DE2519569B2

DE2519569B2 - Schleifmaterial und Verfahren zur Herstellung desselben

Info

Publication number: DE2519569B2
Application number: DE2519569A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Dr. Treibach Ilmaier; Hans Kappel Krapfeld Zeiringer
Original assignee: Treibacher Chemische Werke AG
Current assignee: Treibacher Chemische Werke AG
Priority date: 1974-05-29
Filing date: 1975-05-02
Publication date: 1980-12-04
Also published as: FR2329726A1; DE2519569A1; IT1036124B; DE2560066B1; SE407211B; CH619679A5; US4059417A; DE2560066C2; GB1512522A; SE7506157L; FR2329726B1; DE2519569C3

Description

Die Erfindung betrifft hochwertige weitgehend spannungs- und spannungsrißfreie, fcinkristallinc Schleifmaterialien mit erhöhter Kornzähigkeit und Standfestigkeit auf der Basis von (X-Al₂O) oder rx-AljOi + ZrOj und ein Verfahren zur Herstellung solcher Schleifmaterialien,

Aus der US PS 11 92 709 ist bereits bekannt, daß das

rasche Abkühlen von Korund die Kornfestigkeit des Schleifmittels erhöht Ferner ist aus der US-PS 12 40 490 bekannt, daß Zusätze von ZrO₂ zu A-AI₂O₃ die Festigkeit solcher Produkte erhöhen,

Im Zuge des Trends zu immer höheren Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Schleifmitteln wurden diese zwei Erkenntnisse insbesondere mit Bezug auf Schleifmittel auf Basis von Zirkonkorund verwendet und es hat sich im letzten Jahrzehnt 25%iger Zirkonkorund für das Putz- und Abtragschleifen mit hoher Druck- und Schlagbeanspruchung eingeführt Solche Korunde werden z. B. nach Verfahren hergestellt, wie sie in der US-PS 31 81 939 beschrieben werden. Für das Präzisions- und Halbpräzisionsschlei fen hat sich ein 40%iger Zirkonkorund vgl. z. B. in der DE-OS 22 27 642, eingeführt Die mit diesen Schleifmitteln begonnene Entwicklung hat jedoch noch nicht das optimale Ziel erreicht und es besteht nac· wie vor das Bedürfnis, noch leistungsfähigere Schleifmittel mit größerer Beanspruchbarkeit zu entwickeln.

Für die Qualität der genannten Schleifmittel ist neben dem Gefügeaufbau die Größe der am Aufbau beteiligten Phasen wesentlich bestimmend. So kann die Größe der im 25%igen Zirkonkorund primär ausge-

2s schiedenen a-AbOrKristallite als Qualhätsparameter herangezogen werden, vgL US-PS 3181939. Beim eutektischen Zirkonkorund wird der Durchmesser der meist stäbchenförmigen ZrO2-Kristallite im Eutektikum, wie in der DE-OS 2227 642 beschrieben, zur Beurtei lung der Qualität herangezogen.

Zur Herstellung eines Schleifmittels mit möglichst feinkristallinem Aufbau sind eine Reihe von Abkühlverfahren vorgeschlagen worden. In der US-PS 31 81 939 werden die Herstellung und die Eigenschaften von feinkristallinen Schleifmitteln beschrieben, welche aus AI₂O₃ und 10 bis 60% ZrO₂ bestehen und in weichen die Größe der primär ausgeschiedenen a-AljOj-Kristallite zwischen 50 und 150 um, in jedem Fall aber unter 300 μτη liegen. Zur Erreichung solcher Kristallitengrößen wird nach dieser Patentschrift die Schleifmittelschmelze durch Guß in kleine Formen aus Metallen oder Graphit rasch abgekühlt Die erreichbare Abkühlgeschwindigkeit und die damit zusammenhängende Größe der Kristallite hängt von den Abmessungen der vorliegenden Gußformen und der Masse des gegossenen Schleifmittels ab.

Naturgemäß wird die obere Fläche der gegossenen Schleifmittelschmelze relativ langsam abgekühlt, da die Wärme nur durch Strahlung und Wärmeleitung der Luft

so abgeführt wird. Auch tritt infolge de r Berührung mit der

Luft eine blasenbildende Reaktion mit der Schleifmittel-

srhmelze auf, wodurch die obere Schicht poröse

Konsistenz aufweist Nach der DEOS 22 05436 wird das schmelzflüssige

Schleifmittel auf Eisenformkörper gegossen, wobei je nach Größe der vorliegenden Formkörper die Kristallin tengröOe beeinflußt wird. Damit ist es möglich, gewisse Qualitätsunterschiede des Schleifmittels durch Wahl der Größe der Kühlkörper zu erhalten.

M Die Nachteile dieses Verfahrens bestehen darin, dafli die Eindringtiefe der Schmelze bei kleinen Kühlkörperdimensionen gering ist und dadurch die technische Herstellung bei größeren Produktionscinheitcn schwierig ist. Weiter ist der Umstand zu beachten, daß die metallischen Kühlkörper besonders an den Eingußstel· len leicht anschmelzen, was einerseits zu Kühlmaterial· Verlusten führt; außerdem wird die Kornfestigkeit des Schleifmaterials durch die metallischen Einschlüsse

negativ beeinflußt. Ein weiterer Nachteil dieses Verfahrens besteht in den geometrischen Formen der Kugelzwischenräume, die in unmittelbarer Nähe der Berührungspunkte der Kugeln eine sehr dünnschichtig erstarrte Schmelze ergeben, die sich für die Herstellung von Schleifmittelkörnungen nicht eignet Dadurch wird die Ausbringung von verwertbarem Korn verschlechtert

Das Abkühlen der Schmelze auf den metallischen Formkörpern verläuft derart, daß die Temperatur bis etwa 1000⁰C sehr rasch abfällt Durch das rasche Abkühlen unterhalb der Erstarrungstemperatur, wie es durch dieses Verfahren nicht zu vermeiden ist, entstehen jedoch Produkte, die starke Spannungen aufweisen und mit Spannungsrissen durchsetzt sind. Diese beeinflussen einerseits negativ die Kornausbringung bei der Zerkleinerung und andererseits wird ganz besonders die Standzeit des Schleifkorns in der praktischen Anwendung herabgesetzt Gleiches gilt für Schleifmaterialien, die nach dem Kokillenguß, wie er in der DE-OS 22 64 202 beschrieben ist, hergestellt werden.

