DE3219607A1

DE3219607A1 - Gesintertes schleifmittel und verfahren zu seiner herstellung

Info

Publication number: DE3219607A1
Application number: DE19823219607
Authority: DE
Inventors: Alvin P. 14174 Youngstown N.Y. Gerk; Robert J. 14131 Ransomville N.Y. Seider
Original assignee: Kennecott Corp 06904 Stamford Conn; Kennecott Corp
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1981-05-27
Filing date: 1982-05-25
Publication date: 1982-12-23
Also published as: GB2099012A; GB2099012B; CA1195848A; FR2512828B1; DE3219607C2; FR2512828A1; BR8203073A; MX156659A

Description

KENNECOTT CORPORATION
Ten Stamford Forum
Stamford, Connecticut 06904
U.S.A.

Gesintertes Schleifmittel

und
Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft ein gesintertes SoI-GeL-Schleifmittel mit hohem Natrium- und Calcium-Gehalt sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Gebräuchliche Schleifmittel, insbesondere solche aus Metalloxiden, wie Aluminiumoxid, werden in der Regel durch Schmelzen des Oxids und Zerkleinern des abgekühlten Oxids zu Schleifkorn hergestellt.

Neuerdings werden Schleifmittel auch durch Sintern von Metalloxiden, wie Aluminiumoxid, hergestellt. Diese Schleifmittel zeigen zwar ein akzeptables Verschleißverhalten, haben aber nicht erwünschte Standzeit und gestatten auch nicht das Arbeiten mit so hohen Schnittgeschwindigkeiten, wie sie wünschenswert wären.

Es ist bekannt, daß keramische Erzeugnisse — auch Schleifmittel — durch Binden keramischer Oxidteilchen mit einem Mineralgel hergestellt werden können (vgl. US-PS 2 455 358). Es ist auch bekannt, zum Herstellen poröser keramischer Erzeugnisse kolloide Dispersionen zum Gelieren zu bringen, das Gel zu trocknen und zu kalzinieren (vgl. z. B. US-PS 4 181 532). Des weiteren ist bekannt, daß frei fließende Kugeln aus reinen oder gemischten Oxiden durch Dispergieren eines Oxidhydrates, Formen des Gels zu Kugeln und Sintern der Kugeln hergestellt werden können ("Application of Sol-Gel Processes to Industrial Oxides", Chemistry and Industry, 13. Jan. 1968). In den Vereinigten Staaten ist mindestens seit 1971 bekannt, daß solche kugelförmigen oder auch kan-

tigen Teilchen als Schleifmittel verwendet werden können. Dies geht aus einem Bericht der britischen Atomenergie-Behörde xn Harwell, Großbritannien, an die Carborundum Company Ltd. und krön dieser an Personen der Firma The Carborundum Company in den Vereinigten Staaten hervor.

Neuerdings wurde in den Vereinigten Staaten das US-Patent 4 31A 827 auf ein nicht geschmolzenes Aluminiumoxid-Schleifmitliel und em Verfahren zu seiner Herstellung erteilt. Das Schleifmittel besteht aus zufällig orientierten Kristalliten mit Durchmessern Jn der Größenordnung von 300 nm oder weniger und kann durch Gelieren einer kolloidalen Dispersion oder eines Hydrosols von Aluminiumoxid und einer modifizierenden Komponente und anschließendes Brennen

des Gels hergestellt werden. In der Beschreibung wird hervorgehoben, daß das Mineral frei von Calcium und Alkalimetall sein muß (zulässiger Gehalt <0,05% insgesamt). Wegen dieser Bedingung mussem komplizierte Reinigungsverfahren angewendet werden, wenn das Aluminiumoxid oder die modifizierende Komponente, wie es oft der Fall lsn, mit Calcium und Alkalimetall verunreinigt sind. Calcium beispielsweise ist fast immer im Brauchwasser und in magnesiumhaltigen modiflzp.erende Komponenten enthalten und kann daraus nur auf umständliehe und kostpielige Weise entfernt werden. Natrium ist in der Regel in vielen Aluminiumoxiden enthalten, sofern es nicht durch besondere Reinigungsverfahren daraus entfernt worden ist. 3n der US-Patentschrift 4 314 827 findec sich keine Anregung fur em Verfahren fur die Herstellung eines gesinterten Schleifmittels aus Aluminiumoxid, in dem hohqre Anteile von Calcium und Alkalimetall vorkommen können.

Es stellte sich daher die Aufgabe, ein keramisches Material auf der Basis von gesintertem Aluminiumoxid in Kornform zur Vertilgung zu stellen, das höhere Anteile Calcium und Alkalimetall enthalten kann und als Schleifmittel sowie fur andere Zwecke brauchbar

ist. Ferner

war ein Verfahren zum Herstellen des keramischen Materials anzugeben.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das im Anspruch 1 definiert« Material und durch das im Anspruch 4 angegebene Verfahren gelöst.

Gemäß der Erfindung werden keramische Teilchen aus einer gelierten Dispersion (Sol-Gel) durch Trocknen und Sintern des Gels hergestellt. Die Teilchen können für viele Zwecke verwendet, beispielsweise überall dort, wo Wärmebeständigkeit, Festigkeit, Härte, Verschleißfestigkeit und inertes Verhalten erforderlich sind, etwa als Füllstoffe, Zuschlagstoffe fur Baustoffe, Füllkörper in Destillationskolonnen oder als Träger fur Katalysatoren. Verbreitete te Anwendung finden die Teilchen jedoch als Schleifmittel; sie sollen deshalb im folgenden auch als Schleifmittel oder Schleifkorn bezeichnet werden, ohne daß damit aber ihre Verwendung zu einem bestimmten Zweck beschränkt wird.

