DE3040992A1 - Aluminiumoxid-schleifkorn und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

THE CARBORUNDUM COMPANY
Niagara Falls, New York
(Vereinigte Staaten von Amerika)

*■ Aluminiumoxid-Schleifkorn

und
Verfahren zu seiner Herstellung

Schleifkorn auf der Basis von im wesentlichen reinem Aluminiumoxid mit 0,25 bis 6% Zusätzen oder Restverunreinigungen aus dem Ausgangsmaterial hat sich als eines der vielseitigsten und technisch wichtigsten Schleifmittel erwiesen. Schleifkorn dieser Art findet bei vielen verschiedenen Schleifarbeiten an gebräuchlichen Metallen Anwendung.

Obwohl der Anteil an Verunreinigungen sehr gering ist, können diese die Schleifleistung des Schleifkorns erheblich beeinflussen. Durch Veränderung des Gehalts an Verunreinigungen sowie der Abkühlungs- und Erstarrungsgeschwindigkeit der Materialschmelzen wurde im Laufe der Jahre Aluminiumoxid-Schleifkorn verschiedener Art entwikkelt. Die einzelnen Typen unterscheiden sich durch eine unterschiedliche Kombination von Eigenschaften, wie Härte, Zähigkeit, Reibungseigenschaften, Mikrogefüge, Brucheigenschaften, thermisches Verhalten usw., wodurch jeder Typ für bestimmte Schleifarbeiten unter Verwendung von Schleifmitteln auf Unterlagen oder gebundenen Schleifmitteln besonders geeignet war.

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Bisher konnte kein wettbewerbsfähiges Material zur Verfügung gestellt werden, das bessere Schleifeigenschaften als im wesentlichen reines Aluminiumoxid hatte, insbesondere beim Schleifen mit geringem bis mäßigem Andruck.

Versuche, Aluminiumoxid mit anderen Oxiden in höherer Konzentration als bisher zu legieren wurden unternommen. Als besonders aussichtsreiches Material erwies sich dabei Zirkondioxid. Einen gewissen Erfolg brachten Versuche, bei denen Aluminiumoxid mit mindestens 10 Gew.-% Zirkondioxid verschmolzen und die Schmelze rasch zum Erstarren gebracht wurde.

In der US-PS 3 156 545 wird beschrieben, daß ein Schleifkorn mit einer Abtragsleistung, die mit derjenigen des Aluminiumoxids vergleichbar ist, durch rasches Abkühlen einer Schmelze hergestellt werden kann, die 15 bis 60 Vol.-% Glas, wie Siliciumdioxid, enthält, das eine glasige Grundmasse bildet, in der Zirkondioxid- und Aluminiumoxid-Teilchen eingebettet sind. Die Abtragsleistung des Schleifkorns ist bei Stahl jedoch nicht wesentlich besser als diejenige des Aluminiumoxids.

In anderen US- und GB-Patentschriften werden Aluminiumoxid/Zirkondioxid-Schleifmittel beschrieben, die auf speziellen Anwendungsgebieten bessere Leistungen als Aluminiumoxid zeigen.

Beispielsweise wird in der US-PS 3 181 939 ein hochfestes Schleifkorn beschrieben, das durch Schmelzen von a-Aluminiumoxid und 10 bis 60 Gew.-% Zirkondioxid und rasches Abkühlen der Schmelze erhalten v/erden kann. Das Schleifkorn eignet sich besonders zum Putzen von Stahl (d. h. Schleifarbeiten mit hohem Andruck), wobei eine hohe Festigkeit erforderlich ist. In der Patentschrift wird jedoch angegeben, daß das et-Aluminiumoxid von hoher Reinheit — in der

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Regel mindestens 99,8 Gew..-% Al₂O₃ — sein muß und daß auch das Zirkondioxid eine Reinheit von mindestens 99% haben soll.

Nach Angaben in den US-PSen 3 891 408 und 3 893 826 werden die besten Schleif- und Poliereigenschaften erhalten, wenn das Verhältnis des Zirkondioxids zum Aluminiumoxid so gewählt wird, daß ein eutektisches Gefüge entsteht, wenn die Aluminiumoxid/Zirkondioxid-Schmelze rasch abgekühlt wird.

< Aus der US-PS 3 891 408 ist die sehr rasche Kristallisation eutektischer oder nahezu eutektischer Schmelzen von Aluminiumoxid und Zirkondioxid bekannt. Es wird angenommen, daß die optimale eutektische Zusammensetzung und Leistung mit mäßigem Andruck bei 43 Gew.-% Zirkondioxid liegt; in jedem Falle beträgt jedoch der Anteil des Zirkondioxids in dem Schleifkorn 35 bis 50 Gew.-%. Das Zirkondioxid in dem Material liegt in Form von Stäbchen (oder Plättchen) vor, die im Durchschnitt einen Durchmesser von weniger als 0,3 μπι haben,, und mindestens 25 Gew.-% des Zirkondioxids liegt in der tetragonalen Kristallform vor. Die erstarrte Schmelze besteht aus Zellen oder Kolonien mit einer Breite von 40 μπι oder weniger. Gruppen

v. von Zellen mit identischer Orientierung des Mikrogefüges

bilden Körner, die typischerweise 2 bis 100 oder mehr Zellen oder Kolonien enthalten. Beim Zerkleinern des Materials tritt der Bruch an den Korn- und Zellgrenzen ein. Das so hergestellte Schleifkorn soll eine sehr hohe Festigkeit in Verbindung mit sehr erwünschten Mikrobrucheigenschaften haben.

Das nach der US-PS 3 891 408 hergestellte Schleifkorn zeichnet sich bei nahezu eutektischer Zusammensetzung durch ungewöhnliche Brauchbarkeit bei Schleifarbeiten mit leichtem Andruck aus. Bei der Anwendung als Schleifmittel

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auf Unterlage zu Schleifarbeiten mit geringem oder mäßigem Andruck ergaben sich Verbesserungen von über 100% gegenüber normierten Vergleichsschleifmitteln bekannter Art. Bei einer Verwendung in gebundenen Schleifmitteln wurden beim Schleifen mit geringem oder mäßigem Andruck ebenfalls wesentliche Verbesserungen erzielt.

Die Eigenschaften des Schleifkorns nach der US-PS 3 891 408 stehen im Gegensatz zu denjenigen von Schleifkorn mit niedrigerem Zirkondioxid-Gehalt, z.B. 25% ZrO₂, das sehr hart ist und zu Schleifarbeiten mit hohem An- r druck, wie zum Putzen von Stahl, verwendet wird.

Es stellte sich nun die Aufgabe, ein hochwirksames Aluminiumoxid/Zirkondioxid-Schleifkorn für Schleifarbeiten mit niedrigem oder mäßigem Andruck zur Verfügung zu stellen, dessen Schleifleistung gleich der oder besser als diejenige des Schleifkorns von eutektischer oder nahezu eutektischer Zusammensetzung nach der US-PS 3 891 408 ist, das jedoch weniger Zirkondioxid enthält. Ferner war ein Verfahren zum Herstellen dieses Schleifkorns anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in den Ansprüchen 1 und 10 angegebenen Maßnahmen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 9 sowie 11 und 12 angegeben, über die Verwendung des Schleifkorns gibt Anspruch 12 Aufschluß.

Wi^e aus dem Anspruch 1 ersichtlich, wird eine Verminderung des Zirkondioxid-Gehalts in dem Schleifkorn dadurch möglich, daß" dem Schleifkorn Titandioxid oder eine reduzierte Form desselben in einer Menge von 1 bis 10 Gew.-?;, ausgedrückt als Oxid, zugesetzt und der Anteil an Verunreinigen auf höchstens 3 Gew.-%, ausgedrückt als Oxide, begrenzt 'wird. Die Angabe von Schleifkorn-Bestandteilen als Oxide ist eine gebräuchliche Praxis in der Keramo-

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technik, bedeutet aber nicht, daß das Titan oder die Verunreinigungen auch als Oxide vorliegen. Dies kann tatsächlich nicht der Fall sein, wie aus nachstehender Beschreibung hervorgeht. Da aber bei den gebräuchlichen Analyseverfahren für Schleifmittel die Bestandteile als Oxide bestimmt und angegeben werden, wurde diese Praxis hier übernommen. Bei den gebräuchlichen Analysemethoden werden die Bestandteile mit Ausnahme des Aluminiumoxids bestimmt und als Oxide angegeben; der Rest wird als Aluminiumoxid angegeben. Auf dieser Basis werden auch hier die Analysenwerte für Schleifkorn ausgedrückt.

