TW526258B - Abrasive grains formed of polycrystalline alumina - Google Patents

Description

經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 526258 A7 B7 五、發明說明（1 ) 技術範圍 本發明係關於由尺寸約幾十微米的晶體形成之含氧化 鋁的磨蝕性晶粒，其製自溶融氧化鋁的迅速固化程序。 以前的技術 含氧化鋁的磨蝕物之使用一種非常老的技術，其可追 溯至希臘時代就已經知道的金鋼砂之使用。因爲2 0世紀 中期合成出金剛砂（藉熔解和固化氧化鋁而得），已經使 用由具緊密六角形結構、數微米尺寸的α氧化鋁晶體構成 的磨蝕性晶粒。因爲表達方式的濫用，將此類型材料稱爲 電熔金鋼砂。亦述及含固體材料之製法。 硏磨電熔金鋼砂所得的磨蝕性晶粒大部份由六角形單 晶構成，其機械性質至多與無法被改善的氧化鋁晶體相同 〇 欲得到經改良的機械性質和磨蝕性，長久以來尋求以 儘量小的晶體製造材料，各磨蝕性晶粒製自晶體之組合， 使得其機械性質不僅與作爲材料的晶體本質有關，同時也 更因爲有許多晶粒接點存在而使得顆粒變得堅固。 此處，1 9 1 4年提出申請的美國專利案第 1 1 9 2 7 0 9號（Carborandum )描述晶體尺寸介於1〇 和3 0 0微米之間（平均1 0 0微米）的電熔氧化鋁在窄 小的錠模中以不到1 5 0毫米厚度澆鑄於薄板上。 Γ 9 3 2年Alcoa (美國專利案第1 7 9 8 2 6 1和 1 8 7 1 7 9 3號）亦發展此迅速固化的方式，其建議將 ----1--;---：--裝------*--訂 i ------ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -4- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 526258 A7 ____ B7 五、發明說明（2 ) 電溶的氧化鋁加以霧化而將其轉化成直徑低於5毫米、形 成自低於2 5 0微米晶體的中空球。一個相當類似的技巧 由Me tall bank述於英國專利案第2 8 4 1 3 1號。美國，專 利案第3 7 8 1 1 7 2號描述將氧化鋁澆鑄在具相同組成 之用以加速冷卻的冷顆粒床上，藉此得到尺寸低於5 0微 米的電熔氧化銘。但是經驗指出，因爲液態氧化銘不會滲 入冷顆粒之間，所以此技巧的產率不佳。 1 9 6 1年提出申請的法國專利案1 3 1 9 1〇2號 (N q rto η )描述一種用以迅速冷卻氧化鋁黏合劑澆鑄物的 方法和設備，其包含將薄帶澆於旋轉的圓筒上。所得晶體 的尺寸介於1和3 0微米之間。1 9 7 7年提出申請的法 國專利案第2242462號（Norton )係關於用以將黏 合劑澆在兩個金屬板之間以形成薄帶的方法和設備。此處 的驟冷方式受限於金鋼砂的低導熱性。這些薄片澆鑄法未 達任何工業產製程度。 1 9 7 9年發展出衍生自溶膠法的氧化鋁，其藉由在 氧化鋁水合物（最常是鐵鋁氧石，其得自鋁鹽或烷氧化物 溶液之沉澱）中加鈣和燒結而得。使用此類型的材料，能 夠製得由尺寸低於1微米的晶體組合而成的磨蝕性晶粒， 其提供極佳的機械性質。目前產製磨輪所用的此材料佔磨 輪總組成的約3 0重量％，餘者是傳統電熔金鋼砂。溶膠 氧化錦的闻成本是其比例佔3 0 %的最主要原因。 本發明的目的是要提出一種電熔氧化鋁，其特別維持 電熔氧化鋁形態，但晶粒比以前技術的金鋼砂小得多，且 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -5- _----Ί------1--裝〃-------訂-------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 526258 Α7 _____ Β7 五、發明說明（3 ) 磨蝕性質明顯改善。