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Die Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt einen Schleifkörper aus gepressten und gesinterten Material. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung einen Schleifkörper, der in einem vorbestimmten Bereich Zusatzpartikel, insbesondere aus Schleifkörpern erhältliche Zusatzpartikel, aufweist. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung dieser Schleifkörper sowie Schleifvorrichtungen, die erfindungsgemäße Schleifkörper enthalten, und die Verwendung von Zusatzpartikeln aus recycelten Schleifkörpern zur Herstellung dieser.
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Die Wiederverwendung (Recycling) von Schleifkörpern stellt seit geraumer Zeit große Probleme im Hinblick auf die mechanischen Belastungen im Betrieb der Schleifkörper dar. Aufgrund dieser bekannten Probleme wird die Verwendung von recyceltem Material aus Schleifkörpern in Schleifkörpern üblicherweise gänzlich vermieden.
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So werden bis zum heutigen Tag Schleifkörper ausschließlich aus neuen Schleifmaterialien und geeigneten Bindemitteln hergestellt, da die Anforderungen insbesondere im Hinblick auf die Sicherheits- und Produkthaftungsfragen bei vor allem rotierenden Schleifkörpern sehr hoch sind.
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Üblicherweise werden Schleifkörper aus Korn und Bindemittel in einem ersten Schritt zu einem (Roh)pressling oder Grünling geformt (gepreßt) und anschließend ggf. gesintert. Schleifkörper unterliegen im Gebrauch extremsten mechanischen Beanspruchungen. Untersuchungen haben ergeben, dass die Festigkeitsabnahme der Schleifgrundkörper durch Schwingungen bis zu 50% betragen. Ein Problem von gesinterten Werkstücken, wie gesinterten Schleifkörpern, ist deren Festigkeitseigenschaft. Bei Schleifkörpern spielt die Riss- bzw. Bruchneigung ebenfalls eine wichtige Rolle. Dabei hat z. B. die Porosität des Schleifkörpers einen Einfluss auf die Bruchzähigkeitswerte von gesinterten Werkstücken wie Schleifkörpern. Aber auch Fremdteile, sowie alle Gefügebereiche mit sich sprunghaft ändernden Eigenschaften, wie z. B. Phasengrenzen, werden als negative Faktoren für die Riss- bzw. Bruchneigung angesehen. Daher wird üblicherweise versucht, das Pulver so homogen wie möglich zu gestalten. D. h. es wird allgemein davon ausgegangen, dass aufgrund des Vorhandenseins von Fremdteilen oder Partikeln mit heterogenen Bestandteilen unterschiedlicher Durchmesser, die Rissneigung zunimmt und die Festigkeit des Schleifkörpers verschlechtert wird.
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Es wird daher davon ausgegangen, dass eine Wiederverwendung eines solchen Schleifgrundkörpers oder Teilen hiervon insbesondere im Hinblick auf die auftretenden Tangentialspannungen und die oben genannte Festigkeitsabnahme im Betrieb damit ausscheidet. Schleifkörper werden daher lediglich als Bauschutt weiterverwendet und müssen kostenpflichtig entsorgt werden.
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Es wurden bereits verschiedene Vorschläge zur Wiederverwendung von Schleifkörpern beschrieben. So wird in der
DE 44 465 91 A1 die Herstellung eines Schleifkörpers und dieser Schleifkörper selbst offenbart. Dieser recycelfähige Schleifkörper weist zwei Teilbereiche auf, eine äußere Schleifzone und eine nicht-schleifaktive Zone. Diese nicht-schleifaktive Zone ist dabei aus einem wiederverwendbaren, gefügedichten, ggf. Verstärkungsmittel und/oder Füllstoff enthaltenen organischen Kunststoffmaterial ausgebildet und kann wiederverwendet werden. Auf dieser nicht-schleifaktiven Zone, die einen sogenannten Grundkörper bildet, befindet sich die Schleifzone aus Korn und Bindemittel. Diese Schleifzone wird dabei auf den Grundkörper aufgebracht und mit geeigneten aushärtenden Kunststoffen verbunden. Nach Gebrauch der Schleifscheibe werden die Reste der Schleifzone mechanisch entfernt und eine neue Schleifzone auf den aus bevorzugt Kunststoff bestehenden Grundkörper aufgebracht.
