DE60009536T2

DE60009536T2 - Schleifkorn, schleifgegenstände, und herstellungsverfahren und verwendung derselben

Info

Publication number: DE60009536T2
Application number: DE60009536T
Authority: DE
Inventors: Ahmet Celikkaya
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1999-09-28
Filing date: 2000-01-28
Publication date: 2005-03-03
Anticipated expiration: 2020-01-29
Also published as: CA2384780A1; EP1228018A1; AU2977200A; EP1228018B1; DE60009536D1; BR0014366A; JP2003510418A; WO2001023323A1; US6287353B1

Description

Diese Erfindung betrifft ein Schleifkorn und ein Herstellungsverfahren für Schleifkorn. Das Schleifkorn kann in eine Vielzahl von Schleifgegenständen, einschließlich Schleifgegenständen mit gebundenem Schleifmittel, Schleifgegenständen mit überzogenem Schleifmittel, Schleifvliesen und Schleifbürsten, eingebracht werden.
In den frühen 80er Jahren wurde ein neuer und wesentlich verbesserter Typ eines Aluminiumoxidschleifkorns in den Handel gebracht, der im Allgemeinen als "Sol-Gel-" oder "aus Sol-Gel erhaltenes" Schleifkorn bezeichnet wird. Dieser neue Typ des α-Aluminiumoxidschleifkorns wies eine aus sehr feinen α-Aluminumoxidkristalliten zusammengesetzte Mikrostruktur auf. Die Schleifleistung des neuen Schleifkorns auf Metall war, zum Beispiel gemessen in Form der Lebensdauer von aus dem Korn hergestellten Schleifprodukten, dramatisch länger als diejenige derartiger Produkte, welche aus herkömmlichem, geschmolzenem Aluminiumoxidschleifkorn hergestellt waren.
Im Allgemeinen wird Sol-Gel-Schleifkorn typischerweise durch Herstellen einer Dispersion oder eines Sols, umfassend Wasser, Aluminiumoxid-Monohydrat (Boehmit), und gegebenenfalls ein Peptisierungsmittel (z.B. eine Säure, wie Salpetersäure), Gelieren der Dispersion, Trocknen der gelierten Dispersion, Brechen der getrockneten Dispersion in Teilchen, Kalzinieren der Teilchen, um flüchtige Komponenten zu entfernen, und Sintern der kalzinierten Teilchen bei einer Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes von Aluminiumoxid. Häufig schließt die Dispersion ebenfalls ein oder mehrere Oxidmodifizierer (z.B., CeO₂, Cr₂O₃, CoO, Dy₂O₃, Er₂O₃, Eu₂O₃, Fe₂O₃, Gd₂O₃, HfO₂, La₂O₃, Li₂O, MgO, MnO, Na₂O, Nd₂O₃, NiO, Pr₂O₃, Sm₂O₃, SiO₂, SnO₂, TiO₂, Y₂O₃, Yb₂O₃, ZnO und ZrO₂), Keimbildner (z.B. α.-Al₂O₃, α-Cr₂O₃ und α-Fe₂O₃) und/oder Vorstufen davon ein. Derartige Zugaben werden typischerweise durchgeführt, um die physikalischen Eigenschaften und/oder die Mikrostruktur des gesinterten Schleifkorns zu ändern oder auf andere Weise zu modifizieren. Zusätzlich oder alternativ können derartige Oxidmodifizierer, Keimbildner und/oder Vorstufen davon in das getrocknete oder kalzinierte Material (typischerweise kalzinierte Teilchen) imprägniert werden. Weitere Einzelheiten betreffend Sol-Gel-Schleifkorn, einschließlich dessen Herstellungsverfahren, können zum Beispiel in U.S.-Patent-Nrn. 4,314,827 (Leitheiser et al.), 4,518,397 (Leitheiser et al.), 4,623,364 (Cottringer et al.), 4,744,802 (Schwabel), 4,770,671 (Monroe et al.), 4,881,951 (Wood et al.), 4,960,441 (Pellow et al.) 5,011,508 (Wald et al.), 5,090,968 (Pellow), 5,139,978 (Wood), 5,201,916 (Berg et al.), 5,227,104 (Bauer), 5,366,523 (Rowenhorst et al.), 5,429,647 (Larmie), 5,547,479 (Conwell et al.), 5,498,269 (Larmie), 5,551,963 (Larmie), 5,725,162 (Garg et al.) und 5,776,214 (Wood) gefunden werden.
Bestimmte bevorzugte Schleifkörner auf α-Aluminiumoxid-Basis weisen eine hohe Dichte auf (d.h., größer als 95% der theoretischen) und weisen eine feine (z.B. Submikrometer), einheitliche α-Aluminiumoxid-Mikrostruktur auf. Weiter schließen einige bevorzugte Schleifkörner auf α-Aluminiumoxid-Basis Oxidmodifizierer ein, wie vorstehend diskutiert, welche in einigen Fällen ebenfalls andere Submikrometer-Oxide als α-Aluminiumoxid einschließen können, wobei das Letztere im Submikrometer-Bereich sein kann oder nicht sein kann. Die Korngröße des α-Aluminiumoxids und anderer Oxide, der im Schleifkorn vorliegenden Oxidphasen, kann, ebenso wie die physikalischen Eigenschaften (z.B. Dichte, Härte und Bruchfestigkeit) oder Kennzeichen, zum Beispiel von der besonderen Zusammensetzung und/oder dem Verfahren (einschließlich Sinterzeit und -temperatur) abhängen, welche zur Herstellung des Schleifkorns verwendet werden. Zum Beispiel neigen lange Sinterzeiten und höhere Temperaturen dazu, Schleifkörner mit höherer Dichte bereit zu stellen. Jedoch neigen lange Sinterzeiten und höhere Temperaturen ebenfalls dazu, das Kornwachstum unerwünscht zu erhöhen.
Für einige Hochdruckschleifanwendungen ist es bevorzugt, dass das gesinterte α-Aluminiumoxid-Schleifkorn verhältnismäßig hart ist, um die hohen Schleifkräfte auszuhalten. Eine derartig erhöhte Bruchfestigkeit kann durch die Zugabe verschiedener Metalloxide zur Aluminiumoxid-Metallstruktur erreicht werden. In einer anderen Ausführungsform ist es bei Niederdruckschleifanwendungen bevorzugt, dass das gesinterte Aluminiumoxid-Schleifkorn bröckeliger ist, so dass das Schleifkorn während des Schleifens "zerfallen" kann. Um die optimale Schleifleistung in diesem weiten Bereich von Schleifbedingungen zu erreichen, ist eine Vielfalt von gesinterten α-Aluminiumoxid-Schleifkörnern entwickelt und in den Handel gebracht worden.
Während der vergangenen fünfzehn Jahre ist gesintertes Aluminiumoxid-Schleifkorn, insbesondere aus Sol-Gel erhaltenes gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis in einer großen Vielfalt von Schleifprodukten (z.B. Schleifgegenstände mit gebundenem Schleifmittel, Schleifgegenstände mit überzogenem Schleifmittel und Schleifbürsten) und Schleifanwendungen, einschließlich sowohl Nieder- als auch Hochdruckschleifanwendungen, verwendet worden. Zum Beispiel ist aus Sol-Gel erhaltenes Schleifkorn in Schleifscheiben mit Harzbindung eingebracht worden und wurde als besonders verwendbar für Hochdruckschleifanwendungen mit hohem Abtrag festgestellt. Derartiges Schleifkorn ist in verglasten Schleifscheiben zum Präzisionsschleifen von Nockenwellen verwendet worden. Aus Sol-Gel erhaltenes Schleifkorn ist ebenfalls in Schleifprodukte mit überzogenem Schleifmittel mittlerer Qualität eingebracht worden, die zum Schmirgeln von hölzernen Schrankbrettern verwendet werden. Zusätzlich werden Schleifscheiben mit überzogenem Schleifmittel, die aus Sol-Gel erhaltenes Schleifkorn einschließen, unter verhältnismäßig geringem Druck verwendet, um lackierte Automobilteile abzuschleifen.
In einer Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung überraschenderweise gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis, umfassend MgO, SiO₂ und ZrO₂ (typischerweise jeweils mindestens 0,1 Gew.-% (bevorzugt, mindestens 0,2; 0,25; 0,3 oder auch 0,5 Gew.-%) von MgO, SiO₂ und ZrO₂, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns), jeweils mindestens 0,1 Gew.-% von MgO, SiO₂ und ZrO₂, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns, wobei das α-Aluminiumoxid des Schleifkorns eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 1 (bevorzugt, weniger als 0,8; 0,7; 0,6; 0,5; 0,4 oder auch 0,3) μm aufweist, und wobei das ZrO₂, das als kristallines Zirkoniumdioxid vorliegt, eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 0,25 μm aufweist, bereit. Typischerweise fand die Keimbildung mindestens eines Großteils des α-Aluminiumoxids mit einem Keimbildner statt. Bevorzugt beträgt die durchschnittliche Kristallitgröße des α-Aluminiumoxids weniger als 0,75 μm, stärker bevorzugt weniger als 0,5 μm und noch stärker bevorzugt weniger als 0,3 μm.
