DE19629690A1 - Sintered microcrystalline corundum grinding medium production - Google Patents

Sintered microcrystalline corundum grinding medium production

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Abstract

A process for producing sintered, microcrystalline alpha -Al2O3 based bodies involves (a) grinding or disintegrating an alpha -Al2O3 powder of <= 3 microns mean particle size to form a slip of less than 1 (preferably <= 0.4) micron particle size; (b) granulating the slip using a fluidised bed spray granulator to form green bodies of \-40 (preferably \-50)% theoretical density and less than 6 (preferably <= 1) wt.% residual moisture content; and (c) carrying out shock sintering at 1300-1550 deg C. Preferably, the slip contains 0.5-10 wt.% (based on solids content) of one or more binders selected from methyl cellulose, dextrin, sugar, starch, alginates, glycols, polyvinyl pyrrolidone, lignin sulphonate, gum arabic, polyvinyl alcohol and polyvinyl acetate.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung gesinterter, mikrokristalliner Körper auf Basis von α-Al₂O₃ sowie deren Verwendung.The present invention relates to a method for producing sintered, microcrystalline body based on α-Al₂O₃ and their use.

Eine bevorzugte Anwendung von α-Al₂O₃-Sinterkörpern ist deren Einsatz als Schleifmittel. Neben geschmolzenen Korundschleifmitteln sind solche aus gesin­ tertem Material schon seit mehr als 50 Jahren bekannt.A preferred application of α-Al₂O₃ sintered bodies is their use as Abrasives. In addition to molten corundum abrasives, they are made of Gesin known material for more than 50 years.

In der US-A 3 909 991 werden polykristalline α-Al₂O₃-Körper beschrieben, deren Kristallitgröße im Submicron-Bereich liegt und deren Dichte über 95% der theo­ retischen Dichte beträgt. Die Herstellung erfolgt durch Heißpressen aus einer Mischung aus Ruß und granulierten α-Al₂O₃-Körpern, die nach der US-A 3 079 243 durch Zerkleinern kaltgepreßter α-Al₂O₃-Formkörper gewonnen werden.In US-A 3 909 991 polycrystalline α-Al₂O₃ body are described, the Crystallite size is in the submicron range and its density is over 95% of theo retic density. The production takes place by hot pressing from one Mixture of carbon black and granulated α-Al₂O₃ bodies, which according to US-A 3,079,243 can be obtained by crushing cold-pressed α-Al₂O₃ moldings.

In der neueren Zeit wurden ähnliche gesinterte Schleifmittel auf α-Al₂O₃-Basis be­ kannt, die aufgrund ihrer mikrokristallinen Struktur Vorteile gegenüber den be­ kannten Korundschleifmitteln aufweisen. So wird in der EP-B 0 152 768 ein Schleifmittel offenbart, das über die Sol-Gel-Technik bei Sintertemperaturen von ca. 1400°C hergestellt wird. Als Sinterhilfe werden Kristallisationskeime zuge­ setzt. Ähnliche Verfahren und Stoffe gehen aus der EP-A 0 024 099, DE-A 32 19 607, US-A 4 518 397, US-A 4 574 003, US-A 4 623 364, EP-A 0 168 606, EP-A 0 200 487, EP-A 0 228 856, EP-A 0 209 084 und der EP-A 0 263 810 hervor.In recent times, similar sintered abrasives based on α-Al₂O₃ have been used knows that due to their microcrystalline structure advantages over the be known corundum abrasives. So in EP-B 0 152 768 Abrasives disclosed that about the sol-gel technique at sintering temperatures of approx. 1400 ° C. Crystallization nuclei are added as a sintering aid puts. Similar processes and substances are known from EP-A 0 024 099, DE-A 32 19 607, US-A 4 518 397, US-A 4 574 003, US-A 4 623 364, EP-A 0 168 606, EP-A 0 200 487, EP-A 0 228 856, EP-A 0 209 084 and EP-A 0 263 810 forth.

Allen letztgenannten Verfahren ist gemeinsam, daß sie über ein Sol-Gel-Verfahren mit feinstdispersem Aluminiumoxidmonohydrat des Typs Böhmit durchgeführt werden. Die verhältnismäßig teuren Rohstoffe, die über die Hydrolyse von Aluminium-organischen Verbindungen gewonnen werden, und die energieaufwen­ dige Verfahrenstechnik lassen die Kosten des Sol-Gel-Korundes auf ein Vielfaches der herkömmlichen Korunde ansteigen. Ein weiterer Nachteil dieser Verfahren ist, daß die kolloidalen Lösungen meist mit relativ großen Mengen leicht flüchtiger anorganischer Säuren stabilisiert sind, was verfahrens- und umwelttechnische Probleme mit sich bringt. All of the latter methods have in common that they have a sol-gel method with finely dispersed aluminum oxide monohydrate of the boehmite type will. The relatively expensive raw materials that are involved in the hydrolysis of Aluminum-organic compounds are obtained, and the energy expenditure process engineering, the costs of sol-gel corundum are many times over of conventional corundum. Another disadvantage of these methods is that the colloidal solutions are usually more volatile with relatively large amounts inorganic acids are stabilized, which is procedural and environmental Brings problems.  

In der DE-C 36 04 848 wird ein Verfahren beschrieben, eine Dispersion aus tonerdehaltigen Rohstoffen, kieselsäurehaltigen Verbindungen und weiteren Zu­ sätzen (z. B. Verbindungen der Metalle Co, Ni, Mg, Cr, Zr, Zn, Si oder Ti) zu einem sinterfähigen Schlicker zu vermahlen, aus dem durch stufenweises Trocknen und Sintern bei Temperaturen bis 1700°C ein Schleifmittel hergestellt werden kann, dessen Korundprimärkristallite einen Durchmesser von weniger als 5 micron haben. Das so erhaltene Produkt hat mit einer Kristallitgröße kleiner 5 micron noch nicht die Feinstruktur eines Stoffes, der über die Sol-Gel-Methode mit entsprechenden Sinteradditiven hergestellt wird.DE-C 36 04 848 describes a method of dispersing alumina-containing raw materials, silicic acid-containing compounds and other additives add (e.g. compounds of the metals Co, Ni, Mg, Cr, Zr, Zn, Si or Ti) to grind a sinterable slurry, from which by gradual drying and sintering at temperatures up to 1700 ° C can, whose primary corundum crystallites have a diameter of less than 5 micron to have. The product thus obtained has a crystallite size of less than 5 microns not yet the fine structure of a substance using the sol-gel method corresponding sintering additives is produced.

