DE102018115752A1

DE102018115752A1 - Mahlkörper

Info

Publication number: DE102018115752A1
Application number: DE102018115752.5A
Authority: DE
Inventors: Alois Danzer; Stefan Velten; Hans-Joachim Graf; Sedat Yanarsönmez; Armin Kayser
Original assignee: Friatec GmbH
Current assignee: Kyocera Fineceramics Europe GmbH
Priority date: 2018-06-29
Filing date: 2018-06-29
Publication date: 2020-01-02

Abstract

Ein Mahlkörper (5a-d) zur Zerkleinerung von Mahlgut (9), ist im Hinblick auf die Aufgabe, einen mechanisch möglichst stabilen Mahlkörper anzugeben, der einen möglichst geringen Abrieb bei einem Mahlprozess zeigt, ist gekennzeichnet durch einen Gewichts- oder Volumenanteil an Yttriumoxid (YO), der im Bereich 10% bis 100% liegt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Mahlkörper nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Mahlkörper finden beispielsweise in Kugelmühlen Verwendung, wobei die Mahlkörper und das Mahlgut gemeinsam bewegt werden. Durch die Bewegung stoßen das Mahlgut und die Mahlkörper aneinander. Es kommt insbesondere zu einer Zerkleinerung des Mahlguts, wenn dieses zwischen die Mahlkörper gelangt. Das Mahlgut wird durch Schlagbeanspruchung zerkleinert.
Keramische Werkstoffe sind aufgrund ihrer Härte besonders für die Fertigung und Herstellung von Mahlkörpern geeignet. Häufig werden keramische Mahlkörper aus Zirkonoxid (ZrO₂) oder Aluminiumoxid (Al₂O₃) hergestellt.
Vor diesem Hintergrund ist es aus der DE 600 27 076 T2 bekannt geworden, Zirkonoxid durch Yttriumoxid (Y₂O₃) zu stabilisieren. Aus der EP 0 171 444 B1 ist es bekannt, Yttriumoxid als Sinterhilfsmittel zu verwenden, wobei aber auch Aluminiumoxid als Sinterhilfsmittel offenbart ist. Mit der Zugabe von Al₂O₃ können sogenannte Dispersionskeramiken hergestellt werden die aus ZrO₂ und Al₂O₃ Phasen bestehen.
Zirkonoxid aufweisende Werkstoffe sind unter den keramischen Materialien wegen ihres geringen Elastizitäts-Moduls, im Folgenden E-Modul genannt, besonders gut für die Herstellung von Mahlkörpern geeignet. Mit einem geringen E-Modul ist nämlich eine relativ großflächige Verteilung von Kontaktdrücken durch die sogenannte Hertzsche Pressung verbunden.
Ein Mahlkörper mit einem geringen E-Modul gibt nach und ist daher beim Mahlen mechanisch gut beanspruchbar, ohne dabei Schaden zu nehmen. Allerdings kann ein Mahlkörper mit einer geringen Härte beim Mahlen auch einen relativ hohen Abrieb zeigen und dadurch das Mahlgut durch den Abrieb verunreinigen. Dies gilt es jedoch zu vermeiden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen mechanisch möglichst stabilen Mahlkörper anzugeben, der einen möglichst geringen Abrieb bei einem Mahlprozess zeigt.
Die vorliegende Erfindung löst die zuvor genannte Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass ein Bedarf nach einem Werkstoff oder einer Keramik besteht, der bzw. die einen E-Modul aufweist, der geringer ist als der eines besonders elastischen Zirkonoxid aufweisenden Werkstoffs.
Weiter ist erkannt worden, dass ein relativ geringer Abrieb des Mahlkörpers trotz geringer Härte des Mahlkörpers erzielbar ist.
Schließlich ist erkannt worden, dass ein Mahlkörper der bestimmte Mengen an Yttriumoxid (Y₂O₃) aufweist, überraschend trotz geringer Härte und geringem E-Modul einen sehr geringen Abrieb beim Mahlen zeigt.
Der Mahlkörper könnte einen Gewichts- oder Volumenanteil an Yttriumoxid aufweisen, der im Bereich größer 10% bis 100%, bevorzugt im Bereich 50% bis 100%, besonders bevorzugt im Bereich 70% bis 100%, liegt. Ein besonders niedriger E-Modul in der Größenordnung von 170 GPa wird erzielt, wenn der Gewichts- oder Volumenanteil an Yttriumoxid im Bereich 70% bis 100% liegt.
Sofern mit einem höheren E-Modul gearbeitet werden kann, kann der Gewichts- oder Volumenanteil bis auf 50% reduziert werden.
Wenn der Gewichts- oder Volumenanteil über 10% liegt, wird der E-Modul bereits merklich gegenüber einem Mahlkörper reduziert, der nur Zirkonoxid aufweist.
