DE19805889C2 - Sinterkörper auf der Basis von Korund mit einer geschlossenen Zellstruktur, dessen Herstellung und Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Keramik und betrifft Sinterkörper auf der Basis von Korund mit einer geschlossenen Zellstruktur, die über eine ausreichende Festigkeit für Anwendungen unter mechanischer Belastung verfügen und beispielsweise als Schleifkörper Verwendung finden können.

Aus polykristallinen, gesinterten Keramiken aufgebaute sogenannte Schaum- oder Zellkeramiken mit meist hohen Porengehalten sind bereits seit langem bekannt. Sie werden u. a. in der Metallurgie als Filter für Metallschmelzen eingesetzt, in der chemischen Technik und bei der Energieumwandlung als Katalysatorträger. Das mechanische Verhalten solcher Keramiken mit hoher Porosität ist durch die Besonderheit gekennzeichnet, daß Druck- und Zugfestigkeit ähnliche Werte aufweisen (R. Brezny und Di. Green, S 494 in Mater. Sci. & Technol. Vol. 11, Hrsg. R. W. Cahn, P. Haasen und Ed. Kramer, VCM, Weinheim 1994), während für dichte Sinterkeramik die Druckfestigkeit typischerweise eine Größenordnung höher ist, als die Zug- oder Biegefestigkeit.

Schaum- oder Zellkeramiken werden prinzipiell dadurch hergestellt, daß zunächst die Stege eines offenzelligen, schwammartigen Materials mit dem Schlicker eines keramischen Pulvers beschichtet werden. Beim anschließenden Brennen wird der schwammartige Grundkörper abgebaut und gleichzeitig seine - sinterkeramische - "Kopie" durch Versintern der getrockneten keramischen Masse erzeugt (US 3 090 094). Voraussetzung ist eine ausreichende Sinterfähigkeit der verwendeten keramischen Pulver, was bestimmte Anforderungen an die Feinheit der Kristallitgrößen stellt. Üblich ist die Verwendung von Rohstoffen mit Teilchengrößen im Bereich von 0,5-5 µm.

In diesem Zusammenhang sind zweierlei Strukturebenen zu unterscheiden:

• - Auf makroskopischer Ebene sollen Sinterkörper der genannten Art eine erhebliche Porosität aufweisen, ihre (Roh-)Dichte ist demzufolge gering.
  Zur Unterscheidung von der Mikrostruktur des Sintergefüges werden hierfür im Folgenden die Begriffe Makroporosität und Makrodichte verwendet (unabhängig von der - möglicherweise sehr geringen - Größe dieser Art von Poren).
• - Auf der mikroskopischen Ebene des Gefüges der den porösen Körper aufbauenden keramischen Stege bzw. der Wände der Zellstruktur sind diese keramischen Bereiche des Körpers durch eine bestimmte Dichte der Sintergefüge gekennzeichnet, wobei die Gefüge oft eine gewisse innere Restporosität enthalten. Der als Zwischenprodukt dem Sinterprozeß zugeführte keramische Formkörper zeigt auf dieser mikroskopischen Ebene eine bestimmte "Gründichte", die, bezogen auf die theoretische Dichte der betreffenden Keramik, 50% nicht wesentlich unterschreiten sollte, wenn ein befriedigendes Sinterverhalten ermöglicht werden soll.
  Zur Unterscheidung von der Makrostruktur des Körpers werden für die mikoskopische Beschreibung der Gefüge im Folgenden die Begriffe Gefügeporosität und Gefügedichte bzw. Gefüge-Gründichte verwendet.

