DE102011100725A1

DE102011100725A1 - Schleifscheibe

Info

Publication number: DE102011100725A1
Application number: DE102011100725A
Authority: DE
Inventors: Rainer Lux; Andreas Janson
Original assignee: DRONCO AG
Current assignee: DRONCO GMBH, DE
Priority date: 2011-05-06
Filing date: 2011-05-06
Publication date: 2012-11-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schleifscheibe, insbesondere eine Trennscheibe, mit wenigstens einem Schleifkörper, der eine Vielzahl von hochabrasiven Schleifkörnern und ein die Schleifkörner zumindest teilweise umgebendes Bindungs-Material aufweist. Zur Verbesserung der Trenneigenschaften, insbesondere für Metall-Werkstoffe, ist vorgesehen, dass zumindest ein Teil der Schleifkörner eine thermische Stabilität aufweist, die oberhalb der thermischen Stabilität von Diamant-Schleifkörnern liegt, und dass das Bindungs-Material zu einem ersten Teil aus wenigstens einem metallischen Werkstoff und zu einem zweiten Teil aus wenigstens einem keramischen Werkstoff besteht. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Schleifscheibe.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schleifscheibe sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Schleifscheibe.
Schleifscheiben gehören üblicherweise zu den Werkzeugen zum spanabhebenden Bearbeiten von Werkstücken mit einer Vielzahl von geometrisch unbestimmten Schneiden aus gebundenem Korn. Wenn in dieser Anmeldung von einer Schleifscheibe gesprochen wird, versteht der Fachmann darunter nicht nur Schleifscheiben, sondern auch Schruppscheiben und insbesondere auch Trennscheiben.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Trennscheibe, die insbesondere zum Trennschleifen von Stahl, Eisen- und/oder Nichteisenwerkstoffen bei Scheibenumfangsgeschwindigkeiten bis zu 200 Meter pro Sekunde geeignet ist.
Vorzugsweise wird die Schleifscheibe in einem zentralen Koppelbereich, in dem typischerweise ein Stahlring, eine Halterung oder einfach ein Loch vorgesehen ist, auf einer Spindel oder Antriebswelle einer tragbaren oder auch einer fest installierten Schleifmaschine befestigt. Eine zwischen dem Koppelbereich und dem eigentlichen Schleifkörper angeordnete Nabe wird auch als „Stammblatt” bezeichnet. Die Schleifscheibe oder Trennscheibe kann auch aus einem einzigen Schleifkörper ohne Stammblatt gefertigt sein, wie dies bei kunstharzgebundenen Trennscheiben üblich ist.
Bei der Bearbeitung führt die Schleifscheibe eine rotierende Hauptbewegung um eine durch den zentralen Koppelbereich verlaufende Drehachse aus. Schleifscheiben werden neben der geometrischen Ausbildung und den Hauptabmessungen durch das Schleifmittel (Schleifkorn), dessen Körnung, Härtegrad, Gefüge und Bindung gekennzeichnet.
Beim Schleifen trennen die auf der Arbeitsfläche der Schleifscheibe verteilten Schneidelemente mit sehr hoher Geschwindigkeit eine große Anzahl kleiner Späne von der Werkstückoberfläche ab. Dabei können Schleifbereiche oder Schleifflächen außerhalb des Koppelbereichs an einer Flachseite senkrecht oder schräg zur Drehachse und/oder an einer Schmalseite am Umfang der Schleifscheibe, Schrupp- oder Trennscheibe angeordnet sein. Beim Schleifen mit der Umfangsfläche kann die Schleifscheibe insbesondere zum Trennen eingesetzt werden und wird dann auch Trennscheibe genannt.
Bekannte Schleifscheiben werden beispielsweise dadurch hergestellt, dass zur Bildung eines Schleifkörpers Schleifkörner in eine Trägermatrix eingebettet werden, die beispielsweise aus Kunststoff, insbesondere Kunstharz, z. B. mit Korund als Schleifmaterial, oder auch aus Metall oder einer Metalllegierung, z. B. mit Diamant als Schleifmaterial, besteht.
Die Schleifscheibe wird bei dem Spanabnahmeprozess mechanisch, thermisch und chemisch beansprucht. Die eingebrachte mechanische Energie wird in Wärme umgesetzt, die in das Werkstück fließt und dort eine Erhöhung der örtlichen Temperatur bewirkt. Kunststoffgebundene, insbesondere kunstharzgebundene Schleifscheiben können darüber hinaus durch Kaltpressen und anschließendes Aushärten bei Temperaturen bis 250°C aus Rohlingen hergestellt werden. Die Materialien der Schleifscheibe sind deshalb in aller Regel hinreichend temperaturbeständig.
Stand der Technik
Kunstharzgebundene Trennscheiben mit Korund und Siliciumcarbid als Schleifkorn eignen sich gut zur Bearbeitung/Trennung von Stahl, verschleißen aber relativ schnell aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung und der daraus resultierenden geringeren mechanischen und thermischen Stabilität.
