DE102013111006A1 - Polykristalline poröse Al2O3-Körper auf Basis von geschmolzenem Aluminiumoxid mit erhöhter Zähigkeit, Verfahren zu ihrer Herstellung sowie ihre Verwendung - Google Patents

Polykristalline poröse Al2O3-Körper auf Basis von geschmolzenem Aluminiumoxid mit erhöhter Zähigkeit, Verfahren zu ihrer Herstellung sowie ihre Verwendung Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft temperaturbehandelte polykristalline poröse Al2O3-Körper mit einem Anteil an α-Aluminiumoxid von mehr als 97 Gew.-%, einem Anteil an sonstigen oxidischen Legierungsbestandteilen von insgesamt weniger als 3 Gew.-%, einer Makroporosität von 5 bis 30 Vol.-%, wobei die Al2O3-Körper aufgebaut sind aus einer Vielzahl von Al2O3-Primärkristallen mit einer Kristallitgröße zwischen 20 und 100 µm.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft polykristalline poröse Al2O3-Körper auf Basis von geschmolzenem Aluminiumoxid, ein Verfahren zu ihrer Herstellung sowie ihre Verwendung, insbesondere in Schleifmitteln.
  • Schleifkörner auf Basis von geschmolzenem Aluminiumoxid, das in der Literatur auch häufig als Korund bezeichnet wird, sind seit langem bekannt und gehören heute noch zu den am häufigsten eingesetzten Materialien zur Bearbeitung von Oberflächen. Bedingt durch die Vielzahl der zu bearbeitenden unterschiedlichen Werkstoffe, wie z.B. Holz, Stahl, Edelstahl, Kunststoffe, Stein, Keramik u.a., wurden in der Vergangenheit für die jeweiligen Anwendungen passende Korundsorten bzw. Spezialkorunde entwickelt, deren physikalische Eigenschaften für den entsprechenden Anwendungsfall optimiert wurden.
  • Dazu können unterschiedliche Wege beschritten werden, wobei man wahlweise den Korund mit anderen Oxiden dotiert und/oder das Herstellverfahren variiert, um insbesondere die physikalischen Eigenschaften des Schleifkorns zu verändern, und/oder aber auch das erhaltene Schleifkorn einer Nachbehandlung unterzieht, um besondere Eigenschaften zu erreichen oder diese zu verstärken.
  • Die WO 2012/041421 offenbart polykristalline Al2O3-Körper, die durch Schmelzen von Aluminiumoxid im elektrischen Lichtbogenofen und anschließendes Abgießen der flüssigen Schmelze hergestellt werden. Der Gießstrom wird dabei schnell abgekühlt, wozu beispielsweise die flüssige Schmelze in einen Spalt zwischen zwei gegeneinander rotierende wassergekühlte Walzen gegossen wird. Zusätzlich werden dem Gießstrom feinteilige Aluminiumoxid-Partikel zur Erhöhung der Abkühlgeschwindigkeit zugegeben.
  • Das so erhaltene feste Material wird anschließend zerkleinert und durch Aussieben zur Schleifkörnung aufbereitet. Man erhält auf diese Weise Schleifkörner, die eine geschlossene Makroporosität aufweisen und aus einzelnen miteinander verbundenen Primärkristallen mit einer Kristallitgröße zwischen 20 µm und 100 µm aufgebaut sind. Derartige Schleifkörner mit einer definierten Porosität und einem definierten kristallinen Gefüge besitzen insbesondere für den Einsatz in Schleifscheiben Vorteile.
  • Die EP-B-1 339 809 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines kompakten dichten Schleifkorns auf Tonerdebasis mit erhöhter Zähigkeit sowie seine Verwendung in Schleifmitteln. Dabei wird die fertige Schleifkörnung einer thermischen Nachbehandlung zwischen 800 und 1500°C unterzogen.