Darüber hinaus müssen nach den in der DE-C 36 04 848 offenbarten Verfahren kieselsäurehaltige Verbindungen zugegeben werden, die als Sinterhilfe fungieren. Bei der Sinterung entsteht daraus durch Reaktion mit dem Aluminiumoxid Mullit. Es ist bekannt, das durch die Anwesenheit silikatischer Phasen die Leistungsstärke eines Schleifkorns herabgesetzt wird.In addition, the method disclosed in DE-C 36 04 848 silicic acid compounds are added, which act as a sintering aid. During sintering, mullite is formed from this by reaction with the aluminum oxide. It is known that due to the presence of silicate phases the performance of an abrasive grain is reduced.

Zahlreiche schleiftechnische Untersuchungen an Sinterkorunden in den letzten Jahren haben gezeigt, daß die Schleifleistung umgekehrt proportional zur Größe der Primärkristalle ist. Das heißt, je feiner das Gefüge ist, umso höher ist in der Regel die Schleifleistung.Numerous grinding tests on sintered corundums in recent years Years have shown that grinding performance is inversely proportional to size is the primary crystals. That is, the finer the structure, the higher the Rule grinding performance.

Die EP-A 0 524 436 offenbart ein Verfahren, wobei statt der teuren Böhmite andere preiswerte Vorstufen des Aluminiumoxids (z. B. Hydrargillit) eingesetzt werden. Durch Vermahlen und anschließende Desagglomeration werden Suspen­ sionen mit einem Feststoffgehalt zwischen 10 und 40 Gew.-% erhalten, die analog zu den Sol-Gel-Verfahren weiterverarbeitet werden können. Auch bei diesem Ver­ fahren muß mit sehr viel Energieaufwand das restliche Wasser entfernt werden. Mit Ausnahme des teuren Rohstoffes weist das in der EP-A 0 524 436 be­ schriebene Verfahren alle verfahrenstechnischen Nachteile der Sol-Gel-Methode auf.EP-A 0 524 436 discloses a method whereby instead of the expensive boehmite other inexpensive precursors of aluminum oxide (e.g. hydrargillite) are used will. By grinding and subsequent deagglomeration Suspen Sions with a solids content between 10 and 40 wt .-% obtained, the analog can be further processed into the sol-gel process. Even with this ver the remaining water has to be removed with a lot of energy. With the exception of the expensive raw material, this is demonstrated in EP-A 0 524 436 Process described all procedural disadvantages of the sol-gel method on.

Im Vergleich zu den Sol-Gel-Verfahren haben jedoch alle bisher bekannten Alter­ nativ-Verfahren zur Herstellung mikrokristalliner Sinterkorunde, die von preiswer­ ten Rohstoffen ausgehen, den Nachteil, daß nach der Sinterung deutlich gröbere Strukturen vorliegen als bei den über die Sol-Gel-Verfahren gewonnenen Pro­ dukten. Die Gründe dafür sind offensichtlich. Die Sol-Gel-Verfahren gehen von besonders feinteiligen Ausgangsstoffen aus, wie unter Zugabe von Sinterhilfen ver­ fahrensbedingt bei sehr niedrigen Temperaturen dichtgesintert werden können. Da­ durch wird das Kristallwachstum unterdrückt. Die Alternativ-Verfahren benötigen grundsätzlich höhere Sintertemperaturen, die zu einem verstärkten Kristall­ wachstum führen. Darüber hinaus wird die bei der Sinterung stattfindenden Phasenumwandlungen zum α-Al₂O₃ ein homogenes und unkontrolliertes Kristall­ wachstum initiiert. Die Leistungsstärke der über die Alternativ-Verfahren ge­ wonnenen Sinterkorunde liegt somit deutlich unter denen der Sol-Gel-Korunde.Compared to the sol-gel process, however, all ages known so far have Native process for the production of microcrystalline sintered corundum by inexpensive ten raw materials run out, the disadvantage that after sintering significantly coarser Structures exist as in the case of the pro obtained using the sol-gel process products. The reasons for this are obvious. The sol-gel processes start from particularly finely divided starting materials, as with the addition of sintering aids  can be densely sintered at very low temperatures due to driving. There the crystal growth is suppressed by. The alternative procedures require basically higher sintering temperatures, leading to a reinforced crystal lead growth. In addition, the one that takes place during sintering Phase transformations to α-Al₂O₃ a homogeneous and uncontrolled crystal growth initiated. The power of ge over the alternative method The sintered corundum obtained is therefore significantly lower than that of the sol-gel corundum.

In der EP-A 0 402 686 wird ein Verfahren aufgezeigt, mikrokristallinen Korund über die elektrophoretische Abscheidung aus einer α-Al₂O₃-haltigen organischen Suspension zu gewinnen. Es gelingt so, einen relativ dichten Grünkörper zu er­ halten, der allerdings - trotz der dichten und homogenen Packung - erst bei Temperaturen von 1600°C dichtgesintert werden kann, so daß es auch hier wieder zu einem verstärkten Kristallwachstum kommt. Das Gefüge eines über die elektro­ phoretische Abscheidung gewonnen Sinterkorundes ist deutlich gröber als das der über das Sol-Gel-Verfahren hergestellten Sinterkorunde. Entsprechend geringer ist auch die Leistungsstarke der über die Elektrophorese gewonnenen Sinterkorunde.EP-A 0 402 686 shows a process, microcrystalline corundum on the electrophoretic deposition from an α-Al₂O₃-containing organic Win suspension. It is thus possible to achieve a relatively dense green body hold, which - despite the dense and homogeneous packing - only with Temperatures of 1600 ° C can be densely sintered, so that it is here again increased crystal growth occurs. The structure of one over the electro The sintered corundum obtained from the phoretic deposition is significantly coarser than that of the sintered corundum produced using the sol-gel process. Is correspondingly lower also the power of the sintered corundum obtained by electrophoresis.