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明之目的 本發明的目的是一種含有電熔氧化鋁的磨蝕性晶粒， 其特徵在於其形成自尺寸低於1 0 0微米（以低於3 0微 米爲佳，低於5微米更佳）的六角形結構晶體，其密度超 過氧化鋁理論密度的9 7 % (以超過9 8 %爲佳）且其 Knoop硬度超過200 0。 本發明的另一目的是要提出一種用以產製以氧化銘爲 基礎的磨蝕性晶粒的方法，包含：熔解氧化鋁，其以低於 8 0公斤/分鐘的穩定流率澆鑄，藉由使熔融氧化鋁呈細 液滴分散而冷卻，以製得尺寸低於1毫米的顆粒。此分散 以使用頻率介於1 5和5 0 Μ Η z的超音波輔助的霧化作 用貫施爲佳。 附圖之描述 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 附圖1 、2和3是以前技術（附圖1 )和根據本發明 (附圖2和3 )之磨蝕性晶粒的掃描電子顯微圖。放大倍 率分別是1 2〇〇、6 0〇和2〇〇〇倍。附圖1顯示實 例3得到之以前技術的產物。附圖2和3顯示實例4得到 之根據本發明的產物’其放大倍率不同。 發明詳述 由分析溶膠氧化鋁的性質及以此類型材料製得的磨輪 -6- 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 526258 A7 ---- B7 五、發明說明（4 ) 所得的結果，申請人得到下列結論： - 溶膠氧化鋁的硬度非常高（HK Knoop硬度 2 1 0 0至2 2 0 0 )，比以前技術的電熔金鋼砂的硬度 闻得多。 - 溶膠氧化鋁顆粒和電熔金鋼砂顆粒的形態不同： 電熔金鋼砂顆粒爲角形且有堅銳邊緣，溶膠氧化鋁顆粒比 較結實且爲圓形。 一 溶膠氧化鋁的微結構非常細且由次微米尺寸之α 氧化鋁的六角形晶體構成，而電熔氧化鋁的微結構基本上 是單晶。 - 由不同比例溶膠氧化鋁和金鋼砂製成的磨輪已經 顯示由1 0 0 %溶膠氧化鋁製得的磨輪的結果欠佳，欲得 到產製溶膠氧化鋁宣稱的結果，金鋼砂與溶膠氧化鋁之組 合是不可或缺的。 欲賦予相關切割產品這樣良好的結果，金鋼砂（非常 堅硬的強化材料）和溶膠氧化鋁各方面相抵觸，因此，申 請人試圖在單一物質中組合電熔金鋼砂顆粒的形態和溶膠 氧化鋁的硬度。所發展出的溶液迅速固化，以得到儘量細 的晶體。 - 重視金鋼砂的物性（固化溫度和固態的導熱性），已 經證實用以得到迅速固化效果的傳統技巧不足以大幅降低 晶體尺寸。 因此，經驗指出：欲得到約2 0 0微米晶體’必須澆 鑄至5毫米厚，此不僅大幅受限且因爲所得晶體尺寸而使 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ~ ：----Ί--,---^--裝---------訂----------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 526258 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（5 ) 得產量極低。美國專利案第1 8 7 1 7 9 3號建議利用霧 化方式，其可得到直徑低於5毫米且壁厚低於2 5 0微米 的的中空球體。未曾有硏究指出能得到這樣尺寸的顆粒。 迅速固化的其他方法述於Norton的法國專利案第 1 3 1 9 1〇2號和法國專利案第242 246 2號，其 描述與傳統驟冷技巧相仿的冷卻速率，其會形成約2 0〇 微米的相當粗顆粒尺寸。因次，實用性相當低。但可以注 意到：因爲其修飾材料在硏磨期間內的行爲，且可以使得 顆粒尺寸分佈中的晶體尺寸最大者相當於篩網尺寸，此有 利於得到較細晶體。 