NO136970B - Fremgangsm}te for fremstilling av finkrystallinsk elektrosmeltet slipematerial. - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår de fysiske egenskaper for slipematerialer beregnet for slipeverktøy. Det har nå en tid vært kjent at slipematerialer som fremstilles ved støpning av smeltede, tungtsmeltlige oksyder, som f.eks. oksyder av aluminium og/eller zirkonium, og som i tillegg inneholder små mengder av oksyder av krom, magnesium, silisium, titan etc, har større fasthet jo finere krystallstrukturen er, i det minste innenfor visse grenser.

Det er kjent at ekstrem rask kjøling av smeltebadet reduserer størrelsen av de krystaller som dannes under størkningen, og forskjellige metoder er foreslått for å aksellerere denne kjøling. Smeiten kan således støpes i støpeformer av små dimensjoner.

Det er også foreslått å kjøle smeiten ved å helle den ut på en metallplate hvis annen side kjøles av sirkulerende vann.

(Fransk patentskrift nr. 1.319.102).

Prosesser av denne type er kostbare, gir lav tilvirkningskapasitet

og har fremfor alt ikke gitt de ventede resultater med hensyn til kvaliteten av det fremstilte produkt. I tillegg til dette ligger fastheten for de fremstilte slipekorn under det påkrevede nivå.

Dette fenomen er blitt forklart under henvisning til innvirkning

av nitrogen. Hvis smeltemassen kommer i kontakt med denne gass,

kan det nemlig etter størkningen observeres ytterst fine hull og porer som reduserer kornenes hårdhet.

Det har videre vært foreslått (fransk patentskrift nr. 1.546.142)

å beskytte smeltebadet mot påvirkning fra atmosfærisk nitrogen ved anordning av en beskyttelsesatmosfære, f.eks. av karbondioksyd.

Det er mulig at en prosess av denne type kombinert med en av de kjente, hurtige kjølemetoder vil muliggjøre fremstilling av slipe materialer med forbedret kvalitet, skjønt en prosess av sådan art dessverre ville være komplisert og kostbar. På grunn av smelte-badets høye temperatur og det lave produksjonsnivå for de metoder som gir fin krystallisering, vil det nemlig være nødvendig enten å ha lukkede produksjonskammere av store dimensjoner eller kontinuerlig tilførsel av betraktelige mengder beskyttelsesgass.

Det er videre kjent (fransk patentskrift nr. 738.117) å innføre

i et bad av flytende, tungsmeltelig material faste stykker av samme sammensetning for å virke som kjerner for lokal avkjøling og størkning. De sentrale områder av støpeformen vil således avkjøles i samme takt som de periferiske områder, hvorved det vil være mulig å eliminere varmespenninger og oppnå en barre som er fri for sprekker.

Fransk patentskrift nr. 2.005.931 omhandler bruk av en lignende prosess, hvorved støpeformen fylles på forhånd med tungsmeltelige blokker av samme sammensetning som smeiten, for å oppnå et meget finkrystallinsk slipemiddel.

Denne prosess har den fordel at den i vesentlig grad nedsetter

farene for forurensning eller innvirkning fra atmosfæren, fordi badet i det vesentlige er i kontakt med faste stykker av samme sammensetning som smeiten. Denne prosess er likevel beheftet med følgende ulemper: De blokker som tilføres ved begynnelsen av arbeidsoperasjonen kan ikke gjenvinnes totalt etter denne, fordi blokkene selv brytes opp når barren oppdeles, hvilket resulterer i dannelse av fine komponenter og mindre blokker som ikke kan recykles. Følgelig vil det være nødvendig å anordne en tilordnet hjelpetilvirkning for å løse problemene ved igangsetting av anlegget og for å vedlikeholde tilgangen på tungtsmeltelige blokker. Dette tilordnede hjelpeanlegg, hvori f.eks. ekstremt små støpeformer anvendes, reduserer produksjonsevnen for anlegget som helhet, ved sin lave produktivitét og de komplikasjoner som et sådant arrangement medfører.

Den uregelmessige form og størrelse av nevnte blokker medfører uregelmessigheter i dimensjonene for de mellomliggende hulrom og således også i størkningstakten og størrelsen av krystallkornene.