Obwohl das Schleifmittel gemäß der Erfindung mehr als 0,05% (g/g) Nav trium plus Calcium enthält, ist es Schleifmitteln aus geschmolzenem

Aluminiumoxid überlegen. Der höhere Calcium- und Natrium-Gehalt ist zulässig, weil das getrocknete Sol~Gel rasch durch einen kritischen Temperaturbereich von unter 800 ⁰C auf eine Temperatur von etwa 1200 ⁰C erhitzt wird. Danach wird das Korn bei einer Temperatur oberhalb 1200 ⁰C gesintert.

Zur Herstellung des Schleifmittels wird eine Dispersion aus 2 bis 60% (g/g) Aluminiumoxid-monohydrat, einem gelösten oder dispergierten metallhaltigen Sinterhilfsmittel in einer solchen Menge, daß das Atomverhältnis von Metall zu Aluminium 1 : 2 bis 1 : 35, vorzugsweise 1 : 7 bis 1 : 25 beträgt, und 0,05 bis 1,8Z (g/g) der gelösten oder

( dispergierten metallhaltigen Feststoffe Calcium plus Natrium gebildet.

Zwecktnaßigerweise beträgt der Gehalt an Calcium plus Natrium weniger als 0,6% (g/g) und am besten weniger als 0,15% (g/g). Der Calcium-Gehalt darf bis zu 1,8% (g/g), der Natrium-Gehalt bis zu 0,4% (g/g) betragen, doch sollte der Calcium-Gehalt besser 0,6% und am besten 0,15% , der Natrium-Gehalt besser 0,25% und am besten 0,1% nicht überschreiten.

Die Dispersion wird dann bei einer Temperatur unterhalb der Schäumtemperatur des Gels zum Gelieren gebracht und getrocknet. Jedes beliebige Trocknungsverfahren kann angewendet werden. Unter "Trocknen" ist hier jede Methode zum Entfernen des Wassers zu verstehen, einschließlich der Lösungsmittelextraktion. Der getrocknete Feststoff

wird dann zu Körnern zerkleinert, die in der Regel auf eine Temperatur zwischen 500 und 800 ⁰C erhitzt werden. Danach werden die Körner rasch — in weniger als 10 Minuten und am besten in weniger als 5 Minuten — auf 1200 ⁰C oder höher erhitzt. Anschließend

werden die Kor-

ner weiter auf eine Sintertemperatur zwischen 1200 und 1650 ⁰C so lange erhitzt, bis die Dichte der Körner mehr als 85a der theoretischen Dichte beträgt. Mindestens ein Teil des Erhitzeps auf Sintertemperatur wird bei einer Temperatur oberhalb 1300 ⁰C ausgeführt.

Das erhaltene Korn ist ein gesintertes Sol-Gel-Schleirmittel mit einer Schleifleistung und Verschleißbeständigkeit gegenüber unlegiertem Stahl, die wesentlich besser als die betreffenden Eigenschaften des gebräuchlichen Schleifkorns aus geschmolzenem Aluminiumoxid und die mit den Eigenschaften lies bekannten gesinterten Scjl-Gel-Schleii"-korns mit niedrigem Natriun- und Calcium-Gehalt (<i0,05 %) gemäß der US-PS 4 314 827 sind. "Wesentlich besser" heißt hier, üaß die relative Schleif leistung mindestens 1,5mal und in der Regejl zweimal besser ist.

Die Erfindung erstreckt sich auch auf gebundene Schleifkörper und Schleifmittel auf Unterlagen aus Geweben oder ungewebten Textilien, die das neue Schleifkorn enthalten. Beispielsweise bieten Schleifmittel auf Unterlage, die mit dem neuen Schleifkorn hergestellt worden sind, nicht nur eine hohe Schleifleistung, bis das Korn abgenutzt ist, sondern ergeben auch einen Gesamtabtrag an Material, dejr demjenigen der meisten bekannten Schleifmittel überlegen it>L.

Wie bereits angegeben, wird das Schleifkorn aus einer Dispersion, vorzugsweise wäßrigen Dispersion hergestellt, die 2 Ibis 60% (g/g), m der Regel 10 bis 40% (g/g) Aluminiumoxid-monohydrat i(AlöOH), em metallhaltiges SinterhilfsmiLtel in einer solchen Menge, daß das Atomverhdltnis von Metall in dem Sinterhilf&mittel zu Aluminium 1 : 2 bis 1 : 35 betragt, und bis zu 1,8% der dispergieren und gelpsten Feststoffe Calcium und Alkalimetall enthält.

Das hier verwendete Aluminiumoxid-monohydratumfaßt Aluminiumoxidhydrate der allgemeinen Formel -η (Al₂O₃ ·χ H₂O), worm χ Φ,5 bis 3 ist.

Aluminiumoxid-monohydrat ist auch als Böhtnit bekannt. Die Bezeichnung Aluminiumoxid-monohydrat schließt auch Pseudo-Bdhmit ein.

Alle Feststoffe sind in dem Lösungsmittel entweder gelöst oder kolloidal dispergiert. Die Dispersion kann auf jede beliebige Weise hergestellt werden, am einfachsten durch Mischen des Aluminiumoxid-monohy— drates mit Wasser. Das Lösungsmittel wird fast immer Wasser sein, doch kann auch eine andere Flüssigkeit, beispielsweise ein niedermolekularer Alkohol, verwendet werden. Zum Mischen können alle geeigneten Mischvorrichtungen einschließlich Mischer mit hoher oder geringer Scherwirkung eingesetzt werden. Der Zusatz eines Dispergierhilfsmittels, wie einer Säure, kann vorteilhaft sein. Beispielsweise fördert ein Zusatz von 0,02 bis 0,25 mol, am besten von 0,05 bis 0,15 mol, Salpetersaure oder einer anderen flüchtigen Mineralsaure je Mol Aluminiumoxid-monohydrat das Dispergieren sehr. Unter "flüchtiger Mineralsäure" ist eine Mineralsäure zu verstehen, die beim Erhitzen der Dispersion, des Gels oder des getrockneten Gels auf eine Temperatur unterhalb der Sintertemperatur vollständig verdampft oder Rückstände bildet, die entweder verdampfen oder sich in ein Oxid umwandeln. Beispiele solcher Mineralsäuren sind Salpetersäure und Salzsäure. Statt einer Mineralsäure kann auch eine organische Säure, wie Essigsäure oder Ameisensäure, verwendet werden.

