масса для получения пористого абразивного инструмента и способ его изготовления

Формула изобретения

1. Масса для получения пористого абразивного инструмента, содержащая органическое связующее, порообразователь и абразив, отличающаяся тем, что в качестве связующего она содержит олигоизоцианурат со степенью конверсии NCO групп не более 0,5, а в качестве порообразователя нитрат целлюлозы с содержанием азота не более 13% при следующем соотношении компонентов, мас.

Олигоизоцианурат 8 50

Нитрат целлюлозы 15 45

Абразив Остальное, но не менее 39% для корунда и не более 50% для алмаза

2. Способ изготовления пористого абразивного инструмента, при котором смешивают компоненты массы, формируют инструмент по заданным форме и размеру и отверждают его, отличающийся тем, что берут компоненты масс следующего состава, мас.

Олигоизоцианурат 8 50

Нитрат целлюлозы с содержанием азота не более 13 мас. 15 45

Абразив Остальное, но не менее 39% для корунда и не более 50% для алмаза

а после отверждения осуществляют порообразование путем инициирования горения кратковременным подводом тепла к отвержденной заготовке инструмента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области производства абразивного инструмента, который используется для обработки изделий из металлов, сплавов, поделочных и ювелирных камней, стекла, пластмасс и т.д.

Структура абразивного инструмента представляет собой матрицу из вещества-связки с равномерно распределенными в ней частицами абразивного материала. Наиболее распространенными являются органические и керамические связки, каждая из которых характеризуется своей спецификой.

Керамические связки [1] являются многокомпонентными смесями огнеупорной глины, полевого шпата, борного стекла, талька и других минеральных материалов, составленных по определенной рецептуре с добавками клеящих веществ - растворимого стекла, декстрина и др. Серьезным недостатком этой связки является т, что в зависимости от ее состава может быть использован лишь какой-то определенный абразив: в случае спекающейся связки карбид кремния, в случае плавящейся электрокорунд, вступающий с ней в химическое взаимодействие. Наряду с большой прочностью и жесткостью такой инструмент отличается и высокой хрупкостью. Кроме того, цикл изготовления инструмента не керамической основе сложный и длительный.

Использование органических связок [1] исключает недостаток, связанный с хрупкостью материала. К ним относятся бакелитовая, вулканитовая, эпоксидная и др. В настоящее время наиболее широко используется бакелитовая связка. Она обладает большой прочностью и эластичностью, ее применение предусматривает возможность получения абразивных инструментов различных размеров и профилей.

Нормальная работа инструмента невозможна без такой структурной составляющей как поры, которые необходимы для того, чтобы в них собирались частицы обрабатываемого материала и абразива. От степени пористости зависит также, прочность матрицы, которая, в свою очередь, влияет на способность абразивного инструмента к самообновлению поверхности и, следовательно, на его стойкость. Под стойкостью инструмента понимают его способность сопротивляться "засаливанию" и затуплению в процессе обработки [1] что особенно важны для изделий из мягких материалов, например, пластмасс. Численным выражением стойкости служит скорость изнашивания инструмента, то есть отношение износа ко времени обработки. Обратную ей величину определяют как износостойкость. Формирование пористой структуры обеспечивается включением в исходные композиции специальных ингредиентов. При этом в одних системах порообразование происходит за счет растворения, в других путем возгонки, в третьих - вследствие испарения специальных компонентов. В качестве вымываемой добавки используют обычно легкорастворимые в воде соли, например, NaCl, KCl, K₂SO₄. Среди возгоняющихся или пиролизующихся веществ можно отметить уголь, древесную муку, нафталин, карбамид [1] Общим недостатком указанных способов является длительность процесса порообразования и значительные энергозатраты.

Широко используют при получении пористых полимерных материалов вообще и абразивных в частности метод вспенивания. В качестве вспенивающих агентов используют, например фторхлоруглеводороды. Однако в этом случае проявляется недостаток способа, обусловленный экологическими требованиями к процессу [2] Другим существенным недостатком такого способа является трудность регулирования пористой структуры абразивного инструмента, в частности, размеров пор.

Таким образом, состав исходной массы тесно связан, а часто и определяет способ получения пористого абразивного инструмента, в связи с чем они будут рассмотрены совместно. Общим недостатком указанных способов является длительность процесса порообразования и значительные энергозатраты.

Наиболее близким к заявляемому является, по нашему мнению, изобретение [3] описывающее состав массы и способ получения абразивного инструмента, техническая сущность которого изложена ниже.

Известная масса включает подобно заявляемой три структурообразующих компонента:

абразив 54-82%

бакелитовая связка 13-23%

карбамид 4-23%

Карбамид, разлагающийся при нагревании с выделением аммиака, выступает в роли порообразователя. Данной композиции соответствует способ изготовления пористого инструмента, при котором смешивают абразив, связку и гранулированный порообразователь, формуют инструмент и подвергают его термообработке. Серьезным недостатком этого способа и исходной массы является неравномерное распределение частиц карбамида и связанное с этим низкое качество изготовляемого инструмента. Попытка устранения вышеозначенного недостатка сопряжена с заметным усложнением процедуры, включающем введение дополнительных компонентов в состав массы и строгое соблюдение последовательности элементов этой операции, а именно: перед внесением в массу карбамид обрабатывается водой, покрывается фенолформальдегидной смолой и слоем пирита. Кроме того, данные массы и способ не предусматривают возможность варьирования физико-механических свойств бакелитовой связки, что ограничивает применимость абразивного инструмента на его основе для обработки материалов различной твердости.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, а именно, упрощение процесса получения и расширение технологических возможностей абразивного инструмента.

