MATERIAL ABRASIVO.(ES2009697)

k
19
REGISTRO DE LA
PROPIEDAD INDUSTRIAL
k
ES 2 009 697
kNúmero de solicitud: 8900103
kInt. Cl. : C09C 1/68
11 N.◦ de publicación:
21
4
51
ESPAÑA
B24D 3/04
k
12
PATENTE DE INVENCION
k
73 Titular/es: Nauchno-Proizvodstvennoe
k
72 Inventor/es: Petrovich Vasiliev, Ivan;
22 Fecha de presentación: 12.01.89
45 Fecha de anuncio de la concesión: 01.10.89
k
45 Fecha de publicación del folleto de patente:
01.10.89
k
Obiedinenie Po Abrazivam I Shlifovaniju
(Npo Vniiash)
Ulitsa Beloostrovskaya, 17
Leningrado, SU
k
Zakharovich Pevzner, Ilya;
Petrovna Nikitina, Tatyana;
Matveevich Kovalchuk, Jury;
Vasilievna Larionova, Valentina;
Naumovich Volokhonsky, Alexandr;
Paulovich Lukanin, Vladislav y
Grigorievich Efros, Mikhail
74 Agente: Elzaburu Márquez, Alberto
k
k
kResumen:
54 Tı́tulo: Material abrasivo.
57
El material abrasivo contiene cristales de corindón
de 5 a 350 micras de tamaño y un aditivo: espinela, vidrio anortita, vidrio cordierita o una mezcla
de espinela con uno de los vidrios señalados. El
mencionado aditivo constituye de 1,5 a 7,5% en
masa del material abrasivo y se halla dispuesto
entre los cristales de corindón en forma de capas
menores de 20 micras de grosor.
Venta de fascı́culos: Registro de la Propiedad Industrial. C/Panamá, 1 – 28036 Madrid
A6
2 009 697
DESCRIPCION
5
10
15
20
25
La invención se refiere al sector de la producción de materiales inorgánicos de elevada dureza que
soportan altas temperaturas y, más en particular, de materiales abrasivos que se obtienen por producción
electrotérmica y contienen como base cristales muy duros y resistentes de corindón (α.Al2O3 )- El material
abrasivo está destinado a obtener granos de la lija por medio de afino. Los granos abrasivos se utilizan
muy frecuentemente en la fabricación de instrumentos abrasivos con aglomerantes cerámicos y orgánicos,
que se usan para el tratamiento de metales.
Los granos de lija obtenidos tras el afino del material abrasivo pueden dividirse en dos grupos. El primer grupo lo constituyen granos monocristalinos que constan de un solo cristal de corindón. El segundo
grupo lo constituyen granos agregados que constan de varios cristales de corindón, en cuyos linderos o en
cuyo interior se ven inclusiones de los minerales extraños asociados.
Las caracterı́sticas principales del material abrasivo son la dureza y la capacidad abrasiva de los granos
de lija, ası́ como su elevado costo y gran demanda.
La resistencia de los granos abrasivos monocristalinos es determinada por la resistencia de los cristales
de corindón. La resistencia de estos granos suele ser más apta que la de los granos agregados. La resistencia de los granos agregados está en función de las dimensiones de los cristales de corindón que integran
estos granos, también de la cantidad y el tipo de los minerales asociado en forma de inclusiones en el
lı́mite entre los cristales de corindón, y del tamaño de estas inclusiones. Por regla general, la resistencia
de los granos agregados es tanto mayor cuanto menor es el tamaño de los cristales de corindón y cuanto
menor son la cantidad y el tamaño de las inclusiones de los minerales extraños, y también cuanto mayor
es la resistencia de estos minerales.
El poder abrasivo de los granos se determina por la dureza de los cristales de corindón, minerales
extraños y aditivos, y está en función de la capacidad de los granos para el autoafilado, es decir a la
formación de nuevas aristas cortantes al destruirse los granos, durante el tratamiento de metales.
30
Todos los materiales abrasivos son obtenidos por fusión de la materia prima apta para el material
abrasivo, y enfriamiento de la masa fundida obtenida, en cuyo curso la masa fundida se va cristalizando.
La requerida estructura del material abrasivo (el tamaño de los granos de los cristales principales, el
tamaño de las inclusiones, etc.) se consigue con el régimen de enfriamiento de la masa fundida.