Die Feststoffe der fertigen Dispersion können außer Aluminiumoxidmonohydrat bis zu 50% (g/g) weitere Bestandteile enthalten, vorzugsweise Verbindungen wie Siliciumdioxid, Magnesiumoxid, Chromoxid und Titandioxid in kolloidaler oder gelöster Form oder Vorläufer dieser Verbindungen in kolloidaler oder gelöster Form enthalten.

Das Sinterhilfsmittel ist ein dispergierbares oder lösliches Metalloxid oder eine Metallverbindung, die beim Trocknen, Kalzinieren oder Sintern in ein Metalloxid übergeht. In der Regel ist das Sinterhilfsmittel bei der Verwendung von Wasser als Dispersions- und Lösungsmittel eine wasserlösliche oder dispergierbare Verbindung des Magnesiums, Zinks, Nickels oder Kobalts, die beim Erhitzen in das entsprechende Oxid übergehen. Beispiele solcher Oxidvorstufen sind die Nitrate und Chloride dieser Metalle. Die Nitrate der Metalle un^ insbesondere

Magnesiumnitrat sind besonders vorteilhaft. Das Sintjerhilfsmittel kann auch m situ hergestellt werden, indem man beispielsweise Magnesiumoxid oder -hydroxid einer wäßrigen Lösung von Salz- pder Salpeter saure zugibt und so eine wäßrige Lösung von Magnesiumchlorid oder -nitrat erhält. Das Sinterhilfsmitte] wird in der Regel als wasserlösliches Salz eingesetzt, kann aber auch eine wasserlösliche Base sein.

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Das Natrium und Calcium in der Dispersion stammen in der Regel aus naturlichen Verunreinigungen der anderen Komponenten der Dispersion. Das meiste Natrium stammt aus dem Aluminiumoxid, das Calcium überwiegend aus Verunreinigungen von magnesiumhaltigen Sinterhilfsmitteln oder dem Wasser. Mit "Calcium" und "Natrium" werden hier chemisch gebundenes Calcium und Natrium bezeichnet, die in der Dispersion als freie Ionen oder in ionischer Bindung vorkommen.

Bei dem Verfahren gemäß der Erfindung können in der Dispersion verhältnismäßig hohe Calcium- und Natrium-Gehalte loleriart werden, so daß komplizierte und kostspielige Reinigungsmaßnahmen

nicht erforderlich sind. Bis zu 1,8% kombiniertes Calcium und Natrium können in der Dispersion enthalten sein, ohne daß die dem Schleifkorjn aus geschmolzenem Aluminiumoxid überlegenen Eigenschaften des fertigen Schleifkorns beeinträchtigt werden. Zweckmäßigerweise sollte nedoch nicht mehr als 0,6% Calcium plus Natrium, bezogen auf die Masse der dispergierten oder gelosten metallhaltigen Feststoffe, zugegen sein. Die Gehalte finden sich im wesentlichen auch im fertigen Schleifkorn wieder.

Die Dispersion wird zum Gelieren gebracht. In der Regel bewirkt der Zui>ai/S des metallhaltigen Sintcrhilfsnu ttelt., vor allem Magnesiumnitrat., em Gelieren der Dispersion. Falls der Feststoff gehalt der Dispersion sehr gering ist, kann die Dispersion zum Gelieren eingedampft werden. Auch durch andere Maßnahmen kann das Gelieren herbeigeführt werden) beispielsweise durch Zusatz eines Geliermittels.

Das gebildete Gel wird bei einer Temperatur unterhalb seiner Schaumtemperatur durch Verdampicn des Wat>i>ers getrocknet. "Trocknen" bedeutet hier, daß mindestens 90% des freien (ungebundenen) Wassers

entfernt werden und ein Feststoff gebildet wird. Die "Schäumtemperatur" ist die Temperatur, bei der das Gel unter dem herrschenden Druck zu Schäumen beginnt. Das Trocknen oder Entwässern kann mit Hilfe aller gebräuchlichen Verfahren ausgeführt werden. Wird Wärme angewendet, so beträgt die Trocknungstemperatur in der Regel 80 bis 120 ⁰C. Die Trocknungszeit hängt von der Menge des vorhandenen Wassers oder anderen Dispersionsmittels, dem Trocknungsdruck und der Trocknungstemperatur ab. Bei Atmosphärendruck beträgt die Trocknungszeit in der Regel 1 Stunde bis 72 Stunden. Das erhaltene getrocknete Gel bildet in der Regel, aber nicht immer, einen durchscheinenden Feststoff.

Der getrocknete Feststoff wird nun mechanisch, z.B. in einer Hammerv oder Kugelmühle, zu Teilchen oder Körnern zerkleinert. Jedes Zerkleinerungsverfahren, das die gewünschte Korngröße ergibt, kann angewendet werden.

Die Körner oder Teilchen werden anschließend auf eine Temperatur zwischen 500 und 800 ⁰C erhitzt, bis im wesentlichen alles Wasser ausgetrieben ist und alle Komponenten der Körner entweder in keramischer Form (in der Regel als Metalloxid) vorliegen oder verdampft sind. Bei einer Temperatur zwischen 250 und 300 ⁰C werden die Säurerückstände abgetrieben. Zwischen 250 und 800 ⁰C, meist zwischen 300 und 600 ⁰C, wird im wesentlichen alles Wasser entfernt. "Im wesentlichen alles Wasser" bedeutet hier, daß das gesamte freie Wasser und über 90% des ( gebundenen Wassers ausgetrieben werden. Die Dauer dieses Kalzinierprozesses beträgt in der Regel 5 bis 20 Minuten.