Ohne durch eine Theorie begrenzt sein zu wollen, wird angenommen, dass das Vorliegen von Al₂O₃, MgO, SiO₂ und ZrO₂ und die Kristallitgröße von Al₂O₃ und ZrO₂ einen wesentlichen Einfluss auf dessen Schleifleistung haben. Es wird angenommen, dass die kleinen α-Aluminiumoxidkristalle zu einem schnellschneidenden, lange haltenden Schleifgegenstand führen; dass die Gegenwart von Zirkoniumdioxid zu einem Schleifkorn führt, das bei hohen Drücken gut arbeitet; und dass die Gegenwart von Siliciumdioxid, ebenso wie das Zirkoniumdioxid, bei der Verdichtung hilft, um kleine α-Aluminiumoxidkristalle zu gewährleisten. Zusätzlich wird angenommen, dass die Gegenwart von Zirkoniumdioxid das Schleifkorn härten kann. Weiter wird vom MgO angenommen, dass es während des Sinterns hilft, eine feiner gekörnte α-Aluminiumoxid-Mikrostruktur zu erhalten. Zusätzlich wird von der Gegenwart des MgO angenommen, dass es beim Härten des Schleifkorns durch die Bildung einer Spinellphase während des Sinterverfahrens hilft.
Ein bevorzugtes gesintertes Schleifkorn auf α-Alumniumoxid-Basis gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst mindestens 0,1 Gew.-% (bevorzugt mindestens 0,2; 0,25; 0,3 oder auch 0,5 Gew.-%, stärker bevorzugt mindestens 1 Gew.-%, noch stärker bevorzugt im Bereich von 1 bis 3 Gew.-%) SiO₂, mindestens 0,1 Gew.-% (bevorzugt mindestens 0,2; 0,25; 0,3 oder auch 0,5 Gew.-%, stärker bevorzugt mindestens 1 Gew.-%, noch stärker bevorzugt im Bereich von 1 bis 14 Gew.-%, oder auch von 1 bis 7 Gew.-%) ZrO₂, und mindestens 0,1 Gew.-% (bevorzugt mindestens 0,2; 0,25; 0,3 oder auch 0,5 Gew.-%, stärker bevorzugt mindestens 1 Gew.-%, noch stärker bevorzugt im Bereich von 3 bis 7 Gew.-%) MgO, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns, wobei das α-Aluminiumoxid des Schleifkorns eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 1 μm aufweist, und wobei das ZrO₂, das als kristallines Zirkoniumdioxid vorliegt, eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 0,25 μm aufweist. In einer weiteren Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Schleifkorns auf α-Aluminiumoxid-Basis bereit, wobei das Verfahren umfasst:
Herstellen eines Gemisches (z.B. einer Dispersion) durch Vereinen von Komponenten, umfassend ein flüssiges Medium (z.B. Wasser), eine Magnesiumoxidquelle (z.B., Magnesiumnitrat), eine Zirkoniumdioxidquelle (z.B. ein Zirkoniumdioxid-Sol oder -Salz wie Zirconylacetat), eine Siliciumdioxidquelle (z.B. ein Siliciumdioxid-Sol), und eine Aluminiumoxidquelle (bevorzugt Boehmit);
Umwandeln des Gemisches zu teilchenförmigem keramischem Vorstufenmaterial des Schleifkorns auf α-Aluminiumoxid-Basis; und
Sintern des Vorstufenmaterials, um ein gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß der vorliegenden Erfindung bereitzustellen. Wenn die Aluminiumoxidquelle Teilchen wie Boehmit, α-Aluminiumoxidpulver oder γ-Aluminiumoxidpulver umfasst, schließen die zum Herstellen des Gemischs verwendeten Komponenten ebenfalls ein Peptisierungsmittel (z.B. eine Säure wie Salpetersäure) ein.
In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines keramischen Schleifkorns auf α-Aluminiumoxid-Basis bereit, wobei das Verfahren umfasst:
Herstellen eines Gemischs (z.B. einer Dispersion) durch Vereinen von Komponenten, umfassend ein erstes flüssiges Medium (z.B. Wasser), eine Siliciumdioxidquelle (z.B. ein Siliciumdioxid-Sol) und eine Aluminiumoxidquelle (z.B. Boehmit);
Umwandeln des Gemischs zu teilchenförmigem keramischem Vorstufenmaterial des Schleifkorns auf α-Aluminiumoxid-Basis;
Imprägnieren des Vorstufenmaterials mit einer Zusammensetzung, umfassend ein Gemisch, welches ein zweites flüssiges Medium (z.B. Wasser) umfasst; und Sintern des imprägnierten Vorstufenmaterials, um ein gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß der vorliegenden Erfindung bereitzustellen,
wobei mindestens eines von mindestens einer (a) der Komponenten zur Herstellung des anfänglichen Gemischs oder (b) der Imprägnierungszusammensetzung eine Magnesiumoxidquelle einschließt (z.B. Magnesiumnitrat), und wobei mindestens eines von mindestens einer (a) der Komponenten zur Herstellung des anfänglichen Gemischs oder (b) der Imprägnierungszusammensetzung eine Zirkoniumdioxidquelle einschließt (z.B. ein Zirkoniumdioxid-Sol oder -Salz wie Zirconylacetat). Wenn die Aluminiumoxidquelle Teilchen wie Boehmit, α-Aluminiumoxidpulver oder γ-Aluminiumoxidpulver umfasst, schließen die Komponenten zum Herstellen des anfänglichen Gemischs ebenfalls ein Peptisierungsmittel (z.B. eine Säure wie Salpetersäure) ein. Die Zirkoniumdioxidquelle für das anfängliche Gemisch und die Imprägnierungszusammensetzung können gleich oder verschieden sein. Gegebenenfalls umfasst die Imprägnierungszusammensetzung weiterhin andere (d.h. andere als eine Zirkoniumdioxidquelle und/oder eine Magnesiumoxidquelle) Metalloxidquelle(n).
In einer anderen Ausführungsform stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Abschleifen einer Oberfläche bereit, wobei das Verfahren umfasst:
in Kontakt bringen einer Mehrzahl von Schleifkörnern mit einer Oberfläche (z.B. einer Oberfläche eines Substrats (z.B. eines Titansubstrats oder eines Stahlsubstrats, wie eines Kohlenstoffstahls (z.B. eines Substrats aus 1018-Weichstahl), eines Edelstahl- (z.B. eines 304-Edelstahl-) Substrats, oder eines Werkzeugstahl- (z.B. 4140-Stahl- und 4150-Stahl-) Substrats) mit einem Kontaktdruck von mindestens 1 kg/cm², in einigen Fällen bevorzugt 2 kg/cm², 3,5 kg/cm², 5 kg/cm², 7 kg/cm², 10 kg/cm², 15 kg/cm² und 20 kg/cm², wobei mindestens ein Teil der Schleifkörner Schleifkörner auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß der vorliegenden Erfindung sind; und
Bewegen von mindestens einem, der Mehrzahl der Schleifkörner oder der Oberfläche, relativ zu dem anderen, um mindestens einen Teil der Oberfläche mit den Schleifkörnern abzuschleifen. Bevorzugt ist mindestens 75 Gew.-% (oder auch 100 Gew.-%) des Schleifkorns Schleifkorn gemäß der vorliegenden Erfindung. Beispiele anderer Substratoberflächen, die abgeschliffen werden können, schließen Farbe, Holz, und Kunststoff ein.
In dieser Anmeldung:
bezeichnet "Boehmit" ein α-Aluminiumoxidmonohydrat und Boehmit wird im Fachgebiet gebräuchlich als ein "Pseudo"-Boehmit (d.h., Al₂O₃·xH₂O, wobei x=1 bis 2) bezeichnet.
bezeichnet "Vorstufe des Schleifkorns" oder "ungesintertes Schleifkorn" eine getrocknete Dispersion auf Aluminiumoxid-Basis (d.h., "getrocknete Vorstufe des Schleifkorns") oder eine kalzinierte Dispersion auf Aluminiumoxid-Basis (d.h., "kalzinierte Vorstufe des Schleifkorns"), typischerweise in Form von Teilchenn, die eine Dichte von weniger als 80% (typischerweise weniger als 60%) der theoretischen aufweist, und gesintert oder mit einer Imprägnierungszusammensetzung imprägniert und dann gesintert werden kann, um ein keramisches Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis bereitzustellen.
bezeichnet "keramisches Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis", "Schleifkorn auf Aluminiumoxid-Basis" oder "Schleifkorn" wie hier verwendet, ein gesintertes Schleifkorn, das auf eine Dichte von mindestens 85% (bevorzugt mindestens 90% und stärker bevorzugt mindestens 95%) der theoretischen gesintert wurde, und das, bezogen auf das theoretische Oxid, mindestens 60 Gew.-% Al₂O₃ enthält, wobei mindestens 50 Gew.-% der Gesamtmenge des Aluminiumoxids als α-Aluminiumoxid vorliegt.
bezeichnet "keimbildendes Material" Material, dass die Umwandlung der (des) Übergangsaluminiumoxide(s) zu α-Aluminiumoxid durch extrinsische Keimbildung erhöht. Das keimbildende Material kann ein Keimbildner (d.h. Material mit derselben oder annähernd derselben kristallinen Struktur wie α-Aluminiumoxid, oder in anderer Weise als α-Aluminiumoxid fungierend) selbst (z.B. α-Aluminiumoxidkeime, α-Fe₂O₃-Keime oder α-Cr₂O₃-Keime) oder eine Vorstufe davon sein. Andere Keimbildner können Ti₂O₃ (mit einer trigonalen Kristallstruktur), MnO₂ (mit einer rhombischen Kristallstruktur), Li₂O (mit einer kubischen Kristallstruktur) und Titanate (z.B. Magnesiumtitanat und Nickeltitanat) sein.