In der folgenden Beschreibung sind alle Angaben über die Mengen von Titandioxid oder einer reduzierten Form desselben oder der Verunreinigungen in dem Schleifkorn Analysenwerte, ausgedrückt als Oxide.

Die Menge des Titandioxids oder einer reduzierten Form desselben (beispielsweise eines Suboxides, Oxycarbides oder Carbides) in dem Schleifkorn beträgt 1 bis 10 Gew.-%, am besten 1 bis 5-Gew.-%. Obgleich festgestellt wurde, daß derart hohe Anteile an Titandioxid oder einer reduzierten Form desselben eine nachteilige Wirkung auf die Leistung von Schleifkorn mit nahezu eutektische^ Al₂O₃VZrO₂ ν Zusammensetzung bei gebräuchlichen Schleifarbeiten haben,

wurde gefunden, daß sie bei einem Schleifkorn, das 27 bis 35 Gew.-% ZrO₂ enthält, die Schleifleistung beim Schleifen mit niedrigem bis mäßigem Andruck überraschenderweise verbessern. Der Mechanismus, der dieser überraschenden Verbesserung der Eigenschaften des Schleifkorns durch das Titandioxid oder einer reduzierten Form desselben zugrunde liegt, ist nicht bekannt; er könnte in einer Erhöhung des Reibungsbeiwertes und der Erwärmungsgeschwindigkeit beim Reibungskontakt des Schleifkorns mit dem Metall bestehen, wobei die raschere Erwärmung das Eindringen des Schleifkorns in das Metall unterstützt.

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Sofern in dem Schleifkorn Verunreinigungen vorhanden sind, handelt es sich entweder um Restverunreinigungen aus den Ausgangsmaterialien oder um absichtlich beigegebene Zusätze. Solche Zusätze können beispielsweise zugefügt werden, um das Raffinieren zu fördern. So werden z.B. Eisen und Kohle Bauxitschmelzen zugesetzt, um den Gehalt an Eisenoxid und Siliciumdioxid zu vermindern und in Grenzen zu halten. Es ist in der Tat gebräuchlich, den Ansätzen Zuschläge hinzuzufügen, um eine bestimmte Endanalyse einzustellen oder um unerwünschte Phasen zu binden und ihre Abscheidung durch Ausfällen auf den Herd des Ofens oder r durch Abdampfen an der Oberfläche der Schmelze zu erleichtern.

Da es wirtschaftlich nicht vertretbar ist, alle Verunreinigungen völlig zu entfernen, kann das Schleifkorn bestimmte Verunreinigungen enthalten, die seine Leistung beeinflussen und vermindern können. Es ist wesentlich, daß der Gehalt an solchen Stoffen innerhalb bestimmter Grenzen gehalten wird. Solche Stoffe sind Alkalien (Soda, Pottasche, Lithiumcarbonat), Erdalkalien, Siliciumdioxid und Eisenoxide. Sie können einzeln, gemeinsam oder in Verbindung mit den Hauptphasen oder auch in reduzierten Formen, wie Carbiden, Nitriden und selbst als freie Metalle, vorkommen.

Die Potenz der schädlichen Verunreinigungen ist unterschiedlich. Alkalien, vor allem Soda, haben eine besonders schädliche Wirkung auf die Leistung. Siliciumdioxid ist bei den Zirkondioxid-Gehalten des hier beschriebenen Schleifkorns ebenfalls schädlich, aber in geringerem Ausmaß als Alkalien. Die Gegenwart von Erdalkalien im Endprodukt läßt sich leichter vermeiden, ist aber ebenso oder etwas weniger schädlich als die Gegenwart von Siliciumdioxid. Man beachte, daß bei höheren Zirkondioxid-Gehalten, als sie hier angewendet werden, beispielsweise bei einer eutektischen Aluminiumoxid/Zirkondioxid-Mischung, Silicium-

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dioxid ein vorteilhafter Bestandteil sein kann, wie z.B. in der deutschen Patentanmeldung P 29 OO 007.5 beschrieben.

In dem Fertigprodukt sollte daher der Gehalt an Verunreinigungsphasen auf wirtschaftlich vertretbare Mindestmengen gehalten werden. Diese werden von der Wahl, den Kosten, der Verfügbarkeit und der Qualität der verwendeten Rohstoffe Aluminiumoxid und Zirkondioxid sowie von dem Ausmaß bestimmt, in dem sie wirtschaftlich günstig von der angewendeten Schmelztechnik modifiziert werden können. Unabhängig von den Ausgangsrohstoffen und dem angewendeten Schmelzverfahren darf das Endprodukt höchstens 0,1% Na₂O und höchstens 1,5% SiO₂, besser höchstens 1% SiO₂, enthalten. Bei diesen Obergrenzen von Na₂O und SiO₂ ist ihr schädlicher Einfluß nicht zu groß und kann teilweise durch Anpassung des Titandioxid-Gehaltes neutralisiert werden. Darüber hinaus darf der Gesamtgehalt an MgO, CaO und Fe₂O₃ 1,5% nicht überschreiten.

Das Schleifkorn kann durch rasches Erstarren einer Schmelze aus Aluminiumoxid und Zirkondioxid, die noch die erforderliche Menge Titandioxid oder eine reduzierte Form desselben und eventuell Verunreinigungen enthält, hergestellt werden. Rasches Erstarren wird durch Zusammenbringen der Schmelze mit einem wärmeableitenden Material bewirkt und muß innerhalb einer Zeitspanne von 3 Minuten, besser innerhalb einer Zeitspanne von weniger als 1 Minute und am besten innerhalb einer Zeitspanne von weniger als 20 Sekunden stattfinden. Das wärmeableitende Material oder Kühlmedium kann aus Metallkugeln, Metallstäben oder Metallplatten oder auch aus Brocken von zuvor erschmolzenem Schleifkorn bestehen, auf die die Schmelze gegossen wird.

Ein wichtiges Kriterium des Kühlmediums besteht darin, daß es eine solche Form, Größe und Masse hat, daß es Hohl-

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räume bildet, in die die Schmelze eindringen kann. Das Kühlmittel muß also der Schmelze eine möglichst große Oberfläche darbieten, damit eine Erstarrung innerhalb der vorgeschriebenen Zeitspanne von 3 Minuten oder besser von weniger als 1 Minute erreicht wird. Das Kühlmedium muß die Wärmeenergie der Schmelze mit hoher Wärmeübergangsgeschwindigkeit absorbieren können, ohne zu schmelzen und ohne Verschlechterung seiner Eigenschaften, so daß es wiederholt verwendet werden kann. Ein Beispiel eines derartigen Kühlmediums ist die in der britischen Patentanmeldung 41763/77 beschriebene "Stabform¹¹. Andere bekannte r*.. Kühlmittel können ebenfalls verwendet werden.

Eine andere vorteilhafte Kühlmethode besteht darin, daß die Schmelze nicht auf das Kühlmedium gegossen, sondern dieses in die Schmelze eingetragen und wieder herausgenommen wird, wenn sich eine Produktschicht darauf niedergeschlagen hat.

Nach dem Abtrennen von dem Kühlmedium kann die erstarrte Masse zur Herstellung eines Schleifmittels in bekannter Weise zerkleinert werden. Das Zerkleinerungsverfahren kann aus einer Grobzerkleinerung in einem primären Backenbrecher, Weiterzerkleinerung in einem sekundären Walzenv brecher und schließlich Feinzerkleinerung in einer Cana-

ry-Mühle oder Hammermühle bestehen. Um Schleifkorn verschiedener Form zu erhalten, kann das Zerkleinerungsverfahren abgeändert werden. Dies ist eine, bekannte Methode, um den Anwendungsbereich eines Schleifkorns bestimmter Zusammensetzung zu erweitern. Beispielsweise kann für bestimmte Schleifmittel auf Unterlage ein leicht zerbrechendes, weiches, langgestrecktes, scharfkantiges Korn erforderlich sein, während bei bestimmten gebundenen Schleifmitteln ein scharfkantiges, aber mehr "blockförmiges", hartes Schleifkorn günstiger sein kann.

