DE2450385C2

DE2450385C2 - Schleifmittel

Info

Publication number: DE2450385C2
Application number: DE2450385A
Authority: DE
Inventors: George Robert Niagara Falls Ontario Watson
Original assignee: Norton Co
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 1973-10-24
Filing date: 1974-10-23
Publication date: 1983-06-01
Also published as: FR2249151B1; NO743768L; GB1452860A; IT1024672B; DE2450385A1; JPS5078985A; FR2249151A1; CA1031169A; ZA746592B; US3881282A; NO138944C; NO138944B; AU7444574A; JPS5736954B2

Description

deren Analyse in Tabelle 1 angegeben ist
Tabelle 1

Schleifmittel auf der Basis von geschmolzener Tonerde (Elektrokorund) und Zirkonerde (Zirkoniumoxid) haben sich seit den frühen 60iger Jahren als überlegen erwiesen (US-PS 31 81 938). Untersuchungen, die in der gJeichzeitigen Anmeldung P 24 50 384 beschrieben sind, haben gezeigt, daß verbesserte Ergebnisse erzielt werden bei Zugabe von Ceroxid zu einem Gemisch von Tonerde und Zirkonerde, welches dann zu einem Schleifmittel gesintert wird. In der DE-OS 22 12 311 ist ein Schleifmittel aus Tonerde/Zirkonerde-Spinell beschrieben, das < 1 % Ceroxid enthält, welches zur Stabilisierung des Zirkoniumoxids dient.

Aus »Abrasives« L Coes, Jr. Springer-Verlag New York 1971, Seite 124, ist die Theorie des Schleifens zu entnehmen, wonach die Zerspanbarkeit K von Metallen sich aus der Beziehung:

K- P- V- W

45

50

ergibt;

M = Metallabtragungs- oder -abschleifgeschwindigkeit (kg/h)

P = Anpreßkraf· (kg)
V = Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe in

cm/min
K = Zerspanbarkeitskonstante des Metalls in kg · 60/

m · kg
W = Geschwindigkeit der Zerstörung der Schleif-

scheibcnstruktur (Scheibenabnutzungsgeschwindigkeit) in cmVh
a = Zerstörbarkeits- oder Splitterbarkeitsfaktor des Schleifmittels, der möglichst gering sein soll (Korn).

Aufgabe der Erfindung ist ein geschmolzenes gebrochenes Schleifmittel, welches sich durch gute Schleifleistung und geringen Abrieb auszeichnet.

Diese Aufgabe wird durch das in Anspruch I charakterisierte Schleifmittel gelöst. In der bevorzugten Ausführungsform des besonders fein kristallinen Schleifmittels ist dieses 2 h an der Luft auf 800 bis 1250⁰C erhitzt worden.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Schleifmittel werden die Ausgangs-Pulver gemischt, das Pulvergemisch ζ. B. in einem kleinen Lichtbogenofen eingeschmolzen, die Schmelze in entsprechende Formen gegossen und die Gießlinge auf die gewünschte Feinheit zerkleinert.

Begleitstofie

Tonerde

Baddeleyit

Fe₂O₃

0,08
0,04
0,10

0,80%
0,22%
0,43%
0,23%
0,22%

Der Ofen wird zum Zusammenschmelzen von Tonerde und Zirkonerde üblicherweise mit 85 V/185 kW betrieben, jedoch ist bei einem Ceroxid-Zusatz mit 100 V/185 kW zu arbeiten, um die Tendenz des Ceroxids in eine niedere Oxidationsstufe reduziert zu werden, herabzusetzen. Es wurden sechs Abstiche von insgesamt 218 kg eines leicht grünlichen Produkts folgender Analyse gemacht:

SiO₂

Fe₂O₃

TiO₂

Na₂O

ZrO₂

CeO₂

AI₂O₃

0,15%
0,23%
0,56%
0,03%

22,51%
6,14%

Rest

Die erstarrte Schmelze wurde im Prallbrecher zerkleinert und unter geregelten Bedingungen gemahlen. Es wurde während des Brechens eine Probe einer Korngröße von < 12,7 mm genommen und diese Probe weiter zerkleinert z. B. in einem Backenbrecher oder auf einer Walzenmühle, bis die Probe eine Korngröße von 1,168 mm hatte.

