DE3751408T2

DE3751408T2 - Schleifpartikel aus Aluminiumoxid/Aluminiumoxinitrid/4.Nebengruppe-Metallnitrid erhalten nach einem Sol-Gel-Verfahren.

Info

Publication number: DE3751408T2
Application number: DE3751408T
Authority: DE
Inventors: James P Mathers; William P Wood
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1986-11-20
Filing date: 1987-11-18
Publication date: 1996-04-11
Anticipated expiration: 2007-11-19
Also published as: EP0273569B1; DE3786246D1; CA1327453C; ZA877802B; BR8706217A; JPS63139062A; KR880006004A; EP0471389A2; MX9188A; AU600317B2; AU8018887A; DE3786246T2; EP0471389B1; JP2506852B2; DE3751408D1; EP0273569A2; EP0273569A3; EP0471389A3; KR950011676B1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft beschichtete Schleifmittelprodukte mit keramischen Schleifkörnern in einem System Aluminiumoxid/Gamma-Aluminiumoxynitrid/Nitrid eines Metalls der Gruppe IVA des Periodensystems. Ein weiterer Gegenstand ist ein Verfahren zum Herstellen des keramischen Schleifkörpers. Ferner wird ein Verfahren zum Schleifen einer Fläche mit dem keramischen Schleifkörper gemäß der Erfindung angegeben.

Hintergrund der Erfindung

Aluminiumoxid, Gamma-Aluminiumoxynitrid (ALON) und TiN sind bekannte keramische Substanzen für Verwendungen z.B. als Substrate für die Elektronik, optische Fenster und Tiegel. Al&sub2;O&sub3; ist auch als Schleifkorn verwendet worden. ALON wird in der US-PS 4 241 000 als Schleifkorn angegeben.
In den letzten Jahren sind die mechanischen Eigenschaften von keramischen Werkstoffen verbessert worden, weil ein besseres Verständnig der Auswirkungen der Verarbeitung auf die endgültig erzielte Mikrostruktur gewonnen werden konnte. Es ist bekannt, daß für optimale mechanische Gebrauchseigenschaften eine niedrige Porosität und eine kleine Korngröße erforderlich sind. Diese beiden Eigenschaften vereinigende Mikrostrukturen können nicht leicht erzielt werden, weil beim Sintern durch eine Temperaturerhöhung mit dem Ziel, die Beseitigung von Poren zu unterstützen, das Kornwachstum beschleunigt wird. Um diese Schwierigkeit zu vermeiden, hat man verschiedene kristalline Komponenten zu einem Verbundstoff vereinigt.
In der EP 0 107 571 (entsprechend FR 821 957 und der Zusammenfassung in englischer Sprache) sind keramische Verbundstoffe aus Al&sub2;O&sub3; und ALON beschrieben, die in Schneidwerkzeugen, anderen Werkzeugen, Tiegeln usw. verwendet werden können. Es wird dort angegeben, daß dabei bessere mechanische Eigenschaften erzielt werden als mit dem Aluminiumoxid nach dem Stand der Technik.
Verbundstoffe aus TiN und Al&sub2;O&sub3; sind in den US- PSen 3 652 304, 4 022 584, 4 204 873, 4 249 914, 4 325 710 und 4 366 254, JP- 50-89410 (Zusammenfassung) und der JP 57-16954 (Zusammenfassung) angegeben. Als Verwendungszweck werden in erster Linie Schneidwerkzeuge und in einem Fall Tiegel angegeben. Gemäß manchen dieser Patentdokumente wurden zum Abändern des Gebrauchs- oder des Sinterverhaltens weitere Komponenten zugesetzt.
In der US-PS 4 320 203 sind Verbund-Schneidwerkzeuge mit TiN und Al&sub2;O&sub3; bzw. ALON angegeben.
Der das System Al&sub2;O&sub3;/ALON/TiN betreffende Stand der Technik ist produktorientiert und umfaßt keine kleinen feinteiligen Produkte, wie Schleifkörner, sondern relativ große Formkörper, z.B. Schneidwerkzeuge, elektronische Substrate und Tiegel. In den bekannten Herstellungsverfahren werden Keramikpulver durch Pressen oder auf andere Weise in die gewünschte Form gebracht und dann durch Sintern oder Reaktionssintern verdichtet. Die Anwendung dieser Technologien zum Herstellen einzelner Schleifkörner ist wegen der erforderlichen Größe und Anzahlen unzweckmäßig. Auch das Brechen und Sieben größerer Körner zum Erzielen von Korngrößen in dem gewünschten Bereich ist wegen der Festigkeit und Zähigkeit dieser Werkstoffe nicht zweckmäßig. Ein weiteres in dem Verfahren nach dem Stand der Technik auftretendes Problem sind die hohen Kosten von sinterfähigen Pulvern aus AlN und TiN, die in diesen Verfahren verwendet werden. Z.B. kosten handelsübliche AlN-Pulver, die zum Erzeugen von ALON durch Reaktion mit Al&sub2;O&sub3; verwendet werden, gewöhnlich 55 bis 65 US-Dollar pro kg, und sie können ohne ausgedehntes Mahlen und Größenklassieren nicht gesintert werden. Leicht sinterbare Pulver können bis zu 325 US-Dollar pro kg kosten.
Aus der Patentliteratur und technischen Veröffentlichungen ist es bekannt, kugelige Kernbrennstoffteilchen aus den Carbiden und Nitriden von Uran und Thorium nach Sol- Gel-Verfahren zu erzeugen. Gewöhnlich wurden wäßrige Sole von Uranoxid und Thoriumoxid gemeinsam mit Kohlenstoff dispergiert und zu Kugeln verformt und dann durch Gelieren und Reaktionssintern in Kugeln aus Carbid oder Nitrid umgewandelt. Anwendungsbeispiele dieser Lehre sind in den US-PSen 3 171 715, 3 331 783, 3 860 691 und 3 904 736 angegeben. Die Dichte der Fertigprodukte betrug gewöhnlich unter 95%.
Die Erzeugung von Aluminiumoxid und andere Metalloxide enthaltenden Schleifmitteln nach einem Sol-Gel-Verfahren wird in der US-PS 4 314 827 angegeben.
Es wird angenommen, daß die Anwendung von Sol-Gel- Verfahren zum Erzeugen von Teilchen aus Mischsolen aus Aluminiumoxid/Kohlenstoff oder Aluminiumoxid/Titandioxid/Kohlenstoff oder Aluminiumoxid/Nitriden und das darauffolgende Entwässern und Reaktionssintern zum Herstellen von dichten keramischen Werkstoffen im System Al&sub2;O&sub3;/ALON/TiN in der Literatur noch nicht angegeben worden ist. Ferner wird vermutet, daß die Verwendung von Werkstoffen in dem System Al&sub2;O&sub3;/LON/TiN als Schleifmittel in der Technik neu ist.

DARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Kurz gesagt schafft die Erfindung einen beschichteten keramischen Schleifkörper mit einem Rücken, der auf minestens einer Fläche mit einer Zusammensetzung überzogen ist, die ein Bindeharz und mindestens ein aus einem keramischen Schleifmittel bestehendes Teilchen besitzt, das im wesentlichen aus einem einheitlichen mehrphasigen Verbundstoff besteht, der im wesentlichen aus Aluminiumoxid und Gamma- Aluminiumoxynitrid besteht und gegebenenfalls mindestens ein Nitrid eines Metalls der Gruppe IVB des Periodensystems enthält.
Vorzugsweise ist der angegebene Verbundstoff fast vollkommen dicht.
Insbesondere enthält der genannte Verbundstoff des keramische Schleifmittelteilchens bis zu 3 Gew.-% Zirkoniumnitrid.
In noch mehr bevorzugter Weise ist in dem keramischen Schleifmittelteilchen das Nitrid des Metalls der Gruppe IVB Titannitrid.
In noch mehr bevorzugter Weise hat das keramische Schleifmittelteilchen die Form eines Grobkorns, einer Flocke, eines Stäbchens oder eine andere Form.
Insbesondere hat das keramische Schleifmittelteilchen eine Korngröße unter 10 Mikrometern. Ferner wird ein Verfahren zum Herstellen eines das Schleifmittelteilchen enthaltenden geschichteten Schleifkörpers angegeben.
Ein weiterer Gegenstand ist ein Verfahren zum Schleifen einer Fläche mit einem das erfindungsgemäße Schleifmittelteilchen enthaltenden Schleifmittel.
Die in den erfindungsgemäßen Körpern enthaltenen Teilchen sind polykristalline Verbundstoffe, die Körner aus Al&sub2;O&sub3; und ALON und gegebenenfalls Körner aus mindestens einem Nitrid eines Metalls der Gruppe IVB des Periodensystems, vorzugsweise aus Titannitrid, enthalten. Diese Körner sind zusammengesintert und in dem ganzen Verbundstoff einheitlich verteilt. Die Verbundstoffe sind fast vollkommen dicht und haben ein Porenvolumen unter 4%. Die maximale Korngröße liegt unter 10 Mikrometer und gewöhnlich unter 5 Mikrometer. Die Werkstoffe können z.B. als Schleifmittelteilchen verwendet werden.
Zum Herstellen der keramischen Werkstoffe in dem bevorzugten System Al&sub2;O&sub3;/ALON/TiN gemäß der Erfindung nach einem Sol-Gel-Verfahren werden Kohlenstoff und TiO&sub2; in einem Sol aus Aluminiumoxid dispergiert, das in die gewünschte Form verformt, geliert, getrocknet und reaktionsgesintert wird, wobei ein dichter keramischer Werkstoff in dem System Al&sub2;O&sub3;/ALON/TiN erhalten wird. ALON wird durch eine Reaktion zwischen Aluminiumoxid, Kohlenstoff und Stickstoff aus der Ofenatmosphäre erzeugt. TiN wird durch eine ähnliche Reaktion zwischen TiO&sub2;, Kohlenstoff und Stickstoff erzeugt. Die Anteile von Al&sub2;O&sub3;, ALON und TiN in dem fertigen Verbundstoff werden durch die relativen Mengen an Aluminiumoxid, TiO&sub2; und Kohlenstoff bestimmt, die zum Ansetzen des Sols verwendet werden.
Man kann auch AlN und TiN in dem Sol aus Aluminiumoxid dispergieren. Nach dem Gelieren, Trocknen und Reaktionssintern erhält man dichte Keramikteilchen in dem System Al&sub2;O&sub3;/ALON/TiN. In diesem Fall wird ALON durch eine Reaktion zwischen dem Al&sub2;O&sub3; und AlN gebildet.
In dieser Anmeldung
wird als "Keramik" ein anorganisches Material bezeichnete das aus metallischen und nichtmetallischen Elementen zusammengesetzt ist und z.B. aus Oxiden, Nitriden oder Carbiden bestehen kann;
wird als "feste Lösung" eine einkristalline Phase bezeichnet, deren Zusammensetzung innerhalb von finiten Grenzen ohne Bildung einer zusätzlichen Phase veränderbar ist;
ist "ALON" ein Kurzwort für Gamma-Aluminiumoxynitrid, eine feste Lösung, die aus Al&sub2;O&sub3; und AlN nach der Gleichung:
Gl. 1 Al&sub2;O&sub3; + xAlN --> Al(2+x)O&sub3;Nx
gebildet wird. Die Literatur enthält stark unterschiedliche Angaben über den Zusammensetzungsbereich dieses Werkstoffes. Ein allgemein akzeptierter Bereich geht von 20 bis 40 Mol.-% AlN, d.h., x hat in der Gleichung 1 einen Wert von 0,25 bis 0,87. Zum Unterschied von der hexagonalen Struktur des Alpha- Al&sub2;O&sub3; hat ALON eine kubische spinellartige Kristallstruktur. Daher ist es in der Vergangeheit manchmal als stickstoffstabilisertes kubisches Al&sub2;O&sub3; oder stickstoffhaltiges Aluminiumoxid bezeichnet worden. Jetzt ist es unter dem Kurzwort ALON besser bekannt.
Ferner wird als
"Schleifmittelteilchen" ein kleines Teilchen (Grobkorn, Flocke) Stäbchen oder andere Form) bezeichnet, das eine durchschnittliche größte Abmessung von 10 mm oder weniger, vorzugsweise von 5 mm oder weniger, hat, und zum Schleifen einer Fläche, z.B. von Metallen, keramischen Werkstoffen, Glas oder Kunststoff, geeignet ist;
als "Korn" ein einzelner Kristall, der zusammen mit anderen Körnern (Kristallen) ein polykristallines Keramikteilchen bildet, z.B. ein Grobkorn oder eine Flocke eines Schleifmittels;
als "Verbundstoff" ein polykristallines Keramikteilchen, das aus zwei oder mehr getrennten Phasen zusammengesetzt ist, die zwei oder mehr verschiedene Arten von Körnern (Kristallen) darstellen;
als "Sol" ein Suspensionskolloid mit einer eine durchschnittliche Korngröße unter 0,1 Mikrometer besitzenden festen Phase in einem flüssigen Medium;
als "Gel" ein aus einem Feststoff bestehendes räumliches Netzwerk mit einem großen Volumen von miteinander verbundenen, flüssigkeitgefüllten Poren;
als "Sol-Gel-Verfahren ein Verfahren, in dem als einer der wesentlichen Ausgangsstoffe ein Sol verwendet wird, das zum Herstellen eines Formkörpers durch einen Zusatz von Chemikalien oder durch Entwässern geliert wird; und
