DE3786246T2

DE3786246T2 - Verfahren zur herstellung von schleifpartikeln aus aluminiumoxid, aluminiumoxinitrid, metallnitrid der gruppe - iv-b nach einem sol - gel - verfahren.

Info

Publication number: DE3786246T2
Application number: DE87310170T
Authority: DE
Inventors: Thomas E C O Minnesot Forester; James P C O Minnesota Mathers; William P C O Minnesota M Wood
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1986-11-20
Filing date: 1987-11-18
Publication date: 1993-11-04
Anticipated expiration: 2007-11-19
Also published as: EP0471389A2; ZA877802B; DE3786246D1; JP2506852B2; EP0471389B1; CA1327453C; AU600317B2; EP0273569A2; EP0273569A3; EP0471389A3; EP0273569B1; KR880006004A; MX9188A; DE3751408D1; KR950011676B1; JPS63139062A; DE3751408T2; AU8018887A; BR8706217A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft keramische Schleifpartikel in einem System aus Aluminiumoxid/Gamma- Aluminiumoxynitrid/Metallnitrid der Gruppe IVB des Periodensystems. In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zur Herstellung keramischer Schleifpartikel nach dem Sol-Gel- Verfahren offenbart. Ferner wird in einem weiteren Aspekt ein Verfahren zum Schleifen einer Oberfläche unter Verwendung der keramischen Schleifpartikel der Erfindung offenbart.
Ausführungsformen der Erfindung in bezug auf Artikel, umfassend die keramischen Schleifpartikel, und Ausführungsformen der Erfindung in bezug auf Verfahren zur Herstellung dieser Artikel sind Gegenstand der Teilanmeldung Nr. 91118553.6-2111, für die der gleiche Prioritätstag wie für die vorliegende Erfindung beansprucht wird.
Aluminiumoxid, Gamma-Aluminiumoxynitrid (ALON) und TiN sind bekannte Keramiken für Anwendungen, wie beispielsweise Trägermaterial für die Elektronik, optische Fenster und Tiegel. Al&sub2;O&sub3; wurde ebenfalls als Schleifstaub verwendet. ALON ist in der US-P-4 241 000 als ein Schleifstaub offenbart worden.
Mit dem besseren Verständnis, daß man in bezug auf die Einflüsse der Weiterverarbeitung auf die Mikrostruktur des Endprodukts erhalten hat, wurden in den letzten Jahren die mechanischen Eigenschaften der Keramikmaterialien verbessert. Es ist bekannt, daß geringere Anteile der Porosität und eine feine Korngröße für ein optimales mechanisches Verhalten erforderlich sind. Mikrostrukturen, die diese beiden Merkmale aufweisen, sind nicht leicht zu erhalten, da bei Erhöhung der Temperaturen zur verbesserten Eliminierung der Poren während des Sinterns das Kornwachstum ebenfalls beschleunigt wird. Ein zur Überwindung dieser Schwierigkeit verwendetes Verfahren war die Kombination verschiedener kristalliner Bestandteile, um einen Verbundstoff zu schaffen.
Die EP-A-0 107 571 (französisches Gegenstück 821 957 und Zusammenfassung in englischer Sprache) beschreibt Verbundkeramiken aus Al&sub2;O&sub3; und ALON, die als Schneidwerkzeuge, Ziehsteine, Tiegel, usw. verwendbar sind. Die mechanischen Eigenschaften sind im Vergleich zum bekannten Aluminiumoxid angeblich verbessert.
Verbundstoffe von TiN und Al&sub2;0&sub3; wurden in der US-P-3 652 304, 4 022 584, 4 204 873, 4 249 914, 4 325 710, 4 366 254 und JP-P-50-89410 (Zusammenfassung), JP-P-57-16954 (Zusammenfassung) offenbart. Die offenbarte Anwendbarkeit bezieht sich hauptsächlich auf Schneidwerkzeuge, in einigen Fällen jedoch auf Tiegel. Bei einigen dieser Patente wurden weitere Bestandteile zugesetzt, um die Leistungsfähigkeit oder das Sinterverhalten zu modifizieren.
Verbundstoffe für Schneidwerkzeuge aus TiN mit Al&sub2;O&sub3; und ALON wurden in der US-P-4 320 203 offenbart.
Der Stand der Technik in dem System AL&sub2;O&sub3;/ALON/TiN ist eher produktorientiert auf verhältnismäßig scharfe Konturen und Formen, wie beispielsweise auf Schneidwerkzeuge, Substrate für Elektronik und Tiegel, als auf Produkte mit kleinen Feststoffteilchen, wie beispielsweise Schleifstaub. Bekannte Herstellungsverfahren setzen keramische Pulver ein, die gepreßt oder auf andere Weise in die gewünschte Form gebracht und danach zur Verdichtung gesintert oder mit gleichzeitig stattfindender Reaktion gesintert werden. Die Herstellung von individuellem Schleifstaub nach diesen Verfahren ist wegen der erforderlichen Menge und Feinheit unpraktisch. Aufgrund der Festigkeit und Zähigkeit dieser Substanzen ist auch das zerkleinern und Sieben größerer Artikel zu dem gewünschten Korngrößenbereich unpraktisch. Ein weiteres Problem bei dem bekannten Verfahren sind die hohen Kosten für sinterfähige Pulver aus AlN und TiN, die in diesen Verfahren verwendet werden. So kosten beispielsweise kommerzielle AlN-Pulver (die zur Bildung von ALON durch Reaktion mit Al&sub2;O&sub3; verwendet werden) normalerweise 55... 65 US-$/kg und können nicht ohne aufwendiges Mahlen und Klassieren gesintert werden. Leicht sinterfähige Pulver können bis zu 325 US-$/kg kosten.
Aus der Patentliteratur und technischen Veröffentlichungen ist die Anwendung von Sol-Gel-Verfahren für die Herstellung von kugelförmigen Teilchen für Kernbrennstoffe aus Carbiden und Nitriden des Urans und Thoriums bekannt. Normalerweise werden Hydrosole des Uranoxids und Thoriumoxids gemeinsam mit Kohlenstoff dispergiert, der zu Kugeln geformt ist, und danach einer Gelbildung und Sinterung bei gleichzeitig stattfindender Reaktion zur Bildung einer Carbid- oder Nitridkugel unterzogen. Beispiele für diese Lehre enthalten die US-P-3 171 715, 3 331 783, 3 860 691 und 3 904 736. Die Endprodukte haben normalerweise eine Dichte von weniger als 95 %.
Die Herstellung von Schleifmitteln mit Aluminiumoxid und anderen Metalloxiden in einem Sol-Gel-Verfahren wurde in der US-P-4 314 827 offenbart.
Die Anwendung von Sol-Gel-Verfahren zur Herstellung von Teilchen aus gemischten Solen aus Aluminiumoxid/Kohlenstoff, Aluminiumoxid/Titanoxid/Kohlenstoff oder Aluminiumoxid/Nitride gefolgt von einer Dehydratation und Sinterung unter gleichzeitig stattfindender Reaktion zur Bildung dichter Keramiken in dem System Al&sub2;O&sub3;/ALON/TiN wurde, wie angenommen wird, in der Literatur nicht offenbart. Es wird angenommen, daß die Verwendung von Substanzen in dem System Al&sub2;O&sub3;/ALON/TiN als Schleifmittel in der Technik neuartig ist.
Die vorliegende Erfindung gewährt ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Schleifmittelpartikels, umfassend die Schritte der Verfahren I oder Verfahren II:

Verfahren I

(a) Herstellen eines gemischten Sols mit einem Präkursor aus Aluminiumoxid, Kohlenstoff oder deren chemische Präkursoren, wahlweise mindestens einem Metalloxid der Gruppe IVB des Periodensystems oder dessen chemische Präkursoren, wahlweise einem Kohlenstoff stabilisierenden Mittel und einem Impfmittel für Alpha-Aluminiumoxid, wobei die Bestandteile in ausreichenden Anteilen vorliegen, um ein keramisches Schleifpartikel zu schaffen, im wesentlichen bestehend aus:
(1) 1 bis 99, vorzugsweise 1 bis 85 und besonders bevorzugt 1 bis 70 Volumenprozent Aluminiumoxid,
(2) 1 bis 99, vorzugsweise 15 bis 85 und besonders bevorzugt mindestens 15 Volumenprozent Gamma- Aluminiumoxynitrid und
(3) 0 bis 50, vorzugsweise 0 bis 35 und besonders bevorzugt 15 bis 35 Gamma-Aluminiumoxynitrid mindestens ein Metallnitrid der Gruppe IVB des Periodensystems (vorzugsweise Titannitrid)
(b) Gelbildung des gemischten Sols,
(c) Trocknen des resultierenden gelierten Sols zur Schaffung von spröden Körnern,
(d) wahlweises Zerkleinern und Sieben der Körner zur Schaffung klassierter Körner,
(e) Brennen der Körner bei einer Temperatur von 600ºC bis 1.200ºC in einer Stickstoffatmosphäre zur Entfernung flüchtiger Bestandteile,
(f) Sintern der gebrannten Körner bei gleichzeitig stattfindender Reaktion bei einer Temperatur von mindestens 1.600ºC zur Schaffung der keramischen Schleifmittelpartikel; oder

Verfahren II

(a) Herstellen eines gemischten Sols mit einem Präkursor aus Aluminiumoxid, Pulver aus Aluminiumnitrid, wahlweise mindestens einem Metallnitrid der Gruppe IVB des Periodensystems und einem Impfmittel für Alpha- Aluminiumoxid, wobei die Bestandteile in ausreichenden Anteilen vorliegen, um ein keramisches Schleifpartikel zu schaffen, im wesentlichen bestehend aus:
(1) 1 bis 99, vorzugsweise 1 bis 85 und besonders bevorzugt 1 bis 70 Volumenprozent Aluminiumoxid,
(2) 1 bis 99, vorzugsweise 15 bis 85 und besonders bevorzugt mindestens 15 Volumenprozent Gamma- Aluminiumoxynitrid und
(3) 0 bis 50, vorzugsweise 0 bis 35 und besonders bevorzugt 15 bis 35 Volumenprozent mindestens einem Metallnitrid der Gruppe IVB des Periodensystems (vorzugsweise Titannitrid)
(b) Gelbildung des gemischten Sols,
(c) Trocknen des resultierenden gelierten Sols zur Schaffung von spröden Körnern,
(d) wahlweises Zerkleinern und Sieben der Körner zur Schaffung klassierter Körner,
(e) Brennen der Körner bei einer Temperatur im Bereich von 600ºC bis 1.200ºC in einer Stickstoffatmosphäre zur Entfernung flüchtiger Bestandteile,
(f) Sintern bei gleichzeitig stattfindender Reaktion der gebrannten Körner bei einer Temperatur von mindestens 1.600ºC zur Schaffung der keramischen Schleifmittelpartikel.
In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Schleifen einer Oberfläche unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Schleifpartikels offenbart.
Die gemäß dem Verfahren der Erfindung hergestellten Partikel sind polykristalline Verbundstoffe mit Körnern aus Al&sub2;O&sub3; und ALON und wahlweise Körnern von mindestens einem Metallnitrid der Gruppe IVB des Periodensystems, welches vorzugsweise Titannitrid ist. Diese Körner werden gemeinsam gesintert und in dem gesamten Verbundstoff gleichmäßig verteilt. Die Verbundstoffe sind mit weniger als 4 Vol.% Poren nahezu vollständig dicht. Die maximale Korngröße ist kleiner als 10 Mikrometer und normalerweise kleiner als 5 Mikrometer. Die Materialien sind beispielsweise als Schleifpartikel verwendbar.
Zur Herstellung der Keramik in dem bevorzugten System von Al&sub2;O&sub3;/ALON/TiN der Erfindung nach einem Sol-Gel-Verfahren werden Kohlenstoff und TiO&sub2; in einem Aluminiumoxid-Sol dispergiert, in die gewünschte Form gebracht, einer Gelbildung unterzogen, getrocknet und unter gleichzeitig stattfindender Reaktion gesintert, um eine dichte Keramik in dem System Al&sub2;O&sub3;/ALON/TiN zu bilden. ALON wird durch eine Reaktion zwischen Aluminiumoxid, Kohlenstoff und Stickstoff aus der Atmosphäre des Ofens gebildet. TiN wird in einer ähnlichen Reaktion zwischen TiO&sub2;, Kohlenstoff und Stickstoff gebildet. Die Anteile von Al&sub2;O&sub3;, ALON und TiN in dem fertigen Verbundstoff werden anhand der relativen Mengen von Aluminiumoxid, TiO&sub2; und Kohlenstoff bestimmt, die zur Bildung des Sols verwendet wurden.
Wahlweise können AlN und TiN in dem Aluminiumoxid-Sol dispergiert werden. Nach der Gelbildung, dem Trocknen und dem Sintern unter gleichzeitig stattfindender Reaktion werden dichte keramische Partikel in dem System Al&sub2;O&sub3;/ALON/TiN erhalten. In diesem Fall bildet sich das ALON durch Reaktion zwischen dem Al&sub2;O&sub3; und dem AlN.
In der vorliegenden Anmeldung bedeuten:
"Keramik" ein anorganisches Material, das sich sowohl aus metallischen Elementen als auch nichtmetallischen Elementen zusammensetzt, wie beispielsweise Oxide, Nitride, Carbide;
"feste Lösung" eine einkristalline Phase, die hinsichtlich ihrer Zusammensetzung innerhalb fester Grenzen variiert werden kann, ohne das Erscheinen einer zusätzlichen Phase;
"ALON" ein Akronym, welches Gamma-Aluminiumoxynitrid als eine feste Lösung darstellt, die zwischen Al&sub2;O&sub3; und AlN gemäß der Gleichung gebildet wird:
Gl. 1: Al&sub2;O&sub3; + x AlN → Al(2+x)O&sub3;Nx.
Hinsichtlich des Bereichs der Zusammensetzung für dieses Material gehen die Meinungen in der Literatur erheblich auseinander, wobei jedoch ein allgemein anerkannter Bereich 20...40 Molprozent AlN ist, d. h. nach Gleichung 1 x = 0,25...0,87. ALON hat im Gegensatz zu der hexagonalen Struktur des Alpha-Al&sub2;O&sub3; eine kubische Struktur vom Typ des Spinels. Es wurde daher in der Vergangenheit gelegentlich als mit Stickstoff stabilisiertes kubisches Al&sub2;O&sub3; oder Stickstoff enthaltendes Aluminiumoxid bezeichnet. Gegenwärtig ist es im allgemeinen eher mit dem Akronym ALON bekannt.
"Schleifpartikel" ein kleines Teilchen (Staub, Plättchen, Stäbchen oder andere Formen), das eine mittlere maximale Abmessung von 10 mm oder weniger aufweist, vorzugsweise 5 mm oder weniger, und in der Lage ist, eine Oberfläche, wie beispielsweise Metalle, keramische Stoffe, Glas oder Kunststoffe, abzuschleifen;
"Korn" einen einzelnen Kristall, der zusammen mit anderen Körnern (Kristallen) ein polykristallines keramisches Partikel aufbaut, wie beispielsweise einen Schleifstaub oder Plättchen;
"Verbundstoff" ein polykristallines keramisches Partikel, das sich aus zwei oder mehreren separaten Phasen zusammensetzt und das von zwei oder mehreren unterschiedlichen Arten von Körnern (Kristallen) dargestellt wird;
"Sol" eine kolloidale Suspension einer festen Phase in einem flüssigen Medium mit einer mittleren Teilchengröße von weniger als 0,1 Mikrometer;
"Gel" ein dreidimensionales festes Netzwerk, das ein großes Volumen von miteinander verbundenen Poren enthält, die mit einer Flüssigkeit gefüllt sind;
"Sol-Gel-Verfahren" die Verwendung eines Sols als einen der wesentlichen Ausgangsstoffe und an einer gewissen Stelle die Gelbildung des Sols mit Hilfe chemischer Zusätze oder Dehydratation, um einen geformten Gegenstand zu erhalten; und
"konventionelle Verarbeitung von Pulver" ein Verfahren, in dem Pulver als Ausgangsstoffe verwendet werden, die normalerweise eine mittlere Partikelgröße im Bereich von 0,1 bis 5 Mikrometer aufweisen, und ihre Formgebung zu einem Artikel unter Anwendung solcher bekannter Verfahren wie beispielsweise trockenes Verpressen, Gießen von Schlicker, Spritzgießen, isostatisches Pressen, Heißpressen, usw.
Die vorliegende Erfindung gewährt alternative Verfahren zur Herstellung von Schleifpartikeln.
Zur Herstellung eines bevorzugten Schleifpartikels der Erfindung nach dem Verfahren I wird ein gemischtes Sol, bestehend aus den Ausgangsstoffen Aluminiumoxid, Kohlenstoff und wahlweise TiO&sub2;, mit Hilfe der Sol-Gel-Verfahren in die gewünschte Form gebracht, z. B. Schleifstaub, und in einer Stickstoffatmosphäre erhitzt. Während des Wärmebehandlungszyklus (z. B. bei Temperaturen im Bereich von 600ºC . . . 1.200 ºC) werden flüchtige oder verdampfbare Substanzen entfernt. Die Reaktion zur Bildung von ALON verläuft mit nachfolgendem Sintern bei höheren Temperaturen, um einen hochdichten Artikel zu ergeben. Die erste Stufe der Reaktion lautet:
Gl. 2: Al&sub2;O&sub3; + 3 C + N&sub2; 1400ºC/→ 2 AlN + 3 CO
Die Menge des Kohlenstoffs, die dem Sol zugesetzt wurde, bestimmte die Menge des Al&sub2;O&sub3;, die in AlN nach Gleichung 2 umgewandelt wurde. Bei höheren Temperaturen (z. B. 1.600ºC 1.900ºC) reagieren das AlN und etwas von dem Rückstand des Al&sub2;O&sub3; unter Bildung von ALON:
Gl. 3: Al&sub2;O&sub3; + x AlN → Al(2+x)O&sub3;Nx
Die Menge des Kohlenstoffs bestimmt die relativen Anteile von AlN und Al&sub2;O&sub3;, die in den ersten Stufen der Reaktion gebildet werden, wobei diese wiederum die relativen Mengen an Al&sub2;O&sub3; und ALON in dem Verbundstoff-Endprodukt bestimmen. Wenn der Gehalt an Kohlenstoff in dem Ausgangs-Sol genügend groß ist, kann ausreichend AlN gebildet werden, um das gesamte Al&sub2;O&sub3; in ALON umzuwandeln. Bei noch höherem Gehalt an Kohlenstoff ist die Menge des nach Gleichung 2 gebildeten AlN so groß, daß nach der Reaktion nach Gleichung 3 AlN im Überschuß vorliegt. In diesem Fall werden Verbundstoffe in dem System AlN/ALON gebildet.
Wenn das Präkursor-Sol zusammen mit zusätzlichem Kohlenstoff TiO&sub2; als Ausgangsstoff enthält, dann tritt eine weitere Reaktion auf, um ebenfalls TiN zu erzeugen:
Gl. 4: TiO&sub2; + 2 C + 0,5 N&sub2; → TiN + 2 CO
Weitere Oxide aus der Gruppe IVB des Periodensystems, beispielsweise Zirconiumdioxid, werden, sofern sie vorliegen, in ihre entsprechenden Nitride umgewandelt:
Gl. 5: ZrO&sub2; + 2 C + ½ N&sub2; → ZrN + 2 CO
Nach dem Verfahren der Erfindung können auch Verbundstoffe in dem System Al&sub2;O&sub3;/ALON/ZrN oder dem System Al&sub2;O&sub3;/ALON/HfN hergestellt werden.