Aufgabe dieser Erfindung ist es somit, ein Verfahren zur Herstellung eines mikrokristallinen α-Al₂O₃-Sinterkörpers aufzuzeigen, welches die beschriebenen Nachteile des Standes der Technik nicht aufweist.The object of this invention is therefore to provide a method for producing a Show microcrystalline α-Al₂O₃ sintered body, which the described Does not have disadvantages of the prior art.

Überraschend wurde gefunden, daß diese Anforderungen erfüllt werden durch ein Verfahren zur Herstellung gesinterter, mikrokristalliner Körper auf Basis von α-Al₂O₃, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsstoff ein α-Al₂O₃-Pulver mit einer mittleren Korngröße 3 µm zu einem Schlicker mit einer Partikelgröße < 1 µm vermahlen oder desagglomeriert wird, der Schlicker mit Hilfe eines Wirbelschicht-Sprühgranulators zu Grünkörper mit einer Dichte 40% der theoretischen Dichte und einer Restfeuchte von 6 Gew.-% granuliert und anschließend einer Schocksinterung bei Temperaturen im Bereich von 1300 bis 1550°C unterzogen wird.It has surprisingly been found that these requirements are met by a Process for the production of sintered, microcrystalline bodies based on α-Al₂O₃, characterized in that an α-Al₂O₃ powder with an average grain size of 3 µm to form a slurry with a particle size <1 µm is ground or deagglomerated, the slip with the help of a Fluid bed spray granulator to green body with a density of 40% of theoretical density and a residual moisture content of 6% by weight and then shock sintering at temperatures in the range from 1300 to 1550 ° C is subjected.

Der erste Verfahrensschritt besteht aus einer Naßvermahlung oder eines Desagglo­ merierung eines bereits möglichst feinteiligen α-Al₂O₃-Pulvers. Ziel der Naßver­ mahlung oder Desagglomerierung ist es, eine noch feinere, sehr homogene α-Al₂O₃-Suspension mit einer extrem feinen Kornverteilungskurve zu erhalten. Die Naßvermahlung und Desagglomerierung wird vorteilhaft im wäßrigen Medium durchgeführt. Im zweiten Schritt wird anschließend die bei der Mahlung oder Des­ agglomerierung erhaltene wäßrige Suspension in einem Wirbelschichtgranulator zu kugelförmigen Granulaten mit einem Durchmesser zwischen 1 und 10 mm granuliert.The first process step consists of wet grinding or a disagglo Meration of an α-Al₂O₃ powder that is already as finely divided as possible. Aim of Nassver Grinding or deagglomeration is an even finer, very homogeneous To get α-Al₂O₃ suspension with an extremely fine grain distribution curve. The Wet grinding and deagglomeration is advantageous in an aqueous medium  carried out. In the second step, the grinding or des agglomeration obtained aqueous suspension in a fluidized bed granulator spherical granules with a diameter between 1 and 10 mm granulated.

Die DE-A 35 07 376 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstel­ lung von Granulaten mit enger Kornverteilung, bei denen das zu granulierende Produkt in flüssiger Form in ein Wirbelbett eingesprüht und dort auf entspre­ chende Keime aufgetragen wird. Die Granulatgröße wird durch die Stärke des Sichtgasstromes eines Zick-Zack-Sichters eingestellt. Ähnliche Verfahren bzw. Weiterentwicklungen der sogenannten Wirbelschicht-Sprühgranulation werden in der DE-A 38 08 277 und der DE-A 43 04 405 beschrieben.DE-A 35 07 376 describes a method and an apparatus for the manufacture development of granules with a narrow particle size distribution, in which the granulate to be granulated Product in liquid form sprayed into a fluidized bed and there on correspond germs are applied. The granule size is determined by the strength of the Visible gas flow of a zigzag classifier set. Similar procedures or Further developments of the so-called fluidized bed spray granulation are in DE-A 38 08 277 and DE-A 43 04 405.

Im dritten Schritt werden die Granulate einer Schocksinterung unterzogen.In the third step, the granules are subjected to shock sintering.

Die Granulate können vor oder nach der Sinterung auf die gewünschte Kornform und -größe zerkleinert werden. Die Aufbereitung und Klassifizierung zur fertigen Schleifkörnung erfolgt nach den üblichen Methoden.The granules can be cut to the desired grain shape before or after sintering size and size. The preparation and classification for the finished Abrasive grains are made using the usual methods.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können überraschenderweise, ausgehend von kostengünstigen Rohstoffen, Sinterkorunde gewonnen werden, die in ihren Eigenschaften vergleichbar mit den Sol-Gel-Korunden sind. Da die Kristallitgröße im gesinterten Endprodukt wesentlich von der mittleren Korngröße und der Kornverteilung im Ausgangsmaterial abhängt, ist es zweckmäßig, möglichst feinteilige α-Al₂O₃-Typen einzusetzen, die dann auf die gewünschte Korngröße vermahlen bzw. desagglomeriert werden.Surprisingly, starting from the process according to the invention of inexpensive raw materials, sintered corundum, which can be obtained in their Properties are comparable to the sol-gel corundum. Because the crystallite size in the sintered end product significantly from the average grain size and the Grain distribution in the starting material depends, it is appropriate, if possible use finely divided α-Al₂O₃ types, which then have the desired grain size be ground or deagglomerated.

