Состав абразивной массы для изготовления высокоструктурного инструмента
Владельцы патента RU 2493956:
Открытое акционерное общество "Волжский абразивный завод" (RU)
Изобретение относится к производству абразивных инструментов на керамических связках с высокими номерами структуры. Абразивная масса включает смесь абразивных зерен c различной зернистостью, размеры которых составляют 60-160 мкм и 160-420 мкм, при этом объемное содержание абразивных зерен с меньшей зернистостью составляет 5-100 % от объемного содержания абразивных зерен с большей зернистостью. Наполнитель представляет собой смесь полых сферических частиц из алюмосиликата размером в диапазоне от 85 до 560 мкм в количестве 5-100 об.% абразива с большей зернистостью. В процессе затвердевания расплавленной керамической связки при обжиге абразивного инструмента повышенное количество твердых тугоплавких зерен способствует однородной по объему инструмента кристаллизации связки с образованием более коротких мостиков связки между абразивными зернами. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 8 пр.
Изобретение относится к производству абразивных инструментов на керамических связках с высокими номерами структуры.
Из уровня техники известна масса для изготовления высокопористого абразивного инструмента, содержащая жаростойкий наполнитель в виде полых сферических частиц из электрокорунда, причем величина сферических частиц равна 0,45-0,65 величины абразивных зерен при содержании последних 30-37 об.% (Авторское свидетельство №1073082, В24D 3/14, 1984 г.)
Основным недостатком абразивных инструментов, изготовленных из указанного состава, является то, что повышенная пористость достигается за счет увеличения содержания жаростойкого сферического наполнителя, что, в свою очередь, уменьшает твердость абразивного инструмента. Это приводит к повышенному износу инструмента при форсированных режимах обработки.
Наиболее близким решением по технической сути и достигаемому результату является масса для изготовления абразивного инструмента, включающая абразив, керамическую связку и наполнитель в виде полых сферических частиц из алюмосиликата в виде смеси частиц размером от 5 до 560 мкм в количестве 2-200 об.% абразива. Дополнительно масса может содержать выгорающий наполнитель в количестве 5-250% объемного содержания алюмосиликатного наполнителя и наполнитель в виде полых сферических частиц из легкоплавкого стекла в количестве 5-100% объемного содержания алюмосиликатного наполнителя как по отдельности, так и в смеси двух наполнителей с суммарным содержанием от 5 до 250% объемного содержания алюмосиликатного наполнителя (см. Патент РФ №2152298, B24D 3/18, 2000 г.)
Результатами исследования технологичности изготовления шлифовальных кругов на основе электрокорунда белого и карбида кремния зеленого установлено, что применение составов абразивных масс в известном техническом решении целесообразно только для производства инструмента с номерами структуры до 12, то есть при объемном содержании абразива не менее 38%. При изготовлении абразивного инструмента с более высокими номерами структуры его объемная деформация (усадка) после высокотемпературного обжига достигает критических значений, при которых создаются предпосылки для появления трещин и возможного разрушения шлифовальных кругов (Старков В.К. «Шлифование высокопористыми кругами», М., Машиностроение, 2007, стр.207). При повышении номера структуры инструмента до 22 объемная деформация инструмента, изготовленного с использованием наполнителя в виде полых сферических частиц из алюмосиликата и легкоплавкого стекла в смеси с выгорающим наполнителем в виде молотых фруктовых косточек по прототипу, может достигнуть 38,1% (Старков В.К. «Шлифование высокопористыми кругами», М., Машиностроение, 2007, стр.208).
Недостатком шлифовальных кругов, изготовленных на основе абразивной массы, содержащей полые сферические частицы из алюмосиликата в виде смеси частиц с размерами от 5 до 560 мкм, является также то, что в ее составе находится 20-29% алюмосиликатных частиц с размерами от 5 до 84 мкм. Указанные мелкоразмерные частицы алюмосиликата из-за отсутствия в них внутренней полости обладают повышенной плотностью в сравнении с алюмосиликатными частицами более крупных размеров, склонны к сегрегации в процессе приготовления (смешивания) абразивной массы, при высокотемпературном обжиге инструмента не расплавляются и мигрируют по жидкой связке под действием силы тяжести к нижней поверхности установленного на поддоне инструмента. По указанным причинам введение в абразивную массу алюмосиликатных частиц размером от 5 до 84 мкм негативно отражается на стабильности твердости в объеме инструмента и способствует формированию повышенных величин его неуравновешенности масс (дисбаланса).