  • Thermische Nachbehandlungen sind auch aus der US-A-4 157 898 bekannt. TiO2-haltige Korunde werden unter oxidierenden Bedingungen geglüht, wobei Titansuboxid, das während der unter reduzierenden Bedingungen durchgeführten Schmelze aus dem TiO2 gebildet wird, an der Kornoberfläche oxidiert wird und Titan-Aluminium-Verbindungen mit vierwertigem Titan gebildet werden, die eine Blaufärbung der Oberfläche der Schleifkörner bewirken.
  • In den beiden letztgenannten Fällen werden fertige, kompakt und dicht aufgebaute Schleifkörner thermisch nachbehandelt, um ihre Kornzähigkeit zu erhöhen. Die Erhöhung der Kornzähigkeit korreliert bei bestimmten Schleifoperationen mit einer Erhöhung der Schleifleistung.
  • Neben den kompakt und dicht aufgebauten Schleifkörnern, die aus sehr wenigen großen oder einzelnen Kristalliten bestehen, sind gerade in der neueren Zeit eine Reihe von mikrokristallin oder polykristallin aufgebauten Schleifkörnern, die aus einer Vielzahl von kleinen Kristalliten aufgebaut sind, entwickelt worden, die allein aufgrund ihres Kristallgefüges oder ihrer Struktur eine hohe Zähigkeit aufweisen. So wird in der EP-B-0 595 081 die Herstellung von Zirkonkorund beschrieben, wobei Zirkonoxid zusammen mit Aluminiumoxid geschmolzen und die flüssige Schmelze dann möglichst rasch abgekühlt wird, um ein Entmischen der Komponenten beim Abkühlen zu verhindern, so dass im Produkt ZrO2 und Al2O3 homogen verteilt nebeneinander in einem mikrokristallinen Gefüge vorliegen.
  • Ähnlich zähe Materialien, die ebenfalls mikrokristallin aufgebaut sind, können auch über einen chemischen bzw. keramischen Weg erhalten werden, wobei als Ausgangsstoff feinteilige Tonerde oder ein entsprechender Vorstoff, aus dem während des Herstellverfahrens Al2O3 entsteht, zu einem Grünkörper verarbeitet wird, der dann bei Temperaturen zwischen 1200 und 1600 °C gesintert wird. Mikrokristalline Sinterkorunde sind beispielsweise Gegenstand der EP-B-0 152 068 oder der EP-A-0 725 045.
  • Auf eine thermische Nachbehandlung dieser mikro- oder polykristallin aufgebauten Korunde wurde in der Vergangenheit verzichtet, da man die Erfahrung gemacht hatte, dass das für die Zähigkeit verantwortliche Kristallgefüge bei einer thermischen Nachbehandlung durch Kristallwachstum oder auch, wie im Falle des Zirkonkorundes, durch Modifikationsumwandlungen Schaden erleidet.
  • So sind erfolgreiche thermische Nachbehandlungen bisher nur von kompakt und dicht aufgebauten Korundsorten bekannt, die aus wenigen großen oder einzelnen Kristalliten bestehen.
  • Aufgrund der ungeheuren Vielfalt der zu bearbeitenden unterschiedlichen Werkstoffe, Oberflächen und Formen sowie der unterschiedlichen Anforderungen an den Bearbeitungsprozess selber, werden nicht nur die oben beispielhaft angeführten Korundsorten jeweils für bestimmte Schleifoperationen bevorzugt eingesetzt, sondern es besteht darüber hinaus auch weiterhin der Bedarf, Schleifkörner bestimmten Schleifoperationen oder besonderen Werkstoffen noch besser anzupassen, um auf diese Weise die Abtragsleistung oder die Oberflächengüte bei der Bearbeitung der Werkstoffe weiter zu verbessern.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, ein Korundschleifkorn bereitzustellen, das ein für bestimmte Schleifoperationen optimiertes Eigenschaftsprofil aufweist und damit eine weitere Optimierung des daraus hergestellten Schleifmittels und der Schleifergebnisse erlaubt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist auch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines entsprechenden Korundschleifkorns.
