DE1918759A1 - Schleifprodukte und deren Herstellung - Google Patents

Description

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N 578

Norton Company, Worcester, Massachusetts, V.St.A,

Üchleifprodukte und deren Herstellung

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von geschmolzenen mikrokristallinen Schleifmitteln und die dabei erhaltenen mikrokristallinen Produkte j ein mikrokristallines Schleifmittel ist definiert als ein kristallines Schleifmittel mit einer durchschnittlichen Kristallgröße von weniger als 300 Mikron.

Die Herstellung von geschmolzenen mikrokristallinen Schleifmitteln nach den Lehren der Technik besteht grundsätzlich aus drei Schritten, nämlich dem Schmelzen, Gießen und dem Zerkleinern. In dem Schmelzschritt des Verfahrens werden feuerfeste Materialien, die Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid oder Gemische davon enthalten, wie Bauxit, Zirkoniumoxidsand, die Spinelle, Schmirgel, Ion oder dgl. in einen Schmelzofen des Gußtyps allein oder in Kombination miteinander oder in Kombination mit Reduktionsmitteln, wie Kohlenstoff oder anderen Zusätzen gebracht und geschmolzen j ein bevorzugter (Typ von Gußofen ist der in der USA-Patentschrift 2 426 643 (Ridgway) beschriebene elektrische Ofen zum kontinuierlichen Schmelzen

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und Gießen von· Schleifmitteln, Der Gußschritt des Verfahrens ist gleichfalls gut bekannt} in diesem Verfahrensschritt wird .das geschmolzene Schleifmittel in Formen gegossen, von denen es eine Vielzahl gibt, z.B. mit Graphit ausgekleidete Plattenformen, in welche eine Schicht von geschmolzenem Schleifmit-. tel in einer Dicke von 12,7 oder 15,2 cm, Gußeisenblockformen in einer Vielzahl von Größen, die eine geschmolzene Beschickung von 11,3 bis 136 kg aufzunehmen vermagf dieser Verfahrensschritt wird zur Regelung der Kristallgröße des fertigen Schleifproduktes benutzt} je kleiner die Masse des Gußmaterials und je wirkungsvoller die Form die geschmolzene Masse kühlt, um so feiner wird die kristalline Beschaffenheit der fertigen Schleifprodukte sein. Die Wirkung einer schnellen Kühlung auf den kristallinen Charakter des aus der Verwendung verschiedener Formengrößen sich ergebenen Schleifmittels₈ und das Phänomen der Erhöhung der Kornfestigkeit mit zunehmender durchschnittlicher Kristallgröße werden eingehend in der USA-Patentschrift 3 181 939 an Marshall und andere beschrieben j diese Literaturstelle führt klar aus, daß Materialien_s die dazu neigen bei der Verfestigung aus dem geschmolzenen Zustand zu kristallisieren, zunehmend kleinere Kristalle bilden wie die Geschwindigkeit der Ableitung der Wärme zunimmt. Der dritte Schritt in dem Verfahren betrifft die Zerkleinerung oder Zermalmung. Eine Vielzahl von Ausrüstungen wird für diesen Zweck benutzt, zu denen Backenbrecher, Kugelmühlen, Hammermühlen und Walzenbrecher gehören. Eine zweckmäßigere Methode insbesondere für die Herstellung von hochstoßfestenj, feinkristallinen Schleifmitteln ist das Zermalmen durch Stoßf ein Verfahren dieser Art ist in der deutschen Patentschrift 506 517 (1928) beschrieben. Das Grundprinzip der Stoßzermalmung besteht darin, daß man das zu zerkleinernde Material einem einzigen sehr kräftigen StoB unterwirft, der scharfe Brüche an den Kristallflachen und "bei den Makro- und Mikrofehlern in dem festen Gebilde ergibt\ das Schleifmittel wird so oft wie notwendig wiederholten einzelnen Stößen unterworfen, um Schleifkörner der gewünschten Maschengröße und Form zu erzeugen. Weiterhin ist das Schleifkorn, das durcia Stoß-

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zermalmen erzeugt wird, in sich fester als Schleifprodukte nach anderen Zerkleinerungsverfahren, weil die Stoßzermalmung die schwachen Phasen in dem Rohmaterial zerstört und nur die stärksten Phasen des Materials die Zahl der einzelnen Stöße übersteht, die erforderlich sind, um das Schleifmittel zu der gewünschten Siebgröße zu reduzieren, besonders wenn bei den Siebgrößen die groben Maschengrößen, z.B. Maschengrößen von 4 bis 24, die für Rohschleif- oder Schmirgelarbeiten benutzt werden, von Interesse sind. Eine geeignete Stoßzermalmungsmaschine ist in der USA-Patentschrift 3 105 317 (Patinson) beschrieben. Trotz der Hauptbeiträge, die die vorstehenden Verfahrensneuerungen der Technik liefern, bleiben die folgenden Nachteile bestehen: -

1. Die besten Kleine-Form-Gußtechniken vermögen nicht Schleifmittel mit einer durchschnittlichen Kristallgröße unter 50 Mikron zu erzeugen.

2. Die Kombination der besten Schmelz-, Guß- und der schließlich bekannten Zerkleinerungsmethode, d.h. der Stoßzermalmung, liefert nur verhältnismäßig geringe Ausbeuten des gewünschten hochstoßfesten mikrokristellinen Schleifmittels, und

3. die verhältnismäßig niedrige Produktionsgeschwindigkeit, die sich aus der Notwendigkeit der Anwendung von Blockformen mit einer maximalen Kapazität von 136 kg ergibt, um eine kristalline Beschaffenheit zu erzeugen, die geringer als 300 Mikron ist.

