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Verfahren zur Herstellung abnutzungsbeständiger Formkörper Die Erfindung
betrifft ein Verfahren zur Herstellung abnutzungsbeständiger Formkörper, insbesondere
von Sandstrahldüsen, Fadenführungen, Ziehmatrizen u. dgl., also von Körpern, die
extremer Abnutzung ausgesetzt sind.
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Bisher sind abnutzungsbeständige Körper wie Sandstrahldüsen aus legiertem
Stahl und verschiedenen anderen Hartmetallzusammensetzungen hergestellt worden.
Es sind auch Versuche gemacht worden, keramische abnutzungsbeständige Körper herzustellen,
was aber meistens sehr hohe Brenntemperaturen erfordert.
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Die Erfindung bezweckt die Herstellung keramischer abnutzungsbeständiger
Körper neuartiger Zusammensetzung mit hoher Abreibwiderstandsfähigkeit unter Anwendung
niedrigerer Temperaturen als bisher erforderlich.
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Das erfindungsgemäße Verfahren besteht darin, daß eine feinzerkleinerte
Rohmischung, bestehend aus 80 bis 931/o Aluminiumoxyd, 2 bis 10% Eisenoxyd, 2 bis
8% Titanoxyd und 1 bis 8% Kieselsäure, hergestellt, geformt und gepreßt wird und
der Rohling bei Bedingungen zwischen Seger-Kegel 8 und 15 vorzugsweise bei Kegel
16 gebrannt wird.
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Vorzugsweise besteht die Rohmischung aus 85 bis 93% Aluminiumoxyd,
2 bis 6% Eisenoxyd, 2 bis 60/0 Titanoxyd und 11/2 bis 31/2°/o Kieselsäure. Die daraus
hergestellten Formkörper sind außerordentlich hart und dicht und besitzen ein spezifisches
Gewicht von etwa 3,6, verglichen mit einem spezifischen Gewicht von etwa 4,0 bei
geschmolzenem Aluminiumoxyd. Der Reib- oder Abnutzungswiderstand dieser keramischen
Körper ist hoch und kennzeichnet sich durch eine Sandstrahleindringtiefe von weniger
als 0,1 mm, im allgemeinen zwischen 0,025 bis 0,063 mm, verglichen mit einer Eindringtiefe
in Flachglas von etwa 1,19 mm bei gleichem Sandstrahlversuch.
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Der Rohling wird aus der Rohmischung im Kaltpreßverfahren oder durch
Strangpressen geformt, und dann gesintert oder erhitzt, und zwar bei Temperaturbedingungen
zwischen Seger-Kegel 12 und 18. Die Temperaturbedingungen gemäß Seger-Kegel 8 treten
bei einer Spitzentemperatur von 1250° C und Beibehalten dieser Temperatur für 12
Stunden ein. Die Temperaturbedingungen gemäß Seger-Kegel 15 liegen bei einer Spitzentemperatur
von 1425° C vor, die 12 Stunden lang beibehalten wird.
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Zur Herstellung guter, abnutzungsbeständiger Körper gemäß vorliegender
Erfindung ist es wesentlich, daß die Rohmischung fein zerkleinert ist. Es hat sich
gezeigt, daß die hergestellten gesinterten Körper ungenügende Abnutzungsbeständigkeit
besitzen, wenn die mittlere Partikelgröße der Rohmischung größer als etwa 10 Mikron
ist. Vorzugsweise hat die Rohmischung eine Durchschnittspartikelgröße von etwa 7
Mikron, wobei einzelne Partikeln 1 Mikron und kleiner sind.
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Die Herkunft der Bestandteile der Rohmischung ist unwesentlich, solange
die allgemeine Zusammensetzung innerhalb der oben angegebenen Grenzen bleibt. Beispielsweise
können natürliche Stoffe, die so gemischt sind, daß sie der obengenannten Zusammensetzung
entsprechen, verwendet werden, nachdem sie in Kugelmühlen gemahlen oder, wenn erforderlich,
in anderer Weise behandelt worden sind, um eine Durchschnittspartikelgröße unter
10 Mikron, vorzugsweise etwa 7 Mikron, zu erhalten. Andererseits können verhältnismäßig
reines Aluminiumoxyd, Kieselsäure, Titanoxyd und Eisenoxyd in den wünschenswerten
Verhältnissen zur Herstellung der Rohmischung verwandt werden. Zum Beispiel kann
beliebiges hochreines Aluminiumoxyd, wie geschmolzenes oder nicht geschmolzenes
Aluminiumoxyd des Bayerprozesses, von entsprechender Partikelgröße verwandt werden.