In der DE ÖS: 2160 705 wird ein Verfahren vorgeschlagen, nach welchem die Schleifmittelschmelze durch Guß auf Si-haltige Eisenstücke abgekühlt wird. Auf diese Weise soll ein rißfreies Schleifmittel erhalten werden können. Dieses Verfahren führt jedoch nicht zu einem nach anderen bekannten Verfahren herstellbaren feinkristallinen Produkt, Weil es ein sehr rasches Erstarren nicht zuläßt Wenn nämlich Ferrosilicium, dessen chemische Zusammensetzung in diesem Zusammenhang keine Roue spielt, vollkommen aufgeschmolzen und in der Kurundschmelze verteilt wird, muß die Erstarrung der gesamter Mass?, aus dem flüssigen Zustand erfolgen, wobei ein^ zusätzliche beschleunigte Abkühlung nicht bewirken wird. Dr se Erstarrung aus der Schmelze ist nach bekannten Verfahren nicht geeignet, ein genügend feinkristallines Produkt zu ergeben. Falls die Ferrosiliciumstücke nicht (teilweise oder ganz) aufschmelzen, ist die in den Beispielen dieser Offenlegungsschrift angeführte Menge an Kflhlmaterial nicht in der Lage, eine rasche Erstarrung der Schmelze herbeizuführen, da die Schmelze ein bedeutend größeres Volume.i hat als die Zwischenräume zwischen den FeSi'Stücken, so daß also ein erheblicher Teil der Schmelze in Form eines homogenen Blocks langsam erstarrt Werden so viele FeSi-Stücke vorgegeben, daß eine rasche Abkühlung der Schmelze gewährleistet ist, wird nach einem Verfahren, wie es z. B. in der DE-OS 19 18 759 beschrieben ist, gearbeitet, wobei jedoch ein spannungsriBfreies Material nicht erhalten werden kann.

Die Erfindung betrifft ein Schleifmaterial auf Basis von λ-AI2O3 und ZrOj und gegebenenfalls Begleitstoffen oder Zusätzen, bestehend aus Chrom, Eisen, Silizium, Titan, Vanadin, Calcium, Magnesium und/oder Seltene Erden, in Form von Oxiden, Carbiden, Carbonitriden und Nitriden in einer Menge bis höchstens 5%, vorzugsweise höchstens 2%, insbesondere zur Verwen* dung für das Precisions* und Halbpräzislonssdileifen; ein erfindungsgemäßes Schleifmaterial dieser Art ist dadurch gekennzeichnet, daß es weitgehend spannungs· und spannungsrißfrei als auch feinkristallin, wobei der mittlere Durchmesser der im Eutektikum vorliegenden ZrOj-Stäbchen im Bereich von 200- 1000 nm, vorzugsweise im Bereich von 300 bis 600 nm liegt und mindestens 90% des «-AlzOj-ZrCVGemisches, vorzugsweise mindestens 95% in der eutektischen Phase vorliegen.

Die Erfindung betrifft auch Schleifmittel auf Basis von «-AI2O3 und Z1O2 in einer Menge von 20 bis 30%, vorzugsweise 23 bis 27% ZrO₂ und weiteren Begleitstoffen, bestehend aus Chrom, Eisen, Silicium, Titan, Vanadin, Calcium, Magnesium und/oder Seltene Erden, in Form von Metallen, Oxiden, Carbiden, Carbonitriden und Nitriden bis zu einem Gehalt von max. 5%, vorzugsweise weniger als 2%; erfindungsgemäßes Schleifmaterial dieser Art ist dadurch gekennzeichnet, daß es weitgehend spannungs- und spannungsrißfrei als auch feinkristallin ist, wobei die im eutektischen Anteil ausgeschiedenen stäbchenförmigen ZrOr Kristallite einen mittleren Durchmesser von 100 bis 1300 nm, vorzugsweise von 400 bis 800 nm, aufweisen und der Hauptanteil, das sind mehr als 80% der a-AlzOj-Kristallite eine Größe von 1 bis 50 μτη hat

Solche feinkristalline, weitgehend spannungs- und spannungsrißfreie Schleifmittel, die beträchtlich gesteigerte Leistungsfähigkeit jn Bezug auf Kornzähigkeit

und Standzeit aufweisen und nach bisherigen Verfahren nicht hergestellt werden können, können durch Schmelzen von Aluminiumoxid und Zirkonoxid und rasches Abkühlen der Schmelze erhalten werden, wenn erfindungsgemäß die Oxidschmelze abgekühlt wird, indem sie in ein in geschmolzenem Zustand vorliegendes Salz oder Salzgemisch eingegossen wird, wobei die Abkühlung 'bis auf., eine mindestens etwa 50⁰C, höchstens 350⁰C, vorzugsweise 100-250⁰C unter dem Erstarrungspunkt bzw. der unteren Grenze der Erstarmngsbereiche der Schmelze gelegene Temperatur vor sich gehen gelassen wird, wonach nach Erstarren der Schmelze das Salz oder Salzgemisch abgetrennt und das oder die erstarrten Oxide in an sich bekannter Weise zu Schleifkorn verarbeitet wenden.