Nach dem Trocknen und Kalzinieren wird das Korn rasch auf eine Temperatur oberhalb 1200 ⁰C erhitzt. Das Erhitzen muß so schnell geschehen, daß ein Schleifkorn mit guten Schleifleistungs- und Verschleißeigenschaften erhalten wird. Das Erhitzen muß in weniger als 10 Minuten, besser m weniger als 5 Minuten und am besten in weniger als 1 Minute ausgeführt werden. Das Schnellerhitzen kann in jeder geeigneten Weise vorgenommen werden, beispielsweise durch Einblasen der vereinzelten Teilchen in einen auf 1200 ⁰C, besser 1300 ⁰C vorgewärten Ofen.

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Die Kalzinierbehandlung kann auch unterbleiben, und aas Korn kann nach dem Trocknen direkt auf eine Temperatur oberhalb 120D ⁰C erhitzt werden. Diese VerfahrensVariante eignet sich besonders pum Herstellen einer bestimmten Art von Schleifmittel.

Nach dem raschen Erhitzen auf eine Temperatur oberhalb 1200 ⁰C wird das Korn weiter auf eine Sintertemperatur zwischen 1200 und 1650 ⁰C, vorzugsweise auf eine Temperatur zwischen 1250 und 1900 ⁰C, so lange erhitzt, bis das Korn zu einer Dichte gesintert ist, die mehr als 85% der theoretischen Dichte beträgt. Falls das Schleifmittel hauptsächlich aus Aluminiumoxid mit einem Gehalt von etwa p% (g/g) des Al₂O₃ Magnesiumoxid besteht, liegt die gewünschte Dichte oberhalb 3,3 g/cm³. Mindestens ein Teil des Erhitzens sollte bei einer Temperatur oberhalb 1300 ⁰C ausgeführt werden. Die Sinterziit hängt von der Sintertemperatur ab und beträgt in der Regel 5 bis 30 Minuten, kann aber auch weniger als 5 Minuten, z.B. zwischen 1 betragen.

und 5 Minuten,

Beim Betrachten eines polierten Dunnschnitts des nach pem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Schleifkorns unter einem Durchsichtmikroskop mit gekreuzten Polarisatoren bei 500- oder 700facher Vergrößerung sieht man, daß das Gefuge des Materials mit einer Nennzusammensetzung von Al₂0₃-6% MgO aus Bereichen von 500 bis 20 000 nm Nenndurchmesser besteht, die beim Drehen der Probe als Ganzes Aus löschung • verursachen. Es wird angenommen, daß die Aus löschung in diesem Fall von der vorherrschenden doppelbrechenden a-Aluminiumoxijd-Phase hervorgerufen wird. Damit diese Bereiche als Ganzes Ausldschung erzeugen können, ist anzunehmen, daß diese Bereiche entweder ausl kontinuier-

nicht

liehen Ot-Aluminiumoxid-Knstallen oder aus kleineren,/zufällig orientierten Alumimumoxid-Kristallen bestehen. Wenn die a-Aluminiumoxid-Kristalle entweder einen Durchmesser zwischen 500 und 20 000 nm habe.i oder sehr viel kleiner, aber nicht zufällig orientiert sind, kann der kombimerte Calcium- und Natrium-Behalt in den Kristallin kleiner als 0,05% sein.

Das (jcfuge des Alummiumoxid-Korns gemäß der Erfindung unterscheidet sich erheblich von demjenigen normal gesinterten oder geschmolzenen

Aluminiumoxid-Schle'ifkorns ähnlicher Zusammensetzung hinsichtlich der Homogenität der Verteilung des Metalloxid-Sinterhilfsmittels. Es scheint, daß beim Brennen des zuvor kalzinierten Materials eine Umwandlung von atotnistisch verteiltem Magnesiumoxid in γ-Aluminiumoxid zu einer mikroskopisch innig homogenen Mischung von Aluminiumoxid und Spinell stattfindet.

Beim normalen Sintern von Schleifkorn tritt eine Verdichtung entweder durch einen Diffusionsmechanismus bei den vorhandenen Ot-Aluminiumoxid-Kristallen oder einen Verdichtungsmechanismus in der flüssigen Phase ein. Beim Sintern von Sol-Gel-Schleifmitteln kann eine verdrängende Umwandlung von γ-Aluminiumoxid in α—Aluminiumoxid und Spinell V mit minimaler Diffusion stattfinden. Diese einzigartige Umwandlung

führt normalerweise zu einer ausgeprägten Senkung der Sintertemperatur.

Das Schleifkorn gemäß der Erfindung kann allgemein als ein gesintertes Schleifkorn aus Aluminiumoxid, einem als Sinterhilfsmittel dienenden Metalloxid und bis zu 1,8% (g/g), besser bis zu 0,6% (g/g) und am besten bis zu 0,15% (g/g) Calcium plus Natrium beschrieben werden.

Wie bereits erwähnt, hat das Schleifmittel gemäß der Erfindung ausgezeichnete Verschleißeigenschaften und ermöglicht überdies das Arbeiten mit hohen Schnittgeschwindigkeiten und die Erzielung einer hö- ί tieren Schleifleistung bei unlegiertem Stahl als die meisten anderen

Schleifmittel. Bekannte Schleifmittel mit hohem Calcium- und Natrium-Gehalt weisen nicht die Kombination von hoher Schleif leistung und hoher Verschleißfestigkeit auf, wie sie die besten der nach dem Verfahren gemäß der Erfindung hergestellten Schleifmittel haben.