Als Sinterhilfsmittel zur Stabilisierung von Zirkonoxid können bis zu einem Gehalt von 16 Mol% Y, Mg, und Ce hauptsächlich verwendet werden. Eine Dotierung über 10 Ma% Y₂O₃ geht über eine reine Stabilisierung von ZrO₂ in seiner kubischen Phase hinaus und könnte am ehesten als Mischkeramik bezeichnet werden. Ma% steht für Massenprozent bzw. Massenanteil.
Der Mahlkörper könnte einen Gewichts- oder Volumenanteil an Yttriumoxid aufweisen, der größer 90% und kleiner 100% ist. Ein solcher Mahlkörper kann einen E-Modul von weniger als 170 GPa aufweisen.
Der Mahlkörper könnte neben Yttriumoxid als erstem Stoff noch mindestens einen zweiten Stoff aufweisen, der einen Gewichts- oder Volumenanteil am Mahlkörper ausmacht, der im Bereich 1% bis 90%, bevorzugt im Bereich 1% bis 50%, besonders bevorzugt im Bereich 1 bis 30% liegt. Ein zweiter Stoff kann verwendet werden, um den E-Modul des Mahlkörpers geeignet einzustellen und/ oder den Mahlkörper zu stabilisieren.
Der Mahlkörper könnte neben Yttriumoxid als erstem Stoff noch Zirkonoxid als zweiten Stoff aufweisen. Zirkonoxid oder Zirkoniumoxid hat sich als besonders geeigneter Stoff zur Verbindung mit Yttriumoxid herausgestellt, wenn der Grünkörper des Mahlkörpers gesintert wird.
Bevorzugt sind nur Zirkonoxid und Yttriumoxid als Aufbaustoffe für den Mahlkörper vorgesehen, wobei sich deren Gewichts- oder Volumenanteile in Summe zu 100% ergänzen.
Der Mahlkörper könnte einen E-Modul aufweisen, der kleiner als 200 GPa und größer als 100 GPa ist. Ein solcher Mahlkörper ist ausreichend nachgiebig und kann mechanischen Anforderungen Stand halten, ohne dass größere Teile von ihm abplatzen oder dass er zerspringt. Er weist eine ausreichende Zähigkeit auf.
Der Mahlkörper könnte eine in sich geschlossene und/ oder zusammen hängende Oberfläche aufweisen, welche dem Mahlgut zum unmittelbaren Kontakt zuwendbar ist. So ist es möglich, dass jede Stelle der einzigen Oberfläche des Mahlkörpers mit Mahlgut in Kontakt kommen und dieses zerkleinern kann. Der Mahlkörper ist als von allen Seiten zugängliches Element ausgebildet, welches an allen Seiten die gleiche Materialbeschaffenheit bzw. Materialzusammensetzung zeigt.
Eine Mahlvorrichtung könnte ein Behältnis zur Aufnahme von Mahlgut und mehrere Mahlkörper der hier beschriebenen Art aufweisen, welche in dem Behältnis beweglich aufgenommen sind. Hierdurch ist Mahlgut zerkleinerbar, wobei möglichst wenig bzw. nahezu kein Abrieb der Mahlkörper das Mahlgut verunreinigt.
Mahlkörper der hier beschriebenen Art können einige Zentimeter lang sein und/ oder einen Durchmesser im Zentimeterbereich aufweisen. Es sind jedoch auch Mahlkörper denkbar, die etwa 50 Mikrometer lang sind und/ oder einen Durchmesser mit diesem Wert aufweisen. Auch Mahlkörper mit einer sphärischen Form mit Durchmessern von 0,1 bis 100 mm sind denkbar.
Die Mahlvorrichtung könnte als Kugelmühle ausgestaltet sein. Im Allgemeinen kann jede Mühle verwendet werden, deren Mahlwirkung auf einer durch ortsbewegliche Mahlkörper auf ein Mahlgut eingebrachten mechanischen Krafteinwirkung beruht.
Ein Mahlkörper der hier beschriebenen Art könnte zum Mahlen von Farbpartikeln verwendet werden. Da der Mahlkörper sehr geringen Abrieb zeigt, werden Farben nahezu nicht durch den Mahlkörper verunreinigt.
Sofern in dieser Beschreibung von Mengen an Yttriumoxid (Y₂O₃) die Rede ist, ist möglichst hochreines Yttriumoxid gemeint, welches selbstverständlich aber unter Umständen geringste Spuren an Verunreinigung mit umfassen kann.
Handelsübliche Yttriumoxide haben in der Regel laut Herstellerangaben Reinheiten von über 99,99% werden aber durch Produktionsprozesse oft verunreinigt.
Sofern in dieser Beschreibung von Mengen an Zirkonoxid (ZrO₂) oder Zirkoniumoxid die Rede ist, ist möglichst hochreines Zirkonoxid gemeint, welches selbstverständlich aber unter Umständen geringste Spuren an Verunreinigung mit umfassen kann.
Handelsübliche Zirkoniumoxide, die Industriell Verwendung finden, haben üblicherweise Reinheiten von ca. 99,5% bezogen auf die Gehalte an ZrO₂ und HfO₂. HfO₂ ist in Zirkonoxiden zu ca 1,5 - 2 % enthalten, da es wegen seiner Ähnlichleit zu ZrO₂ nur schwer zu trennen ist. Die Reinheiten werden daher üblicherweise angegeben, wie beispielsweise Reinheit 99,5% ZrO₂+HfO₂.
In der Zeichnung zeigen