Bevorzugt werden die Feststoffe auf eine mittlere Teilchengröße von kleiner als 1 µm, besonders bevorzugt kleiner als 0,4 µm, herabgemahlen und/oder desagglomeriert, um die gewünschte Ausgangskorngröße zu erhalten bzw. vorliegende Agglomerate in Einzelkristallite zu zerteilen. Die Vermahlung bzw. Desagglomeration wird vorzugsweise naß in Vibrationsmühlen, Attritoren oder Kugelmühlen durchgeführt. Die Mahldauer hängt von der Ausgangskorngröße und dem eingesetzten Mühlentyp ab. Obwohl es naheliegend sein sollte, ein möglichst feinteiliges Ausgangsmaterial zu wählen, sprechen vielfach wirtschaftliche Überle­ gungen dagegen; denn die superfeinen α-Aluminiumoxide sind häufig so teuer, daß einer der wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich der Einsatz eines kostengünstigen Rohstoffes, verloren geht. Beim erfindungsge­ mäßen Verfahren können hingegen vorteilhaft auch gröbere α-Al₂O₃-Aus­ gangspulver eingesetzt werden.The solids are preferably of an average particle size of less than 1 µm, particularly preferably less than 0.4 µm, ground down and / or deagglomerated to obtain the desired starting grain size or to split existing agglomerates into individual crystallites. The grinding or Deagglomeration is preferably wet in vibration mills, attritors or Ball mills performed. The grinding time depends on the initial grain size and the type of mill used. Although it should be obvious, one if possible Choosing finely divided starting material often speaks economic benefits against; because the super fine α-aluminum oxides are often so expensive, that one of the main advantages of the method according to the invention, namely  the use of an inexpensive raw material is lost. With fiction However, this method can advantageously also coarser α-Al₂O₃-Aus powder can be used.

Da die Schleifleistung sich umgekehrt proportional zur Primärkristallgröße im Schleifkorn verhält, kann es vorteilhaft sein, das Ausgangsmaterial mit zusätzlichen Komponenten, Sinterhilfen und/oder Kristallwachstumsinhibitoren zu versetzen. Geeignete zusätzliche Komponenten, Sinterhilfen und Kristallwachs­ tumsinhibitoren sind die Oxide der Elemente Mg, Co, Ni, Zn, Hf, Ti, Ce, Zr, Cu, Li, Sr, Ba, K, Nb, Si, B und/oder Seltene Erden.Since the grinding power is inversely proportional to the primary crystal size in Abrasive grain behaves, it may be advantageous to use the starting material additional components, sintering aids and / or crystal growth inhibitors offset. Suitable additional components, sintering aids and crystal wax inhibitors are the oxides of the elements Mg, Co, Ni, Zn, Hf, Ti, Ce, Zr, Cu, Li, Sr, Ba, K, Nb, Si, B and / or rare earths.

Die Flüssigkeitsmenge bei der Vermahlung wird vorzugsweise so gewählt, daß die entstehende Suspension einen Feststoffgehalt von 15 bis 80 Gew.-%, bevorzugt 30 bis 70 Gew.-%, aufweist. Als Lösungsmittel wird vorzugsweise Wasser eingesetzt. Gegen andere Lösungsmittel wie z. B. Alkohole, Aceton, die ebenfalls eingesetzt werden können, sprechen vor allem ökologische Überlegungen.The amount of liquid during grinding is preferably chosen so that the resulting suspension has a solids content of 15 to 80% by weight, preferably 30 up to 70% by weight. Water is preferably used as the solvent. Against other solvents such as. B. alcohols, acetone, which are also used ecological considerations speak above all.

Da besonders bevorzugt ein Sinterkörper mit einer mittleren Primärkristallgröße unter 0,4 micron angestrebt wird und bei richtiger Wahl der Sintertemperatur im Falle des erfindungsgemaßen Verfahrens das Kristallwachstum unterdrückt werden kann, reicht es häufig aus, die Mahlung solange fortzusetzen, bis die mittlere Korngröße in der Suspension unter 0,4 micron liegt.Since a sintered body with an average primary crystal size is particularly preferred less than 0.4 micron is aimed for and if the sintering temperature is selected correctly In the case of the method according to the invention, crystal growth can be suppressed , it is often sufficient to continue grinding until the middle one Grain size in the suspension is less than 0.4 micron.

Vorteilhaft können Suspensionen, deren Feststoffpartikel eine bimodale Korn­ verteilungskurve aufweisen, eingesetzt werden.Suspensions whose solid particles have a bimodal grain can be advantageous have distribution curve, are used.

Die besten Ergebnisse können mit Schlicker erzielt werden, deren bimodale Korngrößenverteilung ein Maximum im Bereich zwischen 0,1 und 0,3 µm und ein weiteres Maximum im Bereich zwischen 0,2 und 1,0 µm aufweisen. Die Korngrößenverteilung wird mit Hilfe einer Laser-Dispersion-Methode (Microtrac Type MIC 2, Micromeritics) in einer wäßrigen Lösung und Na₄P₂O₇ als Dispergierhilfe gemessen.The best results can be achieved with slip, their bimodal Grain size distribution a maximum in the range between 0.1 and 0.3 µm and a have another maximum in the range between 0.2 and 1.0 µm. The Grain size distribution is determined using a laser dispersion method (Microtrac Type MIC 2, Micromeritics) in an aqueous solution and Na₄P₂O₇ as Dispersion aid measured.

Die Suspension kann sterisch oder elektrostatisch durch anorganische oder organische Verbindungen stabilisiert werden. Im Falle der sterischen Stabilisierung können sämtliche bekannten Dispergierhilfen eingesetzt werden. Als solche eignen sich besonders Polyacrylsäuren, Polyglykolsäuren, Polymethacrylsäuren, organi­ sche Basen wie Triethylamin oder Carbonsäuren wie Essigsäure oder Propion­ säure. Bevorzugt enthält die Suspension zwischen 0,5 und 5 Gew.-% entspre­ chender organischer Stabilisatoren. Im Falle der elektrostatischen Stabilisierung können vorteilhaft flüchtige anorganische Säuren wie Salpetersäure oder Salzsäure sowie Ammoniak als Base eingesetzt werden.The suspension can be steric or electrostatic by inorganic or organic compounds are stabilized. In the case of steric stabilization all known dispersing aids can be used. Suitable as such especially polyacrylic acids, polyglycolic acids, polymethacrylic acids, organi  bases such as triethylamine or carboxylic acids such as acetic acid or propion acid. The suspension preferably contains between 0.5 and 5% by weight organic stabilizers. In the case of electrostatic stabilization can advantageously volatile inorganic acids such as nitric acid or hydrochloric acid and ammonia can be used as the base.