Wie bereits ebenfalls erwähnt, hat das gesinterte Sol-Gel-Schleifmittel gemäß der Erfindung bei unlegiertem Stahl eine höhere Schleifleistung als Schleifkorn aus geschmolzenem Aluminiumoxid. Die Sol-Gel-Schleifmittel gemäß der Erfindung haben eine Schleifleistung, die mindestens zwei-, in der Regel jedoch drei- bis viermal besser als diejenige eines Schleifmittels ausgeschmolzenem Aluminiumoxid ist. Die relative Schleifleistung wird in nachstehenden Beispielen definiert und beschrieben.

An Hand folgender Beispiele wird die Erfindung verarschaulichtj sie ist jedoch nicht auf diese Beispiele beschränkt.

BEISPIEL 1 (Stand der Technik)

Ein Sol-Gel-Schleifkorn mit hohem Calcium-Gehalt wur<ke nach einem Verfahren gemäß dem Stand der Technik hergestellt. Hierbei wurde das getrocknete Sol-Gel mit hohem Calciumgehalt langsam ipnd gleichmäßig von Umgebungstemperatur auf 1370 °C erhitzt.

10,199 kg Bdhmit wurden in 77,6 Z Wasser dispergiert, und der Dispersion wurden zur Bildung eines Sols (einer kolloidalen Losung) 573 mZ konzentrierte Salpetersäure zugesetzt. Ferner wurden 73,9 g Titan(IV)· isopropoxid in 4150 ml Isopropylalkohol dispergiert und zusammen mit 36,5 g einer kolloidalen Siliciumdioxid-Dispersion deiji Sol beigemischt.

Ferner wurden 3162 g Magnesiuinnitrat in 7,57 I Wasser gelöst, und die Losung wurde unter Rühren dem Sol zugesetzt. Fat.t sofort trat Gelieren ein. Das Rühren wurde etwa 5 Minuten fortgesetzt.

Das Gel wurde in Kunststoffschalen bis zu einem Füllstand von etwa JO cm Höhe übergeführt. Die Schalen wurden zum Trocknen des Gels in einen dampfbeheizten Trockner gestellt, und nach etwa qO Stunden wai das Trocknen des Gels beendet.

Das trockene Gel wurde in einem Walzenbrecher auf eine Korngröße von weniger als 0,6 ram zerkleinert. Aus dem Zerkleinerungsgut wurde eine Korniraktjon von -0,6 mm bis t-0,3 mm abgesiebt.

Das trockene Korn wurde in mit Aluminiumoxid ausgekleidete Muffeln gefüllt, die dann in einen Ofen gestellt wurden. Der Ofen wurde im Laufe von 6 Stunden auf 1370 ⁰C aufgeheizt und 30 Minuten auf dieser Temperatur gehalten. Danach wurde der Ofen abgeschaltet und abkühlen gelassen. Das gebrannte Korn war porös und hatte einen dalcium-Gehalt von 0,14% (g/g). Die Dichte des Korns war geringer als 8p% der theoretischen Dichte.

Das gesinterte Korn wurde auf einem gebräuchlichen Sichter entsprechend der ANSI-Norm 74.18-1977 für Schleifkorn Nr. 70 klassiert.

Aus dem Schleifkorn Nr. SO wurde durch elektrostatisches Beschichten einer Vulkanfiber-Unterlage ein Schleifmittel auf Unterlage mit einer Bindemittelschicht hergestellt. Die Unterlage war eine Vulkanfiber

von Schleifraittelqualität, 0,76 mm dick, mit einem Flächengewicht von 30,4 kg/Ries (480 Bogen 229 mm χ 279 mm). Als Bindemittel wurde ein handelsübliches einstufiges flüssiges Phenolharz mit einem Phenol/Formaldehyd-Verhältnis von etwa 1 : 1 und gemahlener Kalkstein mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 17 bis 25 pm in einem Mischungsverhältnis von 1 : 1 verwendet. Die Bindemittelmischung wurde auf 32 ⁰C ^- erwärmt und mittels Walzenbeschichtung auf die Unterlage aufgetragen.

Etwa 6,35 kg/Ries Bindemittel wurden aufgetragen.

Mit Hilfe einer gebräuchlichen Sandpapier-Herstellungsanlage wurde das Schleifkorn Nr. 50 elektrostatisch auf die mit Bindemittel beschichtete Unterlagen aufgetragen, und zwar in einer Menge von etwa 17,2 kg/Ries.

Die mit Schleifkorn beschichtete Unterlage wurde sodann eine Stunde auf 79 ⁰C und weitere zwei Stunden auf 93 ⁰C erwärmt. Nach dem Trocknen wurde mit Hilfe einer gebräuchlichen Walzenbeschichtungseinrichtung eine Deckschicht in einer Menge von etwa 9,5 kg/Ries aufgetra-

( gen. Die Deckschicht bestand aus dem gleichen Phenolharz-Fdllstoff-

Gemisch im Verhältnis 1 : 1 wie das Bindemittel, jedoch wurde als Füllstoff ungepufferter syntheti&cher Kryolith mit einer Teilchengroße von 25 jjm verwendet. Durch Erwärmen des beschichteten Materials eine Stunde auf 65 ⁰C, vier Stunden auf 79 ⁰C und 16 Stunden auf 107 ⁰C wurde die Beschichtung getrocknet und ausgehärtet. Nach dem Aushärten wurde das Material in gebräuchlicher Weise auf einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 8% (g/g) eingestellt.

Das Material wurde dann gleichmäßig durchgebogen und in Scheiben von 178 mm Durchmesser geschnitten. Diese wurden auf einer gebräuchlichen Druckluft-Schleifmaschine an kalt gewalztem Stahl 1018 getestet. Als Vergleich diente eine Schleifscheibe, die in genau gleicher Weise,

aber mit Schleifkorn aus geschmolzenem Aluminiumoxid hergestellt worden war- Die Schleifscheibe wurde in üblicher Weise an der Schleifmaschine befestigt, und ein 25 mm χ 51 mm χ 279 mm großes Werkstück wurde so angeordnet, daß die ebene Fläche von 25 mm Länge unter e-inem Winkel von 10 bis 15° an der Schleifscheibe anl.

g. Die Schleif

scheibe wurde dann an dem Werkstück hin und her bewegt.