  • Gelöst wird die Aufgabe durch die Bereitstellung von polykristallinen porösen Al2O3-Körpern auf Basis von geschmolzenem Aluminiumoxid mit einem Anteil an α-Aluminiumoxid von mehr als 97 Gew.-% und einem Anteil an anderen oxidischen Legierungsbestandteilen von insgesamt weniger als 3 Gew.-%.
  • Die Al2O3-Körper sind aufgebaut aus einer Vielzahl von Al2O3-Primärkristallen mit einer Kristallitgröße zwischen 20 und 100 µm und weisen eine Makroporosität mit einem Porenvolumen zwischen 5 und 30 Vol.-%, einem mittleren Durchmesser der Poren zwischen 20 und 60 µm und einen maximalen Porendurchmesser im Bereich von ca. 100 µm auf. An den Grenzen der Primärkristalle weisen die polykristallinen Al2O3-Körper Anreicherungen von einzelnen Fremdphasen auf, die punktförmig vereinzelt oder auch in Reihen entlang der Primärkristallgrenzen verteilt sind. Die Fremdphasen weisen einen Durchmesser von weniger als 7 µm auf, vorzugsweise weniger als 5 µm.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfassen die Fremdphasen TiO2 und/oder andere oxidische Legierungsbestandteile ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cr2O3, Fe2O3, MgO, Na2O, NiO, ZnO, CoO, ZrO2, SiO2, MnO2 oder Oxide der Seltenen Erden.
  • Erhalten werden die oben beschriebenen polykristallinen Al2O3-Körper durch eine thermische Nachbehandlung von geringe Mengen an TiO2 und/oder andere oxidische Legierungsbestandteile enthaltenden polykristallinen Al2O3-Körpern, wie sie beispielsweise nach der der WO 2012/041421 hergestellt werden können.
  • Die Herstellung der erfindungsgemäßen Schleifkörner auf Basis polykristallinen Al2O3-Körpern umfasst eine Abfolge von Verfahrensschritten beginnend mit dem Schmelzen einer Mischung von mindestens 97 Gew.-% Aluminiumoxid und höchstens 3 Gew.-% anderen oxidischen Legierungsbestandteilen im elektrischen Lichtbogenofen. Nach dem vollständigen Aufschmelzen der Mischung wird die flüssige Schmelze mit einer konstanten Gießleistung von weniger als 80 kg/min abgegossen. Beim Abgießen werden dem Gießstrom feine α-Aluminiumoxid-Partikel zugegeben. Auf diese Weise wird die Abkühlung der Schmelze beschleunigt. Das vollständige Abkühlen der Schmelze erfolgt dann durch Eingießen der Schmelze in einen schmalen Spalt zwischen Metallplatten, über gegeneinander rotierende gekühlte Walzen oder aber auch durch Abgießen auf Kühlplatten. Nach dem Abkühlen liegen polykristalline Al2O3-Körper in Form von groben Stücken oder Platten vor, die dann zerkleinert und anschließend zu einer definierten Schleifkörnung ausgesiebt werden. Der erfindungswesentliche Schritt besteht im anschließenden Tempern der so erhaltenen Schleifkörner für 5–60 Minuten bei einer Temperatur zwischen 1000 und 1400 °C. Vorzugsweise erfolgt die thermische Nachbehandlung für 15 Minuten bei 1250 °C in einem Drehrohrofen.
  • Bei den im Rahmen der vorliegenden Erfindung durchgeführten Versuchen hat sich gezeigt, dass das vorherige Zerkleinern und Aussieben der fertigen Schleifkörnung vor dem Tempern einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität des erfindungsgemäßen Schleifkorns hat. So wurde gefunden, dass ein Tempern der nach dem Abkühlen erhaltenen groben Stücke und ein anschließendes Zerkleinern zwar ebenfalls eine Verbesserung der Eigenschaften des Schleifkorns bewirkt, die jedoch längst nicht so dramatisch ausfällt wie bei der umgekehrten Reihenfolge. Die Kornform des nach dem Zerkleinern erhaltenen Schleifkorns ist kubisch und blockig, wobei die fertige Schleifkörnung jedoch aufgrund der Makroporosität der Basis-Al2O3-Körper eine relativ niedrige Schüttdichte aufweist, die für die Körnungen F24–F80 nach FEPA weniger als 1.75 g/cm3, vorzugsweise weniger als 1.70 g/cm3, und besonders bevorzugt weniger als 1.65 g/cm3 beträgt.
  • Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass auch bei polykristallinen porösen Al2O3-Körpern trotz ihrer Kristallstruktur und ihrer Porosität durch eine thermische Nachbehandlung eine enorme Steigerung der Kornzähigkeit erreicht werden kann, wenn die Ausgangsprodukte geringe Mengen an fremden Oxiden als Legierungsbestandteile aufweisen. Besonders auffallend und ausgeprägt ist dieser Effekt in Anwesenheit von geringen Mengen an TiO2.
  • Neben TiO2 können vorteilhaft auch geringe Anteile an zusätzlichen oxidischen Legierungsbestandteilen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cr2O3, Fe2O3, MgO, Na2O, NiO, ZnO, CoO, ZrO2, SiO2, MnO2 und/oder Oxide der Seltenen Erden in den erfindungsgemäßen polykristallinen Al2O3-Körpern vorhanden sein, wobei die Summe der zusätzlichen Legierungsbestandteile weniger als 3 Gew.-% beträgt, vorzugsweise ≤ 1 Gew.-% ist. Ein positiver Effekt, der allerdings nicht so ausgeprägt ist, ist auch zu beobachten, wenn die Fremdphasen kein TiO2 enthalten.
  • Anhand von REM-Aufnahmen, die als 1 bis 6 der Beschreibung beigefügt sind, wird das Wesen der vorliegenden Erfindung zusätzlich verdeutlicht. Dabei zeigen
  • 1 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Schliffbildes eines erfindungsgemäßen polykristallinen Schleifkorns in 1,000-facher Vergrößerung,
  • 2 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Schliffbildes eines erfindungsgemäßen polykristallinen Schleifkorns in 2,000-facher Vergrößerung,
  • 3 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Schliffbildes eines Vergleichsbeispiels in 1,000- facher Vergrößerung,
  • 4 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Schliffbildes eines Vergleichsbeispiels in 1,000- facher Vergrößerung,
  • 5 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von polykristallinen Schleifkörnern in 100-facher Vergrößerung
  • 6 eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von kompakten dichten monokristallinen Schleifkörnern in 150-facher Vergrößerung.
  • In den 1 und 2 sind die Grenzen 3 der Primärkristalle 1 als dunklere, die einzelnen Primärkristalle 1 einfassende Randbereiche zu erkennen. Hervorgehoben werden die Kristallgrenzen zusätzlich durch die verstärkt auftretenden vereinzelten hellen Fremdphasen 2, die im vorliegenden Fall (Beispiel 4) zu über 88 Gew.-% aus TiO2 bestehen. So ergab eine EDX-Analyse für die Fremdphasen 2 eine Zusammensetzung von 88.6 Gew.-% TiO2, 0.7 Gew.-% Na2O, 0.1 Gew.-% MgO, 0.1 Gew.-% SiO2 und 10.5 Gew.-% Al2O3. Für die Primärkristalle 1 wurden 99.5 Gew.-% Al2O3, 0.3 Gew.-% SiO2 und jeweils 0.1 Gew.-% CaO und TiO2 analysiert. Für die Phasengrenzen 3 selber wurde 5.6 Gew.-% Na2O, 93.4 Gew.-% Al2O3, 0.2 Gew.-% SiO2 und 0.8 Gew.-% TiO2 gefunden. Die in der Aufnahme zu erkennenden schwarzen Bereiche sind Poren 4, die sich entlang der Primärkristallgrenzen ausbilden. Die 2 zeigt in 2,000-facher Vergrößerung ein Schliffbild eines erfindungsgemäßen Schleifkorns, bei dem insbesondere die entlang der Kristallitgrenze 3 aufgereihten TiO2-haltigen Fremdphasen 2 zu erkennen sind.