Технически не представляет трудностей удаление из готового продукта в виде алюмосиликатных частиц размером от 5 до 560 мкм его мелкой фракции размером от 5 до 84 мкм дополнительным рассевом.
Для повышения номера структуры абразивного инструмента или его структурности необходимо уменьшать объемное содержание абразива в массе для его изготовления. Для снижения возрастающей деформации абразивного инструмента при уменьшении содержания абразива в нем необходимо компенсировать его отсутствие дополнительным введением наполнителей.
Техническим результатом является улучшение технологичности изготовления инструмента по таким характеристикам, как прочность сырца, объемная деформация при обжиге и стабильность твердости по объему инструмента.
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что в составе абразивной массы для изготовления высокоструктурного абразивного инструмента, включающем абразив, керамическую связку, клеящие и увлажняющие добавки и наполнитель, согласно изобретению, абразив состоит из смеси абразивных зерен двух различных зернистостей, с размерами в пределах 60-160 мкм и размерами 160-420 мкм, при этом объемное содержание абразивных зерен с меньшей зернистостью составляет 5-100% от объемного содержания абразивных зерен с большей зернистостью, кроме того наполнитель представляет собой смесь полых сферических частиц из алюмосиликата размером в диапазоне от 85 до 560 мкм в количестве 5-100 об.% абразива с большей зернистостью.
Целесообразно, чтобы состав содержал выгорающий наполнитель в количестве 5-50% объемного содержания абразива с большей зернистостью.
При наличии в составе абразивной массы абразива в виде абразивных зерен двух зернистостей их количество при общем постоянном объемном содержании в отличие от абразива с одной зернистостью увеличивается и тем больше, чем меньше вторая зернистость абразива (по размерам зерен) и больше ее относительная доля.
В процессе затвердевания расплавленной керамической связки при обжиге абразивного инструмента повышенное количество твердых тугоплавких зерен способствует однородной по объему инструмента кристаллизации связки с образованием более коротких мостиков связки между абразивными зернами.
При заданном номере структуры, который определяет объемное содержание абразива в инструменте, и заданной его базовой зернистости, величина которой зависит от технологических требований к обработке, введение дополнительной меньшей по размерам зерен зернистости абразива в сочетании с наполнителем в виде полых частиц, позволяет формировать объемный каркас из абразивных зерен и алюмосиликатных частиц наполнителя, закрепленных керамической связкой и клеящими добавками, устойчивого к объемной деформации инструмента при его сушке и обжиге с однородным распределением абразивных зерен и мостиков связки в объеме инструмента.
Примеры использования заявленного состава приведены ниже.
Пример 1.
Абразивная масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 400 мкм (зернистость F46) и размером 120 мкм (зернистость F100) со структурой N=8 на характеристику 25A F46/F100 N 8 V состоит из следующих компонентов, об.%:
| Абразивное зерно марки 25А с размером 400 мкм (зернистость F46) | 40 |
| Абразивное зерно марки 25А с размером 120 мкм (зернистость F100) | 6 |
| Относительное содержание зерна с размером 120 мкм (зернистость F100) | |
| к содержанию зерна с размером 400 мкм (зернистость F46) | 15% |
| Керамическая связка К5С | 10 |
| Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель) | |
| в виде смеси частиц с размерами от 85 до 560 мкм | 5 |
| Клеящие и увлажняющие добавки | 13,6 |
Пример 2.