Trennscheiben mit Metallbindung und Diamant als Schleifkorn besitzen gegenüber kunstharzgebundenen Trennscheiben eine größere Stabilität und damit verbunden eine wesentlich höhere Standzeit, eignen sich aber nicht so gut zur Bearbeitung von Stahl und eisenhaltigen Werkstoffen.
Die Probleme bei der Bearbeitung von Stahl oder Eisenhaltigen Werkstoffen mit konventionellen Diamant-Trennscheiben sind:

• Starke Gratbildung am Werkstück
• Unsauberer Schnitt mit Rillen und Riefen
• Blaufärbung des Werkstückes
• Gefahr der Segmentablösung durch starke Temperaturentwicklung
• Kühlpausen sind notwendig

Die Ursachen der bestehenden Probleme sind darin zu sehen, dass Diamant bei hohen Temperaturen dazu neigt, sich in Graphit umzuwandeln, welcher unter Normalbedingungen die thermodynamisch stabilere Modifikation des Kohlenstoffs darstellt. Dadurch kommt es bereits ab 400°C zu einer Verschlechterung der Schneidleistungen.
Kohlenstoff besitzt eine gewisse Affinität zu Eisen. Dadurch kommt es bei erhöhten Temperaturen zu einer chemischen Reaktion des im Diamanten enthaltenen Kohlenstoffs mit dem Eisen, was zur Bildung von Eisencarbiden führt. Dies bewirkt zum einen einen erhöhten Verschleiß des Diamanten und zum anderen eine Aufhärtung der Schneidkante am Eisenwerkstück. Diese Beeinflussung des Randzonengefüges des Eisenwerkstücks ist im Allgemeinen unerwünscht.
Durch die hohe Stabilität und/oder Duktilität der Metallbindung der Schneidsegmente baut die Bindung außerdem nicht schnell genug ab. Dies bewirkt eine erhöhte Wärmeentwicklung am Schneidwerkzeug und am Eisenwerkstück, wodurch die Metallbindung zum Schmelzfluss neigen kann und die Schneidleistung sinkt. Darüber hinaus werden verbrauchte Schneidkörner nicht rechtzeitig freigegeben und neue Schneidkörner nicht rechtzeitig freigelegt, was sich in einem unsauberen Schnitt mit Rillen, Riefen und der Bildung von starken Graten am Eisenwerkstück bemerkbar macht.
Aufgabe
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schleifscheibe, insbesondere eine Trennscheibe zu schaffen, die neben einer guten Standzeit verbesserte Eigenschaften insbesondere beim Trennen von Metall-Werkstoffen aufweist.
Lösung
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch eine Schleifscheibe mit den Merkmalen des Anspruchs 1, sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Eine bevorzugte Verwendung ist im Anspruch 10 angegeben.
Durch die Verwendung von hochabrasiven Schleifkörnern mit einer thermischen Stabilität oberhalb der thermischen Stabilität von Diamant-Schleifkörnern in Verbindung mit einer Bindungs-Matrix, die sich aus wenigstens einem metallischen Werkstoff und aus wenigstens einem keramischen Werkstoff zusammensetzt, entsteht eine Schleifscheibe, die thermisch stabil ist und sehr gute Schleif- bzw. Trennleistungen ermöglicht. Schleifkörner und Bindungs-Matrix bilden gemeinsam den Schleifkörper der Schleifscheibe, wobei dieser optional noch zusätzliche Gewebeeinlagen oder Faser-Einlagen aufweisen kann.
Ein zumindest teilweiser Ersatz des Diamanten durch ein hochabrasives Schleifkorn mit einer thermischen Stabilität oberhalb der thermischen Stabilität von Diamant-Schleifkörnern bewirkt, dass das Schleifkorn thermisch weniger abbaut und nicht mehr in dem Maße mit Eisen reagiert, wie dies bei Diamant der Fall ist. Ein bevorzugt geeignetes Schleifkorn wird hierbei aus kubischem Bor-Nitrid (CBN), aus Siliciumcarbid (SiC), aus Korund (Al₂O₃), aus einem Hartmetall, wie Wolframcarbid (WC), oder aus einer Mischung wenigstens zweier dieser Bestandteile gebildet. Optional kann die Mischung mit wenigstens einem der vorstehend genannten Materialien auch durch einen Anteil von Diamant-Schleifkörpern gebildet oder ergänzt werden.
Eine erhöhte thermische Stabilität gegenüber einer reinen Metallbindung wird durch den zumindest teilweisen Ersatz der Metallbindung durch keramische Stoffe erreicht. Durch den Einsatz von keramischen Materialien kann gleichzeitig die Sprödigkeit der Bindung soweit erhöht werden, so dass die Bindung – abhängig vom zu bearbeiteten Material – im gleichen Maße wie das Schneidkorn abnutzt, und auf diese Weise eine optimale Freilegung neuer Schneidkanten und unverbrauchten Schneidkorns erfolgt.