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Die hierin beschriebenen Schleifkörper benötigen aber ansnsten eine umfassende Nachbearbeitung. Des Weiteren ergeben sich aus den unterschiedlichen Materialien der Schleifzone und des Grundkörpers Festigkeitsprobleme, insbesondere für die hohen Anforderungen im Schleifscheibenbereich.
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Auch die hohen Sicherheitsanforderungen aufgrund der mechanischen Beanspruchungen im Betrieb erfordern die Entwicklung von in ihrer Bruchfestigkeit verbesserten Schleifkörpern, insbesondere Schleifscheiben.
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Aufgabe der Erfindung ist somit die Bereitstellung von Schleifkörpern mit verbesserten Bruchfestigkeiten sowie Verfahren zu ihrer Herstellung. Eine weitere Aufgabe der Erfindung liegt in der Bereitstellung von Verfahren zur Herstellung von Schleifkörpern unter Verwendung von Schleifkörpermaterialien enthalten Schleifkorn um ein Recyceln von verbrauchten Schleifscheiben zu ermöglichen und ein späteres Recyceln der Schleifkörper zu erlauben.
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Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1, 11 und 13 angegebene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche enthalten vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.
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In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung Schleifkörper enthaltend Korn und Bindemittel mit einem ersten Bereich angrenzend an die Schleifoberfläche, der den Schleifbereich ausbildet, und einen zweiten Bereich mit einem Aufnahmebereich zur Befestigung an einem Werkzeugträger, der einen Trägerbereich ausbildet, dadurch gekennzeichnet, dass im zweiten Bereich Zusatzpartikel vorliegen, wobei der mittlere Durchmesser dieser Zusatzpartikel mindestens dem Zweifachen des mittleren Durchmessers des Korns entspricht. D. h. der zweite Bereich zeichnet sich dadurch aus, dass hier Zusatzpartikel vorliegen, die mindestens den zweifachen Wert des mittleren Durchmessers des Korns aufweisen. Bevorzugt weisen diese Zusatzpartikel ein mindestens dreifachen Durchmesser des im zweiten Bereich verwendeten Korns auf, wie mindestens fünffach, z. B. mindestens zehnfach. Die Ausdrücke „Korn” und „Schleifkorn” werden vorliegend synonym verwendet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weisen die Zusatzpartikel einen mindestens doppelten Durchmesser des mittleren Durchmessers des eingesetzten Korns auf. Unter Durchmesser bzw. Dicke wird dabei bei kugel- oder plättchenförmigen Zusatzpartikeln der Durchmesser und bei eckigen oder kantenförmigen Formen die Dicke bezogen auf die senkrecht zur Pressrichtung verlaufende Achse verstanden, wobei diese Ausdrücke synonym verwendet werden.
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Unter mittlerem Durchmesser des Korns (Schleifkorns) wird der gemittelte Durchmesser des zu pressenden Korns verstanden, gleiches gilt für die Zusatzpartikel.
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In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform ist die Form der einzubringenden Zusatzpartikel ein nicht-kantiges Zusatzpartikel. Diese nicht-kantigen Zusatzpartikel können insbesondere in Form von Linsen, Kugeln, in Form von Bruchkornformen bzw. in stochastischen Formen vorliegen. Erfindungsgemäß wird durch das Einbringen der Zusatzpartikel erreicht, dass aufgrund der Position, der Form und der Anteil die Dichteverteilung in Presslingen derart verändert wird, dass die Rissneigung oder Bruchneigung im Vergleich zu einem Schleifkörper ohne Zusatzpartikel nicht beineinflusst oder sogar reduziert wird, während eine Festigkeitssteigerung erreicht wird. Insbesondere ist die Dichteverteilung im gepressten und gesinterten Werkstück homogener.