Herstellung des Sols:

Das Aluminiumoxid-Präkursor-Sol kann aus einem Pulver aus Aluminiumoxidmonohydrat hergestellt werden. Ein bevorzugter Ausgangsstoff ist das Aluminiumoxidmonohydrat, das durch Hydrolysieren von Aluminiumisopropoxid hergestellt wird und bei Chattem Chemicals, Chattanooga, TN, USA, verfügbar ist. Das Präkursorpulver aus Aluminiumoxid wird bei 80ºC in deionisiertem Wasser dispergiert, das mit Salpetersäure als ein peptisierendes Mittel angesäuert wird. Die Sole enthalten normalerweise nach dem Brennen auf 1.000ºC etwa 15 Gew.% Al&sub2;O&sub3; an Feststoffen. Ruß (auch genannt Kohlenstoffschwarz) und andere Oxide können, sofern sie verwendet werden, in dem Sol aus Aluminiumoxid durch Mahlen in der Kugelmühle für etwa 48 Stunden dispergiert werden. Ein bevorzugter Ausgangsstoff für Ruß ist MonarchTM 1.300 von der Cabot Corporation, Glen Ellyn, IL. Ein bevorzugter Ausgangsstoff für TiO&sub2; ist TiO&sub2;- Feinpulver (P-25TM, Degussa Corporation, Teterboro, NJ). Es offensichtlich, daß als Ausgangsstoffe für diese Materialien verschiedene chemische Präkursoren verwendet werden können. Als Ausgangsstoff für Kohlenstoff können zahlreiche in Wasser lösliche organische Substanzen dienen, die sich beim Erhitzen in N&sub2; unter Bildung von Kohlenstoff zersetzen, z. B. Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon und Sucrose. TiO&sub2; kann durch kontrollierte Hydrolyse von TiCl&sub4; in dem wäßrigen Aluminiumoxid-Sol gebildet werden.
Bei der Herstellung der Kohlenstoff enthaltenden Sole müssen bestimmte kritische Bedingungen eingehalten werden. Zunächst muß der Ruß so dispergiert werden, daß die größten Aggregate oder Agglomerate eine Größe aufweisen, die kleiner ist als etwa 1 Mikrometer. Der größte Teil des Kohlenstoffs muß in einem sehr viel feineren Maßstab dispergiert werden. Das Vermahlen in der Kugelmühle ist ein wirksames Verfahren, um derartige Dispersionen zu erzielen. Allerdings muß sorgfältig auf die durch Verschleiß des Mahlmediums und der Kugelmühle eingebrachten Verunreinigungen geachtet werden.
Während der letzten Wärmebehandlungsstufen des Verfahrens unterliegt das im ursprünglichen Sol vorliegende Aluminiumoxidmonohydrat einer Reihe von kristallographischen Phasenumwandlungen, bei denen verschiedene sogenannte Übergangs-Kirstallstrukturen gebildet werden, bevor man die stabile Hochtemperatur-Struktur des Alpha-Aluminiumoxids erreicht. Es ist von Bedeutung, daß das Sol einen kleinen Anteil von Kristallen aus Alpha-Aluminiumoxid als Kristallisationskeim oder Impfkristall für die letzte Umwandlung in die Alphastruktur enthält. Liegen diese nicht vor, so bildet das Alpha-Al&sub2;O&sub3; eine durchlöcherte, poröse Mikrostruktur, die sich schwer zu einer vollständigen Dichte sintern läßt. Das Beimpfen hat zur Folge, daß das Alpha-Al&sub2;O&sub3; eine Mikrostruktur bildet, die im wesentlichen aus gleichachsigen Körnern und Poren besteht und sich leichter zu einer vollständigen Dichte sintern läßt. M. Kumagai und G.L. Messing beschreiben dieses Phänomen ausführlicher (siehe J. Am. Ceram. Soc. 68(9) 500-505 (1985)).
Ein bequemes Vorgehen bei der Beimpfung des Sols ist sein Vermahlen mit einem Mahlkörper, der aus Alpha-Aluminiumoxid (beispielsweise BurundumTM, Norton Company, Worcester, MA) besteht. Die Menge des Alpha-Aluminiumoxids als Impfkristall für die Auslösung der Kristallisation, die durch den Abrieb des Burundum als Mahlkörper erhalten wird, muß begrenzt werden. Wenn Ruß direkt mit der Zubereitung des Sols mit Burundum als Mahlkörper vermahlen wird, werden zahlreiche Poren in der Größe von 5 bis 10 Mikrometer in dem Endprodukt festgestellt. Die Porosität wurde durch Herabsetzen der Konzentration der Impfkristalle in dem Sol eliminiert. Es wurde nicht festgestellt, ob die Beseitigung der Porosität auf die Menge der Impfkristalle zur Auslösung der Kristallisation zurückzuführen war oder ob sie im Zusammenhang mit Siliciumdioxid und/oder anderen Verunreinigungen in dem Mahlmedium stand.
In Zubereitungen mit begrenzten Mengen an Ruß kann die Konzentration der Impfkristalle durch Vermahlen eines stärker konzentrierten Sols von Kohlenstoff/Aluminiumoxid und nachfolgendem Verdünnen des vermahlenen Sols zurück auf die gewünschte Zubereitung durch zusätzliches Aluminiumoxid-Sol herabgesetzt werden. Die Konzentration des Kohlenstoffs, die vermahlen werden kann, ist jedoch auf 4 Gew.% begrenzt, da das Sol anderenfalls zu viskos werden könnte, um eine gute Dispersion zu erhalten. Bei den Zubereitungen, die höhere Mengen von Kohlenstoff erfordern, war der Faktor der Verdünnung unzureichend, um die Konzentration der Impfkristalle auf ein zufriedenstellendes Maß herabzusetzen. Versuche, zum Dispergieren des Kohlenstoffs ein Medium aus Aluminiumoxid mit hoher Reinheit zu verwenden, waren nicht erfolgreich, da dieser Typ des Mediums übermäßigen Abrieb zeigte. Dieser belastete das Sol mit einer großen Menge von Kristallen aus Al&sub2;O&sub3; mit 1 bis 2 Mikrometer und verschob ebenfalls den Gehalt des Sols an Al&sub2;O&sub3; in einer unvorhersehbaren Weise und in einem Fall um mehr als das Doppelte des Al&sub2;O&sub3;-Gehalts des Sols.
Ein bevorzugtes Verfahren ist das Vermahlen eines Anteils des Aluminiumoxid-Sols ohne jeglichen Ruß und die Verwendung des Burundum als Mahlmedium. Dieses beimpfte Sol wird zu einem Sol aus Aluminiumoxid/Kohlenstoff zugesetzt, das mit einem Medium aus Zirconiumdioxid hoher Reinheit zum Dispergieren des Kohlenstoffs und aller anderen Metalloxide gemahlen wurde, die dem Sol haben zugesetzt werden können. Auf diese Weise kann die Konzentration der Impfkristalle unabhängig von dem Kohlenstoffgehalt der Zubereitung auf ein optimales Niveau gehalten werden. Die Verunreinigungen aus Zirconiumdioxid, die durch Mahlen mit Zirconiumdioxid als Mahlmedium eingeführt wurden, enthielten eine kleine Menge (d. h. weniger als 3 Vol.%) von dispergiertem ZrN in der Mikrostruktur, dem carbothermischen Reduktionsprodukt der Verunreinigungen des Zirconiumdioxids, zur Folge.
Wenn zu dem Sol aus Aluminiumoxid/Kohlenstoff ein zweites Oxid zugesetzt wird, um einen zweite Nitridphase zu schaffen, ist es wichtig, zu gewährleisten, daß das Oxid mit dem Aluminiumoxid-Sol verträglich ist. Beispielsweise bildeten sowohl die Pulver des Aluminiumoxids als auch des Titandioxids, die in den veranschaulichenden Beispielen verwendet wurden, stabile Sole bei einem pH-Wert von 3,5. Wenn sie jedoch vereint wurden, bildeten sie große kettenähnliche Flocken in dem Sol, wenn dieses ungestört stehen gelassen wurde. In diesem besonderen Fall wurden diese Flocken durch Rühren des Sols während der Gelbildung leicht aufgebrochen und ein erneutes Agglomerieren verhindert.