Die Stabilisierung der Suspension erfolgt entweder schon während oder nach der Vermahlung mit Hilfe eines Dispergators, wodurch eine schnelle und gleichmäßige Verteilung des Stabilisators gewährleistet ist. Bevorzugt vor, aber auch während oder nach der Vermahlung bzw. Stabilisierung können der Suspension Sinteradditive und Bindemittel zugesetzt werden. Als Sinteradditive kommen sämtliche für Al₂O₃ bekannten Sinterhilfen bzw. deren Vorstufen in Frage.The suspension is stabilized either during or after Grinding with the help of a disperser, which ensures a quick and even Distribution of the stabilizer is guaranteed. Preferred before, but also during or after grinding or stabilizing the suspension Sintering additives and binders can be added. Coming as sintering additives all known for Al₂O₃ sintering aids or their precursors in question.

Bevorzugt enthält die erfindungsgemäße Suspension 0,5 bis 10 Gew.-% eines oder mehrerer Bindemittel aus der Gruppe Alginate, Dextrin, Glykole, Gummiarabicum, Ligninsulfonat, Methylcellulose, Polyvinylacetat, Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrro­ lidon, Stärke und Zucker, bezogen auf den Feststoffgehalt der Suspension. Ebenso vorteilhaft kann die Suspension 0,5 bis 10 Gew.-% eines oder mehrere Bindemittel aus der Gruppe Böhmit-Sol, Kieselsol und Wasserglas enthalten.The suspension according to the invention preferably contains 0.5 to 10% by weight of one or several binders from the group alginates, dextrin, glycols, gum arabic, Lignin sulfonate, methyl cellulose, polyvinyl acetate, polyvinyl alcohol, polyvinyl pyrro lidon, starch and sugar, based on the solids content of the suspension. As well The suspension can advantageously be 0.5 to 10% by weight of one or more binders from the group boehmite sol, silica sol and water glass.

Die Trocknung der Suspension und Verdichtung des Feststoffes erfolgt in einem Schritt in einem Wirbelschichtgranulator. Die Granulation wird vorzugsweise an Luft durchgeführt und kann in einer Wirbelbettapparatur angefahren werden, die bereits Startgranulat enthält. Es ist jedoch auch möglich, die Granulation in einer leeren Apparatur zu starten, wobei die Wirbelbettgranulation als Sprühtrocknung beginnt und in situ Keime erzeugt werden.The suspension is dried and the solid is compacted in one Step in a fluidized bed granulator. The granulation is preferably on Air is carried out and can be started in a fluidized bed apparatus that already contains starting granules. However, it is also possible to do the granulation in one empty apparatus to start, the fluidized bed granulation as spray drying begins and germs are generated in situ.

Die zu granulierende Suspension wird durch Sprühdüsen in das Wirbelbett einge­ bracht. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Zweistoffdüsen. Als Zer­ stäubungsgas kann jedes unter den Arbeitsbedingungen inerte Gas verwendet wer­ den. Die Menge an Zerstäubergas kann innerhalb eines größeren Bereiches variiert werden und richtet sich im allgemeinen nach den Apparate-Dimensionen und nach der Art und Menge des einzusprühenden Produktes. Die Temperatur des Zerstäu­ bergas-Stromes bzw. die Lufteintrittstemperatur ist ebenfalls innerhalb eines grö­ ßeren Bereiches variabel. Im allgemeinen arbeitet man bei Temperaturen zwischen 20 und 350°C. Auch die Sichtgas-Temperaturen sind in einem größeren Bereich variabel. Auch hier arbeitet man bevorzugt in einem Bereich zwischen 20 und 350°C. Die Menge und Geschwindigkeit des Sichtgases richtet sich nach der Dichte und der gewünschten Korngröße des Granulats.The suspension to be granulated is sprayed into the fluidized bed brings. The use of two-component nozzles is particularly advantageous. As Zer Dust gas can be any gas that is inert under the working conditions the. The amount of atomizing gas can vary within a wide range are and generally depends on the dimensions of the apparatus and the type and quantity of the product to be sprayed. The temperature of the atomization Bergas current or the air inlet temperature is also within a gr variable range. Generally one works at temperatures between 20 and 350 ° C. The sight gas temperatures are also in a larger range variable. Here too, work is preferably carried out in a range between 20 and 350 ° C.  The amount and speed of the sight gas depends on the Density and the desired grain size of the granulate.

Die Korngröße wird primär durch Gasstrom und Geschwindigkeit des Sichtergases gesteuert. Mit dem in der DE-A 35 07 376 beschriebenem Zick-Zack-Sichter ist es möglich, gezielt ein enges Kornband im Korngrößenbereich zwischen 0,01 und 10 mm mit einer Bandbreite 1 mm einzustellen. Das fertige Granulat kann direkt - oder nach einem Kalzinier-Zwischenschritt bei Temperaturen zwischen 300 und 600°C - gesintert werden.The grain size is primarily determined by the gas flow and velocity of the classifying gas controlled. With the zigzag sifter described in DE-A 35 07 376 it is possible, a narrow grain band in the grain size range between 0.01 and 10 mm with a bandwidth of 1 mm. The finished granulate can be used directly - or after an intermediate calcining step at temperatures between 300 and 600 ° C - to be sintered.