Der keramische Werkstoff des Bindungs-Materials besteht bevorzugt aus Siliciumcarbid (SiC), aus Siliciumnitrid (Si₃N₄), aus Nitriden, wie Aluminiumnitrid (AlN), Titannitrid (TiN) oder Bornitrid (B₄N), aus Carbiden, wie Wolframcarbid (WC) oder Titancarbid (TiC), aus Carbonfasern, aus Zirkoniumdioxid (ZrO₂) mit den Varianten teilstabilisiertes Zirkoniumoxid (PSZ) oder Zirkonoxidverstärktes Aluminiumoxid (ZTA), aus Aluminiumtitanat (Al₂TiO₅), aus Korund (Al₂O₃), aus Zeolithen oder aus einer Mischung wenigstens zweier dieser Bestandteile.
Der metallische Anteil in der Bindung soll dazu beitragen, das Schneidkorn und die keramischen Hilfsstoffe optimal zu benetzen, in der Bindung festzuhalten, und einen frühzeitigen Kornausbruch zu verhindern. Eine erhöhte thermische und mechanische Stabilität kann auch durch den Einsatz geeigneter Mengen von Hartmetallen (z. B. WC/Co) erreicht werden.
Der metallische Werkstoff des Bindungs-Materials besteht bevorzugt aus Eisen, aus Cobalt, aus Nickel, aus einer Kupfer-/Zinn-Legierung (Bronze), aus einer Kupfer-/Zink-Legierung (Messing) oder aus einer Mischung wenigstens zweier dieser Bestandteile.
Durch Variation der verwendeten Anteile von keramischen Materialien und von metallischen Werkstoffen des Bindungs-Materials können gezielt bestimmte physikalische Eigenschaften erzeugt werden, wie beispielsweise dessen Festigkeit, Zähigkeit, Biegsamkeit und Elastizität, dessen Feder- und Dämpfungsverhalten, dessen thermische Beständigkeit, elektrische Leitfähigkeit oder dessen Entflammbarkeit.
Vorzugsweise umfasst die Schleifscheibe einen zentralen Koppelbereich zum Ankoppeln an einen Drehantrieb eines Werkzeugs, beispielsweise eines Winkelschleifers (im Fachjargon häufig auch vereinfacht als „Flex” bezeichnet). Die durch den Koppelbereich verlaufende Drehachse definiert die Axialrichtung der Schleifscheibe. Die Schleifscheibe erstreckt sich im Wesentlichen in einer Ebene senkrecht zur Drehachse. An den Koppelbereich kann sich nach außen entweder unmittelbar der Schleifkörper oder alternativ zunächst eine zwischen dem Koppelbereich und dem Schleifkörper angeordnete Nabe aus einem bevorzugt metallischen Werkstoff anschließen, deren Durchmesser etwa 50%–70% des gesamten Durchmessers der Schleifscheibe beträgt. Die Nabe weist bevorzugt wenigstens eine Lochung zur Verbesserung der Wärmeabfuhr auf.
Bevorzugt ist in wenigstens eine der Schichten des Schleifkörpers eine Einlage aus einem Gewebe, einem Gelege, einem Vlies, einer Pulpe und/oder aus einer losen Schüttung aus Kurzfasern eingebettet. Die Einlage kann bevorzugt von einem Fasermaterial gebildet sein. Das Gewebematerial oder Fasermaterial der Einlage ist bevorzugt aus wenigstens einer der Gruppen der Glasfasern, der Nylonfasern, der Polyesterfasern, der Kohlefasern, der Viskosefasern, der Aramidfasern, der Metallfasern und/oder anderer Fasern, wie Korund-, Siliciumcarbid-(SiC-)Fasern oder Fasern mit mineralischem Basalt oder Steinwolle gebildet.
Die Erfindung umfasst zudem ein Verfahren zum Herstellen einer Schleifscheibe gemäß den Patentansprüchen 11 bis 12.
Für die Herstellung der erfindungsgemäßen Schleifscheibe kommen unterschiedliche Verfahren in Betracht. Dabei können die Schleifkörner mit dem Bindungsmaterial bzw. den verschiedenen Komponenten des Bindungsmaterials zu einem Granulat vermischt und mit den Gewebe- oder Fasereinlagen vorzugsweise abwechselnd schichtweise in eine Form eingebracht werden. Die Verbindung erfolgt durch eine Einwirkung von Druck und eine gleichzeitige und/oder anschließende Wärmebehandlung und/oder Strahleneinwirkung.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen weiter erläutert. Dabei wird auf die Zeichnungen Bezug genommen. Diese zeigen jeweils in schematischer Darstellung in
1 eine perspektivische Ansicht einer Schleifscheibe in einer ersten Ausführungsform mit einem an den Koppelbereich anschließenden Stammblatt (Nabe),
2 eine Draufsicht auf eine Schleifscheibe mit einer Lochung im Bereich der Nabe,
3 eine perspektivische Ansicht der Schleifscheibe gemäß 2,
4 eine perspektivische Schnitt-Ansicht einer Schleifscheibe in einer zweiten Ausführungsform mit einem an den Koppelbereich anschließenden Stammblatt (Nabe),
5 eine perspektivische Schnitt-Ansicht einer Schleifscheibe in einer dritten Ausführungsform mit einem an den Koppelbereich anschließenden Stammblatt (Nabe),
6 eine perspektivische Teilschnitt-Ansicht einer Schleifscheibe mit einem unmittelbar an den Koppelbereich anschließenden vollflächigen Schleifkörper.
