DE3900514A1 - Schleifmittel - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Schleifmittel, das das Produkt der elektrothermischen Produktion darstellt und als Basisstoffe hochharte und hochfeste Korundkristal­ le (α×Al₂O₃) enthält. Das Schleifmittel ist für die Herstellung von Schleifkörnern durch Zerkleinern bestimmt. Die Schleifkörner werden am häufigsten zur Herstellung von Schleifwerkzeugen mit keramischer und organischer Bindung verwendet, die man zur Metallbearbeitung verwen­ det.

Die Schleifkörner, die durch Zerkleinern des Schleifmit­ tels gewonnen werden, kann man in zwei Gruppen untertei­ len. Die erste Gruppe sind Einkristallkörner, die aus einem einzelnen Korundkristall bestehen. Die zweite Grup­ pe sind Aggregatkörner, die aus mehreren Korundkristallen bestehen, an deren Grenze bzw. in deren Inneren Einschlüs­ se von Begleitmaterialien eingelagert sind.

Hauptkenngrößen, die das Schleifmittel kennzeichnen, sind die Festigkeit und die Schleiffähigkeit der aus diesem Schleifmittel erhaltenen Schleifkörner, sowie sein Preis und seine Knappheit.

Die Festigkeit der Einkristall-Schleifkörner wird durch die Festigkeit der Korundkristalle bestimmt. Die Festig­ keit dieser Körner ist in der Regel höher als die der Aggregatkörner. Die Festigkeit der Aggregatkörner ist von den Abmessungen der Korundkristalle abhängig, die Bestandteile dieser Körner sind, von der Menge und der Art der Begleitmineralien, beispielsweise Beimengungen bzw. speziell zugegebene Mineralien, die in Form von Ein­ schlüssen an den Grenzen zwischen den Korundkristallen in Erscheinung treten, und von den Abmessungen dieser Einschlüsse. In der Regel ist die Festigkeit der Aggregat­ körner um so größer, je kleiner die Abmessungen der Korund­ kristalle und je kleiner die Menge und die Abmessungen der Einschlüsse der beigemengten Mineralien sind, sowie je höher die Festigkeit dieser Mineralien ist.

Die Schleiffähigkeit der Körner wird durch die Härte der Korundkristalle, der Beimengungen und der Fremdstoffbei­ mischungen bedingt und hängt von der Fähigkeit der Körner zum Selbstschärfen, d.h. zur Bildung neuer Schneidkanten bei der Zerstörung der Körner während der Metallbearbei­ tung, ab.

Sämtliche Schleifmittel werden durch Schmelzen der Rohstof­ fe für das Schleifmittel mit nachfolgender Abkühlung der erzeugten Schmelze hergestellt, während der sich die Schmel­ ze kristallisiert. Das gewünschte Gefüge des Schleifmittels (Abmessungen der Körner der Hauptkristalle, Abmessungen der Einschlüsse usw.) wird durch entsprechende Führung des Abkühlvorgangs erzielt.

Es sind Schleifmittel bekannt, die aus Korundkristallen bestehen. Ein typischer Vertreter solcher Schleifmittel ist der weiße Elektrokorund. Dieser Elektrokorund enthält Einschlüsse des Begleitminerals Na₂O · 11 Al₂O₃, die eine Größe von 50 bis 700 µm aufweisen (A.P. Garsin u.a., "Abrazivnye Materialy" 1983, Masinostroenie (Leningrad), S. 119-123).

Zur Erzeugung des weißen Elektrokorunds wird als Rohstoff technisch reines Aluminiumoxid, d.h. Tonerde eingesetzt. Bei der Verarbeitung des weißen Elektrokorunds zu Schleif­ körnern wird ein Teil des Begleitminerals, insbesondere derjenige, der große Einschlüsse mit Abmessungen von 300 bis 700 µm bildet, bis zu Schlammteilchen zerkleinert und abgeführt. Infolgedessen sind die gewonnenen Schleif­ körner gegenüber dem Ausgangsschleifmittel mit Korundkri­ stallen etwas angereichert, d.h. sie sind fester. Ein Teil der bei der Verarbeitung des weißen Elektrokorunds erzeugten Schleifkörner stellt Einkristallkörner dar, der andere Teil sind Aggregatkörner, die Na₂O · 11 Al₂O₃- Einschlüsse in der Größe von 50 bis 250 µm enthalten.