希望能夠進一步改善含有迅速固化而得之電熔氧化鋁 之磨蝕性晶粒的效能，申請人發現：得到非常細晶體的一 個重要的參數是液態金鋼砂的澆鑄流率必須維持低於8〇 公斤/分鐘，以低於5 0公斤/分鐘爲佳。此流率比一般 所用流率低得多，可以藉由使用受熱的澆鑄噴嘴（例如以 導熱加熱，以免在噴嘴內過早固化）達成。 本申請人亦發現··相較於以前的技巧，能夠在金鋼砂 固化之前，改善液態金鋼砂的分散性。已經證實在空氣或 水中霧化造粒不足以使液態金鋼砂有足夠分散效果，必須 要添加額外物種以得到顆粒尺寸不超過1毫米、在十分之 幾毫米範園內者。以這樣的尺寸，直徑接近1毫米之球狀 珠粒形式材料（實心或中空）由尺寸介於約2 0和3 0微 米之間的晶體構成，直徑接近〇 · 2毫米之球狀珠粒形式 材料由尺寸高至1 0微米的晶體構成。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -g - :----Ί--,---^裝--------訂---------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 526258 A7 B7 五、發明說明（6 ) 得到此分散效果的一個特別有效的方式是使用頻率介 於1 5和5 Ο Μ Η Z的超音波加以霧化。 以此方式固化時，電熔金鋼砂維持其主要品質，得到 具有尖銳邊緣形態的顆粒；密度和硬度也比以前技術的電 熔金鋼砂來得高；使用此技巧時，密度可達3 . 9 5 ，換 言之’密度大於氧化鋁理論密度（3 · 9 8 )的9 8 %， Knoop硬度是2 0 5 0。以其高密度，多晶顆粒顯現接近完 美單晶顆粒的性質。 以此方式得到的材料之硬度與溶膠氧化鋁不同，但與 顆粒形狀、硬度和成本達到良好的協調性。 實例 實例1 傳統電弧爐中，含9 9 . 5 % A 1 2〇3的氧化鋁因 達約2 2 0 0 °C而熔解。爐的內容物以非連續方式澆鑄。 使用用以製造約1 0噸熔融金鋼砂的錠模，以緩慢固 化方式得到錠，其製自具粗粒表面的材料且夾雜許多孔隙 ;環繞錠邊緣的晶體尺寸是數毫米，而中心處的晶體尺寸 是數公分。 硏磨至1毫米之後，所得材料基本上由具六角形結構 構成，其密度約3 · 7、 Knoop硬度爲1 9 0 0的單晶顆 粒。此顆粒的P 8 0晶粒尺寸比（根據European Fedration 〇 f A b r a s i v e P r〇d u c e r s F E A P印行的名稱定義，即，半數大於 1 8 5微米的顆粒）約1 8 %。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) --------訂---- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） _ g - 526258 A7

經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（7 ) 實例2 使用與實例1相同的熔解方式，但使爐傾斜，以使得 液態金鋼砂的流率不超過1 · 5噸/ 1 〇分鐘，此液態金 鋼砂澆鑄在內側以水冷卻的銅板上。此銅板傾斜3 〇 Q以限 制固化於銅上的金鋼砂帶的厚度。以此方式得到約5毫米 厚的帶狀物，其之後硏磨至1毫米。 P 8 0晶粒比爲3 8 %，比前面實例高得多。檢視所 得顆粒，顯示以此方式製得的材料主要由尺寸範圍由 1 5 0至2 5 0微米的六角形晶體構成。密度是3 · 8 ， Knoop 硬度是 1 9 2 5。 實例3 使用與實例1相同的熔解方式，但爐的傾斜條件與實 例2相同。液態金鋼砂澆鑄進入通道中，於通道出口處以 氣流加以霧化。以此方式得到中空珠粒，其外徑低於約5 毫米。這些珠粒由尺寸範圍由1 0 0至2 5 0微米（由附 圖1可測得）的六角形晶體構成。密度是3 · 8 5，Knoop 硬度是1 9 5〇。 