Diese Nachteile werden bedeutend verbessert bei der praktischen Anwendung der vorliegenden Erfindung, die im folgenden im einzelnen erläutert wird.

Die Erfindung strebt ein geschmolzenes, zermalmtes Schleif-· produkt an, z.B. α-Aluminiumoxid oder ein Gemisch von a-Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid, in dem die durchschnittliche Größe der Kristalle geringer ist als 100 Mikron.

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So wird eine neue Gußtechnik angegeben, sogenannter Klumpenguß, die im wesentlichn im Gießen geschmo.lzener Schleifmittel auf vorfabrizierte Klumpen ähnlicher Zusammensetzung besteht, wobei diese Klumpen als Kühlmedien fungieren. Die- Klumpengießtechnik wird in Verbindung mit bekannten Schmelz- und' Zermalmung s verfahr en angewandt, tun neue geschmolzene mikrokristalline Schleifmittel zu erzeugen in Ausbeuten, die über den Ausbeuten liegen, die bei den Gußverfahren der Technik erhalten werden und in einer Produktionsgeschwindigkeit, die die der bekannten Produktionsverfahren übersteigt. Diese neuartige Gußteehnik schlägt im Vergleich zu der bekannten Gußtechnik ein Verfahren zur schnelleren und wirkungsvolleren Abkühlung eines geschmolzenen Schleifmittels vor, das als Ergebnis ein feiner kristallines Material und deshalb ein Schleifmittel mit höherer Stoßfestigkeit liefert. Weiterhin ergeben sich erhöhte Ausbeuten an den bekannten mikrokristallinen Schleifmitteln bei der praktischen Anwendung der vorliegenden Erfindung aufgrund der erhöhten Ktihlwirkung, wie sie durch die Klumpengußmethode erreicht wird, was zu einem höheren Gesamtproζentgehalt der ursprünglichen geschmolzenen Masse an mikrokristallinem Material führt. Weiterhin wird die zur Zeit bestehende Produktionsrate von mikrokristallinen Schleifmitteln bedeutend durch den Klumpengußgedanken erhöht, aufgrund der Tatsache, daß sehr große Formen oder Behältnisse, besonders mit festen Klumpen gefüllt ununterbrochen gefüllt werden können, und in einer gegebenen Zeitspanne mehr geschmolzenes Schleifmittelgemisch in der gleichen Zeitspanne in die 136 kg-Pormen gefüllt werden kann. Die vorliegende Praxis ist auf Formen mit einem maximalen Fassungsvermögen von 136 kg beschränkt, weil alle größeren geschmolzenen Massen so langsam abkühlen, daß ein Bohschleif mittel entsteht,"''welches nicht mikrokristallin ist, d.h. eine durchschnittliche Wi^ Stellgröße über 300 Mikron aufweist. " ..,-_.,

Das Verfahren dieser Erfindung erhöht die Ausbeute an der hochfesten mikrokristallinen Phase bekannter Schleifmittel.. Ein elektrischer Gußofen wirdmit einer geeigneten 'feuerfesten

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-D-

Mischung, die gemeinhin aus Bauxit, Bayer-Verfahren-Aluminiumoxid, Zirkonium, Zirkoniumoxid und dergleichen, allein oder in Kombination miteinander plus irgendwelcher gewünschter ' oder notwendiger Zusätze, wie Schwefel, Calciumoxid, Kohlenstoff eisenoxid, Titanoxid usw. "beschickt} die Ofenbeschickung wird geschmolzen und in diesem Zustand eine Zeit gehalten, die ausreicht, um die gewünschten physikalischen und chemischen Reaktionen stattfinden zu lassen j zu diesem Zeitpunkt ist die geschmolzene Schleifmittelmasse bereit zum Gießen. Die Schmelze, die sich gerade über ihrem Erstarrungspunkt befindet, wird dann in ein Bett von vorgefertigten festen Klumpen wie in Figur 1 gezeigt gegossen, wo die Klumpen 6 und die erhaltenen kleinen Zwischenräume 8 in dem Behälter 4 begrenzt sind, wobei die Klumpen eine Zusammensetzung aufweisen, die der der Schmelze wenigstens ähnlich ist, und die Größe der Klumpen von 6,3 bis 50,8 mm reicht, mit einem Schmelze-zu-Klumpen-Verhält-' nis zwischen 0,35 und 0,7, wobei wenig oder garkeine Schmelze über dem Pegel der Klumpen vorhanden ist. Die Klumpengröße im Bereich von 6,3 bis 50,8 mm ist notwendig, wenn die Kristallgröße des zu erzeugenden Materials in hoher Ausbeute etwa 50 Mikron oder weniger betragen soll. Die Schmelze erstarrt schnell in den kleinen Zwischenräumen des Klumpenbettes, wobei die Zwischenräume im Durchmesser von 6,3 bis 19 »05 mm schwanken, und die fertige Masse dann wie in Figur 2 gezeigt aussieht, wo die erstarrte Schmelze 10 in den durch die Klumpen 6 gebildeten kleinen Zwischenräumen gesehen werden kann, wobei alles in der Form oder dem Behälter 4 enthalten ist. Die gesamte Masse wird dann aus der Form gestürzt und ausreichend abkühlen gelassen, damit sie gehandhabt werden kann. Das abgekühlte Material wird dann in große Klumpen zerbrochen, in einem Backenbrecher roh zerkleinert, weiter durch Walzenzerkleinerung in der Größe reduziert und schließlich dem Stoßzermalmungsverfahren unterworfen, um die Zerkleinerung des Schleifmaterials auf technisch brauchbare Maschengrößen zu bewirken. Wenn ein typischer geschmolzener 95$ Aluminiumoxid aufweisender Schleifkörper in der beschriebenen Weise klumpengegossen wird, beträgt die Ausbeute an hochfestem mikrokristallinem Schleifmittel, welches die Zerkleinerungsphase des V_er-