als "übliches Puververfahren" ein Verfahren, in dem als Ausgangsstoffe Pulver verwendet werden, die gewöhnlich eine durchschnittliche Korngröße im Bereich von 0,1 bis 5 Mikrometern haben und die nach bekannten Verfahren, wie Trockenpressen, Schlickergießen, Spritzgießen, isostatisches Pressen, Warmpressen usw. zu einem Körper verformt werden.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Die Erfindung schafft einen Körper, der ein keramisches Schleifmittelteilchen enthält, das aus einem einheitlichem mehrphasigen Verbundstoff besteht, der
1 bis 95, vorzugsweise 1 bis 85 und insbesondere 1 bis 70 Vol.-% Aluminiumoxid,
1 bis 95, vorzugsweise 15 bis 85 Vol.-% Gamma- Aluminiumoxynitrid und
0 bis 50, vorzugsweise 0 bis 35 und insbesondere 15 bis 35 Vol.-% mindestens eines Nitrids eines Metalls der Gruppe IVb des Periodensystems (vorzugsweise Titannitrid) enthält.
Eine andere Ausführungsform ist ein Verfahren zum Herstellen der beschichteten Schleifkörper mit folgenden Schritten:
(a) es wird ein Rücken verwendet,
(b) auf eine Fläche des Rückens wird eine Schleifmittelschicht aufgetragen, die ein Bindeharz und mindestens eines der Teilchen aus dem keramischen Schleifmittel enthält; und
(c) das Bindeharz wird gehärtet;
so daß ein beschichteter Schleifkörper erhalten wird.
Eine weitere Ausführungsform ist ein Verfahren zum Schleifen einer Fläche mit folgenden Schritten:
eine schleifbare Fläche und ein keramischer Schleifkörper werden so lange in Berührung miteinander bewegt, daß die schleifbare Fläche verändert wird, wobei der keramische Schleifkörper ein einheitliches mehrphasiges Gemisch aus mikrokristallinen Komponenten aufweist, die im wesentlichen aus
1 bis 95 Vol.-% Aluminiumoxid,
1 bis 95 Vol.-% Gamma-Aluminiumoxynitrid und
0 bis 50 Vol.-% mindestens Nitrid eines Metalls der Gruppe IVb des Periodensystems
bestehen.
Die Schleifmittelteilchen können nach verschiedenen Verfahren hergestellt werden:
Das Verfahren I zum Herstellen eines keramischen Schleifmittelteilchens umfaßt folgende Schritte:
a) Es wird ein Mischsol hergestellt, das eine Aluminiumoxidvorstufe enthält, die vorzugsweise Aluminiummonohydrat, ferner Kohlenstoff oder eine chemische Vorstufe desselben und gegebenenfalls mindestens ein Oxid eines Metalls der Gruppe IVb des Periodensystems, vorzugsweise Titandioxid, oder chemische Vorstufen derselben, gegebenenfalls Glycerin oder ein anderes kohlenstoffstabilisierendes Mittel, sowie Alpha-Aluminiumoxid als Keimbildner, wobei die Komponenten in solchen Anteilen vorhanden sind, daß ein keramisches Schleifmittelteilchen gebildet wird, das
1) 1 bis 99, vorzugsweise 1 bis 85, insbesondere 1 bis 70 Vol.-% Aluminiumoxid,
2) 1 bis 99, vorzugsweise 15 bis 85 Vol.-% Gamma- Aluminiumoxynitrid und
3) 0 bis 50 Vol.-% mindestens eines Nitrids eines Metalls der Gruppe IVb des Periodensystems
enthält;
b) das Mischsol wird geliert;
c) das so erhaltene gelierte Sol wird unter Bildung von Granulatkörnern getrocknet;
d) gegebenenfalls werden die Granulatkörner gebrochen und abgesiebt, so daß klassierte Granulatkörner erhalten werden;
e) zum Entfernen flüchtiger Stoffe werden die Granulatkörner in einer Stickstoffatmosphäre bei Temperaturen im Bereich von etwa 600 bis 1200ºC kalziniert;
f) zum Herstellen des ekramischen Schleifmittelteilchens werden die kalzinierten Granulatkörner bei einer Temperatur über 1600ºC reaktionsgesintert.
Zum Herstellen eines bevorzugten Schleifmittelteilchens gemäß der Erfindung nach dem Verfahren I wird ein Quellen von Aluminiumoxid, Kohlenstoff und gegebenenfalls TiO&sub2; enthaltendes Mischsol nach einem Sol-Gel-Verfahren in eine gewünschte Form, z.B. die Form eines Schleifmittel- Grobkorns, gebracht, und in einer N&sub2;-Atmosphäre erhitzt. Während des (z.B. bei Temperaturen im Bereich von 600 bis 1200ºC durchgeführten) Wärmebehandlungszyklus werden flüchtige Stoffe entfernt. Nach der zur Bildung von ALON führenden Reaktion wird bei höheren Temperaturen gesintert, wobei ein Körper hoher Dichte erhalten wird. Die erste Reaktionsstufe ist:
Gl. 2 Al&sub2;O&sub3; + 3C + N&sub2; 1400ºC 2AlN + 3CO
Durch die Menge des dem Sol zugesetzten Kohlenstoffs wird die Menge bestimmt, in der nach Gleichung 2 Al&sub2;O&sub3; zu AlN umgesetzt wird. Bei höheren Temperaturen (z.B. 1600 bis 1900ºC) reagieren AlN und ein Teil des noch vorhandenen Al&sub2;O&sub3; unter Bildung von ALON:
Gl. 3 Al&sub2;O&sub3; + xAlN --> Al(2+x)O&sub3;Nx
Durch die Menge des Kohlenstoffs werden die in der ersten Phase der Reaktion gebildeten anteiligen Mengen von AlN und Al&sub2;O&sub3; bestimmt und dadurch die anteiligen Mengen an Al&sub2;O&sub3; und ALON in dem endgültig erhaltenen Verbundstoff bestimmt. Bei einem genügend hohen Kohlenstoffgehalt des zunächst hergestellten Sols kann soviel AlN gebildet werden, daß das Al&sub2;O&sub3; vollständig in ALON umgewandelt wird. Bei einem noch höheren Kohlenstoffgehalt wird gemäß der Gleichung 2 soviel AlN gebildet, daß nach der Reaktion gemäß der Gleichung 3 AlN im überschuß vorhanden ist. In diesem Fall werden Verbundstoffe in dem System AlN/ALON erhalten.
Wenn das Vorstufensol zusammen mit zusätzlichem Kohlenstoff eine Quelle von TiO&sub2; enthält, wird in einer weiteren Reaktion auch TiN gebildet:
Gl. 4 TiO&sub2; + 2C + 0,5N&sub2;--> TiN + 2CO
Gegebenenfalls vorhandene Oxide anderer Metalle der Gruppe IVb des Periodensystems, z.B. Zirkoniumdioxid, werden zu den entsprechenden Nitriden umgesetzt
Gl. 5 ZrO&sub2; + 2C + 1/2 N&sub2; --> ZrN + 2CO
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch Verbundstoffe im System Al&sub2;O&sub3;/ALON/ZrN oder dem System Al&sub2;O&sub3;/ALON/HfN erzeugt werden.