Поставленная в изобретении цель достигается тем, что масса для получения пористого абразивного инструмента, включающая абразив, содержит органическое связующее олигоизоцианурат и порообразователь нитрат целлюлозы в следующем соотношении, мас.

Олигоизоцианурат 10-50

Нитрат целлюлозы 15-45

Абразив Остальное

В качестве наполнителя можно использовать практически все известные абразивные порошки. При этом варьирование их фракционного состава и природы позволяет получать абразивные инструменты для обработки материалов различной твердости до различных уровней микрошероховатости. В примерах заявляемого объекта показана возможность использования алмаза, оксида алюминия (корунда), карбида кремния (карборунда).

Использование олигоизоцианурата в заявляемом способе обусловлено с одной стороны тем, что из него при полимеризации получают полиизоцианурат полимер с повышенной термо- и износоустойчивостью, имеющий высокий уровень механической прочности и адгезии к наполнителям [4] Все это выгодно отличает полиизоцианурат от известных полимерных связующих абразивных материалов. Кроме того, использование олигомера, характеризующегося низким значением вязкости, в качестве связующего позволяет осуществлять смешение и формировать композит при содержании наполнителя вплоть до 90 мас.

Олигоизоцианурат, используемый в работе, получали по отработанной методике [5] тримеризации гексаметилендиизоцианата (ГМДИ). Синтез олигоизоцианурата, осуществляемый аналогичным образом в промышленности, проводили в присутствии 1 мас. гекса-н-бутил-дистаннумоксида [5] при температуре 80-140^oС, загружая в реактор ГМДИ и катализатор. При этом получают жидкий, льющийся продукт. При формировании массы абразивного инструмента на олигоизоцианурат накладывается одно ограничение степень конверсии изоцианатных групп не должна превышать 0,5. Это обусловлено тем, что степень конверсии 0,5 соответствует гель-точке, в которой резко возрастает вязкость и в олигомере начинают возникать сшитые области полимера.

Последний компонент абразивной массы для заявляемого способа нитрат целлюлозы (НЦ). Он необходим в первую очередь для обеспечения процесса выгорания и образования пористой структуры инструмента. Отметим, что НЦ - распространенный материал с широкой сырьевой базой. Возможность легко осуществляемой модификации позволяет использовать его как в виде волокон, так и в виде уплотненных частиц сферической формы, имеющих заданные геометрические размеры (от 1,5 мкм до 1500 мкм). Гранулирование НЦ осуществляют эмульгированием его растворов в нерастворителе обычно воде [6, 7] Далее осуществляют отгонку растворителя и получают конечный продукт. Следует отметить, что использование гранулированного НЦ более предпочтительно в случае высоконаполненных композитов, так как это позволяет существенно снизить вязкость массы.

Важно также отметить, что НЦ, в зависимости от требований, предъявляемых к инструменту, может быть использован с разной степенью нитрации. Это позволяет регулировать температуру во фронте волны горения с тем, чтобы не выжечь полимерное связующее. Как показали выполненные нами исследования, указанная температура не должна превышать 400 420^oС, что следует из данных по термостатированию полиизоцианурата. Содержание азота в НЦ, который можно использовать для приготовления абразивной массы, должно составлять от 10 до 13 мас. Это обусловлено с одной стороны тем, что это пределы серийно выпускаемых образцов НЦ, а с другой тем, что при меньшем содержании азота трудно реализовать процесс горения. В то же время, при большем содержании азота температура по образцу в процессе горения может превышать указанную выше.

Поставленная цель достигается посредством выполнения ряда операций, представляющих собой технологическую цепочку предлагаемого способа изготовления пористого абразивного инструмента.

После смешения массу формуют при помощи пресс-инструмента необходимой конструкции. Это могут быть и круги в виде кольца, а могут быть и конусообразные, цилиндрические абразивные инструменты с отверстием для вклеивания осей, которые служат для закрепления готового инструмента на обрабатывающих станках (фиг.1).

Отверждение заготовок осуществляют при Т 60 95^oC. При этом верхний предел обусловлен правилами техники безопасности при работе с взрывоопасными и пожароопасными веществами, к которым относится нитрат целлюлозы [8] Нижнее значение определено на основании результатов исследований кинетики отверждения олигоизоцианурата ниже 60^oС скорость процесса низка и время отверждения может возрастать до нескольких суток [5]

Следующий этап получения инструмента формирование пористой структуры. Его осуществляют, как отмечалось выше, за счет выгорания нитрата целлюлозы. Для этого любым известным способом инициируют горение нитрата целлюлозы, содержащегося в отвержденной заготовке абразивного инструмента. Это можно осуществить и при помощи электрической спирали, и при помощи открытого огня. После завершения процесса горения он остывает. Отметим, что выгорание НЦ происходит без образования пламени с выделением большого количества дыма. Выгоревшие частицы НЦ оставляют после себя пористую структуру, которая определяется на макроуровне их размерами, а на микроуровне фильтрацией выделяющихся газов.