bezeichnet "Dispersion" oder "Sol" ein zweiphasiges Fest-In-Flüssig-System, wobei eine Phase fein verteilte, komplett in einer Flüssigkeit verteilte Teilchen (im kolloidalen Größenbereich) umfasst. "Stabile Dispersion" oder "Stabiles Sol" bezeichnet eine Dispersion oder ein Sol, bei dem die Feststoffe nach etwa 2 Stunden ungestörten Stehens bei Sichtprüfung anscheinend nicht damit beginnen, zu gelieren, sich abzutrennen oder sich abzusetzen.
bezeichnet "Imprägnierungszusammensetzung" eine Lösung oder Dispersion eines flüssigen Mediums und einer Metalloxidquelle, womit eine Vorstufe des Schleifkorns imprägniert werden kann.
bezeichnet "imprägnierte Vorstufe des Schleifkorns" eine getrocknete Dispersion auf Aluminiumoxid-Basis (d.h. "imprägnierte, getrocknete Vorstufe des Schleifkorns") oder eine kalzinierte Dispersion auf Aluminiumoxid-Basis (d.h. "imprägnierte, kalzinierte Vorstufe des Schleifkorns"), die eine Dichte von weniger als 80% (typischerweise weniger als 60%) der theoretischen aufweist, und die mit einer Imprägnierungszusammensetzung imprägniert wurde, und die imprägnierte, getrocknete Teilchen und imprägnierte, kalzinierte Teilchen einschließt.
bezeichnet "Sintern" ein Verfahren des Erwärmens auf eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des erwärmten Materials, um Verdichtung und Kristallitwachstum bereitzustellen, um ein festes, hartes und chemisch beständiges keramisches Material bereitzustellen. Das keramische Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß der vorliegenden Erfindung wird nicht durch ein Schmelzverfahren hergestellt, wobei Erwärmen auf eine Temperatur oberhalb der Schmelztemperatur des erwärmten Materials durchgeführt wird.
Typischerweise, zeigt Schleifkorn gemäß der vorliegenden Erfindung gute Schleifleistungen unter sowohl verhältnismäßig hohen als auch niedrigen Druckbedingungen beim Schleifen auf. Ohne durch eine Theorie begrenzt sein zu wollen, wird angenommen, dass die Verwendung von keimbildendem Material das Erhalten von α-Aluminiumoxidkristallen, die weniger als ein μm groß sind, erleichtert. Weiter wird angenommen, dass die Gegenwart von Zirkoniumdioxid und Magnesiumoxid dazu neigt, die Verdichtung und "Härtung" der Aluminiumoxidkristallmatrix zu unterstützen, wodurch es dem so erhaltenen Schleifkorn ermöglicht wird, die höheren Schleifkräfte auszuhalten. Es wird ebenfalls angenommen, dass die Zugabe von Siliciumdioxid beim Sinterverfahren hilft.
Schleifkorn gemäß der vorliegenden Erfindung kann in verschiedene Schleifgegenstände wie Schleifgegenstände mit überzogenem Schleifmittel, Schleifgegenstände mit gebundenem Schleifmittel (einschließlich verglaster und harzgebundener Schleifscheiben), Schleifvliese und Schleifbürsten eingebracht werden. Die Schleifgegenstände umfassen typischerweise Schleifkorn gemäß der vorliegenden Erfindung und Bindemittel.
1 ist eine schematische Querschnittsteilansicht eines Schleifgegenstands mit überzogenem Schleifmittel, der gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestelltes Schleifkorn einschließt;
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Schleifgegenstands mit gebundenem Schleifmittel, der gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestelltes Schleifkorn einschließt;
3 ist eine vergrößerte schematische Ansicht eines Schleifvliesgegenstandes, der gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestelltes Schleifkorn einschließt;
4 und 6 sind Ansichten eines für Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendbaren Extruders in erhöhter Draufsicht, während 5 eine vergrößerte Draufsicht der Zuführungsöffnung des Extruders ist;
7 ist eine Rasterelektronenmikroaufnahme einer Bruchfläche eines Schleifkorns gemäß der vorliegenden Erfindung; und
8 ist eine Mikroaufnahme der Rückstrahlelektronen von Schleifkorn gemäß der vorliegenden Erfindung.
Bevorzugt ist Boehmit die zum Herstellen des anfänglichen Gemischs verwendete Aluminiumoxidquelle. Andere geeignete Aluminiumoxidquellen, die α-Aluminiumoxidkristalle während des Sinterteils des Verfahrens bereitstellen können, schließen α-Aluminiumoxidpulver, γ-Aluminiumoxidpulver, Aluminiumformacetat, Aluminiumnitroformacetat und Aluminiumsalze ein.
Spezifischere Beispiele geeigneter Aluminiumverbindungen, welche als Aluminiumoxidvorstufen verwendet werden können, schließen basische Aluminiumcarboxylate, basische Aluminiumnitrate, teilweise hydrolysierte Aluminiumalkoxide oder andere Aluminiumsalze und -komplexe ein. Bevorzugte basische Aluminiumsalze schließen jene mit Carboxylat- oder Nitrat-Gegenionen oder Gemische dieser Salze ein. Im Falle basischer Aluminiumcarboxylate haben diese die allgemeine Formel Al(OH)_y(Carboxylat)_3-y, wobei y zwischen 1 und 2 beträgt, bevorzugt zwischen 1 und 1,5, und das Carboxylat-Gegenion ist ausgewählt aus Formiat, Acetat, Propionat und Oxalat oder Kombinationen dieser Carboxylate. Diese Materialien können durch Aufschließen des Aluminiummetalls in einer Lösung der Carbonsäure, wie in U.S.-Patent-Nr. 3,957,598 beschrieben, hergestellt sein. Die basischen Aluminiumnitrate können ebenfalls durch Aufschließen des Aluminiummetalls in einer Salpetersäurelösung, wie in U.S.-Patent-Nr. 3,340,205 oder Britisches Patent 1,193,258 beschrieben, oder durch thermische Zersetzung von Aluminiumnitrat, wie in U.S.-Patent-Nr. 2,127,504 beschrieben, hergestellt werden. Diese Materialien können ebenfalls durch teilweises Neutralisieren eines Aluminiumsalzes mit einer Base hergestellt werden. Die basischen Aluminiumnitrate haben die allgemeine Formel Al(OH)₂(NO₃)_3-z, wobei z zwischen etwa 0,5 bis 2,5 beträgt.
Geeignete Boehmite schließen jene kommerziell unter der Handelsbezeichnung "HIQ" (z.B. "HIQ-10", "HIQ-20", "HIQ-30" und "HIQ-40") von Alcoa Industrial Chemicals erhältlichen, und jene kommerziell unter den Handelsbezeichnungen "DISPERAL" von Condea GmbH, Hamburg, Deutschland, und "DISPAL 23N480" und "CATAPAL D" von Condea Vista Company, Houston, TX erhältlichen ein. Diese Boehmite oder Aluminiumoxidmonohydrate liegen in der α-Form vor und schließen, wenn überhaupt, verhältnismäßig geringe von Monohydraten verschiedene hydratisierte Phasen ein, (obwohl sehr kleine Mengen an Trihydratverunreinigungen in einigen im Handel erhältlichen Boehmit-Qualitäten vorliegen können, die toleriert werden können). Sie weisen eine geringe Wasserlöslichkeit auf und weisen eine große Oberfläche (typischerweise mindestens etwa 180 m²/g) auf. Bevorzugt weist das zur Herstellung von Schleifkorn gemäß der vorliegenden Erfindung verwendete dispergierte Boehmit eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als etwa 20 nm (stärker bevorzugt weniger als 12 nm) auf. In diesem Zusammenhang wird "Kristallitgröße" durch die 120- und 031-Röntgenstrahlreflexionen bestimmt.
Das bevorzugte flüssige Medium ist typischerweise Wasser, obwohl organische Lösungsmittel, wie niedere Alkohole (typischerweise C_1-6-Alkohole), Hexan oder Heptan ebenfalls als das flüssige Medium verwendet werden können. Das Wasser kann Leitungswasser, destilliertes Wasser oder entionisiertes Wasser sein. In einigen Fällen ist es bevorzugt, das flüssige Medium (z.B. Wasser) (z.B. auf 30–70°C) zu erwärmen, um das Dispersionsvermögen des Boehmits oder anderen teilchenförmigen Materials zu verbessern.
Die Dispersion kann weiter Peptisierungsmittel umfassen; diese Peptisierungsmittel sind im Allgemeinen lösliche ionische Verbindungen, von denen angenommen wird, dass sie eine einheitliche Ladung der Oberfläche eines Teilchens oder Kolloids in einem flüssiges Medium (z.B. Wasser) bewirken. Die bevorzugten Peptisierungsmittel sind Säuren oder Säureverbindungen. Beispiele für typische Säuren schließen einprotonige Säuren und Säureverbindungen, wie Essig-, Salz-, Ameisen- und Salpetersäure ein, wobei Salpetersäure bevorzugt wird. Die Menge der verwendeten Säure hängt zum Beispiel vom Dispersionsvermögen der teilchenförmigen Aluminiumoxidquelle, den Feststoffprozentwerten der Dispersion, den Komponenten der Dispersion, der Menge, oder relativen Menge der Komponenten der Dispersion, der Teilchengröße der Komponenten der Dispersion und/oder der Teilchengrößenverteilung der Komponenten der Dispersion ab. Für Boehmit enthält die Dispersion typischerweise mindestens 0,1 bis 20 Gew.-%, bevorzugt 1 bis 10 Gew.-% Säure, und am meisten bevorzugt 3 bis 8 Gew.-% Säure, bezogen auf das Gewicht des Boehmits in der Dispersion.