Herstellung des Sols:

Das Sol der Aluminiumoxidvorstufe kann aus einem Aluminiummonohydratpulver erzeugt werden. Eine bevorzugte Quelle ist das durch Hydrolyse von Aluminiumisopropoxid erzeugte Aluminiummonohydrat, das von Chattem Chemicals, Chattanooga, TN (USA), erhältlich ist. Das Pulver aus der Aluminiumoxidvorstufe wird in auf 80ºC befindlichem entionisiertem Wasser dispergiert, das mit Salpetersäure als Peptisierungsmittel angesäuert ist. Nach dem Kalzinieren bei 1000ºC enthalten die Sole gewöhnlich etwa 15 Gew.-% festes Al&sub2;O&sub3;. Durch etwa 48-stündiges Kugelmahlen kann man Ruß und gegebenenfalls andere Oxide in dem Sol aus Aluminiumoxid dispergieren. Eine bevorzugte Quelle von Ruß ist Monarch 1300 von der Cabot Corporation, Glen Ellyn, IL. Eine bevorzugte Quelle von TiO&sub2; ist durch Glühen erzeugtes TiO&sub2; (P-25 , Degussa Corporation, Taterboro, NJ). Man erkennt, daß als Quellen dieser Materialien verschiedene chemische Vorstufen verwendet werden können. Als Quelle von Kohlenstoff können verschiedene wasserlösliche organische Substanzen verwendet werden, die bei ihrer Erhitzung in N&sub2; unter Bildung von Kohlenstoff zersetzt werden. Dazu gehören z.B. Polyvinylalkohol, Polyvinylpryrrolidon und Saccharose. TiO&sub2; kann durch die gesteuerte Hydrolyse von TiCl&sub4; in dem wäßrigen Aluminiumoxidsol gebildet werden.
Beim Herstellen der kohlenstoffhaltigen Sole müssen bestimmte kritische Anforderungen erfüllt werden. Erstens muß der Ruß so dispergiert werden, daß die größten Zusammenballungen oder Agglomerate kleiner sind als etwa 1 Mikrometer. Die Masse des Kohlenstoffs muß viel feiner dispergiert werden. Diese Dispersionen können durch Kugelmahlen hergestellt werden, doch muß dann sorgfältig auf Verunreinigungen geachtet werden, die durch den Abrieb von den Mahlkörpern und dem Mahlgefäß eingeführt werden.
In den späteren Wärmebehandlungsstufen des Verfahrens wird das in dem zunächst hergestellten Sol vorhandene Aluminiummonohydrat einer Folge von kristallographischen Phasenübergängen unterworfen, in denen verschiedene sogenannte Übergangskristallstrukturen gebildet werden, ehe die hochtemperaturbeständige Alpha-Aluminiumoxid-Struktur entsteht.
Es ist wichtig, daß das Sol für die zur Umwandlung in die Alpha-Struktur erforderliche Keimbildung eine kleine Menge Kristalle aus Alpha-Aluminiumoxid enthält. Wenn diese nicht vorhanden sind, bildet das Alpha-Al&sub2;O&sub3; eine wurmförmige poröse Mikrostruktur, die nur schwer zu voller Dichte geintert werden kann. Infolge der Keimbildung bildet das Alpha- Al&sub2;O&sub3; eine aus annähernd gleichachsigen Körnern und Poren bestehende Mikrostruktur, die leichter zur vollkommenen Dichte gesintert werden kann. Dieser Vorgang ist von M Kumagai und G.L. Messing ausführlicher beschrieben worden (siehe J. Am. Ceram. Soc. 68(9) 500-505 (1985)).
Zum Impfen des Sols kann man dieses mit Mahlkörpern mahlen, die aus Alpha-Aluminiumoxid (z.B. Burundum , Norton Company, Worcester, MA) bestehen. Von den Burundum- Mahlkörpern darf aber Alpha-Aluminiumoxid als Keimbildner nur in einer begrenzten Menge abgerieben werden. Beim direkten Vermahlen von Ruß in den Solansatz mit Burundum-Mahlkörpern erhält man ein Endprodukt mit zahlreichen 5 bis 10 Mikrometer großen Poren. Zum Vermeiden der Porosität wird der Keimbildner in dem Sol in einer geringeren Konzentration verwendet. Dabei konnte nicht festgestellt werden, ob die Beseitigung der Porosität durch die Menge des Keimbildners oder durch das Siliciumdioxid und/oder andere in den Mahlkörpern vorhandenen Verunreinigungen bedingt ist.
In Ansätzen mit begrenzten Mengen an Kohlenstoff kann zum Herabsetzen der Konzentration des Keimbildners ein stärker konzentriertes Sol aus Kohlenstoff und Aluminiumoxid gemahlen und dann mit zusätzlichem Aluminiumoxidsol auf den gewünschten Ansatz verdünnt werden. Dabei kann aber Kohlenstoff nur bis zu einer Konzentration von etwa 4 Gew.-% gemahlen werden, weil sonst das Sol so zähflüssig wird, daß eine gute Dispersion nicht erzielt wird. Die mehr Kohlenstoff erfordernden Ansätze konnten nicht so stark verdünnt werden, daß die Konzentration des Keimbildners auf einen befriedigenden Wert herabgesetzt wurde. Versuche, zum Dispergieren des Kohlensotffs Mahlkörper aus hochreinem Aluminiumoxid zu verwenden, waren nicht erfolgreich, weil Mahlkörper dieser Art zu stark abgerieben wurden, so daß zahlreiche Al&sub2;O&sub3;-Kristalle von 1 bis 2 Mikrometern in das Sol eingeführt wurden und der Al&sub2;O&sub3;-Gehalt des Sols auf einen nicht vorherbestimmbaren Wert verändert und in einem Fall mehr als verdoppelt wurde.
In einer bevorzugten Arbeitsweise wird ein Teil des Aluminiumoxidsols ohne jeglichen Ruß mit den Burundum- Mahlkörpern vorgemahlen. Dieses geimpfte Sol wird einem Sol aus Aluminiumoxid und Kohlenstoff zugesetzt, das zum Disperigeren des Kohlenstoffs und etwaiger weiterer dem Sol zugesetzter Metalloxide mit Mahlkörpern aus Zirkoniumdioxid hoher Reinheit gemahlen wurde. Auf diese Weise kann unabhängig von dem Kohlenstoffgehalt des Ansatzes die Konzentration des Keimbildners auf einem optimalen Wert gehalten werden. Wenn durch Mahlen mit Mahlkörpern aus Zirkoniumdioxid dieses als Verunreinigung eingeführt wurde, enthielt die Mikrostruktur in einer kleinen Menge (unter 3 Vol.-%) dispergiertes ZrN als das Produkt der carbothermalen Reduktion der Verunreinigung des verunreinigenden Zirkoniumdioxids.
Wenn dem Sol aus Aluminiumoxid und Kohlenstoff ein zweites Oxid zur Bildung einer sekundären Nitridphase zugesetzt wird, muß gewährleistet sein, daß das Oxid mit dem Aluminiumoxidsol kompatibel ist. Beispielsweise bildeten die in den Ausführungsbeispielen verwendeten Pulver aus Aluminiumoxid und Titandioxid stabile Sole bei einem pH-Wert 3,5. Bei ihrer Vereinigung bildeten sich aber in dem Sol, wenn es ruhig stehengelassen wurde, große kettenartige Flocken. In diesem speziellen Fall war es ohne weiteres möglich, diese Flocken aufzubrechen und ein Reagglomerieren zu verhindern, wenn das Sol beim Gelieren gerührt wurde.

Gelieren des Sols:

Das Sol kann einfach geliert werden, wenn ihm beim Trocknen Wasser entzogen wird. Dabei können Temperaturen zwischen etwa 20 und 90ºC angewendet werden. Um ein gleichmäßiges Gemisch der Komponenten aufrechtzuerhalten, wird das Gel zweckmäßig von Zeit zu Zeit oder in regelmäßigen Zeitabständen gerührt.
Vorzugsweise wird das Sol jedoch vor dem Trocknen geliert, damit das Aufrechterhalten einer gleichmäßigen Verteilung der dispergierten Bestandteile gewährleistet wird. Man kann das Sol bequem gelieren, indem eine wäßrige Lösung von Aluminiumnitrat zugesetzt wird. Beispielsweise hat es sich gezeigt, daß ein 15 Gew.-% Al&sub2;O&sub3; enthaltendes Sol gewöhnlich in 5 bis 15 min geliert, wenn es mit einer 25 Gew.-% Aluminiumnitrat und Wasser enthaltende Lösung in einer Menge von 4 Gew.-% des Aluminiumoxidsols zugesetzt wird. Man kann Aluminiumoxidsole auch mit anderen bekannten Mitteln gelieren, siehe z.B. J.L. Woodhead, J. Mater. Educ. 6(9) 887-925 (1984). Dazu wird im allgemeinen der pH-Wert oder der Ionengehalt des Sols verändert.
Da durch den Kohlenstoffgehalt des Gels das Ausmaß der Nitridbildung beim Reaktionssintern bestimmt wird, ist es wichtig, den Kohlenstoffgehalt so zu wählen, daß die gewünschte Endzusammensetzung erzielt wird. Beim Kalzinieren des Gels müssen die Temperatur und sonstigen Bedingungen so gewählt werden, daß die Reaktion zwischen Wasserdampf und Kohlenstoff gefördert wird:
Gl.6 H&sub2;O + C --> CO + H&sub2;
Durch diese Reaktion kann der Kohlenstoffgehalt um bis zu 30 Gew.-% herabgesetzt werden. Es hat sich gezeigt, daß durch den Zusatz von wasserlöslichen organischen Zusatzstoffen, wie Glycerin, in kleinen Mengen zu dem Sol vor dem Gelieren der Kohlenstoffgehalt während des Kalzinierens des getrockneten Gels stabilisiert wird.
Es wurde festgestellt, daß bei der Verwendung von Ammoniumacetat anstelle von Aluminiumnitrat zum Gelieren von Solen nach dem Kalzinieren kein Kohlenstoff verlorengeht. Mit Ammoniumacetat werden aber aus Chattem-Aluminiumoxid hergestellte Sole zu einem schnellen, ungesteuerten Gelieren unter Bildung von großen Flocken angeregt. Das Ammoniumnitrat regt das Sol zu einem viel eindeutiger gesteuerten Gelieren mit minimaler Flockenmenge an. Zum Finden einer wasserlöslichen organischen Substanz, die das durch Aluminiumnitrat bewirkte Gelieren des Sols nicht stört und die den Kohlenstoffgehalt stabilisiert, sind Versuche mit verschiedenen organischen Zusatzstoffen durchgeführt worden. Mit mehreren 5,9 Gew.-% Kohlenstoff enthaltenden Solen wurden Versuche zum Gelieren und Kalzinieren durchgeführt. In jedem Fall wurde die organische Substanz dem Sol in einer Menge von 5 Gew.-% des nach dem Kalzinieren erwarteten Feststoffgehalts des Sols zugesetzt. Die Ergebnisse für mehrere organische Substanzen sind in der nachstehenden Tabelle I angegeben. Von disen wurde das Gelieren nur durch Ammoniumacetat beeinträchtigt. Tabelle I. Analysierter Kohlenstoffgehalt von kalzinierten Gelen Kontrollversuch (ohne organische Substanz) Ammoniumacetat Essigsäure Aluminiumacetat Glycerin Gew.-%
Aus den Angaben in der Tabelle I geht hervor, daß sowohl durch Ammoniumacetat als auch durch Glycerin eine Oxidation des Kohlenstoffs verhindert wurde (es wird angenommen, daß bei der Analysentechnik eine Genauigkeit von ± 0,1 Gew.-% erzielt wird). Essigsäure und Aluminiumacetat waren weniger gut wirksam. Man kann die Unterschiede nicht auf den durch die Pyrolyse des organischen Zusatzstoffes gebildeten zusätzlichen Kohlenstoff zurückführen. Bei Messungen des in denselben Gelen ohne Ruß verbliebenen Kohlenstoffs wurde nur eine vernachlässigbar kleine Kohlenstoffmenge (unter 0,1 Gew.-%) festgestellt.
Wenn dem Sol kein Glycerin oder eine andere wasserlösliche organische Substanz von ähnlicher Wirksamkeit zugesetzt wird, muß zur Kompensation des später beim Kalzinieren auftretenden Verlusts an Kohlenstoff mit einem höheren Kohlenstoffgehalt gearbeitet werden.