Абразивная масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) и размером 100 мкм (зернистость F120) со структурой N=8 на характеристику 25A F80/F120 М 8 V состоит из следующих компонентов, об.%:
| Абразивное зерно марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) | 43,8 |
| Абразивное зерно марки 25А с размером 100 мкм (зернистость F120) | 2,2 |
| Относительное содержание зерна с размером 100 мкм (зернистость F120) | |
| к содержанию зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) | 5% |
| Керамическая связка К5С | 11 |
| Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель) | |
| в виде смеси частиц с размерами от 85 до 560 мкм | 3 |
| Клеящие и увлажняющие добавки | 14,1 |
Пример 3.
Абразивная масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 200 мкм (зернистость F70) и микрокристаллического корунда, изготовленного по золь-гелевой (SG) технологии, с размером 160 мкм (зернистость F80) со структурой N=9 на характеристику 25А F70/SG F80 K 9 V состоит из следующих компонентов, об.%:
| Абразивное зерно марки 25А с размером 200 мкм (зернистость F70) | 22 |
| Абразивное зерно марки SG с размером 160 мкм (зернистость F80) | 22 |
| Относительное содержание зерна с размером 200 мкм (зернистость F70) | |
| к содержанию зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) | 100% |
| Керамическая связка FK53 | 9,5 |
| Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель) | |
| в виде смеси частиц с размерами от 85 до 560 мкм | 4,5 |
| Клеящие и увлажняющие добавки | 13,5 |
Пример 4.
Абразивная масса для изготовления шлифовального круга из карбида кремния зеленого марки 64С с размером 250 мкм (зернистость F60) и с размером 160 мкм (зернистость F80) со структурой N=8 на характеристику 64С F60/F80 J 8 V состоит из следующих компонентов, об.%:
| Абразивное зерно марки 64С с размером 250 мкм (зернистость F60) | 30 |
| Абразивное зерно марки 64С с размером 160 мкм (зернистость F80) | 16 |
| Относительное содержание зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) | |
| к содержанию зерна с размером 250 мкм (зернистость F60) | 53% |
| Керамическая связка К33 | 16 |
| Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель) | |
| в виде смеси частиц с размерами от 85 до 560 мкм | 4 |
| Клеящие и увлажняющие добавки | 9,5 |
В абразивную массу с высокими номерами структуры может дополнительно вводиться в качестве наполнителя выгорающий при температуре обжига инструмента наполнитель в виде молотых фруктовых косточек.
Выгорающий наполнитель, содержание которого составляет 5-50% объемного содержания абразива с наибольшей зернистостью, при перемешивании абразивной массы в процессе ее приготовления способствует более равномерному распределению в объеме абразивных зерен и дисперсных частиц керамической связки. Выгорая в процессе обжига инструмента, он создает открытую пористость, объем которой пропорционален количеству вводимого порообразующего наполнителя. Поры на рабочей поверхности за счет улучшения охлаждения и складирования стружки повышают эффективность обработки.
Техническим результатом введения выгорающего наполнителя в сочетании с использованием абразива двух зернистостей и наполнителя в виде алюмосиликатных полых сферических частиц является улучшение технологических свойств абразивной массы и эксплуатационных свойств инструмента (например, повышение разрывной прочности).
Важным результатом является также обеспечение значений объемной деформации абразивного инструмента с высокими номерами структуры до N=22 на уровне, приемлемом для их экономичного серийного производства.
Возможные примеры составов абразивной массы с дополнительным введением в нее выгорающего наполнителя излагаются ниже.
Пример 5.
Абразивная масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 400 мкм (зернистость F46) и с размером 120 мкм (зернистость F100) со структурой N=10 на характеристику 25A F46/F100 N 10 V состоит из следующих компонентов, об.%:
| Абразивное зерно марки 25А с размером 400 мкм (зернистость F46) | 38 |
| Абразивное зерно марки 25А с размером 120 мкм (зернистость F100) | 4 |
| Относительное содержание зерна с размером 120 мкм (зернистость F100) | |
| к содержанию зерна с размером 400 мкм (зернистость F46) | 10,5% |
| Керамическая связка К5С | 10,4 |
| Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель) | |
| в виде смеси частиц с размерами от 85 до 560 мкм | 7 |
| Фруктовая косточка КФ40 (выгорающий наполнитель) | 2,5 |
| Клеящие и увлажняющие добавки | 13,6 |
Пример 6.