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fahrens übersteht, etwa 65 i> im Vergleich zu nur etwa 45 $, wenn das ebenso beschaffene geschmolzene 95 fi Aluminiumoxid-Schleifmittel in feste Blöcke nach den Lehren der Technik gegossen wirdf das stellt eine Zunahme in der Ausbeute des gewünschten hochfesten mikrokristallinen Schleifmittels von etwa 44,5 9» dar.

Wenn die Klumpengußmethode dieser Erfindung auf die bekannten Schleifmittel aus im wesentlichen 20 bis 25 > Zirkoniumoxid und 75 bis 80 $ Aluminiumoxid angewandt wird, entsteht ein bisher unbekanntes Schleifmittel nach der Zerkleinerung, das durch seine ultrafeine mikrokristalline Beschaffenheit von 10 bis 30 Mikron, seine überlegeae Stoßfestigkeit und seine verbesserte Schleifleistung gekennzeichnet ist, wenn man es mit einem ähnlichen Schleifmittel vergleicht, das nach dem bekannten Verfahren des Blockgießens hergestellt worden ist.

Ein weiterer Vorteil des Klumpengußverfahrens ergab sich aus der Entdeckung, daß, wenn die Klumpengießtechnik zum Gießen von rohen mikrokristallinen Schleifmitteln benutzt wird, wo der gewünschte Kristallgrößenbereich bei etwa 150 bis 300 Mikron liegt, die Beschränkung in der Technik nicht langer existiert, nach der die Größe des Gußblockes ein Maximum von etwa 136 kg haben nuß, um eine Kristallinität unter 300 Mikron zu erzeugen) diese Begrenzung in der Blockgröße beeinträchtigt die Produktionsgeschwindigkeit nachteilig. Die bekannten Kleinblockgießtechniken erfordern, daß das Zapfrohr des Gußofens verhältnismäßig klein ist, um das Gießen in die kleinen Formen zu erleichtern, wodurch die Gießgeschwindigkeit be— schränkt wird. Eine wesentliche unproduktive Ofenzeit muß verbraucht werden, das Gießen, nachdem man etwa nur 136 kg Schmelze vergossen hat, muß unterbrochen werden, um den Ofen in die nicht zum Gießen dienende Lage zurückzuführen oder das Zapfloch zu verstopfen, um die gefüllte Form zu entfernen und sie durch eine leere zu ersetzen. Durch Anwendung des Prinzips dieser Erfindung können Formen von verhältnismäßig großem Fassungsvermögen in der Größenordnung von 4535»9 kg oder mehr

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benutzt werden j solche großen Formen werden mit festen Klumpen in der Größenordnung von 50,8 "bis 610 mm, aber vorzugsweise von 304,8 "bis 610 mm eines Materials teilweise gefüllt, das der Zusammensetzung der Schmelze, die zu vergießen ist, wenigstens ähnlich ist j der Ofen kann dann in die Gießlage geneigt oder das Zapfloch geöffnet werden und eine große Menge Schmelze ohne Unterbrechung vergossen werden{ eine Form mit einer Kapazität von 4535,9 kg nimmt ohne Unterbrechung etwa 1179,3 kg "bis etwa 1859,7 kg Schmelze je nach dem Verhältnis der Masse Schmelze zu der Masse Klumpen auf. Um ein rohes Schleifmittel unter der definierten mikrokristallinen oberen Grenze von 300 Mikron zu erzeugen, sollte die Masse Schmelze zur Masse Klumpen im Verhältnis zwischen 0,35 und 2,0 vorzugsweise etwa 1,0 gehalten werden. Aus dem vorstehenden kann leicht ersehen werden, daß die Produktionsrate des rohen mikrokristallinen Schleifmittels sehr bedeutend erhöht wird, und daß die zur Vollendung eines Ofenlaufs erforderliche Zeit verringert wird dadurch und auch die Kosten verringert werden und die Wirksamkeit der Ofenphase der Arbeitsweise zunimmt.

Die Größe der Form oder des Behälters, welche anfangs die zu begießenden Klumpen halten und schließlieh das Gemisch von erstarrter Schmelze und Klumpen enthalten, ist verhältnismäßig unwichtig für die erfolgreiche Durchführung dieser Erfindung. Der bedeutendste Schluß ist die Kombination der Größe der benutzten Klumpen und die Dicke des Bettes der Klumpen; für eine optimale Nutzbarmachung"eines Bettes von Klumpen eines gegebenen Größenbereiches sollte die Stärke des Bettes nicht derart sein, daß die ausgegossene Schmelze erstarrt, ehe sie die volle Tiefe des Bettes durchdrungen hat. Deshalb ist die Gestalt der Form bzw. des Behälters von einer gewissen Bedeutung, obwohl es die Größe als solche nicht ist. Die bevorzugte Formgestalt ist in den beiliegenden Zeichnungen, den Figuren 1 und 2, erläutert, wo das Verhältnis der horizontalen zur vertikalen Abmessung etwa gleich oder größer als 2 ist. Vo ,aber Klumpen benutzt werden, die groß genug sind, ist selbst die Gestalt der Form ohne Bedeutung.