Trocknen und Kalzinieren des Gels:

Das Gel wird an der freien Luft etwa 24 Stunden trocknengelassen und dann in einem Ofen bei 90ºC weitergetrocknet, damit das meiste freie Wasser entfernt wird. Beim Trocknen bricht das Gel unter Bildung von groben Granulatkörnern von etwa 2 bis 15 mm auf. Zu diesem Zeitpunkt kann das trockene Gel zerkleinert und unter Berücksichtigung des später stattfindenden Schwindens so klassiert werden, daß das Endprodukt die gewünschte Korngröße hat. Danach werden durch Kalzinieren unter langsamem Erhitzen auf bis zu 1200ºC unter einer Stickstoffatmosphäre die Reste an Wasser und flüchtigen Stoffen entfernt.

Reaktionssintern:

Beim Reakdiontssintern reagiert der Kohlenstoff mit dem Aluminiumoxid und den gegebenenfalls vorhandenen anderen Metalloxiden unter Bildung der gewünschten Nitride oder Oxynitride. Diese Nitride werden in den späteren Stufen des Verfahrens verdichtet. Man kann das Reaktionssintern in einer Stickstoffatmosphäre in einem mit einem Graphitelement versehenen Ofen durchführen. Vorzugsweise werden die kalzinierten Gelteilchen in einem BN-Tiegel zur Reaktion gebracht, der in seinem Boden eine Anzahl von Bohrungen von 1 mm Durchmesser hat, damit der Stickstoff ungehindert strömen kann. Der Stickstoff wird in dem Ofen durch das Bett der Reaktionspartner abwärtsgeführt und unter Mitnahme des Reaktionsprodukts CO aus dem Ofen abgesaugt. Das Erhitzen konnte nach folgendem Programm durchgeführt werden:
Von Zimmertemp. auf 1000ºC in etwa 15 min
von 1000 auf 1400ºC mit etwa 200ºC/h
von 1400 bis 1900ºC mit etwa 25ºC/min
auf 1900ºC 2 Stunden halten
Kühlen des Ofens in etwa 1,5 Stunden
Das Verfahren II zum Herstellen eines keramischen Schleifmittelteilchens umfaßt folgende Schritte:
a) Es wird ein Mischsol hergestellt, das eine Aluminiumoxidvorstufe, Aluminiumnitridpulver, gegebenenfalls mindestens ein Nitrid eines Metalls der Gruppe IVb des Periodensystems und Alpha-Aluminiumoxid als Keimbildner enthält. Die Komponenten werden in solchen anteiligen Mengen verwendet, daß ein keramisches Schleifmittelteilchen gebildet wird, das
1 bis 99, vorzugsweise 1 bis 85, insbesondere 1 bis 70 Vol.-% Aluminiumoxid,
1 bis 100, vorzugsweise 15 bis 85 Vol.-% Oxynitrid und
0 bis 50, vorzugsweise 0 bis 35 und insbesondere 15 bis 35 Vol.-% mindestens eines Nitrids eines Metalls der Gruppe IVb des Periodensystems, enthält, wobei das Nitrid des Metalls der Gruppe IVb des Periodensystems vorzugsweise Titannitrid ist.
b) das Mischsol wird geliert,
c) das so erhaltene gelierte Sol wird unter Bildung von Granulatkörnern getrocknet,
d) gegebenenfalls werden die Granulatkörner gebrochen und zum Gewinnen von Granulatkörnern gleicher Größe klassiert,
e) zum Beseitigen von flüchtigen Stoffen werden die Granulatkörner in einer Stickstoffatmosphäre bei einer Temperatur von 600 bis 1200ºC kalziniert,
f) zum Herstellen des keramischen Schleifmittelteilchens werden die kalzinierten Granulatkörner bei einer Temperatur über 1600ºC, z.B. von 1600 bis 2000ºC, reaktionsgesintert.
In diesem Verfahren wird die aus ALON bestehende Komponente durch die bei Temperaturen über 1600ºC stattfindende Reaktion zwischen dem AlN und einem Teil des Al&sub2;O&sub3; gebildet. Die Reaktion wird gemäß der Gleichung 3 durchgeführt. Man erkennt, daß durch die Menge des vorhandenen AlN bestimmt wird, wieviel des Al&sub2;O&sub3; in ALON umgewandelt wird.
Wenn mehr AlN vorhanden ist, als zum Umwandeln des gesamten Al&sub2;O&sub3; in ALON benötigt wird, ist außer dem ALON noch freies AlN vorhanden. In diesem Fall werden Verbundstoffe in dem System AlN/ALON/TiN gebildet.
Auf diese Weise sind zwar dichte Zusammensetzungen erhalten worden, doch gelten für dieses Verfahren drei Einschränkungen:
1. Die erzielbaren Zusammensetzungen sind durch die Menge begrenzt, in der AlN in das Aluminiumoxidsol eingeführt werden kann.
2. Da das AlN der Hydrolyse als feines Pulver unterworfen wird, muß diese Reaktion durch besondere Vorkehrungen begrenzt werden. Eine genaue Steuerung der Zusammensetzung ist schwierig.
3. Wegen der hohen Kosten des aus AlN-Pulver bestehenden Rohmaterials kann diese Arbeitsweise für manche Zwecke nicht angewendet werden.
Gegenüber dem Verfahren I hat dieses Verfahren aber den Vorteil, daß keine Reaktion mit dem Stickstoff der Ofenatmosphäre erforderlich ist und daß kein Kohlenmonoxid als Nebenprodukt anfällt, das entfernt werden muß. Durch den Transport dieser Gase in die und aus der Gelstruktur wird das Reaktionssintern im Verfahren kompliziert, so daß im allgemeinen nur langsamer erwärmt werden darf.
Wenn AlN dem Sol direkt zugesetzt wird, spielt die Hydrolyse des AlN-Pulvers eine wichtige Rolle. Im Wasser wird das AlN langsam unter Bildung von Aluminiumhydroxid und Ammoniumhydroxid hydrolysiert.
Gl.7 AlN + 4H&sub2;O --> Al(OH)&sub3; + NH&sub4;OH
Normalerweise wird die Reaktion durch eine sich auf der Oberfläche des AlN-Teilchens bildende, schützend wirkende Hydroxidschicht verlangsamt. Wenn dagegen das AlN in ein wäßriges Sol eingemahlen wird, um das Dispergieren zu unterstützen, wird dem Wasser ständig eine frische Oberfläche ausgesetzt und kann die Hydrolyse sehr schnell fortschreiten. Um dieses Problem weitgehend zu vermeiden, wird in einer bevorzugten Arbeitsweise das AlN zuerst in einem mit Wasser mischbaren organischen Lösungsmittel, wie Aceton, dispergiert. Dann wird das Sol aus dem gründlich dispergierten AlN und dem Aceton dem wäßrigen Aluminiumoxidsol beigemischt, worauf geliert und zu einem Schleifkorn getrocknet wird. Nach dem Kalzinieren in einem Ofen in einer Stickstoffatmosphäre bei bis zu 1000ºC wird das Gel zu dem gewünschten Oxynitrid reaktionsgesintert und wird das Material verdichtet. Da in dem kalzinierten Gel das AlN bereits vorhanden ist, kann das Erhitzen zum Reaktionssintern schneller durchgeführt werden und wird keine Tiegelanordnung benötigt, die ein Strömen von Stickstoff durch die Gelteilchen gestattet. Der Ofen muß jedoch eine Stickstoffatmosphäre enthalten, damit eine Oxidation des AlN vermieden und das AlN bei höheren Temperaturen möglichst wenig gespalten wird. Es konnte nach folgendem Programm erhitzt werden:
von Zimmertemperatur auf 1000ºC in etwa 15 min
von 1000ºC auf 1900ºC mit etwa 25ºC/min
auf 1900ºC 2 Stunden halten
Ofen kühlen in etwa 1,5 Stunden
Man kann dem Aluminiumoxidsol auch Titannitridpulver oder ein Pulver aus einem Nitrid eines anderen Metalls der Gruppe IVb zusetzen, damit das Endprodukt diese Substanzen enthält. Das AlN-Pulver und das gegebenenfalls vorhandene Pulver aus einem Nitrid eines anderen Metalls der Gruppe IVb können eine durchschnittliche Korngröße unter 5 Mikrometer, vorzugsweise unter 1 Mikrometer, haben.
Man kann die Teilchen aus dem Verbundstoff in Form von losen Körnern oder Flocken oder zum Herstellen von beschichteten Schleifmittelprodukten, wie Scheiben, Bändern, Schleifscheiben, faserstoffhaltigen Schleifmittelprodukten und anderen Produkten verwenden, in denen gewöhnlich Schleifmittel in Form von Granulatkörnern oder Teilchen verwendet werden. Die beschriebenen Werkstoffe sind zwar in Form von Schleifmittelteilchen besonders nützlich, können aber auch in anderen Körpern verwendet werden, die hart und verschleißbeständig sein müssen, z.B. in Mahlkörpern.
Man kann die erfindungsgemäßen Schleifkörper zum Schleifen oder Polieren jeder beliebigen schleifbaren Fläche, z.B. aus Metall, Keramik, Kunststoff, verwenden. Der Schleifkörper wird solange und unter einem solchen Druck in Berührung mit der schleifbaren Fläche bewegt, daß diese in dem gewünschten Grade geändert wird. Aufgaben und Vorteile der Erfindung gehen weiter aus den nachstehenden Beispielen hervor.