35
Son conocidos materiales abrasivos que constan de cristales de corindón. Un ejemplo tı́pico de tales
materiales abrasivos es el electrocorindón blanco. Este electrocorindón contiene inclusiones del mineral
extraño Na20 11Al2O3 de 50 a 700 micras de tamaño (A.p.Garshin y otros autores “Materiales abrasivos”,
Ediciones Mashinostroenie (Leningrado), 1983, págs. 119 a 123).
40
Para el fin de obtener el electrocorindón blanco, se usa como materia prima alúmina, es decir óxido
de aluminio, que es técnicamente puro.
45
50
55
60
Durante la transformación del electrocorindón blanco en granos de lija, una parte del mineral extraño,
particularmente la que se halla presente en forma de grandes inclusiones de 300 a 700 micras de tamaño,
es afinada para obtener partı́culas de lodo, y es evacuada. Como resultado, los granos de lija obtenidos
están enriquecidos en cierto grado con los cristales de corindón en comparación con el material abrasivo
de partida, es decir son más resistentes. Una parte de los granos de lija, obtenidos tras la transformación
del electrocorindón blanco, está constituida por granos monocristalinos, y otra parte granos agregados
que contienen inclusiones Na2 O.11Ali2O3 de 50 a 250 micras de tamaño.
La desventaja de tales materiales abrasivos moldeados por colada en fusión a partir de alúmina, es la
presencia en ellos de inclusiones de aluminato de sodio rico en alúmina Na2 O.11Al2O3 , el cual se forma
tras la preparación del material abrasivo, debido a la presencia en la alúmina de partı́culas extrañas de
óxido de sodio, y se cristaliza en los lı́mites entre los cristales de corindón. La presencia de inclusiones
de aluminato de sodio rico en alúmina en los lı́mites entre los cristales de corindón que son agentes concentradores de las tensiones, da lugar a disminución de la resistencia mecánica de los granos de la lija
obtenidos a partir de este material. Además, dado que la dureza del aluminato de sodio rico en alúmina
es más baja que la dureza del corindón, la presencia de las inclusiones indicadas merma el poder abrasivo
de los granos.
Son conocidos los materiales abrasivos obtenidos por la fusión de alúmina, introduciendo en la masa
fundida óxidos de titanio, cromo y vanadio, o bien una mezcla de estos componentes, con posterior en2
2 009 697
friamiento de la masa fundida elaborada (Ob. cit., páginas 123 a 126).
5
Cualquiera de los aditivos indicados forma, en el proceso de obtención de estos materiales, soluciones
sólidas de estos compuestos en el seno del óxido de aluminio, merced a lo cual aumenta la resistencia de
los cristales de corindón, es decir aumenta la resistencia de los granos de lija obtenidos de este material.
Sin embargo, el poder abrasivo de los granos obtenidos a partir de este material, al igual que el
del material análogo anterior, no es suficientemente alto, debido a la presencia de las inclusiones de
Na2 O.11Al2 O3 de 50 a 250 micras de tamaño.
10
15
20
Además, la presencia de cada uno de los señalados aditivos en el seno del material abrasivo, tiene
sus desventajas. El material abrasivo, que se obtiene agregando óxido de titanio, contiene inclusiones de
nitruros y carburos de titanio, lo que provoca desestabilización de los granos de lija cuando es elaborado
el instrumento abrasivo. Ello se debe a que al producir el instrumento abrasivo, durante la operación
de tratamiento térmico de los granos de este material bajo temperaturas próximas a 110O◦ C, se produce oxidación de los carburos y nitruros de titanio contenidos en el seno del material abrasivo, que va
acompañada de cambios de volumen de los mismos, a raı́z de lo cual se desestabilizan los granos de lija.
El material abrasivo, obtenido agregando el óxido de cromo, contiene inclusiones metálicas de cromo, las
cuales empeoran las caracterı́sticas abrasivas del instrumento producido a partir de este material, o sea,
es mayor la posibilidad de producirse quemaduras en el tratamiento de metales (durante el esmerilado).
El uso de vanadio como aditivo en los materiales abrasivos no ha hallado su aplicación práctica debido a
su gran demanda y alto costo.