  • Die 3 und 4 zeigen den Schnitt durch ein Basiskorn vor der thermischen Behandlung. Man erkennt im Vergleich zum erfindungsgemäß thermisch nachbehandelten Korn in den 1 oder 2, dass die Menge der Titan enthaltenden Fremdphasen 2 deutlich geringer ist, die Ausscheidungen gröber sind und die Form der Ausscheidungen mehr plättchenförmig ist. Es wird daher vermutet, dass die hohe Temperatur der thermischen Nachbehandlung zu Diffusionsprozessen führt, die zu einer erhöhten Ausscheidung und zu einer feineren punktförmigen Verteilung der Fremdphasen 2 führt. Durch die Temperaturbehandlung bzw. die Diffusionseffekte scheint es auch zu einer Abnahme der Dicke der Phasengrenzen 3 zu kommen.
  • In der 5 ist in 100-facher Vergrößerung der polykristalline Aufbau der erfindungsgemäßen Schleifkörner zu erkennen, die aus 20–100 µm großen miteinander verbundenen Al2O3-Primärkristallen aufgebaut sind. Die zerklüftete Oberfläche der Schleifkörner erklärt die gute Einbindung derselben in eine Bindemittelmatrix eines Schleifmittels und die daraus resultierenden guten Schleifleistungen.
  • Als deutlicher Gegensatz zur 5 ist in der 6 in 150-facher Vergrößerung ein konventionelles dichtes kompaktes Schleifkorn zu erkennen, das monokristallin aufgebaut ist und eine relativ glatte Oberfläche aufweist, so dass das Schleifkorn zwar eine hohe Kornfestigkeit aufweist aber nur schlecht in der Bindemittelmatrix eingebunden wird.
  • Um die Qualität von Schleifkörnern zu beurteilen, ist es unumgänglich Schleiftests durchzuführen. Schleiftests sind relativ aufwändig und zeitintensiv. Es ist deshalb in der Schleifmittelbranche üblich, die Qualität von Schleifkörnern vorab anhand von mechanischen Eigenschaften zu beurteilen, die leichter zugänglich sind und als Indizien für das spätere Verhalten im Schleiftest dienen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeiten wurde die Kornzähigkeit der Schleifkörner über den Mikrokornzerfall durch Mahlen in einer Kugelmühle bestimmt.
  • Mikrokornzerfall (MKZ)
  • Zur Messung des Mikrokornzerfalls werden 10 g Korund (entsprechender Körnung) in einer mit 12 Stahlkugeln (Durchmesser 15 mm, Gewicht 330–332 g) gefüllten Kugelmühle bei 188 Umdrehungen pro Minute über einen bestimmten Zeitraum vermahlen. Anschließend wird das vermahlene Korn 5 Minuten über ein entsprechendes Feinsieb, das 2 Klassen feiner ist als das für die entsprechende Körnung definierte Bodensieb, in einer Siebmaschine (Haver Böcker EML 200) gesiebt und der Feinanteil wird ausgewogen. Der MKZ-Wert ergibt sich aus: MKZ(%) = Siebdurchgang Feinsieb / Gesamteinwaage × 100