Beispiel 1

Schleifmittelteilchen mit einer Richtzusammensetzung von 50 Vol.-% Al&sub2;O&sub3; und 50 Vol.-% ALON wurden wie folgt hergestellt:

Schritt 1

Zum Herstellen eines Sols aus Aluminiumoxid AlO(OH) wurden 100 g Dispersible Alumina (Chattam Chemicals, 1715 W.38th St., Chattanooga, Tenn.), 406,6 g destilliertes Wasser und 4,536 g konzentrierte HNO&sub3; (70%-ig) verwendet. Das destillierte Wasser wurde bei 80ºC mit einem Premier Dispersator (Premier Mill Corporation) 1071 Ave. of the Americas, New York, N.Y. 10018) mit mäßiger Drehzahl gerührt. Das Chattem-Pulver wurde dem Wasser langsam zugesetzt, und es wurde bei 80ºC 5 min gerührt, bis alles Pulver zugesetzt worden war. Die HNO&sub3; wurde sehr langsam zugesetzt, um jede Schaumbildung zu vermeiden. Nach dem vollständigen Zusetzen der HNO&sub3; wurde das Sol bei 80ºC 15 min gerührt. Das Sol wurde in eine Flasche gegeben, die oben mit einer Pyrex -Petrischale zugedeckt wurde. Das Sol wurde 24 Stunden bei 90ºC wärmebehandelt. Nach der Wärmebehandlung wurde das Sol auf Zimmertemperatur abkühlen gelassen und die Flasche mit einer Kappe verschlossen.

Schritt 2

300 g des im Schritt 1 hergestellten Sols aus Aluminiumoxid wurden in ein Rolex -Mahlgefäß (Norton Co., One New Bond St., Worcester, MA 01606) der Größe 00 gewogen, das bereits 1000 g 0,64 cm mal 0,64 cm messende Brurndum - Mahlkörper (Norton Co.) aus Alpha-Aluminiumoxid enthielt. Das Sol wurde 20 Stunden mit einer Mahldrehzahl von 60 U/min gemahlen. Nach dem Mahlen wurde das Sol in eine Polyethylenflasche gegossen und der Inhalt mit einem Magnetrührer gerührt, damit sich beim Mahlen gebildete Verunreinigungen nicht absetzen konnten.

Schritt 3

Dann wurde unter Verwendung von 12,0 g Ruß Monarch 1300 (Cabot Corporation, 800 Roosevelt Blvd., Glen Ellyn, IL) und 288,0 g des Chattem-Sols ein 4 Gew.-% Kohlenstoff enthaltendes Sol hergestellt.
Beide Substanzen wurden in ein Rolex-Gefäß der Größe 00 gewogen, das bereits 1600 g ZrO&sub3;-Mahlkörper (Corning Glass Works, Houghton Park, Corning, N.Y., 14830) von 0,64 cm mal 0,64 cm enthielt. Das 4 gewichtsprozentige Sol wurde 48 Stunden mit einer Mahldrehzahl von 60 U/min gemahlen.

Schritt 4

Der nachstehende Ansatz wurde zum Herstellen der zu gelierenden Zusammensetzung verwendet. Aus diesem Ansatz werden 100 g kalziniertes Gel erhalten.
55,0 g 4-Gew.-% Kohlenstoff enthaltendes Sol
163,7 g gemahlenes Chattem-Sol (vom Schritt 2)
438,2 g Chattem-Sol (vom Schritt 1)
5,0 g Glycerin
26,2 g Lösung von 25 Gew.-% Aluminiumnitrat in Wasser
Alle Substanzen außer der Aluminiumnitratlösung wurden mit einem elektrisch angetriebenen Rührer gerade so schnell gerührt, daß die ganze Charge gerührt wurde. Das Gemisch wurde 15 min gerührt, worauf das Geliermittel (die Aluminiumnitratlösung) langsam zugesetzt wurde. Nach dem vollständigen Zusatz des Geliermittels wurde die ganze Charge noch 5 min gerührt.

Schritt 5

Das Sol wurde in eine große Pyrex -Schale gegossen, in der es innerhalb von 15 min gelierte. Das Gel wurde 24 Stunden bei Zimmertemperatur trocknen gelassen.

Schritt 6

Danach wurde das Gel in einem Umluftofen bei 90º 24 Stunden weitergetrocknet. Nach dem Trocknen im Ofen wurde das getrocknete Gel mit einem Mörser und einem Stößel leicht gebrochen und dann auf eine Korngröße von 420 bis 707 Mikrometern (U.S. Standard Sieve Series, 25 bis 40 mesh) abgesiebt.

Schritt 7

Das getrocknete und auf eine Korngröße von 420 bis 707 Mikrometern abgesiebte Gel wurde in einem Mullit- Röhrenofen unter einer strömenden N&sub2;-Atmosphäre (1900 l/min) nach folgendem Erhitzungsprogramm kalziniert:
Von Zimmertemperatur auf 1000ºC bei etwa 100ºC/h
auf 1000ºC 1 Stunde halten
von 1000ºC auf Zimmertemperatur mit etwa 100ºC/h

Schritt 8

Danach wurde das kalzinierte Gel in einem mit einem Graphitelement versehenen Widerstandsofen (Astro Series 3000, Astro Furnace Co., 606 0live St., Santa Barbara, CA 93101) nach folgendem Sinterprogramm reaktionsgesintert:
Von Zimmertemperatur auf 1000ºC in etwa 15 min
von 1000ºC auf 1400ºC in etwa 200ºC/h
von 1400ºC auf 1880ºC in etwa 25ºC/min
auf 1880ºC 2 Stunden halten
Es wurde in einem Durchströmtiegel aus BN mit strömendem N&sub2;(1180 cm³/min) reaktionsgesingert.