j5 Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß man die vorgelegte Salzmenge und deren Temperatur so wählen kann, daß deren Wärmekapazität ausreicht, um bis ca. 1350— 1550⁰C also jener Temperatur, bei der bei Zirkonkorunden das Kristallwachstum aufhört, ein rasches Abkühlen des gesamten eingegossenen Schleifmaterials zu bewirken. Dieser Abkühleffekt bis zur Erstarrung der Schleifmittelschmelze wird dadurch erhöht, das geringe Teile der Satzschmelze durch lokale Überhitzung verdampfen und diese Verdampfung im Bad ein rasches Durchmischen, verbunden mit schneller Abkühlung bewirkt Die Abkühlung unter dem Bereich von 1350— 1550⁰C erfolgt wesentlich langsamer als z. B. beim Abkühlen mit Eisenkugeln, wodurch weitgehend spannungsfreie und spannungsrißfreie Schleifmateria-

so lien erhalten werden können, die eine hohe Kornausbringung bei der Zerkleinerung und überraschend verbesserte Standzeiten des Schleifkorns in der praktischen Anwendung erlauben. Die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren herge stellten Produkte aus AItOj und ZrOj unterscheiden sich wesentlich von Produkten nach der DE-OS 21 60 705, da es sich als notwendig erwiesen hat das Verfahren so zu führen, daß rasch bis unter die Schmelztemperatur des Eutektiküms, welche bei einem Oxidgemisch, wie es im

μ nachstehenden Beispiel 1 beschrieben ist, bei etwa 1620⁰C liegt, abgekühlt wird. Gemäß der DE-OS 21 60 705 soll die langsame Abkühlung unmittelbar an die Erstarrung anschließen; es wurde jedoch gefunden, daß eine überraschende Qualitätssteigerung bei techni sehen Produkten dann eintritt, wenn bis mindestens 50, höchstens jedoch 250⁰C, vorzugsweise 100-150⁰C unter den untersten Punkt des Erstarrungsbereiches der Schmelze rasch abgekühlt wird, wobei bei Verwendung

sehr reiner Rohstoffe dieser Temperaturbereich, da dann der Erstarrungspunkt ansteigt, bis 350° C ausgedehnt werden kann. Welche Temperatur innerhalb des Bereiches von 50—350° C unterhalb des Erstarrungsbereiches gewählt wird, hängt von der Reinheit des Oxides bzw. des Oxidgemisches ab.

Dieser Oberraschende Effekt könnte dadurch erklärt werden, daß bis etwa 50° C unter dem Schmelzpunkt bzw. unteren Punkt des Erstarrungsbereiches der Schmelze noch ein rasches Wachstum der Kristallite erfolgt Mit zunehmend»"· Senkung der Temperatur verlangsamt sich dieses Wachstum und hört bei etwa 100° C unter dem Schmelzpunkt soweit ganz auf, so daß bei weiterer langsamer Abkühlung die Bildung eines Schleifmaterials auf der Basis von Aluminiumoxid und Zirkonoxid, welches besonders feinkristaJlin ist und sich gleichzeitig durch das weitgehende Fehlen von Spannungen und Spannungsrissen auszeichnet und dadurch eine sehr hohe Kornzähigkeit, verbunden mit außergewöhnlich hoher Standzeit aufweist, gewährleistet ist

Um den VorteiJ des erfindungsgemäßen Schleifmaterials voll ausnützen zu können, sind Begieitstoffe oder Zusätze der Menge nach zu begrenzen, da bereits Mengen von 5% eine Qualitätsminderung, insbesondere in Bezug auf die Standfestigkeit hervorrufen.

Die Erfindung soll durch mehrere Beispiele näher erläutert werden. Die Beispiele 1 bis 9 beziehen sich auf das eingangs beschriebene Verfahren, bei dem die Abkühlung der Schmelze in einem geschmolzenen Salzbad vorgenommen wird.

Beispiel 1

In einem elektrischen Lichtbogenofen wurden 500 kg einer Oxidmischung, bestehend aus 73,5% AI2O3,243% ZrOi 0,4% TiO2, 03% SiO₂, Rest andere Oxide, geschmolzen. Die Schmelze wurde in eine kohleausgekleidete Vorlage gegossen, in welcher 1200 kg vorgeschmolzenes Calciumchlorid bei einer Temperatur von 800° C vorlagen. Nach Beendigung des Eingießens war die Temperatur der Salzschmelze innerhalb von 5 see auf ca. 1400° C gestiegen. Die Calciumch'oridschmelze wurde vom erstarrten Schleifmaterial bei einer Temperatur von 1200° C, welche nach 40 min erreicht war, abgegossen und das in der Vorlage verbliebene Schleifmittel auf einen SiebroU gekippt, wo der Großteil des noch anhaftenden Calciumchlorids abtropfen konnte und das Schleifmittel weiter langsam abkühlte, d. h. die Temperatur fiel von 1200⁰C auf 500⁰C in einer Zeit von ca. 3 Standen ab.

Die abgegossene Schmelze von Calciumchlorid beinhaltst soviel Wärmeenergie, daß sowohl für eine notwendige Ergänzung durch frisches Calciumchlorid als auch für die Stehzeit bis zum nächsten Guß keine Wärme zugeführt werden mußte. Nach der großen Zerkleinerung des Schleifmittels wurde dieses mit fließendem Wasser zur Entfernung des restlichen Calciumchlorids gelaugt

Das so erhaltene Schleifmittel wurde in Zerkleinerungsanlagen (Walz- und Prallzerkleinerung) zu Schleifmittelkörn (FEPA-Nöfffi: Federation Eüföpiehne des Fabricants de Produits Abrasifs) verarbeitet.

Um die hervorragenden Eigenschaften des so erhaltenen Schleifmittels zu veranschaulichen, wurde dieses nach einem geringfügig modifizierten, vom Batteile-Institut vorgeschlagenen Kornzähigkeitstest, der in der Industrie eingeführt ist, geprüft. Die Modifizierung des Batteile-Tests war notwendig, um bei den sehr zähen Zirkonkorundschleifmitteln bei geringeren Urnlaufzahlen nach verkürzter Testzeit eine Aussage machen zu können.