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D. h. im Gegensatz zur allgemeinen Auffassung bewirkt das Einbringen der Zusatzpartikel im zweiten Bereich der Schleifkörper keine Verschlechterung der Dichteverteilung im Schleifkörper. Vielmehr ist es sogar möglich, eine gezielte Beeinflussung zur Verbesserung der Festigkeitseigenschaften zu erreichen.
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Insbesondere ist die Bruchrissneigung der Schleifkörper, die vor allem bei Schleifscheiben ein großes Problem darstellt und einen sicherheitsrelevanten Aspekt beim Einsatz von Schleifscheiben bildet, durch das Einbringen der Zusatzpartikel in den zweiten Bereich der Schleifkörper unter Verbesserung der Festigkeitseigenschaften der Schleifkörper verbessert. Erfindungsgemäß ist es dadurch möglich, Schleifkörper bereitzustellen, in denen Material von verbrauchten Schleifkörpern verwendet werden.
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Die erfindungsgemäßen Schleifkörper können z. B. mit dem folgenden Verfahren hergestellt werden. Hierbei wird nach Bestimmung der Dichten im Schleifkörper bzw. des Presslings die Position, Form und/oder Mengen der einzubringenden Zusatzpartikel zur Beeinflussung der Dichteverteilung im Pressling oder Schleifkörper ermittelt. Dabei wird durch Einbringen dieser Zusatzpartikel in den vorbestimmten Mengen und Positionen die Dichteverteilung und damit die Bruchfestigkeit des erhaltenen Schleifkörpers positiv beeinflusst.
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Insbesondere zeigte sich, dass eine ggf. nach dem Pressen noch vorliegende inhomogene Dichteverteilung durch das Sintern derart verbessert wird, dass die Dichteverteilung im Schleifkörper weitgehend homogen vorliegt. Insbesondere wird eine Verbesserung der Dichteverteilung und somit eine Verbesserung der Bruchfestigkeit im Bereich der Werkzeugaufnahme des Schleifkörpers erreicht. Der Bereich der Werkzeugaufnahme ist den größten Belastungen im Betrieb ausgesetzt. Hier treffen gleichzeitig radiale, tangentiale und axiale Belastungen sowie Schwingungsbelastungen aufeinander.
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Durch das gezielte Einbringen von Zusatzpartikeln innerhalb dieses zweiten Bereichs kann eine Festigkeitserhöhung dieses Bereichs hervorgerufen werden.
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Allerdings würde man davon ausgehen, dass bei der Festigkeitserhöhung durch das Einbringen der Zusatzpartikel eine Erhöhung der Rissbildungsneigung einhergeht. Nach allgemeiner Auffassung fördert das Einbringen eines Fremdkörpers diese Bildungsneigung erheblich.
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Es wurde nun überraschend gefunden, dass dieser erwartete negative Effekt nicht auftritt. Im Gegenteil, das Einbringen der Zusatzpartikel, insbesondere poröser Zusatzpartikel erlaubt eine Festigkeitserhöhung ohne Erhöhung der Rissbildungsneigung.
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Insbesondere bei porösen Zusatzpartikeln ist dies darauf zurückzuführen, dass das Bindungsbrückenverhalten zwischen den durch das Bindemittel auch bei den einzubringenden Zusatzpartikeln von der Porosität dieser abhängt. Dabei verbessern größere Porositäten das Bindungsbrückenverhalten innerhalb des Presslings im Verlgeich zu solchen mit geringeren Porositäten. Es wird dabei davon ausgegangen, dass die jeweilige Porosität einzubringender Zusatzpartikel eine Vergrößerung der Oberfläche zur Folge hat, dieses begünstigt die Ausbildung von Bindungsbrücken zwischen den einzelnen Zusatzpartikeln bzw. zwischen Korn und Zusatzpartikel. Allerdings nimmt im Allgemeinen die Festigkeit mit steigender Porosität ab.