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Die Korngröße des erzeugten Schleifkorns kann sich zwischen 6 und 1000 nach den 1971/72 herausgegebenen Normen der FEPA oder dem U.S. Department of Commerce Commercial Standard CS271-65, ausgegeben am 12. April 1965, bewegen. Vorteilhaft ist eine Korngröße zwischen 6 und etwa 180, am besten eine solche zwischen 14 und 80.

Das Schleifkorn kann zur Herstellung von Schleifmitteln auf Unterlage oder zur Herstellung von gebundenen Schleifmitteln in herkömmlicher Weise verwendet werden. Das Schleifkorn kann in diesen Produkten das einzige Schleifmittel sein oder zusammen mit bekannten Schleifmitteln verwendet werden.

An Hand eines Beispiels wird nachstehend die Herstellung des Schleifkorns näher erläutert.

Das für das herzustellende Schleifkorn erforderliche Aluminiumoxid kann in Form von Bauxit oder kalzinierter Tonerde, erhalten nach dem Bayer-Verfahren, oder als Überschußschleifkorn, das eine wesentliche Menge Aluminiumoxid enthält, eingeführt werden. Der in der Schleifmittelindustrie verwendete Bauxit enthält neben Aluminiumoxid in der Regel noch 3 bis 4,5 Gew.-% Titandioxid, 3 bis V 8 Gew.-% Siliciumdioxid und 3 bis 10 Gew.-% Eisenoxid

(Fe₂O₃) .

Der Bauxit kann synthetischer Bauxit, ungereinigter kalzinierter Bauxit oder teilgereinigter Bauxit (Aluminiumoxid, hergestellt durch Schmelzen und Reduzieren von kalziniertem Bauxit mit metallischem Eisen und Kohle) sein. Wenn ungereinigter kalzinierter Bauxit direkt verwendet wird, muß man dem Bauxit-Zirkondioxid-Gemisch Eisen und Kohle zugeben, um möglichst viel Eisenoxid und Siliciumdioxid zu entfernen. Der Titandioxid-Gehalt kann dabei ebenfalls auf einen zu geringen Wert vermindert werden, so daß ein

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Zusatz von Titandioxid zur Einstellung der entgültigen Zusammensetzung notwendig werden kann.

Synthetischer Bauxit wird durch Verbinden oder Mischen von reinem Aluminiumoxid mit erwünschten Verunreinigungen, wie Titandioxid, hergestellt und anstelle von natürlichem Bauxit verwendet.

Reines Aluminiumoxid kann überschüssiges Schleifkorn mit hohem Aluminiumoxid-Gehalt oder nach dem Bayer-Verfahren erhaltene Tonerde sein. Letztere ist in zwei Formen im r Handel, die sich durch ihren Natriumgehalt unterscheiden:

kalzinierte Tonerde mit niedrigem Natriumgehalt, die 0,1 Gew.-% oder weniger Na₂O enthält, und normale kalzinierte Tonerde, die 0,5 bis 0,3 Gew.-% Na₂O enthält.

Als Zirkondioxid wird bei der Herstellung des Schleifkorns am besten Baddeleyit verwendet, der in der Regel

95 bis 99 Gew.-% Zirkondioxid 0,3 bis 3 Gew.-% Siliciumdioxid 0,5 bis 2 Gew.-% Titandioxid und 0,5 bis 2 Gew.-% Eisenoxid

ν enthält. Ein Gehalt an Hafniumoxid HfO₂ ist in den Gehaltsangaben für Zirkondioxid eingeschlossen.

Im Vergleich zu Bauxit enthält Baddeleyit geringere Mengen Siliciumdioxid, Titandioxid und Eisenoxid als ungereinigter Bauxit.

Als Zirkondioxid können auch Zirkondioxid-Blasen verwendet werden, die beim Schmelzen von Zirkonerde oder gereinigter Zirkonerde erhalten werden.

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Das zum Erschmelzen des Schleifkorns erforderliche Titandioxid, soweit es nicht in den anderen Ausgangsstoffen enthalten ist, kann in Form von handelsüblichem Rutil zugesetzt werden, der mindestens 90%, besser über 95% Titandioxid enthält.

Die erforderlichen Anteile der Hauptausgangsstoffe werden in der Regel mit dem notwendigen Zusatz Kohlenstoff, in der Regel in Form von Petrolkoks oder Graphit, und Eisen vorgemischt. Die notwendigen Mengen Kohlenstoff und Eisen, sofern letzteres erforderlich ist,- können von einem Fachmann an Hand der Analyse der Ausgangsstoffe leicht berechnet werden. Sollte der Titandioxid-Gehalt beim Schmelzen unter den erforderlichen Wert absinken, kann die zur Wiederherstellung des notwendigen TiO₂-Gehaltes benötigte Menge Titandioxid zugesetzt werden.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegen die Restverunreinigungen des Endproduktes unabhängig von den verwendeten Ausgangsmaterialien und der angewendeten Schmelztechnik unterhalb folgender Grenzen:

Siliciumdioxid <1,0 Gew.-%, am besten <0,5 Gew.-%. Gesamtgehalt an Alkalien (Na₂O) und Erdalkalien (CaO und MgO) <1,0 Gew.-%, am besten· <0,5 Gew.-%, davon Na₂O <0,1 Gew.-%.

Das Schmelzen der vorgemischten Ausgangsstoffe wird normalerweise in einem Kohleelektroden-Lichtbogenofen bei Temperaturen von normalerweise über 1800 ⁰C vorgenommen.

Nach dem Schmelzen, Raffinieren und — sofern notwendig — Wiedereinstellen des TiO₂-Gehaltes wird die Schmelze in oder auf ein geeignetes Kühlmedium gegossen, in oder auf dem die Erstarrung vorzugsweise innerhalb von einer Minute oder besser innerhalb von 20 Sekunden nach dem Kontakt mit dem Kühlmedium stattfindet.

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Es wird angenommen/ daß jede Kühlmethode oder jedes Kühlmedium angewendet werden, das eine hohe Wärmeleitfähigkeit, z.B. von mehr als 21 kW/m-°C (18 kcal/m.h.°C) bei 1200 ⁰C, hat und bei dem die größte Schichtdicke des gegossenen Materials vorzugsweise höchstens 2, am besten höchstens etwa 0,5 cm beträgt.

Kühlmittel, die geringere Wärmeleitfähigkeiten haben, wie Brocken von zuvor erstarrten Schmelzen, können verwendet· werden, sofern die Schichtdicke der aufgegossenen Schmelze entsprechend geringer ist, im Falle von Brocken zuvor er- f starrter Schmelze z.B. geringer als 0,7 und am besten

geringer als 0,3 cm.

Geeignete Kühlmittel müssen nicht nur eine hohe Wärmeleitfähigkeit, sondern auch hohe Schmelzpunkte haben. Aus diesen Gründen und wegen seiner verhältnismäßig niedrigen Kosten und reichlichen Verfügbarkeit ist Stahl ein gutes Kühlmittel. Ein anderes Beispiel eines wirtschaftlich brauchbaren Kühlmittels ist Gußeisen. Beispiele weiterer guter Kühlmittel sind Chrom, Nickel, Zirkonium und deren Legierungen, doch können sie für technische Zwecke zu kostspielig sein.

ν Nach dem Erstarren wird die erhaltene Masse zu der gewünschten Korngröße und Kornform zerkleinert. Die Zerkleinerung wird durch Brechen im Backenbrecher, Weiterzerkleinerung im Prall- oder Walzenbrecher und Peinmahlung in Prallmühlen, also mit Hilfe bekannter industrieller Zerkleinerungsverfahren, erreicht.