Ein Teil dieser Probe wurde noch feiner gemahlen, und zwar bis SO.ll mm. Zwei 56,7-g-Proben wurden analysiert, und zwar die erste mikroskopisch und die zweite chemisch. Der Rest der Anfangs-Probe mit einer Korngröße £ 12,7 mm wurde gewogen und dann einem Prallbrecher (US-PS 26 44 644) mit Rüttelaufgabe in einer Menge von 18,1 kg/min aufgegeben. Der Brecher lief mit 150OUpM, der Radius der Brecher-Elemente betrug etwa 56 cm, so daß sich am Umfang eine Geschwindigkeit von etwa 44 m/s ergab. Nach jedem Durchgang durch den Prallbrecher wurde das Produkt auf ein etwa 61 χ 183 cm² großes Sieb der Maschenweite 3327 mm bzw. 0,71 mm aufgegeben. Man erhielt drei Fraktionen, nämlich >3,27, 0,71 —3,327 und <0,7l mm. Die grobe Fraktion wurde erneut durch den Prallbrecher geführt. Nach jedem Durchgang wurde das zerkleinerte Produkt gesiebt und das Grobkorn > 3,327 mm wieder in den Prallbrecher rückgeführt. Dies geschah so lange, bis 96% des ursprünglich eingespeisten Materials auf eine Korngröße < 3 327 mm zerkleinert war. Der Rest des Überkorns wurde in der Walzenmühle bzw. in dem Walzenbrecher auf < 3,327 mm gebracht und mit dem übrigen Material vereinigt.

Die Mittelfraktion 0,71-3,327 mm wurde dreimal durch den Brecher bei 1500UpM geführt. Eine Probe

wurde entnommen und die Schlagfestigkeit mit Hilfe der nachstehend beschriebenen Methode durch k-Wert-Bestimmung ermittelt Besaßen die Fraktionen 1,168/ 1,41mm und 2,0/2,38 mm nun k-Werte, die einem vorgegebenen Wert entsprachen, so war kein weiterer Arbeitsgang zur Formgebung notwendig. Lagen jedoch die jt-Werte noch zu hoch, so wurde das Material erneut einmal oder mehrere Male gemahlen, bis die k-Werte im gewünschten Bereich lagen.

Das auf die gewünschte Größe zerkleinerte und durch Stoß geformte Produkt wurde in Proben aufgeteilt und diese einer Siebanalyse unterworfen, um die erhaltene Korngröße und die Ausbeute an Schleifmittel dieser Korngröße zu ermitteln.

Die zerkleinerte und stoß-geformte Fraktion 0,71 — 3327 mm wurde einem Tellermischer (0 ~1 m) aufgegeben, und zwar 27 bis 30 kg je Charge und 1 bis 2 h oder so lange trocken gemischt, bis das Korn ausreichend abgerundet war, um das angestrebte Raumgewicht je cm³ zu erhalten. Dieses Raumgewicht wird natürlich dec jeweiligen Dichten des Produkts angepaßt sein. Die abgerundete Fraktion wurde in die gewünschten Kornklassen gesiebt. Üblicherweise werden für Schleifversuche die Korngrößen <1,65, < 1,41, < 1,168 und < 1,00 mm angewandt Raumgewicht und Dichte des Produkts wurden bestimmt.

Gleichzeitig wurde eine Anzahl van Schleifmitteln aus geschmolzener Tonerde/Zirkonerde mit gleichem Zirkoniumoxidgehait aber ohne Ceroxid unter identischen Bedingungen hergestellt. Die Ausbeute an Schleifkorn der entsprechenden Korngröße ist in der Tabelle 2 verglichen.

Tabelle 2

Erfindungsgemäßes Schleifmittel und dieses übliche <ts

Korn-Ausbeute in %	ohne	Ceroxid
mit Ceroxid	(St. d	. T.)
(erf. gem.)	3,5
9,0	8,9
9,0	16,1
14,0	6,6
8,0

Schleifmittel wurden zu (laminar) gedoppelten Schleifscheiben verarbeitet und diese auf ihre Leistungsfähigkeit beim Schruppen untersucht Der Scheibendurchmesser betrug 40,64 cm, Das zusammengeschmolzene Tonerde/Zirkonerde-Korn enthielt etwa 25% Zirkoniumoxid. Als Bindemittel diente in üblicher Weise angewandtes Harz. Der Mittenteü der Scheiben hatte eine Stärke von 25,4 mm und die zwei Seitenflächen waren etwa 13,5 mm breit Der Mittenteü --ter

ίο Schleifscheiben enthielt das übliche Tonerde/Zjrkonerde-Schleifkorn oder das zu prüfende Schleifkorn in einer Körnung von 1,41 — 1,65 mm, während in den beiden Seitenflächen in der gleichen Bindung Schmelztonerde < 1,00 mm vorlag.