Die Sinterung erfolgt bei Temperaturen zwischen 1300°C und 1550°C. Damit liegt die notwendige Sintertemperatur zwar deutlich unter den sonst für das Sintern von konventioneller α-Al₂O₃-Keramik üblichen Temperaturen von ca. 1600°C, ist aber gleichzeitig immer noch wesentlich höher, als die beim Sol-Gel-Prozeß erfor­ derliche Temperatur, die vorzugsweise unter 1300°C liegt. Um so überraschender ist es, daß es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt, das Kristallwachstum nahezu vollständig zu unterdrücken. Dazu muß neben der Feinteiligkeit und sehr engen Kornverteilung des Ausgangspulvers und der hohen Dichte des Grünkörpers als weitere Voraussetzung ein sehr schnelles Erreichen der notwendigen Sinter­ temperatur gewährleistet sein. Das heißt, daß der Grünkörper möglichst schnell in die heißeste Zone des Sinterofens gelangen sollte. Durch diese Schocksinterung gelingt es, den Sinterprozeß abzuschließen, bevor das Kristallwachstum einsetzt. Gleichzeitig wird der Sinterprozeß durch die gute Vorverdichtung beschleunigt. Die homogene Kornverteilung und die Feinheit des Ausgangsstoffes begünstigt ein gleichmäßiges Dichtsintern, wobei ein Zusammenwachsen der Primärkristalle zu größeren Kristalliten vermieden werden kann.Sintering takes place at temperatures between 1300 ° C and 1550 ° C. In order to the necessary sintering temperature is significantly lower than that otherwise required for sintering of conventional α-Al₂O₃ ceramic usual temperatures of about 1600 ° C but at the same time still much higher than that required for the sol-gel process temperature, which is preferably below 1300 ° C. All the more surprising it is that the process according to the invention succeeds in crystal growth suppress almost completely. In addition to the fineness and must narrow particle size distribution of the starting powder and the high density of the green body as a further requirement, the necessary sintering must be reached very quickly temperature can be guaranteed. That means that the green body in as quickly as possible should reach the hottest zone of the sintering furnace. Through this shock sintering the sintering process can be completed before crystal growth begins. At the same time, the good pre-compression accelerates the sintering process. The homogeneous grain distribution and the fineness of the starting material favor uniform dense sintering, whereby the primary crystals grow together larger crystallites can be avoided.

Für die Sinterung eignen sich sämtliche Ofentypen bzw. Sinterverfahren, die ein schlagartiges Aufheizen des Grünkörpers ermöglichen. Vorteilhaft können direkt oder indirekt beheizte Drehrohröfen, Pendelöfen, Durchschuböfen, Wirbelschicht­ sinteröfen oder Mikrowellensinteröfen eingesetzt werden. Vorteilhaft erfolgt die Schocksinterung so, daß der Grünkörper in 60 Sekunden, bevorzugt 30 Sekunden, besonders bevorzugt 10 Sekunden, auf die erforderliche Sinter­ temperatur gebracht wird. Die Haltezeit bei der Sinterung beträgt 60 Minuten, bevorzugt 30 Minuten, besonders bevorzugt 15 Minuten. All furnace types or sintering processes are suitable for sintering allow sudden heating of the green body. Can be beneficial directly or indirectly heated rotary kilns, pendulum furnaces, push-through furnaces, fluidized beds sintering ovens or microwave sintering ovens are used. This is advantageous Shock sintering so that the green body in 60 seconds, preferably 30 Seconds, particularly preferably 10 seconds, on the required sintering temperature is brought. The holding time during sintering is 60 minutes, preferably 30 minutes, particularly preferably 15 minutes.  

Die Zerkleinerung der Granulate zur gewünschten Körnung erfolgt aus energeti­ schen Gründen vorteilhaft direkt nach der Granulation. Je nach Einsatzzweck kann es jedoch auch vorteilhaft sein, daß nach dem Kalzinierschritt oder nach der Sinte­ rung die Zerkleinerung der Granulate durchgeführt wird, um besonders scharfe Schneidkanten zu erhalten.The granules are crushed to the desired grain size from energeti reasons immediately after granulation. Depending on the application however, it may also be advantageous that after the calcining step or after the sine The crushing of the granules is carried out to make them particularly sharp Get cutting edges.

Gegenüber der Elektrophorese hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß bei vergleichbaren Korngrößen der Ausgangsstoffe feinere Kristallitgefüge im gesinterten Endprodukt erhalten werden können.The method according to the invention has the advantage over electrophoresis that that with comparable grain sizes of the starting materials finer crystallite structure in sintered end product can be obtained.

Da die Feinheit des Kristallitgefüges in direkter Relation zur Leistungsstärke des Schleifkorns steht, kann nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Schleifkorn mit einer höheren Abtragsleistung zur Verfügung gestellt werden. Ein weiterer Vorteil aus ökologischer Sicht besteht darin, daß in wäßrigem Medium gearbeitet werden kann und eine Umweltbelastung durch organische Lösungsmittel vermieden wird.Since the fineness of the crystallite structure is directly related to the performance of the Abrasive grain stands, can be an abrasive grain according to the inventive method with a higher stock removal rate. Another An advantage from an ecological point of view is that it works in an aqueous medium and environmental pollution from organic solvents is avoided.

Gegenüber den Sol-Gel-Verfahren ergeben sich ebenfalls - neben dem ökonomischen Vorteil durch den Einsatz von preiswerten Rohstoffen - nicht zu unterschätzende ökologische Vorteile. So werden beim Sol-Gel-Verfahren zur Stabilisierung der Suspension relativ große Mengen an leicht flüchtigen Säuren eingesetzt, die während des Trocknens und vor allem während des Kalzinierens verdampft werden müssen. Bei den Säuren handelt es sich vorzugsweise um Salpeter- oder Salzsäure.Compared to the sol-gel process, there are also - in addition to the economic advantage through the use of inexpensive raw materials - not too underestimated environmental benefits. So in the sol-gel process Stabilization of the suspension of relatively large amounts of volatile acids used during drying and especially during calcining need to be evaporated. The acids are preferably Nitric or hydrochloric acid.

Dabei treten Umweltbelastungen auf, die trotz aufwendiger Technik noch nicht vollständig vermieden werden können. Ein weiterer Vorteil gegenüber den Sol-Gel-Verfahren besteht in der Einfachheit des erfindungsgemäßen Verfahrens, wodurch die Fertigung im kontinuierlichen Produktionsbetrieb erleichtert wird, was letztendlich wieder wirtschaftliche Vorteile mit sich bringt.There are environmental impacts that, despite the complex technology, are not yet can be completely avoided. Another advantage over the Sol-gel method consists in the simplicity of the method according to the invention, whereby the production in the continuous production operation is facilitated, what ultimately brings economic benefits again.

Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren gelingt die Herstellung von hochdichten gesinterten, mikrokristallinen Körpern mit einer hohen Härte, deren Kristallitgröße zwischen 0,1 und 10 µm einstellbar ist. Aufgrund dieser Eigenschaften eignen sich diese Sinterkörper hervorragend als Schleifmittel, wobei hier die Kristallitgrößen zwischen 0,1 bis 3 µm betragen. The process according to the invention enables high-density to be produced sintered, microcrystalline bodies with a high hardness, their crystallite size is adjustable between 0.1 and 10 µm. Because of these properties are suitable these sintered bodies are excellent as abrasives, with the crystallite sizes here be between 0.1 and 3 µm.  

Gegenstand dieser Erfindung ist somit auch die Verwendung der erfindungsgemäß hergestellten gesinterten mikrokristallinen Körper als Schleifmittel und für die Herstellung von Schleif- und Schneidwerkzeugen.This invention therefore also relates to the use of the invention produced sintered microcrystalline body as an abrasive and for the Manufacture of grinding and cutting tools.

Da die Schleifeigenschaften wesentlich von der Kristallitstruktur des jeweiligen Schleifkorns abhängen, gelingt es nach dem erfindungsgemäßen Verfahren für die verschiedensten Anwendungszwecke Schleifkörnungen mit einem für die jeweilige Anwendung optimalen Kristallitgefüge bereitzustellen.Because the grinding properties differ significantly from the crystallite structure of each Depend on abrasive grain, it succeeds in the inventive method for the Various applications with one grit for the To provide optimal crystallite structure for each application.

Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft erläutert, ohne daß darin eine Einschränkung zu sehen ist.In the following the invention will be explained by way of example without one Restriction can be seen.

Beispielexample

α-Aluminiumoxid mit einer mittleren Korngröße (d₅₀) von 1,5 µm wurde in einer Rührwerkskugelmühle (Typ PMC 25 TEX, Fa. Drais) auf eine mittlere Korngröße (d50) von 320 nm in wäßrigem Medium vermahlen. Die entstehende Slurry mit einem Feststoffgehalt von 30 Gew.-% und einem d₉₀ von 630 nm wurde mit einer 10%igen wäßrigen Suspension eines Polyvinylalkohols als Binder (Mowiol 8/88, Hoechst AG, Deutschland), so daß der Anteil des Binders ca. 4 Gew.-% betrug, bezogen auf den Feststoffgehalt der Slurry.α-alumina with an average grain size (d₅₀) of 1.5 microns was in one Agitator ball mill (type PMC 25 TEX, Drais) to an average grain size (d50) of 320 nm ground in an aqueous medium. The resulting slurry with a solids content of 30 wt .-% and a d₉₀ of 630 nm was with a 10% aqueous suspension of a polyvinyl alcohol as a binder (Mowiol 8/88, Hoechst AG, Germany), so that the proportion of the binder was approx. 4% by weight, based on the solids content of the slurry.

Anschließend wurde die Suspension in einem Wirbelschicht-Sprühgranulator (AGT 400, Fa. Glatt Deutschland) bei einer Lufteintrittstemperatur von 320°C, einer Schichttemperatur von 75°C und einer Sprührate von 2,4 kg/min verarbeitet. Zur Keimbildung wurde eine feine Granulatfraktion mit einer mittleren Granulatgröße zwischen 0,5 und 1 mm, die bei einer vorangegangenen Wirbelschicht-Sprühgranu­ lation über eine in-situ-Keimbildung gewonnen worden war, eingesetzt.The suspension was then in a fluidized bed spray granulator (AGT 400, from Glatt Germany) at an air inlet temperature of 320 ° C, one Layer temperature of 75 ° C and a spray rate of 2.4 kg / min processed. For Nucleation became a fine granule fraction with a medium granule size between 0.5 and 1 mm, which in a previous fluidized bed spray granule had been obtained via in situ nucleation.

Die Abtrennung des gewünschten Granulats erfolgte über einen Zick-Zack-Sichter. 60 Gew.-% des so gewonnenen Granulats hatte einen Durchmesser zwischen 3 und 5 mm, ca. 30 Gew.-% der Granulate hatten einen Durchmesser zwischen 1 und 3 mm und ca. 10 Gew.-% der Granulate hatten einen Durchmesser < 5 mm. Die Restfeuchte der Granulate lag unter 1%.The desired granules were separated off using a zigzag sifter. 60% by weight of the granules thus obtained had a diameter between 3 and 5 mm, about 30% by weight of the granules had a diameter between 1 and 3 mm and about 10% by weight of the granules had a diameter of <5 mm. The residual moisture of the granules was less than 1%.

Die Granulate wurden zerkleinert und anschließend bei 1480°C in einem direkt beheizten Drehrohr gesintert.The granules were crushed and then directly at 1480 ° C heated rotary tube sintered.

Das erhaltene Produkt hat eine Vickershärte (HV 0,2) von 20,1 GPa und eine mittlere Primärkristallitgröße von 0,38 µm. Die Dichte liegt bei 98,7% der theoretischen Dichte. The product obtained has a Vickers hardness (HV 0.2) of 20.1 GPa and one average primary crystallite size of 0.38 µm. The density is 98.7% of the theoretical density.  

Schleiftest (Schleifband) Grinding test (grinding belt)

Claims (15)