Die Schleifscheibe lief mit einer Drehzahl von 5400 u/min gegen eine Hartgummi-Andruckrolie von 178 mm Durchmesser. Auf das Werkstück wurde eine Vorschubkraft durch eine Gewichtsbelastung von 3,6 kg ausgeübt. Nach einer Testdauer von 30 Sekunden wurde der Metallabtrag durch Bestimmen der Gewichtsabnahme des Werkstucks ermittelt. Dies.es Verfahren wurde fortgesetzt, bis der Metallabtrag je Schleifmtervall 5 g oder wemger betrug. Der Metallgesaratabtrag der TJestscheibe wurde mit dem MetaLlgesamtabtrag der Kontrollscheibe verglichen. Das Ergebnis ist die relative Schleifleitung.

Darf Sol-Gel-Schleiftnittel nach dem Stand der Technik iiit hohem CaI--cium-Gehalt (0,14%) ergab eine Schleifleistung von nur 97% derjenigen einer preisgünstigen Standard-Schleifscheibe mit Schleifkorn aus geschmolzenem Aluminiumoxid.

BEISPIEL 2

Das Verfahren des Beispiels 1 wurde wiederholt, wobei jedoch das getrocknete Korn 30 Minuten bei 550 ⁰C kalziniert und dann in einem Drehrohrofen mit einer Temperatur von 1390 ⁰C rasch aufl eine Temperatur von über 1200 ⁰C erhitzt wurde. Das Korn wurde in etwa 10 Minuten auf etwa 1390 ⁰C erhitzt und zum Sintern etwa 30 Mirauten auf dieser Temperatur gehalten. Sonst bestanden keine wesentlichen Unterschiede gegenüber dem Verfahren des Beispiels 1. Das gesinterte Korn hatte einen Calcium-Gehalt von 0,11% (g/g) und eine Dichte vom über 3,3 g/cm³ (über 85% der theoretischen Dichte). Beim Testen des Schleifmittels zeigten die Schleifscheiben eine Schleifleitung von 393% derjenigen einer Schleifscheibe mit Schleifkorn aus geschmolzenem Aluminiumoxid. Das Schleifkorn gemäß der Erfindung ergab also eine 3,95fach höhere Schleifleistung als Schleifkorn aus geschmolzenem Aluminiumoxid.

BEISPIEL 3

Das Verfahren des Beispiels 2 wurde im wesentlichen wiederholt, wobei jedoch das getrocknete Korn bei 600 °C statt bei 550 ⁰C kalziniert wurde. Das fertige Schleifkorn hatte einen Calcium-Gehalt von 0,12% und eine Dichte von über 85% der theoretischen Dichte. Seine relative Schleifleistung war 4,35mal höher als diejenige von Schleifkorn aus geschmolzenem Aluminiumoxid.

BEISPIEL 4

Das Verfahrens des Beispiels 2 wurde im wesentlichen wiederholt, wo- ^ 10 bei jedoch das Magnesiumnitrat durch Eintragen von 720 g Magnesiumhydroxid in 6,28 1 Wasser, das 1600 mZ· konzentrierte Salpetersäure enthielt, hergestellt wurde. Die erhaltene Lösung wurde unter Rühren dem Sol zugesetzt. Wie bei dem Verfahren des Beispiels 2 trat sofort Gelieren ein. Das Rühren wurde dann noch 5 Minuten fortgesetzt.

Das erhaltene Schleifkorn hatte einen Calcium-Gehalt von nahezu 0,08% (g/g) eine Dichte von über 85% der theoretischen Dichte und ergab eine 4,5mal höhere Schleifleistung als Schleifkorn aus geschmolzenem Aluminiumoxid. Außerdem war die Schleifleistung 2,4mal höher als diejenige eines handelsüblichen Schleifkorns aus rasch abgekühltem geschmolzenem Aluminiumoxid-Zirkoniumdioxid und etwa gleich derjenigen ( eines Schleifkorns aus gesintertem Sol-Gel-Aluminiumoxid mit niedrigem Calcium- und Natrium-Gehalt gemäß der US-PS 4 314 827 auf einer vorbeschichteten kommerziellen Schleifscheibe.

BEISPIEL 5

Nach dem Verfahren des Beispiels 2 wurde ein Sol-Gel-Schleifkorn mit hohem Calcium- und Natrium-Gehalt hergestellt. Hierzu wurden 20,559 kg Böhmit in 126,8 1 Wasser dispergiert, und der Dispersion wurden zur Bildung eines Sols 1250 rat technische konzentrierte Salpetersäure, verdünnt mit 7,57 % Wasser zugesetzt.

6341 g Magnesiumnitrat wurden in 15,1 t Wasser gelöst, und die Lösung wurde unter Ruhren des Sol zugesetzt. Fast sofort trat Gelieren ein.

Das Rühren wurde dann noch 5 Minuten fortgesetzt. Danach wurde das Gel bis zu einer Standhöhe von 2,5 und 3,75 cm in Stjhalen gefüllt, die zum Trocknen des Gels in einen elektrisch beheizten Trockner gestellt wurden. Das Trocknen dauerte etwa 48 Stunden.

Das trockene Gel wurde in einem Walzenbrecher auf eine Korngröße von weniger als 0,83 mm zerkleinert. Aus dem so erhaltenen Korn wurde eine Fraktion von -0,83 bis +0,30 mm abgesiebt. Das Korn wurde 30 Minuten bei einer Temperatur von 550 ⁰C kalziniert und dann in einem mt 1,2 U/min umlaufenden Drehrohrofen mit einer Temperatjur von 1395 "C gemäß der Erfindung rasch auf eine Temperatur von übe|r 1200 ⁰C erhitzt. Danach wurde das Korn weitere 10 Minuten auf 1|39O ⁰C erhitzt. Das erhaltene Korn hatte einen Calcium-Gehalt von 0,0j7% (g/g) und einen Natrium-Gehalt von 0,015% (g/g). Seine Dichte betrug über 85% der theoretischen Dichte.