Von dem zerkleinerten erfindungsgemäß nach diesem Beispiel hergestellten Schleifmittel wurden die Kornfraktionen 10 und 12 (FEPA-Norm) mittels einer Rotap-Siebmaschine abgesiebt und je 50 g der beiden Kornfraktionen in eine Labor-Eisenkugelmühle einge-

füllt, in welcher sich fünf Stahlkugel mit 35 mm Durchmesser befanden. Im Inneren der Eisenkugelmühle waren drei im Winkel von 120° zueinander versetzte Hubleisten angebracht Auf einem Walzenstuhl mit Umdrehungszählwerk wurde darauf die Kugelmühle so lange gedreht bis zwei Drittel des eingesetzten Korns durch das Sieb 14 durchdringen. Die Kornzähigkeit wird durch die Anzahl der Umdrehungen definiert, die notwendig sind, um zwei Drittel der eingesetzten Kornfraktionen 10 und 12 so zu zerkleinern, daß das Produkt mit dem Sieb 14 abgesiebt werden kann.

Da die Kornzähigkeitsergebnisse in gewissem Maße von der Kornform abhängig sind und die Kornform das Schüttgewicht beeinflußt, sind in den Tabelle 1 und 5 auch die Schüttgewichte des Schleifkorns angegeben.

Die elektronenmikroskopisehe Untersuchung ergab, daß der mittlere Durchmesser der im Eutektikum vorliegenden, meist stäbchenförmigen ZrOrKristallite zwischen 100 und 1300 tun, vorzugsweise zwischen 400 und 800 nm liegt Die primär ausgeschiedenen (X-AI2O3-Kristallite hatten eine durchschnittliche Größe zwischen 1 und 50 μπι.

Um einen Qualitätsvergleich mit den industrieüblich hergestellten Schleifmitteln anstellen zu können, wurde eine Schleifmittelschmelze mit gleicher Zusammensetzung wie das erfindungsgemäß hergestellte Produkt durch Guß auf 30-mm-Eisenkugeln bzw. durch Guß in eine Eisenkokille mit 10 mm Plattenabständen rasch abgekühlt

Die Ergebnisse sind in der Tabelle 1 enthalten.

Es wurde festgestellt, daß der optimale erfindungsgemiße Effekt erreicht wird, wenn die in den Beispielen angegebene Ausgangstemperatur der Kühlmittel und nicht eine höhere Temperatur gewählt wind, da sonst auf Grund der schlechten Wärmeleitfähigkeit des Zirkonkorunds die Abkühlung auf 1350 bis 1500⁰C nicht rasch genug erfolgt und dadurch die Kristallitengröße zu groß wird.

Beispiel 2

Das Beispiel 1 wurde dahingehend abgeändert daß anstatt einer Calciumchloridschmelze eine Schmelze ss von 1500 kg Bariumchlorid mit einer Temperatur von 1000⁰C vorgelebt wurde. Die Vorgangsweise und Ausprüfung sind gleich wie im Betsiel 1 angeführt Dir. Ergebnisse sind in der Tabelle 1 aufgezeigt

Beispiel 3

Um eine größere Zerteilung dur:h zusätzliche Salzverdampfung zu erreichen, wurde eine Salzschmelt,5 ze, bestehend aus 900 kg Calciumchlorid und 100 kg Natriumchlorid n.it ein<;r Temperatur von 800°C vorgelegt und wie im Beispiel 1 vorgegangen. Die Prüfungsergebnisse sind in Tabelle 1 aufgezeigt.

Tabelle I

Sthütt-

Ig/Lcml

Korn/iihigkcil Umläufe pro zwei Drittel Korn/crfiill

Schleifmittel durch Guß auT 30-mm-Eisenkugcln 2,08 17.2(K) hergestellt

Schleifmittel durch Guß in eine Eisenkokille mit 2.07 16.8(K) 10-mm-Plattcnabst.iinden hergestellt

Erfindungsgcmiiß nach Beispiel I hergestelltes Schleifmittel 2.28 27.300

Erfindungsgemüß nach Beispiel 2 hergestelltes Schleifmittel 2.25 26.2(K)

Hrfindungsgemaß nach Beispiel 3 hergestelltes Schleifmittel 2,28 27.5(K)

Aus diesen Ergebnissen ist eine deutliche Erhöhung der Kornzähigkeit im erfindungsgemäß hergestellten Schleifmittel ersichtlich.

Beispiel 4

500 kg Oxidgemisch, bestehend aus 41.0% ZrO₂, 58.25% AbOi. 0.04% SiO₂. 0.35% TiO₂. 0.18% CaO und 0.13% MgO. Rest andere Oxide, wurden im Lichtbogenofen geschmolzen und in 100 kg geschmolzenes, in einer kohleausgekleideten Wanne vorliegendes CaCI₂ gegossen. Durch die teilweise Verdampfung von Salz wurde die Schleifmittelschmelze ausreichend zerteilt und rasch auf 1400 bis 1500°C abgekühlt. Nachdem die Temperatür langsam, etwa 5^C pro Minute, auf 1200⁰C abgekühlt war, wurde das überstehende Sialz abgegossen. Damit noch anhaftendes Salz abtropfen konnte, wurde das granulatförmij;e Schleifmaterial auf einen Siebrost aus Kohle gekippt, wo die weitere Abkühlung bis auf 500 —600°C erfolgte. Zur Entfernung noch anhaftender Salzspuren wurde das grob vorzerkleinerte Schleifmaterial mit Wasser gelaugt.

Das so erhaltene Schleifmittel wurde darauf in einer Mahlanlage vermählen und aus dem Produkt die Kornfraktionen 20,25 (FEPA-Norm) abgesiebt.