  • In der folgenden Tabelle 1 werden einige ausgewählte Korundsorten charakterisiert, deren Mikrokornzerfall neben der Schüttdichte dann in der Tabelle 2 zusammengefasst und mit den erfindungsgemäßen Schleifkörnern verglichen werden. Für die Untersuchungen wurden Korunde der Fa. Treibacher Schleifmittel GmbH eingesetzt. Zum Vergleich wurden neben polykristallinen Korunden auch blockige und dichte Edelkorunde (6), die im Blockverfahren geschmolzen werden, herangezogen. Die Temperaturbehandlung für die polykristallinen Korunde wurde für 15 Minuten bei 1250 °C im Drehrohrofen durchgeführt. Tabelle 1
    Beispiel Korundsorte Chemische Zusammensetzung
    1 (Vergleich) Edelkorund Weiß kompakt, dicht, monokristallin Al2O3 Fe2O3 Na2O SiO2 99,76 0.04 0.18 0.02
    2 (Vergleich) legierter Korund kompakt, dicht monokristallin Al2O3 Na2O Fe2O3 TiO2 Cr2O3 SiO2 99.38 0.19 0.04 0.24 0.09 0.06
    3, 5, 7 (Vergleich) legierter polykristalliner Korund
    4, 6, 8 (Erfindung) legierter temperaturbehandelter polykristalliner Korund
    Tabelle 2
    Beispiel Körnung Schüttdichte SD (g/cm3) Mikrokornzerfall MKZ (Gew.-%)
    1 F46 1.81 12.1
    2 F46 1.81 9.7
    3 F46 1.64 29.6
    4 F46 1.64 20.2
    5 F60 1.67 18.1
    6 F60 1.67 13.8
    7 F80 1.63 13.4
    8 F80 1.63 7.5
  • Für die blockigen und dichten Schmelzkorunde (Beispiel 1 und 2) zeigen die niedrigen MKZ-Werte eine hohe Zähigkeit und Kornfestigkeit an, die für den legierten Korund (Beispiel 2) noch deutlich höher ist als für den Edelkorund Weiß (Beispiel 1). Bei der gleichen chemischen Zusammensetzung wie Beispiel 2 ist der MKZ-Wert für den polykristallinen porösen Korund (Beispiel 3) deutlich höher. Dennoch zeigt dieses Material bei entsprechenden Anwendungen sehr gute Schleifleistungen, die insbesondere auch darauf zurückzuführen sind, dass das Schleifkorn aufgrund seiner porösen Struktur sehr gut in das Schleifmittel (Schleifband oder Schleifscheibe) eingebunden werden kann, wobei das Bindemittel in die äußeren offenen Poren des Schleifkorns eindringt und das Schleifkorn im Schleifmittel verankert wird.
  • Das gleiche Korn zeigt nach einer Temperaturbehandlung bei 1250 °C eine Verringerung des MKZ-Wertes bzw. eine Erhöhung der Kornzähigkeit um ca. 32%. Daraus ergeben sich für das erfindungsgemäße Schleifkorn vollkommen neue Anwendungsmöglichkeiten, da nun die poröse polykristalline Struktur mit einer relativ hohen Kornzähigkeit gepaart ist und so die Vorteile der guten Einbindung mit einer hohen Kornfestigkeit kombiniert werden können.
  • Es ist bekannt, dass die MKZ-Werte abhängig sind von der Korngröße. Es wurden daher weitere Messungen mit feineren Körnungen durchgeführt. Es zeigte sich auch bei den Beispielen 5–8 für die Körnungen F60 und F80, dass durch eine thermische Nachbehandlung enorme Steigerungen der Kornzähigkeit erreicht werden. So wird die Körnung F60 (Beispiele 5 und 6) eine Kornzähigkeitssteigerung von ca. 24% gemessen, während für die Körnung F80 sogar eine Erhöhung um ca. 44% zu verzeichnen ist.
  • Schleiftest
  • Um die positive Auswirkung der MKZ-Werte auch für die Praxis des Schleifens zu verifizieren, wurden von den Mustern 1 bis 4 zusätzliche Schleiftests durchgeführt.