Schritt 9

Danach wurde das reaktionsgesinterte Gut für Schleiftests auf eine Körnung von etwa 50 abgesiebt. Das Gut der Körnung 50 aus einem Gemisch von gleichen Gewichtsmengen eines auf 354 bis 420 Mikrometer abgesiebten Gutes und eines auf 297 bis 354 Mikrometer abgesiebten Gutes.
Das reaktionsgesinterte Grobkorn war dunkelgrau. Durch Untersuchung unter dem Lichtmikroskop und Röntgen- Kristallsturkturanalyse wurde eine zweiphasige Mikrostruktur aus Alpha-Aluminiumoxid und ALON festgestellt. Die Korngröße lag im Bereich von 2 bis 4 Mikrometern, und das Grobkorn war offenbar vollkommen dicht. Nach dem Archimedischen Prinzip (zunächst wird eine Menge des Schleif-Grobkorns gewogen, und dann wird das Alkoholvolumen bestimmt, das beim Eintauchen des Korns in den Alkohol verdrängt wird) wurde eine Dichte von 3,82 g/cm³ bestimmt, was 99,5% der Dichte entspricht, die bei einem Verbundstoff aus 50 Vol.-% Aluminiumoxid und 50 Vol.-% Aluminiumoxynitrid zu erwarten ist.

Beispiel 2

Schleifmittelteilchen mit einer Richtzusammensetzung von 25 Vol.-% TiN, 37,5 Vol.-% Al&sub2;O&sub3;, 37,5 Vol.-% ALON wurden nach der Arbeitsweise des Beispiels 1 mit folgenden Unterschieden hergestellt.

Schritt 3

Zum Herstellen eines Sols mit 2,8 Gew.-% Kohlenstoff wurde folgender Ansatz verwendet:
8,4 g Ruß (Monarch 1300)
57,3 g gemahlenes Chattem-Sol aus Al&sub2;O&sub3; (Schritt 2)
172,0 g Chattem-Sol (Schritt 1)
20,8 g TiO&sub2; (Degussa P-25 , Degussa Corp., P.O. Box 2004, Teterboro, NJ 07608)
41,5 g destilliertes Wasser (pH-Wert 3,5)
Alle Substanzen wurden in ein Rolex-Gefäß der Größe 00 von Norton gewogen, das bereits 1600 g ZrO&sub2;-Mahlkörper von 0,64 cm mal 0,64 cm enthielt. Der Ansatz wurde bei einer Mahldrehzahl von 60 U/min 48 Stunden gemahlen.

Schritt 4

Zum Herstellen des Gels wurde der nachstehende Ansatz verwendet, mit dem 62,0 g kalziniertes Gel erhalten werden:
300,0 g Sol mit 2,8 Gew.-% Kohlenstoff
3,1 g Glycerin
9,2 g Lösung von 25 Gew.-% Aluminiumnitrat in Wasser
Alle Substanzen außer der Aluminiumnitratlösung wurden mit einem elektrisch angetriebenen Rührer gerade so schnell gerührt, daß die ganze Charge gerührt wurde. Das Gemisch wurde 15 min gerührt, worauf das Geliermittel (die Aluminiumnitratlösung) langsam zugesetzt wurde. Nach dem vollständigen Zusatz des Geliermittels wurde die ganze Charge noch 5 min gerührt. Nach dem Aufhören des mechanischen Rührens begann die Gelbildung in dem Gemisch innerhalb von Sekunden. Damit in dem Gemisch gegebenenfalls vorhandend Flocken aus TiO&sub2; vollständig aufgebrochen wurden, wurde von Hand noch etwa 5 min weitergerührt.

Schritt 6

Es wurde wie im Beispiel 1 gearbeitet, aber das trockene Gel auf 20 bis 35 mesh abgesiebt.

Schritt 8

Danach wurde das kalzinierte Gel in einem Astro- Ofen unter den nachstehenden Bedingungen reaktionsgesintert:
Von Zimmertemperatur auf 1000ºC in etwa 15 min
von 1000ºC auf 1400ºC mit etwa 200ºC/h
auf 1400ºC 5 Stunden halten
von 1400ºC auf 1900ºC mit etwa 25ºC/min
auf 1900ºC 2 Stunden halten
Es wurde in einem Durchströmtiegel aus BN mit strömendem N&sub2; (1180 cm³/min)reaktionsgesintert.
Das reaktionsgesinterte Grobkorn war nach dem Brennen gelbbrau und sein Schliffbild hatte einen metallischen Goldglanz. Unter dem Lichtmikroskop und durch Röntgen-Kristallstrukturanalyse wurden die erwarteten Phasen TiN, Alpha- Aluminiumoxid und ALON festgestellt. Das TiN war in dem ganzen Gut gleichmäßig verteilt. Alle vorhandenen Phasen hatten eine Korngröße von 2 Mikrometern oder weniger. Das Grobkorn hatte eine Dichte von 4,08 g/cm³, was 96,2% der erwarteten Dichte eines Verbundstoffes aus 25 Vol.-% TiN, 37,5 Vol.-% Aluminiumoxid und 37,5 Vol.-% ALON entsprach. Das Gut war offenbar vollkommen dicht, wenn sein Schliffbild mit 450-facher Vergrößerung betrachtet wurde.

Beispiel 3

Schleifmittelteilchen mit einer Richtzusammensetzung von 50 Vol.-% Aluminiumoxid und 50 Vol.-% ALON wurden nach der Arbeitsweise des Beispiels 1 mit folgenden Unterschieden hergestellt.

Schritt 2

50 g AlN-Pulver (Hermann C. Starck Berlin, Niederlassung Laufenburg, Westdeutschland) wurden in ein Rolex- Gefäß der Größe 00 von Norten gewogen, das bereits 1000 g Burundum-Mahlkörper von 0,64 cm mal 0,64 cm enthielt. Es wurde soviel Aceton zugesetzt, daß die Mahlkörper eben bedeckt waren. Dann wurde 20 Stunden mit einer Mahldrehzahl von 60 U/min gemahlen.

Schritt 3

Nach dem Mahlen wurde die Aufschlämmung aus AlN- Pulver und Aceton in eine große Pyrex-Schale gegossen. Die Schale wurde 3 Stunden in einer Dampfabsaughaube angeordnet, damit das Aceton verdampfen konnte. In einem Umluftofen wurde 4 Stunden bei 50ºC fertiggetrocknet.

Schritt 4

Aus dem nachstehenden Ansatz wurde die zu gelierende Zusammensetzung hergestellt:
612,0 g Chattem-Sol (vom Schritt 1)
12,1 g gemahlenes AlN-Pulver
24,5 g Lösung von 25 Gew.-% Aluminiumnitrat in Wasser
Die 12,1 g gemahlenes AlN-Pulver wurden in eine 113,4 ml fassende Glasflasche gewogen, die keine Mahlkörper enthielt und wurden nach dem Zusatz von 50 g Aceton zum vollständigen Aufbrechen des AlN-Pulvers 2 Stunden auf einer Kugelmühle behandelt. (Wenn das gemahlene AlN-Pulver trocken ist, neigt es dazu, sich zu kleinen, sehr harten Klümpchen zusammenzuballen.) Danach wurde das Chattom-Sol mit der Aufschlämmung aus AlN und Aceton versetzt und mit einem Premier Dispersator 15 min langsam gerührt. Danach wurde das Geliermittel (Aluminiumnitratlösung) sehr langsam zugesetzt. Nach der vollständigen Zugabe des Geliermittels wurde das Gemisch noch 5 min bei mäßiger Drehzahl gerührt.