Das gesinterte Korn wuide auf einem gebräuchlichen Sidhter entsprechend der ANSI-Norm 74.18-1977 für Schleifkorn Nr. 36 klassiert.

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dem Schleifkorn Nr. 36 wurde durch elektrostatisches Beschichten einer Vulkanfiber-Unterlage ein Schleifmittel auf Unterlage hergestellt. Die Unterlage bestand aus Vulkanfiber von Schleifmittelqualität mit einer Dicke von 0,76 mm Dicke und einem Nenngewicht von 30,4 kg/Ries (480 Bogen 229 mm χ 279 mm). Als Bindemittel wurde ein

!handelsübliches einstufiges flüssiges Phenolharz mit einem Formaldehyd/Phenol-Verhältnis von etwa 1 : 1 und gemahlener Kalkstein mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 17 bis 25 um in einer Mischung von 1 : 1 verwendet. Die Mischung wurde auf 32 ⁰C erwärmt unA durch WaI-zenbeschichten auf die Unterlage aufgetragen. Die Beechichtungsmenge betrug etwa 10,4 kg/Rias. Mit Hilfe einer gebräuchlichen Sandpapier-Herstullungsanlage wurde auf die beschichtete Unterlage elektrostatisch das Schleifkorn Nr. 36 in einer Menge von etwa 28,1 kg/Ries aufgetragen. Die mit Schleifmittel beschichtete Unterlagi

wurden so-

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dann eine Stunde auf 79 ⁰C und zwei Stunden auf 93 ⁰C erwärmt. Nach dem Trocknen wurde mit Hi Lfο der üblichen Walzenbeschichtung eine Deckschicht m einer Menge von 10,4 kg/Ries aufgetragen. Die Deckschicht bestand aus der gleichen 1 : I-Mischung von Phenolharz und Füllstoff wie das Bindemittel. Anschließend wurde das beschichtete

Material eine Stunde auf 65 ⁰C, vier Stunden auf 79 "C und 16 Stunden auf 107 ⁰C erwärmt.

Nach dem Aushärten wurde das Material in üblicher Weise auf einen Feuchtigkeitsgehalt von weniger als 8% (g/g) eingestellt, dann gleichmäßig durchgebogen und in Scheiben von 178 mm Durchmesser geschnitten. Fünf dieser Scheiben wurden auf einer gebräuchlichen Druckluft-Schleifmaschine unter Verwendung eines Werkstücks aus vergütetem Stahl 4140 (Härte 285 bis 320 BH) getestet. Das Ergebnis wurde mit demjenigen einer Kontrollschleifscheibe verglichen, die in genau gleicher Weise, aber mit Schleifkorn aus geschmolzenem Aluminiumoxid

hergestellt worden war. Bei dem Test wurde die Schleifscheibe in *- üblicher Weise an der Schleifmaschine befestigt, und ein 25 mm χ

51 mm χ 279 mm großes Werkstück wurde so angeoidnet, daß es mit der ebenen Fläche von 25 mm Länge unter einem Winkel von 10 bis 15^e an der Schleifscheibe anlag. Die Schleifscheibe wurde dann an dem Werkstück hin und her bewegt.

Die Schleifscheibe lief mit einer Drehzahl von 5400 U/min gegen eine Andruckrolle aus Hartgummi von 178 mm Durchmesser. Auf das Werkstück wurde durch ein Beiastungsgewicht eine Vorschubkraft von 3,6 kg ausgeübt. Nach einer Testdauer von 30 Sekunden wurde der Metallabtrag durch Bestimmen der Gewichtsabnahme des Werkstücks ermittelt. Dieses Verfahren wurde fortgesetzt, bis der Metallabtrag je SchleifIntervall

( 5g oder weniger betrug. Der Metallgesamtabtrag der Testscheibe wurde

mit dem Metallgesamtabtrag der Kontrollscheibe verglichen. Das Ergeb— ist die relative Schleifleistung.

Das rasch erhitzte SoI-Gel-Schleifmittel mit hohem Calcium- und Natrium-Gehalt (zusammen 0,07% g/g) ergab einen mittleren Metallabtrag von 612 g, der etwa 7mal höher als der Metallabtrag der Kontrollscheibe mit Schleifmittel aus geschmolzenem Aluminiumoxid war. Die Ergebnisse der einzelnen Tests sind in Tabelle 1 wiedergegeben.

10

20

25 30 35 40

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BEISPIELE 6 BIS 19

Das Verfahien des Beispiels 5 wurde wiederholt, docm wurden der Dispersion vor dem Zusatz des Magnesiumnitrats wechselnde Mengen Calcium und Natrium in Form von Calcium- und Natriumnitrat-Ipsungen zugesetzt. Die Natnumnitrat-Lösung enthielt 0,54 g/mZ NaNO₃ , rechnerisch entsprechend 0,2 g/mZ Na₂O, die Calciuronitrat-Losung 0,58 g/raZ Ca(N0₃)₂, rechnerisch entsprechend 0,2 g/ml CaO. Die mit den aus diesen Dispersionen hergestellten Schleifmitteln erhaltenen Ergebnisse sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Der Calcium- und Natrium-Gehalt des Korns wurde durch Emissionsspektroskopie bestimmt. Die geringen Unterschiede zwischen zugesetzter und gefundener Calcium-Menge dürften auf das im Wasser und Magnesiumnitrat vorhandene Calcium zurückzuführen sein. Die geringen Unterschiede zwischen zugesetztem und gefundenem Natrium durften auf Verunreinigungen der Komponenten des Korns, insbesondere des Wassers, sowie auf eine teilweise Verdampfung des Natriums beim Kalzinieren und Sintern zurückzufuhren sein.