  • Dazu wurden Trennscheiben in den Abmessungen 125 × 1.5 × 22.23 hergestellt, mit denen dann ein Edelstahlrohr mit dem Durchmesser von 20 mm und einer Dicke von 2 mm geschnitten wurde. Es wurden zunächst 3 Vorschnitte zum Konditionieren der Scheibe durchgeführt und anschließend wurden insgesamt mit jeder Scheibe 20 Schnitte durchgeführt. Die Schleifleistung wurde über die Abnahme des Scheibendurchmessers (Scheibenverschleiß) bestimmt. Beim Scheibenverschleiß wurden jeweils die Mittelwerte aus 3 Scheiben gebildet Die Schleifresultate und die Schleifbedingungen sind in der folgenden Tabelle 3 zusammengefasst. Tabelle 3
    Schleifmaschine FEIN WS14
    Leistung 1.2 kW
    Drehzahl 8.800 rpm
    Schnittzahl 20
    Werkstück Rohr 22/2
    Werkstoff Edelstahl
    Abmessung Scheibenverschleiß nach 20 Schnitten (Abnahme des Durchmessers)
    Schleifmittel Trennscheibe 125 × 1.5 × 22.23
    Schleifkorn Beispiel 1 8.4 mm
    Beispiel 2 4.5 mm
    Beispiel 3 5.4 mm
    Beispiel 4 3.9 mm
  • Bei den oben aufgeführten Schleifbedingungen zeigt die Trennscheibe mit dem kompakten und dichten Edelkorund Weiß den höchsten Scheibenverschleiß, was mit der schlechten Einbindung des kompakten Korns in der Bindemittelmatrix und insbesondere mit der relativ geringen Kornzähigkeit erklärt werden kann. Die Trennscheibe mit dem zähen legierten Korund verschleißt im Vergleich dazu deutlich weniger (ca. 45 %). Erstaunlich ist das Ergebnis der Trennscheibe mit polykristallinem porösem Korund, die trotz des sehr hohen MKZ-Wertes (Beispiel 3 = 29.6) einen nur wenig niedrigeren Scheibenverschleiß im Vergleich zu dem kompakten und zähen Korn aus Beispiel 2 aufweist, was sicherlich mit der guten Einbindung des porösen polykristallinen Korns in der Bindemittelmatrix erklärt werden kann. Durch das Tempern des Schleifkorns bei 1250 °C für 15 Minuten kann die Standfestigkeit der Trennscheibe, bezogen auf die Abnahme des Durchmessers, um ca. 30% gesteigert werden und übertrifft damit den extrem festen kompakten legierten Korund.
  • In diesem Zusammenhang muss erwähnt werden, dass der oben beschriebene Schleiftest in erster Linie durchgeführt wurde, um allgemein die Eignung der erfindungsgemäßen Al2O3-Körper als Schleifkörner zu bestimmen und die Leistungssteigerung gegenüber dem unbehandelten Schleifkorn aufzuzeigen. Für spezielle Anwendungen und Schleifoperationen, bei denen die Porosität und die dazu relativ hohe Kornzähigkeit des erfindungsgemäßen Schleifkorns einen besonders positiven Einfluss haben, sind weitere Leistungssteigerungen insbesondere gegenüber den kompakten und dichten Korundsorten zu erwarten. Entsprechende Ergebnisse wurden für das Präzisionsschleifen oder auch das Hochleistungsschleifen mit keramisch gebundenen Schleifkörpern gefunden.
  • Insbesondere beim Einsatz in Schleifscheiben, die eine definierte Porosität aufweisen sollen, führt die Verwendung der erfindungsgemäßen Schleifkörner zu Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik, da nun zumindest teilweise die gewünschte Porosität durch das Schleifkorn selbst ausgebildet wird, was den zusätzlichen Vorteil mit sich bringt, dass das Kühlschmiermittel direkt in die Schleifkontaktzone gebracht werden kann. So wird durch das Einbringen zusätzlicher Porosität bei Verwendung des erfindungsgemäßen Schleifkorns einerseits die Schnittigkeit der Schleifscheibe verbessert und das Freischleifen während des Arbeitsprozesses unterstützt, andererseits wird darüber hinaus aufgrund der polykristallinen Struktur mit einer großen, zerklüfteten Oberfläche die Einbindung des Schleifkorns in der Schleifscheibe verbessert, wodurch die Schleifleistung zusätzlich erhöht wird.
  • Trotz der hohen Makroporosität ist das Schleifkorn äußerst stabil und kann auch für Schleifoperationen eingesetzt werden, bei denen hohe Anpressdrücke gefahren werden.