In einigen Fällen kann die Säure vor dem Vereinigen mit dem Wasser auf die Oberfläche der Boehmit-Teilchen aufgebracht werden. Die saure Oberflächenbehandlung kann verbessertes Dispersionsvermögen des Boehmits im Wasser bereitstellen.
Bevorzugt ist die Magnesiumoxidquelle Magnesiumnitrat (Mg(NO₃)₂·6H₂O). Andere geeignete Magnesiumoxidquellen können Magnesiumacetat, Magnesiumcitrat und Magnesiumformiat einschließen.
Die Siliciumdioxidquelle wird bevorzugt als kolloidales Sol zur Aluminiumoxiddispersion zugegeben. Das kolloidale Siliciumdioxid umfasst fein verteilte Teilchen von amorphem oder kristallinem Siliciumdioxid, bei denen typischerweise eine oder mehrere ihrer Abmessungen in einem Bereich von etwa 3 nm bis etwa 1 μm liegen. Die durchschnittliche Teilchengröße des Siliciumdioxids in dem Kolloid beträgt bevorzugt weniger als etwa 150 nm, stärker bevorzugt weniger als etwa 100 nm und am meisten bevorzugt weniger als etwa 50 nm. In den meisten Fällen können die Siliciumdioxidteilchen in der Größenordnung von etwa 3–15 nm liegen. In den meisten Fällen umfasst das kolloidale Siliciumdioxid eine Verteilung oder einen Bereich von Metalloxidteilchengrößen. Siliciumdioxid-Sole sind zum Beispiel von Nalco aus Naperville, IL; und Eka Nobel aus Augusta, GA erhältlich. Siliciumdioxid-Sole schließen jene unter den Handelsbezeichnungen "NALCO 1115", "NALCO 1130", "NALCO 2326", "NALCO 1034A" und "NALCOAG 1056" von Nalco Products, Inc. aus Naperville, IL, wobei die letzteren Zwei Beispiele für saure Siliciumdioxid-Sole sind; und "NYACOL 215" von Eka Nobel, Inc. erhältlichen ein. Für zusätzliche Informationen über Siliciumdioxid-Sole siehe zum Beispiel U.S.-Patent-Nrn. 5,611,829 (Monroe et al.) und 5,645,619 (Erickson et al.).
Es ist bevorzugt, keimbildendes Material oder Keimbildner in die Boehmit-Dispersion einzuschließen. Ein bevorzugtes keimbildendes Material zum Ausüben der vorliegenden Erfindung schließt Eisenoxid oder eine Eisenoxidvorstufe ein. Quellen für Eisenoxide, welche in einigen Fällen als ein Material wirken oder ein solches bereitstellen können, das als ein keimbildendes Material wirkt, schließen Hematit (d.h. α-Fe₂O₃), ebenso wie Vorstufen davon (d.h. Goethit (α-FeOOH), Lepidocrocit (γ-FeOOH), Magnetit (Fe₃O₄) und Maghemit (γ-Fe₂O₃)) ein. Geeignete Vorstufen für Eisenoxide schließen eisenhaltiges Material, das, wenn es erwärmt wird, zu α-Fe₂O₃ umgewandelt wird, ein. Für zusätzliche Details bezüglich der Zugabe von Eisenquellen zur Dispersion oder dem keramischen Vorstufenmaterial siehe zum Beispiel U.S.-Patent-Nrn. 5,611,829 (Monroe et al.) und 5,645,619 (Erickson et al.).
Andere geeignete keimbildende Materialien können α-Cr₂O₃-Vorstufen, wie Chromnitrat (Cr(NO₃)₃·9H₂O) und Chromacetat; MnO₂-Vorstufen, wie Mangannitrat (Mn(NO₃)2·4H₂O), Manganacetat und Manganformiat; und Li₂O-Vorstufen, wie Lithiumnitrat (LiNO₃), Lithiumactetat und Lithiumformiat einschließen. Zusätzliche Details bezüglich keimbildenden Materials sind ebenfalls zum Beispiel in U.S.-Patent-Nrn. 4,623,364 (Cottringer et al.), 4,744,802 (Schwabel), 4,964,883 (Morris et al.), 5,139,978 (Wood) und 5,219,806 (Wood) offenbart.
Geeignete Zirkoniumdioxidquellen schließen Zirkoniumsalze und Zirkoniumdioxid-Sole ein, obwohl die Zirkoniumdioxidquelle in einer Imrägnierungszusammensetzung typischerweise ein Zirkoniumsalz ist, das eine Lösung im flüssigen Medium bildet. Beispiele für Zirkoniumsalze schließen Zirconylacetat (ZrO(CH₃COO)₂), Zirkoniumoxynitrat (ZrO(NO₃)₂·xH₂O), Zirkoniumhydroxynitrat, Zirkoniumformiat und Zirkoniumacetylacetonat, Zirkoniumalkoxide (Butoxid, Ethoxid, Propoxid, t-Butoxid), Zirkoniumchlorid, Zirkoniumnitrat, Ammoniumkomplex, Zirkoniumtetrachlorid, Zirkoniumoxychloridoctahydrat ein. Das Zirkoniumdioxid-Sol umfasst fein verteilte Teilchen von amorphem oder kristallinem Zirkoniumdioxid, bei denen typischerweise eine oder mehrere ihrer Abmessungen bevorzugt in einem Bereich von etwa 3 nm bis etwa 250 nm liegen. Die durchschnittliche Teilchengröße des Zirkoniumdioxids in dem kolloiden Zirkoniumdioxid beträgt vorzugsweise weniger als etwa 150 nm, stärker bevorzugt weniger als etwa 100 nm, und am meisten bevorzugt weniger als etwa 50 nm. In einigen Fällen können die Zirkoniumdioxidteilchen in der Größenordnung von etwa 3–10 nm liegen. In den meisten Fällen umfasst das kolloidale Zirkoniumdioxid eine Verteilung oder einen Bereich von Zirkoniumdioxidteilchengrößen. Zirkoniumdioxid-Sole schließen jene von Nyacol Products, Inc., Ashland, MA unter den Handelsbezeichnungen "ZR10/20" und "ZR100/20" erhältlichen ein. Für weitere Informationen über Zirkoniumdioxid-Sole siehe zum Beispiel U.S.-Patent-Nrn. 5,498,269 (Larmie) und 5,551,963 (Larmie).
Die Menge der Aluminiumoxidquelle, der Siliciumdioxidquelle, der Magnesiumoxidquelle, des keimbildenden Materials und der Zirkoniumdioxidquelle in der anfänglichen Dispersion, und/oder bereitgestellt von der Imprägnierungszusammensetzung, wird ausgewählt, um die gewünschten Gewichtsprozentwerte im gesinterten Schleifkorn bereitzustellen.
Typischerweise, umfasst Schleifkorn gemäß der vorliegenden Erfindung, bezogen auf ein theoretisches Metalloxid, etwa 55 bis etwa 99 Gew.-% (bevorzugt etwa 65 bis 95 Gew.-%; stärker bevorzugt etwa 70 bis etwa 95 Gew.-%; und noch stärker bevorzugt etwa 80 bis 93 Gew.-%) Al₂O₃, etwa 0,1 bis etwa 15 Gew.-% (bevorzugt etwa 0,1 bis etwa 10, stärker bevorzugt etwa 0,1 bis etwa 8 Gew.-%; noch stärker bevorzugt etwa 0,5 bis etwa 5 Gew.-%; oder auch etwa 1 bis etwa 4 Gew.-%) MgO, etwa 0,1 bis etwa 10 Gew.-% (bevorzugt etwa 0,5 bis etwa 5 Gew.-%; stärker bevorzugt etwa 0,1 bis etwa 3 Gew.-%; und noch stärker bevorzugt etwa 0,1 bis etwa 2 Gew.-%) SiO₂, und etwa 0,5 bis etwa 15 Gew.-% (bevorzugt etwa 0,5 bis etwa 5; stärker bevorzugt etwa 0,5 bis etwa 3 Gew.-%, und noch stärker bevorzugt etwa 0,5 bis etwa 2 Gew.-%) ZrO₂, bezogen auf den Gesamtmetalloxidgehalt des Schleifkorns. Weiter umfasst das Schleifkorn, bezogen auf ein theoretisches Metalloxid, typischerweise etwa 0,1 bis etwa 10 (bevorzugt etwa 0,5 bis etwa 10 Gew.-%; stärker bevorzugt etwa 0,75 bis etwa 5; und noch stärker bevorzugt etwa 1 bis etwa 3 Gew.-%) Keimbildner, bezogen auf den Gesamtmetalloxidgehalt des Schleifkorns.