Bei der Durchführung der Versuche wurden diese Laminarscheiben in einer mit hydraulischem Druck arbeitenden Schleifvorrichtung geprüft; Anpreßdruck etwa 186 kg. Die Scheiben arbeiteten unter simulierten Grobschleif-Bedingungen mit einer Umfangsgeschwindigkeit von ca. 48 m/s während einer ersten Einlaufperiode von 20 min und dann 3 Prüfzeiten zu 20 min bei gleichem AnpreBdruck und bei gleicher Geschwindigkeit Nach jeder 20-min-Periode wurde das Werkstück gewogen und ein anderes identischer Zusammensetzung für den nächsten Versuch angewandt. Es wurde das kumulierte Gewicht des Metallabschliffes und der Verschleiß der Schleifscheibe während dieser drei Versuche bestimmt Während des Schleifens wirkten die Flächen enthaltend feinere Tonerde als weiche Schleifflächen und wurden abgetragen, so daß die wesentliche Schleifwirkung gegenüber dem Werkstück von dem Mittenteil ausgeübt wurde.

In der Praxis werden für Grobschleifscheiben wesentlich höhere Anpreßdrucke und wesentlich höhere Umfangsgeschwindigkeiten angewandt. Obiges Prüfverfahren entspricht diesen in der Technik üblichen Schleifbedingungen nicht Es hat sich jedoch als ein sehr brauchbares Vergleichsverfahren zur Bewertung von neu entwickeltem Schleifkorn eingebürgert.

Für die Schleifversuche wurden gleichartige Schleifscheiben aus geschmolzenem und zerkleinertem Korn sowie aus geschmolzenem zerkleinertem und zusätzlich während 2 h bei 1250°C an der Luft gebranntem Korn hergestellt und wie oben beschrieben geprüft. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 3 zusammengefaßt.

Tabelle 3	Scheiben verschleiß	Metali- abschlifT	Schleif verhältnis	Faktor a	G_n,	relat. Abschliff	relat. Verschleiß
	cnrVh	kg/h	CT*)	cmVh
	1 120	70,3	0,063	264,4	100	100	100
Standard-Scheibe AIA/25% ZrO₂	1088	66,3	0,061	360,8	96	94	97
wärmebehandelte Standard-Scheibe	794	61,7	0,078	360,8	124	88	71
erf. gem. Scheibe	882	71,4	0,081	229,6	128	101	79
wärmebehandelte erf. gem. Scheibe

*) Schleifvcrhältnis G = Melallabschlilf/Scheibenverschleiß.

Aus obiger Tabelle ergibt sich: Ceroxid enthaltende b5 geringer, wird jedoch durch die Wärmebehandlung dem

Schleifscheiben verschleißen weniger leicht als die der Standard-Schleifscheibe gleich, während der Schei-

Standard-Schleifscheiben; der Metallabtrag oder Ab- benverschleiß erheblich geringer ist.

schliff Ceroxid enthaltender Schleifscheiben ist etwas Das Schleifverhältnis C zeigt, daß mit erfindungsge-

maß Ceroxid enthaltenden Schleifscheiben mehr Metall je cm³ Scheiben-Verschleiß abgetragen wird und daß die Wärmebehandlung das Verhältnis G noch verbessert

Der a-Wert für wärmebehandeltes Ceroxid enthaltendes Schleifkorn nach der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung liegt niedriger als der der Standard-Grobschleifscheibe, was sehr erwünscht ist.

Das relative Schleifverhältnis C^i zeigt, daß bei gleichem Scheiben-Verschleiß die erfindungsgemäße Ceroxid enthaltende Schleifscheibe l,24mal mehr Metall und mit wärmebehandeltem Schleifkorn sogar l,44mal mehr Metall als mit der Standard-Schleifscheibe abgetragen wurde.

Der relative Metall-Abschliff zeigt, daß die erfindungsgemäß Ceroxid enthaltende Schleifscheibe zwar langsamer schneidet als die Standard-Schleifscheibe, daß aber die wärmebehandeltes Schleifkorn enthaltende Schleifscheibe etwa mit der gleichen Geschwindigkeit schneidet wie die Standard-Schleifscheibe.

Der relative Scheiben-Verschleiß zeigt, daß die erfindungsgemäß Ceroxid enthaftenden Scheiben sehr viel haltbarer sind als die Standard-Schleifscheiben.