25
Es conocido un material abrasivo que contiene cristales de corindón y baddeleyita (óxido de zirconio).
En este material, los cristales de corindón de 10 a 70 micras de tamaño están ajustados recı́procamente
por la eute xia entre corindón y baddeleyita de cristales finos de l-a 5 micrones de tamaño (Ob. cit.,
págs. 126 a 131).
30
La resistencia de los granos de lija, obtenidos a partir de este material abrasivo, es mayor que la de
los materiales análogos anteriores, lo que se debe, en primer lugar, a la existencia de la eutexia entre
corindón y baddeleyita.
Sin embargo, dado que la dureza de la baddeleyita es más baja que la del corindón, no es suficientemente alto el poder abrasivo de los granos de lija.
35
40
45
Además, la presencia de baddeleyita en el material abrasivo permite utilizar este material de lija so
lamente para la fabricación del instrumento abrasivo con un aglomerante orgánico, puesto que bajo la
temperatura de 1.100◦C (que es la temperatura de tratamiento térmico durante la producción del instrumento abrasivo), el óxido de zirconio sufre modificaciones que van acompañadas de consi derables
cambios de volumen, a raı́z de lo cual los granosabrasivos se desestabilizan considerablemente, hasta
destruirse. Otra desventaja de este material es la gran demanda y el alto costo, debidos a la presencia
del óxido de zirconio en el mismo.
El problema al que hace frente la presente invención es el de proporcionar un material abrasivo a
partir de corindón, que contenga como aditivo unos ciertos minerales, y en el que estos minerales estén
dispuestos de tal modo con respecto a los cristales de corindón, y al mismo tiempo, los cristales de corindón y los aditivos sean de un tamaño tal, que con un costo relativamente bajo y una gran demanda
de material abrasivo permite conseguir una gran resistencia y un elevado poder abrasivo de los granos
obtenidos de este material.
50
55
60
El problema es resuelto por el recurso de que el material abrasivo que contiene cristales de corindón y
un aditivo, incluye como aditivo, conforme a la invención, de 1,5 a 7,5% en masa de un mineral, escogido
del grupo de espinela, vidrio anortita, vidrio cordierita y una mezcla de espinela con uno de los vidrios
mencionados, teniendo los cristales de corindón un tamaño de 5 a 350 micras, y los mencionados aditivos
se hallan dispuestos entre los cristales de corindón en forma de capas intercaladas menores de 20 micras
de grosor.
Los autores han descubierto, tras experimentos, que el material abrasivo obtenido a partir del corindón, que contiene como aditivo espinela (MgO.Al2 O3 ), vidrio anortita (2MgO.5SiO2.2Al2 O3 ), vidrio
cordierita (CuO.Al2 O3 .2SiO) o una mezcla de los minerales referidos, tiene en la microestructura propia
separaciones entre las fases res pectivas, o sea espinela magnesiana y/o vidrio cordieritao bien vidrio
anortita, las cuales se hallan dispuestas entre los cristales de corindón en forma de capas intercaladas.
3
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5
Con ello, dado que cualquiera de los materiales de aditivo referidos posee una resistencia térmica frente
a temperaturas de 1.000 a 1.300◦C (temperaturas de fritado o sinterización en la transformación del
material abrasivo), no se dan casos de peor resistencia del instrumento en el proceso de su fabricación.
Además, dado que los minerales usados como aditivos se destacan por una alta microdureza, más próxima
que las otras microdurezas de corindón, el material abrasivo que incluye estos aditivos posee un alto poder
abrasivo.
10
Cuando se obtiene el material abrasivo durante la cristalización de la masa fundida de corindón, que
contiene óxidos de calcio, magnesio y silicio, las fases de los materiales indicados, al desarrollarse entre
los cristales de corindón, favorecen la formación preferente de nuevos centros de cristalización frente al
crecimiento constante de los cristales de corindón primarios. Merced a esto, se consigne una estructura
isométrica de cristales finos de material abrasivo, que incide positivamente en las caracterı́sticas de resistencia del grano de lija fabricado a partir de este material.
15
El tamaño de los cristales de corindón y el grosor de las capas intercaladas están en función del
régimen de enfriamiento de la masa fundida en la transformación del material abrasivo.
