-
Schleifmittel von großer Härte und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die Erfindung betrifft Erzeugnisse von großer Härte, die als Schleifmittel besonders
geeignet sind und die am vorteilhaftesten im Elektroofen hergestellt werden, und
Verfahren zu ihrer Herstellung.
-
Aluminiumoxyd ist bereits seit vielen Jahren in der als erschmolzenes
Aluminiumoxyd bekannten Form vielfach als Schleifmittel verwendet worden. Diese
Verwendung ergab sich aus den Eigenschaften des a-Aluminiumoxyds, das relativ zäh
und gleichzeitig ziemlich hart ist (9 auf der Mohs-Skala). Obwohl Titancarbid in
Kombination mit anderen Carbiden und Metallen ebenfalls schon für Schleifzwecke
Verwendung gefunden hat, wurde es trotz seiner großen Härte wegen seiner extremen
Sprödheit oder Brüchigkeit bisher noch nicht viel als Schleifmittel verwendet.
-
Es wurde nun gefunden, daß diese Schwierigkeiten überwunden werden
können, wenn in einer im wesentlichen aus kristallinem a-Aluminiumoxyd bestehenden
Matrix Kristalle von Titancarbid fein verteilt und damit fest verbunden sind. Partikeln
oder Granulate aus diesem Produkt haben sich als wertvolles Schleifmittel erwiesen,
da das darin enthaltene a-Aluminiumoxyd sie zäh und hart macht, während die darin
eingebetteten Titancarbidkristalle, die eine größere Härte aufweisen, ein sehr schnelles
Schneiden bestimmter N-Iaterialien ermöglichen. Damit ist also ein Schleifmaterial
geschaffen, aus dem schnell sclirieideride Schleifräder mit guten Wirkungsverhältnissen
hergestellt werden können. Dieses neue Produkt kann hergestellt werden, indem man
Aluminiumoxyd und Titanoxyd oder anderen titanhaltigen Materialien in Gegenwart
eines Reduktionsmittels wie Koks zusammenschmilzt.
-
Die Menge an Titancarbidpartikeln soll vorzugsweise zwischen 10 und
50°/o des Gesamtgewichtes und ihre -größe vorzugsweise zwischen 20 und 5 Et liegen.
-
Die Produkte haben, vermutlich wegen der Verwendung von Kohlenstoff
im Überschuß aus dem später angeführten Grund, eine dunkle Farbe und einen intischeligen
Bruch. Je nach der angewandten Methode des Zerstoßens können die einzelnen Schleifmittelkörnchen
eckig oder rund oder ziemlich splittrig sein. Wie zu erwarten, ist das spezifische
Gewicht der Produkte größer als das von Alutniriittmoxyd und liegt je nach der Zusammensetzung
zwischen etwa 4,05 und 4,9. Im folgenden soll an Hand einiger Beispiele eine Methode
zur Herstellung eines neuen Schleifmaterials geni;iß der vorliegenden Erfindung
näher erläutert werden. Beispiel 1 100 Gewichtsteile kalziniertes Aluminiumoxyd,
10 Gewichtsteile vermahlener Rutil und 5 Gewichtsteile Petroleumkoks, die alle in
granulierter oder feinverteilter Form vorlagen, wurden zu einem innigen Gemisch
zusammen vermahlen. Nach Trocknen des Gernisches wurde ein Teil davon in einen erhitzten
Grapliitschmelztiegel gegeben. Dieses Schmelzgefäß bildete eine Elektrode eines
Lichtbogenofens, dessen andere Elektrode aus einer Graphitlauge bestand, die in
den Schmelztiegel hineinragte, diesen jedoch nicht berührte. Die artgewandte Spannung
lag in dem Bereich von 25 bis 30 Volt, und die Stromstärke variierte zwischen etwa
800 und 1000 Ampere. In gewissen Zeitabständen wurden weitere Anteile des vermahlenen
Gemisches in den Schmelztiegel gegeben. Nach Beendigung der Zufügung und nachdem
die gesamte Masse in deni Schmelztiegel geschmolzen war, wurde der Ofen geschlossen,
und man ließ die Masse in dem Schmelztiegel abkühlen. Die Temperatur der geschmolzenen
Masse lag vor dem Abkühlen bei etwa 2260° C oder darüber. Nach Abkühlung wurde die
Masse aus dem Schmelztiegel entfernt und zu einem Granulat zerstoßen, das als Schleifmittel
verwendbar ist. Eine Untersuchung des Produktes mit Röntgenstrahlen ergab eine Zusammensetzung
von etwa 90% a-Aluniinitirrroxyd und 10% Titancarbid. Mit einem Nfikrohärteprüfer
mit Diamantpyramide wurde bei 100 g Belastung eine mittlere Härte von 3000 Vickers
für die Ti C-Phase und bei Anwendung der gleichen Vorrichtung und Belastung für
die AlzO.- Phase eine mittlere Härte von 1525 gemessen.