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Im folgenden werden ins einzelne gehende Beispiele der praktischen Durchführung bevorzugter Ausführungsformen dieser Erfindung gebracht. Die Einzelheiten des Schmelzverfahrens werden nicht behandelt, weil sie für den Kern bzw. das Verständnis der hier offenbarten Erfindung nicht ausschlaggebend sind. Es genügt hier zu sagen, daß alles, was hier erforderlich ist, das Schmelzen als solches ist, und daß es in einem Ofen des Gußtyps erfolgt, vorzugsweise in dem Typ,der in der USA-Patentschrift 2 426 643 beschrieben ist. In ähnlicher Weise sind eingehende Besehreibungen der verschiedenen Zerkleinerungsverfahren nicht berücksichtigt j jedoch wird für die Zerkleinerung des mikrokristallinen Schleifmittels, mit dem sich diese Erfindung in erster linie befaßt, das Stoßzermalmungsverfahren bevorzugt.

Weiterhin ist es den Fachleuten auf diesem Gebiet "bekannt, daß für bestimmte Rohschleifanwendungen, z.B. Hochdruckschmirgeln von rostfreien Stahlblöcken, sog. Mischzerkleinern (engl. "mulling") oder Trockenwalken ("dry-panning") von Schleifmitteln (nach den Zermalmoperationen) vorteilhaft sein kann. Mischzerkleinerungs- oder Trockenwalkschleifmittel nutzt ab oder bricht ab die verhältnismäßig schwachen Ecken an den Schleifmittelteilchen, wodurch erzeugt wird 1) eine blockartige Gestalt wie sich durch die Erhöhung des Gewichts-profoot des Schleifmittels und 2) ein stärkeres Schleifmittel ergibt wie das aus der sich ergebenen Erhöhung in der Stoßfestigkeit zeigt. Es folgt dann, daß die Stoßfestigkeiten der Schleifmittel dieser Erfindung weiter durch Mischzerkleinern verbessert werden können, was tatsächlich im Fall des Schleifmittels getan wurde in dem Blockschleiftest,der anschließend in dem Beispiel B beschrieben ist. .

Beispiel A

Ein elektrischer Gießofen mit einer Kapazität von 907 kg wurde mit 875 kg Bauxit, 2,2 kg Ilmenit und 29,9 kg Kohle beschickt $ das Gemisch wurde dann bis zu einem geschmolzenen Zustand, d.h. auf etwa 2000⁰C erhitzt und in diesem Zustand lange genug

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gehalten, damit die normalen chemischen und physikalischen Reaktionen ablaufen konnten. Wenn die Reaktionsfähigkeit innerhalb der geschmolzenen Masse aufgehört hatte, wurden etwa 453,6 kg der Schmelze in übliche nach unten konisch verlaufende Gußeisenformen gegossen, wobei jede Form ein Fassungsvermögen von etwa 136 kg und 61 cm in der Weite, 61 cm in der Breite und 53 cm in der Tiefe aufwies. Die in dem Ofen verbleibende Schmelze wurde in Formen gegossen, die den eben erwähnten 136 kg-Formen glichen. Aber diese Formen wurden ungefähr mit Klumpen von Material in der Größe von 25,4 bis 50,8 mm und der gleichen Zusammensetzung wie die der Schmelze gefüllt j die ausgegossene Schmelze floß in die durch die Klumpen gebildeten kleinen Zwischenräume, und das Eingießen in eine gegebene Form wurde unterbrochen, wenn die Höhe der Schmelze etwa die Höhe der Klumpen erreichte und schließlich ein Verhältnis von Schmelze zu Klumpen von etwa 0,5 vorlag.

Der Schmelzguß auf die Klumpen erstarrte, wie beobachtet werden konnte, fast augenblicklich. Beide Güsse wurden dann genügend lange abkühlen gelassen, um sie handhaben zu können.

Zu diesem Zeitpunkt wurden beide Güsse aus ihren jeweiligen Formen entfernt. Das Material, das auf die Klumpen gegossen worden war, wurde durch eine Kombination von Backen- und Walzenbrecher roh zerkleinert, bis alles Material durch ein Sieb mit 9»5 mm öffnungen hindurchging, aber ein 18 Maschen-Sieb nicht passierte. Dieses roh zerkleinerte Material wurde dann 6 Zermalmdurchgängen und 6.Formdurchgängen in einem Stoßzermalmer unterworfen. Das so gesammelte Schleifmittel ging durch ein 4-Masehen-Sieb, verblieb aber auf einem 18-Maschen-Sieb.

Der Schmelzguß in der üblichen Weise, d.h. in den leeren Guß-* eisenformen mit 136 kg Fassungsvermögen wurde den gleichen Arbeitsstufen wie das Klumpengußmaterial unterworfen, tut das auf einem 4-Maschen-Sieb durchgehende und auf einem 18-Maschen-

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Sieb verbleibende Schleifmittel zu erzeugen. ·,; -

Die Mengen der nach den beiden Gußmethoden erzeugten Schleifmittel wurden dann auf prozentuale Ausbeute und durchschnittliche Kristallgröße analysiert. Die Ergebnisse der Analysen zeigt die folgende Tabelle I. - ■"--■*■ ------

	Tabelle X ■	durchschnittliche Kri stellgröße.
Gußverfahren	Ausbeute	350 Mikron 53 Mikron
übliches Block gießen Klumpenguß	45 96 65 io

Die durch das Schnellkühlen der Schmelze erzielten Hauptvorteile, erleichtert durch das Klumpengießen, sind die sehr eindrucksvolle Erniedrigung der durchschnittlichen Kristallgröße des erhaltenen Schleifmittels und die starke Erhöhung der Ausbeute.