Абразивная масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) и с размером 100 мкм (зернистость F120) со структурой N=10 на характеристику 25A F80/F120 М 10 V состоит из следующих компонентов, об.%:
| Абразивное зерно марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) | 39 |
| Абразивное зерно марки 25А с размером 100 мкм (зернистость F120) | 3 |
| Относительное содержание зерна с размером 100 мкм (зернистость F120) | |
| к содержанию зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) | 7,7% |
| Керамическая связка К5С | 11 |
| Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель) | |
| в виде смеси частиц с размерами от 85 до 560 мкм | 5,1 |
| Фруктовая косточка КФ40 (выгорающий наполнитель) | 2 |
| Клеящие и увлажняющие добавки | 14,5 |
Пример 7.
Абразивная масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 250 мкм (зернистость F60) и с размером 160 мкм (зернистость F80) со структурой N=17 на характеристику 25A F60/F80 G 17 V состоит из следующих компонентов, об.%:
| Абразивное зерно марки 25А с размером 250 мкм (зернистость F60) | 28 |
| Абразивное зерно марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) | 6 |
| Относительное содержание зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) | |
| к содержанию зерна с размером 250 мкм (зернистость F60) | 21,4% |
| Керамическая связка К5С | 6 |
| Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель) | |
| в виде смеси частиц с размерами от 85 до 560 мкм | 8 |
| Фруктовая косточка КФ40 (выгорающий наполнитель) | 10 |
| Клеящие и увлажняющие добавки | 16 |
Пример 8.
Абразивная масса для изготовления шлифовального круга из электрокорунда белого марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) и с размером 120 мкм (зернистость F100) со структурой N=18 на характеристику 25A F80/F100 F/G 18 V состоит из следующих компонентов, об.%:
| Абразивное зерно марки 25А с размером 160 мкм (зернистость F80) | 26 |
| Абразивное зерно марки 25А с размером 120 мкм (зернистость F100) | 8 |
| Относительное содержание зерна с размером 120 мкм (зернистость F100) | |
| к содержанию зерна с размером 160 мкм (зернистость F80) | 30,8% |
| Керамическая связка К5С | 7 |
| Алюмосиликатные полые сферические частицы (наполнитель) | |
| в виде смеси частиц с размерами от 85 до 560 мкм | 6 |
| Фруктовая косточка КФ40 (выгорающий наполнитель) | 13 |
| Клеящие и увлажняющие добавки | 14,5 |
Для экспериментальной проверки предлагаемых технических решений были изготовлены 8 масс для лабораторных образцов и шлифовальных кругов в соответствии с примерами, представленными выше.
Свойства абразивных масс по примерам 1-3 и 5-8 изучались на специальных образцах.
Прочность сырца измерялась на приборе Ватта на предварительно отформованных брусках размером 250×35×10 мм (Основы проектирования и технология изготовления абразивного и алмазного инструмента / Ю.М.Ковальчук, В.А.Букин, Б.А.Глаговский и др. Под общей ред. Ю.М.Ковальчука. М.: Машиностроение, 1984. - 288 с. С.157).
Для определения объемной деформации после обжига и твердости использовались плашки с диаметром 80 мм и высотой 20 мм. Объемная деформация образцов устанавливалась по разнице объемов образца до и после обжига. Твердость определялась по глубине лунки пескоструйным методом в соответствии с ГОСТ Р 52587-2006. По величине среднеквадратичного отклонения твердости можно судить о ее стабильности в объеме инструмента.
Механическую прочность на разрыв на образцах-восьмерках определяли на разрывной машине УМ-500 согласно методике, описанной в книге (Любомудров В.Е., Васильев Н.Н. Абразивные инструменты и их изготовление. -М-Л: Машгиз, 1953. - 352 с. С.135).