-
Für die Herstellung der neuen Produkte gemäß der vorliegenden Erfindung
ist es nicht erforderlich, daß <las Aluminiumoxyd und das Titanoxyd als reine
Materialien
in den Ofen gegeben werden. Vielmehr können, wie oben angegeben, auch bestimmte
Titan-und Aluminiumerze verwendet werden. Beispielsweise kann das erwünschte Titanoxyd,
wie erwähnt, in der Form von Rutil zugefügt werden. Auch andere Titanerze, wie Brookit,
Arizonit oder Ilmenit, können verwendet werden. Auch das erwünschte Aluminiumoxyd
kann in Form von Erzen, wie Bauxit, Kortind oder Gibbsit, zugegeben werden. Wenn
als Rohmaterial Erze verwendet werden, kann zunächst eine Raffinierung oder eine
andere geeignete Behandlung nach bekannten Methoden erwünscht sein, um einen Teil
der oder alle Oxyde oder sonstigen mit dem Titanoxyd oder Aluminiumoxvd auftretenden
Substanzen zu entfernen. Auch zuvor geschmolzene Gemische von Aluminiumoxyd und
Titanoxyd können verwendet werden. In derartigen zuvor geschmolzenen Gemischen,
die in Form metallurgischer Schlacken hergestellt sein können, ist das Titanoxyd
manchmal schon teilweise reduziert. Das ist jedoch unwesentlich, da das Titanoxyd
zur Bildung von Ti C ohnehin reduziert werden muß. Für die folgenden Beispiele wurde
als Ausgangsmaterial zur Herstellung eines harten, geschmolzenen Schleifmittels
gemäß der vorliegenden Erfindung ein vorgeschmolzenes Gemisch dieser Art verwendet.
Gemäß einer Analyse enthielt das vorgeschmolzene Material ausschließlich von Verunreinigungen
etwa 74% A1=03 und 26% Titanoxyde und andere Verbindungen, ausgedrückt als Ti 02.
Beispiel 2 100 Gewichtsteile des oben beschriebenen vorgeschmolzenen Gemisches und
12,5 Gewichtsteile granulierter Petroleumkoks wurden miteinander vermahlen, bis
die Materialien ein inniges Gemisch mit einer Teilchengröße von weniger als 0,25
min (24 Nilaschen/cm) bildeten. Das Gemisch wurde nach Trocknen portionsweise in
einen Elektrobogenofen der im Beispiel l beschriebenen Art gegeben und in im wesentlichen
der gleichen Weise geschmolzen. Der aus dem Graphittiegel entnommene Schmelzkuchen
wurde nach Abkühlen zu einem Schleifmittel zerstoßen. Das Produkt hatte, wie sich
aus der Röntgenanalyse ergab, eine Zusammensetzung von etwa 75% a-A1203 und 250/0
Ti C. Die Ti C-Phase hatte eine mittlere #7ickershärte von 3000 und die Aluminiumphase
eine mittlere Vickershärte von 1550.
-
Die folgenden Beispiele veranschaulichen die Herstellung von Produkten
durch Zusammenschmelzen des für Beispiel 2 verwendeten vorgeschmolzenen Gemisches
finit Rutil oder Aluminiumoxyd in variierenden '@-tengen sowie mit einer geeigneten
Rfenge Petroleumkoks. Bei jedem Beispiel erfolgte das Schmelzen in einem Lichtbogenofen
der im Beispiel 1 beschriebenen Art, und die Beschickung wurde in gewissen Zeitabständen
in einzelnen Anteilen in den Ofen gegeben, bis die gewünschte R-Ienge Schmelze erhalten
war. Die Zusammensetzungen der Produkte wurden durch Röntgenanalyse ermittelt.