1 eine schematische Darstellung eines Versuchsaufbaus zur Ermittlung eines E-Moduls einer Probe, wobei schematisch dargestellt ist, dass eine Impulsanregung der Probe erfolgt und wobei typische Positionen und Richtungen für die Impulsanregung in einem Biegeschwingungsmodus dargestellt sind,
2 verschiedene geometrische Ausgestaltungen von Mahlkörpern zum Mahlen oder Zerkleinern von Mahlgut und
3 eine Mahlvorrichtung, nämlich eine Kugelmühle.

Anhand von 1 wird nachfolgend beschrieben, wie die Elastizitätsmodule von im Wesentlichen reinen Probekörpern aus Yttriumoxid (Y₂O₃ von ca 99,8% und prozessbedingten Verunreinigungen von ZrO₂ ca. 0,2%) und Zirkonoxid (Mg-PSZ: ZrO₂ mit einer Beimengung von ca. 3,5 Ma% MgO) gemessen wurden.
Die E-Moduln von Zirkonoxid und Yttriumoxid wurden bei Raumtemperatur mittels eines Impulsanregungsverfahrens (Resonanzfrequenzanalyse (RFDA) mit einem IMCE Gerät) bestimmt. Die Messmethoden zur Bestimmung der E-Moduln sind in der DIN EN 843-2 beschrieben.
Für die Messungen wurden keramische Proben in Form von quaderförmigen Streifen mit den Maßen 70 mm mal 15 mm mal 3 mm verwendet.
Wie in 1 dargestellt ist, wurde eine Probe an ihren Stützstellen 3 gelagert und an einer Stelle 4 durch ein elektromagnetisch kontrolliertes Projektil angeregt. Sowohl die Stützstellen 3 als auch die Stelle 4 sind relevant für die gemessene Schwingungsform. Die Stärke des Impulses der angeregten Frequenz kann eingestellt und so an die Probe angepasst werden, um ein optimales Frequenzsignal von Biegeschwingungen sicher zu stellen.
Das Impulssignal, oder eine natürliche Frequenz, wurde an einer gegenüberliegenden Seite der Probe mit einem Mikrophon 1 aufgezeichnet. Die Standardfrequenzen einer Biegeschwingung und transversalen Schwingung wurden mittels eines Frequenzanalyseprogramms ermittelt, welches auf einem Computer lief.
Für die Berechnungen zur Ermittlung eines E-Moduls wurden die exakten Maße und Gewichte der Proben gemessen, wozu eine digitale Präzisionsschiebelehre bzw. ein Labormessgerät verwendet wurden.
In einem Biegemodus wird der E-Modul einer prismenartigen Probe mit rechteckiger Querschnittsfläche nach der folgenden Gleichung ermittelt: $E = 0,946 (({mf}_{f}^{2} I^{3}) / ({bh}^{3})) (1 + 6,585 {(h/l)}^{2})$
In dieser Gleichung stehen E für den dynamischen E-Modul mit der Einheit Nm^-2, f_f für die Basisfrequenz einer Biegeschwingung mit der Einheit Hz, m für die Masse der Probe in kg, b für die Breite der Probe in m, h für die Dicke der Probe in m und I für die Länge der Probe in m.
Die Geometrien und die Gewichte der keramischen Proben wurden gemessen und die ermittelten Werte lauten wie folgt:

Probe aus Zirkonoxid: Mittlere Länge=70,08+/-0,1 mm, Mittlere Breite=15,00+/- 0,1 mm, Mittlere Dicke=2,99+/-0,1 mm, Gewicht=18,120 g, Dichte= 5,76 g/cm³.
Probe aus Yttriumoxid: Mittlere Länge=70,07+/-0,1 mm, Mittlere Breite=15,00+/- 0,1 mm, Mittlere Dicke=2,98+/-0,1 mm, Gewicht=15,430 g, Dichte=4,92 g/cm3.