Das im Bayerprozeß hergestellte Aluminiumoxyd, das gewöhnlich einen Reinheitsgrad
von mehr als 99'% besitzt, wird durch Erhitzen von Aluminiumhydroxyd auf eine Temperatur
von etwa 1000° C hergestellt, wodurch das Aluminiumhydroxyd kalziniert wird und
nicht rekristallisiertes Aluminiumoxyd erzeugt wird. Es kann auch pigmentfeines
Titanoxyd als alleinige Quelle des Titanoxyds der Rohmischung verwendet werden.
Entsprechend können verschiedene Arten hochreiner Kieselsäure und hochreinen Eisenoxyds
verwendet
werden. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
werden nach dem Bayerprozeß gewonnene Aluminiumoxyde, pigmentfeines Titanoxyd, handelsübliches
hochreines Eisenoxyd und Bentonit in folgenden Verhältnissen verwandt:
| Tabelle I |
| Vorgeschlagene Rohmischung |
| Bayerprozeß, Aluminiumoxyd . . . . . . . . . . . 85% |
| pigmentfeines Titanoxyd . . . . . . . . . . . . . . . . 511/o |
| hochreines Eisenoxyd ...... . ............ 5% |
| Bentonit ............................... 5% |
Das Bentonit, das als Bindemittel der Rohmischung wirkt, ist die Quelle der Kieselsäure
und eines Teils des Aluminiumoxyds.
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Zum Formen der Körper wird die Mischung, die innig gemischt ist, im
allgemeinen mit genügend Wasser zur Erleichterung des Formprozesses angefeuchtet
und etwa durch Kalt- oder Strangpressen auf die gewünschte Form gebracht. Enthält
die Rohmischung genügend Bentont oder ähnlichen Plastizierer zur Erreichung einer
guten Rohbearbeitungsfestigkeit, so kann der geformte ungebrannte Formling beispielsweise
durch Drehen auf einer Drehbank maschinenmäßig bearbeitet werden. Der Rohling wird
dann in einem Ofen zu einem harten, abnutzungsbeständigen, dichten Körper gesintert,
z:. B. in einem Tunnel- oder einem Herdwagenofen, in dem er unter Bremsbedingungen
gemäß Seger-Kegel 8 bis 15, vorzugsweise Seger-Kegel 14, erhitzt wird. Während des
Sinterns erfährt der Körper eine bis zu 25 %ige Längenschrumpfung und bildet einen
dichten, homogenen Körper von_ ungewöhnlich geringer Porosität. Beim Formen des
ohlings kann die Schrumpfung so berücksichtigt werden, daß der gesinterte Körper
ohne weiteres gebraucht werden kann. Wenn erwünscht, kann er auch sehr genau weiterbearbeitet
werden.
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Beim Brennen der keramischen, abnutzungsbeständigen Körper ist es
wesentlich, daß die Brenntemperatur nicht zu hoch ist und die Brenndauer nicht zu
lang. Übertrieben starkes oder langes Brennen bei mehr als Seger-Kegel 15 (1435°
C) ergibt verhältnismäßig schlechte Körper, deren Oberfläche zu Blasenbildung und
Aufbeulungen neigt.
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Im folgenden wird die Erfindung mit Hilfe von Beispielen näher erläutert:
Beispiel I Eine Rohmischung aus folgender Zusammensetzung wurde hergestellt:
| Aluminiumoxyd ..... ................... 90'% |
| Eisenoxyd .............................. 2% |
| Titanoxyd ... .. .. .. .. ................... 2% |
| Bentonit ............................... 6% |
Es wurde im Bay erprozeß hergestelltes Aluminiumoxyd benutzt. Eine Bestimmung der
Partikelgröße des Aluminiumoxyds zeigte nach 3stündigem Kugelmahlen eine Durchschnittsgröße
von etwa 5 Mikron oder weniger, wobei nur etwa 10% der Partikeln größer als etwa
10 Mikron waren. Das Eisenoxyd war handelsüblich von sehr hoher Reinheit und auf
eine mittlere Partikelgröße von etwa 7 Mikron zerkleinert. Das Titanoxyd war farbrein
von außerordentlich großer Feinheit. Das benutzte Bentonit besaß die trockene handelsübliche
Form.
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Die Materialien wurden innig miteinander vermengt, und zwar durch
-halbstündige trockene Behandlung in einer Trommelmühle und dann Naßmischen unter
Zusatz von etwa 30°/o Wasser. Die Rohmischung wurde dann kalt in einer hydraulischen
Presse unter einem Druck von etwa 350 kg/cm2 in Zylinderform gepreßt. Der Rohformling
kam dann in einen Ofen und wurde bei Seger-Kegel8 gebrannt, wobei eine Höchsttemperatur
von 1250° C 2 Stunden lang beibehalten wurde. Der geformte Zylinder schrumpfte während
des Brennens ein um 25°/o. Beim Sandstrahlen zeigte der gesinterte Zylinder eine
Eindringtiefe von nur etwa 0,025 mm, verglichen mit der Standardeindringtiefe von
1,194 mm bei Flachglas bei dem gleichen Sandstrahlversuch.