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Insbesondere die Verwendung von porösen Zusatzpartikeln und von Materialien ähnlich oder gleich dem Material des Schleifkörpers, kann das Bindungsbrückenverhalten eingebrachter Zusatzpartikel gegenüber nicht porösen Zusatzpartikel verbessern. Besonders bevorzugt handelt es sich bei den eingebrachten porösen Zusatzpartikeln um solche, die in ihrer Zusammensetzung mit den Bestandteilen des Schleifkörpers, dem Korn und Bindemittel, identisch sind. In einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei den porösen Zusatzpartikeln um solche durch Recycling gewonnene Partikel gebrauchter Schleifkörper. Dazu werden diese Schleifkörper z. B. zerkleinert und ggf. klassiert. Beim Einbringen dieser aus verwendeten Schleifkörpern erhältlichen Zusatzpartikel, die entsprechend zerkleinert und ggf. klassiert wurden, kann eine Festigkeitssteigerung des Schleifkörpers insbesondere im Bereich der Werkzeugaufnahme festgestellt werden. Dadurch kann eine wesentliche Festigkeitssteigerung in dem Bereich erzielt werden, in dem diese Zusatzpartikel eingebracht wurden, ohne zu einer Erhöhung der Rissbildungsneigung zu führen.
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Insbesondere durch vorherige Erstellung einer Belastungsanalyse des Bauteils, wie z. B. in Behrens et al., Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Bd. 38 (10), p. 816–820 beschrieben wird, kann eine Schablone zur Einbringung der bevorzugt recycelten Zusatzpartikel erstellt werden, der entsprechend die recycelten Zusatzpartikel in den vorher erstellten Pulverpressling gezielt eingebracht werden.
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Bevorzug handelt es sich bei den Bindemitteln des Schleifkörpers um keramische Bindemittel, wie sie im Stand der Technik bekannt sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Schleifkörper als Schleifscheibe, Schleifstift, Schleifkegel oder Schleifsegment ausgebildet. Bei Ausbildung des Schleifkörpers als Schleifscheibe ist der erste Bereich dabei in radialer Achse außen angeordnet und schließt mit der Schleifoberfläche ab, während der zweite Bereich in Bezug auf den ersten Bereich in radialer Richtung innen angeordnet ist.
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Die im zweiten Bereich eingebrachten Zusatzpartikel liegen bevorzugt in der Art vor, dass ein Gradient ausgebildet wird. Der Gradient ist dabei derart ausgestaltet, dass er in Richtung des ersten Bereichs abnimmt. D. h., bevorzugt nimmt der Gradient von der Oberfläche für den Aufnahmebereich zur Befestigung in dem Werkzeugträger, der Werkzeugaufnahme, ab.
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Weiterhin bevorzugt ist der Schleifkörper derart aufgebaut, dass der erste Bereich mindestens ein Drittel der Strecke zwischen der Schleifoberfläche und der Oberfläche mit einem Aufnahmebereich des Werkzeugträgers ausmacht. Wie in der 1 dargestellt, ist diese Verteilung bei einem Körper mit radialer Achse derart, dass der erste Bereich, der den Schleifbereich ausbildet, in radialer Achse in Bezug auf den zweiten Bereich außen angeordnet ist.
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Die Zusatzpartikel, die im zweiten Bereich des Schleifkörpers eingebracht sind, liegen dabei in einem bevorzugten Anteil von mindestens 0,5 Vol.-%, bevorzugt mindestens 1 Vol.-% und bevorzugt maximal bis 50 Vol.-% bezogen auf die Gesamtmenge an Korn im Schleifkörper vor. Z. B. ist die Menge an Zusatzpartikeln bezogen auf die Gesamtmenge an Korn im Schleifkörper zwischen 1 Vol.-% bis 40 Vol.-%, z. B. mindestens 3 Vol.-%, wie mindestens 5 Vol.-% und wie mindestens maximal 30 Vol.-%, wie mindestens maximal 20 Vol.-%. Die eingebrachten Zusatzpartikel können dabei bevorzugt linsenförmig oder länglich ausgebildet sein.