Gelbildung des Sols:

Das Sol kann einfach durch Verlust des Wassers während des Trocknens geliert werden. Temperaturen zwischen etwa 20ºC und 90ºC sind ausreichend. Es wird angestrebt, das Gel entweder gelegentlich oder in regelmäßigen Abständen zu rühren, um eine gleichförmige Mischung der Bestandteile aufrecht zu erhalten.
Es wird jedoch bevorzugt, daß Sol vor dem Trocknen zu gelieren, um zu gewährleisten, daß eine gleichförmige Verteilung der dispergierten Bestandteile erhalten wird. Ein bequemes Vorgehen beim Gelieren des Sols ist der Zusatz einer wäßrigen Lösung von Aluminiumnitrat. Beispielsweise wurde festgestellt, daß der Zusatz einer 25 gewichtsprozentigen Lösung von Aluminiumnitrat in Wasser in einer Menge von 4 Gew.% des Aluminiumoxid-Sols ein Sol mit einem Gehalt an Al&sub2;O&sub3; von 15 Gew.% normalerweise in 5 bis 15 Minuten geliert. Andere bekannte Maßnahmen zum Gelieren von Solen aus Aluminiumoxid können ebenfalls zum Gelieren von Solen aus Aluminiumoxid verwendet werden, siehe hierzu beispielsweise J.L. Woodhead, J. Mater. Educ. 6(9) 887-925 (1984). Im allgemeinen bedeuten diese eine Veränderung des pH-Wertes oder des Tonengehalts des Sols.
Da der Kohlenstoffgehalt des Gels den Umfang der Bildung des Nitrids während des Sinterns bei gleichzeitig stattfindender Reaktion bestimmt, ist es wichtig, den Kohlenstoffgehalt zu überwachen, um die angestrebte Endzusammensetzung zu erzielen. Während des Brennens des Gels sind die Temperatur und Bedingungen ausreichend, um die Reaktion zwischen Wasserdampf und Kohlenstoff zu fördern:
Gl. 6: H&sub2;O + C → CO + H&sub2;
Diese Reaktion kann den Kohlenstoffgehalt bis zu 30 Gew.% reduzieren. Es hat sich gezeigt, daß die Zugabe kleiner Mengen von wasserlöslichen Zusätzen, wie beispielsweise Glycerol, den Gehalt an Kohlenstoff während des Brennens des getrockneten Gels stabilisieren kann.
Es wurde entdeckt, daß die Sole, die anstelle mit Aluminiumnitrat mit Ammoniumacetat geliert wurden, nach dem Brennen keinen Verlust an Kohlenstoff erlitten. Ammoniumacetat bewirkt jedoch, daß die aus Chattem-Aluminiumoxid hergestellten Sole in schneller und unkontrollierter Form unter Bildung großer Flocken gelieren. Das Ammoniumnitrat geliert das Sol in einer sehr viel kontrollierteren Weise mit einer minimalen Menge an Flocken. Mehrere verschiedene organische Zusätze wurden mit der Zielstellung ausgewertet, eine wasserlösliche organische Substanz zu finden, welche die Gelbildung des Sols durch Aluminiumnitrat nicht stört und den Gehalt an Kohlenstoff stabilisiert. Versuche der Gelbildung und des Brennens wurden an verschiedenen Solen durchgeführt, die einen Kohlenstoffgehalt von 5,9 Gew.% aufwiesen. In jedem Fall betrug die Menge der organischen Substanz, die dem Sol zugesetzt wurde, 5 Gew.% des erwarteten Feststoffgehalts des Sols nach dem Brennen. Die Ergebnisse für die verschiedenen organischen Substanzen sind nachfolgend in Tabelle T zusammengestellt. Von diesen störte lediglich Ammoniumacetat die Gelbildung.