Die Kornzähigkeit des Schleifmittels, die ein Maß für die Schleifleistung dargestellt, wurde nach folgender Methode bestimmt:

25 g der Kornfraktionen 20 und 25 wurden in eine verschraubbare Stahlwalzenmühle gegeben, in welcher sich ein metallischer zylindrischer Körper befand. Auf einem Walzenstuhl mit gleichbleibender Umdrehungsgeschwindigkeit wurden darauf nach 10, 30, 70 und 90 Minuten jeweils der Siebdurchgang und Siebruckstand auf dem Sieb No. 35 (FEPA-Norm) bestimmt.

Der angeführte Fe'iigkeitsindex (Kornzähigkeit) stellt eine Verhältniszahl dar, die angibt, wie sich die Zeiten, die notwendig sind, um 50% Kornzerfall zu bewirken, zwischen ungeglühtem Normalkorund und der jeweiligen Zirkonkorund-Probe verhalten.

Die Kornzähigkeitsbestimmung mittels der vom Battelle-Institut vorgeschlagenen Methode bestätigte die vorliegenden Ergebnisse, wobei aber diese Methode wesentlich zeitaufwendiger ist

Um einen Qualitätsvergleich mit Schleifmitteln gleicher Zusammensetzung, welche jedoch durch Guß auf 10-mm-Eisenkugeln oder durch Guß der Schmelze in eine Eisenkokille mit 3 mm Plattenabständen hergestellt wurden, anstellen zu können, wurden diese Produkte zu Korn No. 20,25 (FEPA-Norm) verarbeitet und die Schieifieistung sowie die Kornzähigkeit in der vorhin beschriebenen Weise bestimmt.

Die Ergebnisse sind in der Tabelle 2 enthalten.

Um Aufklärung über die MikroStruktur zu crhaken. wurde das erlindungsgcmäü hergestellte Schleifmittel mittels eines Raster-Elektronenmikroskopes untersucht. Dabei konnte festgestellt werden, daß die im Eutektikum vorliegenden stäbchcnförmigen ZrO₂-Knstallite einen mittleren Durchmesser von 2000 und 1000 nm, größtenteils 300 bis 600 nm aufwiesen. Ein nur sehr geringer unwesentlicher Anteil der Stäbchen hatte einen Durchmesser von unter 200 nm bzw. über 1000 nm.

Beispiel 5

Ein Schleifmittel mit einer Zusammensetzung nach Beispiel 4 wurde durch Guß in die 2.4fache Gewichtsmenge Bariumchloridschmelze, welche bei einer Temperatur von 1000⁰C vorlag, abgekühlt. Die Prüfungsergebnisse sind in der Tabelle 2 aufgezeigt.

Beispiel 6

Ein Schleifmittel mit einer Zusammensetzung nach Beispiel 4 wurde durch Guß in ein geschmolzenes Salzgemisch, bestehend aus 80 Gewichtsprozenten Calciumchlorid und 20 Gewichtsprozenten Natrium- ;-, chlorid, welches bei einer Temperatur von 75O⁼C vorlag, abgekühlt. Die Prüfungsergebnisse sind in Tabelle 2 aufgezeigt.

B e i s ρ i e I 7

Rein theoretisch hätte man annehmen können, daß es günstiger wäre, die Ausgangstemperatur der Salzschmelze so zu wählen, daß während der ganzen Gießzeit die Temperatur sich im Bereich von etwa 100 — 250° unter dem Erstarrungspunkt bewegt. Dazu wurde der folgende Versuch durchgeführt:

60 kg einer im Beispie! 4 beschriebenen Schleifmittelschmelze mit einer Temperatur von 1900°C wurden in ω 1000 kg CaCIrSchmelze, weiche bei einer Temperatur von 1300" C vorlag, eingegossen. Die Ausgleichstemperatur der Salzschmelze und des darin erstarrten Schleifmaterials lag bei 1400° C

Die Prüfungsergebnisse sind in der Tabelle 2 enthalten.

Der mittlere Durchmesser der ZrOrKristallite im Eutektikum der in den Beispielen 5 bis 7 hergestellten Schleif materialien lag zwischen 400 bis 800 nm.

Iabellc 2

IO

Sihleifmiltel durch Guß auf 10-mm-fiisenku^eln hergestellt

Schleifmittel durch GuB in eine Elisenkokille 92
mit 3-mm-Plattenabstünden hergestellt

fvrfindungsgemäß nach Beispiel 4 hergestelltes 97,5 Schleifmittel

HrfindungsgemäO nach Beispiel 5 hergestelltes 96,0 Schleifmittel

lirflndungsgemiiß nach Beispiel 6 hergestelltes 98,5 Schleifmittel

Knrn/a'higkcil % Kornr

linde M)	auf Sieb Nr 35 70	nach Min. 9(1	Knrnlcstigkcils index
80,5	64.5	62,0	2,(K)
78,5	69,5	59,0	1,98
86,0	76,0	70,5	2,25
83.5	74,5	69,5	2,20
87,5	76,5	71,0	2.27
*öse*	-1 Λ r\		-\ ι i\ L. I 7

Schleifmittel

Aus den Ergebnissen der Tabellen 1 und 2 ist zu ersehen, daß der Effek·: der überraschenden Qualitätssteigerung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren, insbesondere nach der Lehre der Beispiele I bis 6 erreicht wird. Besonders günstige Ergebnisse werden erzielt, wenn die Salztemperatur vor Beginn des Eingießens der Schleifmittelschmelze bei etwa 800-1000⁰C liegt. Bei höheren Salztemperaturen vor beginn des Eingießens der Schleifmittelschmelze, wie in Beispiel 7, tritt offensichtlich noch ein gewisses Kristallwachstum auf, was sich auf die Schleifleistung auswirkt.