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Bei Einbringen dieser Zusatzpartikel in das zu pressende Gut, z. B. durch Einstreuen, werden diese Zusatzpartikel schwerkraftbedingt senkrecht zur Pressrichtung liegen. Dies hat zur Konsequenz, dass bei der Festigkeitserhöhung oberhalb der Zusatzpartikel, dem Pressen des Rohlings, eine Festigkeitserhöhung oberhalb der Zusatzpartikel erreicht wird, längsseitig aber geometriebedingt eine vernachlässigbar kleine Dichteverringerung entsteht.
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Diese längsseitig der geometriebedingt vorliegenden kleine Dichteverringerung wird allerdings beim Sintern ausgeglichen, so dass nach Sintern des Grünlings der Schleifkörper eine Dichteverteilung aufzeigt, die zu einer Festigkeitssteigerung führt, wobei die Rissbildungsneigung nicht vergrößert wird, bevorzugt sogar die Rissbildungsneigung verringert ist.
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Unter Dichteverteilung wird der mengenmäßige Nachweis von unterschiedlichen Dichten innerhalb eines gepressten oder gesinterten Körpers verstanden.
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Sintern ist dabei eine Wärmebehandlung von Pulvern oder Presskörpern, wie z. B. Grünling, bei Temperaturen unterhalb des Schmelzpunktes des Grundwerkstoffes, um die Festigkeit durch Bindung seiner Partikel untereinander zu erhöhen.
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Als ein zu verpressendes Gut wird nachfolgend der Ausgangsstoff für den Pressvorgang, das Korn mit Bindemittel, bezeichnet. Als Pressling, auch Grünling genannt, wird das Produkt nach dem Pressvorgang bezeichnet, bei dem der Ausgangsstoff einen gewissen Zusammenhang aufweist. Dieser Pressling bzw. Grünling wird dann weiteren Bearbeitungsschritten zugeführt, wie dem Sintern. Mit Hilfe bekannter Presseinrichtungen können die Presslinge aus Korn und Bindemitteln und ggf. weiteren Bestandteilen hergestellt werden. Das Einbringen der Zusatzpartikel kann ebenfalls gemäß bekannter Verfahren erfolgen.
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Konventionell gebundene Schleifkörper repräsentieren urformtechnisch hergestellte Verbundwerkstoffe, die prinzipiell aus drei Komponenten zusammengesetzt sind. Diese Komponenten bestehen aus dem eigentlichen Schleifmittel, dem Schleifkorn, einem anwendungsspezifisch ausgewählten Bindemittel und individuell eingestellten Porenräume. Mit Volumenanteilen VK zwischen 40 bis 60 Vol.-% bildet das Schleifmittel, das Korn, die größte Fraktion aus. Üblicherweise handelt es sich hierbei Korund, Siliziumkarbid, Zirkonkorund (Korund und Zirkonoxid in eutektischer Zusammensetzung) oder um Industriediamanten.
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Als weitere Komponente liegen anwendungsspezifisch ausgewählte Bindemittel vor, die den Zusammenhalt der Schleifkörper in Form so genannter Bindungsbrücken gewährleistet. Hierzu werden verschiedenste Materialien wie z. B. porzellan- oder glasartige Keramiken, Polymere, Sinterbronzen sowie pulvermetalurgische Stäbe eingesetzt. Keramisch gebundene Schleifkörper enthalten Bindungsvolumina VB zwischen 5 und 30 Vol.-%, wie zwischen 5 und 20 Vol.-%. Es handelt sich dabei meist um glasig amorph schmelzende porzellanartig sinternde Gemenge, deren Ausgangsstoffe in der Regel aus Feldspart, Kaolin, diversen Quarzen, Porzellanmehlen, Kalkspaten, Glasmehl und verschiedenen Metalloxiden bestehen.