Свойства абразивной массы по примеру 4 исследовались в процессе изготовления шлифовальных кругов прямого профиля с размерами 1 300×10×127. Оценивалось давление прессования при формовании заготовок шлифовальных кругов, объемная деформация по изменению объема круга до и после обжига и твердость в соответствии с ГОСТ Р 52587-2006. Дисбаланс инструмента оценивался в соответствии с ГОСТ 3060. Выборочно измерялась разрывная скорость на испытательном стенде АИП - 400.
В табл.1 и 2 приведены результаты сравнения свойств заявленной массы и массы по прототипу.
| Таблица 1 | ||||||||
| Абразивная масса для изготовления высокоструктурного инструмента | ||||||||
| № | Заявленная масса | Масса по прототипу | ||||||
| Прочность сырца, КПа | Объемная деформация, % |
Среднеквадратичное отклонение твердости, мм | Прочность на разрыв, КПа | Прочность сырца, КПа | Объемная деформация, % |
Среднеквадратичное отклонение твердости, мм | Прочность на разрыв, КПа | |
| 1 | 50 | 1,67 | 0,13 | 72 | 48,1 | 2,01 | 0,16 | 71,6 |
| 2 | 69 | 1,26 | 0,22 | 87,2 | 63,2 | 1,96 | 0,28 | 83,9 |
| 3 | 80 | 0,75 | 0,09 | 52 | 78,3 | 1,02 | 0,11 | 50,3 |
| 5 | 53 | 5,14 | 0,25 | 91 | 52,1 | 6,09 | 0,26 | 90,1 |
| 6 | 60 | 3,35 | 0,18 | 91,7 | 59,3 | 3,99 | 0,19 | 90,2 |
| 7 | 41 | 5,03 | 0,12 | 77 | 39,8 | 6,21 | 0,14 | 76,6 |
| 8 | 73 | 7,7 | 0,16 | 25,6 | 70,6 | 8,3 | 0,17 | 24,5 |
Таким образом, заявленная совокупность признаков, изложенная в формуле изобретения, позволяет по сравнению с прототипом обеспечить повышенную прочность сырца, необходимую для формования инструмента с высокими номерами структуры, и устойчивость к объемной деформации в процессе его обжига.
| Таблица 2 | ||
| Абразивная масса для изготовления высокоструктурного инструмента по примеру №4 | ||
| Свойства | Заявленная масса | Масса по прототипу |
| Объемная деформация, % | 0,07 | 0,12 |
| Твердость по глубине лунки, мм | ||
| Диапазон изменения | 3,9-4,3 | 3,8-4,6 |
| Средняя | 4,15 | 4,2 |
| Среднеквадратичное отклонение | 0,19 | 0,23 |
| Дисбаланс, г | 12 | 15 |
| Разрывная скорость, м/с | 86,3 | 79,9 |
Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в независимом пункте формулы признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности, неизвестной на дату приоритета из уровня техники необходимых признаков, достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.
Свойства, регламентированные в заявленном соединении отдельными признаками, общеизвестны из уровня техники и не требуют дополнительных пояснений.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении предназначен для изготовления шлифовальных кругов;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в независимом пункте формулы изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в материалах заявки известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует требуемым условиям патентоспособности: «новизна», «изобретательский уровень» и «промышленная применимость» - по действующему законодательству.
1. Aбразивная масса для изготовления высокоструктурного инструмента, включающая абразив, керамическую связку, клеящие и увлажняющие добавки и наполнитель, отличающаяся тем, что абразив состоит из смеси абразивных зерен с различной зернистостью, размеры которых составляют 60-160 мкм и 160-420 мкм, при этом объемное содержание абразивных зерен с меньшей зернистостью составляет 5-100 % от объемного содержания абразивных зерен с большей зернистостью, а наполнитель представляет собой смесь полых сферических частиц из алюмосиликата размером в диапазоне от 85 до 560 мкм в количестве 5-100 об.% абразива с большей зернистостью.
2. Масса по п.1, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит выгорающий наполнитель в количестве 5-50 % объемного содержания абразива с большей зернистостью.