Der Nachteil solcher Schleifmittel, die auf der Basis von Tonerde erschmolzen werden, besteht in den im Schleif­ mittel vorhandenen stark tonerdehaltigen Natriumaluminat­ einschlüssen (Na₂O · 11 Al₂O₃), die sich bei der Herstellung des Schleifmittels infolge der vorhandenen Natriumoxidbeimen­ gungen in der Tonerde bilden und an den Grenzen zwischen den Korundkristallen kristallisieren. Die vorhandenen stark tonerdehaltigen Natriumaluminateinschlüsse an den Grenzen zwischen den Korundkristallen, die Spannungsspitzen verur­ sachen, führen zur Herabsetzung der mechanischen Festigkeit der Aggregatkörner, die aus diesem Werkstoff erzeugt werden. Außerdem setzen die angeführten Einschlüsse die Schleiffä­ higkeit der Schleifkörner herab, da die Härte des stark tonerdehaltigen Natriumaluminats kleiner als die Härte des Korunds ist.

Es sind Schleifmittel bekannt, die durch Schmelzen von Tonerde mit Zugabe von Titan-, Chrom- und Vanadiumoxiden bzw. deren Mischungen zur Schmelze erhalten werden (A.P. Garsin u.a., "Abrazivnye Materialy", 1983, Masinostroenie (Leningrad), S. 123-126).

Jedes der angeführten Zuschlagmittel bildet während der Herstellung der Schleifmittel feste Lösungen dieser Ver­ bindungen im Aluminiumoxid, wodurch die Festigkeit der Korundkristalle größer wird, d.h. die Festigkeit der aus diesem Schleifmittel gewonnenen Schleifkörner sich erhöht.

Die Schleiffähigkeit der Körner, die aus diesem Schleif­ mittel gewonnen werden, ist aber auch, wie bei der vorher­ gehenden analogen Lösung, infolge von Na₂O · 11 Al₂O₃- Einschlüssen in einer Größe von 50 bis 250 µm unzureichend hoch.

Das Vorhandensein jedes der angeführten Zuschlagmittel im Schleifmittel hat auch seine Nachteile. Schleifmittel, die mit Zusatz von Titanoxid gewonnen werden, enthalten Einschlüsse aus Titannitriden und Titancarbiden, was zu einer Herabsetzung der Festigkeit der Schleifkörner bei der Herstellung des Schleifwerkzeuges führt. Dies ist dadurch bedingt, daß bei der Herstellung des Schleifwerk­ zeuges während des Arbeitsgangs der Wärmebehandlung der Körner dieses Schleifmittels bei einer Temperatur von ca. 1100°C eine Oxidation der im Schleifmittel vorhande­ nen Titancarbide und -nitride stattfindet, wodurch sich ihr Volumen ändert. Infolgedessen nimmt die Festigkeit der Schleifkörner ab. Schleifmittel, die mit Zusatz von Chromoxid erhalten werden, enthalten Chromeinschlüsse in Metallform, die die Schleifeigenschaften der aus diesen Schleifmitteln hergestellten Werkzeuge verschlechtern, d.h. die Wahrscheinlichkeit der Bildung von Brandspuren während der Metallbearbeitung (Schleifen) vergrößern. Der Einsatz von Vanadium als Zuschlagmittel in Schleif­ mitteln erfolgte wegen seiner Knappheit und seines hohen Preises praktisch nicht.

Es ist ein Schleifmittel bekannt, das Korundkristalle und Baddeleyitkristalle (Zirkoniumoxid) enthält. In diesem Material sind die Korundkristalle mit einer Größe von 10 bis 70 µm miteinander durch ein feinkristallines Korund- Baddeleyit-Eutektikum mit einer Kristallgröße von 1 bis 5 µm verbunden (A.P. Garsin u.a., "Abrazivnye Materialy", 1983, Masinostroenie (Leningrad), S. 126-131).

Die Festigkeit der aus einem solchen Schleifmittel erhalte­ nen Schleifkörner ist größer als bei den vorhergehenden analogen Lösungen, was in erster Linie durch das Vorhanden­ sein des Korund-Baddeleyit-Eutektikums bedingt ist.

Da aber die Härte des Baddeleyits kleiner als die Härte des Korunds ist, ist die Schleiffähigkeit der Schleifkörner unzulänglich.

Außerdem kann durch das im Schleifmittel vorhandene Badde­ leyit dieses Schleifmittel nur bei der Herstellung von Schleifwerkzeugen mit organischer Bindung verwendet werden, da bei einer Temperatur von 1100°C (Temperatur der Wärme­ behandlung bei der Herstellung des Schleifwerkzeuges) das Zirkonium Modifikationsumwandlungen erfährt, die von wesentlichen Volumenänderungen begleitet werden. Infolge­ dessen nimmt die Festigkeit der Schleifkörner sogar bis zu ihrer Zerstörung ab. Ein weiterer Nachteil dieses Schleifmittels ist seine Knappheit sowie sein hoher Preis durch das in diesem Schleifmittel enthaltene Zirkoniumoxid.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schleifmittel auf der Basis von Korund zu schaffen, das als Zuschlagmittel bestimmte Mineralien enthält und diese Mineralien gegenüber den Korundkristallen derart angeordnet sind und die Zuschlag­ mittel derartige Abmessungen aufweisen, daß bei verhältnis­ mäßig niedrigen Kosten und bei der Knappheit des Schleif­ mittels eine hohe Festigkeit und Schleiffähigkeit der aus diesem Schleifmittel erhaltenen Schleifkörner gewährleistet wird.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Schleifmittel Korundkristalle und einen Zuschlagstoff enthält, wobei der Zuschlagstoff erfindungsgemäß 1,5 bis 7,5 Masse-% eines Minerals enthält, das aus der Gruppe Spinell, Anor­ thitglas, Kordieritglas und aus Mischungen des Spinells mit einer der angeführten Glasarten ausgewählt ist, die Korundkristalle Abmessungen von 5 bis 350 µm aufweisen und der erwähnte Zuschlagstoff in Form von Zwischenschich­ ten mit einer Dicke von unter 20 µm zwischen den Korund­ kristallen eingebettet ist.