Beispiel B

Ein hochstoßfestes ultrafeines mikrokristallines Zirkoniumoxid-Aluminiumoxid-Schleifmittel wurde hergestellt, indem ein elektrischer Gießofen mit einer Kapazität von 907 kg mit 388,3 kg Bauxit, 155 kg Zirkoniumsand, 233,2 kg feinmaschigen geschmolzenen Schleifmittels aus im wesentlichen 75 96 a-Aluminiumoxid und 25 # Zirkoniumoxid, 2,3 kg Magnesiumoxid, 68,5 kg Eisenbohrspäne und 59»9 g Kohle beschickt wurde. Das Gemisch wurde zum Schmelzen gebracht und in diesem Zustand gehalten, bis die Reaktionsfähigkeit abklang.

Das geschmolzene Gemisch wurde dann in sich nach unten konisch verjüngende Gußeisenformen gegossen, die außen etwa 30„5 cm Weite, 61 cm Breite und 25,4 cn Tiefe aufwiesen, und praktisch mit Klumpen in der Größe von 12,7 ma bis 50,8 mm gefüllt wareB, wobei diese Klumpen die gleiche Zusammensetzung wie die äer Schmelze hatten und schließlich aas erhaltene Schaelze-zu-Klumpen-Verhältnie etwa 1 betrug. DieseFormen

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hatten ein Fassungsvermögen von etwa 36 kg fester Masse. Die Schmelze durchdrang völlig das Bett der Klumpen und füllte dabei die durch die Klumpen gebildeten kleinen Zwischenräume; die geschmolzene Phase verfestigte sich fast augenblicklich.

Wenn das Gemisch aus Klumpen und Schmelze sich soweit verfestigt hatte, daß man es handhaben konnte, wurde es aus den formen entfernt und einem Backenzerkleinerer zugeführt, wo das nun rohe mikrokristalline Schleifmittel zu Stücken von 50,8 mm Durchmesser oder weniger reduziert wurde. Die Fraktion des rohen Schleifmittels, die in der Größe zwischen 12,7 und 50,8 mm lag, wurde aus dem feineren Material - feiner als 12,7 mm - entfernt, um später als Klumpengießmedium zu dienen ι die Fraktion, die feiner als 12,7 mm war, wurde dann 6 Durchgängen durch einen Stoßzermalmer unterworfen, um die Teilchengröße weiter so zu reduzieren, daß sie durch ein 4-Maschen-Sieb gingen, worauf 8 zusätzliche Durchgänge durch den Stoßzermalmer vorgenommen wurden, um dem Schleifmittel eine festere, blockartige Gestalt zu verleihen. Das geformte Schleifmittel wurde dann gesiebt, um das fertige Schleifmittel zwischen 4 und 18 Maschen zu sammeln.

Dieses Schleifmittel wurde dann hinsichtlich der durchschnittlichen Kristallgröße, Stoßfestigkeit und Schleifleistung in einer durch Phenolharz verbundenen Scheibe,Boden-Stand-Mahl-Stahlgießlingen bewertet} die erhaltenen Eigenschaften dieses neuen Schleifmittels wurden mit denjenigen des hochwertigen Typs aus 40 °/o Zirkoniumoxid, 60 °/o Aluminiumoxid bestehenden mischzerkleinerten Schleifmittels der USA-Patentschrift 3 181 939 (Marshall und Roschuk) verglichen. Die Ergebnisse dieses Vergleichs sind in Tabelle II zusammengestellt. Die in der Stoßfestigkeitsspalte für ein gegebenes Schleifmittel erscheinende Zahl stellt den Prozentgehalt einer gegebenen Menge von 12-Maschen-Schleifmittel dar, die verhältnismäßig unverändert in der Größe blieb, nachdem die Probe des Schleifmittels eine bestimmte Zeit einer starken Stoßbehandlung unterworfen worden warf deshalb ist die Stoßfestigkeits-

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zahl für ein gegebenes Schleifmittel direkt proportional der innewohnenden Festigkeit jenes Schleifmittels. Die Scheibenabnutzung sw er te (Ww) und die Materialentfernungsmengen (MR) werden jeweils in inch /hr und lbs/hr angegeben, mit der endgültigen Qualität, B.B. Mahlqualität der Mahlscheibe (und dem darin enthaltenen Schleifmittel), die durch die folgende Beziehung von Materialentfernung zu Scheibenabnutzungsmenge dargestellt wird:

B.B. Mahlqualität {§§j Tabelle II

Schleifmittel typ

durchschnittl, Kristallgröße

Stoß- Scheiben- Metallfestig- abnutzung entfernkeit „.. menge

MR

^Mikron

57,7

mischzer-. kleinert (mulled)

26,2
lbs/hr

B.B.