Wie festgestellt wurde, liegt das Zirkondioxid in dem erhaltenen Schleifkorn in der Regel zu 10 bis 40% in der tetragonalen Kristallform vor. Im allgemeinen ist der Gehalt an der tetragonalen Kristallform des Zirkondioxids um so niedriger, je höher der Restgehalt des Schleifkorns

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an Siliciumdioxid ist.

Insgesamt besteht das Mikrogefüge des erhaltenen Schleifkorns aus zwei Teilen:

1. primären Aluminiumoxid-Kristallen, die in

2. einer eutektischen Grundmasse aus Aluminiumoxid und Zirkondioxid eingebettet sind.

Der Volumenanteil der primären Aluminiumoxid-Kristalle beträgt bei einem Zirkondioxid-Gehalt von 34 Gew.-% etwa ζ 40% und bei einem Zirkondioxid-Gehalt von 27 Gew.-% etwa

52%.

Bei der optimalen eutektischen Schleifkornmasse nach der US-PS 3 891 408 sind wenig oder keine primären Aluminiumoxid-Kristalle zugegen; theoretisch dürften keine vorhanden sein. An der oberen Grenze des Zirkondioxid-Gehaltes gemäß dieser Patentschrift — bei 50 Gew.-% ZrO₂ — enthält das Schleifkorn primäre Zirkondioxid-Kristalle· Die bevorzugte Ausführungsform des Gegenstandes der US-PS 3 891 ergibt daher ein Mikrogefüge, das überwiegend rein ist und soweit wie möglich ganz aus eutektischen Zellen oder Kolonien besteht.
C

Das Mikrogefüge des Schleifkorns gemäß der Erfindung unterscheidet sich in dieser wichtigen Hinsicht dadurch, daß es erwünscht 40 bis 52 Vol.-% primäre Aluminiumoxid-Kristalle enthält und außerdem 1 bis 10 Gew.-% Titandioxid oder eine reduzierte Form desselben enthalten muß.

Die primären Aluminiumoxid-Kristalle in dem Schleifkorn gemäß der Erfindung haben eine Größe von 5 bis 50 μΐη und sind überwiegend kleiner als 30 μπι. Oft zeigen sie eine orientierte Struktur von dendritischem Typ, bei der die Dendrite oder Gruppen von Dendriten durch die eutektische Grundmasse getrennt sind.

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Das Zirkondioxid kommt in der Grundmasse in Form von Stäbchen oder Plättchen vor, die in einer aluminiumoxidreichen Grundphase verteilt sind. Der Durchmesser der Stäbchen bzw. die Dicke der Plättchen dürfte 0,02 bis 0,4 μπι betragen. Der typische Abstand zwischen den Stäbchen ist im Durchschnitt kleiner als 0,3 μπι, doch kommen auch kleinere Abstände vor, die unter dem Abtastelektronenmikroskop oft nicht mehr klar aufgelöst werden können.

Die Grundmasse besteht aus Gruppen von Zirkondioxid-Stäbchen oder -Plättchen mit einem hohen Orientierungsgrad, /" wodurch die Grundmasse zwischen den primären Aluminiumoxid-Kristallen in eine Reihe eutektischer Kolonien oder Bereiche unterteilt wird. Die Größe der Kolonien oder Bereiche bewegt sich typischerweise zwischen 5 und 30 μπι.

Die entscheidend wichtige Phase aus Titandioxid oder einer reduzierten Form desselben dürfte als feste Lösung mit den primären Aluminiumoxid-Kristallen vorliegen, doch wird angenommen, daß der größte Teil an der Grenzfläche zwischen den primären Aluminiumoxid-Kristallen und der eutektischen Grundmasse, insbesondere an der Grenzfläche zwischen den eutektischen Kolonien oder Bereichen vorkommt, die die eutektische Grundmasse bilden, in der die primären Aluminium-

ν oxid-Kristalle eingebettet sind. Die Restverunreinigungen

dürften sich ebenfalls an diesen beiden Stellen befinden, wo sie einzeln oder in Verbindung mit anderen oder der Hauptphase einschließlich des Titandioxids vorkommen.

An Hand von Beispielen wird die Erfindung näher erläutert. Bei diesen Beispielen wurde das folgende Schmelz- und Abkühlungsverfahren angewendet.

Das Schmelzen wurde in einem 100-kV-Wechselstromofen mit zwei Graphitelektroden von 76 mm Durchmesser vorgenommen, deren Abstand zwischen 10 und 25 cm verändert und deren

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Höhe ebenfalls eingestellt werden konnte. Ein vorgemischter Ansatz aus der zu untersuchenden Zusammensetzung wurde in den Ofen gegeben und der Lichtbogen durch Einlegen einer Graphitschiene zwischen die Elektroden bei einem Abstand von 10 cm gezündet.

Nachdem ein Ausgangsbad aus geschmolzenem Material erhalten worden war, wurden weitere Anteile des Gemisches portionsweise zugesetzt, und die Höhe sowie der Abstand der Elektroden wurde so eingestellt, daß bei einer Spannung von 65 bis 90 V ein Strom von 600 bis 1000 A floß.

In dieser Weise wurde die Schmelze 30 bis 40 Minuten im Ofen behandelt; dann wurde ein erster Abguß vorgenommen. Die Elektroden wurden über die Oberfläche der Schmelze hochgezogen, und nach einer Wartezeit von etwa 2 Minuten wurde die Schmelze in eine Form, die Stahlkugeln von 25 mm Durchmesser enthielt, oder in eine Stabform gemäß der britischen Patentanmeldung 41763/77 mit Stahlstäben von 25 mm Durchmesser und 5 mm Abstand gegossen.

Die Menge des bei jedem Abguß hergestellten Materials betrug 9 bis 18 kg, und für jede spezielle Zusammensetzung wurde eine Anzahl von Abgüssen ausgeführt.

Das nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren hergestellte, erstarrte Material wurde zur Erzeugung von Schleifkorn zerkleinert. Typischerweise wurde das Material zunächst in einem Backenbrecher auf eine Korngröße von etwa 8 Korn und feiner zerkleinert und dieses Produkt dann in einem sekundären Walzenbrecher auf eine Korngröße von 16 Korn und kleiner verfeinert. Dieses Material bildete ein Vorratsprodukt. Nach einer groben Magnetscheidung zum Entfernen von freiem Eisen aus den Zerkleinerungsmaschinen wurde das Vorratsprodukt sorgfältig zu gekreuzt abgeglichenen Korngrößen für die Herstellung von Produkten

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sowie für die physikalische und chemische Analyse abgesiebt. Hierbei wurde Schleifkorn der Korngrößen 16 bis 80 Korn erhalten; dies sind die gebräuchlichsten Korngrößen für die Ausführung von Schleifversuchen. Für kommerzielle Zwecke könnte eine komplette Korngrößenreihe hergestellt werden.

BEISPIEL 1

Nach dem vorstehend beschrieben Verfahren wurde eine Reihe von Schmelzen hergestellt. Ausgangsstoffe und Zusammensetzung der Mischungen sind in Tabelle 1 angegeben,

Tabelle 1

Ansätze mit Al₂O₃ von Ansätze mit syntheniedrigem Na₂O-Gehalt tischem Bauxit Ausgangsstoffe (Gew.-%) (Gew.-%)

F357 F358 F359 F36O F361 F362 F363 F364

Kalzinierte Tonerde
mit niedrigem Na₂O-Gehalt (+99% Al₂O₃) 65,5 63,0 69,5 67,0 64,7 62,2 68,65 66,18

Baddeleyit

(98% ZrO₂) 32 32 28 28 32 32 28 28

Rutil (95% TiO₂) 2,5 5,0 2,5 .5,0 2,5 5,0 2,5 5,0

e Siliciumdioxid

(98% SiO₂) - - - 0,6 0,58 0,64 0,62

Eisenoxid

(87% Fe₂O₃) - - - 0,2 0,19 0,21 0,20

100 100 100 100 100 99,7 100 100 Zusatz von Feingraphit 1,0 1,2 1,0 1,2 1,0 1,2 1,0 1,2

Anmerkung: Die Graphit-Zusätze scheinen übermäßig hoch zu sein. Das

ist jedoch nicht der Fall, da ein großer Teil, des Graphits in der Kruste oxydiert wird und nicht in die Schmelze gelangt. Die angegebenen Mengen wurden empirisch bestimmt und erbrachten gute Resultate. Bei Verwendung von gröberem Kohlenstoff kann die Menge erheblich vermindert werden.