Einander entsprechende Teile und Größen sind in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Die Schleifscheibe 10, die eine Schleifscheibe und/oder Trennscheibe und/oder Schruppscheibe ist, die insbesondere zum abrasiven Abtrag dient, weist in der Mitte einen zentralen Koppelbereich 12 auf, der zum Ankoppeln an eine in den Figuren nicht dargestellte Abtriebswelle eines Drehantriebs zum Drehen der Schleifscheibe 10 um eine durch den Koppelbereich 12 verlaufende Drehachse 14 dient.
Der Koppelbereich 12 kann im einfachsten Fall von einer Bohrung gebildet sein, so wie dies in den 1 bis 6 dargestellt ist. Alternativ kann im Koppelbereich 12 auch ein nicht dargestellter Trägerring eingebracht sein, der im Querschnitt U-förmig ist und insbesondere aus Metall ausgebildet sein kann. Der Trägerring kann dabei aus einem oberen und einem unteren Teilring zusammengesetzt sein, die vorzugsweise miteinander verbunden, insbesondere gegeneinander verpresst sind. Gemäß einer weiteren Alternative kann der Trägerring auch im Querschnitt L-förmig ausgebildet sein, so dass bevorzugt eine Fixierung in Radialrichtung nur an der Oberseite oder auch der Unterseite der Schleifscheibe 10 erfolgt.
In 1 ist eine erfindungsgemäße Schleifscheibe 10 schematisch in ihrem Aufbau in einer perspektivischen Ansicht dargestellt. In den gezeigten Beispielen gemäß den 1 bis 5 ist die Schleifscheibe 10 anschließend an den von einer Bohrung gebildeten Koppelbereich 12 von einer auch als Stammblatt bezeichneten Nabe 16 gebildet. Die Nabe 16 besteht bevorzugt aus einem metallischen Werkstoff und kann zur verbesserten Wärmeabfuhr mit wenigstens einer Lochung 24 versehen sein. Die Löcher der Lochung 24 sind jedoch zur Vermeidung von Unwuchten symmetrisch zur Drehachse 14 und gleichmäßig über den Umfang der Nabe 16 verteilt angeordnet. Dabei können die im Beispiel der 2 und 3 gezeigten Pfeilförmigen Lochungen 24 gleichzeitig die bei der Montage einzuhaltende Drehrichtung der Schleifscheibe 10 angeben, die jedoch darüber hinaus auch durch die Lage eines in 6 angedeuteten, bei der Herstellung mit angebrachten Etiketts 26 vom Hersteller vorgegeben wird.
Die Schleifscheibe 10 gemäß den 1 bis 5 weist radial nach außen an die Nabe 16 anschließend einen Schleifkörper 18 auf. Dieser Schleifkörper 18 setzt sich aus einer Vielzahl von hochabrasiven Schleifkörnern und einem Bindungs-Material zusammen, die als Granulat zusammengemischt und unter Druck- und Wärmeeinwirkung zum Schleifkörper 18 zusammengepresst werden. Dabei kann auch bei den in den 1 bis 5 dargestellten Varianten der Schleifscheibe 10 mit einer im zentralen Bereich angeordneten Nabe 16 der Schleifkörper eine oder mehrere Gewebe- oder Faser-Einlagen 22 aufweisen, so wie diese beim vollflächigen Schleifkörper 18 gemäß 6 in Verbindung mit den abwechselnd über oder unter einer Gewebe- oder Faser-Einlage 22 angeordneten Schicht 20 aus dem Granulat, bestehend aus den Schleifkörpern und dem Bindungs-Material, dargestellt sind.
Die Schleifscheibe 10 ist in den Varianten gemäß den 1–6 in unterschiedlichen Formen und Abmessungen dargestellt. In den 1 bis 3 ist beispielsweise eine relativ dünne Schleifscheibe 10 mit einem Gesamt-Durchmesser D₁₀ von 150 mm dargestellt. Der Durchmesser D₁₆ der Nabe 16 beträgt dort etwa zwei Drittel des Durchmessers D₁₀. Der Durchmesser D₁₂ der den Koppelbereich 12 bildenden Bohrung beträgt etwa 22,2 mm. Die Dicke T der Schleifscheibe beträgt etwa 2 mm. Bei der Schleifscheibe 10 gemäß der vorliegenden Erfindung beträgt der Anteil des Schleifkranzes, d. h. des Schleifkörpers 18, etwa 30 bis 50% des Gesamtdurchmessers der Schleifscheibe 10, wie aus den 1 bis 3 zu erkennen ist.