Mahlqualität

11,9

57,4 53,1 lbs/hr

Klumpenguß ♦ 22 Mikron 46,3% 62,0 25% ZrO₉ ,

nicht- ^ifl5Ar

mischzerkleinert (unmulled)

♦ bis auf das Schleifmittel identische Scheiben,

Die in dem Mahltest benutzten Scheiben waren 61 χ 5 x 30,5 cm groß und des sogenannten kaltgepreßten Typs mittlerer Härte, die typisch für diejenigen sind, die man in Gießereien für Boden-Stand-Schmirgeln benutzt. Die Mahlbedingungen waren: Scheibengeschwindigkeit - 3353 m je Minute, Mahldruck - 21 kg/cm², Mahlzeit - 1 Stunde, Materialgrund - Gußstahl.

Das neue Klumpengußschleifmittel mit seiner feineren durch-

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schnittlichen Kristallgröße war in der Stoßfestigkeit bedeutend überlegen und stark überlegen in der B.B. Mahlqualität dem 4-Ofo ZrOp-Blockgußschleifmittel, trotz der Tatsache, daß das letztere nach, der Zerkleinerung mischzerkleinert worden war und wie in der USA-Patentschrift 3 181 939 hingewiesen das Schleifmittel mit der höchsten B.B. Mahlqualität der Blockguß ZrOp-AlpQ-z-Schleifmittel gewöhnlich das ist, das etwa 40$ ZrO₂ enthält, mit der B.B. Mahlqualität, die mit dem abnehmenden Gehalt des ZrOg abnimmt.

Die in diesem Test benutzten kaltgepreßten Scheiben wurden in der üblichen Weise hergestellt, indem man bestimmte Gewichte Schleifmittel und Bindemittel (bestellend aus 75 Gew.-^ BRP-5417r Phenolformaldehydharz, Hersteller Union Carbide Corporation, 25 Gew.-5ε eines anorganischen Füllstoffs) mischte. Sie vorbeschriebene Menge des Schleifmittel-Bindemittel-Gemisches wurde in eine 61 cm Stahlform mit Deckel- und Bodenplatten eingebracht und das Gemisch bei Raumtemperatur zu einem Volumengebilde gepreßt:

Volumen jo

Schleifmittel 54

Bindemittel 24

Porosität 22

Die in dieser Weise hergest XIt α Scheiben wurden dann in einem Luftumlaufofen in der üblichen Weise wärmebehandelt, um'das Phenolformaldehydharz-Bindemittel zu härten.

Dieses Volumengebilde im Falle des 40 # ZrO₂-Schleif mittels ist eine Schleifscheibe mit einer spezifischen Dichte von 2,87 g/cm⁵, weil dieses Schleifmittel eine spezifische Dichte von 4,56 g/cm hattef die Seheibe mit dem Klumpenguß - 25$ ZrOp-Schleifmittel hatte eine spezifische Dichte von 2,75 g/cm , da dieses Schleifmittel die spezifische Dichte 4,34 g/cm hatte.

Die Volumengebildezusammensetzung eines sogenannten kaltge-

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preßten SchleifObjekts regelt die Härte-imd die Festigkeit der Scheibe. Es ist offensichtlieh* dsl da fast eins ua©ßd= liehe Zahl von Yolumen-^-Kombifiirfeionen von Seiil@ifaitt©l_? Bindemittel und Porosität besteht. Da sini j@doca eisige sehr praktische Begrenzungen. Wenn das Volumen-^ des BiseLeaittels unter 2 <$> abfällt, sind die entstehendes Scii@ib.exs'au schwach_e um selbst bei niedrigen Schleifgeschwindigkeiten benutzt zu werden \ auf dem anderen Ende des Spektrums kann das Volumen-^ des Schleifmittels 68 fo nicht viel üb erschreit en _g weil die Packeigenschaften von Schleifmitteln solche sind_r das etwa 68 Vol.-$ die Höchstmenge an Schleifmittel herstellen,? die ia einem gegebenen Volumenraum gepackt werden kanßc Sie gebräucii- * lichste Volumenstruktur für die kaltgepreßte Seiieib© reicht von:

Schleifmittel Bindemittel Porosität bis etwa

Schleifmittel

Bindemittel

Porosität

Zusammensetzungen auf jeder Seite dieses Bereiches sind entweder außerordentlich schwach oder sehr schwierig herzustellen.

Beispiel G

Zusätzliche hohe Stoßfestigkeit, ultrafeines mikrokristallines Schleifmittel wie das von Beispiel B wurde in genau der gleichen Weise wie in diesem Beispiel beschrieben hergestellt. Nachdem dieser Schleifmittelansatz jedoeit stoSverformt worden ' war und das 4- bis 18 Maschen-Schleifmittel abgesondert word©? war, wurde es 15 Minuten mischzerkleinert, wodurch die &«?f?X2l etwas blockartiger und die Stoßfeetigfceit erhöht wurde.

