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Feuerfestes Oxydmaterial mit einer feinen Kristallstruktur sowie Verfahren
und Vorrichtung liar Herstellung desselben Die Erfindung betrifft feuerfestes Oxydmaterial
mit einer feinen Kristallstruktur sowie ein Verfahren und eine Vorrichtung snr Herstellung
desselban. Feuerfestes Oxydmaterial mit einer feinen kristallvtruktur ist als feuerfestes
rorn oder insbesondere als ein ßohleifkorn als Teil von gebundenen Sohleifmittoln
brauchbar, beispieleveise in der Form von Sohleifsoheiben und dergleichen. Für solche
Schleifzwecke ist es sehr erwünscht, daß das Schleifkorn eine so feine Kristallstruktur
wie möglich hat, da das dem Schleifkorn Zähigkeit verleiht. Bekannte Verfahren zur
Herstellung von Schleifkiorn mit einer feinen Kristallstruktur aus feuerfestem Oxydmaterial
lassen Kristaligrößen in der Größenordnung von 100 bis 300 Mikron entstehen. Bs
sind jedoch eine noch feinere Kristallgröße und eine noch höhere Zähigkeit erwünscht.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes feuerfestes Oxydmaterial
zu schaffen, das als Schleifkorn bruachbar ist und das eine Kristallstruktur hat,
die feiner als die bisher zur Verfügtuig stehende ist. Weiter bezweckt die Erfindung
die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung solchen Schleifkorns und die Schaffung
einer Vorricnutng zur erstellung solchen Schleifkorns.
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Erfindungsgemäß wird eine feuerfeste Oxydmaterial schnell abgekühlt
und zum Erstarren gebracht, um eine erstarrte Schmelze entstehen zu lassen, die
eine leine Kristallstruktur hat. Eine Erstarrungskammer wird aul eine Tiefe v-on
mindestens etwa 15 cm mit einem nicht reagierenden, nicht schmelzenden festen Kühlmittel
in Partikelform gefilllt, und zwar aus einem Material, bei dem es sich nicht um
das
feuerfeste Oxydmaterial handelt. das schnell gekühlt und zum
Erstarren gebracht werden soll. Bei dem bevorzugten Kühlmittel handelt es sich um
Stahlkugeln im Bereich von 5 bis etwa 60 mm im Durchmesser.
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Eine Schmelze aus feuerfestem Oxydmaterial wird in die Erstarrungskammer
über das Kühlmittel gegossen, Eo daß die Schmelze schnell gekühlt und zum Erstarren
gebracht wird. Das Kühlmittel und die erstarrte Schmelze werden dann aus der Erstarrungskammer
entnommen.
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#enn das feuerfeste Oxydmateriai, das in die Erstarrungskammer gegossen
wird, mindestens zwei Metalloxyde ausweist, die eine eutektische Zusammensetzung
bilden, weiche bei einer Temperatur schmilzt, die unter der der reinen Bestandteile
liegt, zum wenn ein oder mehrere Metalloxyde in Mengen im Überschuß zur eutektoiden
Zusammensetzung vorhanden sind, kristallisiert das Metalloxyd, das in Mengen im
über schuß über die eutektoide Zusammensetzung vorhannen ist, aus der Schmelze in
extrem feinen Einzelkristallen heraus. ss verbleibende Material, bestehend aus den
beiden, Oxydkomponenten in ihrer eutekoxiden Zusammensetzung, bildet dann einen
dendtritischen Kristall, der die einzelnen diskontinuierlichen Kristalle des Materials
enthält, das in mengen im Überschuß der eutektoiden Zusammensetzung vorhanden ist.
Das Ergebnis ist eine kontinuierliche dendritische kristalline Phase und eine diskontinuierliche
kristalline Phase, gekennzeichnet durch eine extrem feine Kristallgröße (beispielsweise
mindestens 900,o' in numerischer Zählung der diskontinuierlichen Kristalle haben
eine Partikelgröße von weniger als etwa 40 Mikron). Durch entsprechende Wahl des
Kühlmittel läßt sich ein Forn mit Mindestens etwa 80S in numerischer Zählung der
diskontinuierlichen Kristalle mit einer Partikelgröße von weniger als etwa 15 Mikron
erreichen, und der Rest der diskontinuferlichen Kristalle hat eine Partikelgröße
im Bereich von etwa 15 bis 40 Mikron.
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Die Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher
erläutert. In der Zeiclmung sind: Fig. 1 eine Darstellung einer einzigen Erstarrungskammer,
die Kühlmittel enthält und die zum chargenweisen Gießen von feuerfestem Oxydmaterial
gen der Eriindung vorgesehen ist, und
Fig. 2 eine Anzahl solcher
Erstarrungskammern, die mittels eines Förderbands zur Schmelze aus feuerfestem oxydmaterial
getragen werden, das auf das Kühlmittel gegossen werden soll, das in den Erstarrungskammern
enthalten ist.