Zum Vergleich ist auch der mittlere Metallabtrag einer

Schleifscheibe

mit Schleifkorn aus gebräuchlichem geschmolzenem Aluminiumoxid angegeben.

Bei	Ca	0
spiel	ml	24,9
5	0
6	83
7	0
8	24,9
9	166
10	83
11	373,5
12	166
13	166
14	0
15	83
1b	0
17	373,5
18
19

Al₂O₁

Tabelle	1	Ca im	Na im	Mittl.
		Korn	Korn	Metall
j,	%	%	abtrag
Na⁺	0,06	0,01	g
tnZ	0,08	0,02	612,0
0	0,06	0,06	644,8
0	0,13	0,01	504,8
83	0,06	0,12	494,6
0	0,08	0,07	437,6
166	0,18	0,04	424,0
83	0,13	0,13	424,0
0	0,33	0,02	383,2
166	0,18	0,12	369,8
0	0,19	0,21	326,4
166	0,06	0,18	275,4
270	0,13	0,20	270,0
270	0,06	0,27	242,4
270	0,36	0,36	197,2
481,5			185,4
481,5			88,2

BEISPIEL 20

Das Verfahren der Beispiele 7, 11 und 15 wurde wiederholt, wobei jedoch das Korn ähnlich dem Verfahren des Beispiels 1 langsam in einem stationären Ofen im Laufe von 16 Stunden von Umgebungstemperatur auf 1500 "C erhitzt und 30 Minuten auf dieser Temperatur gehalten wurde. Das erhaltene Schleifkorn war so schlecht, daß damit keine Schneidleistungswerte bestimmt werden konnten.

Die vorstehend angegebenen Beispiele zeigen klar die überlegene Schleifleistung der Sol-Gel-Schleifmittel gemäß der Erfindung. Sie zeigen ferner, daß Sol-Gel-Schleifmittel mit hohem Calcium- und ν Natrium-Gehalt, die nicht, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, rasch

auf Sintertemperatur erhitzt werden, schlechte Schleifeigenschaften haben.

Claims

PATKNTA N WA LTS BUHO

KCHUMANNSTR DT D-4000 DÖSSELDOIIF Melon (0211)6833 46 Telex 08586513 cop d

PATENTANWÄLTE
Dipl-lng W COHAUSZ Dipl-Ing R KNAUF Or Ing Dipl Wirtsch-lng A GtRBER Dipl-lng H B COHAUSZ

25.05.1982 Patentansprüche

Gesintertes Schleifmittel, erhältlich durch

a) Herstellen einer Dispersion aus 2 bis 60% (g/g) Aluminiumoxidmonohydrat, einem gelösten metallhaltigen Sinterhilfsmittel in

f 5 einer solchen Menge, daß das Atomverhältnis des Metalls in dem Sxnterhilfsmittel zum Aluminium im Aluminiumoxid-monohydrat 1 : 2 bis 1 : 35 betragt, und 0,05 bis 1,8% (g/g) der dispergierten oder gelösten Feststoffe Calcium plus Natrium, wobei der Calcium-Anteil bis 1,8% und der Natrium-Anteil bis 0,4% betragen darf,

b) Gelieren der Dispersion unter Verdampfen des freien Wassers bei einer Temperatur unterhalb der Schäumtemperatur des Gels,

c) Zerkleinern des getrockneten Feststoffs zu Körnern,

d) Kalzinieren der Körner,

e) rasches Erhitzen der Körner auf etwa 1200 ⁰C in weniger als

10 Minuten und

f) Erhitzen der Körner auf Sintertemperatur im Bereich von 1200

^f bis 1650 ⁰C so lange, bis die Dichte der Körner mehr als 85%

der theoretischen Dichte beträgt.
2. Gesintertes Schleifmittel nach Anspruch 1, erhältlich durch die Verfahrensschritte a) bis c) sowie e) und f).
3. Gesintertes Schleifmittel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß es Aluminiumoxid, ein Metalloxid und bis zu 1,8% (g/g) Calcium plus Natrium mit höchstens 0,4% (g/g) Natrium enthält.

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U/ -

10

15

20

25
4. Verfahren zum Herstellen eines gesinterten Schleifmittels nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man j

a) eine Dispersion aus 2 bis 60% (g/g) Alummiumoxid-monohydrat , einem gelosten metallhaltigen Sinterhilfsmittei in einer solchen Menge, daß das Atomverhältnis des Metalls in dep Sinterhilfsmittel zum Aluminium im Aluminiumoxid-monohydrajt 1 : 2 bis 1 : beträgt, und 0,05 bis 1,8% (g/g) der dispergieren oder gelösten Feststoffe Calcium plus Natrium, wobei der Calclum-Anteil bis 1,82 und der Natrium-Anteil bis 0,AZ betragen darf, herstellt,

b) die Dispersion unter Verdampfen des freien Wassers bei einer Temperatur unterhalb der Schäumtemperatur des Gels zum Gelieren bringt,

c) den getrockneten Feststoff zu Körnern zerkleinert,

d) die Korner kalziniert,

e) die Körner rasch in weniger als 10 Minuten auf e|twa 1200 ⁰C erhitzt und

f) die Körner so lange auf eine Sintertemperatur im

Bereich von

1200 bis 1650 ⁰C erhitzt, bis die Dichte der Körfier mehr als 85% der theoretischen Dichte beträgt.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch

e Ic e mn -

zeichnet

daß man die Verfahrensschritte al bis c) und

dann die Verfahrensschritte e) und f) ausfuhrt.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß als Sinterhilfsmittel eine wasserlösliche Verbindung des Magnesiums, Zinks, Nickels oder Kobaljts verwendet wird.