Erfindungsgemäß wurde experimentell festgestellt, daß ein Schleifmittel auf der Basis von Korund, das als Zu­ schlagstoff Spinell (MgO · Al₂O₃), Kordieritglas (CaO · Al₂O₃ · 2 SiO₂), Anorthitglas (2 MgO · 5 SiO₂ · 2 Al₂O₃) bzw. eine Mischung der angeführten Mineralien enthält, im Fein­ gefüge Abscheidungen der entsprechenden Phasen - Magnesio­ spinell und/oder Anorthit- bzw. Kordieritglas - aufweist, die zwischen den Kristallen in Form von Zwischenschichten eingebettet sind. Da alle angeführten Mineralien der Zu­ schlagstoffe bei einer Temperatur von 1000 bis 1300°C (Rösttemperatur bei der Herstellung der Schleifwerkzeuge) thermisch stabil sind, nimmt die Festigkeit des Werkzeugs während seiner Herstellung nicht ab. Da die als Zuschlag­ stoffe verwendeten Mineralien außerdem eine hohe Mikrohärte aufweisen, die der Mikrohärte des Korunds näher ist als die Mikrohärte anderer Mineralien, besitzt das Schleifmittel, das solche Zuschlagstoffe enthält, eine hohe Schleiffähig­ keit.

Bei der Herstellung des Schleifmittels beim Kristallisie­ ren einer Korundschmelze, die Calcium-, Magnesium- und Siliciumoxide enthält, fördern die Phasen der angeführten Mineralien, die sich zwischen den Korundkristallen ausbil­ den, die bevorzugte Bildung neuer Kristallisationskeime im Vergleich zur Fortsetzung des Wachstums primärer Korund­ kristalle. Dadurch wird ein isometrisches, feinkristallines Gefüge des Schleifmittels erzielt, das sich positiv auf die Festigkeitskennwerte des aus ihm erhaltenen Schleifkorns auswirkt.

Die Abmessungen der Korundkristalle und die Dicke der Zwischenschichten hängen vom Gang der Kühlung der Schmelze bei der Herstellung des Schleifmittels ab.

Bei Abmessungen der Korundkristalle unter 5 µm sinkt, wie erfindungsgemäß festgestellt wurde, die Schleiffähigkeit der Schleifkörner wesentlich ab, was auf die Änderung der Art ihrer Abnutzung zurückzuführen ist. Statt einer all­ mählichen Absplitterung der Korundkristallflächen bilden sich Verschleißflächen mit verhältnismäßig ebenem Relief aus.

Bei Quermaßen der Korundkristalle von über 350 µm sinkt die Festigkeit der Schleifkörner stark ab.

Bei einer Dicke der Zwischenschichten von über 20 µm beginnt die Festigkeit des Schleifkorns stark abzunehmen, da diese Zwischenschichten die Bildung von Spannungsspitzen fördern.

Bei einem Gehalt an Zuschlagstoff von unter 1,5 Masse-% wird eine starke Abnahme der Festigkeit des Schleifkorns beobachtet.

Bei einem Gehalt an Zuschlagstoff von über 7,5 Masse-% nimmt die Schleiffähigkeit infolge der Verringerung des Anteils der festen Phase (Korund) im Korn wesentlich ab.