Die Schmelzen der Ansätze nach Tabelle 1 wurden in eine 25-mm-Stabform der vorstehend beschriebenen Art gegossen und nach dem Erstarren in der vorstehend beschriebenen Weise zerkleinert. Das Schleifkorn hatte die in Tabelle angegebene Analyse.

	Tabelle 2	Al,0,	TiO,	%-Gehalt	Fe9O,	SiO,	Na, 0
		65,96	1,82	CaO	0,15	0,5	0,03
Schmelze Nr.	ZrO,	65,07	3,35	0,04	0,05	0,3	0,02
F357	31,5	65,22	1,82	0,01	0,01	0,3	0,04
F358	31,2	65,15	3,26	0,01	0,01	0,5	0,04
F359	28,6	65,55	1,67	0,04	0,04	0,8	0,03
F360	29,0	63,73	3,28	0,01	0,01	0,9	0,03
F361	31,9	68,40	1,73	0,04	0,02	0,7	0,03
F362	32,0	66,77	3,26	0,02	0,02	0,9	0,02
F363	29,1			0,03
F364	29,0

BEISPIEL 2

Genau abgeglichenes Schleifkorn der Korngröße 36 der im

C Beispiel 1 angegebenen Zusammensetzungen wurde zu Schleif -

bändern verarbeitet. Eine Probe von herkömmlichem, braunem , geschmolzenem Aluminiumoxid der Qualität G52E, das verbreitet zur Herstellung von Schleifbändern verwendet wird, wurde ebenfalls zu Schleifbändern verarbeitet. Die Korngröße der Probe G52E wurde genau gekreuzt den Versuchsproben F357 und F364 angepaßt.

Um den Einfluß von Staub auf dem Schleifkorn und mögliche Unterschiede in den elektrostatischen Auftragseigenschaften zu beseitigen, wurden alle Schleifkorn-Produkte gewaschen und einer Oberflächenbehandlung unterzogen, um eine Standard-Leitfähigkeit an der Oberfläche sicherzustellen.

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Das so vorbehandelte Schleifkorn wurde dann elektrostatisch mit einer Gleichspannung von 19 kV innerhalb einer Zeitspanne von etwa 20 Sekunden über einen Abstand von etwa 25 nun auf eine biegsame Unterlage aufgespritzt.

Die biegsame Unterlage bestand aus einem Polyestergewebe mit einer 4/1-Satinbindung und etwa 41 χ 16 Fäden/cm², das zuvor mit einem Klebstoffgemisch aus einem kommerziellen einstufigen flüssigen Phenolharz mit einem Phenol/ Fbrmaldehyd-Verhältnis von etwa 1:1,6 überzogen worden war. Der Klebstoff enthielt ferner gemahlenen Kalkstein f- mit einer Teilchengröße von etwa 17 bis 25 μΐη. Das Verhältnis von Phenolharzkleber zu Kalkstein betrug 58 zu 42 Gew.-%. Außerdem enthielt der Klebstoff noch 0,1 Gew.-% eines Netzmittels (MANOXOL O.T.). Der Klebstoff hatte eine Viskosität von etwa 0,8 Pa-s bei Beschichtungstemperatur. Für Schleifkorn der Korngröße 36 wurde eine Beschichtung von 0,28 kg/m² verwendet.

Das Gewebe mit dem in einer Konzentration von etwa 0,9 kg/m² aufgetragenen Schleifkorn wurde (mindestens) 1 Stunde bei 75 ⁰C und dann mindestens 3 Stunden bei 90 ⁰C sorgfältig getrocknet.

V Danach wurde auf die Kornoberfläche eine Deckschicht aufgetragen, um die Lücken zwischen den Schleifkörnern teilweise zu füllen und die Haftung und Bindung zu verbessern. Die Deckbeschichtung betrug etwa 0,65 kg/m². Die Zusammensetzung des Deckschichtmaterials war die gleiche wie die des Klebstoffs, doch enthielt das Deckschichtmaterial noch 1,5 Gew.-% PYROGENE, das ein "Ablaufen" der Deckschicht beim abschließenden Trocknen und Aushärten verhindert.

Ein typischer Aushärtungsvorgang bestand aus einer Erwärmung von mindestens 1 Stunde auf 75 ⁰C, mindestens 3 Stunden auf 90 ⁰C, mindestens 1 Stunde auf 100 ⁰C und minde-

13 0 0 2 2²/o 7 1 2

stens 12 bis 14 Stunden auf 107 ⁰C.

Nach dem Aushärten wurde das Produkt mindestens 24 Stunden in einer feuchten Atmosphäre von +95% relativer Luftfeuchte aufbewahrt. Danach wurde das Produkt in drei Richtungen um 45° gebogen, um die Handhabung bei der Herstellung von Schleifbändern zu erleichtern. Aus dem beschichteten Material wurden mit Hilfe bekannter Methoden Schleifbänder der Größe 208 cm χ 5 cm hergestellt.

Auf diese Weise wurden Schleifbänder mit den Versuchsschleifkorn-Typen F357 bis F364 nach'Tabelle 2 und dem Schleifkorn aus herkömmlichem geschmolzenem Aluminiumoxid hergestellt.

Die so erhaltenen Schleifbänder wurden dann auf einer bekannten Hochleistungs-Schleifbandprüfmaschine unter Verwendung von Flußstahlwerkstücken in Form von gewalzten Winkelprofilen mit einem Querschnitt von 19 mm χ 19 mm χ 3,2 mm und einer Länge von etwa 1220 mm geprüft. Bei dieser Prüfung wurde das Band in herkömmlicher Weise auf das Hintergestell aufgelegt und das Werkstück so angeordnet, daß es mit seinem Querschnitt gerade unterhalb des horizontalen Durchmessers der Andruckrolle das Band berührte.

Das Schleifband wurde mit einer Geschwindigkeit von 1372 m/min angetrieben und über eine Andruckrolle von 356 mm Durchmesser geführt. Auf das Werkstück wurde eine Vorschubkraft von 7,26 kg Totgewicht ausgeübt, und ein Schleifvorgang bestand aus 50 Kontakten von je 2,25 Sekunden Dauer mit einem Intervall von 10 Sekunden zwischen jedem Kontakt. Die Menge des abgetragenen (d.h. abgeschliffenen) Metalls wurde nach jedem SchleifVorgang gemessen, und der Versuch wurde fortgesetzt, bis die Menge des bei einem Schleifvorgang abgetragenen Metalls weniger als 66 g betrug. Das Gesamtgewicht des von dem Band abge-

I3OÖ2V/V7I2

tragenen Metalls und der Gesamtgewichtsverlust des Bandes ergaben die relative Schleifleistung des Bandes.

Die aus dem verschiedenen Schleifkorn hergestellten Schleifbänder zeigten die in Tabelle 3 aufgeführten Schleifleistungen.

	Tabelle	Gewichts verlust d. Bandes (g)	3	2. Testreihe	Gewichts verlust d. Bandes (g)
	1. Testreihe	12		Abgetra genes Metall (g)	9,0
Schleifkorn	Abgetra genes Metall (g)	10	1292	10,0
F357	1888	11	1189	10,0
F358	1265	13	1279	geprüft-
F359	1470	12	- nicht	10,0
F360	1848	19	1154	11,5
F361	1408	12	1361	11,0
F362	1768	geprüft-	1119	12,0
F363	1462	9	1267	8
F364	-nicht	415
G52E (her- kömml. Al2O3)	571

Die hohe Schleifleistung der Schleifmittel gemäß der Erfindung gegenüber herkömmlichem geschmolzenem Aluminiumoxid. Es wurden Verbesserungen von 100 bis 230% erhalten. Die Unterschied zwischen den beiden Testreihen besteht in der Kontaktzeit. Bei der ersten Testreihe bestand jeder SchleifVorgang aus 50 Kontakten von je 2,25 s Dauer; bei der zweiten Testreihe betrug die Kontaktzeit bei den 50 Kontakten 2 s.

