину в диапазоне от 100 до 500 мкм, и диаметр менее, чем примерно 10 мкм.
10. Композиция по п.1, дополнительно включающая один или более активный наполнитель, который взаимодействует с микроволокнами с тем, чтобы улучшить свойства абразивной обработки.
11. Композиция по п.10, отличающаяся тем, что один или более активных наполнителей выбирают из соединений марганца, серебра, бора, фосфора, меди, железа, цинка и их комбинаций.
12. Композиция по п.10, отличающаяся тем, что активный наполнитель включает дихлорид марганца.
13. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она содержит от 10 до 50% по объему органического связующего материала, от 30 до 65% по объему абразивного материала и от 1 до 20% по объему микроволокна.
14. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она содержит от 25 до 40% по объему органического связующего материала, от 50 до 60% по объему абразивного материала и от 2 до 10% по объему микроволокна.
15. Композиция по п.1, отличающаяся тем, что она содержит от 30 до 40% по объему органического связующего материала, от 50 до 60% по объему абразивного материала и от 3 до 8% по объему микроволокна.
16. Композиция по п.11, отличающаяся тем, что абразивное изделие представляет собой круг.
17. Абразивное изделие, содержащее органический связующий материал, включающий один из термоотверждающейся смолы, термопластичной смолы или каучука, абразивный материал, диспергированный в органическом связующем материале, и множество микроволокон, равномерно диспергированных в органическом связующем материале, причем микроволокна представляют собой элементарные нити, имеющие среднюю длину менее, чем примерно 1000 мкм, и диаметр менее, чем примерно 10 мкм, отличающееся тем, что оно содержит от 10 до 50% по объему органического связующего материала, от 30 до 65% по объему абразивного материала и от 1 до 20% по объему микроволокон.
18. Изделие по п.17, отличающееся тем, что микроволокна выбраны из стеклянных волокон, керамических волокон, углеродных волокон, арамидных волокон и полиамидных волокон и их смесей.
19. Изделие по п.17, отличающееся тем, что микроволокна включают волокна минеральной ваты.
20. Изделие по п.17, отличающееся тем, что микроволокна включают, по меньшей мере, одно из волокон шлаковаты, волокон асбестовой ваты и волокон базальтовой ваты.
21. Изделие по п.17, дополнительно содержащее один или более активных наполнителей, которые взаимодействуют с микроволокнами с тем, чтобы улучшить свойства абразивной обработки.
22. Изделие по п.21, отличающееся тем, что один или более активных наполнителей выбраны из соединений марганца, серебра, бора, фосфора, меди, железа, цинка и их комбинаций.
23. Изделие по п.21, отличающееся тем, что активный наполнитель включает дихлорид марганца.
24. Способ абразивной обработки рабочей детали, который включает закрепление рабочей детали на станке, предназначенном для абразивной обработки, присоединение абразивного изделия к станку, при этом абразивное изделие содержит органический связующий материал, абразивный материал, диспергированный в органическом связующем материале, множество микроволокон, равномерно диспергированных в органическом связующем материале, причем микроволокна представляют собой элементарные нити, имеющие среднюю длину менее чем примерно 1000 мкм, и приведение в контакт абразивного изделия с поверхностью рабочей детали.
25. Способ по п.24, отличающийся тем, что микроволокна выбраны из стеклянных волокон, керамических волокон, углеродных волокон, арамидных волокон и полиамидных волокон и их смесей.
26. Способ по п.24, отличающийся тем, что микроволокна включают волокна минеральной ваты.
27. Способ по п.24, отличающийся тем, что микроволокна включают, по меньшей мере, одно из волокон шлаковаты, волокон асбестовой ваты и волокон базальтовой ваты.
28. Способ по п.24, отличающийся тем, что абразивное изделие дополнительно содержит один или более активных наполнителей, которые взаимодействуют с микроволокнами с тем, чтобы улучшить свойства абразивной обработки.
29. Способ по п.24, отличающийся тем, что один или более активных наполнителей выбирают из соединений марганца, серебра, бора, фосфора, меди, железа, цинка и их комбинаций.
30. Способ по п.28, отличающийся тем, что активный наполнитель включает дихлорид марганца.