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Wie oben bereits ausgeführt, können Dichtegradienten im Pressling, entstanden beim Pressen des zu pressenden Guts, während des anschließenden Sinterprozesses zu unerwünschten Verzügen führen. Dadurch kann es zu einer Rissbildung während des Pressens, des Sinterns und des Betriebes der Schleifkörper kommen. Es ist daher notwendig, bereits bei der Herstellung der Schleifkörper während des Pressens bzw. während des Sinterns einen möglichst geringen Dichtegradienten anzustreben.
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In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein entsprechendes Verfahren bereitgestellt, das eine Verbesserung des Dichtegradienten erlaubt, d. h. eine homogenere Dichteverteilung. Diese homogene Dichteverteilung wird umso überraschender erreicht, obwohl Zusatzpartikel in das zu verpressende Gut eingebracht werden, die in ihrer Größe vom Korn abweichen.
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Das Verfahren zur Herstellung der Schleifkörper umfasst des Weiteren die bekannten Verfahren zur Herstellung von gepressten und gesinterten Schleifkörpern, wie sie im Stand der Technik im Allgemeinen beschrieben und bekannt sind. Das Verfahren wird derart durchgeführt, dass zur Herstellung von Schleifkörpern der Schritt des Einbringens von Zusatzpartikeln in eine Mischung von Korn und Bindemittel in einem zweiten Bereich eines zu verpressenden Guts für den Schleifkörper durchgeführt wird, wobei diese Zusatzpartikel erfindungsgemäße Zusatzpartikel sind, und der Schritt des Verpressens des die Zusatzpartikel enthaltenden Guts im zweiten Bereich zusammen mit einem keine Zusatzpartikel enthaltenden ersten Bereich.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand der beigefügten Figur näher erläutert:
Die 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Schleifscheibe 1. Der Schnitt durch die Schleifscheibe zeigt einen ersten Bereich 2 der den Schleifbereich ausbildet und den zweiten Bereich 3. Im zweiten Bereich sind die Zusatzpartikel 4, die in diesem Bereich erfindungsgemäß eingebracht wurden, dargestellt. Bevorzugt handelt es sich bei den Zusatzpartikeln 4 um poröse Zusatzpartikel, insbesondere um aus verwendeten Schleifkörpern recycelte Zusatzpartikel, erhalten durch Zerkleinern und ggf. Klassieren der Schleifkörper. Besonders bevorzugt sind die Zusatzpartikel 4 solche, die die gleiche Zusammensetzung haben wie der Schleifkörper enthaltend Korn und Bindemittel. Eine Oberfläche des ersten Bereichs bildet die Schleiffläche 5 aus. Während der zweite Bereich eine Oberfläche 6 mit einem Aufnahmebereich zur Befestigung an den Werkzeugträger aufweist. Der von dem Bereich der Werkzeugaufnahme radial nach außen verlaufende Gradient der eingebrachten Zusatzpartikel ist ebenfalls dargestellt. Bevorzugt ist der erste Bereich derart ausgebildet, dass diesr mindestens ein Drittel der Strecke zwischen der Oberfläche 6 und der Schleiffläche 5 beträgt. Die erfindungsgemäße Schleifscheibe, wie im Ausschnitt in der 1 dargestellt, zeichnet sich durch eine hohe Dauerhaltbarkeit und Zuverlässigkeit aus. Insbesondere zeichnen sich diese erfindungsgemäßen Schleifscheiben dadurch aus, dass sie eine verbesserte Festigkeit aufzeigen, ohne dass die Rissbildungsneigung, insbesondere im stark belasteten zweiten Bereich in Richtung der Werkzeugaufnahme, zu verschlechtern.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Behrens et al., Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, Bd. 38 (10), p. 816–820 [0024]