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BEISPIEL 3

Die Testwerte für Schleifbänder werden nach einem Verfahren erhalten, das in der einschlägigen Industrie als Schleifen mit niedriger Frequenz bezeichnet wird, d.h. die Anzahl der Zeiten je Sekunde, während der jeder Schneidpunkt das Werkstück berührt, ist verhältnismäßig niedrig. Die Schneidfreguenz für Bänder hängt von dem Verhältnis der erhabenen Oberflächenteile zu den Nuten der Andruckrolle ab und beträgt typischerweise 1 bis 10 s . Um die Vorteile der neuen Schleifmittel bei hohen Schneidfrequenzen zu prüfen, wurden auch Tests ausgeführt, bei denen das Schleifkorn in gebundene Schleifscheiben von 178 mm Durchmesser eingearbeitet wurde. Bei diesen kann die Schneidfrequenz je Korn bis zu 100 s betragen.

Es wurde im wesentlichen das gleiche Verfahren angewendet, wie im Beispiel 2 beschrieben, wobei jedoch das Schleifkorn auf eine Unterlage aus Hochlexstungsfaser aufgetragen wurde.

Bindemittel für die Scheiben war ein einstufiges flüssiges Phenolharz mit einem Phenol/Formaldehyd-Verhältnis von 1:1,55. Diesem Phenolharz wurden 15 Gew.-% Äthandiol und gemahlener Kalkstein im Verhältnis von Gewichtsteilen Calciumcarbonat-Pulver zu 11 Gewichtsteilen Phenolharz zugesetzt. Ferner wurden dem Bindemittel noch ein Netzmittel (MANOXOL OT) und soviel Wasser hinzugefügt, daß die Viskosität des Bindemittels 1,7 Pa-s betrug. Das Bindemittel wurde mit einer Schichtdicke von 0,35 kg/m² aufgetragen. Die elektrostatisch auf die Bindemittelschicht aufgespritzte Schleifkornschicht hatte eine Schichtdicke von 1,4 kg/m² (Anmerkung: Je nach dem spezifischen Gewicht des Schleifkorns wurde das Auftragsgewicht so modifiziert, daß ein konstantes Volumen erhalten wurde.)

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Die Auftragsspannung betrug 19 kV Gleichspannung über einen 25-mm-Spalt und die Auftragszeit 20 Sekunden.

Das beschichtete Produkt wurde dann mindestens 3 Stunden bei 90 ⁰C getrocknet.

Danach wurde eine Deckschicht aus folgenden Komponenten aufgebracht:

35 Gew.-% eines einstufigen kommerziellen flüssigen Phenolharzes mit einem Phenol/Formaldehyd-Verhältnis von ,- 1:1,6, 65 Gew.-% Kryolith-Füllstoff, 2,5 Gew.-% Eisen-

*- oxid-Pigment und 0,1% eines Netzmittels (MANOXOL OT). Die

Deckschicht wurde in einer Menge von 0,69 kg/m^a aufgetragen .

Das Produkt wurde mindestens 4 Stunden bei 90 ⁰C und 14

bis 16 Stunden bei 107 ⁰C getrocknet und ausgehärtet und

anschließend 24 Stunden in einer feuchten Atmosphäre mit

+95% relativer Luftfeuchte aufbewahrt. Es wurde dann in üblicher Weise über einer Kugel gebogen.

Aus dem Schleifmittel wurden in bekannter Weise Scheiben von 178 mm Durchmesser ausgestanzt.

Zur Herstellung der Schleifscheiben wurde genau gekreuzt abgeglichenes Schleifkorn der Korngröße 36 der in Tabelle 1 aufgeführten Schleifkorn-Produkte sowie das herkömmliche geschmolzene Aluminiumoxid-Produkt aus dem Beispiel 2 verwendet.

Die Schleifscheiben wurden auf einer Andruckscheibe aus einer Aluminiumlegierung befestigt, die mit einer 1,5 bis 3,2 mm dicken Gummiauflage versehen war. Die Scheibe wurde so angeordnet, daß sie das Ende eines FlußStahlrohres von 203 mm Durchmesser, 6,4 mm Wandstärke und etwa

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254 mm Ausgangslänge berührte. Das Werkstück war in der vertikalen Ebene um 2 bis 3° gegenüber der Horizontalen und in der horizontalen Ebene um 1 bis 2° gegenüber der Normalen geneigt. Das Werkstück rotierte mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 21,3 m/min und die Scheibe mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 3048 m/min. Die Scheibe wurde mit einer Totlastkraft von 22,7 kg gegen das Werkstück gedrückt.

Das Werkstück wurde während einer Kontaktzeit von. 15 Sekunden mit der Scheibe geschliffen, dann entfernt, ge- _f wogen, mit Wasser gekühlt und getrocknet. Der Schleif-

Vorgang wurde nach diesem Muster wiederholt, bis die in der Kontaktzeit von 15 Sekunden abgetragene Metallmenge weniger als 20 g betrug. Die bis dahin abgetragene Metallmenge und der Gesamtgewichtsverlust der Scheibe wurden als Maß für die Schleifmittelleistung gewählt. In dieser Weise wurden die Schleifkornprodukte F357 bis F364 sowie das Standard-Aluminiumoxid G52E geprüft. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 wiedergegeben.

Tabelle 4

Schleifkorn	Metallabtrag (g)	Gewichtsverlust der Scheibe (g)
F357 ~|	1004	2,73
F358 i Al2O3 mit niedrigem	918	2,88
F359 j Na20-Gehalt	1071	2,80
F360 J	1171	4,05
F361 Ί	637	1,93
Γ Synthetischer Bauxit F363 j	735 660	2,68 2,17
F364 J	810	2,60
G52E (Standard-Al.,O3)	537	2,20

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BEISPIEL 4

Um die Leistung des Schleifkorns gemäß der Erfindung in gebundenen Schleifmitteln zu vergleichen, wurden nach dem vorstehend beschriebenen Verfahren zwei weitere Schmelzen aus den in nachstehender Tabelle 5 aufgeführten Ansatzgemischen hergestellt.

	Gemi s ch-Zu s ammens e t zung	f Al2O3 mit niedri- I gem Na2O-Gehalt J Rutil I Siliciumdioxid	Schmelzen-Nr.	F366 _
Tabelle 5		V» Eisen(III)-oxid	F365 (Gew.-%)	64,2 5,0 0,6
Gemische aus synthetischem Bauxit		' 66,7 2,5 0,6	0,2
		0,2	30jO
Baddeleyit			100,0
		100,0	1,2
Feingraphit		1,0

Die Analyse der fertigen Schleifkornprodukte ist in Tabelle 6 wiedergegeben.

Al₂O₃ ZrO₂ TiO₂ CaO

Fe₂O₃ SiO₂ Na₂O

Tabelle 6	F365 (Gew.-%)	F366 (Gew.-%)
	68,72	65,25
	28,60	30,20
	1,76	3,24
	0,04	0,02
	0,14	0,24
	0,76	1,08
	<0,10	<0,10
	0,29	0,35
(2 h, 1300 0C)

Spezifisches Gewicht 4,42 g/cm³ 4,47 g/cm³

13 0 0 2 22J* 0-7 1 2

Die Schleifkornprodukte wurden zwecks gleicher Kornformund Korngrößenverteilung mit einem herkömmlichen braunen Aluminiumoxid-Schleifkorn, das durch Schmelzen von Bauxit hergestellt worden war und unter der Bezeichnung EDR verbreitet in gebundenen Schleifmitteln verwendet wird, sorgfältig gekreuzt abgeglichen.