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In Fig. 1 ist eine Erstarrungskammer 11 gezeigt, die oben offen und
unten geschlossen ist, wobei die Kammer etwa 18 cm tief ist und einen #urchmesser
von etwa 225 cm hat. Das Kühlmittel 12 wird in die Erstarrungskammer 11 auf eine
Tiefe von mindestens etwa 15 cm gefüllt.
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Die Erstarrungskammer kann aus jedem geeigneten Material bestehen,
das üblicherweise für Formen für das Gießen von feuerfester Oxidmaterialien verwendet
wird, beispielsweise Gußeisen, Stahl oder die verschiedensten feuerfesten Keramikwerkstoffe.
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Die Kriterien für das Kühlmittel sind mehrere. Zunächst muß das Eühlmittel
nicht reaf#gierend dem feuerfesten Oxydmaterial gegenüber sein, das auf das Kühlmittel
gegossen werden soll. Zum anderen muß das Kühlmittel ein nicht schmelzendes festes
Material in Partikelform sein, das nicht das Material des feuerfesten Oxydmaterials
ist, das auf das Kühlgmittel gegossen werden soll. Ob das Kühlmittel einem betreffenden
feuerfesten Oxydmaterial gegenüber nicht schmelzend ist, das gekühlt und auf dem
Kühlmittel zum Erstarren gebracht werten soll, läßt sich unter Bezugnahme auf die
thermodynamischen Eigenschaften des feuerfesten Materials und des Kühlmittels bestimmen.
U:r diese Bestimmung vorzunehmen, muß man die Einlaßtemperatur des Kühlmittels,
den Schmelzpunkt des Kühlmittels, den Erstarrungspunkt des feuerfesten Oxyomaterisls
(d.h. die Temperatur, bei der die Erstarrung des feuerfesten Oiydmaterials abgeschlossen
ist), die Einlaßtemperatur des ieuerfesten Oxydmaterials (d.h. die Temperatur, mit
der es auf das kühlmittel gegossen wird) sowie die Wärmekapazitäten dieser Stoffe
und die Schmelzwa'rme -des feuerfesten Oxydmaterials kennen. Wenn speziell der Schmelzpunkt
des Kühlmittels unter dem Erstarrungspunkt des feuerfesten Oxydmaterial liegt, muß
das Integral volunetrische Wärmekapazität des Kühlmittels in seinem festen Zustand
von der Kühlmittel-Einlaßtemperatur zum Kühlmittel-Schmelzpunkt größer als (1) das
Integral volumetrische Wärmekapazität des feuerfesten Oxydmaterials
in
seinem flüssigen Zustand von dessen Erstarrungspunkt zur Einlaßtemperatur des feuerfesten
Oxydmaterial8 plue (2) die voluientrisohe Schmelzwärme des feuerfesten Oxydmaterials
sein. Wenn der Schmelze punkt des Kühlmittels größer als der Erstarrungspunkt des
feuerfesten Oxydmaterials ist, muß das Integral volumetrische Wärmekapazität des
Kühlmittels in seinem festen Zustand von der Kühlmittel-Einlaßtemperatur zum Erstarrunggpunkt
des feuerfesten Oxydmaterials größer als (1) das Integral volumetrische Wärmeakapazität
des feuerfesten Oxydmaterials in seinem flüssigen Zustand von seinem Erstarrungspunkt
zur Einlaßtemperatur des feuerfesten Oxydmaterials plus (2) der volumetrischen Schmelzwärme
des feuerfesten Oxydmaterials plus (3) dem Inetegral volumetrische Wärmekapazität
des feuerfesten Oxydmaterials in seinem flesten Zustand vom Kühlmittel-Schmelzpunkt
zum Erstarrungspunkt des feuerfesten Oxydmaterials sein. Diese Beziehungen sind
in thermodynamischen Werten in Formel 1 und 2 angegeben.
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Formel 1 (t2 kleiner t3):
Formel 2 (t2 größer t3) t
Dabei sind: t1 = Kühlmittel-Einlaßtemperatur t2 = Kühlmittel-Schmelzpunkt t3 = Bästarrungspunkt
feuerfesten Oxydmaterials t - linlaßtemperatur des feuerfesten Oxydmaterials
Mc
" Gewicht des Kühlmittel. pro Volumeneinheit, abgesetzt in der Erstarrungskammer
Cc s Wärmekapazität des Kühlmittel.