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Beispiel II Es wurde eine Rohmischung folgender Zusammensetzung hergestellt:
| Aluminiumoxyd . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. 85% |
| Eisenoxyd .............................. 5% |
| Titanoxyd .............................. 5% |
| Bentonit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 50/0 |
Die Bestandteile dieser Rohmischung waren von der gleichen Art und Partikelgröße
wie im Beispiel I. Die Mischung gemäß Beispiel II ist die bevorzugte erfindungsgemäße
Mischung.
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Die Rohmischung wurde in gleicher Weise wie die Rohmischung von Beispiel
I behandelt. Der aus dieser Rohmischung hergestellte Zylinder wurde in einem Tunnelofen
bei Seger-Kegel B gebrannt, wobei eine Maximaltemperatur von 1350° C 2 Stunden beibehalten
wurde. Der geformte Zylinder zeigte eine Längsschrumpfung von 15% während des Brennens.
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Der erhaltene,- gesinterte, abnutzungsbeständige Körper hatte eine
Sandstrahleindringtiefe von nur etwa 0,076 mm, verglichen mit 1,194 mm bei Flachglas.
Beispiel III Eine Rohmischung gleicher Zusammensetzung und nach dem gleichen Verfahren
wie im Beispiel II behandelt, wurde zu einem Zylinder geformt und in einem Herdwagenofen
bei Kegel 14 gesintert, wobei eine Maximaltemperatur von 1410° C 12 Stunden beibehalten
wurde. Während des Brennens trat eine Längsschrumpfung von 18,5'°/o ein. Der erhaltene
gesinterte Körper hatte eine -Sandstrahleindringtiefe von nur etwa 0,051 mm, verglichen
mit einer Standardeindringtiefe bei Flachglas von 1,194 mm. Beispiel IV Dieses Beispiel
gibt die bevorzugte Ausnutzungsform der Erfindung zur Herstellung abreibungsbeständiger,
keramischer Körper an.
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Eine Rohmischung nach Beispiel II wurde 30 Minuten lang trocken getrommelt
und dann 30 Minuten lang naß unter Zusatz von 30% Wasser gemischt. Es entstand eine
steife, plastische Masse. Diese Mischung wurde dann getrocknet und durch ein Sieb
mit der lichten Maschenweite von 1,651 mm gegeben.
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Das getrocknete, -agglomerierte Material wurde dann mit etwa 19% -
Wasser 15 Minuten lang in einem Knetmischer gemischt. Dann wurde ein Futter für
ein Flüssigkeits-Energie-Mahlwerk hergestellt. Die Auskleidung wurde in zwei Stücken,
nämlich Ober- und Unterteil, hergestellt. Abgewogene Mengen der Rohmischung wurden
in die Metallformen der Hälften gegeben. Die Formen waren Stopfformen. Nach Einbringen
der abgewogenen Rohmischung in die Formen wurde ein hydraulischer Preßdrrzck von
etwa
422 kg/cm2 angewandt, um die Rohmischung zu etwa der gewünschten Form zu komprimieren.
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Die Rohlinge wurden in einer Übergröße geformt, so daß sie nach der
Schrumpfung beim Sintern die richtige Größe hatten. Die so hergestellten Rohlinge
wurden dann in einem Herdwagenofen bei Seger-Kegel 14 gesintert, wobei eine Höchsttemperatur
von 1410' C 12 Stunden lang beibehalten wurde. Beim Sintern unterlagen die Formstücke
einer linearen Schrumpfung von etwa 17%. Die gesinterten Stücke hatten eine Wichte
zwischen 3,5 und 3,7, verglichen mit einem Eigengewicht von etwa 4 g/cm3 bei reinem
Aluminiumoxyd.