Schleifscheiben-Ansätze

Zur Herstellung der Test-Schleifscheiben wurde folgendes Schleifkorn verwendet:

64% -0,70 bis +0,59 mm

36% -0,59 bis +0,50 mm

Die Ansätze für die Herstellung gebundener Schleifmittel waren:

	EDR	F365	F366
	(Gew.-%)	(Gew.-%)	(Gew.-%)
Schleifkorn	76,02	78,02	78,20
Bindergemisch 22	17,10	15,68	15,54
CS 303	1,71	1,57	1,55
CL 50	5,17	4,74	4,70

Anmerkung: Die verschiedenen Prozentsätze ergaben sich aus Anpassungen auf Grund des unterschiedlichen spezifischen Gewichts der Schleifkorn-Produkte F365 und F366 gegenüber dem Schleifkorn EDR (γ = 3,95 g/cm³). Dadurch wurde gewährleistet, daß das Volumen der Schleifkornzur Binderphase konstant blieb.

Das Bindergemisch 22 bestand aus einer fein gepulverten Mischung von 36,9 Gew.-% eines gepulverten Novolaks mit einem Phenol/Formaldehyd-Verhältnis von 1:0,71 und 63,1% eines Gemischs aus Schlämmkreide und Kaliumaluminiumfluorid.

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3040392

CS 303 ist ein gepulverter Novolak mit einem Phenol/Formaldehyd-Verhältnis von 1:0,95. CL 50 ist ein einstufiges flüssiges Resol mit einem Phenol/Formaldehyd-Verhältnis von 1:1,2.

Die Ansätze wurden hergestellt, indem zunächst das Schleifkorn mit dem flüssigen Resol CL 50 und der Bindermischung 22 gemischt wurde, um auf dem benetzten Korn eine Bindemittelschicht aufzubauen. Dann wurde der gepulverte Novolak CS 303 zugesetzt und mit den anderen Bestandteilen zu einem frei fließenden Gemisch verrührt, das fertig zum Formen war.

Schleifscheiben

Die vorstehend beschriebenen Mischungen wurden zum Herstellen von Schleifscheiben mit vertieftem Mittelteil von 178 mm Durchmesser und 6,4 mm Dicke verwendet, die in der Mitte mit Glasfasergewebe verstärkt waren und eine äußere Auflagenverstärkung aus Glasfasergewebe hatten. Die Schei ben wurden in bekannter Weise hergestellt und hatten nach dem Pressen folgende Dichten:

EDR F365 F366 (g/cm³) (g/cm³) (g/cm³)

Harte Qualität 2,41 2,63 2,65

Weiche Qualität 2,32 2,54 2,56

Anmerkung: Die unterschiede in den Dichten ergaben sich wiederum aus den unterschiedlichen spezifischen Gewichten der Schleifkorn-Produkte, d.h. das Volumen des Schleifkorns gegenüber dem Binder ist bei jeder Qualität gleich.

Die Schleifscheiben wurden unter Verwendung metallischer Distanzhalter zu Stapeln zusammengespannt und in diesem Zustand ausgehärtet. Der Härtevorgang bestand aus etwa

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27stündigem Erwärmen auf 179 ⁰C und weiterem lOstündigem Erwärmen auf 179 °C. Die ausgehärteten Scheiben wurden genau auf einen Durchmesser von 178 mm abgerichtet und vor dem Testen auf ihre Dichte in' gehärtetem Zustand geprüft.

Die Scheiben wurden auf einer Maschine getestet, die speziell für die Prüfung solcher Produkte konstruiert war. Die Scheibe wurde auf einer Welle befestigt, die die Scheibe mit einer Drehzahl von 6000 U/min in Umdrehung versetzte. Ein Flußstahl-Werkstück in Form einer Platte mit den /■ . Abmessungen 203 mm χ 102 mm χ 6,4 mm wurde unter der

Scheibe so befestigt, daß sich die Scheibe vorwärts und rückwärts entlang der Kante von 102 mm χ 6,4 mm bewegte. Die Testscheibe wurde mit einer Totlastkraft von 5,9 kg unter einem Winkel gegen das Werkstück gedrückt, der beim Freihandschleifen üblich ist. Das Werkstück wurde in eine Hin- und Herbewegung versetzt, die die Schwenkbewegung beim Schleifen mit einer Handschleifmaschine simuliert. Bei dieser Hin- und Herbewegung wurde das Werkstück mit einer Geschwindigkeit von etwa 9 m/min unter der Schleifscheibe hindurchgeführt.

Der Test bestand aus der Bestimmung der abgetragenen Me- \ tellmenge und des Gewichtsverlustes der Scheibe bei einer

Dauer des Kontaktes zwischen Scheibe und Metall von 2 Minuten. Der Test wurde fortgesetzt, bis die Menge des abgetragenen Metalls in der Kontaktzeit von 2 Minuten weniger als 30 g betrug. Die erhaltenen Daten geben die relative Schleifleistung des geprüften Schleifkorns in Form von durchschnittlicher Metallabtragsgeschwindigkeit, Schleifverhältnis und Qualitätsfaktor an. Das Schleifverhältnis errechnet sich aus der Gesamtmenge des abgetragenen Metalls, dividiert durch den entsprechenden Gewichtsverlust der Scheibe. Um Unterschiede in der Dichte der Schleifscheiben durch Unterschiede im spezifischen Gewicht des

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Schleifkorns auszugleichen, wurden alle Gewichtsverluste der Scheiben auf das Volumen normiert, das den Standard-Aluminiumoxid-Schleifscheiben äquivalent war (äquivalenter Gewichtsverlust).

Die mit den Schleifkornprodukten F365 und F366 sowie.dem Standard-Aluminiumoxid-Schleifkorn EDR erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 7 aufgeführt.

	Tabelle 7	Mittlere Metall- abtrags- geschwin- digkeit (g/min)	Schleif verhält nis	Qualitäts faktor*
Schleifkorn	Scheiben qualität	24,97	13,64	341
EDR (Standard-Al2O3)	weich	24,66	13,05	322
	hart	27,87	16,74	467
F365	weich	27,64	20,64	571
	hart	27,65	20,07	555
F366	weich	27,38	27,10	742
	hart

* Der Qualitätsfaktor ist das Produkt aus mittlerer Metallabtragsgeschwindigkeit und Schleifverhältnis.

Die Daten zeigen deutlich die überlegene Schleifleistung der Schleifkornprodukte gemäß der Erfindung gegenüber geschmolzenem Aluminiumoxid in gebundenen Schleifmitteln. Sie zeigen ferner die Verbesserung, die durch die Erhöhung des Titandioxid-Gehalts von 1,76% bei dem Produkt F365 Auf 3,24% bei dem Produkt F366 erzielt wird. Bei dem Produkt F366 wurde eine durch den Qualitätsfaktor ausgedrückte Schleifleistung erreicht, die um 130% besser als diejenige des Standard-Aluminiumoxid-Schleifkorns ist.

Die vorstehenden Beispiele zeigten die überlegene Schleifleistung der Schleifkornprodukte gemäß der Erfindung bei

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der Einarbeitung in Schleifmittel auf Unterlage und gebundene Schleifmittel für Schleifarbeiten mit niedrigem oder mäßigem Andruck gegenüber ähnlichen Schleifmitteln mit geschmolzenem Aluminiumoxid als Schleifkorn unter verschiedenen Bedingungen. Die Schleifmittel gemäß der Erfindung ergaben Verbesserungen bis zu 230% bei Produkten auf Unterlage und von über 100% bei gebundenen Produkten.

Um eine Anschauung von der Schleifleistung eutektischer Aluminiumoxid/Zirkondioxid-Schleifmittel zu vermitteln, die 40 bis 43 Gew.-% Zirkondioxid enthielten und gemäß den Hauptansprüchen der US-PS 3 891 408 hergestellt worden waren, wurde die Schleifleistung eines im Handel erhältlichen eutektischen Aluminiumoxid/Zirkondioxid-Schleifkorns mit derjenigen von geschmolzenem Aluminiumoxid verglichen.

BEISPIEL 5

Ein im Handel erhältliches eutektisches Al₂O₃/ZrO₂-Schleifkorn wurde hinsichtlich Korngröße und Kornform gekreuzt abgeglichen, nach dem im Beispiel 2 angegebenen Verfahren zu Schleifband verarbeitet und dieses nach dem Verfahren des Beispiels 4 geprüft. Es wurden die in Tabelle 8 aufgeführten Ergebnisse erhalten.