Blokkenes uregelmessige form bevirker dannelse av luftfylte

hulrom, som i sin tur kan føre til porøse soner, et fenomen som ikke bare påvirker kvaliteten, men også er akkumulativt når noe av det produserte material recykles.

Foreliggende oppfinnelse har som formål å angi en fremstillings-prosess som overvinner de ovenfor angitte vanskeligheter, og gir krystallinske slipematerialer med meget fin krystallstruktur og av god kvalitet.

i

Det er funnet at et elektrosmeltet slipemateriale kan avkjøles

ved anvendelse av kjøleblokker av et material hvis smeltepunkt er vesentlig lavere enn slipematerialets smeltepunkt, og oppfinnelsen gjelder således en fremgangsmåte for fremstilling av finkrystallinsk elektrosmeltet slipematerial, hvorunder nevnte slipematerial i smeltet form anbringes i en støpeform sammen med kjøleblokker

for fremskynding av materialets størkning.

På denne bakgrunn av kjent teknikk har oppfinnelsens fremgangsmåte som særtrekk at det anvendes kjøleblokker som er avrundet utover med krumningsradier større enn 10 mm og har innbyrdes mellomrom i området 5-20 mm, samt består av et material med lavere smeltepunkt enn slipematerialet og valgt fra en materialgruppe bestående av jern, nikkel, krom og kobolt samt deres legeringer.

Det er således funnet at, forutsatt størrelsen av de mellomliggende hulrom ligger mellom 5 og 20 mm, hvilket vil si at kjøleblokkenes størrelse ligger mellom 20 og 80 mm, vil metaller som jern, nikkel, kobolt, krom og deres tungtsmeltelige legeringer være meget hensiktsmessige, hvis uregelmessigheter eller kanter med meget lav krumningsradius unngås på overflaten av blokkene, for å oppnå passende forhold for bortledning av varmen. Verdier over 10 mm for sådanne krumningsradier gjør det mulig helt å unngå nedsmelting. Det foretrekkes å anvende nedkjølingsblokker med regulær geometrisk form, særskilt sfærisk utforming.

Det er f.eks. funnet at sfæriske blokker av jern eller stål, særlig av stål med karboninnhold på 0.4 - 0.6% gir tilfredsstillende resultater.

Disse kan innføres i støpeformen samtidig som smeiten eller etter at smeiten har blitt heilt i, forutsatt at de tilføres meget raskt. Det foretrekkes imidlertid å plassere blokkene i støpe-formen på forhånd og å helle i smeiten ovenfra, hvorunder det imidlertid ved støpning av store barrer eller når badet er over-hetet, må utvises forsiktighet for å unngå at det dannes stråler av smeltet material som direkte treffer en eller flere blokker under støpningen, således at disse blokker overhetes til sitt smeltepunkt. Dette kan imidlertid lett unngås ved forskyvning av smeltestrålen i forhold til støpeformen, eller ved stråle-oppdeling, idet strålen bringes til først å treffe fragmenter av fast slipemateriale. Så sant de betingelser som bestemmer krystallstrukturens finhet tillater dette, kan kuleformede blokker med større diameter enn de øvrige plasseres i den øvre del av støpeformen.

Ved et utførelseseksempel ble en blanding med følgende sammensetning smeltet i en elektrisk smelteovn: 72.4% A1203, 25% zr02, 2% Ti02, 0.5% Si02og 0.1% Fe203.

Smeiten ble heilt i en støpeform utformet som en sfærisk kuppel med en diameter på 1.20 m, en dybde på 0.4 m og et rominnhold på 225 liter, idet formen på forhånd var fylt med 1050 kg 40 mm kuler av halv-hårdt stål. Den tilførte smeltemengde var 380 kg. Smeiten størknet på mindre enn 30 sekunder, og mindre enn 1 minutt etter støpningen befant hele innholdet i støpeformen seg på en jevn temperatur omkring 9 00°C.

Barren ble så umiddelbart frigjort fra støpeformen og nedkjølt ved påsprøytning av vann. Under denne kjøling delte barren seg spontant i fragmenter som var mindre enn 200 mm. Disse fragmenter ble behandlet i 10 minutter i en kulemølle med et rominnhold på 2 kubikkmeter. Stålkulene ble så utskilt fra slipematerialet, som i sin helhet hadde form av enkelte bestanddeler av størrelse mindre enn 25 mm.