Tabelle I: Analysenergebnisse des Kohlenstoffgehalts gebrannter Gele

1. Kontrolle (keine organische Substanz) 5,0 Gew.% C
2. Ammoniumacetat 5,9
3. Essigsäure 5,3
4. Aluminiumacetat 5,2
5. Glycerol 6,0
Die Daten in Tabelle I zeigen, daß sowohl Ammoniumacetat als auch Glycerol bei der Verhütung der Oxidation des Kohlenstoffs wirksam waren (die Genauigkeit der eingesetzten analytischen Verfahren wurde mit ± 0,1 Gew.% angenommen). Weniger wirksam waren Essigsäure und Aluminiumacetat. Die Differenzen konnten nicht auf zusätzlichen Kohlenstoff zurückgeführt werden, der bei der Pyrolyse des organischen Zusatzes entstanden ist. Messungen des Kohlenstoffrückstands in den gleichen Gelen ohne Ruß zeigten eine vernachlässigbare Menge an Kohlenstoff (d. h. weniger als 0,1 Gew.%).
Wenn Glycerol oder eine andere, ähnlich wirkende wasserlösliche organische Substanz nicht zu dem Sol zugesetzt wurden, mußte der Kohlenstoffgehalt zur Kompensation dessen erhöht werden, was später beim Brennen verlorengeht.

Trocknen und Brennen des Gels:

Das Gel wird an der offenen Luft für etwa 24 Stunden trocknen gelassen und danach in einem Ofen bei 90ºC zur Entfernung des größten Teils des freien Wassers weiter getrocknet. Das Gel bricht während des Trocknens unter Bildung grober Körner im Bereich von 2 bis 15 mm Größe auf. An dieser Stelle kann das trockene Gel zerkleinert und klassiert werden, wobei die später auftretende Schrumpfung zu berücksichtigen ist, um die gewünschte Größe des Endproduktes zu erhalten. Das zurückbleibende Wasser und die flüchtigen Bestandteile werden sodann durch Brennen unter langsamem Erhitzen bis zu 1.200ºC unter einer Stickstoffatmosphäre entfernt.

Sintern unter gleichzeitig stattfindender Reaktion:

Beim Verfahren des Sinterns unter gleichzeitig stattfindender Reaktion reagiert der Kohlenstoff mit dem Aluminiumoxid und anderen Metalloxiden, die eventuell vorliegen können, um die gewünschten Nitride oder Oxynitride zu bilden. Diese Nitride werden in den späteren Stufen des Verfahrens verdichtet. Das Sintern unter gleichzeitig stattfindender Reaktion kann in einem Ofen mit Graphitelement und Stickstoffatmosphäre durchgeführt werden. Die gebrannten Gelteilchen werden bevorzugt in einem Tiegel aus BN mit einer Reihe von Löchern mit einem Durchmesser von 1 mm (0,040 inch) zur Reaktion gebracht, die in den Boden des Tiegels gebohrt wurden, um einen ungehinderten Stickstoffstrom zu ermöglichen. Der Stickstoffstrom wird in dem Ofen durch das Bett der Reaktionsteilnehmer nach unten gerichtet und wird danach unter Wegspülen des CO als Reaktionsprodukt aus dem Ofen ausgestoßen. Ein geeignetes Erhitzungsschema war:
Raumtemperatur → 1.000ºC etwa 15 Minuten
1.000ºC → 1.400ºC etwa 200ºC/Std.
1.400ºC → 1.900ºC etwa 25ºC/min
1.900 ºC Halten über 2 Stunden Kühlofen etwa 1,5 Stunden
In diesem Verfahren wird die ALON-Komponente durch Reaktion zwischen dem AlN und einigen des Al&sub2;O&sub3; bei Temperaturen oberhalb von 1.600ºC gebildet. Die Reaktion wird durch die Gleichung 3 beschrieben. Es kann festgestellt werden, daß die Menge des vorliegenden AlN bestimmt, wieviel von dem Al&sub2;O&sub3; in ALON umgewandelt worden ist.
Wenn die Menge des AlN diejenige überschreitet, die zur Umwandlung des gesamten Al&sub2;O&sub3; zu ALON benötigt wird, dann wird zusätzlich zu dem ALON freies AlN vorliegen. In einem solchen Fall würden Verbundstoffe in dem System AlN/ALON/TiN gebildet werden.
Obgleich auf diese Weise dichte Verbundstoffe hergestellt worden sind, gibt es nach dem Verfahren II drei Beschränkungen.
1. Die Zusammensetzungen, die erhalten werden, sind durch die Menge des AlN beschränkt, welches in dem Aluminiumoxid-Sol einbezogen werden kann.
2. Da feine AlN-Pulver der Hydrolyse unterliegen, muß der Begrenzung dieser Reaktion besondere Aufmerksamkeit gewidmet werden. Eine genaue Kontrolle der Zusammensetzung ist schwierig.
3. Die hohen Kosten des AlN-Pulvers als Rohstoff untersagen dieses Vorgehen bei einigen Anwendungen.
Ein Vorteil dieses Verfahrens besteht im Vergleich zum Verfahren I jedoch darin, daß eine Reaktion des Stickstoffs aus der Ofenatmosphäre nicht erforderlich ist und Kohlenmonoxid nicht als Nebenprodukt entsteht, das entfernt werden muß. Der Transport dieser Gase in und aus der Gelstruktur kompliziert den Prozeß des Sinterns unter gleichzeitig stattfindender Reaktion nach Verfahren I und erfordert im allgemeinen ein langsameres Erhitzungsschema.
Wenn AlN einem Sol direkt zugesetzt wird, ist ein wichtiger Gesichtspunkt die Hydrolyse des AlN-Pulvers. In Wasser hydrolysiert AlN langsam unter Bildung von Aluminiumhydroxid und Ammoniumhydroxid.
Gl. 7: AlN + 4H&sub2;O → Al(OH)&sub3; + NH&sub4;OH
Normalerweise wird die Reaktionsgeschwindigkeit durch eine halbschützende Schicht von Hydroxid verringert, die sich auf der Oberfläche des AlN-Partikels bildet. Wenn das AlN jedoch zur Unterstützung der Dispersion in ein wäßriges Sol eingemahlen wird, würde dem Wasser ständig eine frische Oberfläche ausgesetzt werden, und die Hydrolyse könnte ziemlich schnell ablaufen. Um dieses Problem auf ein Minimum herabzusetzen besteht ein bevorzugtes Vorgehen darin, daß zunächst AlN in einem organischen, mit Wasser mischbaren Lösemittel, wie beispielsweise Aceton, dispergiert wird. Das gut dispergierte Sol aus AlN/Aceton wird sodann in ein wäßriges Sol aus Aluminiumoxid gemischt, geliert und getrocknet, um ein Schleifkorn zu bilden. Bei dem nachfolgenden Brennen auf 1.000ºC in einem Ofen mit Stickstoffatmosphäre wird das Gel unter gleichzeitig stattfindender Reaktion zur Bildung des gewünschten Oxynitrids gesintert und das Material verdichtet. Da das AlN bereits in dem gebrannten Gel vorliegt, kann das Erhitzungsschema für das Sintern bei gleichzeitig stattfindender Reaktion rascher ablaufen, wobei eine Tiegelanordnung zum Durchlassen des Stickstoffstroms durch die Gelpartikel nicht erforderlich ist. Eine Stickstoffatmosphäre wird in dem Ofen jedoch benötigt, um die Oxidation des AlN zu vermeiden und die Dissoziation des AlN bei höheren Temperaturen auf ein Minimum zu beschränken. Ein geeignetes Erhitzungsschema war:
Raumtemperatur → 1.000ºC etwa 15 Minuten
1.000ºC → 1.900ºC etwa 25ºC/min
1.900 ºC Halten für 2 Stunden.
Kühlofen etwa 1,5 Stunden
Dem Aluminiumoxid-Sol kann Titannitrid-Pulver sowie andere Nitrid-Pulver der Gruppe IVB zugesetzt werden, um diese Substanzen in das Endprodukt mit einzubeziehen. Das AlN- und jedes andere Metallnitrid-Pulver der Gruppe IVB, die dem Sol zugesetzt werden, sollten eine mittlere Partikelgröße von weniger als 5 Mikrometer, bevorzugt weniger als 1 Mikrometer, haben.
Die Verbundstoffpartikel können als lose Körner oder Plättchen verwendet werden, oder sie können verwendet werden, um beschichtete Schmirgelprodukte herzustellen, wie beispielsweise Platten, Bänder, Schleifscheiben, Schleifvlies- Produkte und andere Produkte, bei denen Schleifkörner oder -partikel normalerweise eingesetzt werden. Obgleich sie als Schleifpartikel besonders verwendbar sind, können die beschriebenen Materialien auch in anderen Artikeln verwendbar sein, die Härte und Verschleißfestigkeit erfordern, wie beispielsweise Mahlmedien.
Die erfindungsgemäßen Schleifpartikel können zum Schleifen oder Polieren jeder schleifbaren Oberfläche verwendet werden, wie beispielsweise Metall, Keramik, Kunststoff. Der Schleifartikel wird im Kontakt mit der schleifbaren Oberfläche für eine Dauer und unter Aufbringung eines ausreichenden Drucks bewegt, um die schleifbare Oberfläche bis zu dem gewünschten Maß zu verändern.
Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden in den nachfolgenden Beispielen eingehend dargestellt.