Der offenzellige Charakter der Struktur bleibt i. a. erhalten, solange die Makroporosität Werte von 85-75 Vol.-% nicht unterschreitet (relative Makrodichte 0,15-0,25). Typische Biegefestigkeiten offenzelliger Schaumkeramiken auf Sinterkorund-Basis (Al₂O₃) mit relativen Makrodichten von 0,10, 0,20 oder 0,30 betragen jeweils ca. 1 MPa, 2 bzw. 5 MPa, die Druckfestigkeit (definiert durch das erste Kraftmaximum der Kraft-Weg-Kurve) eines Korund/Mullit-Materials mit einer relativen Makrodichte im Bereich von 0,11-0,16 liegt bei 0,3-3 MPa (R. Brezny und D. J. Green, S 496 und 506 in Mater. Sci. & Technol. Vol. 11, Hrsg. R. W. Cahn, P. Haasen und E. J. Kramer, VCM, Weinheim 1994). Wird der ursprüngliche Schwamm-Körper stärker infiltriert, können Zellkeramiken mit "geschlossener" Zellstruktur hergestellt werden (die Begriffe "offene" und "geschlossene" Zellstruktur beschreiben nur das quasi makroskopische Erscheinungsbild der Zellen bei geringer Vergrößerung; im strengen Sinne handelt es sich aber fast immer um eine offene, d. h. in sich verbundene Porosität). Leider zeigt die bereits angeführte neuere Untersuchung von Brezny und Green, daß Meßwerte zum Festigkeitsverhalten spröder Schäume in der Literatur äußerst selten sind (S. 503 a. a. O.); theoretische Vorhersagen (widersprüchlicher Modelle - S. 492-494 und S. 500-503 a. a. O.) sagen Biegefestigkeiten von 5-15 MPa bei 0,50 relativer Makrodichte und 10-20 MPa bei 0,65 relativer Makrodichte voraus, während die Druckfestigkeiten für die genannten Dichten bei 1-18 bzw. 1,5-27 MPa liegen sollten. Für viele Anwendungen würden höhere Festigkeiten die Einsatzmöglichkeiten erweitern.

Bekannte Schleifkörper-Werkstoffe sind üblicherweise aus drei Gefügebestandteilen aufgebaut: (1) der für die Abtragswirkung beim Schleifen primär verantwortliche Härteträger (meist Korund [Al₂O₃], Siliciumkarbid [SiC], kubisches Bornitrid [CBN] oder Diamant), (2) ein diese Hartstoff-Schleifkörner zusammenhaltender Binder (Glas, keramisch oder ein organischer Stoff), (3) ein Porenanteil, der oft zwischen 40 und 50 Vol.-% liegt (der gesamte Bereich heutiger Schleifkörperporositäten überstreicht 0-75 Vol.-%). Da der Begriff des Schleifkörpers in der Literatur nicht einheitlich verwendet wird, soll hier mit diesem Term ein Formkörper zur spanabhebenden Bearbeitung mit geometrisch undefinierten Schneiden beschrieben werden; im hier gebrauchten Sinne umfaßt der Begriff des Schleifkörpers somit gleichermaßen rotierende Schleifkörper, Honsteine oder andere Werkzeuge für die genannte Bearbeitungsart. Wichtige Qualitätskriterien bzw. Entwicklungsziele sind eine definierte, über einen ausreichend langen Bearbeitungszeitraum konstant bleibende Oberflächengüte der geschliffenen Werkstücke, ein möglichst hoher pro Zeiteinheit zu erzielender Materialabtrag des geschliffenen Werkstückes bei minimaler Abnutzung des Schleifwerkzeugs, und eine möglichst geringe Temperaturbelastung der geschliffenen Oberfläche. Das Erreichen dieser Ziele erfordert die Realisierung möglichst geringer Schnittkräfte. Geringe Schnittkräfte sind dann möglich, wenn eine (vom jeweiligen Schleifprozeß abhängige) optimale Zahl schneidfähiger scharfer (harter) Ecken und Kanten der Hartstoffkörner pro Flächeneinheit verfügbar ist und der Schleifkörper eine anwendungsspezifisch optimierte Porosität zur Gewährleistung einer günstigen Kühlschmierstoffzufuhr und Spanabfuhr aufweist. Dies bedeutet einerseits bestimmte Anforderungen an Härte und Bruchverhalten des für den Aufbau der Schleifkörner auszuwählenden Hartstoffs, führt aber anderseits auch zu bestimmten Randbedingungen hinsichtlich des Verhältnisses von Schleifkorn (Hartstoff), Binder und Porenstruktur. Typische Biegefestigkeiten heutiger glasgebundener Korundschleifkörper liegen - porositätsabhängig - zwischen 5 und 55 MPa, die Druckfestigkeiten zwischen 15 und 150 MPa; für mittlere Porositäten um 40 Vol.-% sind Biegefestigkeiten zwischen 30 und 35 MPa charakteristisch.