-
Beispiel 3 100 Teile des oben beschriebenen vorgeschinolzenen
Aluniitiiumoxyd-TitanoxS-d-Pro<lul:tes wurden mit 25 Gewichtsteilen kalzinierteni
Aluminiumoxyd und 12,5 Gewichtsteilen Petroleuinl:ol:s vermischt. Diese Materialien
wurden zu einem innigen Gemisch miteinander vermahlen und dann geschmolzen. Der
erhaltene Schmelzkuchen wurde zu Schleifmittelkörnern zerstoßen. Das geschmolzene
Produkt hatte eine Zusamnictisetzung von etwa 80% a-A1203 und 20% Ti C. Beispiel
4 100 Gewichtsteile des vorgeschmolzenen Aluminiumoxyd-Titanoxyd-Produktes wurden
mit 50 Gewichtsteilen kalziniertem Aluminiumoxyd und 12,5 Gewichtsteilen Petroleumkoks
vermahlen und dann geschmolzen, Das erhaltene Produkt wurde zerstoßen.
-
Es hatte eine Zusammensetzung von etwa 85% a-Aluminiumoxyd und 15%
Titancarbid. Beispiel 5 l00 Teile des vorgeschmolzenen Aluminiumoxyd-Titanoxyds
wurden mit 10 Gewichtsteilen Rutil und 17,5 Gewichtsteilen Petroleumkoks vermischt
und geschmolzen. Das erhaltene Produkt hatte eine Zusammensetzung von etwa 68% a-Aluminiumoxyd
und 32% Titancarbid und ließ sich leicht zu einem Granulat zerstoßen. Beispiel 6
Ein ähnliches Gemisch aus 100 Gewichtsteilen des vorgeschmolzenenAluminiumoxyd-Titanoxyds,
20Gewichtsteilen Rutil und 22,5 Gewichtsteilen Petroleumkoks wurde nach Vermahlen
geschmolzen. Der erhaltene Schmelzkuchen ließ sich leicht zu einem körnigen Schleifmittel
zerstoßen. Die Analyse ergab etwa 52% a-Al. 03 und 48% Ti C.
-
Die nach den Beispielen 3 bis 6 erhaltenen Produkte waren den nach
den Beispielen 1 und 2 erhaltenen Produkten im Aussehen und bei Untersuchung polierter
Schnitte unter dem Mikroskop gleich. Bei einer Testserie unter Verwendung einer
Micro-Härtetestvorrichtung mit 100 g Belastung lag die Vickershärte der Titancarbidphase
der nach den Beispielen 3 bis 6 erhaltenen Produkte zwischen 2350 und 3700, während
die der a-Aluminiumoxydphase zwischen 1400 und 1950 lag.
-
Die Schleifeigenschaften der neuen a-A1203-Ti C-Produkte der vorliegenden
Erfindung wurden bestimmt, indem man ein Granulat dieses :Materials für ein mit
Schleifmittel bedecktes Produkt und als Schleifmittelkorn in einer unter Anwendung
eines Bindemittels geformten Schleifscheibe verwendete.
-
Es wurden Schleifversuche zum Vergleich von Schleifrädern aus gewöhnlichem,
durch Schmelzen erhaltenem Aluminiumoxydschleifmittel und dem neuen Schleifmittel
der vorliegenden Erfindung durchgeführt. Die verwendeten Schleifräder waren Schneidräder
von 30 cm Durchmesser und 3 mm Dicke. Die Teilchengröße des Schleifkorns lag in
jedem Fall zwischen 0,35 und 0,18 mm, und es wurde in jedem Einzelfall mit dein
bleichen Plienolharzbindemittel in einer Menge von 14% des Radvolumens abgebunden
und in gleicher Weise gehärtet. In der folgenden Tabelle sind die Verhältnisse von
Scheibenverlust zu Metall, das bei Verwendung verschiedener Metalle entfernt wurde,
zusammengestellt.
| Gewichtsverhältnis |
| Art Radverlust zu Metallverlust |
| des Schleifmittels Werkzeug- rostfreier |
| stahl Stahl Messing |
| 400 * 179 * 130 |
| Geschmolzenes |
| Aluminiumoxyd 0,1:19,8 1:2 1:27 |
| a-Al., 03-Ti C . . . 1 : 24,6 1 : 2 1 : 13 |
| * Brinell-Härte |
Die Metalle hatten für die obenerwähnten Teste die Form runder
Stangen von 2,5 cm Durchmesser. Es wurde eine Standard-Abschneidemaschine verwendet,
und das runde metallische Werkstück wurde bei jedem Test so montiert, daß es unter
einer festen Belastung von 5,6 kg gegen die Scheibe gepreßt wurde. Mit jedem Rad
wurden an jeder untersuchten :Metallstange fünf Einschnitte von 19 mm Tiefe gemacht.