Eine in den 4 und 5 dargestellte Trennscheibe 10 mit einem innen liegenden Stammblatt (Nabe) 16 und einem außen an dieses angrenzenden Schleifkranz (Schleifkörper) 18 entspricht im Allgemeinen der Geometrie 1A1 bzw. 1A1R (1A1R0) nach der Norm. Bei der Form 1A1 entspricht die Stärke T des Schleifkranzes 18 der der Stärke des Stammblattes 16, während bei der Form 1A1R die Stärke T des Schleifkranzes im Allgemeinen dicker als das Stammblatt 16 ist. Darüber hinaus ist zu bemerken, dass bei Schleifscheiben 10 des Typs 1A1 und 1A1R (1A1R0) die Belagdicke X des Schleifkranzes 18 sehr viel kleiner ist (meist unter 10%) als der Durchmesser D₁₀ der gesamten Schleifscheibe 10.
Die Schieifscheibe 10 gemäß der vorliegenden Erfindung wird insbesondere von einer Trennscheibe gebildet, die insbesondere zum Trennschleifen von Stahl, Eisen- und/oder Nichteisenwerkstoffen bei Scheibenumfangsgeschwindigkeiten bis zu 200 Meter pro Sekunde geeignet ist.
Durch die Verwendung von hochabrasiven Schleifkörnern mit einer thermischen Stabilität oberhalb der thermischen Stabilität von Diamant-Schleifkörnern in Verbindung mit einer Bindungs-Matrix, die sich aus wenigstens einem metallischen Werkstoff und aus wenigstens einem keramischen Werkstoff zusammensetzt, ist der Schleifkörper 18 der erfindungsgemäßen Schleifscheibe 10 thermisch stabil und weist sehr gute Schleif- bzw. Trenn-Eigenschaften auf.
Es sei noch angemerkt, dass eine exakte Unterscheidung von „Schleifkörnern” und „Bindungs-Material” bei der Anwendung der Schleifscheibe 10 bezüglich deren Wirkung nicht immer möglich ist, da auch die teilweise sehr harten Bestandteile des Bindungs-Materials ohne weiteres eine schleifende Wirkung aufweisen und somit zumindest die schleifende Wirkung unterstützen.
Der erfindungsgemäß vorgesehene zumindest teilweise Ersatz des Diamant-Schleifkornes durch ein hochabrasives Schleifkorn mit einer thermischen Stabilität oberhalb der thermischen Stabilität von Diamant-Schleifkörnern bewirkt, dass das Schleifkorn thermisch weniger abbaut und nicht mehr in dem Maße mit Eisen reagiert, wie dies bei reinem Diamant-Schleifkorn der Fall ist.
Vorzugsweise wird für eine Schleifscheibe 10 gemäß der Erfindung kubisches Bornitrid (CBN), Siliciumcarbid (SiC), Korund (Al₂O₃), ein Hartmetall, wie Wolframcarbid (WC) oder eine Mischung wenigstens zweier dieser Bestandteile als Schleifkorn verwendet. Optional kann die Mischung mit wenigstens einem der vorstehend genannten Materialien auch durch einen Anteil von Diamant-Schleifkörpern gebildet oder ergänzt werden.
Eine erhöhte thermische Stabilität gegenüber einer reinen Metallbindung wird für eine Schleifscheibe 10 gemäß der Erfindung bzw. für deren Schleifkörper 18 durch den zumindest teilweisen Ersatz der Metallbindung durch keramische Stoffe erreicht. Durch den Einsatz von keramischen Materialien wird gleichzeitig die Sprödigkeit des Bindungs-Materials soweit erhöht, dass das Bindungs-Material – abhängig vom zu bearbeiteten Material – im gleichen Maße wie das Schneidkorn abnutzt, und auf diese Weise eine optimale Freilegung neuer Schneidkanten und unverbrauchten Schneidkorns erfolgt.
Der keramische Werkstoff des Bindungs-Materials besteht bevorzugt aus Siliciumcarbid (SiC), aus Siliciumnitrid (Si₃N₄), aus Nitriden, wie Aluminiumnitrid (AlN), Titannitrid (TiN) oder Bornitrid (B₄N), aus Carbiden, wie Wolframcarbid (WC) oder Titancarbid (TiC), aus Carbonfasern, aus Zirkoniumdioxid (ZrO₂) mit den Varianten teilstabilisiertes Zirkoniumoxid (PSZ) oder Zirkonoxidverstärktes Aluminiumoxid (ZTA), aus Aluminiumtitanat (Al₂TiO₅), aus Korund (Al₂O₃), aus Zeolithen oder aus einer Mischung wenigstens zweier dieser Bestandteile.