Unter, anderem ist auch über möglicherweise günstige Auswirkungen eines homogeneren Aufbaus der Schleifkörpers nachgedacht worden. Dagegen gibt es wenige Beispiele für Schleifkörper, die kein Nebeneinander von Hartstoffkorn und Binderphase aufweisen, sondern nur noch aus einem schleifenden Stoff und Poren aufgebaut sind. Solche Schleifkörper sind allerdings grundsätzlich nicht durch ein bloßes (binderfreies) Zusammensintern der Hartstoffkörner herstellbar: da die eingesetzten Schleifkörner in der Regel eine Größe von 10 µm nicht unterschreiten (mehrere hundert Mikrometer sind oft typisch), sind die Krümmungsradien zu groß, um für die in Frage kommenden Hartstoffe mit ihren erheblichen kovalenten Bindungsanteilen und niedrigen Diffusionskoeffizienten ein ausreichend festes Zusammensinfern ohne die vermittelnde Wirkung eines bei Sintertemperatur viskosen Binderstoffes zu ermöglichen. Im Sinne eines nur aus einer Feststoffphase bestehenden Schleifkörpers, der anstelle eines Nebeneinander von Hartstoffkorn und Binderphase nur noch aus schleifendem Stoff und Poren aufgebaut ist, ist dagegen aus DE 195 33 512 A1 die Verwendung von Schaumglas als Schleifmittel bekannt. Unbefriedigend für viele Zwecke bleibt bei dieser Lösung die im Vergleich mit kristallinen Hartstoffen niedrige Härte aller Gläser und die mit 1,5-20 MPa niedrige Druckfestigkeit des beschriebenen Schaumglas-Schleifmittels.

Dagegen könnten die o. a. polykristallinen, gesinterten Schaum- oder Zellkeramiken schon rein stoffspezifisch eine weit höhere Härte aufweisen. Dazu wäre es allerdings erforderlich, solche Zellstrukturen mit mikroskopisch hochdichten und dabei möglichst feinkristallinen Gefügen herzustellen, wozu bisher nichts bekannt ist: die Verbindung hoher Gefügedichte mit kleiner Kristallitgröße (d. h. minimalem Kornwachstum beim Sintern) erfordert ein Dichtsintern bei niedriger Sintertemperatur, was in der keramischen Technologie eine hohe Gefügedichte und Packungshomogenität des "grünen" (noch ungesinterten) Formkörpers zur Voraussetzung hat. Mit bekannten pulvertechnischen Verfahren wie Pressen, Spritzgießen oder Schlickergießen (in wasseraufnehmenden Formen, z. B. aus Gips) kann diese Aufgabe für kompakte Formkörper gelöst werden, für Zellkeramiken sind geeignete Verfahrensentwicklungen für die Zielstellung mikroskopisch hochdichter, feinstkristalliner und damit hoch-harter Gefüge aber nicht bekannt. Darüber hinaus sind die für solche Keramiken bisher gemessenen oder theoretisch vorhergesagten Festigkeiten innerhalb des für Schleifkörper erforderlichen Porositätsbereiches zu niedrig für eine technische Nutzung in diesem Anwendungsbereich.

Bekannt ist eine offenzellige Schaumkeramik mit hoher Festigkeit und ein Verfahren zu deren Herstellung (WO 97/45381 A1). Bei dieser Schaumkeramik sind die inneren Hohlräume, Risse und Porositäten der keramischen Stege mit mindestens einer metallischen und/oder keramischen Phase und/oder einer Glasphase ganz oder teilweise gefüllt. Dabei wird die Porosität der keramischen Stege durch das Füllen verringert.

Weiterhin bekannt ist ein verschäumter Keramikkörper aus 70 bis 95 Gew.-% Al₂O₃ und 5 bis 30 Gew.-% ZrO₂, bei dem die Keramikstränge im wesentlichen aus einem Al₂O₃-Material und einem ZrO₂-Material aus Teilchen mit einer Teilchengröße zwischen 10 µm und 0,1 µm bestehen, wobei der durchschnittliche Teilchendurchmesser zwischen 5 und 0,5 µm liegt (DE 35 40 450 C2). Die scheinbare Porosität der Stränge beträgt dabei 5 Vol.-% oder weniger.

Es ist ebenfalls aus der DE 35 40 449 C2 ein verschäumter Keramikkörper und ein Verfahren zu seiner Herstellung bekannt, bei dem der Keramikkörper eine dreidimensionale vernetzte Keramikstruktur aufweist, die aus vielen miteinander verbundenen Keramiksträngen besteht. Die scheinbare Porosität beträgt dabei 5 Vol.-% oder weniger, die Dichte des verschäumten Keramikkörpers liegt zwischen 0,4 und 2,0 g/cm³ und jeder Strang weist mehrere Keramikschichten auf. Die Poren der Stränge können dabei als feine Poren mit einer Größe zwischen 1 und 50 µm vorliegen.