Das anfängliche Gemisch kann weiter andere Metalloxidquelen (d.h., Materialien, die unter angemessenen Erwärmungsbedingungen in Metalloxide umgewandelt werden können), manchmal als Metalloxidmodifizierer bezeichnet, umfassen. Derartige Metalloxidmodifizierer können die physikalischen Eigenschaften und/oder chemischen Eigenschaften des so erhaltenen Schleifkorns verändern. Die Menge dieser anderen in das anfängliche Gemisch und/oder die Imprägnierungszusammensetzung eingebrachten Metalloxide kann zum Beispiel abhängen von der gewünschten Zusammensetzung und/oder den Eigenschaften des gesinterten Schleifkorns, ebenso wie von der Wirkung oder Rolle, die der Zusatzstoff im Verfahren, welches zum Herstellen des Schleifkorns verwendet wird, hat oder spielen kann.
Die anderen Metalloxide können zum anfänglichen Gemisch als ein Metalloxid (z.B. eine kolloidale Suspension oder ein Sol) und/oder als eine Vorstufe (z.B. ein Metallsalz, wie Metallnitratsalze, Metallacetatsalze, Metallcitratsalze, Metallformiatsalze und Metallchloridsalze) zugegeben werden. Für Metalloxidteilchen ist es im Allgemeinen bevorzugt, dass die Größe der Metalloxidteilchen im Allgemeinen kleiner als 5 μm, bevorzugt kleiner als 1 μm ist. Die kolloidalen Metalloxide sind getrennte, fein verteilte Teilchen eines amorphen oder kristallinen Metalloxids, bei denen typischerweise eine oder mehrere ihrer Abmessungen in einem Bereich von etwa 3 nm bis etwa 1 μm liegen. Bevorzugt sind die "kolloidalen Metalloxid-Sole" eine stabile (d.h. die Metalloxidfeststoffe in dem Sol oder der Dispersion erscheinen beim ungestörten Stehen lassen für etwa 2 Stunden bei Sichtprüfung nicht zu beginnen, zu gelieren, sich abzutrennen oder abzusetzen) Suspension von kolloidalen Teilchen (bevorzugt in einem flüssigen Medium mit einem pH-Wert von weniger als 6,5.
Beispiele derartiger anderer Metalloxide schließen ein: Praseodymoxid, Dysprosiumoxid, Samariumoxid, Cobaltoxid, Zinkoxid, Neodymoxid, Yttriumoxid, Ytterbiumoxid, Nickeloxid, Manganoxid, Lanthanoxid, Gadoliniumoxid, Natriumoxid, Dysprosiumoxid, Europiumoxid, Hafniumoxid und Erbiumoxid, ebenso wie Manganoxid, Chromoxid, Titanoxid und Eisenoxid, welche als Keimbildner wirken können oder nicht wirken können.
Metalloxidvorstufen schließen Metallnitratsalze, Metallacetatsalze, Metallcitratsalze, Metallformiatsalze und Metallchloridsalze ein. Metallnitrat-, -acetat-, -citrat-, -formiat- und -chloridsalze können durch im Fachgebiet bekannte Verfahren hergestellt, oder von Handelsquellen, wie Alfa Chemicals aus Ward Hill, MA und Mallinckrodt Chemicals aus Paris, KY. erhalten werden. Beispiele für Nitratsalze schließen Cobaltnitrat (Co(NO₃)₂·6H₂O), Nickelnitrat (Ni(NO₃)₂·6H₂O), Lithiumnitrat (LiNO3), Mangannitrat (Mn(NO₃)₂·4H₂O), Chromnitrat (Cr(NO₃)₃·9H₂O), Yttriumnitrat (Y(NO₃)₃·6H₂O), Praseodymnitrat (Pr(NO₃)₃·6H₂O), Samariumnitrat (Sm(NO₃)₃·6H₂O), Neodymnitrat (Nd(NO₃)₃·6H₂O), Lanthannitrat (La(NO₃)₃ ·6H₂O), Gadoliniumnitrat (Gd(NO₃)₃·5H₂O), Dysprosiumnitrat (Dy(NO₃)₃·5H₂O), Europiumnitrat (Eu(NO₃)₃·6H₂O), Eisentrinitrat (Fe(NO₃)₃·9H₂O), Zinknitrat (Zn(NO₃)₃·6H₂O) und Erbiumnitrat (Er(NO₃)₃·5H₂O) ein. Beispiele für Metallacetatsalze schließen Cobaltacetat, Nickelacetat, Lithiumacetat, Manganacetat, Chromacetat, Yyttriumacetat, Praseodymacetat, Samariumacetat, Ytterbiumacetat, Neodymacetat, Lanthanacetat, Gadoliniumacetat und Dysprosiumacetat ein. Beispiele für Citratsalze schließen Cobaltcitrat, Lithiumcitrat und Mangancitrat ein. Beispiele für Formiatsalze schließen Cobaltformiat, Lithiumformiat, Manganformiat und Nickelformiat ein.
Typischerweise kann die Verwendung eines Metalloxidmodifizierers die Porosität des gesinterten Schleifkorns vermindern und dadurch die Dichte erhöhen. Zusätzlich können bestimmte Metalloxidvorstufen (z.B. keimbildende Materialien, welche Keimbildner sind, oder sich in solche umwandeln können, oder Materialien, die in anderer Weise als Keimbildner fungieren) die Temperatur verringern, bei welcher Übergangsaluminiumoxide sich in α-Aluminiumoxid umwandeln. Bestimmte Metalloxide können mit dem Aluminiumoxid umgesetzt werden, um mit dem α-Aluminiumoxid ein Reaktionsprodukt zu bilden und/oder kristalline Phasen zu bilden, welche während der Verwendung des Schleifkorns in Schleifanwendungen vorteilhaft sein können. Folglich wird die Auswahl und Menge des Metalloxids teilweise von den Verarbeitungsbedingungen und den gewünschten Schleifeigenschaften des Schleifkorns abhängen.
Die Oxide von zum Beispiel Cobalt, Nickel, Zink und Magnesium reagieren mit Aluminiumoxid typischerweise unter Bildung eines Spinells, während Zirkoniumdioxid und Hafniumoxid typischerweise nicht mit dem Aluminiumoxid reagieren. In einer anderen Ausführungsform sind zum Beispiel die Reaktionsprodukte von Dysprosiumoxid und Gadoliniumoxid mit Aluminiumoxid im Allgemeinen Granat. Die Reaktionsprodukte von Praseodymoxid, Ytterbiumoxid, Erbiumoxid und Samariumoxid mit Aluminiumoxid haben im Allgemeinen eine Perowskit- und/oder Granatstruktur. Yttriumoxid kann ebenfalls mit dem Aluminiumoxid reagieren, um Y₃Al₅O₁₂ zu bilden, das eine Granatkristallstruktur hat. Bestimmte Seltenerdmetalloxide und zweiwertige Metallkationen reagieren mit Aluminiumoxid, um ein Seltenerdmetallaluminat der Formel LnMAl₁₁O₁₉, in der Ln ein dreiwertiges Metallion, wie La³⁺, Nd³⁺, Ce³⁺, Pr³⁺, Sm³⁺, Gd³⁺, Er³⁺ oder Eu³⁺ ist, und M ein zweiwertiges Metallkation, wie Mg²⁺, Mn²⁺, Ni²⁺, Zn²⁺ oder Co²⁺ ist, zu bilden. Derartige Aluminate haben eine hexagonale Kristallstruktur. Für zusätzliche Details bezüglich des Einschlusses von Metalloxid (und oder Vorstufen davon) in einer Boehmit-Dispersion siehe zum Beispiel U.S.-Patent-Nrn. 4,314,827 (Leitheiser et al.), 4,770,671 (Monroe et al.), 4,881,951 (Wood et al.), 5,429,647 (Larmie), 5,498,269 (Larmie) und 5,551,963 (Larmie).
In der Ausübung der vorliegenden Erfindung verwendete Dispersionen auf Aluminiumoxid-Basis (z.B. Dispersionen auf Boehmit-Basis) umfassen typischerweise mehr als 15 Gew.-% (im Allgemeinen von mehr als 20 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-%; typischerweise mehr als 30 Gew.-% bis etwa 80 Gew.-%) Feststoffe (oder in einer anderen Ausführungsform Boehmit), bezogen auf das Gesamtgewicht der Dispersion. Bestimmte bevorzugte Dispersionen umfassen jedoch 35 Gew.-% oder mehr, 45 Gew.-% oder mehr, 50 Gew.-% oder mehr, 55 Gew.-% oder mehr, 60 Gew.-% oder mehr und 65 Gew.-% oder mehr Feststoffe (oder in einer anderen Ausführungsform Boehmit), bezogen auf das Gesamtgewicht der Dispersion. Vorstehende Gewichtsprozentwerte an Feststoffen und Boehmit über 80 Gew.-% können ebenfalls verwendbar sein, aber neigen dazu, schwieriger zum Herstellen des durch das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellte Schleifkorn zu verarbeiten zu sein.
Allgemeine Verfahren zum Herstellen von gesintertem Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis sind zum Beispiel in U.S.-Patent-Nrn. 4,518,397 (Leitheiser et al.), 4,770,671 (Monroe), 4,744,802 (Schwabel), 5,139,978 (Wood), 5,219,006 (Wood) und 5,593,647 (Monroe) offenbart.