20
Cuando el tamaño de los cristales de corindón es menor que 5 micras, como dedujeron los autores,
disminuye considerablemente el poder abrasivo de los granos, lo que se debe al cambio del carácter de su
desgaste. En vez de una paulatina destrucción de zonas de cristales de corindón, se van formando zonas
de desgaste con un relieve relativamente aplanado.
Al tener los cristales de corindón dimensiones transversales mayores de 350 micras, la resistencia de
los granos de lija se va reduciendo.
25
Cuando el grosor de las capas intercaladas pasa de 20 micras, la resistencia de los granos abrasivos
comienza a disminuir drásticamente, puesto que se convierten en agentes concentradores de tensiones.
30
Cuando el contenido del aditivo es menor que 1,5% en masa, se observa una brusca reducción de la
resistencia del grano de lija.
Al contener el aditivo más de 7,5% en masa, el poder abrasivo disminuye considerablemente debido
al contenido decreciente de la fase más dura (corindón) en el grano.
35
40
45
50
El material abrasivo se obtiene del modo siguiente. En un horno de arco eléctrico, de acuerdo con
el conocido régimen (Ob. cit. páginas 119 a 121, 126 a 131), se funde óxido de aluminio con aditivos
que contienen uno o varios óxidos pertenecientes al grupo formado por MgO, SiO, CuO, por ejemplo,
silicato de magnesio, silica to de calcio u óxidos puros. El porcentaje de los aditivos introducidos se
estima por medio de un cálculo según la composición deseada del material abrasivo y la proporción en
masa de los aditivos de minerales agregados al mismo. Por ejemplo, en base al cálculo de la relación
estequiométrica, para obtener un material que contiene 5% en masa de espinela, se le agrega 1,4% de
óxido de magnesio a la carga de mineral. El grosor de las capas de mineral es regulado por el régimen
de enfriamiento de la masa fundida. Ası́, por ejemplo, con un enfriamiento relativamente rápido de la
masa fundida contenida en recipientes pequeños, llenos con cuerpos metálicos, por ejemplo bolas; o bien,
en los cilindros cristalizadores se obtiene un material abrasivo que consta de cristales de corindón de 5
a 90 micrones de tamaño y que contiene una capa de mineral de 0,3 a 5,0 micras de grosor. Con un
enfriamiento relativamente lento de la masa fundida, por ejemplo, en lingotes de 50 a 500 kg de peso, se
obtiene un material abrasivo con cristales de corindón de 280 a 350 micras de tamaño y del orden de 10 a
20 micras de grosor de las capas Una vez enfriado el material cristalizado, éste es sometido a trituración,
afino y separación por fracciones.
La calidad del material obtenido es determinada por la resistencia y el poder abrasivo de los granos de
la lija obtenidos de este material. En particular, el material obtenido fue sometido a prueba de resistencia
por medio de la destrucción de 100 granos de 1.250 a 1.600 micras entre unas placas de aleaciones duras.
55
El poder abrasivo fue estimado a partir de un conocido procedimiento mediante abrasión de arandelas
de vidrio por medio de una muestra pesada de los granos de lija de 120 a 160 micras.
60
Los resultados de las pruebas de los materiales abrasivos de composición y estructura variables son
ilustrados en las tablas 1 y 2.
Como lo ilustra la tabla 1, cuando el contenido del aditivo a ofrecer es menor que 1,5% en masa (lı́neas
4
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4,9,14), la resistencia del grano abrasivo se reduce drásticamente, y con un contenido del aditivo mayor
que 7,5% en masa (lı́neas 5,10, 15), se merma considerablemente el poder abrasivo del grano.
5
Según muestra la tabla 2, cuando el tamaño de los cristales de corindón en el material abrasivo a
ofrecer es menor que 5 micras (lı́neas 5,11,16,21) se reduce considerablemente el poder abrasivo de los
granos mayores, y cuando los cristales de corindón pasan de 350 micras de tamaño (ı́neas 4,10,15,20)
y/o con un grosor de las capas de aditivos minerales mayor que 20 micras (lı́neas 6,10,15,20) se reduce
considerablemente la resistencia del grano abrasivo.
10
Las investigaciones realizadas por los autores sobre el tratamiento térmico de los granos de lija a partir
del material abrasivo a ofrecer, expuestos a temperaturas de 1.000 a 1.300◦C (temperaturas de fritados
al producir el instrumento abrasivo), mostraron que con ello no disminuye la resistencia de los granos
abrasivos.