На фиг.2 приведена микрофотография поверхности скола одного из вариантов абразивного инструмента, полученного описанным способом.

Изменение содержания компонентов в указанных пределах позволяет существенным образом влиять на эксплуатационные характеристики инструмента и на течение процесса его формирования. Ниже приведены данные о системе, в которой в качестве абразива используется порошкообразный карбид кремния со средним размером частиц порядка 30 мкм.

Изменение свойств обусловлено тем, что, во-первых, с увеличением содержания нитрата целлюлозы, снижается доля связующего в композите, а во-вторых составы, содержащие более 40% нитрата целлюлозы, имеют температуру горения, которую определяли с помощью микротермопар, 400 320^oС и выше, в результате чего снижается прочность связующего и всего инструмента в целом, (фиг.3). Можно видеть, что предлагаемый способ изготовления абразивного инструмента позволяет регулировать его стойкость в широких пределах (фиг.4). При этом образцы с низким содержанием нитрата целлюлозы (15 20 мас.) и содержанием связующего около 30 мас. имеет стойкость на уровне полирующего инструмента, изготовленного по способу, принятому за прототип. Увеличение содержания нитрата целлюлозы в исходной массе, как отмечалось выше, приводит к тому, что получаемый инструмент позволяет более эффективно обрабатывать мягкие материалы. Отметим, что изменение содержания олигомера и абразива также позволяет заметно влиять на физико-механические и эксплуатационные параметры изготовляемого инструмента, это видно из данных, приведенных на фиг.5-7. Необходимо отметить, что характеристики прочности и стойкости инструмента для различных абразивов при одной степени наполнения несколько отличаются. Но при этом характер изменения эксплуатационных свойств сохраняется и остается аналогичным приведенным для карбида кремния.

Сущность изобретения поясняется примерами конкретного исполнения:

Пример 1.

Берут компоненты, необходимые для получения исходной массы: олигоизоцианурат (степень конверсии 0,4) и нитрат целлюлозы в виде сферических частиц размером 150 200 мкм и содержанием азота 11,0 мас. В качестве абразива использовали карборунд с размером частиц основной фракции 1,0 мкм. Компоненты берут в соотношении:

олигоизоцианурат 31 мас.

нитрат целлюлозы 21 мас.

карборунд 48 мас.

Затем их смешивают на лопастном смесителе в течение 20 мин. Навеску полученной массы загружают в пресс-форму, имеющую кольцеобразную форму и прессуют при давлении 400 500 кг/см². После этого образцы извлекают из пресс-формы и отверждают, помещая в термошкаф с температурой 90^oС. Отверждение заканчивается, как показывают предварительные исследования, через 2-3 часа. Затем отвержденные образцы, имеющие внешний диаметр 25 мм, внутренний 10 мм и высоту 12 мм, помещают на асбестовую подставку и поджигают раскаленной электрической спиралью. Процесс выгорания распространяется со скоростью примерно 1 мм/с. После этого образец остывает. Измерение размеров образца показывает, что он практически не меняет своей формы и размеров. Уменьшение массы образца в результате сжигания соответствует в первом приближении массе нитрата целлюлозы, содержащегося в составе полуфабриката.

Правка образца инструмента необязательна, так как при обработке поверхность инструмента самообновляется.

Полученный инструмент испытывали на полирующую способность. Полировку осуществляли на шлифовальном станке мод. 3К227В. При этом обрабатывали внутреннюю поверхность втулки, диаметром 40 мм, изготовленной из конструкционной углеродистой стали, имеющей твердость HRC 50. Отметим, что перед обработкой предлагаемым инструментом, деталь была предварительно обработана инструментом с размерами зерна 25 мкм и 10 мкм. При этом микрошероховатость Ra составляла 0,160 мкм (10 класс). После окончательной обработки, проведенной изготовленным нами инструментом, класс чистоты поверхности поднялся до 13.

Все примеры сведены в таблицу, где в качестве характеристик инструмента приводятся его стойкость и прочность, а в колонке "Примечания" тип материала, при обработке которого инструмент, изготовленный из массы предлагаемого состава, используется наиболее эффективно.

Стойкость материала инструмента изучалась по методике, разработанной в ИХФЧ РАН. Эта методика заключается в следующем: цилиндрические образцы диаметром 6 мм прижимаются с силой 1,7 Н к поверхности шлифовальной шкурки зернистостью 0,2 мм, вращающейся с линейной скоростью 20 м/с в точке соприкосновения с образцом. Время испытания 15 с. Износ материала при таких условиях, выраженный в мм, и составляет его стойкость.

При изготовлении опытных образцов применялись абразивные порошки с размерами частиц: корунд, карборунд 1 мкм, алмаз 2 мкм.