Die Herstellbarkeit binderfreier, nur aus Hartstoffkorn und Poren bestehender Schleifkörperwerkstoffe ist deshalb weder auf dem Wege des binderfreien Zusammensinterns von aus Schleifkörnern gebildeten Preßkörpern noch auf dem bisher bei der Entwicklung von Schaum- oder Zellkeramiken beschrittenen Weg bekannt, noch war sie zu erwarten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Sinterkörper auf der Basis von Sinterkorund mit einer geschlossenen Zellstruktur und ein Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben, die bei einer Makroporosität von 5-50 Vol.-% eine erhöhte Festigkeit und Härte aufweisen. Die Aufgabe besteht weiterhin darin, derartige Sinterkörper als Schleifkörper einzusetzen.

Im speziellen Fall rotierender Schleifscheiben bedeutet die Forderung nach Realisierung einer zulässigen Arbeitshöchstgeschwindigkeit von 35 m/s oder mehr, daß gemäß den Forderungen des Deutschen Schleifscheibenausschusses DSA104 (Ausgabe 10/1989, S. 4) eine Bruchsicherheit von 3 und damit eine Bruch- Umfangsgeschwindigkeit von mindestens 61 m/s zu gewährleisten ist. Nach DSA102 (Ausgabe 03/1990, S. 11) bedeutet das für eine Schleifscheibe mit Außendurchmesser 500 mm und Innendurchmesser 203 mm und mit Porositäten des binderfreien Korundschleifkörpers zwischen 5 und 50 Vol.-%, daß die Mindest- Biegefestigkeit 6 bzw. 12 MPa betragen muß; für andere Bearbeitungsaufgaben (wie z. B. beim Honen) sind ggf. auch niedrigere Werte zulässig.

Die Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen angegebene Erfindung gelöst.

Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Entgegen dem bekannten Stand der Technik und theoretischen Modellen, wonach die Druck- und Biegefestigkeit gesinterter, binderfreier Zellkeramiken auf Al₂O₃- Basis bei 0,65 relativer Makrodichte (bzw. 35 Vol.-% Makroporosität) eine Grenze von 20-30 MPa nicht überschreiten, wird diese Aufgabe gelöst von gesinterten binderfreien Körpern auf Al₂O₃-Basis mit polykristallinem Gefüge, die folgende Merkmale aufweisen:

• - eine weitgehend geschlossene Zellstruktur mit einem Anteil der Zell-Innenräume am makroskopischen Volumen der Schleifkörper (Makroporosität) zwischen 5 und 50 Vol.-% (was im Fall einer chemischen Zusammensetzung aus reinem Korund einer Makrodichte der Körper zwischen 3,8 und 2,0 g/cm³ entspricht),
• - eine Größe der Zellen von höchstens 250 µm,
• - eine Gefügeporosität der Feststoffbestandteile der Körper (Zellwände, Stege) von weniger als 2,5 Vol.-% (was im Fall einer chemischen Zusammensetzung von reinem Korund einer Gefüge-Sinterdichte von mindestens 3,89 g/cm³ entspricht),
• - eine mittlere Kristallitgröße des Sintergefüges von höchstens 5 µm,
• - eine hohe Reinheit des Gefüges entsprechend einem Anteil glasbildender Verunreinigungen oder Dotierungen von höchstens 3 Masse-%,

Für den Einsatz als Schleifkörper ist es besonders vorteilhaft, wenn die vorstehend beschriebenen Gefüge bei Makroporositäten von weniger als 35 Vol.-% (relative Makrodichte ≧ 0,65) eine mittlere Druckfestigkeit im Bereich von 100 MPa oder mehr aufweisen und selbst mit 50 Vol.-% Makroporosität eine mittlere Druckfestigkeit von 20 MPa nicht unterschreiten, und wenn die mittlere Härte, definiert lokal für die "dichten" (keine offene Porosität aufweisenden) Gefügebestandteile dieser Schleifkörper, einen Mindestwert von HV1 = 1700 nicht unterschreitet (HV1 = Vickers-Härte bei Prüffast 1 kg [DINV-ENV843-4]).