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Mm = Gewicht des feuerfesten Oxydmaterials pro Einheitsvolumen beim
Gießen auf das Kiihliittel Cm# = Wärmekapazität des feuerfesten Oxydmaterials über
seinem Erstarrungspunkt Cms = Wärmekapazität des feuerfesten Oxydmaterials unter
seinem Erstarrungspunkt und ##fm = Schmelzweräe des feuerfesten Oxydmaterials.
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Zu bevorzugten, wenn auch nicht entscheidenden, Eigenschaften des
Kühlmittels gehören die folgenden; das feuerfeste Mittel soll eine relativ gleichförmige
Größe haben, so daß die Räume zwischen de Kühlmittel (und damit die Größe des feuerfesten
Oxydmaterials ii erstarrten Zustand) etwa die gleiche Größe haben; und das Kühlmittel
soll innerhalb der Erstarrungskammer mit einer relativ voraussagbaren Struktur packen.
das Kühlmittel soll vorzugsweise eine glatte Oberfläche haben, so daß die erstarrte
Schmelze nicht an der Oberfläche des Kühlmittel. nach der Erstarrung hängenbleibt.
Um eine Trennung des Kühlmittels von dem erstearrten feuerfesten Oxydmaterial zu
erleichtern, soll das Kühlmittel vorzugsweise magnetisch sein, so daß das Kühlmittel
lediglich mit einem Magneten entfernt werden muß, nachdem das feuerfesten Oxydmaterial
erstarrt ist. Um wiederholt verwendet werden zu können, soll das Kühimitel zäh und
wärmestoßbeständig sein. Demgemäß besteht das vorzugsweise verwendete Kühlmittel
im Rahmen der Erfindung aus metallischen Kugeln ungefähr gleicher Größe (z.B. innerhalb
etwa 20%). Insbesondere wird vorzugsweise Kohlenstoffstahl als das Kühlmittel verwendet.
Di. Größe der Kugeln beeinfluß das Maß des Abkühlens und folglich die Kristallgröße
und die Brüchigkeit des erstarrten feuerfesten Oxydamaterials. Demgemäß liegen die
Stahlkugeln vorzugsweise im Größenbereich von etwa 5 bis etwa 60 mm. Kleinere Kugeln
kühlen die Schmelze schneller, aber Stahlkugeln, die kleiner als etwa 5 mm sind,
sind schwerer aus dem erstarrten feuerfesten Oxydmaterial auszuscheiden.
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Innerhalb dieses Bereich. wird vorzugsweise mit Stahlkugeln gearbietet,
die einen Durchmesser vim Bereich von etwa 12 bis etwa 40 mm haben Jene, die im
Größenbereich von etwa 18 bis etwa 32 mm liegen, werden sogar noch mehr bevorzugt.
Andere Kühlmittel, die verwendet verden können, sind Graphit- oder Ferrosiliziukluipen.
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In Fig. 1 ist eine Erstarrungskammer 11 gezeigt, die eine Schicht
#ahlkugel-Kühlmittel 12 enthält. Die Erstarrungskammer 11 ist etwa 18 cm tief und
hat einen Durchmesser von etwa 225 cm. Die Stahlkugeln werden auf eine Tiefe von
etwa 15 cm gefüllt. Die Erstarrungskammer 11 ist eine Pormpfanne mit geschlossenem
Boden, und sie ist zum chargenweisen Normen oder zum halbkontinuierlichen Gießen
von feuerfestem Oxydmaterial vorgesehen. 7orzugsweise wird die Erstarrungskammer
langsam gedreht, während das feuerfeste Oxydmaterial in die Erstarrungskarnrner
11 über das Kühlmittel 12 gegossen wird.
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Die Drehzahl kann beispielsweise von etwwa 3 bis etwa 10 UpX betrgen.
Die Drehung untersütützt das Verhindern eines örtlichen über hitzens des Kühlmittels
12. Nachdem die Schmelze über das Kühlmittel gegossen warden ist, um damit schnell
abzukühlen und zu erstarren, werden das Kühlmittel und die erstarrte Schmelze entnommen.
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Die erstarrte Schmelze kann dann zerkleinert und nach Größe klassiert
werden, indem nach herkömmlichen Verfahren garbeitet wird, um in gebundenen Schleifartikeln
wie Schleifscheiben aufgenommen zu werden.
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In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird mit einer
Folge unten geschlossener #Erstarrungskammern gearbeitet, wie da in Fig. 2 gezeigt
ist. Eine Quelle 13 für feuerfestens Oxydmaterial wird über das Kühlmittel 12 innerhalb
der Erstarrungskammer 11 gesetzt.