Das (anfängliche) Gemisch wird typischerweise hergestellt durch Zugeben der verschiedenen Komponenten und dann gemeinsames Vermischen derselben, um ein homogenes Gemisch bereitzustellen. Zum Beispiel wird Boehmit typischerweise zu Wasser gegeben, das mit Salpetersäure vermischt worden ist. Die anderen Komponenten werden zugegeben, bevor, während oder nachdem das Boehmit zugegeben wird. Wenn das keimbildende Material jedoch eine wässrige, saure Dispersion von Eisenoxidhydroxid ist und die Siliciumdioxidquelle ein basisches, kolloidales Siliciumdioxid-Sol ist, ist es bevorzugt, die zwei nicht zusammen zuzugeben, sondern jedes einzeln zu angesäuertem Wasser zuzugeben, bevor, bevorzugt nachdem andere Komponenten, wie das Boehmit, zum angesäuerten Wasser zugegeben worden sind.
Eine Dispersion mit hohem Feststoffgehalt wird typischerweise, und bevorzugt, durch allmähliches Zugeben von (einer) flüssigen Komponente(n) zu (einer) Komponente(n), die nicht in der (den) flüssigen Komponente(n) löslich ist (sind), während die letztere(n) gemischt oder umgewälzt wird (werden). Zum Beispiel kann eine Wasser, Salpetersäure und Metallsalz enthaltende Flüssigkeit allmählich zu Boehmit gegeben werden, während das Letztere derartig vermischt wird, dass die Flüssigkeit einfacher im Boehmit verteilt wird.
Geeignete Mischer schließen Kübelmischer, Sigma-Blattrührer, Kugelmühle und Mischer mit hoher Scherung ein. Andere geeignete Mischer können von Eirich Machines, Inc. aus Gurnee, IL; Hosokawa-Bepex Corp. aus Minneapolis, MN (einschließlich eines unter der Handelsbezeichnung "SCHUGI FLEX-O-MIX", Modell FX-160 erhältlichen Mischers); und Littleford-Day, Inc. aus Florence, KY erhältlich sein.
Dispersionen auf Boehmit-Basis können erwärmt werden, um das Dispersionsvermögen des α-Aluminiumoxidmonohydrats zu erhöhen und/oder um eine homogene Dispersion zu bilden. Die Temperatur kann dem Zweck gemäß variiert werden, zum Beispiel kann die Temperatur von etwa 20°C bis 80°C, üblicherweise zwischen 25°C bis 75°C, liegen. In einer anderen Ausführungsform kann die Dispersion unter einem von 1,5 bis 130 Atmosphären reichenden Druck erwärmt werden.
Dispersionen auf Boehmit-Basis gelieren typischerweise vor oder während des Trocknens. Die Zugabe der meisten Modifizierer kann zu einem schnelleren Gelieren der Dispersion führen. In einer anderen Ausführungsform kann Ammoniumacetat oder eine andere Art Ionen zugegeben werden, um die Gelierung der Dispersion anzuregen. Der pH-Wert der Dispersion und die Konzentration der Ionen im Gel bestimmt im Allgemeinen, wie schnell die Dispersion geliert. Typischerweise liegt der pH-Wert der Dispersion in einem Bereich von etwa 1,5 bis etwa 5.
Die Dispersion kann extrudiert werden. Es kann bevorzugt sein, typischerweise eine Dispersion zu extrudieren, wobei mindestens 50 Gew.-% des Aluminiumoxidgehalts von Teilchen (z.B. Boehmit) bereit gestellt wird, in diesem Zusammenhang einschließlich einer gelierten Dispersion, oder auch einer teilweise flüssigkeitsreduzierten Dispersion. Die extrudierte Dispersion, bezeichnet als Extrudat, kann in gestrecktes Vorstufenmaterial extrudiert werden (z.B. Stangen (einschließlich zylindrischer Stangen und elliptischer Stangen)). Nach dem Brennen können die Stangen ein Seitenverhältnis zwischen 1,5 bis 10, bevorzugt zwischen 2 bis 6, aufweisen. In einer anderen Ausführungsform kann das Extrudat in Form einer sehr dünnen Bahn vorliegen, siehe zum Beispiel U.S.-Patent-Nr. 4,848,041 (Kruschke). Beispiele geeigneter Extruder schließen Kolbenstrangpressen, Einschnecken-, Zweischnecken- und Segmentschneckenextruder ein. Geeignete Extruder sind zum Beispiel von Loomis Products aus Levitown, PA, Bonnot Co. aus Uniontown, OH und Hosokawa-Bepex aus Minneapolis, MN, welche zum Beispiel einen Extruder unter der Handelsbezeichnung "EXTRUD-O-MIX" (Model EM-6) anbieten, erhältlich.
Bevorzugt wird die Dispersion zum Beispiel vor oder während der Extrusion verdichtet (wobei der Extrusionsschritt schon an sich Verdichtung der Dispersion beinhalten kann). Mit Verdichten der Dispersion ist gemeint, dass die Dispersion einem Druck oder einer Kraft unterworfen wird, wie sie zum Beispiel in einem Granulator oder einer Standpresse (einschließlich mechanischer, hydraulischer und pneumatischer Pressen) oder einem Extruder (d.h. alles oder im Wesentlichen alles der Dispersion erfährt den vorgegebenen Druck) erfahren wird. Im Allgemeinen verringert Verdichten der Dispersion die in der Dispersion gefangene Menge an Luft oder Gasen, welche wiederum eine weniger poröse Mikrostruktur erzeugt, die wünschenswerter ist. Zusätzlich führt der Verdichtungsschritt zu einem einfacheren Mittel, um den Extruder kontinuierlich zu beschicken und kann so Arbeit beim Herstellen des Schleifkorns sparen.
Wenn das gestreckte Vorstufenmaterial eine Stange ist, weist es bevorzugt einen derartigen Durchmesser auf, dass das gesinterte Schleifkorn einen Durchmesser von zum Beispiel etwa 15–5000 μm haben wird, und hat bevorzugt ein Seitenverhältnis (d.h., Verhältnis von Länge zu Breite) von mindestens 2,5:1, mindestens 4:1 oder auch mindestens 5:1. Die Stange kann jede Querschnittsform aufweisen, einschließlich eines Kreises, eines Ovals, einer Sternform, einer Röhre und dergleichen. Das Stangenschleifkorn kann ebenfalls gebogen sein.
Ein bevorzugtes Gerät zum Verdichten der Dispersion (geliert oder nicht) ist in den 4–6 dargestellt. Der modifizierte Segmentschneckenextruder 40 weist eine Zuführungsöffnung 41 und eine Einzugsschnecke 42 zentral angeordnet in Zylinder 44 auf. 5 ist eine Ansicht des Inneren des Extruders 40 gesehen durch Zuführungsöffnung 41. Zylinder 44 weist Rillen auf (nicht gezeigt; im Allgemeinen als "Stege" ("lands") bekannt), die parallel entlang seiner Länge verlaufen. Die Bolzen 48 erstrecken sich zentral in den Zylinder 44. Weiter erstreckt sich der schraubenförmige Gewindegang 46 über die Länge der Einzugsschnecke 42. Der Gewindegang 46 verläuft nicht kontinuierlich entlang der Länge der Einzugsschnecke 42, sondern ist segmentiert, so dass der Gewindegang 46 auf der Einzugsschnecke 42 nicht mit den Bolzen 48 in Kontakt kommt.
Die Dispersion (einschließlich einer gelierten Dispersion in diesem Zusammenhang) (nicht gezeigt) wird in Zuführungsöffnung 41 eingespeist. Die Versatzschraube 43 drängt die Dispersion gegen Einzugsschnecke 42, so dass die Dispersion durch Einzugsschnecke 42 verdichtet und durch Formwerkzeug 49 extrudiert wird. Formwerkzeug 49 kann eine Vielfalt von Öffnungen oder Löchern darin aufweisen (einschließlich eines einzelnen Lochs oder mehrerer Löcher). Die Formwerkzeugöffnung kann jede aus einer Vielfalt von Querschnittsformen sein, einschließlich eines Kreises oder Polygonformen (z.B. ein Quadrat, Stern, Raute, Trapez oder Dreieck). Die Formwerkzeugöffnungen können jede aus einer Vielfalt von Größen sein, reichen aber typischerweise von etwa 0,5 mm (0,02 Zoll) bis 1,27 cm (0,5 Zoll) und typischer von etwa 0,1 cm (0,04 Zoll) bis etwa 0,8 cm (0,3 Zoll).
Die extrudierte Dispersion kann geschnitten oder abgeschnitten werden, um zum Beispiel getrennte Teilchen bereitzustellen, und/oder um Teilchen mit einer einheitlicheren Länge bereitzustellen. Beispiele für Verfahren zum Schneiden (oder Abschneiden) der Dispersion schließen Schneidemühle, Messerköpfe und Drahtschneider ein. Die verdichtete Dispersion kann ebenfalls zerschnitzelt und/oder zerrieben werden.
Im Allgemeinen sind Verfahren zum Trocknen der Dispersion im Fachgebiet bekannt, einschließlich Erwärmen, um Verdampfung des flüssigen Mediums zu fördern, oder einfach Trocknen an Luft. Der Trocknungsschritt entfernt im Allgemeinen einen wesentlichen Teil des flüssigen Mediums aus der Dispersion; jedoch kann immer noch ein geringerer Teil (z.B. etwa 10% oder weniger, bezogen auf das Gewicht) des flüssigen Mediums in der getrockneten Dispersion vorliegen. Typische Trocknungsbedingungen schließen Temperaturen ein, die von etwa Raumtemperatur bis über etwa über 200°C, typischerweise zwischen 50 bis 150°C, liegen. Die Zeiten können von etwa 30 min. bis über Tage reichen. Um Salzwanderung zu minimieren, kann es wünschenswert sein, die Dispersion bei niedriger Temperatur zu trocknen.