Nach jedem Schnitt wurde das Wirkungsverhältnis, d. h. das Verhältnis von Radverlust
zu Metallverlust, bestimmt. Die in der Tabelle angegebenen Werte sind die Mittelwerte
der fünf Einschnitte. Obwohl der Radverlust bei den obigen Testen bei Verwendung
von geschmolzenem Aluminiumoxyd etwas geringer war als bei Verwendung von a-Aluminiumoxyd-Titancarbid,
übertraf das letztere das erstere an Schneidgeschwindigkeit sowohl bei den Messingstäben
als auch bei den Stäben aus Werkzeugstahl. In den Stäben aus Werkzeugstahl wurde
mit dem a-Al. 03-TiC-Ratl in 1,25 Minuten eine Einkerbung von 19 mm Tiefe geschnitten,
während bei Verwendung des Rades mit geschmolzenem Aluminiumoxyd zur Herstellung
einer Einkerbung der gleichen Größe 4,75 Minuten erforderlich waren. In allen Fällen
war der mit a-Aluminiumoxyd-Titancarbid erhaltene Schliff gut.
-
In weiteren Testen, bei denen das neue Schleifmittel der vorliegenden
Erfindung mit den Standardschleifmitteln Siliciumcarbid und geschmolzenem Aluminiumoxyd
in der Form von mit Schleifmitteln bedeckten Produkten verglichen wurden, erwies
sich das Schleifmittel der vorliegenden Erfindung ebenfalls als wirksam.
-
Wie oben erwähnt, ist eine gewisse Wahl des Rohmaterials für die neuen
Schleifmittel der vorliegenden Erfindung möglich. In diesem Zusammenhang sei noch
darauf hingewiesen, daß gewünschtenfalls Verbindungen von Titan und Aluminium, wie
ihre organischen Salze, die sich unter dem Schmelzpunkt der Oxyde zu Oxyden zersetzen,
verwendet werden können. Auch können, wenn dies zweckmäßig erscheint, vorgeschmolzene
Gemische von aluminium-und titanhaltigen Materialien mit anderen Zusammensetzungen
als der des für Beispiel 2 verwendeten Gemisches verwendet werden. Als Reduktionsmittel
wird vorzugsweise Petroleumkoks verwendet. Jedoch können auch andere Reduktionsmittel,
wie beispielsweise Ruß oder Gasruß oder ähnliche amorphe Kohlenstoffprodukte, verwendet
werden. Uni eine Reoxvdation des Titancarbids des Produktes zu verhüten, muß eine
reduzierende, kohlenstoffhaltige Atmosphäre über dem Schmelzpunkt erhalten werden.
Dies kann gewöhnlich dadurch erfolgen, daß man Koks oder sonstiges kohliges Reduktionsmittel
in einer Menge verwendet, die etwas größer ist als die stöchiotnetriscli erforderliche.
In manchen Fällen kann es jedoch erwünscht sein, die Kontaktierung des heißen Produktes
mit der Luft zu drosseln, z. B. durch Abschirmen oder Umhüllen des Ofens. Wie erwähnt,
bestehen die neuen Produkte der vorliegenden Erfindung aus feinen Kristallen von
Titancarbid, die in einer Matrix verteilt sind. Die Matrix besteht im wesentlichen
aus kristallinem a-Alttminiumoxyd. Die Anwesenheit geringer Mengen an Verunreinigungen
in dem letzteren beeinträchtigt seine Härte offensichtlich nicht wesentlich. Die
verwendeten Rohmaterialien müssen daher nicht extrem rein sein. Die Zusammensetzung
der neuen Produkte der vorliegenden Erfindung kann zwischen 99°/a a-A1203-1% TiC
und 99% TiC-1% a-A1203 variieren. Tedoch unterscheiden sich Produkte mit Zusammensetzungen
in der Nähe der Grenzen dieser Bereiche nur unwesentlich von gewöhnlichem a-A1203
bzw. Ti C.
-
Bei der Herstellung voll Schleifartikeln aus den Produkten der vorliegenden
Erfindung können alle bekannten oder geeigneten Bindemittel, Versteifungsmittel,
Klebstoffe u. dgl. sowie bekannte Verfahren und Vorrichtungen verwendet werden.
Die neuen Schleifmittel der vorliegenden Erfindung können in jeder gewünschten Korngröße
oder Kombinationen davon und entweder allein oder mit anderen Schleifmitteln vermischt,
um Schleifmittel mit erwünschten Eigenschaften zu erhalten, verwendet werden.