Kulene viste seg herunder å være godt bibeholdt, og oppviste

ikke tegn på nedsmelting, slik at de kan anvendes på nytt. Slipematerialet kan nå behandles på konvensjonell måte i knuse- og sikteanordninger. En kornmasse med en "fasthetsindeks" på

97.5% oppnås på denne måte.

Denne "fasthetsindeks" måles på følgende måte. 25 g korn mellom 1.41 og 1.11 mm i størrelse (ASTM sikt 14 og 16) tas ut og plasseres i en stålsylinder med diameter på 100 mm og lengde på

130 mm, samt innhold av 16 stålkuler med en diameter på 25 mm. Sylinderen roteres om sin horisontalt anordnede akse i 15 minutter og med en rotasjonshastighet på 70 omdreininger pr. minutt. Kornene gjenvinnes og siktes i en "Ro-Tap"-maskin utstyrt med ASTM sikter nr. 25, 45 og 80, tilsvarende maskevidder på henholdsvis 0.71 mm, 0.35 mm og 0.. 177 mm. Vekten av det som blir igjen i sikt nr. 25 multipliseres med 4, vekten av det som blir igjen i sikt nr.45 multipliseres med 2, vekten av det gjenværende materiale i sikt nr. 80 multipliseres med 1, mens vekten av den komponent som passerer sikt nr. 80 multipliseres med 0.5; hvoretter det hele adderes for å gi en tallverdi som angir fasthetsindeksen uttrykt i prosent.

For å vise hvilken betydning formen av kjøleblokkene har, ble de kuleformede blokker i en ellers identisk arbeidsprosess erstattet av stålsylindre med 40 mm diameter og 40 mm lengde. Det ble funnet at sylindrene smeltet i nærheten av sine endekanter og heftet fast til slipematerialet i denne sone, med det resultat at kjøleblokkene ble skadet. Blokkenes adskillelse fra slipematerialet ble vanskeligere og kunne ikke utføres fullstendig, samtidig som slipematerialet ble forurenset med jern.

Ved et annet utførelseseksempel ble 950 kg smelte med et innhold

på 95.2% Al203, 0.7% Si02, 0.1% Fe203og 3% Ti02, heilt i en 600 liters støpeform med 1.6 m diameter og en dybde på 0.56 m,

idet formen på forhånd var fylt med 2800 kg stålkuler med 50 mm diameter. Et kontinuerlig lag av blokker med samme material-sammensetning som slipematerialet og med dimensjoner fra 30 til 70 mm, samt anordnet ovenpå nevnte kuler, ble anvendt for å bryte opp og fordele smeltestrålen. Etter at det hele hadde størknet,

ble barren avkjølt ved påsprøytning av vann. Under denne behandling utviklet barren sprekker, og ble deretter oppdelt i blokker av 200 til 300 mm størrelse ved ganske enkelt å la barren falle fra en høyde på 1 meter. De således fremstilte blokker ble behandlet på samme måte som i det foregående eksempel, og kulene ble gjenvunnet uten skade. Det således fremstilte slipemiddel hadde en fasthetsindeks, definert som ovenfor, på 97%.

I forbindelse med foreliggende oppfinnelse ble det også utført forskningsarbeide av mer teoretisk art i den hensikt å fastlegge retningslinjer for valg av passende materiale for kjøleblokkene, idet egenskapene for det materiale som skal størknes, samt de foreliggende arbeidsbetingelser ble tatt i betraktning. Under dette arbeide kom man frem til følgende resultater: Det er nødvendig at det materiale som anvendes i kjøleblokkene oppviser visse bestemte egenskaper, og særskilt at det må foreligge visse innbyrdes forhold mellom materialets varmeledningsevne (Ls), dets varmekapasitet (Cs), dets smeltepunkt (tfs) og dets masse pr. volumenhet (Ds), samt de tilsvarende parametre for den smelte som skal størknes, nemlig: LI, Cl, tfl, Dl.