Schritt 6

Wie im Beispiel 1, doch wurde das trockene Gel nicht gebrochen und abgesiebt.

Schritt 8

Danach wurde das kalzinierte Gel in einem Astro- Ofen nach folgendem Sinterprogramm reaktionsgesintert:
Von Zimmertemperatur auf 1000ºC in etwa 15 min
von 1000ºC auf 1900ºC mit 25ºC/min
auf 1900ºC 2 Stunden halten
Es wurde in einem BN-Tiegel in einer Stickstoffatmosphäre reaktionsgesintert.
Das reaktionsgesinterte Grobkorn war grau. Unter dem Lichtmikroskop und durch Röntgen-Kristallstrukturanalyse wurde festgestellt, daß die Mikrostruktur der im Beispiel 1 beschriebenen ähnelte, aber eine gröbere Korngröße von 4 bis 8 Mikrometern hatte. Bei 450-facher Vergrößerung waren Schliffbilder des Grobkorns offenbar vollkommen dicht. Die gemessene Dichte betrug 3,87 g/cm³, was 101% der Dichte entsprach, die bei einem Verbundstoff aus 50 Vol.-% Aluminiumoxid und 50 Vol.-% Aluminiumoxynitrid zu erwarten ist. Daraus kann man schließen, daß der Gehalt des Verbundstoffes an der dichteren Phase aus Aluminiumoxid höher war als nach dem ursprünglichen Ansatz zu erwarten gewesen wäre.

Beispiel 4

Aus dem Schleif-Grobkorn nach Beispiel 1 und 3 und einem zum Vergleich herangezogenen, üblichen Schleif- Grobkorn wurden beschichtete Schleifscheiben mit einem Durchmesser von 17,75 cm hergestellt. Das Schleif-Grobkorn für jede Scheibe bestand aus einem Gemisch von gleichen Gewichtsteilen von Körnern von 40 bis 45 mesh (durchschnittlicher Durchmesser 390 Mikrometer) und von Körnern von 45 bis 50 mesh (durchschnittlicher Durchmesser 330 Mikrometer). Diese Siebschnitte wurden mit U.S.-Normsieben erzielt. Die Scheiben wurden nach üblichen Verfahren zum Herstellen von beschichteten Schleifmitteln hergestellt, und zwar mit üblichen 0,76 mm starken Rücken aus Vulkanfiber und einem üblichen Einbettungsklebstoff aus mit Calciumcarbonat als Füllstoff enthaltendem Phenolharz (52 Gew.-% CaCO&sub3; und 48 Gew.-% Phenolformaldehydharz) und einem Deckschichtklebstoff (68 Gew.-% CaCO&sub3; und 32 Gew.-% Phenolformaldehydharz) ohne eine Abstimmung wegen der unterschiedlichen Dichten der mineralischen Fällstoffe. Das Einbettungsharz wurde 75 min bei 80ºC vorgehärtet. Das Deckschichtharz wurde 90 min bei 88ºC vorgehärtet und dann 10 Stunden bei 100ºC fertiggehärtet. Es wurden übliche Einweg-Beschichtungsverfahren durchgeführt, und es wurde in einem Umluftofen gehärtet. Die Überzüge hatten folgende Naßgewichte: Überzug Überzugsgewicht (g/m²) Einbettungsharz Deckschichtharz mineralischer Füllstoff
Die so erhaltenen gehärteten Scheiben wurden zunächst auf übliche Weise durchgebogen, um das harte Bindeharz einer steuerbaren Rißbildung zu unterwerfen. Die Scheiben wurden auf einem konischen Tragkörper aus Aluminium montiert und zum Schleifen der Oberfläche eines 1,25 cm mal 18 cm messenden Werkstückes aus kaltgewalztem Stahl 1018 verwendet. Wenn der über dem konischen Rand des Tragkörpers liegende Teil der Scheibe das Werkstück unter einem Druck von 0,91 kg/cm² berührte, erzeugte die mit etwa 5000 U/min angetriebene Schleifscheibe eine Schleifspur von etwa 140 cm². Mit jeder Scheibe wurden 12 getrennte Werkstücke je 1 min geschliffen. Die relative Gesamtabschliffmenge bei den 12 mit jeder Scheibe durchgeführten Schleifvorgängen ist in der Tabelle I angegeben. Zum Vergleich ist auch die Gesamtabschliffmenge angegeben, die mit einer Scheibe erzielt wurde, zu deren Herstellung übliches Schleifmittel aus braunem Elektrokorund verwendet wurde. TABELLE I Schleifergebnisse auf Stahl 1018 Probekörper Zusammensetzungen Gesamtabschliffmenge Kontrollkörper Elektrokorund zum Vergleich ALON
Aus den Angaben der Tabelle I geht hervor, daß die beschichteten Schleifscheiben gemäß der Erfindung eine viel (um 200 bis 300% höhere Wirksamkeit hatte als eine übliche Schleifscheibe mit braunem Elektrokorund.

Claims

1. Beschichteter keramischer Schleifkörper mit einem Rücken, der auf mindestens einer Fläche mit einer Zusammensetzung überzogen ist, die ein Bindeharz und mindestens ein aus einem keramischen Schleifmittel bestehendes Teilchen besitzt, das im wesentlichen aus einem einheitlichen mehrphasigen Verbundstoff besteht, der im wesenltichen aus Aluminiumoxid und Gamma-Aluminiumoxynitrid besteht und gegebenenfalls mindestens ein Nitrid eines Metalls der Gruppe IVb des Periodensystems enthält.

2. Schleifkörper nach Anspruch 1, in dem der Verbundstoff fast vollkommen dicht ist.

3. Schleifkörper nach einem der Ansprüche 1 und 2, in dem das Teilchen aus dem keramischen Schleifmittel im wesentlichen aus einem einheitlichen mehrphasigen Gemisch aus mikrokristallinen Komponenten besteht, die im wesentlichen aus

1 bis 95 Vol.-% Aluminiumoxid,

1 bis 95 Vol.-% Gamma-Aluminiumoxynitrid und

0 bis 50 Vol.-% mindestens Nitrids eines Metalls der Gruppe IVb des Periodensystems

bestehen.

4. Schleifkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in dem der Verbundstoff des aus dem keramischen Schleifmittel bestehenden Teilchens bis zu 3 Gew.-% Zirkoniumnitrid enthält.

5. Schleifkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, in dem in dem aus dem keramischen Schleifmittel bestehenden Teilchen das Nitrid des Metalls der Gruppe IVb des Periodensystems Titannitrid ist.

6. Schleifkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, in dem das Teilchen aus dem keramischen Schleifmittel die Form eines Grobkorns, einer Flocke, eines Stäbchens oder eine andere Form hat.

7. Schleifkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, in dem das Teilchen aus dem keramischen Schleifmittel eine Korngröße unter 10 Mikrometern hat.

8. Verfahren zum Herstellen eines beschichteten Schleifkörpers nach einem der Ansprüche 1 bis 7 mit folgenden Schritten:

(a) es wird ein Rücken verwendet,

(b) auf eine Fläche des Rückens wird eine Schleifmittelschicht aufgetragen, die ein Bindeharz und mindestens eines der Teilchen aus dem keramischen Schleifmittel enthält; und

(c) das Bindeharz wird gehärtet;

so daß ein beschichteter Schleifkörper erhalten wird.

9. Verfahren zum Schleifen einer Fläche mit einem Schritt, in dem

eine schleifbare Fläche und ein keramischer Schleifkörper so lange in Berührung miteinander bewegt werden, daß die schleifbare Fläche verändert wird, wobei der keramische Schleifkörper ein einheitliches mehrphasiges Gemisch aus mikrokristallinen Komponenten aufweist, die im wesentlischen aus

1 bis 95 Vol.-% Aluminiumoxid,

1 bis 95 Vol.-% Gamma-Aluminiumoxynitrid und

bestehen.