Zirkoniumoxid – umgangssprachlich Zirkonoxid – hat in den letzten Jahren zunehmende
Bedeutung erlangt wegen

• hoher Bruchzähigkeit
• höchster Biegebruch- und Zugfestigkeit
• hoher Verschleißbeständigkeit, Korrosionsbeständigkeit
• Wärmedehnung ähnlich Gusseisen

• monoklin bis 1000°C
• tetragonal 1000 bis 2350°C
• kubisch oberhalb 2350°C

Die Phasenumwandlung tetragonal --> monoklin während der Abkühlung im Herstellungsprozess geht mit einer Volumenzunahme einher, wodurch die Gefahr der Rissbildung im Werkstück und dessen Zerstörung besteht. Daher ist man bestrebt, die kubische und die tetragonale Phase zu stabilisieren.
Um die kubische Kristallmodifikation zu stabilisieren, müssen dem ZrO₂ Stabilisatoren in Form von Magnesiumoxid (MgO), Calciumoxid (CaO) oder Yttriumoxid (Y₂O₃) zugesetzt werden. Gegebenenfalls können auch Ceroxid (CeO₂), Scandiumoxid (ScO₃) oder Ytterbiumoxid (YbO₃) als Stabilisatoren zugegeben werden.
Bei vollstabilisiertem Zirkoniumoxid (FSZ – fully stabilized zirconia) bleibt durch den Einbau von Fremdoxiden in das Kristallgitter die kubische Hochtemperaturstruktur auch nach dem Abkühlen erhalten. Der für den technischen Einsatz störende Volumensprung findet beim FSZ nicht statt.
Das teilstabilisierte Zirkoniumoxid (PSZ – partly stabilized zirconia) hat große technische Bedeutung. Hier liegt bei Raumtemperatur eine grobe kubische Phase mit tetragonalen Bereichen vor, die durch geeignete Prozessführung oder Anlassprozesse in ihrem Zustand metastabil erhalten wird. Dadurch wird eine Umwandlung in die monokline Phase verhindert und das Gefüge „vorgespannt”, was mit einer Festigkeits- und Zähigkeitssteigerung verbunden ist.
Beim polykristallinem tetragonalen Zirkoniumoxid (TZP – tetragonal zirconia polycrystal) wird durch die Verwendung von extrem feinen Ausgangspulvern und Anwendung von niedrigen Sintertemperaturen ein sehr feinkörniges Gefüge erreicht. Dieses Material zeichnet sich wegen seines extrem feinen Gefüges (Korngröße < 100 μm) und der metastabilen tetragonalen Struktur durch außerordentlich hohe mechanische Festigkeit aus.
Siliciumcarbid (SiC) mit den Varianten flüssigphasengesintertes Siliciumcarbid (LPSIC), gesintertes Siliciumcarbid (SSIC), reaktionsgebundenes siliciuminfiltriertes Siliciumcarbid (SISIC), rekristallisiertes Siliciumcarbid (RSIC), nitrid- bzw. oxynitridgebundenes Siliciumcarbid (NSIC),
Siliciumnitrid (Si₃N₄) mit den Varianten niederdruckgesintertes Siliciumnitrid SSN, gasdruckgesinterte Siliciumnitrid (GPSSN), heiß gepresstes Siliciumnitrid (HPSN), heiß isostatisch gepresstes Siliciumnitrid (HIPSN); reaktionsgebundenes Siliciumnitrid (RBSN), Bornitrid (BN), Aluminiumnitrid (AlN), aus Siliciumaluminiumoxinitriden (SIALONe),
Für das Schruppen ist Siliziumnitrid (Si₃N₄) am besten geeignet, für das Schlichten dagegen eher ein Zirkonaxidverstärktes Aluminiumoxid (ZTA). Die mikroskopische Betrachtung der keramischen Gefüge gibt weitere Hinweise auf die Eigenschaften der Werkstoffe. Die hohe Biegebruchfestigkeit und Zähigkeit des Si₃N₄-Werkstoffs kann aus der nadelförmigen Ausbildung der Körner abgeleitet werden. Der homogene Verbund des Al₂O₃ mit dem fein verteilten ZrO₂ gibt dem Material die hohe Härte des Al₂O₃ bei verbesserter Zähigkeit durch die Umwandlungsverstärkung des Zirkonoxids.
Als keramisches Material für das Bindungs-Material sind auch Glas-Hohlkugeln oder Blähglasgranulat mit einem Durchmesser von etwa 40 μm geeignet.
Der keramische Anteil des Bindungsmaterials kann vor dem Einfügen in die Mischung bevorzugt mit einem Alkohol oder einem Kleber behandelt werden, wobei das in Verbindung mit den metallischen Anteilen des Bindungsmaterials und den Schleifkörnern entstehende Granulat in einem rieselfähigen Zustand bleiben soll.