Beispiel 1

Schleifpartikel mit einer Zielzusammensetzung von 50 Vol.% Al&sub2;O&sub3;, 50 Vol.% ALON wurden folgendermaßen hergestellt:

Schritt 1

Es wurde unter Verwendung von 100 g "Dispersible AluminaTM" (Chattem Chemicals, 1715 W. 38th St., Chattanooga, Tenn.), 406,6 g destilliertes Wasser und 4,536 g konzentrierte HNO&sub3; (70%ig) ein Sol aus Aluminiumoxid, AlO(OH), hergestellt.
Das destillierte Wasser wurde auf 80ºC unter Rühren mit mäßiger Geschwindigkeit und unter Verwendung eines Rührwerks "Premier DispersatorTM" (Premier Mill Corporation, 1071 Ave. of the Americas, New York, N.Y. 10018) erhitzt. Das Chattem- Pulver wurde dem Wasser langsam zugesetzt und für 5 Minuten bei 80ºC solange gerührt, bis sämtliches Pulver zugesetzt worden war. Die HNO&sub3; wurde sehr langsam zugegeben, um jegliches Schäumen zu vermeiden. Nachdem die gesamte die HNO&sub3; zugesetzt worden war, wurde das Sol unter Aufrechterhaltung der Temperatur bei 80ºC für 15 Minuten gerührt. Das Sol wurde in eine Flasche gegeben und die Öffnung mit einer Petrischale aus PyrexTM abgedeckt. Das Sol wurde bei 90ºC für 24 Stunden wärmebehandelt. Nach der Wärmebehandlung ließ man das Sol auf Raumtemperatur abkühlen, wobei die Flasche geschlossen gehalten wurde.

Schritt 2

Es wurden 300 g des in Schritt 1 hergestellten Sols aus Aluminiumoxid in eine RolexTM-Kugelmühle Größe 00 (Norton Co., One New Bond St., Worcester, Ma 01606) eingewogen, die bereits 1.000 g 0,64 cm · 0,64 cm (¼ inch · ¼ inch) Mahlmedium aus Alpha-Aluminiumoxid BurundumTM (Norton Co.) enthielt. Das Sol wurde für 20 Stunden bei einer Drehzahl von 60 Umdrehungen pro Minuten gemahlen. Nach dem Mahlen wurde das Sol in eine Flasche aus Polyethylen gegossen und der Inhalt mit einem Magnetrührwerk gerührt, um das Absetzen etwaiger Verunreinigungen aus dem Mahlgut zu vermeiden.

Schritt 3

Es wurde sodann unter Verwendung von 12,0 g Ruß MonarchTM 1300 (Cabot Corporation, 800 Roosevelt Blvd., Glen Ellyn, TL) und 288,0 g des Chattem-Sols ein Sol mit 4 Gew.% Kohlenstoff hergestellt.
Beide Bestandteile wurden in eine RolexTM-Kugelmühle Größe 00 eingewogen, die bereits 1.600 g 0,64 cm · 0,64 cm (¼ inch · ¼ inch) Mahlmedium aus ZrO&sub2; (Corning Glass Works, Houghton Park, Corning, N.Y. 14830) enthielt. Das 4- Gew.%ige Sol wurde für 48 Stunden bei einer Mahlgeschwindigkeit von 60 U/min gemahlen.

Schritt 4

Die nachfolgende Zubereitung wurde zur Herstellung der Zusammensetzung für die Gelbildung verwendet. Diese Zubereitung erzeugt 100 g gebranntes Gel.
55,0 g - Sol mit 4 Gew.% Kohlenstoff (aus Schritt 3)
163,7 g - gemahlenes Chattem-Sol (aus Schritt 2)
438,2 g - Chattem-Sol (aus Schritt 1)
5,0 g - Glycerol
26,2 g - 25 Gew.%ige Lösung von Aluminiumnitrat in Wasser.
Sämtliche Bestandteile wurden mit Ausnahme der Aluminiumnitrat-Lösung unter Verwendung eines elektrischen Rührwerks gemischt, das gerade schnell genug lief, um die gesamte Charge zu rühren. Die Mischung wurde für 15 Minuten gerührt und sodann langsam das Mittel zur Gelbildung (Aluminiumnitrat-Lösung) zugesetzt. Nachdem das gesamte Mittel zur Gelbildung zugesetzt worden war, wurde die gesamte Charge für 5 Minuten gerührt.

Schritt 5

Das Sol wurde in eine große PyrexTM-Schale gegossen, in der es innerhalb von 15 Minuten gelierte. Das Gel wurde für 24 Stunden bei Raumtemperatur trocknen gelassen.

Schritt 6

Das Gel wurde in einem Konvektionstrockenschrank für 24 Stunden bei 90ºC weiter getrocknet. Nach der Ofentrocknung wurde das getrocknete Gel unter Verwendung von Mörser und Pistill etwas zerkleinert und danach auf 700 bis 390 um (25 bis 40 Maschen) US-Standardsiebgröße gesiebt.

Schritt 7

Das getrocknete Gel (25 bis 40 Maschen) wurde in einem Mullit-Rohrofen unter strömender N&sub2;-Atmosphäre (1.900 l/min) unter Verwendung der folgenden Zeit/Temperatur-Bedingungen gebrannt:
Raumtemperatur → 1.000ºC (etwa 100ºC/Std.)
1.000ºC (1 Std.)
1.000ºC → Raumtemperatur etwa (1.000ºC/Std.)

Schritt 8

Das gebrannte Gel wurde sodann unter gleichzeitig stattfindender Reaktion in einem Widerstandsofen mit Graphitelement (AstroTM Series 1000, Astro Furnace Co., 606 Olive St., Santa Barbara, CA 93101) unter dem folgenden Sinterschema gesintert:
Raumtemperatur → 1.000ºC (etwa 15 Min.)
1.000ºC → 1.400ºC (etwa 200ºC/Std.)
1.400ºC → 1.880ºC (etwa 25ºC/min)
1.880ºC (2 Std.)
Das Sintern unter gleichzeitig stattfindender Reaktion folgte in einem Tiegel aus BN (Durchfluß) mit strömendem N&sub2; (1.180 ml/min).

Schritt 9

Das unter gleichzeitig stattfindender Reaktion gesinterte Material wurde sodann für die Schleiftests näherungsweise auf eine Siebfeinheit der Güte Grade 50 klassiert. Das Material der Feinheit Grade 50 besteht zu 1 : 1 Gewichtsanteilen aus einer Mischung von Material mit 390 bis 325 um (40 bis 45 Maschen) und 325 bis 280 um (45 bis 50 Maschen). Der unter gleichzeitig stattfindender Reaktion gesinterte Staub hatte eine dunkelgraue Farbe. Die Lichtmikroskopie und Röntgenbeugung ergaben eine aus Alpha-Aluminiumoxid und ALON bestehende 2-phasige Mikrostruktur. Die Korngröße lag im Bereich von 2 bis 4 Mikrometer und der Staub erschien vollständig dicht. Die Dichte des Staubs wurde nach der Methode nach Archimedes (d. h. zunächst Wiegen einer Menge von Schleifstaub und nachfolgende Bestimmung des Volumens von verdrängtem Alkohol, wenn das Korn in Alkohol eingetaucht wird) und betrug 3,82 g/cm³, d. h. 99,5 % der zu erwartenden Dichte für einen Verbundstoff, der sich aus 50 Vol.% Aluminiumoxid und 50 Vol.% Aluminiumoxynitrid zusammensetzt.