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Erfindungsgemäß sind Mittel 15, beispielsweise in der Form eines Förderbandes,
vorgesehen, um die Erstarrungskammer 11 zur quelle 13 des feuerfesten Oxydmaterials
14 zu bewegen. Es liegt jedoch im nen der Erfindung, Mittel vorzusehen, um die Quelle
13 für das feuerfeste Oxydiaterial 14 zu den verschiedenen Erstarrungskammern 11
zu bewegen.
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Obgleich die Erfindung an hand von Beispielen mit @Aluminiumoxyd-Zirkoniumoxydgemischen
näher beschrieben ist, können reines Aluminiumoxyd
oder Zirkoninioxyd
verwendet werden, außerdem verschiedene andere feuerfeste Oxydmaterialien. Um das
Auskristallisieren von tristellen au erreichen, von denen ein Oxyd durch eutektische
Gemische dieses Oxyd. und eines Zweiten Oxyde umschlossen werden soll, muß mit einem
Gemisoh von Oxyden angefangen werden, die ein Eutektikum bilden. Jedoch sind das
Verfahren und die Vorrichtung in gleicher Weise für Gemische anwendbar, die keine
Eutektika oder reine Oxyde bilden.
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Die Erfindung wird nachstehend an Hand einiger Beispiele beschrieben.
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Beispiel 1 Eine Erstarrungskammer (Gießpfanne) 11 mit einer Tiefe
von etwa 18 cm und einem Durchmesser von etwa 2,25 m wurde auf eine Tiefe von etwa
15 cm mit Kohlenstoffstahlkugeln 12 gefüllt, die einen Durohmesser von ca. 50 mm
hatten. Ein homogenes Gemisch mit der folgenden Zusammensetzung wurde geschmolzen:
Zirkoniumoxyd $27,63 Gew.-% Titanoxyd 1,07 Siliziumoxyd O,80 Eisenoxyd (Fe2=3) 0,23
Magnesiumoxyd 0,13 natriuaoxyd 0,03 kohlenstoff 0,035 Aluminiumoxyd Rest 100,00%
Diese Schmelze wurde auf die Stahlkugeln 12 gegossen. Das Zirkonium-Aluminiumoxydgemisch
erstarrte sofort, und nach der Erstarrung wurde eine Probe des erstarrten Materials
durch einanPhotomikrographen untersucht. Das erstarrte Material war um etwa 25 Vol.-%
nach der Erstarrung geschme#zerumpft, Bo daß es nach der Erstarrung in keine Stücke
zuerbrach, die eine Größe von etwa dem Bin- bis Dreifachen der größe der Stahlkugeln
12 hatten. Die Mikrographaufnahme des erstarrten
Aluminiumoxyd-Zirkoniumoxydmaterials
zeigte, daß auf Basis numerischen Zählung nur 3% der Kristalle von Aluminiumoxyd,
die sich zunächst aus dei Gemisch berauskreistallisiert hatten, eine Partikelgroße
(größte Abmessung) von mehr als 40 Mikron hatten. 47% der Aluminiumoxydkristalle
hatten eine Partikelgröße im Bereich von 15 bis 40 Mikron. 50% der Aluminiumoxydkristalle
hatten eine Partikelgröße von weniger als 15 Mikron. Zwischen den Kristallen des
Auluminiumoxyds, das vorstehend beschrieben worden ist, erstarrte das Aluminiumoxyd-Zirkoniumoxyd-Eutektikum
in dendritische Kristalle, die die Aluminiumkristalle umschlossen, derart, daß die
kristalline Struktur des erstarrten Aluminiumoxyd-Zirkoniumoxyd-Gemisches aus einer
kontinuierlichen kristallinen Phase Eutektikum und einer kdiskontinuierlochen kristallinen
Phase Aluminiumoxyd bestand.
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Beispiel 2 Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei Stahlkugeln verwendet
wurden, die einen Durchmesser von ca. 38 mm hatten. Erneut wurde eine Photomikrographie
der Proba gemacht, und sie zeigte, daß keiner der Lluminiumoxydkristalle leine Partikelgröße
von mehr als 40 Mikron hatte; 18% der Aluminiumoxydkristalle hatten eine Partikelgröße
im Bereich von 15 bis 40 Mikron; und 82% der Aluminiumoxydkristalle hatten eine
Partikelgröße von weniger als 15 Mikron.
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Beispiel 3 Beispiel 1 wurde wiederholt, wobei Stahlkugeln verwendet
wurden, die einen Durchmesser von ca. 32 mm hatten. Erneut wurde eine Photogmikrographit
gemacht, und sie zeigte, daß keiner der luminiumoxydkrietalle eine Partikelgröße
von mehr als 40 Mikron hatte; 14% der Aluminiumoxydkristalle lagen im Bereich zwischen
15 und 40 Mikron, und 86% der Aluminiumoxydkristalle lagen unter 15 Mikron in der
Partikelgröße.
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Patentansprüche