Beispiel 8

Ein Schleifmateria!, bestehend aus 96.44% AbOj. 2,35% TiO₂, 0,63% SiO₂, 0,17% FeO, 0,28% CaO, Rest andere Beimengungen, wurde im Lichtbogenofen geschmolzen und die Schmelze durch Guß in die 2,4fache Gewichtsmenge geschmolzenen Calciumchlorids, welches bei einer Temperatur von 800°C vorlag, abgekühlt. Die Zerkleinerung erfolgte wie in den vorstehenden Beispielen. Die Kornzähigkeit wurde nach der in Beispiel 1 beschriebenen Kugelmühlenmethode geprüft. Die Größe des llauptanteils der im erhaltenen Schleifmittel vorliegenden «-Al₂O3-Kristallite lag zwischen 1 und 50 μπι.

Um einen Vergleich mit dem in Handel befindlichen braunen Blockkorund anstellen zu können, wurde derselbe unter gleichen Bedingungen getestet Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 enthalten.

Tabelle 3

Schutt- Kornzähigkeit

gewicht Umläufe pro zwei Drittel

(g/ccm) Kornzerfall

Blockkorund " 1,85 3.200

Erfindungsgemäß her- 2,01 5.300

gestelltes Schleifmittel

Beispiel 9

Um Salz oder Salzgemisch einzusparen, wurde die im Beispiel 4 beschriebene, bei I900°C vorliegende Schleifmittelschmelze gleichzeitig mit 400 kg festem CaCI₂, dessen Wärmeinhalt und Schmelzwärme auf κι diese Weise zum Kühlen ausgenützt wurden, in eine Vorlage gegossen, in welcher sich 200 kg geschmolzenes CaCI₂ mit einer Temperatur von 800⁰C befanden.

Das erhaltene Schleifmaterial unterscheidet sich nicht von dem in Beispiel 4 beschriebenen, jedoch konnten r> gegenüber Beispiel 4 400 kg Salz eingespart werden.

Aus diesen Ergebnissen ist ersichtlich, daß man durch das erfindungsgemäße Verfahren Korundschleifmittel mit außergewöhnlicher Kornzähigkeit und damit erhöhter Schleifleistung erhält.

Die weiteren Beispiele dienen dazu, die Vorteile von erfindungsgemäßen Schleifmaterialien an Hand ι on Versuchsergebnissen näher aufzuzeigen, wobei die Beispiele la und 2a die herkömmliche Herstellung von Schleifmaterialien betreffen.

Beispiel la

500 kg Oxidgemisch, bestehend aus 58,25% Al₂O₃, 41,0% ZrO₂, 0,04% SiO₂, 0,35% TiO₂, 0.18% CaO und 0,13% MgO, Rest andere Oxide, wurden im Lichtbogen-

Vi ofen geschmolzen und die Oxidschmelze durch Guß auf ein Bett von kalten Stücken des gleichen Materials gegossen. Der Durchmesser der vorliegenden Stücke lag durchschnittlich zwischen 5 und 20 mm. Nach dem Erkalten und grober Zerkleinerung des mit erstarrtem Schleifmittel durchsetzten Stückgutes wurde ein Teil davon für weitere Güsse abgesondert und der Rest mittels in der Industrie üblichen Prall- und Walzenmühlen vermählen und die Kornfraktionen 20. 25 abgesiebt (FEP Α-Norm) (Schleifmittel »A«).

ω Die Kornzähigkeit wurde wie im Beispiel 4 beschrieben bestimmt

Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 enthalten. Um Aufklärung über die MikroStruktur zu erhalten, wurde das nach Beispiel la hergestellte Schleifmittel mittels eines Raster-Elektronenmikroskops untersucht Dabei konnte festgestellt werden, daß die im Eutektikum vorliegenden stäbchenförmigen ZKVKristallite einen mittleren Durchmesser von 50 bis 200 nm. größtenteils

zwischen 80 und 150nm aufwiesen. Ein nur sehr geringer unwesentlicher Anteil der Stäbchen hatte einen Durchmesser von unter 50 nm bzw. über 200 nm.

Beispiel 2a

Eine Schleifmittelschmelze nach Beispiel la wurde in eine Eisenkokük? mit 3 mm Plattenabständen und 10 mm Plattenstärke gegossen.

Die Ergebnisse des wie im Beispiel la hergestellten und geprüften Schleifkorns sind in der Tabelle 4 enthalten. (Schleifmittel »B«.)

Elektronenmikroskopische Untersuchungen ergaben, daß der mittlere Durchmesser der im Eutektikum vorliegenden stäbchenförmigen Kristallite zwischen 2C und 200 nm, größtenteils jedoch im Bereich zwischen 50 und 100 nm lag. Beispiel 3a entspricht dem Beispiel 4.

Die Ergebnisse sind in der Tabelle 4 enthalten (Schleifmittel »C«).

Beispiel 4a

Eine Schleifmittelschmelze, wie sie im Beispiel la beschrieben ist, wurde durch Guß in eine Kokille aus Graphit mit 3 mm Plattenabständen und Plattenstärken von 4 mm gegossen. Zur Verlängerung der Abkühlzeit ab 1450°C wurde die Kokillenform zusätzlich mit Asbestwolle umgeben.

Die weitere Verarbeitung und Untersuchung erfolgte wie im Beispiel 4. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 4 enthalten (Schleifmittel »D«).

Der mittlere Durchmesser der meist stäbchenförmigen ZrO₂-Kristallite lag im erfindungsgemäßen, nach Beispiel 4a hergestellten Produkt zwischen 200 und 500 nm.

Beispiel 5a

Die im Beispiel la beschriebene Schleifmittelschmelze wurde auf ein Bett von Stücken des gleichen Materials gegossen. Der durchschnittliche Durchmesser der auf 75O°C vorgewärmten Stücke lag zwischen 5 und 20 mm. Nach dem Abkühlen auf ca. 750⁰C wurde ein Teil der Schleifmittelmasse nach grober Zerkleinerung für neue Güsse rückgeführt, der Rest wurde nach völligem Erkalten in an sich bekannter Weise zu Schleifkorn verarbeitet

Die Untersuchungsergebnisse des wie im Beispiel 4 geprüften Produktes sind in der Tabelle 4 enthalten (Schleifmittel »E«).