Beispiel 2

Schleifpartikel mit einer Zielzusammensetzung von 25 Vol.% TiN, 37,5 Vol.% Al&sub2;O&sub3;, 37,5 Vol.% ALON wurden unter Einhaltung des Verfahrens nach Beispiel 1 mit folgenden Ausnahmen hergestellt:

Schritt 3

Es wurde ein Sol mit 2,8 Gew.% Kohlenstoff unter Verwendung der folgenden Zubereitung hergestellt:
8,4 g Ruß (Monarch 1300)
57,3 g Al&sub2;O&sub3; gemahlen, Chattem-Sol (Schritt 2)
172,0 g Chattem-Sol (Schritt 1)
20,8 g TiO&sub2; (Degussa P-25TM, Degussa Corp., P.O. Box 2004, Teterboro, NJ 07608)
41,5 g destilliertes Wasser (pH 3,5)
Alle Bestandteile wurden in eine Norton RolexTM Kugelmühle eingewogen, die bereits 1.600 g 0,64 cm · 0,64 cm (¼ inch · ¼ inch) Mahlmedium aus ZrO&sub2; enthielt. Die Zubereitung wurde für 48 Stunden bei einer Mahlgeschwindigkeit von 60 U/min gemahlen.

Schritt 4

Für die Herstellung des Gels wurde die nachfolgende Zubereitung verwendet. Diese Zubereitung ergibt 62,0 g gebranntes Gel.
300,0 g Sol mit 2,8 Gew.% Kohlenstoff
3,1 g Glycerol
9,2 g 25-Gew.%ige Lösung von Aluminiumnitrat in Wasser
Alle Bestandteile mit Ausnahme der Aluminiumnitrat-Lösung wurden unter Verwendung eines elektrischen Rührwerks gemischt, das sich gerade schnell genug drehte, um die gesamte Charge zu rühren. Die Zubereitung wurde für 15 Minuten gerührt und danach langsam das Mittel zur Gelbildung (Aluminiumnitrat- Lösung) zugesetzt. Nachdem das gesamte Mittel zur Gelbildung zugesetzt worden war, wurde die Charge für 5 Minuten gerührt.
Nach dem Anhalten des mechanischen Mischens begann die Mischung innerhalb von Sekunden zu gelieren. Das Rühren wurde von Hand für 5 Minuten fortgesetzt, um alle TiO&sub2;-Flocken auf zubrechen, die in der Mischung vorliegen könnten.

Schritt 6

Das Vorgehen war das gleiche wie in Beispiel 1 mit der Ausnahme, daß das Trockengel auf 20 bis 35 Maschen gesiebt wurde.

Schritt 8

Das gebrannte Gel wurde sodann unter gleichzeitig stattfindender Reaktion in einem Astro-Ofen unter den folgenden Bedingungen gesintert:
Raumtemperatur → 1.000ºC (etwa 15 Min.)
1.000ºC → 1.400ºC (etwa 200ºC/Std.)
1.400ºC (5 Std.)
1.400ºC → 1.900ºC (etwa 25ºC/min)
1.900ºC (2 Std.)
Das Sintern unter gleichzeitig stattfindender Reaktion erfolgte in einem BN-Tiegel (Durchfluß) unter strömendem N&sub2; (1.180 ml/min).
Der unter gleichzeitig stattfindender Reaktion gesinterte Staub hatte eine gelb-braune Farbe nach dem Brennen, zeigte jedoch einen metallisch-goldenen Glanz beim Zerteilen und Polieren. Mit Lichtmikroskop und Röntgenbeugung zeigten sich die erwarteten Phasen: TiN, Alpha-Aluminiumoxid und ALON. Das TiN war in dem gesamten Material gleichförmig verteilt. Alle vorliegenden Phasen hatte eine Korngröße von 2 Mikrometer oder weniger. Die Dichte des Staubs betrug 408 g/cm³, d. h. 96,2 % der erwarteten Dichte eines Verbundstoffes, der sich aus 25 Vol.% TiN, 37,5 Vol.% Aluminiumoxid und 37,5 Vol.% ALON zusammensetzte. Das Material erschien vollständig dicht, wenn jedoch polierte Schnitte bei einer Vergrößerung von 450fach betrachtet wurden.

Beispiel 3

Es wurden unter Einhaltung des Vorgehens nach den Beispielen 1 Schleifpartikel mit einer Zielzusammensetzung von 50 Vol.% Aluminiumoxid und 50 Vol.% ALON mit den folgenden Ausnahmen zubereitet:

Schritt 2

Es wurden 50 g AlN-Pulver (Hermann C. Starck Berlin- Niederlassung-Laufenburg, Westdeutschland) in eine Kugelmühle Norton RolexTM-Größe 00 eingewogen, die bereits 1.000 g ¼ inch · ¼ inch Mahlmedium Burundum enthielt. Es wurde Aceton zugesetzt, um gerade das Mahlmedium zu bedecken. Dieses wurde für 20 Stunden mit einer Mahlgeschwindigkeit von 60 U/min gemahlen.

Schritt 3

Nach dem Mahlen wurde die Aufschlämmung von AlN-Pulver und Aceton in eine große Pyrex-Schale gegossen. Die Schale wurde für 3 Stunden in einen Abzug gestellt, um das Aceton abdampfen zu lassen. Das endgültige Trocknen erfolgte in einem Konvektionstrockenschrank für 4 Stunden bei 50ºC (1200 F).

Schritt 4

Zur Herstellung der Zusammensetzung für die Gelbildung wurde die nachfolgende Zubereitung verwendet:
612,0 g Chattem-Sol (Schritt 1)
12,1 g gemahlenes AlN-Pulver
24,5 g 25-Gew.%ige Lösung Aluminiumnitrat in Wasser.
Es wurden 12,1 g gemahlenes AlN-Pulver in eine Glasflasche von 4 oz. (ohne Verwendung eines Mahlmediums) mit 50 g Aceton eingewogen und für 2 Stunden in eine Kugelmühle gegeben, um das AlN-Pulver vollständig aufzubrechen (Das gemahlene AlN-Pulver zeigte im trockenen Zustand eine Neigung, zu kleinen, sehr harten Klumpen zu agglomerieren). Sodann wurde die Aufschlämmung von AlN/Aceton zu dem Chattem-Sol zugesetzt und unter Verwendung eines Premier Dispersators für 15 Minuten langsam gerührt. Danach wurde das Gelbildungsmittel (Aluminiumnitrat-Lösung) sehr langsam zugegeben. Die Mischung wurde bei einer mäßigen Geschwindigkeit für 5 Minuten gerührt, nachdem das gesamte Gelbildungsmittel zugesetzt worden war.

Schritt 6

Das gleiche wie in Beispiel 1 mit der Ausnahme, daß das Trockengel nicht zerkleinert und gesiebt wurde.

Schritt 8

Das gebrannte Gel wurde sodann unter gleichzeitig stattfindender Reaktion in einem Astro-Ofen mit dem folgenden Sinterschema gesintert:
Raumtemperatur → 1.000ºC (etwa 15 Min.)
1.000ºC → 1.900ºC (25ºC/min)
1.900ºC (2 Std.)
Das Sintern unter gleichzeitig stattfindender Reaktion wurde in einem BN-Tiegel in Stickstoffatmosphäre durchgeführt.
Der unter gleichzeitig stattfindender Reaktion gesinterte Staub hatte eine graue Farbe. Mit Lichtmikroskop und Röntgenbeugung zeigte sich eine ähnliche Mikrostruktur, wie sie in Beispiel 1 beschrieben wurde, jedoch mit einer groberen Korngröße von 4 bis 8 Mikrometer. Polierte Schnitte des Staubs erschienen vollständig dicht bei Betrachtung mit einer Vergrößerung von 450fach. Die gemessene Dichte betrug 3,87 g/cm³, d. h. 101 % der Dichte, die für einen Verbundstoff aus 50 Vol.% Aluminiumoxid und 50 Vol.% Aluminiumoxynitrid erwartet wird. Dieses legt nahe, daß die Zusammensetzung etwas reicher an der Aluminiumoxidphase höherer Dichte war, als aus der ursprünglichen Zubereitung zu erwarten war.