In den erfindungsgemäßen Sintergefügen auf der Basis von Korund mit einer geschlossenen Zellstruktur können Verunreinigungen und/oder Zusätze enthalten sein, die in vier Gruppen eingeteilt werden können.

• 1. Die bezüglich glasbildender Verunreinigungen und Dotierungen geforderte Reinheit von höchstens 3 Masse-% solcher Anteile zielt auf die Vermeidung bzw. Minimierung von härte- und festigkeitsmindernden Glasphasen.
• 2. Die Forderung nach (1) beschränkt nicht die Verwendung von nicht­ glasbildenden Dotierungen auf der Basis von Mg, Ti, Y, Zr, La, Ce oder anderen Elementen, wie sie beim Sintern von Korundkeramiken zur Förderung der Festphasendiffusion (Verbesserung des Dichtsinterverhaltens) und/oder zur Einstellung bestimmter Gefügeformen (Begrenzung des Kornwachstums, Erzeugung anisotroper Kornformen) oder Korngrenzeneigenschaften (z. B. zwecks Erhöhung der Hochtemperaturhärte, Begrenzung von Hochtemperatur- Kriechraten) bekannt sind; übliche Konzentrationen solcher Dotierungen, ausgedrückt als Masse-Anteil der entsprechenden Oxide, bezogen auf das Al₂O₃, liegen meist im Bereich von 0-2%, können aber auch bis 5 und in Sonderfällen bis 10% betragen. Solche bekannten Dotierungen können auch im Rahmen der hier beschriebenen Erfindung dem Al₂O₃ beigefügt sein.
• 3. Ebenso möglich ist die Verwendung von 0-45 Masse-% eigenschaftsmodifizierender, aus der Entwicklung mehrphasiger Komposite (Mischkeramiken, Dispersionskeramiken) auf Al₂O₃-Basis bekannter Zusätze, die, wie z. B. ZrO₂ oder Karbide, Gefügebestandteile mit einer vom Korund unterschiedlichen Kristallstruktur bilden und zur Erhöhung der Festigkeit, Bruchzähigkeit oder Härte beitragen. Karbide können die Härte und gleichzeitig die Bruchzähigkeit des Gefüges auf Al₂O₃-Basis besonders dann wirksam erhöhen, wenn sie als Kristallite anisotroper Form (z. B. als Platelets oder Whisker) vorliegen.
• 4. Weiterhin können die Gefüge der erfindungsgemäßen binderfreien Körper auf Al₂O₃-Basis gröbere, vorzugsweise anisotrop geformte (z. B. platelet-artige) Körner auf Al₂O₃-Basis zwecks Verfügbarkeit zusätzlicher und besonders geformter Schneiden enthalten. Größe und Konzentration dieser gröberen Körner sind dabei durch die Forderung nach einer mittleren Korngröße des gesamten Gefüges von höchstens 5 µm begrenzt. Die Einhaltung dieser Forderung ist notwendig, um Härte und Festigkeit nicht unzulässig zu vermindern.

Die erfindungsgemäßen Sinterkörper zeigen makroskopisch wie auch mikroskopisch (z. B. innerhalb geschliffener und ebener äußerer Oberflächen) eine ausreichende mechanische Stabilität, um für Schleifaufgaben verwendet zu werden; nach Art der Schleifaufgabe ist ein Abrichten erforderlich. Da die überwiegende Anzahl der geometrisch undefinierten Mikroschneiden eher kanten- als spitzenförmigen Charakter aufweisen, ergibt sich eine bevorzugte Eignung zur Bearbeitung von Holz, Kunststoffen und ähnlichen Materialien, was aber die Bearbeitung von Werkstoffen auf Eisenbasis (Stahl) nicht ausschließt.

Die erfindungsgemäßen Sinterkörper können zwecks Verbindung eines optimalen Festigkeitsverhaltens mit einer hohen Schleifleistung eine lokal unterschiedliche Porosität aufweisen (z. B. mit minimaler Porosität im Bereich des Innendurchmessers rotierender Schleifscheiben). Ferner können die Poren der Struktur ganz oder teilweise mit den Schleifprozeß günstig beeinflussenden Substanzen (z. B. Schmierstoffen) gefüllt werden.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Sinterkörper auf der Basis von Sinterkorund mit einer geschlossenen Zellstruktur ist durch folgende notwendige Schritte gekennzeichnet:

• - Herstellung eines keramischen Schlickers mit einem Feststoffgehalt im Bereich zwischen 35 und 50 Vol.-%, vorzugsweise nahe 50 Vol.-%, einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 5, auf üblichem Wege, wobei die Viskosität auf Werte zwischen 0,1 und 0,5 Pa.s, gemessen mit einem Rotationsviskosimeter bei einer Scherrate von 100 s^-1, eingestellt wird. Der volumenbezogene Feststoffgehalt des Schlickers sollte möglichst hoch und vorzugsweise bei nahe 50 Vol.-% Feststoff im Schlicker liegen, um auf diesem Wege im Rahmen der folgenden (unten beschriebenen) Schritte Formkörper mit einer möglichst hohen Gefüge-Gründichte herzustellen (durch hohe Gefüge- Gründichten wird die im anschließenden Sinterprozeß zur Erzielung einer hohen Gefüge-Sinterdichte erforderliche Sintertemperatur niedrig gehalten, was der Feinkörnigkeit der gebildeten Gefüge und ihrer Härte zu Gute kommt).
• - Imprägnieren eines offenporigen Imprägnier-Körpers, der eine Porenhäufigkeit von 30 bis 300 Poren/cm aufweist, mit dem keramischen Schlicker derart, daß alle Makroporen des offenporigen, pyrolysierbaren organischen Materials mit Schlicker gefüllt sind. Zur Förderung des Aufsaugvorgangs kann der in den Schlicker getauchte Imprägnier-Körper mehrfach komprimiert und wieder entspannt werden.
  Die relative Makrodichte des verwendeten offenporigen, pyrolysierbaren organischen Materials darf 0,05 nicht wesentlich überschreiten, um eine ausreichend große Schlickeraufnahme zu ermöglichen, wenn in den erzeugten Sinterkörpern auch niedrige Makroporositäten von 5 Vol.-% (d. h. hohe Makrodichten von 0,95) einstellbar sein sollen.
• - Entfernung eines Anteils von 0-50 Vol.-% der vom Imprägnier-Körper aufgesogenen Schlickermenge aus dem Imprägnier-Körper, zwecks Einstellung unterschiedlicher gewünschter Makroporositäten des Sinterkörpers, wie in Anspruch 1 angegeben, z. B. durch eine teilweise Kompression und erneute Entspannung oder durch Anwendung von Zentrifugalkräften.
  Der Grad dieser Kompression (z. B. auf 75% des entspannten Imprägnier-Körper- Volumens) bzw. die Größe der aufgewendeten Zentrifugalkräfte bestimmen zusammen mit der eingestellten Schlickerviskosität den verbleibenden Schlicker- Füllgrad des Schaumstoffkörpers und damit die spätere Makroporosität des Sinterkörpers. Zur Herstellung von Sinterkörpern, deren Makroporosität 50 Vol.-% nicht übersteigen soll, darf die in diesem Schritt entfernte Schlickermenge nicht größer sein als 50% der ursprünglich vom Imprägnier-Körper aufgesogenen Schlickermasse.
• - Trocknung des mit dem keramischen Schlicker getränkten Imprägnier-Körpers im Temperaturbereich von 60-80°C.
• - Ausbrennen des offenporigen, pyrolysierbaren organischen Materials unter strömender Luft bei 1000-1200°C. Diese Temperaturen sind höher, als zum Austreiben des Kunststoffes erforderlich, sichern aber vermittels des in dem genannten Temperaturbereich bereits beginnenden Sinterns eine für die weitere Handhabung günstige Festigkeit der Formkörper nach diesem Schritt.
• - Sinterung des gebildeten keramischen Skelett-Körpers bei einer ausreichend hohen Temperatur zur Erzielung einer minimalen Gefügeporosität entsprechend einer hohen relativen Gefüge-Sinterdichte der Feststoffbestandteile der Körper (Zellwände, Stege) von mindestens 97,5% (3,89 g/cm³ im Fall einer reinen Korund-Zusammensetzung des Materials).
  Im Unterschied zur Gefügedichte, die durch hohe Feststoffgehalte des verwendeten Schlickers und - demzufolge - hohe Gefüge-Gründichten günstig beeinflußt wird, ist die Makroporosität der erzeugten Sinterkörper abhängig von der Porenstruktur des verwendeten offenporigen, pyrolysierbaren organischen Materials und vom Schlicker-Füllgrad des getränkten Imprägnier-Körpers, wobei letztere Größe über die Schlicker-Viskosität und das Regime der Entfernung überflüssigen Schlickers einstellbar ist.