Nach dem Trocknen kann das getrocknete Gemisch (z.B. eine Dispersion) in Vorstufenteilchen umgewandelt werden. Ein typisches Mittel, um diese Vorstufenteilchen zu erzeugen, ist ein Brechverfahren. Verschiedene Brech- oder Zerkleinerungsverfahren können gebraucht werden, wie ein Walzenbrecher, ein Backenbrecher, eine Schlagmühle, eine Kugelmühle und dergleichen. Gröbere Teilchen können erneut gebrochen werden, um feinere Teilchen zu erzeugen. Es ist ebenfalls bevorzugt, dass die getrocknete Dispersion gebrochen wird, da es zum Beispiel im Allgemeinen leichter ist, ein getrocknetes Gel im Gegensatz zu gesintertem Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis zu brechen.
In einer anderen Ausführungsform kann das Gemisch zum Beispiel vor dem Trocknen in Vorstufenteilchen umgewandelt werden. Dies kann zum Beispiel auftreten, wenn das Gemisch zu einer gewünschten Streugutform und Teilchengrößenverteilung verarbeitet wird. Zum Beispiel kann die Dispersion zu Stangen extrudiert werden, die anschließend in gewünschte Längen geschnitten und dann getrocknet werden. In einer anderen Ausführungsform kann das Gemisch in Teilchen mit dreieckiger Form geformt und dann getrocknet werden. Zusätzliche Details betreffend dreieckig geformter Teilchen können in U.S.-Patent-Nr. 5,201,916 (Berg et al.) gefunden werden.
In einer anderen Ausführungsform wird zum Beispiel das getrocknete Gemisch (z.B. eine Dispersion) zu Knollen mit einem hohen Gehalt an flüchtigen Stoffen geformt, welche dann durch direktes Zuführen der Knollen in einen bei einer Temperatur über 350°C, üblicherweise einer Temperatur zwischen 600°C bis 900°C, gehaltenen Ofen explosiv zerkleinert werden.
Typischerweise wird das getrocknete Gemisch vor dem Sintern kalziniert, obgleich ein Kalzinierungsschritt nicht immer erforderlich ist. Im Allgemeinen sind Verfahren zum Kalzinieren des getrockneten Gemischs oder keramischen Vorstufenmaterials, wobei im Wesentlichen alle flüchtigen Stoffe entfernt werden, und die verschiedenen Komponenten, die in der Dispersion vorlagen, in Oxide umgewandelt werden, im Fachgebiet bekannt. Derartige Verfahren schließen die Verwendung eines Dreh- oder eines stationären Ofens zum Erwärmen des getrockneten Gemischs bei Temperaturen, die von etwa 400–1000°C (typischerweise von etwa 450–800°C) reichen, bis das nicht gebundene Wasser und bis typischerweise mindestens etwa 90 Gew.-% aller gebundenen flüchtigen Stoffe entfernt sind, ein.
Es liegt innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung und ist ein Teil von mindestens einem Verfahren der vorliegenden Erfindung, ein kalziniertes Vorstufenteilchen mit einer Quelle für einen Metalloxidmodifizierer (typischerweise eine Metalloxidvorstufe) zu imprägnieren. Zum Beispiel kann in mindestens einem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ein Vorstufenmaterial mit einer Zirkoniumdioxidvorstufe (z.B. einem Zirkoniumsalz) imprägniert werden. Typischerweise liegen die Metalloxidvorstufen in Form von Metallsalzen vor. Diese Metalloxidvorstufen und Metallsalze werden vorstehend bezogen auf das anfängliche Gemisch beschrieben.
Verfahren zum Imprägnieren von aus Sol-Gel erhaltenen Teilchen werden im Allgemeinen zum Beispiel in U.S.-Patent-Nr. 5,164,348 (Wood) beschrieben. Im Allgemeinen ist keramisches Vorstufenmaterial (d.h., ein getrocknetes Gemisch auf Aluminiumoxid-Basis (oder getrocknetes keramisches Vorstufenmaterial), oder ein kalziniertes Gemisch auf Aluminiumoxid-Basis (oder kalziniertes keramisches Vorstufenmaterial)) porös. Zum Beispiel weist ein kalziniertes keramisches Vorstufenmaterial typischerweise Poren von etwa 2–15 nm im Durchmesser auf, die sich darin von einer äußeren Oberfläche erstrecken. Die Gegenwart derartiger Poren ermöglicht es einer Imprägnierungszusammensetzung, umfassend ein Gemisch, welches ein flüssiges Medium (typischerweise Wasser) und eine geeignete Metallvorstufe umfasst, in das keramische Vorstufenmaterial einzutreten. Das Metallsalzmaterial ist in einer Flüssigkeit gelöst, und die so erhaltene Lösung ist mit dem porösen keramischen Vorstufenteilchenmaterial vermischt. Man denkt, dass das Imprägnierungsverfahren durch Kapillarwirkung geschieht.
Die für die Imprägnierungszusammensetzung verwendete Flüssigkeit ist bevorzugt Wasser (einschließlich entionisiertem Wasser), ein organisches Lösungsmittel und Gemische davon. Wenn Imprägnierung eines Metallsalzes gewünscht ist, liegt die Konzentration des Metallsalzes im flüssigen Medium typischerweise im Bereich von etwa 5% bis etwa 40% gelöster Feststoffe, bezogen auf das theoretische Metalloxid. Bevorzugt werden mindestens 50 ml der Lösung zugegeben, um Imprägnierung von 100 g des porösen, teilchenförmigen Vorstufenmaterials zu erreichen, stärker bevorzugt mindestens etwa 60 ml der Lösung auf 100 g des teilchenförmigen Vorstufenmaterials.
Nach der Imprägnierung werden die so erhaltenen imprägnierten Vorstufenteilchen typischerweise kalziniert, um alle flüchtigen Stoffe vor dem Sintern zu entfernen. Die Bedingungen für diesen Kalzinierschritt sind vorstehend beschrieben.
Nachdem das Vorstufenteilchen gebildet oder gegebenenfalls kalziniert ist, wird das Vorstufenteilchen gesintert, um ein dichtes, keramisches Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis bereitzustellen. Im Allgemeinen sind Verfahren zum Sintern des Vorstufenmaterials, welche Erwärmen auf eine zur Umwandlung von Übergangs-Aluminiumoxid(en) in α-Aluminiumoxid wirksame Temperatur, um zu bewirken, dass die gesamten Metalloxidvorstufen entweder mit dem Aluminiumoxid umgesetzt oder Metalloxid gebildet wird, und Erhöhen der Dichte des keramischen Materials einschließen, im Fachgebiet bekannt. Das Vorstufenmaterial kann durch Erwärmen (z.B. unter Verwendung von elektrischem Widerstand, Mikrowelle, Plasma, Laser oder Gasverbrennung, auf chargenweiser Basis oder einer kontinuierlicher Basis) gesintert werden. Die Sintertemperaturen reichen üblicherweise von etwa 1200°C bis etwa 1650°C; typischerweise von etwa 1200°C bis etwa 1500°C; noch typischer weniger als 1400°C. Die Zeitdauer, in welcher das Vorstufenmaterial der Sintertemperatur ausgesetzt ist, hängt zum Beispiel von der Teilchengröße, der Zusammensetzung der Teilchen und der Sintertemperatur ab. Typischerweise reichen die Sinterzeiten von wenigen Sekunden bis etwa 60 min. (bevorzugt in etwa 3–30 min.). Sintern wird typischerweise in einer oxidierenden Atmosphäre ausgeführt, obgleich inerte oder reduzierende Atmosphären ebenfalls verwendbar sein können.
Die längste Abmessung des Schleifkorns auf α-Aluminiumoxid-Basis beträgt typischerweise mindestens etwa 1 μm. Das hier beschriebene Schleifkorn kann ohne weiteres mit einer Länge von mehr als etwa 50 μm hergestellt werden, und größeres Schleifkorn (z.B. größer als etwa 1000 μm oder auch größer als etwa 5000 μm) kann ebenfalls ohne weiteres hergestellt werden. Im Allgemeinen weist das bevorzugte Schleifkorn eine Länge im Bereich von etwa 100 bis etwa 5000 μm (typischerweise im Bereich von etwa 100 bis etwa 3000 μm) auf, obgleich andere Größen ebenfalls verwendbar sind und für bestimmte Anwendungen auch bevorzugt sein können. In einer anderen Ausführungsform weist Schleifkorn gemäß der vorliegenden Erfindung typischerweise ein Längenverhältnis von mindestens 1,2:1 oder auch 1,5:1, manchmal mindestens 2:1 und in einer anderen Ausführungsform mindestens 2,5:1 auf.
Getrocknete, kalzinierte und/oder gesinterte Materialien, die während des oder durch das Verfahrens) gemäß der vorliegenden Erfindung bereit gestellt werden, werden typischerweise unter Verwendung im Fachgebiet bekannter Verfahren gesiebt und klassiert. Zum Beispiel werden die getrockneten Teilchen typischerweise vor dem Kalzinieren auf eine gewünschte Größe gesiebt. Gesintertes Schleifkorn wird typischerweise vor der Verwendung in einer Schleifanwendung oder der Einbringung in einen Schleifgegenstand gesiebt und klassiert.