Volumen	f
54-
8
38
Volumen	f
46
42
12

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Dieses klumpengegossene und. mischzerkleinerte Schleifmittel wurde dann bewertet neben dem Blockguß-40 % ZrO ,,-Schleifmittel, das mit des des Beispiels B identisch war, hinsichtlich der durchschnittlichen Kristallgröße, Stoßfestigkeit und Schleifleistung in außerordentlich harten durch Phenolharz gebundenen Scheiben, Schwingrahmen-Mahlblöcke aus rostfreiem Stahl. Die Ergebnisse sind in Tabelle 111 zusammengestellt.

	durch- schnittl. Kristall größe	Tabelle	III	Metall entfern menge MR	B.B. Mahl qualität
Schleif mittel typ	130 Mikron	Stoß festig keit	Scheiben abnutzung	145 lbs/hr	560
Blockguß* 40$ ZrO2 mischzer kleinert	24 Mikron	38,7#	37,4 Id?/hx	171 lbs/hr	1095
Klumpen guß* 25$ ZrO2		54,4#	26,7 ln3/hT		■
mischzer kleinert

bis auf das Schleifmittel identische Scheiben

Die in dem Mahltest benutzten Scheiben hatten die Abmessungen 40,6 χ 5,1 χ 15*2 ca und waren von der sehr harten heißgepreßten Art, wie sie typisch in Stahlmühlen für hohe Geschwindigkeit, hohen Druck, Schwingrahmen-Mahlen und Stahlblöcke verwendet werden. Die Kahlbedingungen waren: Scheibengeschwindigkeit - 2895,6 m je Minute, Mahlstärke - 181,4 kg, Mahlzeit - 1 Stunde, Materialgrund - 18-8-rostfreier Stahl.

Das neue Klumpenguß-255£ ZrOg-Schleifmittel nach zerkleinertem Mischen war dem zerkleinerten und gemischten 40%-Zr0₂-Schleifmittel in der Stoßfestigkeit und der B.B. Mahlqualität, wie beide in Beispiel B definiert sind, überlegen.

Aus den Lehren der TJSA-Pat ent schrift 3 181 939 (Marshall et al)

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und dieser Erfindung ist ersichtlich, daß das Klumpengußverfahren, wenn man es zur Herstellung eines geschmolzenen ZrOp-AlpO-z-Schleifmittels mit irgendeinem besonderen ZrO₂-Gehalt von 10 bis 60$ anwendet, ein feineres kristallines und deshalb überlegenes Schleifmittel gegenüber dem Schleifmittel gleicher Zusammensetzung, das nach dem Biockgußverfahren hergestellt ist, erzeugt.

Die Schleifscheiben dieses Testes wurden nach einem Heißpreßverfahren hergestellt, wie es gewöhnlich zur Herstellung von außerordentlich harten praktisch nicht-porösen Scheiben benutzt wird. Trotz der Wirksamkeit dieser Preßtechnik und der oft benutzten Nomenklatur "Null-Porosität", wenn man Produkte dieser Art meint, sind sie selten 100#ig frei von Porosität j tatsächlich enthalten diese Produkte gewöhnlich etwa 1-2 # Porosität.

Bestimmte· Mengen Schleifmittel und Bindemittel (bestehend aus 26,9 Gew.-# BRP-5417 und 73,1 Gew.-^ gemischter Füllstoffe) wurden miteinander vermischt, und eine bestimmte Menge dieser Mischung wurde in eine 40,6 cm-Stahlform mit Deckel- und Bodenplatten eingebracht, und die Mischung dann in einer Presse mit auf etwa 160⁰C erhitzten Decken zusammengepreßt $ diese Heißpressung bei 4-6 Tonnen/in wurde etwa 1 Stunde lang fortgesetzt, wonach die teilweise in der Wärme gehärtete Scheibe aus der Presse entfernt und in einen Luftumlaufofen gebracht und dort in der üblichen Weise wärmebehandelt wurde, um die Härtung der Phenolharzbindung zu vervollständigen.

Diese Scheiben hatten eine theoretische Volumenstruktur von:

Volumen jo

Schleifmittel 60 Bindemittel 40 Porosität 0

Die tatsächliche Porosität betrug jedoch etwa 1,5 %.

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Die auf diese Weise mit dem 4O#-ZrO ,,-Schleifmittel hergestellte Schleifscheibe hatte eine spezifische Dichte von 3,63 g/cm , und die Scheibe wurde nach dem Klumpengußverfahren aus dem mischzerkleinerten 25#-ZrO2-Schleifmittel hergestellt. Sie hatte eine spezifische Dichte von 3,50 g/cm , wiederum als Ergebnis der Unterschiede in den spezifischen Dichten des Schleifmittels.

Schleifscheiben der heißgepreßten Art mit sogenannter Null-Porosität können in einem annehmbar weiten Volumenstrukturbereich hergestellt werden, der gebräuchlichste Bereich dieser Produktart ist Jedoch von:

bis etwa

	Volumen %
Schleifmittel	6o
Bindemittel	40
Porosität	0
	Volumen °/>
Schleifmittel	50
Bindemittel	50
•Porosität	0
Beispiel P

Das Klumpengießverfahren w; -de benfalls ausgeführt, indem eine im wesentlichen aluminiumhaltige Schmelze in sehr große Formen mit Außenabmessungen von 180 cm Durchmesser und 180 cm Tiefe und einer Kapazität von etwa 4536 kg gegossen wurde j dadurch wurde ein mikrokristallines Schleifmittel in dem Bereich von 200 bis 300 Mikron erzeugt, während beim Guß in eine Form dieser Größe ohne die Klumpen und unter Verwendung eines Ansatzofens wie er von J.A. Upper in "The Manufacture of Abrasives" in Journal of Chemical Education, Dezember 1949, lir. 12, Seite 676 bis 680 beschrieben ist, ein Schleifmittel mit einer durchschnittlichen Kristallgröße weit über 400 Mikron entstand; es verringerte die Zeit zum Füllen eines Ofens, der 4536 kg Schmelze enthielt, um etwa 50 & im Vergleich zum Gießen in eine große Zahl der kleinen leeren

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136 kg-Formen und verringerte auch die Haadhabungszeit.des rohen Schleifmittels, weil da nur zwei große Blöcke gegenüber einer großen Zahl kleiner Blöcke vorlag.