Als weiterer Beweis dafür, daß die ertmdungsgemäß Ceroxid enthaltenden Scheiben dauerhafter sind als gewöhnliche ΑΙ₂θ3/25% Ζ1Ό2 enthaltende Scheiben, wurden die Jt-Werte für die beiden Schleifkornarten aus dem Schlagversuch vor und nach der Wärmebehandlung (2 h bei 1250⁰C) bestimmt und miteinander verglichen.

Tabelle 4	/t-Wert	1,168/1,41 mm
	2,0/2,38 mm
		0,056
Standard-AI₂O₃/25%	0,058	0,10
ZrO₂-Korn	0,108
ZrO₂-Korn wärme-		0,074
behandt U	0,092	0,046
erfindungsgem. Korn	0,058
erfindungsgem. Korn
wärmebehandelt

Der Ar-Wert — als Maß für Zerreibbarkeit oder Splitterfähigkeit — ist umgekehrt proportional der Festigkeit und Dauerhaftigkeit des Korns und wird durch verschiedene Methoden bestimmt. Diese reichen vom Prüfen, wie leicht ein gegebenes Korn mit der Hand durch Ergreifen mit einer Beißzange zerdrückt werden kann, bis zu empfindlicheren quantitativen Messungen der Abrieb- oder Bruchmenge, die bei einer Probe aus eine großen Anzahl von einzelnen Körnern erhalten wird, wenn sie in einer Kugelmühle odsr auf andere Weise dem Abrieb oder Verschleiß unterworfen sind. Bei dieser Methode wird jedes einzelne Teilchen der Probe einem einzelnen Stoß gegen oder Aufschlag auf eine schnell rotierende Stahlschaufel unterworfen, worauf von dem Ganzen eine Siebanalyse gemacht wird. Ausgedehnte Prüfungen dieser Art über lange Zeit ergaben, daß spröde Materialien wie Schleifmittel bei einem Stoß- oder Schlagversuch in einer Weise aufbrechen, die durch folgende Gleichung

wiedergegeben werden kann, in der R der Gewichtsanteil Korn ist, der auf einem gegebenen Sieb der Maschenweite χ verbleibt; Xa ist die effektive Anfangsgröße der Körner oder Teilchen (vor dem Stoß) und k eine dimensionslose Zahl, die für die Anzahl von Fehlstellen in dem zu prüfenden Material als repräsentativ angesehen werden kann. Je kleiner der Zahlenwert k ist, um so fester ist das Material (»Single Impact Testing of Brittle Materials« Karpinski und Tervo, Transaction of the Society of Mining Engenieers, Juni 1965, S. 126-130.

Bei der Bestimmung des Ar-Wertes wird eine Probe aus dem rohen Schleifmaterial durch Zerkleinern und Sieben hergestellt Sie umfaßt denjenigen Teil des zerkleinerten Schleifmittels, der zwischen zwei benachbarten Prüfsieben zurückgehalten wird, nachdem eine halbe Stunde unter Rütteln gesiebt worden ist Das Probengewicht wird so gewählt daß etwa 100 000 einzelne Schleifkörner vorliegen. Für die Körnung oder Korngröße 1,168 mm, die üblicherweise für die Stoö- oder Schlagprüfung verwende wird, entspricht eine 100 g Probe.

Die Körner oder Teilchen werden im wesentlichen einzeln in eine evakuierte Kammer (z. B. 2,66 mbar) fallen gelassen und stoßen hier direkt und zentral auf ein?.' mit bestimmter Geschwindigkeit sich drehende Schaufel aus Weichstahl. Das Korn gelangt nach dem Aufschlag in einen Sammelbehälter. Sekundäre Aufschläge oder Stöße werden auf ein Minimum reduziert, indem alle benachbarten Metallischen mit Gummi ausgekleidet sind. Das im Behälter gesammelte Korn wird dann eine halbe Stunde auf einem der beiden nächsten Prüfsiebe gesiebt, um die Verteilung der Korngrößen nach Schlag oder Stoß in Gewichtsmenge Korn auf jedem Sieb und auf der Schale zu bestimmen. Bei der Bestimmung von k war das Zentrum der Schaufel radial 30,5 cm vom Drehpunkt entfernt. Die Umlaufgeschwindigkeit betrug 2000 UpM, was einer Umfangsgeschwindigkeit von 62,7 m/s entsprach.