Unter Imprägnier-Körper soll hier ein Körper aus einem offenporigen, pyrolysierbaren organischen Material verstanden werden.

Im Folgenden wird die Erfindung an zwei Ausführungsbeispielen demonstriert.

Beispiel 1

Verwendet wurde eine handelsübliche Tonerde mit folgender Charakteristik: mittlere Teilchengröße 0,2 µm, spezifische Oberfläche nach BET-Methode 13 m²/g, Al₂O₃- Gehalt 99, 99%. 400 g dieser Tonerde wurden mittels eines Rührwerkes und Ultraschall in 140 ml H₂O dispergiert. Während dieser Prozedur wurde in der Suspension ein pH-Wert von 4 mit HNO₃ eingestellt und konstantgehalten. Der Feststoffgehalt des keramischen Schlickers betrug 74 Masse-% entsprechend 42 Vol.-%. Nach zweistündiger Dispergierung wurde in den Al₂O₃-Schlicker ein flacher Imprägnier-Körper (3 cm × 5 cm × 1 cm) aus Polyurethan-Schaumstoff (Porenhäufigkeit 400 pores per inch entsprechend ca. 160 Poren/cm) eingeführt und durch mehrmaliges Komprimieren und Entspannen getränkt. Durch Ausschwenken wurde überschüssiger Schlicker entfernt. Der getränkte Schwamm wurde anschließend bei 60°C für eine Dauer von 10 h getrocknet und zwecks Eliminierung der organischen Schwamm-Substanz bei 1200°C unter strömender Luft vorgebrannt; die Aufheizrate betrug 2 K/min. Die Sinterung erfolgte an Luft bei 1350 °C mit einer isothermen Haltezeit von zwei Stunden.

Der so hergestellte Sinterkörper zeigt folgende Struktur und mechanischen Eigenschaften:

• - Makroporosität (= Anteil der Zell-Innenräume am makroskopischen Volumen) = 38 Vol.-% entsprechend einer Makro-Rohdichte von 2,46 g/cm³,
• - Zellgröße ≦ 150 µm,
• - Gefügeporosität 1,9 Vol.-% entsprechend einer Gefügedichte von 3.91 g/cm³, mittlere Kristallitgröße des Gefüges (= 1,56 . mittlere Sehnenlänge aus einer Linienschnittanalyse) = 0,6 µm.
• - Die Reinheit ist im wesentlichen durch die Reinheit des dotierungsfrei verarbeiteten Pulverrohstoffes bestimmt und < 99,9% Al₂O₃.
• - Druckfestigkeit des geschlossen-zelligen Sinterkörpers 122 ± 38 MPa, Biegefestigkeit 58 ± 18 MPa .
• - Härte des Submikrometer-Gefüges HV1 = 2097 ± 114.

Die Festigkeitswerte übersteigen die bekannter glasgebundener Korundschleifscheiben ähnlicher Porosität, deren Biegefestigkeiten im Bereich von 30-40 MPa liegen. Die Härte der Gefüge erfindungsgemäßer Schleifkörper liegt im angeführten Beispiel um 100-200 Einheiten über der des in bekannten Schleifscheiben eingesetzten erschmolzenen Edelkorundes (HV1 = 1950-2000), Rubinkorundes (HV1 = 1900-2000) oder Normalkorundes (HV1 = 1700-1800).

Beispiel 2

Verwendet wurde eine handelsübliche Tonerde mit folgender Charakteristik: mittlere Teilchengröße 0,3 µm, spezifische Oberfläche nach BET-Methode 9 m²/g, Al₂O₃- Gehalt 99,9%. 400 g dieser Tonerde wurden mittels eines Rührwerkes und Ultraschall in 140 ml H₂O dispergiert. Der pH-Wert wurde wie im Beispiel 1 auf 4 eingestellt und konstantgehalten. Der Feststoffgehalt des keramischen Schlickers betrug 66,3 Masse-% entsprechend 33,4 Vol.-%. Nach zweistündiger Dispergierung wurde ein Imprägnier-Körper aus Polyurethan-Schaumstoff (Porendichte 400 pores per inch) wie in Beispiel 1 mit dem Al₂O₃-Schlicker getränkt, anschließend getrocknet und vorgebrannt. Die Sinterung erfolgte an Luft bei 1500°C mit einer isothermen Haltezeit von zwei Stunden.