Die große Formangleichung des Kluiapengu3¥©r£ahrens wurde durchgeführt, indem ein 4536 kg fassender elektrischer Guß™ ofen mit 4375 kg Bauxit, 11,3 kg Ilmenit uad 150 kg Kohle beschickt wurdej daa Gemisch wurde bis zur Schmelze erhitzt unä in diesem Zustand solange gehalten, daß alle normalen ehemi~ sehen und physikalischen Reaktionen stattfinden konnten«, Die geschmolzene Ofenbeschickung wurde claon sehneil ia 2 mit feuerfesten Ziegeln ausgekleidete nach uaten sich verjüngende Stahlschalenformen mit einer Kapazität von 4536 kg ©atleert, die mit Klumpen von 20,3 bis 45,7 cm DureMjaesser und der gleichen Zusammensetzung wie die Schmelze gefüllt waren» Das Verhältnis von Schmelze zu Klumpen betrug etwa 1.

Ein nachfolgender Guß in den vollbeschickten 4536 kg fassenden elektrischen Gußofen, bei dem die Schmelze in verhältnismäßig kleine 136 kg-Blockformen gegossen wurde, benötigte 35 einzelne Formen, um den Ofen zu entladen.

Diese rohen Schleifmittel wurden dann naeh dem bekannten Verfahren der Backen- und Walzzermalmung zerkleinert.

All die rohen Schleifmittel brauchten nicht bis zu einer Schleifmittelteilchengröße von 8 Maschen und feiner zermalmt zu werden, zur Anwendung in Mahlscheibe!! oder als Gebläsemedien f ein gewisser Seil oder auch das gesamte rohe Schleifmittel kann bis zu einem Groß eiib er eich von etwa 2,5 bis 50,8 mm zur Verwendung als beliebig geformte Umwälzmedien verringert werden.

Pat ent ans prüc*

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Claims (13)

1. -19- · W 578"

   Patentansprüche

   Geschmolzenes, zerkleinertes Schleifprodukt, z.B. a-Aluminiumoxid oder ein Gemisch aus a-Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid, dadurch gekennzeichnet, daß die durchschnittliche Größe der Kristalle geringer als 100 Mikron ist.
2. 2. Geschmolzenes Schleifprodukt nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus a-Aluminiumoxid und Zirkoniumoxid besteht, wobei das Zirkoniumoxid in einer Menge von 10 bis 60 Gew.-$ vorliegt und die numerische durchschnittliche Kristallgröße des Schleifmittels weniger als 50 Mikron beträgt.
3. 3. Geschmolzenes Schleifmittel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Schleifmittel nach dem .Zerkleinern bis zu technisch verfügbaren Maschengrößen gemahlen wird.
4. 4. Geschmolzenes Schleifmittel nach einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß es aus 20 bis 30 Gew.-^ Zirkoniumoxid und 70 bis 80 Gew.-$ a-Aluminiumoxid besteht, wobei die numerische durchschnittliche Kristallgröße des Schleifmittels 10 bis 50 Mikron beträgt.
5. 5. Geschmolzenes Schleifmittel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der numerische durchschnittliche Kristallgrößenbereich 10 bis 30 Mikron beträgt.
6. 6. Geschmolzenes Schleifmittel, dadurch gekennzeichnet, daß es aus α-Aluminiumoxid besteht und die numerische durchschnittliche Kristallgröße des Schleifmittels 50 bis 100 Mikron beträgt.
7. 7. Geschmolzenes Schleifmittel nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der numerische durchschnittliche Kristallgrößenbereich von 50 bis 60 Mikron reicht.

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8. 8. Mahlscheibe aus einem geschmolzenen Schleifmittel, einem harzartigen Bindemittel und 0 bis 52 VoI.-^ Porosität, dadurch gekennzeichnet, daß das Schleifmittel ein Produkt nach einem der Ansprüche 1 bis 7 ist.
9. 9. Verfahren zur Erzeugung eines geschmolzenen Schleifmittelkornes, bei dem man eine geschmolzene Masse verfestigt und zermalmt, dadurch gekennzeichnet, daß die geschmolzene Masse, während sie dich^bei ihrer Erstarrungstemperatur ist, a*uf eine Masse verfestigter Klumpen in der Größe von 6,3 bis 609»6 nun, die die gleiche Zusammensetzung haben, gegossen ' wird, wobei das Verhältnis der Masse der geschmolzenen Masse zu der Masse der Klumpen zwischen 0,35 und 2,0 liegt, und die geschmolzene Masse vermischt mit diesen Klumpen erstarren gelassen wird.
10. 10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß man das Gemisch aus erstarrter Schmelze und Klumpen roh zerkleinert und anschließend eine Menge der Klumpen in dem Größenordnungsbereich von 6,3 bis 609»6 mm zur Verwendung' als späteres Gußsubstrat aussiebt.
11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Größenbereich der benutzten Klumpen von 50,8 bis 609,6 mm reicht.
12. f 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 und 10» dadurch gekennzeichnet, daß der Größenbereich der benutzten Klumpen von 6,3 bis 50,8 mm reicht.
13. 13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerkleinerung des geschmolzenen mikrokristallinen Schleifmittels durch Stoßzermaliaußg erfolgt*

    N 578
    Er.Pa/Wr

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