Der metallische Anteil im Bindungs-Material trägt dazu bei, das Schneidkorn und die keramischen Hilfsstoffe optimal zu benetzen, in der Bindung festzuhalten, und einen frühzeitigen Kornausbruch zu verhindern. Eine erhöhte thermische und mechanische Stabilität kann optional auch durch den Einsatz geeigneter Mengen von Hartmetallen (z. B. WC/Co) erreicht werden.
Der metallische Werkstoff des Bindungs-Materials besteht bevorzugt aus Eisen, aus Cobalt, aus Nickel, aus einer Kupfer-/Zinn-Legierung (Bronze), aus einer Kupfer-/Zink-Legierung (Messing) oder aus einer Mischung wenigstens zweier dieser Bestandteile.
Durch Variation der verwendeten Anteile von keramischen Materialien und von metallischen Werkstoffen des Bindungs-Materials können gezielt bestimmte physikalische Eigenschaften des Schleifkörpers 18 erzeugt werden, wie beispielsweise dessen Festigkeit, Zähigkeit, Biegsamkeit und Elastizität, dessen Feder- und Dämpfungsverhalten, dessen thermische Beständigkeit, elektrische Leitfähigkeit oder dessen Entflammbarkeit.
Einen verbesserten Schutz im Hinblick auf die Entflammbarkeit erreicht man durch eine Verwendung von Aluminiumhydroxid Al(OH)₃, Magnesiumhydroxid Mg(OH)₂ sowie die Substanzklasse der sogenannten „Layered Double Hydroxides” (LDH). Die physikalische Wirkung dieser Substanzen als Flammschutzmittel beruht auf der Tatsache, dass durch die Freisetzung von Wasser bei hohen Temperaturen und der dabei ablaufenden endothermen Reaktion Wärme bei der Bildung von Wasser von diesem aufgenommen und dem System diese Wärme entzogen wird, was wesentlich zur Kühlung des Systems beiträgt. Mg(OH)₂ wird auch in kunstharzgebundenen Scheiben eingesetzt. LDH's können bei hohen Temperaturen ebenfalls Wasser und gegebenenfalls auch CO₂ abspalten, was zu einer flammhemmenden Wirkung führt.
Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schleifscheibe 10 werden bei einem vollflächigen Schleifkörper 18 gemäß 6 die Schichten 20 aus der Mischung aus Schleifkörnern und Bindungs-Material – optional ergänzt durch Zuschlagstoffe, die die chemischen oder physikalischen Eigenschaften beeinflussen – und die vorzugsweise zwei bis vier Gewebe- oder Faser-Einlagen 22 wechselweise in eine Form gegeben. Gegebenfalls werden im Koppelbereich 12 zuvor noch der bzw. die nicht dargestellten Trägerringe eingelegt. Es erfolgt dann eine Verpressung der Schichten 20 und Einlagen 22 zur Schleifscheibe 10 mit einem Druck von vorzugsweise mehr als 200 bar für eine Dauer von etwa 5 Sekunden. Anschließend oder gleichzeitig wird die Schleifscheibe 10 einer Wärmebehandlung ausgesetzt. Diese kann beispielsweise in einem Ofen bei einer Temperatur von etwa 300–600°C erfolgen, wobei die Dauer der Wärmebehandlung mehrere Stunden betragen kann. Begleitend oder alternativ zur Wärmebehandlung ist auch eine Behandlung der Schleifscheibe 10 mit einer energiereichen Strahlung, beispielsweise mit Laserstrahlen möglich.
Die Einlage 22 kann aus einem Gewebe, einem Gelege, einem Vlies, einer Pulpe und/oder aus Kurzfasern gebildet sein. Die Einlage 22 kann von einem Fasermaterial gebildet sein. Das Gewebematerial oder Fasermaterial der Einlagen 22 wird bevorzugt aus wenigstens einer der Gruppen der Glasfasern, der Nylonfasern, der Polyesterfasern, der Kohlefasern, der Viskosefasern, der Aramidfasern, Siliciumcarbid-(SiC-)Fasern und/oder der Metallfasern gebildet.
Auch die kranzförmigen Schleifkörper 18 der Schleifscheiben 10 gemäß den 1 bis 5 können gemäß dem vorstehend beschriebenen Verfahren zunächst separat gepresst und wärmebehandelt werden. Eine Verbindung mit den Naben 16 erfolgt dann bevorzugt entweder durch Laserschweißen, durch Hartlöten oder durch Aufschrumpfen, wobei beim Aufschrumpfen nach dem Aufheizen des Rohlings des kranzförmigen Schleifkörpers 18 die kalte Nabe 16 in dessen inneren Durchmesser eingefügt wird und beide gemeinsam abkühlen.