Der so hergestellte Sinterkörper zeigt folgende Struktur und mechanischen Eigenschaften:

• - Makroporosität (= Anteil der Zell-Innenräume am makroskopischen Volumen) = 49 Vol.-% entsprechend einer Makro-Rohdichte von 2,00 g/cm³,
• - Zellgröße ≦ 150 µm
• - Gefügeporosität 0,7 Vol.-% entsprechend einer Gefügedichte von 3.96 g/cm³,
• - mittlere Kristallitgröße des Gefüges (= 1,56 . mittlere Sehnenlänge aus einer Linienschnittanalyse) = 2,1 µm.
• - Die Reinheit ist im wesentlichen durch die Reinheit des dotierungsfrei verarbeiteten Pulverrohstoffes bestimmt und < 99,5% Al₂O₃.
• - Druckfestigkeit des geschlossen-zelligen Sinterkörpers 27 ± 11 MPa, Biegefestigkeit 24 ± 21 MPa.
• - Härte des Gefüges HV1 = 1783 ± 184.

Claims (7)

1. Sinterkörper auf der Basis von Korund mit einer geschlossenen Zellstruktur, mit einer Makroporosität zwischen 5 und 50 Vol.-%, einer Größe der Zellen von höchstens 250 µm, einer Gefügeporosität von < 2,5 Vol.-%, einer mittleren Kristallitgröße des Sintergefüges von höchstens 5 µm und einer Reinheit des Gefüges entsprechend einem Anteil glasbildender Verunreinigungen und Dotierungen von höchstens 3 Masse-%.

2. Sinterkörper nach Anspruch 1, mit einer mittleren Härte HV1 ≧ 1700 der keine offenen Poren aufweisenden Gefügebestandteile, mit einer mittleren Druckfestigkeit ≧ 90 MPa für eine Makroporosität ≦ 35 Vol.-% und ≧ 20 MPa bei einer Makroporosität von 50 Vol.-%.

3. Sinterkörper nach Anspruch 1 oder 2, mit Zusätzen von 0-10 Masse-% oxidischer, nicht-glasbildender Dotierungen, die vermittels einer Beeinflussung der Festphasendiffusion das Dichtsinterverhalten, die Gefügeausbildung und/oder die Korngrenzeneigenschaften der Sintergefüge auf der Basis von Korund steuern.

4. Sinterkörper nach Anspruch 1 oder 2, mit 0-45 Masse-% an Zusätzen, die Kristallite mit einer vom Korund unterschiedlichen Phasenstruktur bilden und Festigkeit, Bruchzähigkeit oder Härte der Sintergefüge auf der Basis von Korund erhöhen.

5. Sinterkörper nach Anspruch 1 oder 2, deren Gefüge gröbere, vorzugsweise anisotrop geformte Körner auf der Basis von Korund enthält.

6. Verfahren zur Herstellung von Sinterkörpern auf der Basis von Korund mit einer geschlossenen Zellstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• - Herstellung eines keramischen Schlickers mit einem Feststoffgehalt zwischen 35 und 50 Vol.-% einer Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1, 3 bis 5, wobei die Viskosität auf Werte zwischen 0,1 und 0,5 Pa.s, gemessen mit einem Rotationsviskosimeter bei einer Scherrate von 100 ^s-1, eingestellt wird.
• - Imprägnieren eines offenporigen Imprägnier-Körpers, der eine Porenhäufigkeit von 30 bis 300 Poren/cm aufweist, mit dem keramischen Schlicker derart, daß alle Makroporen des offenporigen, pyrolysierbaren organischen Materials mit Schlicker gefüllt sind.
• - Entfernung eines Anteils von 0 bis 50 Vol.-% der vom Imprägnier-Körper aufgesogenen Schlickermenge aus dem Imprägnier-Körper zwecks Einstellung unterschiedlicher gewünschter Makroporositäten des Sinterkörpers nach Anspruch 1,
• - Trocknung des mit dem keramischen Schlicker getränkten Imprägnier-Körpers bei 60-80°C.
• - Ausbrennen des offenporigen, pyrolysierbaren organischen Materials unter strömender Luft bei 1000-1200°C.
• - Sinterung des gebildeten keramischen Skelett-Körpers.

7. Verwendung von Sinterkörpern auf der Basis von Korund mit einer geschlossenen Zellstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5 als Schleifkörper.