Die berechneten E-Moduln der keramischen Proben bei Raumtemperatur lauten wie folgt:

Probe aus Zirkonoxid: E=208,19+/-1,0 GPa bei Probemaßen 70,08 mm mal 15,00 mm mal 2,99 mm.
Probe aus Yttriumoxid: E=168,66+/-1,0 GPa bei Probemaßen 70,07 mm mal 15,00 mm mal 2,98 mm.

Meßfehler wurden unter Berücksichtigung der Gauss'schen Fehlerfortpflanzung ermittelt, wobei der analytische Einfluss geringer Unsicherheiten der Geometrie- und Gewichtsmessungen berücksichtigt wurde. Aus statistischen Gründen wurden die E-Moduln jeder Probe aus dem arithmetischen Mittelwert von fünf Frequenzmessungen bestimmt.
Mahlkörper der hier beschriebenen Art können beispielweise wie folgt hergestellt werden:
Zur Herstellung eines Mahlkörpers zur Zerkleinerung von Mahlgut, der einen Gewichts- oder Volumenanteil an Yttriumoxid (Y₂O₃) aufweist, der im Bereich 10% bis 100% liegt, werden 150 g hochreines Yttriumoxidpulver (Reinheit mindestens 99,99%) mit 850 g hochreinem Zirkonoxidpulver (Reinheit mindestens 99,0% bezogen auf ZrO₂ und HfO₂) homogen gemischt. Es wird ein Grünkörper in üblicher Weise hergestellt und dieser wird in üblicher Weise gesintert.
Zur Herstellung eines Mahlkörpers, der einen Gewichts- oder Volumenanteil an Yttriumoxid im Bereich 50% bis 100% aufweist, werden 580 g hochreines Yttriumoxidpulver (Reinheit mindestens 99,99%) mit 420 g hochreinem Zirkonoxidpulver (Reinheit mindestens 99,0% bezogen auf ZrO2 und HfO2) homogen gemischt. Es wird ein Grünkörper in üblicher Weise hergestellt und dieser wird in üblicher Weise gesintert.
Zur Herstellung eines Mahlkörpers 5a-d gemäß 2, der einen Gewichts- oder Volumenanteil an Yttriumoxid im Bereich 70% bis 100% aufweist, werden 910 g hochreines Yttriumoxidpulver (Reinheit mindestens 99,99%) mit 90 g hochreinem Zirkonoxidpulver (Reinheit mindestens 99,0% bezogen auf ZrO₂ und HfO₂) homogen gemischt. Es wird ein Grünkörper in üblicher Weise hergestellt und dieser wird in üblicher Weise gesintert. Ein solcher Mahlkörper weist einen Gewichts- oder Volumenanteil an Yttriumoxid auf, der größer 90% und kleiner 100% ist.
Die zuvor beschriebenen Mahlkörper weisen neben Yttriumoxid als erstem Stoff noch mindestens einen zweiten Stoff auf, der einen Gewichts- oder Volumenanteil am Mahlkörper ausmacht, der je nach Anteil an Yttriumoxid im Bereich 1% bis 90%, bevorzugt im Bereich 1% bis 50%, besonders bevorzugt im Bereich 1% bis 30% liegt.
Die Mahlkörper 5a-d gemäß 2 weisen neben Yttriumoxid als erstem Stoff nur noch Zirkonoxid als zweiten Stoff auf, wobei geringste Verunreinigungen kleiner 1% oder kleiner 0,1% unberücksichtigt bleiben.
Beim Sintern werden die feinkörnigen keramischen Stoffe drucklos erhitzt. Die Temperaturen verbleiben unter der Schmelztemperatur der Hauptkomponente. Durch die beim Sintern auftretenden physikalisch-chemischen Prozesse wird aus dem fein- oder grobkörnigen Grünkörper der feste Mahlkörper.
Erst durch die Temperaturbehandlung erhält der Mahlkörper seine Härte. Der Grünkörper kann zuvor beispielsweise mittels Extrusion gefertigt worden sein.
Der Grünkörper kann beispielsweise durch Extrusion, axiales Pressen, isostatisches Pressen, Spritzgießen, Schlickergießen, Foliengießen, 3D Drucken oder weitere Verfahren hergestellt und wenn nötig durch sägen, drehen, fräsen oder ähnliche Schritte bearbeitet werden.
Die Mahlkörper 5a-d gemäß 2 weisen einen E-Modul auf, der kleiner als 200 GPa und größer als 100 GPa ist.
2 zeigt, dass jeder Mahlkörper 5a-d nur eine in sich geschlossene und zusammenhängende Oberfläche 6a-d aufweist, welche dem Mahlgut zum unmittelbaren Kontakt zuwendbar ist.
Der Mahlkörper 5a ist als Kugel ausgebildet. Der Mahlkörper 5b ist als abgeplatteter im Wesentlichen ellipsoidförmiger Körper ausgebildet. Der Mahlkörper 5c ist als stabförmiger, länglicher Zylinder ausgebildet. Der Mahlkörper 5d ist als Scheibe ausgebildet.
Weitere geometrische Formen für Mahlkörper sind denkbar.
3 zeigt schematisch eine Mahlvorrichtung 7, umfassend ein Behältnis 8 zur Aufnahme von Mahlgut 9 und mehrere Mahlkörper 5a gemäß 2, welche in dem Behältnis 8 beweglich aufgenommen sind.
Das Mahlgut 9 kann durch eine Befüllöffnung 10 in das Behältnis 8 eingefüllt und durch einen Auslass 11 wieder entnommen werden.
Die Mahlvorrichtung 7 ist als Kugelmühle ausgestaltet. Sie umfasst ein rotierbares Behältnis 8, in welchem der Mahlraum ausgebildet ist. Im Mahlraum wird das Mahlgut 9 durch die lose vorliegenden Mahlkörper 5a zerkleinert, wenn das Behältnis 8 rotiert. Die Wirkungsweise einer Kugelmühle ist allgemein bekannt und soll hier nicht weiter erklärt werden. Das Mahlgut 9 umfasst Farbpartikeln.
Bezugszeichenliste