Der mittlere Durchmesser der meist stäbchenförmigen Kristallite im vorliegenden Schleifmaterial lag in einem relativ großen Bereich zwischen 200 und 800 nm.

Beispiel 6a

500 kg Oxidgemisch, bestehend aus 39,2% ZrO₂, 58,8% Al₂O₃, 0,05% SiO₂,1,5% TiO₂, 0,2% CaO, 0,15% MgO und der Rest andere Beimengungen, wurde nach der im Beispiel 4a angegebenen Methode abgekühlt

Nach der Verarbeitung zu Schleifkorn wurde das Produkt wie im Beispiel 4 geprüft Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 enthalten (Schleifmittel »F«),

Elektromikroskopisch wurden ähnliche Gefügedimensionen wie im Beispiel 4a festgestellt

Tabelle 4

Schleifmittel	Korn/i	ihigkcil	30	auf Sieb	Nr. 35	Korn-
	% Kornrückstand	77,5			l'estig-
	nach Min.	78,5	70	90	keits- index
	10	86,0	67,0	58,0	1,92
»A«	90,5	85,0	69,5	59,0	1,98
»B«	92	84,5	76,0	70,5	2,25
..c«	97,5	80,5	74,5	68,5	2,15
»D«	95		73,0	65,5	2,10
»E«	95	68,5	62,5	2,05
»f·«	92,5

Wie die vorliegenden Beispiele zeigen, ist im erfindungsgemäßen Schleifmaterial eine deutliche Verbesserung der Schleifleistung, insbesondere der Standzeit, festzustellen. Außerdem ist der Einfluß der Verunreinigungen auf die Kornzähigkeit aus den Beispielen 4a und 6a erkennbar, wobei durch die Ausscheidungen der Verunreinigungen an den Korngrenzen die Festigkeit leidet.

r> Die Vorteile von erfindungsgemäßen Schleifmaterialien auf Basis von A-AI₂Oj und ZrO₂ in einer Menge von 20 bis 30%, vorzugsweise 23 bis 27% ZrO₂ sollen an Hand von Beispielen und Versuchsergebnissen näher aufgezeigt werden, wobei die Beispiele Ib und 2b die

in herkömmliche Herstellung von Schleifmaterialien betreffen und zum Vergleich der Eigenschaften von herkömmlichen und erfindungsgemäßen Schleifmitteln dienen sollen.

Beispiel Ib

In einem elektrischen Lichtbogenofen wurden 500 kg einer Oxidmischung, bestehend aus 73,5% AI₂Oj, 24,8% ZrO₂, 0,4% TiO₂, 0,03% SiO₂, Rest andere Oxide, geschmolzen. Die Schleifmittelschmelze wurde darauf w auf ein Bett von kalten Stücken desselben Materials, welche in einer durchschnittlichen Größe von 5 - 20 mm vorlagen, gegossen. Nach dem Erkalten des Stuck- und Schmelzgutes wurde nach der groben Vorzerkleinerung ein Teil des Stückgutes für neue Güsse absortiert und ■r, der Rest mit den in der Industrie üblichen Prall- und Walzenmühlen zu Schleifkorn nach der FEPA-Norm.

Die Schleifmittel wurden wie im Beispiel 1 angeführt geprüft.

Das Ergebnis des Kornzähigkeitsiests ist in der Tabelle 5 enthalten.

Um eine Aussage über die Größe der Gefügebestandteile machen zu können, wurde das Schleifmaterial mittels eines Rasterelektronenmikroskops untersucht. Im besonderen wurde der mittlere Durchmesser der meist stäbchenförmigen ZrO₂-Kristallite in der eutektischen Phase des Gefüges bestimmt und festgestellt, daß diese im Bereich von 100 — 600 nm, vornehmlich jedoch im Bereich von 100-300 nm liegt Die Größe der primär ausgeschiedenen ix-AhOs-Kristallite lag im vorliegenden Beispiel zwischen 1 und 50 μίτι.

Beispiel 2b

Ein geschmolzenes Oxidgemisch, wie es im Beispiel Ib beschrieben ist wurde durch Guß in eine Eisenkokille mit 3 mm Plattenabständen und 10 mm Plattenstärken gegossen.

Die weitere Verarbeitung und Prüfung erfolgte wie im Beispiel 1. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 enthalten.

Der mittlere Durchmesser der meist stäbchenförmigen ZrO₂-Krtstallite in der tuteklischen Phase lag zwischen 50 und 500 nm, vorzugsweise jedoch zwischen 100 und 200 nm. Die Größe der primär ausgeschiedenen «-AI₂Oj-Kristallite wurden zwischen I "nd 30 μπι bestimmt.

Beispiel 3b entspricht dem Beispiel 1.

Die Prüfungsergebnisse sind in Tabelle 5 angeführt.

Beispiel 4b

Ein nach Beispiel Ib „oschmolzcnes Oxidgemisch wurde durch Gießen in eine Kokille aus 4,J mm starken Graphitplatten gegossen, wobei der Abstand der Platten «On?inander 3 mm und die Plattenstärkc 4 mm betrug. Zur Verlängerung der Abkühlzeit ab 1450 C wurde die Kokillenform mit Asbestwolle umgeben.

Das erhaltene Schleifmaterial wurde, wie im Beispiel Io beschrieben, auf seine Kornzähigkeit geprüft. Die Ergebnisse sind in der Tabelle 5 enthalten.

Der mittlere Durchmesser der im Eutektikum vorliegenden ZrOrKristallite liegt zwischen 200 und 800 nm, vorzugsweise jedoch zwischen 400 und 600 nm. Die primär ausgeschiedenen .*-AljOj-Kristallite hatten eine Größe von I —40 μιτι.