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Das Futter zeigte eine Sandstrahleindringtiefe von nur 0,076 mm, verglichen
mit 1,194 mm Eindringtiefe bei Flachglas. Das Aussehen war weich und verhältnismäßig
glänzend. Die Farbe war dunkelcreme mit einigen schwarzen Punkten und Flecken. Die
Röntgenbeugungsbilder sowohl der cremefarbenen als auch der schwarzen Stellen waren
im wesentlichen gleich und zeigten, daß das Material vornehmlich aus a-Aluminiumoxyd
bestand, wobei auch schwache Linien von A12 03 - Ti 02 und Fe 02 - Ti 02 im Bild
erschienen.
| Tabelle II |
| Versuchs- A12 03 Bentonit Andere Bestandteile Sandstrahl- |
| nummer eindringtiefe *:) |
| 1 **) 901/0 61/o F.e2 03 - 2 0/9 Ti 02 - 2 0/0
0,025 mm |
| 2 **) 851/0 51/o Fe2 03 - 5 % Ti 02 - 5 % 0,076 mm |
| 3 900/0 6% Be0 - 4% - zu weich |
| für Test |
| 4 9011/0 6% Zn 0 - 4% - 0,152 mm |
| 5 900/0 6% Ma03- 4% - 0,254 mm |
| 6 901/0 6% B a O - 41/o - 0,127 mm |
| 7 900/0 611/o Mg 0 - 41/o - 0,127 mm |
| 8 901/0 6% Ti 02 - 4% - 0,127 mm |
| 9 95% 51/0 - - 0,330 mm |
| 10 900/0 100/0 - - 0,254 mm |
| 11 85% 15% - - 0,381 mm |
| 12 87% 7% Fe2 03 - 611/o - 0,203 mm |
| 13 74% 5% Fe2 03 - 210/0 - 0,203 mm |
| 14 85% 501a Fe2 03 -10 0/0 - 0,203 mm |
| 15 900/0 51/o Fe2 03 - 5 0/0 - 0,330 mm |
| *) Bezogen auf 1,194 mm Eindringtiefe bei Flachglas. |
| **) Gegenstände vorliegender Erfindung. |
Es geht aus der vorstehenden Tabelle hervor, daß die Zusammensetzung der erfindungsgemäßen
Körper wesentlich ist.
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Die Stücke Nr. 1 und 2, die nach der Erfindung hergestellt wurden,
zeigen außerordentlich geringe Sandstrahleindringtiefen. Im Gegensatz dazu weisen
die Proben 3 bis 15 große Sandstrahleindringtiefen aus und somit unbefriedigenden
Abreibwiderstand auf, trotz der Tatsache, daß jeder dieser Körper einen außerordentlich
hohen Aluminiumoxydgehalt aufweist. Es ist zu bemerken, daß die maximalzulässige
Sandstrahleindringtiefe eines völlig zufriedenstellenden abnutzungsbeständigen Körpers
etwa 0,102 mm beträgt, verglichen mit einer Standardeindringtiefe an Flachglas von
1,194 mm.
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Die erfindungsgemäßen Körper eignen sich auf Grund ihrer hervorragenden
Verschleißfestigkeit für viele Verwendungszwecke, wie beispielsweise Kugeln und
Futter für Kugelmühlen, Sandstrahldüsen; Pumpenauskleidungen, Zyklonabscheider und
Laufradschaufeln bei schleifendem Schlamm wie Erztrübe, Die beiden Teile der Auskleidung
wurden in das Mahlwerk eingesetzt. Die Mühle wurde zum Mahlen geschmolzenen Aluminiumoxyds
einer Partikelgröße von 0,147 bis 0,057 mm bis zu einer Größe von 0,038 mm gemahlen.
Die Mühle -arbeitet bei etwa 371° C. Die Lebensdauer des Futters betrug 30 bis 36
Stunden, verglichen mit einer Lebensdauer von nur 6 bis 8 Stunden bei Stahlfuttern,
wie sie vom Hersteller bei diesen Mahlwerken eingebaut worden waren. Mit anderen
Worten war die Lebensdauer der nach dieser Erfindung hergestellten Futter 5mal so
groß wie die der besten erhältlichen durch den Hersteller bei solchen Werken eingebauten
Auskleidungen.
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Wie im Vorstehenden ausgeführt, ist es wesentlich, daß die Zusammensetzung
dieser abnutzungsbeständigen Gegenstände innerhalb der angegebenen Grenzen liegt.
Es sind zahlreiche Versuche mit veränderten Zusammensetzungen der gesinterten Körper,
verbunden mit Sandstrahlversuchen, durchgeführt worden. Tabelle II führt die Zusammensetzung
und die Sandstrahlhärte einer Anzahl dieser Körper auf. Jede der in Tabelle II angeführten
Rohmischungen wurde nach dem im Beispiel I geschilderten Verfahren hergestellt und
gesintert. Auskleidungen für Kohlen-, Erz- oder ähnliche Rutschen, Lager, Fadenführungen,
Ziehmatrizen u. dgl. Wie im Beispiel 4 zum Ausdruck gebracht, behalten diese Gegenstände
auch bei erhöhten Temperaturen in erheblichem Maße ihre Abnutzungswiderstandsfähigkeit
und sind deswegen besonders für Arbeiten bei erhöhten Temperaturen geeignet.