Für eine Ist-Bestimmung eines Ar-Wertes werden 4 Prüfsiebe mit einer Schale am Rütteltisch angewandt. Das erste Sieb (willkürlich als »0«-Sieb benannt) ist das Sieb, auf dem die Probe in dem Sieb- oder Klassiervorgang zurückgehalten worden ist. Die darauffolgenden Siebe (willkürlich 1., 2, 3., 4. ... benannt) haben eine jeweils um den Faktor

1,189 (VT)

kleinere Maschenweite als das vorhergehende Sieb. Aus den so erhaltenen Kornfraktionen wird der Ar-Wert nach der Gleichung

log R_x

log

bestimmt. Sind die Werte für k die gleichen für jedes R, dann wurde das richtige Xo gewählt und k und Xo sind bekannt. Differieren die Werte für Ar um mehr als eine Einheit in der dritten Dezimalstelle, so wird ein neuer Wert für Xo gewählt. Dies wird 50 lange wiederholt, bis Ar mit dem angestrebten Maß an Genauigkeit bestimmt worden ist.

A¹Ji den Tabellen 3 und 4 ergibt sich, daß das Standard-Kom nach der Wärmebehandlung weicher wird, während das erfindungsgemäß Ceroxid enthaltende Korn an Festiekeit eewinnt. Wird ein noch stärkeres

Ceroxidkorn mit Hilfe von Abwandlungen im Zerkleinerungsverfahren hergestellt, so erhält man ein noch dauerhafteres Produkt, als oben ge/eigt werden konnte. Mit anderen Worten: Wenn das Ceroxid enthaltende Korn durch Stoß zerkleinert und geformt wird, ist sein /f-Wert vergleichbar demjenigen eines Standard-Schleifkorns (AI₂O)/25% ZrO₂), nämlich 0,058, jedoch

ergibt eine Wärmebehandlung dieser Schleifmittel größere Dauerhaftigkeit bei besserer Schleifleistung.

Beispiel 2

Eine Reihe von Schmelzen wurde hergestellt mit der im Endprodukt enthaltenen Menge an Ceroxid.

Tabelle 5	\ SiOj	% Fc₂O,	% TiO₂	% ZrO₂	% Na₂O	% AI₂O,
% Ceroxid	0.63	0.26	0.20	25,78	0,10	73,03
-	0.55	0.22	0.18	25,95	0.10	72,97
0.08	0.54	0.18	0.20	23.43	0.10	75.55
1.45	0.55	0.18	0.19	21.52	0.10	77,46
4.33	0.12	0.21	0.12	21.14	0,11	78.30
9.29

Die Schmelzen wurden gegossen und abgeschreckt unter Jer Anwendung der Kugelgußtechnik gemäß CA-PS 9 24 112. Bei diesem Verfahren zur schnellen Abkühlung einer aluminiumoxidhaltigen Schmelze wird diese auf eine Schütiung von Körpern, insbesondere Kugeln, unterschiedlicher Zusammensetzung, jedoch höherer Wärmeleitfähigkeit als die Schmelze, aufgegos-

Tabelle 6

sen. Diese Körper haben im Mittel eine Größe von 12.7 — 51 mm und das Volumenverhältnis von diesen Körpern zur Schmelze soll zwischen I : I und 3 : I liegen.

Die so erhaltene erstarrte Schmelze wurde zerkleinert und Ausbeute und Ar-Wert des Schleifmittels bestimmt.

■ CeOi Ausbeute > von Korn der /t-Wert

(ir·¹ He

>1.J2"mm 1-3.327 mm 1.168/1.41 mm

0	11,5	50.0	0.054
0.08	12.8	46,4	0,056
1.45	!2.2	52,2	0,066
4.33	19,2	42,4	0.077
9.29	5.0	48.8	0.108

Diese Tabelle zeigt die bemerkenswerte Zunahme an Ausbeute von grobem Korn bei einem Ceroxidgehalt von 1.45 und 4.3;!%. Eine Steigerung der Ausbeute verbunden mit guter Dauerhaftigkeit — wie sie durch den it-Wert angegeben wird — zeigt, daß diese Produkte sich sehr gut als Schleifmittel für das Grobschleifen eignen.

Claims

Patentansprüche;

1. Geschmolzenes Schleifmittel auf der Basis von Tonerde/Zirkonerde, dadurch gekennzeichnet, daß es 10 bis 60 Gew.-% Zirkoniumoxid und 1 bis 7% Ceroxid, Rest Aluminiumoxid mit geringen Verunreinigungen, enthält

2. Schleifmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es 21 bis 26% Zirkoniumoxid ι ο enthält

3. Schleifmittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es für besonders feine Kristalle 2 h an der Luft bei 800 bis 1250⁰C gehalten worden ist Beispiel I
Das Ausgangsgemisch enthielt

31,385 kg gebrannte Bayer-Tonerde,
10,485 kg Baddeleyit ZrO₂ und
3,265 kg Ceroxid,