1: Mikrophon
2: Keramischer Stab für einen Piezoumwandler
3: Stützstelle für die Probe
4: Stelle des Impulseintrags
5a-d: Mahlkörper
6a-d: Oberfläche von 5a-d
7: Mahlvorrichtung
8: Behältnis von 7
9: Mahlgut
10: Befüllöffnung
11: Auslass

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 60027076 T2 [0004]
EP 0171444 B1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 843-2 [0032]

Claims

Mahlkörper (5a-d) zur Zerkleinerung von Mahlgut (9), gekennzeichnet durch einen Gewichts- oder Volumenanteil an Yttriumoxid (Y₂O₃), der im Bereich 10% bis 100% liegt.
Mahlkörper nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Gewichts- oder Volumenanteil an Yttriumoxid, der im Bereich größer 10% bis 100%, bevorzugt im Bereich 50% bis 100%, besonders bevorzugt im Bereich 70% bis 100%, liegt.
Mahlkörper nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Gewichts- oder Volumenanteil an Yttriumoxid, der größer 90% und kleiner 100% ist.
Mahlkörper nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mahlkörper (5a-d) neben Yttriumoxid als erstem Stoff noch mindestens einen zweiten Stoff aufweist, der einen Gewichts- oder Volumenanteil am Mahlkörper (5a-d) ausmacht, der im Bereich 1% bis 90%, bevorzugt im Bereich 1% bis 50%, besonders bevorzugt im Bereich 1% bis 30% liegt.
Mahlkörper nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mahlkörper (5a-d) neben Yttriumoxid als erstem Stoff noch Zirkonoxid als zweiten Stoff aufweist.
Mahlkörper nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen E-Modul, der kleiner als 200 GPa und größer als 100 GPa ist.
Mahlkörper nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Mahlkörper (5a-d) eine in sich geschlossene und/ oder zusammenhängende Oberfläche (6a-d) aufweist, welche dem Mahlgut (9) zum unmittelbaren Kontakt zuwendbar ist.
Mahlvorrichtung (7), umfassend ein Behältnis (8) zur Aufnahme von Mahlgut (9) und mehrere Mahlkörper (5a) nach einem der voranstehenden Ansprüche, welche in dem Behältnis (8) beweglich aufgenommen sind.
Verwendung eines Mahlkörpers (5a) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Mahlen von Farbpartikeln.