實例4 在1 M W電弧爐中，連續澆鑄噴嘴接在流動直徑1 2 毫米的容器底部；此噴嘴藉由使用1 0 k Η ζ振盪機導熱 ;振盪機中可資利用的粉末爲5 0 k W。此爐所用原料與 ^---^---,---；— 裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱） -10 - 526258 A7 B7 五、發明説明（） 前三個實例相同。液態金鋼砂通過噴嘴的流率是3 6公斤 /分鐘。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 此金鋼砂液流導至4 5 ϋ傾斜並以1 5 H k z超音波振 動的鈦板聲波器上。熔解的金鋼砂流以約〇 · 1毫米顆粒 分散’發現熔解的流體材料不會與聲波器接觸，聲波器和 液流之間留下約1毫米間隙。 人 檢視所得材料，顯示其主要由尺寸低於5微米的基礎 晶體（如附圖2和3所示者）構成，其密度3 · 9 5且 Κηοορ硬度2 0 5〇。 實例5 硏磨至P 8 0晶粒尺寸之後，衍生自前面四個實例的 產物用以於相同條件下生產磨輪。磨輪之後在1 ·〇 〇 C 6 鋼上於0 · 2 5 M p a壓力下以6 0米/秒速率進行硏磨 試驗。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 使用相同試驗條件測試由7 0重量％實例2產物和 3 0重量％溶膠氧化鋁之混合物製得的磨輪，及測試完全 由溶膠氧化鋁製成的磨輪。 測定移除的金屬質量和磨輪耗損質量之間的比値。結 果爲 ： 實例 1的產物： 30 實例 2的產物：· 50 實例 3的產物： 55 實例 4的產物： 120 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 526258 A7 B7 五、發明説明（1 ) 混合物（70%實例2的產物和30%溶膠）：150 純溶膠氧化鋁： 60 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 12

Claims (1)

1. 52625S 公， 附^+(Α):第89107092號專利申請^中文申請專利範圍修正本 •叫 9i. 4. pg儒Ί民國91年4月呈 -___J 年月 >丨 b Ί 六、申請專利範圍 1一 --------------- (請先閣讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 .一種含有電熔氧化絕的磨鈾性晶粒，其特徵在於 其形成自尺寸低於1 〇 〇微米的六角形結構晶體，其密度 超過氧化鋁理論密度的9 7 %且其Knoop硬度超過 2〇〇〇° 2 ·如申請專利範圍第1項之磨蝕性晶粒，其中，晶 體尺寸低於3 0微米。 3 ·如申請專利範圍第2項之磨蝕性晶粒，其中，晶 體尺寸低於5微米。 , 4 ·如申請專利範圍第1項之磨蝕性晶粒，其中，其 密度超過氧化鋁理論密度的9 8 %。 5 ·如申請專利範圍第1至4項中任何一項之磨鈾性 晶粒，其中，其Knoop硬度超過2050。 6 · —種用以產製含電熔氧化鋁之磨蝕性晶粒的方法 ’其特徵爲其包含：熔解氧化鋁，其以低於8 0公斤/分 鐘的穩定流率澆鑄，使熔融氧化鋁呈細液滴分散而冷卻， 以製得尺寸低於1毫米的顆粒。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 7 ·如申請專利範圍第6項之方法，其中，湊鑄流率 低於5 0公斤/分鐘。 8 ·如申請專利範圍第6或7項之方法，其中，澆鑄 以藉導熱而受熱的噴嘴進行。 9 ·如申請專利範圍第6或7項之方法，其中，藉超 音波輔助的霧化作用使得熔融氧化鋁分散。 1〇·如申請專利範圍第9項之方法，其中，超音波 頻率介於1 5和5 0 Μ Η z之間。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -1-