1. Verfahren zur Herstellung gesinterter, mikrokristalliner Körper auf Basis von α-Al₂O₃, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsstoff ein α-Al₂O₃- Pulver mit einer mittleren Korngröße 3 µm zu einem Schlicker mit einer Partikelgröße < 1 µm vermahlen oder desagglomeriert wird, der Schlicker mit Hilfe eines Wirbelschicht-Sprühgranulators zu Grünkörpern mit einer Dichte von 40% der theoretischen Dichte und einer Restfeuchte von < 6 Gew.-% granuliert und anschließend einer Schocksinterung bei Temperaturen im Bereich von 1300 bis 1550°C unterzogen wird.1. A process for the production of sintered, microcrystalline bodies based on α-Al₂O₃, characterized in that an α-Al₂O₃ powder with an average grain size of 3 µm is ground or deagglomerated as a starting material with a particle size of <1 µm, the slip granulated with the aid of a fluidized bed spray granulator to form green bodies with a density of 40% of the theoretical density and a residual moisture content of <6% by weight and then subjected to shock sintering at temperatures in the range from 1300 to 1550 ° C. 2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichte der Grünkörper bevorzugt 50% der theoretischen Dichte beträgt.2. The method according to claim 1, characterized in that the density of Green body is preferably 50% of the theoretical density. 3. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Grünkörper bevorzugt eine Restfeuchte von 1 Gew.-% aufweisen.3. The method according to one or more of claims 1 and 2, characterized characterized in that the green body preferably has a residual moisture content of  1% by weight. 4. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Grünkörper bei der Schocksinterung in 60 Sekunden, bevorzugt in 10 Sekunden, besonders bevorzugt in 3 Sekunden, auf die erforderliche Sintertemperatur gebracht werden.4. The method according to one or more of claims 1 to 3, characterized characterized in that the green bodies in the shock sintering in  60 seconds, preferably in 10 seconds, particularly preferably in  3 seconds, brought to the required sintering temperature. 5. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlicker weitere Komponenten, Sinteradditive und/oder Kristallwachstumsinhibitoren, bevorzugt Oxide aus der Gruppe der Elemente Mg, Zn, Ni, Co, Hf, Zr, Si, Ti, Cu, Sr, Ba, K, Nb, B und/oder Seltene Erden, enthält.5. The method according to one or more of claims 1 to 4, characterized characterized in that the slip further components, sintering additives and / or crystal growth inhibitors, preferably oxides from the group of the elements Mg, Zn, Ni, Co, Hf, Zr, Si, Ti, Cu, Sr, Ba, K, Nb, B and / or rare earths. 6. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlicker eine mittlere Teilchengröße 0,4 µm aufweist.6. The method according to one or more of claims 1 to 5, characterized characterized in that the slip has an average particle size of 0.4 µm having. 7. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilchen im Schlicker eine bimodale Verteilungs­ kurve aufweisen. 7. The method according to one or more of claims 1 to 6, characterized characterized in that the particles in the slip have a bimodal distribution have curve.   8. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die bimodale Verteilungskurve das erste Maximum im Bereich zwischen 0,1 und 0,3 µm, bevorzugt 0,1 und 0,2 µm, das zweite Maximum im Bereich zwischen 0,2 und 1,0 µm, bevorzugt 0,3 und 0,7 µm, aufweist.8. The method according to one or more of claims 1 to 7, characterized characterized in that the bimodal distribution curve the first maximum in Range between 0.1 and 0.3 microns, preferably 0.1 and 0.2 microns, the second Maximum in the range between 0.2 and 1.0 µm, preferably 0.3 and 0.7 µm. 9. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß 20 bis 70 Gew.-%, bevorzugt 30 bis 50 Gew.-%, des Feststoffgehaltes des Schlickers eine Teilchengröße zwischen 0,1 und 0,3 µm aufweisen und 80 bis 30 Gew.-%, bevorzugt 70 bis 50 Gew.-%, des Feststoffgehaltes des Schlickers eine Teilchengröße zwischen 0,3 und 1,0 µm aufweist.9. The method according to one or more of claims 1 to 8, characterized characterized in that 20 to 70 wt .-%, preferably 30 to 50 wt .-%, of Solids content of the slip a particle size between 0.1 and Have 0.3 μm and 80 to 30% by weight, preferably 70 to 50% by weight, the solids content of the slip a particle size between 0.3 and 1.0 µm. 10. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlicker einen Feststoffgehalt, gerechnet als α-Al₂O₃, von 5 bis 80 Gew.-%, bevorzugt 15 bis 50 Gew.-%, aufweist und 0,5 bis 5 Gew.-% anorganische oder organische Stabilisatoren, bezogen auf den Feststoffgehalt, als Dispergierhilfen enthält.10. The method according to one or more of claims 1 to 9, characterized characterized in that the slip has a solids content, calculated as α-Al₂O₃, from 5 to 80 wt .-%, preferably 15 to 50 wt .-%, and 0.5 to 5 wt .-% inorganic or organic stabilizers, based on the solids content, as dispersion aids. 11. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension 0,5 bis 10 Gew.-% eines oder mehrerer Bindemittel aus der Gruppe Methylcellulose, Dextrin, Zucker, Stärke, Algi­ nate, Glykole, Polyvinylpyrrolidon, Ligninsulfonat, Gummiarabicum, Poly­ vinylalkohol und Polyvinylacetat, bezogen auf den Feststoffgehalt der Suspension enthält.11. The method according to one or more of claims 1 to 10, characterized characterized in that the suspension 0.5 to 10 wt .-% of one or more Binder from the group methyl cellulose, dextrin, sugar, starch, algi nate, glycols, polyvinylpyrrolidone, lignin sulfonate, gum arabic, poly vinyl alcohol and polyvinyl acetate, based on the solids content of the Contains suspension. 12. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Suspension 0,5 bis 10 Gew.-% eines oder mehrerer Bindemittel aus der Gruppe Wasserglas, Kieselsol und Böhmit-Sol enthält.12. The method according to one or more of claims 1 to 11, characterized characterized in that the suspension 0.5 to 10 wt .-% of one or more Contains binders from the group of water glass, silica sol and boehmite sol. 13. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Sprühgranulat eine Restfeuchte von 6 Gew.-%, bevorzugt 1 Gew.-%, bezogen auf den Feststoffgehalt, aufweist.13. The method according to one or more of claims 1 to 12, characterized characterized in that the spray granules have a residual moisture content of 6% by weight, preferably 1% by weight, based on the solids content. 14. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Granulate vor dem Sintern bei Temperaturen zwischen 300 und 600°C kalziniert werden. 14. The method according to one or more of claims 1 to 13, characterized characterized in that the granules before sintering at temperatures be calcined between 300 and 600 ° C.   15. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Granulat vor dem Sintern auf die gewünschte Kornform zerkleinert wird.15. The method according to one or more of claims 1 to 14, characterized characterized in that the granules before sintering to the desired Grain shape is crushed.
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