Kontakttemperaturen målt i slipematerialets kjøleflate mot metallet, må være lavere enn smeltepunktet (tfs) for metallet.

I det øyeblikk det første skikt av smelte trenger frem til kjølematerialet, kan denne temperatur (tc) angis ved den kjente formel: hvori (ti) og (ts) er temperaturen for henholdsvis smeiten og kjølematerialet før kontakten, samt

og disse verdier er de som gjelder før sammenføringen av de respektive materialer. Al og As er kjent som "termiske avdeknings-koeffisienter".

Erfaring har vist at betingelsen tc<-tfs, som gir uttrykk for det faktum at metallet ikke bør smelte ved den første kontakt med smeiten, ikke er tilstrekkelig fordi det oppstår intens etterfølgende oppvarming under innflytelse av smeltestrålen, spesielt for de kjøleblokker som befinner seg direkte under denne stråle. Det er således nødvendig å skrive betingelsen: tc<Ttfs - k, idet k er en konstant som blant annet avhenger av smeltens viskositet ved høye temperaturer og som ikke ved det nåværende kunnskapsnivå kan angis teoretisk. Ved praktiske forsøk er det imidlertid vært mulig å empirisk fastlegge denne verdi til 700°C, i de tilfeller slipematerialet hovedsakelig utgjøres av korundum eller et materiale med lignende egenskaper. Under hensyn til det som er angitt ovenfor, kan betingelsen tc <Ttfs - k skrives som:

De nødvendige data for beregning av Al og As er ofte ikke nøyaktig kjent, og det samme gjelder for deres utvikling som en funksjon av temperaturen.

For oversiktens skyld og for å antyde størrelsesordner, er visse data for noen ]-jølematerialer angitt i følgende tabell:

Fra de angitte verdier kan det utledes at for betingelsene:

ti = 2050°C, ts = 80°C, hvilket er de normale betingelser ved smelting av korundum, må smeltepunktene for de materialer som er angitt i tabellen ovenfor, være høyere enn 1350°C for stål eller støpejern, høyere enn 1300°C for nikkel, høyere enn 1200°C for Wolfram, høyere enn 1200°C for messing og høyere enn 2700°C for karborundum. Dette eliminerer særskilt støpejern og messing, hvilket overensstemmer med de praktiske eksperimenter. Karborundum ligger utenfor ligningens gyldighetsområde og prøver har vist at dette material ikke passer for praktiske formål, fordi det er umulig å gi det en avrundet form. Skjønt Wolfram passer godt, er dets høye pris en ulempe. Den endelige likevektstemperatur te for hele massen av kjøleblokkene og slipematerialet, må i tillegg ligge under smeltepunktet tfs for det material som utgjør kjøle-blokkene. Hvis Ms og Ml er de respektive masser for kjølematerialet og slipematerialet, og S er størkningsvarmen for slipemidlet, mi den følgende betingelse ajelde: te^tfs, idet te er definert ved den følgende ligning:

Skjønt utilstrekkelig tilgang på data forhindrer eksakt beregning,, kan det fastslås at denne betingelse er tilfredsstillet ved våre ovenfor beskrevne forsøk med stålkuler, idet likevektstemperaturen te i dette tilfelle beregnes til 900°C.

Claims (4)

1. Fremgangsmåte for fremstilling av finkrystallinsk elektrosmeltet slipematerial, hvorunder nevnte slipematerial i smeltet form anbringes i en støpeform sammen med kjøleblokker for fremskynding av materialets størkning, karakterisert vedat det anvendes kjøleblokker som er avrundet utover med krumningsradier større enn 10 mm og har innbyrdes mellomrom i området 5-20 mm, samt består av et material med lavere smeltepunkt enn slipematerialet og valgt fra en materialgruppe bestående av jern, nikkel, krom og kobolt samt deres legeringer.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert vedat smeiten støpes i en støpeform som på forhånd er fylt med kjøleblokker.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1 eller 2,karakterisert vedat det anvendes kjøleblokker som er utført i stål med karboninnhold på 0.4 til 0.6%.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1-3,karakterisert vedat kjøleblokkene anordnes på sådan måte i støpeformen at blokkene i den øvre del av formen har en diameter som er forskjellig fra blokkene i den nedre del av formen.