Beispiel 5b

Ein Oxidgemisch, wie es im Beispiel Ib beschrieben ist, wurde geschmolzen und au ein Bett von Stücken des gleichen Materials, welche vorher auf eine Temperatur von ca. 7OO-75O°C vorgewärmt wurden, gegossen. Die Größe der Stücke lag zwischen 0,5 und 20 nm. Nach Abkühlen des erhaltenen Stückes und Schmelzgutes auf eine Temperatur von 700 — 800" C wurde eine grobe Zerkleinerung vorgenommen und ein Teil davon zum Abkühlen neuer Güsse absortiert.

Die weitere Verarbeitung des restlichen Materials und Prüfung desselben erfolgte wie im Beispiel Ib. Die Ergebnisse sind in derTabelle 5 enthalten.

Die elektronenmikroskopische Untersuchung ergab eine ZKVKristallitengröße zwischen 500 bis llOOnm. vorzugsweise zwischen 600 bis 800 nm. Die Größe der primär ausgeschiedenen <x-Al;O3-Kristallite lag zwischen 1 und 50 μιτι.

Beispiel 6b

Ein Oxidgemisch, bestehend aus 23,6% ZrO₂. 73.8%' Al₂Os. 1,5 TiO₂. 0.08% SiO₂. 0.2% CaO. 0.15% MgO. ·> Rest andere Oxide, wurde geschmolzen und wie im Beispiel 4b beschrieben, abgekühlt.

Die Ergebnisse des nach Beispiel Ib geprüften Schleifmittels sind in Tabelle 5 enthalten.

Die Bestimmung der Kristallitengröße ergab ähnlichi ίο Werte wie im Beispiel 4b angegeben.

Tabelle 5

	1 b	Schlinge wicht	Korn/iihigkcil
		in g/ccm
Schleifmittel	2b	2,22	21.540
nach Beispiel
.'it Schleifmittel	}b	2.25	22.7(K)
nach Beispiel
Schleifmittel	4b	2,28	27.300
nach Beispiel
,. Schleifmittel	5 h	2.25	25.400
nacii Beispiel
Schleifmittel	(i b	2.24	2(i.l00
nach Beispiel
Schleifmittel	2.25	24.200
·" nach Beispiel

Nach den vorliegenden Ergebnissen wird eine deutliche Zunahme der Kornzähigkeit, womit eine Erhöhung der Standfestigkeit im Einsat/ verbunden ist. durch das weitgehende Fehlen von Spannungen und Spannungsrissen erreicht. Verunreinigungen, sofern sie nicht in das Kristallgitter eingebaut werden, scheiden sich an den Korngrenzen ab und beeinflussen, wie im Beispiel 6b ersichtlich, negativ die Kornzähigkeit.

Die obigen nach der vorstehend beschriebenen Methode erhaltenen Kornzähigkeitswerte gelten mit Bezug auf Schleifmittel Ib bis 6b annähernd auch bei geändertem, jedoch im Bereich von 20 ..is 30% liegenden ZrOrGehalt.

Claims

Patentansprüche:

1. Schleifmateria! auf Basis von A-Al₂O₃ und ZrO₂ und gegebenenfalls Begleitstoffen oder Zusätzen, bestehend aus Chrom, Eisen, Silicium, Titan, Vanadin, Calcium, Magnesium und/oder Seltene Erden, in Form von Oxiden, Carbiden, Carbonitriden und Nitriden in einer Menge bis höchstens 5%, vorzugsweise höchstens 2%, insbesondere zur Verwendung für das Präzisions- und Halbpräzisionsschleifen, dadurch gekennzeichnet, daß es weitgehend spannungs- und spannungsrißfrei als auch feinkristallin ist, wobei der mittlere Durchmesser der im Eutektikum vorliegenden ZrOrStäbchen im Bereich von 200 nm bis 1000 am, vorzugsweise im Bereich von 300 bis 600 nm liegt und mindestens 90% des «-AWrZrOrGemisches, vorzugsweise mindestens 95% in der eutektischen Phase vorliegen.

2. Schleifmaterial auf Basis von (X-ÄI2O3 und ZrO₂ in einer Menge von 20 bis 30%, vorzugsweise 23 bis 27% ZrO₂ und weiteren Begleitstoffen, bestehend aus Chrom, Eisen, Silicium, Titan, Vanadin, Calcium, Magnesium und/oder Seltene Erden, in Form von Metallen, Oxiden, Carbiden, Carbonitriden und Nitriden bis zu einem Gehalt von max. 5%, vorzugsweise weniger als 2%, dadurch gekennzeichnet, daß es weitgehend spannungs- und spannungsrißfrei als auch feinkristallin ist, wobei die im eutektischen Anteil ausgeschiedenen stäbchenförmigen ZrOylCristallite einen mittleren Durchmesser von 100 bis 1300 nm, vorzugsweise von 400 bis 800 nm, aufweisen und der Hauptanteil, das sind mehr als 80% der a-AWj-Kristallite eine Größe vonl bis 50 um hat

3. Verfahren zur Herstellung von Schleifmaterialien auf der Basis von Aluminiumoxid und Zirkonoxid nach Anspruch 1 und/oder 2, durch Schmelzen der Oxide und rasches Abkühlen der Schmelze, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidschmelze abgekühlt wird, indem sie in ein in geschmolzenem Zustand vorliegendes Salz oder Salzgemisch eingegossen wird, wobei die Abkühlung bis auf eine mindestens etwa 50° C, höchstens 350⁰C, vorzugsweise 100-250°C unter dem Erstarrungspunkt bzw. der unteren Grenze der Erstarrungsbereiche der Schmelze gelegene Temperatur vor sich gehen gelassen wird, wonach nach Erstarren der Schmelze das Salz oder Salzgemisch abgetrennt und das oder die erstarrten Oxide in an sich bekannter Weise zu Schleifkorn verarbeitet werden.