Schleifkorn

Kommerzielles eutektisches Schleifkorn
(40-43% ZrO₂)

Standard-Aluminiumoxid G52E

Tabelle 8

1. Testreihe

Band-Metall- Gewichtsabtrag verlust (g) (g)

1699

571

2. Testreihe

Band-Metall- Gewichtsabtrag verlust (g) (g)

1236

415

10

- 33 -

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_ 33 -

3040S92

Die Schleifleistung des eutektischen Schleifkorns war um 200% besser als diejenige des herkömmlichen geschmolzenen Aluminiumoxids.

Anmerkung: In der 1. Testreihe wurden 50 Kontakte von je 2,25 s Dauer, in der 2. Testreihe 50 Kontakte von je 2,0 s Dauer je SchleifVorgang vorgenommen .

BEISPIEL 6

Das im Handel erhältliche eutektische Aluminiumoxid/Zirkondioxid-Schleifkorn wurde hinsichtlich Korngröße und

Kornform gekreuzt abgeglichen ^ach dem Verfahren des Beispiels 3 zu Schleifscheiben verarbeitet, die dann nach dem Verfahren des Beispiels 2 geprüft wurden. Die erhaltenen Ergebnisse.sind in Tabelle 9 aufgeführt.

Tabelle 9

Schleifkorn

Kommerzielles eutektisches Al₂O₃/ZrO₂-Schleifkorn

Standard-Aluminiumoxid-Schleifkorn G52E

Gewichtsverlust Metallabtrag der Scheibe (g) (g)

984

537

2,75

2,20

Das kommerzielle eutektische Al₂O₃/ZrO₂-Schleifkorn ergab eine um 83% bessere Schleifleistung gegenüber dem geschmolzenen Standard-Aluminiumoxid.

BEISPIEL 7

Das im Handel erhältliche eutektische Aluminiumoxid/Zirkondioxid-Schleifkorn wurde hinsichtlich Korngröße und Kornform gekreuzt abgeglichen und dann nach dem Verfahren

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des Beispiels 4 zu Schleifscheiben vom Typ 27 mit vertieftem Mittelteil verarbeitet, die nach dem Verfahren des Beispiels 4 geprüft wurden. Das spezifische Gewicht des eutektischen Schleifkorns wurde bei der Ansatz-Zusammensetzung und der Preßdichte der Scheiben berücksichtigt. Die mit den Scheiben erhaltenen Testergebnisse sind in Tabelle 10 wiedergegeben.

	Tabelle 10	Mittlere	Schleif	Qualitäts
		Metall-	verhält	faktor
		abtrags-	nis
Schleifkorn	Scheiben	geschwin-
	qualität	digkeit
		(g/min)
			21,14	595
Kommerzielles eutek-			32,19	763
tisches Al2 O3/ZrO2-		28,15
Schleifkorn	weich	23,70	13,64	341
	hart		13,05	322
Standard-Aluminium-		24,97
oxid-Schleifkorn EDR	weich	24,66
	hart

Die Schleifleistung des kommerziellen eutektischen Aluminiumoxid/ Z irkondioxid-Schleifkorns war um 74 bis 137% besser als diejenige des Schleifkorns aus geschmolzenem Standard-Aluminiumoxid.

Die Schleifleistung des im Handel erhältlichen Aluminiumoxid/ Z irkondioxid-Schleifkorns gemäß den Hauptansprüchen und Lehren der US-PS 3 891 408 ist besser als diejenige von normalem geschmolzenem Aluminiumoxid-Schleifkorn und ähnlich, gleich und in manchen Fällen geringer als diejenige des Schleifkorns gemäß der Erfindung. Gegenüber dem bekannten eutektischen Al₂O₃/ZrO₂-Schleifkorn zeichnet sich das Schleifkorn gemäß der Erfindung dadurch aus, daß es überraschenderweise mit einem Zirkondioxid-Gehalt

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und einem Gefüge hergestellt werden kann, die außerhalb der für eine optimale Schleifleistung bei niedrigem und mäßigem Andruck in der US-PS 3 891 408 angegebenen Daten für das Al₂O₃/ZrO₂-System liegen. Diese gleiche oder bessere Schleifleistung des Schleifkorns gemäß der Erfindung wird durch die Gegenwart von Titandioxid oder einer reduzierten Form desselben erreicht. Durch die Verminderung des Zirkondioxid-Gehalts in dem Schleifkorn unter Beibehaltung seiner ausgezeichneten Schleifleistung konnte eine erhebliche Senkung der Herstellungskosten erzielt werden.

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Claims (17)

1. & FLORACK

   PATENTANWALTSBÜRO 30Λ0992

   SCHUMANNSTH. Θ7 . D-4000 DÜSSBLPORF

   Telefon: (0211) 683346 Telex: 08586513 cop d

   PATENTANWÄLTE: Dipl.-Ing. W. COHAUSZ · Dipl.-Ing. R. KNAUF · Dr.-Ing., Dipl.-WirtJch.-lng. A. GERBER ■ Dipl.-Ing, H. B. COHAUSZ

   Patentansprüche

   1/. Aluminiumoxid-Schleifkorn, dadurch gekennzeichnet, daß es 27 bis 35 Gew.-% Zirkondioxid, Titandioxid oder eine reduzierte Form davon in einer Menge von 1 bis 10 Gew.-%, ausgedrückt als Oxid, sowie Verunreinigungen — sofern überhaupt in einer Gesamtmenge von höchstens 3 Gew.-%, ausgedrückt als Oxide, enthält.
2. 2. Schleifkorn nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß es 1 bis 5 Gew.-% Titandioxid oder eine reduzierte Form davon, ausgedrückt als Oxid, enthält.
3. 3. Schleifkorn nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß eine reduzierte Form des Titandioxids zugegen ist und als Carbid, Oxycarbid oder Suboxid des Titans vorliegt.
4. 4. Schleifkorn nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es höchstens 0,1 Gew.-% Na₂O enthält.
5. 5. Schleifkorn nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es höchstens 1,5 Gew.-% SiO₂ enthält.

   34 300
   ü/un

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6. 6. Schleifkorn nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es weniger als 1 Gew.-% SiO₂ enthält.
7. 7. Schleifkorn nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß es weniger als 0,5 Gew.-% SiO₂ enthält.
8. 8. Schleifkorn nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß es insgesamt höchstens 1,5 Gew.-% MgO, CaO und Fe-O-, enthält.
9. 9. Schleifkorn nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß 10 bis 40 Gew.-% des Zirkondioxids in tetragonaler Kristallform voeliegen.
10. 10. Schleifkorn nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß sein Mikrogefüge aus primären Aluminiumoxid-Kristallen besteht, die in einer eutektischen Grundmasse aus Aluminiumoxid und Zirkondioxid eingebettet sind.

    ν
11. 11. Schleifkorn nach Anspruch 10, dadurch ge

    kennzeichnet , daß die Aluminiumoxid-Primärkristalle eine Größe von 5 bis 50 um haben und überwiegend kleiner als 30 um sind.
12. 12. Verfahren zum Herstellen des Schleifkorns nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet , daß eine Schmelze der erforderlichen Zusammensetzung innerhalb einer Zeitspanne von weniger als 3 Minuten durch Zusammenbringen mit einem wärmeableitenden Material abgekühlt wird.

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13. 13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß in weniger als 1 Minute abgekühlt wird.
14. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet , daß in weniger als 20 Sekunden abgekühlt wird.
15. 15. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß als wärmeableitendes Material Metallkugeln, Metallstäbe oder Metallplatten oder Brocken von zuvor erstarrtem Schleifkorn verwendet werden.
16. 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das wärmeableitende Material in die Schmelze eingetragen und aus ihr herausgenommen wird, wenn sich eine Schicht aus erstarrtem Produkt auf ihm niedergeschlagen hat.
17. 17. Verwendung des Schleifkorns nach einem der Ansprüche 1 bis 11 zum Herstellen eines gebundenen Schleifmittels.

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