  • Auch wenn die polykristallinen Al2O3-Körper aufgrund ihres Aufbaus insbesondere für den Einsatz in Schleifscheiben prädestiniert sind, so sind sie auch für die Verwendung als loses Schleifmittel, für den Einsatz in Schleifmitteln auf Unterlage, für die Herstellung von Feuerfestmaterialien und für den Einsatz als Verschleißschutzmaterial geeignet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2012/041421 [0004, 0019]
    • EP 1339809 B [0006]
    • US 4157898 A [0007]
    • EP 0595081 B [0009]
    • EP 0152068 B [0010]
    • EP 0725045 A [0010]

Claims (10)

  1. Polykristalline poröse Al2O3-Körper aus geschmolzenem Aluminiumoxid mit einem Anteil an α-Aluminiumoxid von mehr als 97 Gew.-%, einem Anteil an sonstigen oxidischen Legierungsbestandteilen von insgesamt weniger als 3 Gew.-%, wobei die Al2O3-Körper aufgebaut sind aus einer Vielzahl von Al2O3-Primärkristallen mit einer Kristallitgröße zwischen 20 und 100 µm und eine Makroporosität mit einem Porenvolumen zwischen 5 und 30 Vol.-%, einem mittleren Durchmesser der Poren zwischen 20 und 60 µm und einen maximalen Porendurchmesser im Bereich von ca. 100 µm aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die polykristallinen Al2O3-Körper an den Grenzen der Primärkristalle Anreicherungen von einzelnen Fremdphasen aufweisen, wobei die Fremdphasen einen Durchmesser von weniger als 7 µm aufweisen und punktartig vereinzelt oder in Reihen entlang der Primärkristallgrenzen verteilt sind.
  2. Al2O3-Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fremdphasen einen Durchmesser von weniger als 5 µm aufweisen.
  3. Al2O3-Körper nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fremdphasen TiO2 und/oder andere oxidische Legierungsbestandteile ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cr2O3, Fe2O3, MgO, NiO, ZnO, CoO, ZrO2, SiO2, MnO2 oder Oxide der Seltenen Erden umfassen.
  4. Al2O3-Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an sonstigen oxidischen Legierungsbestandteilen weniger als 1 Gew.-% beträgt.
  5. Al2O3-Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Al2O3-Körper zu definierten Körnungen aufbereitete und klassierte Schleifkörner sind.
  6. Al2O3-Körper nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifkörner in den Körnungen F24 bis F80 nach FEPA eine Schüttdichte von weniger als 1,75 g/cm3, vorzugsweise weniger als 1.70 g/cm3, und besonders bevorzugt weniger als 1.65 g/m3 aufweisen.
  7. Verfahren zur Herstellung von Schleifkörnern auf Basis von polykristallinen Al2O3-Körpern aus im elektrischen Lichtbogenofen geschmolzenem Aluminiumoxid mit den Schritten a) Schmelzen einer Mischung von mindestens 97 Gew.-% Aluminiumoxid und maximal 3 Gew.-% anderen oxidischen Legierungsbestandteilen im elektrischen Lichtbogenofen, b) Abgießen der flüssigen Schmelze mit einer konstanten Gießleistung von weniger als 80 kg/min c) Zugabe von feinen Partikeln aus Al2O3 in den Gießstrom, d) Abkühlen der flüssigen Schmelze, um einen Aluminiumoxidfestkörper zu erhalten, e) Zerkleinern des Aluminiumoxidfestkörpers, um Schleifkörner auf Basis von polykristallinen Al2O3-Körpern zu erhalten, und f) Tempern der so erhaltenen Schleifkörner für 5 bis 60 Minuten bei einer Temperatur zwischen 1000 °C und 1400 °C.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Tempern für 15 Minuten bei einer Temperatur von 1250 °C in einem Drehrohrofen durchgeführt wird.
  9. Verwendung der polykristallinen Al2O3-Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für die Herstellung von gebundenen oder losen Schleif- oder Strahlmitteln.
  10. Verwendung der polykristallinen Al2O3-Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für die Herstellung von Verschleißschutzschichten oder Feuerfestmaterialien.
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