15
TABLA 1
Relación de los ı́ndices de calidad de los granos abrasivos frente al contenido de los aditivos de minerales
20
Composición
del material
abrasivo
25
30
35
40
45
50
55
Corindón +
vidrio oordierita
1.
2.
3.
4.
5.
Corindón +
espinela
6.
7.
8.
9.
10.
Corindón +
espinela +
vidrio cordierita
11.
12.
13.
14.
15.
Preferencias de
tamaño de
las capas de
aditivos minerales (micrones)
Tamaño de
cristales
corindón
(micras)
Contenido de
aditivos
minerales
(% en masa)
Resistencia
de granos
particulares
(N)
Poder
abrasivo
(g)
10 a 20
280
270
250
280
250
a
a
a
a
a
350
330
300
350
300
1,5 a 2,0
3a4
7 a 7,5
0,6 a 1,0
8 a 10
290
280
260
190
200
0,063
0,061
0,059
0,057
0,048
10 a 20
280
260
250
290
240
a
a
a
a
a
350
320
300
350
300
1,5 a 2,0
3a4
7 a 7,5
0,6 a 1,0
8 a 10
200
160
150
120
130
0,061
0,060
0,058
0,056
0,050
4a7
35
40
40
35
25
a
a
a
a
a
80
90
80
90
70
1,5 a 2,5
3 a 4,5
7 a 7,5
0,6 a 1,0
8 a 10
290
290
270
220
240
0,070
0,070
0,067
0,060
0,048
60
5
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TABLA 2
Relación de los indices de calidad de los granos abrasivos frente a su composición y estructura
5
N◦
de
orden
Composición
del material
abrasivo
10
1
Preferencias de
de tamaño de
las capas de
aditivos minerales (micras)
Tamaño de
los cristales
de corindón
(micrones)
Resistencia
de granos
particulares
(N)
Poder
abrasivo
(g)
3
4
5
6
2
15
Corindón +
espinela
20
25
30
1.
2.
3.
4.
5.
6.
a
a
a
a
a
a
0,6
5,0
20,0
20,0
0,6
40,0
5 a 10
40 a 90
280 a 350
400 a 600
3a5
280 a 350
250
180
160
60
100
100
0,062
0,067
0,060
0,049
0,047
0,050
0,3
3
10
25
0,1
a
a
a
a
a
0,6
5
20
40
0,2
5 a 10
40 a 90
280 a 350
400 a 600
3a5
290
270
240
70
190
0,063
0,073
0,068
0,048
0,067
0,3
4
10
25
0,1
a
a
a
a
a
0,6
7
20
40
0,2
5 a 10
35 a 80
250 a 340
450 a 700
3a5
320
290
260
80
130
0,062
0,070
0,067
0,051
0,049
0,3 a 0,7
4a8
12 a 24
26 a 40
0,l a 0,2
5 a 10
40 a 90
270 a 350
450 a 650
3a5
280
260
210
70
180
0,064
0,073
0,067
0,052
0,049
2,0 a 5,0
20 a 40
240
0,048
30 a 100
500 a 800
120
0,058
Corindón +
vidrio cordierita
7.
8.
9.
10.
11.
Corindón +
vidrio cordierita +
espinela
35
40
0,3
3,0
10,0
10,0
0,3
25,0
12.
13.
14.
15.
16.
Corindón +
vidrio anortita
45
50
55
60
17.
18.
19.
20.
21.
Corindón +
óxido de zirconio
(composición conocida)
22.
Corindón +
óxido de titanio +
aluminato de sodio
(composición conocida)
23.
6
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REIVINDICACIONES
5
1. Un material abrasivo que contiene cristales de corindón y un aditivo, caracterizado porque en
calidad de aditivo contiene de 1,5 a 7,5% en masa de un mineral elegido del grupo formado por espinela,
vidrio, anortita, vidrio cordierita y una mezcla de espinela con uno de los vidrios señalados, mientras
que los cristales de corindón tienen un tamaño de 5 a 350 micras, y los aditivos mencionados se hallan
dispuestos entre los cristales de corindón en forma de capas menores de 20 micras de grosor.
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
7