Bezugszeichenliste

10: Schleifscheibe
12: Koppelbereich
14: Drehachse
16: Nabe (Stammblatt)
18: Schleifkörper
20: Schicht (von 18; Granulat aus Schleifkörnern und Bindungs-Material)
22: Gewebe- oder Faser-Einlage
24: Lochung (in 16)
26: Etikett

Claims

Schleifscheibe (10), umfassend wenigstens einen Schleifkörper (18), der eine Vielzahl von hochabrasiven Schleifkörnern und ein die Schleifkörner zumindest teilweise umgebendes Bindungs-Material aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Schleifkörner eine thermische Stabilität aufweist, die oberhalb der thermischen Stabilität von Diamant-Schleifkörnern liegt, und das Bindungs-Material zu einem ersten Teil aus wenigstens einem metallischen Werkstoff und zu einem zweiten Teil aus wenigstens einem keramischen Werkstoff besteht.
Schleifscheibe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hochabrasiven Schleifkörner aus kubischem Bor-Nitrid (CBN), aus Siliciumcarbid (SiC), aus Korund (Al₂O₃), aus einem Hartmetall, wie Wolframcarbid (WC), oder aus einer Mischung dieser Bestandteile bestehen, wobei die Mischung optional durch einen Anteil von Schleifkörnern aus Diamant mit wenigstens einem dieser Bestandteile gebildet ist oder als weiteren Bestandteil einen Anteil von Schleifkörnern aus Diamant aufweist.
Schleifscheibe (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der metallische Werkstoff des Bindungs-Materials aus Eisen, aus Cobalt, aus Nickel, aus einer Kupfer-/Zinn-Legierung (Bronze), aus einer Kupfer-/Zink-Legierung (Messing) oder aus einer Mischung wenigstens zweier dieser Bestandteile besteht.
Schleifscheibe (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der keramische Werkstoff des Bindungs-Materials aus Siliciumcarbid (SiC), aus Siliciumnitrid (Si₃N₄), aus Nitriden, wie Aluminiumnitrid (AlN), Titannitrid (TiN) oder Bornitrid (B₄N), aus Carbiden, wie Wolframcarbid (WC) oder Titancarbid (TiC), aus Carbonfasern, aus Zirkoniumdioxid (ZrO₂) mit den Varianten teilstabilisiertes Zirkoniumoxid (PSZ) oder Zirkonoxidverstärktes Aluminiumoxid (ZTA), aus Aluminiumtitanat (Al₂TiO₅), aus Korund (Al₂O₃), aus Zeolithen oder aus einer Mischung wenigstens zweier dieser Bestandteile besteht.
Schleifscheibe (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifscheibe (10) einen zentralen Koppelbereich (12) zum Ankoppeln an einen Drehantrieb zum Drehen der Schleifscheibe (10) um eine durch den Koppelbereich (12) verlaufende Drehachse (14) aufweist.
Schleifscheibe (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein an den Koppelbereich (12) nach außen angrenzender Teil der Schleifscheibe (10) von einer Nabe (16) gebildet werden.
Schleifscheibe (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (D₁₆) der Nabe (16) etwa 50% bis 70% des gesamten Durchmessers (D₁₀) der Schleifscheibe (10) beträgt.
Schleifscheibe (10) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (16) wenigstens eine Lochung (24) für eine verbesserte Wärmeabfuhr aufweist.
Schleifscheibe (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schleifkörper (18) wenigstens eine Gewebe- oder Faser-Einlage (22) aufweist, wobei die Einlage (22) in Form eines Gewebes, eines Geleges, eines Fasermaterials, eines Vlies, aus einer losen Schüttung aus Kurzfasern oder als Pulpe ausgebildet ist und wobei das Gewebematerial oder Fasermaterial aus wenigstens einer der Gruppen der Glasfasern, Nylonfasern, Polyesterfasern, Kohlefasern, Viskosefasern, Aramidfasern, Metallfasern, Korund, Siliciumcarbidfasern (SiC-Fasern) oder Fasern mit mineralischem Basalt oder Steinwolle gebildet ist.
Verwendung einer Schleifscheibe (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche als Trennscheibe für Stahl, eisenhaltige Werkstoffe, Nichteisenmetalle oder mineralische Werkstoffe.
Verfahren zum Herstellen einer Schleifscheibe (10) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte a) Herstellung einer Mischung aus hochabrasiven Schleifkörner und dem zu einem ersten Teil aus wenigstens einem metallischen Werkstoff und zu einem zweiten Teil aus wenigstens einem keramischen Werkstoff bestehenden Bindungs-Material; b) wechselweises Einbringen der Mischung gemäß Verfahrensschritt a) und wenigstens einer Gewebe- oder Faser-Einlage (22) in eine Form, c) Verbinden der Mischung und der wenigstens einen Gewebe- oder Faser-Einlage (22) durch eine gleichzeitige oder nacheinander erfolgende Behandlung mittels Energiezufuhr, durch Einwirkung von Druck und/oder Temperatur- und/oder Strahlung.