Das Schleifmittel wird wie folgt erhalten. In einem Licht­ bogenofen wird entsprechend dem bekannten Schmelzverlauf (A.P. Garsin u.a., "Abrazivnye Materialy", 1983, Masino­ stroenie (Leningrad), S. 119-121 und 126-131) Aluminiumoxid mit Zuschlagstoffen, die ein bzw. mehrere Oxide aus der Gruppe MgO, SiO₂, CaO, beispielsweise Magnesiummetasilikat, Calciummetasilikat bzw. reine Oxide enthalten, aufgeschmol­ zen. Der prozentuale Anteil der zugesetzten Zuschlagstoffe wird rechnerisch in Abhängigkeit von der gewünschten Zusam­ mensetzung des Schleifmittels und des Masseanteils der Zuschlagstoffmineralien in dem Schleifmittel bestimmt. Beispielsweise wird ausgehend von der Berechnung des stö­ chiometrischen Verhältnisses für die Herstellung eines Materials, das 5 Masse-% Spinellzwischenschichten enthält, dem Ofensatz 1,4% Magnesiumoxid zugesetzt. Die Dicke der Mineralienzwischenschichten wird durch entsprechende Führung der Abkühlung der Schmelze beeinflußt. Beispielsweise wird bei einer verhältnismäßig schnellen Abkühlung der Schmelze in kleinen Behältern, die mit Metallkörpern, beispielsweise Kugeln, gefüllt sind, bzw. in Kristallisierwalzen ein Schleifmittel erhalten, das aus Korundkristallen mit einer Größe von 5 bis 90 µm besteht und Mineralzwischenschichten mit einer Dicke von 0,3 bis 5,0 µm enthält. Bei einer ver­ hältnismäßig langsamen Abkühlung der Schmelze, beispiels­ weise in Blöcken mit einer Masse von 50 bis 500 kg, wird ein Schleifmittel mit einer Größe der Korundkristalle von 280 bis 350 µm und einer Dicke der Zwischenschichten von 10 bis 20 µm erhalten. Nach der Abkühlung des kristalli­ sierten Materials wird es gebrochen, zerkleinert und nach Korngröße durch Sieben klassiert.

Die Qualität des erhaltenen Schleifmittels wird nach der Festigkeit und der Schleiffähigkeit der aus diesem Mittel hergestellten Schleifkörner bewertet.

Unter anderem wurde das erhaltene Schleifmittel einer Festigkeitsprüfung durch Zerstörung von 100 Schleifkörnern mit einer Größe von 1250 bis 1600 µm zwischen Hartmetall­ platten unterzogen.

Die Schleiffähigkeit wurde nach dem bekannten Verfahren beim Zerreiben von Glasscheiben mittels einer Schleifkorn­ einwaage aus Schleifkörnern der Größe von 120 bis 160 µm bestimmt.

Die Prüfungsergebnisse der Schleifmittel mit verschiedener Zusammensetzung und unterschiedlichen Gefügen sind in den Tabellen 1 und 2 aufgeführt.

Tabelle 1

Abhängigkeit der Qualitätskennwerte der Schleifkörner von dem Anteil der Zuschlagstoffmineralien

Tabelle 2

Abhängigkeit der Qualitätskennwerte der Schleifkörner von ihrer Zusammensetzung und ihrem Gefüge

Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, daß bei einem Gehalt des erfindungsgemäßen Zuschlagstoffes von unter 1,5 Masse-% (Zeilen 4, 9, 14) die Festigkeit des Schleifmittels stark abnimmt, und bei einem Gehalt des Zuschlagstoffes von über 7,5 Masse-% (Zeilen 5, 10, 15) die Schleiffähigkeit des Schleifkorns sich wesentlich verringert.

Aus Tabelle 2 ist ersichtlich, daß bei Korundkristallab­ messungen im erfindungsgemäßen Schleifmittel von unter 5 µm (Zeilen 5, 11, 16, 21) die Schleiffähigkeit der Schleif­ körner wesentlich absinkt, und bei Korundkristallabmessungen von über 350 µm (Zeilen 4, 10, 15, 20) und/oder bei der Dicke der Zwischenschichten der Zuschlagstoffmineralien von über 20 µm (Zeilen 6, 10, 15, 20) die Festigkeit des Schleifkorns wesentlich abnimmt.

Untersuchungen, die erfindungsgemäß in bezug auf die Wärme­ behandlung der Schleifkörner aus dem erfindungsgemäßen Schleifmittel bei Temperaturen von 1100 bis 1300°C (Röst­ temperatur bei der Herstellung des Schleifwerkzeuges) durchgeführt wurden, ergaben, daß die Festigkeit der Schleif­ körner hierbei nicht absinkt.

Claims (2)

1. Schleifmittel enthaltend

   • - Korundkristalle und
   • - einen Zuschlagstoff,
2. dadurch gekennzeichnet, daß

   • - die Korundkristalle Abmessungen von 5 bis 350 µm aufweisen,
   • - das Schleifmittel als Zuschlagstoff ein aus der Grup­ pe Spinell, Anorthitglas, Kordieritglas und einer Mischung des Spinells mit einer der angeführten Glas­ arten gewähltes Mineral enthält,
   • - der Anteil des Zuschlagstoffes von 1,5 bis 7,5 Masse-% der Schleifmittelmasse beträgt, und
   • - der Zuschlagstoff zwischen den Korundkristallen in Form von Zwischenschichten mit einer Dicke von unter 20 µm angeordnet ist.