Beispiel 4

Der Schleifstaub nach den Beispielen 1 und 3 und ein konventioneller Schleifstaub zum Vergleich wurden zur Herstellung von beschichteten Schleifscheiben mit einem Durchmesser von 17,75 cm (7 inch) verwendet. Der Schleifstaub für jede Scheibe bestand zu 1 : 1 Gewichtsanteilen einer Mischung von 40 bis 45 Maschen (mittlerer Durchmesser von 390 Mikrometer) und 45 bis 50 Maschen (mittlerer Durchmesser von 330 Mikrometer) Kornfraktionen, die unter Verwendung von US- Standard 7 erhalten wurden. Die Schleifscheiben wurden hergestellt unter Anwendung konventioneller Herstellungsverfahren für beschichtete Schleifmittel, konventioneller Träger aus Vulkanfiber mit 0,76 mm und konventionellem phenolischem Aufbauharz mit Calciumcarbonat als Füllstoff (52 Gew.% CaCO&sub3; und 48 Gew.% Phenol-Formaldehyd-Kunstharz) und Harzleim (68 Gew.% CaCO&sub3; und 32 Gew.% Phenol-Formaldehyd- Kunstharz) ohne Einstellung auf die Unterschiede der Dichte der mineralischen Bestandteile. Das Aufbauharz wurde für 75 Minuten bei 80ºC vorgehärtet. Das Leimharz wurde für 90 Minuten bei 88ºC vorgehärtet, gefolgt von einer abschließenden Härtung bei 100ºC für 10 Stunden. Es wurden konventionelle Verfahren der Einmalbeschichtung und Härtung in einem Konvektionstrockenschrank eingesetzt. Die Auftragsmassen (auf Naßbasis) betrugen:
Beschicktung Auftragsmasse (g/cm²)
Aufbauharz 0,017
Leimharz 0,0283
mineralische Bestandteile 0,0513
Die resultierenden gehärteten Scheiben wurden zunächst in konventioneller Weise gebogen, um das harte Bindemittelharz kontrolliert zu brechen. Die Schleifscheiben wurden auf einer gewölbten Unterlage aus Aluminium aufgebracht und zum Schleifen eines Werkstücks aus kaltgewalztem Stahl vom Typ 1018 mit einer Oberfläche von 1,25 cm · 18 cm verwendet. Die Scheibe wurde mit 5.000 U/min betrieben, und während der über der gewölbten Kante der Unterlage aufliegende Teil der Scheibe mit dem Werkstück einen Kontakt bei einem Druck von 0,91 kgf/cm² (1 kgf/cm² = 9,806 N) hat, wird ein Abriebweg von etwa 140 cm² erzeugt. Jede Scheibe wurde zum Schleifen von 12 separaten Werkstücken für jeweils 1 Minute verwendet. Der relative Gesamtabtrag von 12 Durchgängen für jede Scheibe ist in Tabelle I gezeigt. Der Gesamtabtrag einer Scheibe unter Verwendung von herkömmlichem braunen, geschmolzenen Aluminiumoxid-Schleifmittel ist als Vergleich ebenfalls dargestellt. Tabelle I Schleifergebnisse an Stahl vom Typ 1018 Probe Zusammensetzung Gesamtabtragung Vergleichsprobe geschmolzenes Al&sub2;O&sub3; Kontrolle Vol.%
Die Daten in Tabelle I zeigen, daß die erfindungsgemäßen beschichteten Schleifscheiben sehr viel wirksamer sind (200 bis 300 % wirksamer) als eine konventionelle Schleifscheibe mit braunem, geschmolzenem Aluminiumoxid.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Schleifmittelpartikels, umfassend die Schritte der Verfahren I oder Verfahren II:

Verfahren I

(a) Herstellen eines gemischten Sols mit einem Präkursor aus Aluminiumoxid, Kohlenstoff oder deren chemische Präkursoren, wahlweise mindestens einem Metalloxid der Gruppe IVB des Periodensystems oder dessen chemische Präkursoren, wahlweise einem Kohlenstoff stabilisierenden Mittel und einem Impfmittel für Alpha-Aluminiumoxid, wobei die Bestandteile in ausreichenden Anteilen vorliegen, um ein keramisches Schleifpartikel zu schaffen, im wesentlichen bestehend aus:

(1) 1 bis 99, vorzugsweise 1 bis 85 und besonders bevorzugt 1 bis 70 Volumenprozent Aluminiumoxid,

(2) 1 bis 99, vorzugsweise 15 bis 85 und besonders bevorzugt mindestens 15 Volumenprozent Gamma- Aluminiumoxynitrid und

(3) 0 bis 50, vorzugsweise 0 bis 35 und besonders bevorzugt 15 bis 35 Gamma-Aluminiumoxynitrid mindestens ein Metallnitrid der Gruppe IVB des Periodensystems (vorzugsweise Titannitrid)

(b) Gelbildung des gemischten Sols,

(c) Trocknen des resultierenden gelierten Sols zur Schaffung von spröden Körnern,

(d) wahlweises Zerkleinern und Sieben der Körner zur Schaffung klassierter Körner,

(e) Brennen der Körner bei einer Temperatur von 600ºC bis 1.200ºC in einer Stickstoffatmosphäre zur Entfernung flüchtiger Bestandteile,

(f) Sintern der gebrannten Körner bei gleichzeitig stattfindender Reaktion bei einer Temperatur von mindestens 1.600ºC zur Schaffung der keramischen Schleifmittelpartikel; oder

Verfahren II

(a) Herstellen eines gemischten Sols mit einem Präkursor aus Aluminiumoxid, Pulver aus Aluminiumnitrid, wahlweise mindestens einem Metallnitrid der Gruppe IVB des Periodensystems und einem Impfmittel für Alpha- Aluminiumoxid, wobei die Bestandteile in ausreichenden Anteilen vorliegen, um ein keramisches Schleifpartikel zu schaffen, im wesentlichen bestehend aus:

(3) 0 bis 50, vorzugsweise 0 bis 35 und besonders bevorzugt 15 bis 35 Volumenprozent mindestens einem Metallnitrid der Gruppe IVB des Periodensystems (vorzugsweise Titannitrid)

(b) Gelbildung des gemischten Sols,

(e) Brennen der Körner bei einer Temperatur im Bereich von 600ºC bis 1.200ºC in einer Stickstoffatmosphäre zur Entfernung flüchtiger Bestandteile,

(f) Sintern bei gleichzeitig stattfindender Reaktion der gebrannten Körner bei einer Temperatur von mindestens 1.600ºC zur Schaffung der keramischen Schleifmittelpartikel.

2. Verfahren nach Anspruch 1, Verfahren I, bei welchem der Kohlenstoff oder Kohlenstoff-Präkursor Ruß oder eine wasserlösliche organische Verbindung sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem die organische Verbindung Polyvinylalkohol, Polyvinylpyrrolidon oder Sucrose ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, Verfahren I, bei welchem das Kohlenstoff stabilisierende Mittel Glycerol ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, Verfahren I, bei welchem das Sol vor der Gelbildung gemahlen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, bei welchem die Gelbildung so erfolgt, daß sie durch Zusatz von wäßrigem Aluminiumnitrat zum Sol oder durch Änderung von pH-Wert oder Tonengehalt des Sols stattfindet.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, bei welchem das Partikel im wesentlichen besteht aus:

1 bis 85 Vol.% Aluminiumoxid,

15 bis 85 Vol.% Gamma-Aluminiumoxynitrid und mehr als 0 bis 35 Vol.% von mindestens einem Metallnitrid der Gruppe IVB des Periodensystems.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, bei welchem das Partikel im wesentlichen besteht aus:

1 bis 70 Vol.% Aluminiumoxid, mindestens 15 Vol.% Gamma-Aluminiumoxynitrid und

15 bis 35 Vol.% von mindestens einem Metallnitrid der Gruppe IVB des Periodensystems.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, bei welchem das Metallnitrid der Gruppe IVB des Periodensystems Titannitrid ist.