Sieben und Klassieren von gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestelltem Schleifkorn kann zum Beispiel unter Verwendung der gut bekannten Verfahren und Standards für nach ANSI (American National Standard Institute), FEPA (Federation Europeenne des Fabricants de Products Abrasifs) oder JIS (Japanese Industrial Standard) klassiertes Schleifkorn durchgeführt werden.
Es liegt ebenfalls innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, nicht verwendetes (typischerweise Teilchen, deren Größe zu klein ist, um die gewünschte Größe an gesintertem Schleifkorn bereitzustellen) flüssigkeitsreduziertes Gemisch- (typischerweise einer Dispersion) Material wieder zu verwenden, wie im Allgemeinen zum Beispiel in U.S.-Patent-Nr. 4,314,827 (Leitheiser et al.) beschrieben. Zum Beispiel kann eine erste Dispersion, wie vorstehend beschrieben, getrocknet, gebrochen und gesiebt werden, und dann eine zweite Dispersion durch Vereinen von zum Beispiel einem flüssigen Medium (bevorzugt wässrig), Boehmit und flüssigkeitsreduziertem Material aus der ersten Dispersion, und gegebenenfalls Metalloxid und/oder Metalloxidvorstufe hergestellt werden. Das wiederverwendete Material kann bezogen auf das theoretische Metalloxid zum Beispiel mindestens 10%, mindestens 30%, mindestens 50% oder auch bis zu (und einschließlich) 100% des theoretischen Al₂O₃-Gehalts der Dispersion bereitstellen, welche flüssigkeitsreduziert und umgewandelt wird (einschließlich Kalzinieren und Sintern), um das gesinterte Schleifkorn bereitzustellen.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird das Schleifkorn so verarbeitet, dass es "scharf" ist. Der Begriff scharf ist einem Schleifkorn-Fachmann bekannt. Im Allgemeinen ist ein scharfes Schleifkorn von gestreckter Form, bevorzugt nadelähnlich. Eine andere Weise, um ein scharfes Schleifkorn zu beschreiben, ist ein Korn, das in Form eines Splitters oder einer Scherbe vorliegt. Ein scharfes Schleifkorn hat keine damit verbundene blockige Form. Es ist bevorzugt, dass das scharfe Schleifkorn "spitze" Enden aufweist (d.h. die Kanten, die die Enden des Schleifkorns bilden, treffen sich in einem Punkt). Zusätzlich ist es bevorzugt, dass das scharfe Schleifkorn gewinkelte Kanten aufweist.
Es gibt verschiedene Verfahren, um die Schärfe eines Schleifkorns zu messen, einschließlich Schüttdichte und Längenverhältnis. Die Schüttdichte von Schleifkorn kann zum Beispiel gemäß ANSI-Standard B74.4-1992, veröffentlicht im November 1992, gemessen werden.
Das Längenverhältnis, welches ebenfalls ein Kennzeichen für Schärfe ist, ist als die Länge eines Schleifkorns geteilt durch die Querschnittsbreite definiert. Typischerweise weist scharfes Schleifkorn ein Längenverhältnis von mindestens Eins zu Eins, bevorzugt mindestens etwa 1,5 zu 1 und bevorzugt etwa 2 zu 1 auf. In einigen Beispielen kann das Längenverhältnis größer als 3 zu 1 sein.
Es liegt ebenfalls innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung, das Schleifkorn mit einer Oberflächenbeschichtung zu beschichten, wie in U.S.-Patent-Nrn. 1,910,440 (Nicholson), 3,041,156 (Rowse), 5,009,675 (Kunz et al.), 4,997,461 (Markhoff-Matheny et al.) und 5,042,991 (Kunz et al.), 5,011,508 (Wald et al.) und 5,213,591 (Celikkaya et al.) beschrieben.
Schleifkorn gemäß der vorliegenden Erfindung kann in herkömmlichen Schleifprodukten, wie Schleifprodukten mit überzogenem Schleifmittel, Schleifprodukten mit gebundenem Schleifmittel (einschließlich verglasten und harzgebundenen Schleifscheiben, Trennschleifscheiben und Poliersteinen), Schleifvliesprodukten und Schleifbürsten verwendet werden. Typischerweise schließen Schleifprodukte (d.h. Schleifgegenstände) Bindemittel und Schleifkorn ein, wobei mindestens ein Teil des Schleifkorns gemäß der vorliegenden Erfindung durch das Bindemittel im Schleifprodukt befestigt ist. Herstellungsverfahren für derartige Schleifprodukte und Verwendung der Schleifprodukte sind Fachleuten gut bekannt. Darüber hinaus kann Schleifkorn gemäß der vorliegenden Erfindung in Schleifanwendungen verwendet werden, die Aufschlämmungen von Schleifverbindungen (z.B. Polierverbindungen) gebrauchen.
Schleifprodukte mit überzogenem Schleifmittel schließen im Allgemeinen ein Trägermaterial, Schleifkorn und mindestens ein Bindemittel, um das Schleifkorn auf dem Träger zu halten, ein. Das Trägermaterial kann jedes geeignete Material sein, einschließlich Gewebe, Polymerfolie, Faser, vliesförmige Gewebe, Papier, Kombinationen davon, und behandelte Ausführungen davon. Das Bindemittel kann jedes geeignete Bindemittel sein, einschließlich eines anorganischen oder organischen Bindemittels. Das Schleifkorn kann in einer Schicht oder in zwei Schichten auf dem Schleifprodukt mit überzogenem Schleifmittel vorliegen. Herstellungsverfahren für Schleifprodukte mit überzogenem Schleifmittel werden zum Beispiel in U.S.-Patent-Nrn. 4,734,104 (Broberg), 4,737,163 (Larkey), 5,203,884 (Buchanan et al.), 5,378,251 (Culler et al.), 5,417,726 (Stout et al.), 5,436,063 (Follett et al.), 5,496,386 (Broberg et al.) und 5,520,711 (Helmin) beschrieben.
Ein Beispiel für ein Schleifprodukt mit überzogenem Schleifmittel ist in 1 abgebildet. Unter Bezugnahme auf diese Figur weist das Schleifprodukt mit überzogenem Schleifmittel 1 ein Trägermaterial (Substrat) 2 und eine Schleifschicht 3 auf. Schleifschicht 3 schließt Schleifkorn 4, das an einer Hauptoberfläche des Trägermaterials 2 durch die Bindemittelschicht 5 befestigt ist und die Deckschicht 6, ein. In einigen Beispielen wird eine Überschicht (nicht gezeigt) verwendet.
Schleifprodukte mit gebundenem Schleifmittel schließen typischerweise eine geformte Masse von Schleifkorn ein, die durch ein organisches, metallisches oder verglastes Bindemittel zusammengehalten wird. Eine derartige geformte Masse hat zum Beispiel die Form einer Scheibe, wie die einer Schleifscheibe oder einer Trennschleifscheibe. Sie kann ebenfalls zum Beispiel die Form eines Poliersteins oder die Form eines anderen herkömmlichen Schleifgegenstands mit gebundenem Schleifmittel haben. Sie hat typischerweise die Form einer Schleifscheibe. Unter Bezugnahme auf 2 ist Schleifscheibe 10 abgebildet, welche Schleifkorn 11 einschließt, wobei mindestens ein Teil davon Schleifkorn gemäß der vorliegenden Erfindung ist, geformt zu einer Scheibe und montiert auf Nabe 12. Für weitere Details bezüglich Schleifprodukten mit gebundenem Schleifmittel siehe zum Beispiel U.S.-Patent-Nrn. 4,997,461 (Markhoff-Matheny et al.) und 4,898,597 (Hay et al.).
Schleifvliesprodukte schließen typischerweise eine offene, poröse, feine Polymerfilamentstruktur mit über die Struktur verteiltem und durch ein organisches Bindemittel darin klebend gebundenem Schleifkorn ein. Beispiele für Filamente schließen Polyesterfasern, Polyamidfasern und Polyaramidfasern ein. In 3 wird eine schematische Abbildung, etwa 100-fach vergrößert, eines typischen Schleifvliesproduktes bereitgestellt. Ein derartiges Schleifvliesprodukt umfasst Fasermatte 50 als ein Substrat, worauf Schleifkorn 52, wobei mindestens ein Teil davon Schleifkorn der vorliegenden Erfindung ist, durch Bindemittel 54 befestigt ist. Für weitere Details bezüglich Schleifvliesprodukte siehe zum Beispiel U.S.-Patent-Nr. 2,958,593 (Hoover et al.).
Verwendbare Schleifbürsten schließen jene mit einer Mehrzahl von Borsten, die mit dem Trägermaterial eine Einheit bilden, ein (siehe z.B. U.S.-Patent-Nr. 5,679,067 (Johnson et al.)). Bevorzugt werden derartige Bürsten durch Spritzgießen eines Gemischs von Polymer und Schleifkorn hergestellt.
Geeignete organische Bindemittel für die Schleifprodukte schließen wärmehärtende organische Polymere ein. Beispiele für geeignete wärmehärtende organische Polymere schließen Phenolharze, Harnstoff-Formaldehyd-Harze, Melamin-Formaldehyd-Harze, Urethanharze, Acrylatharze, Polyesterharze, Aminoplastharze mit anhängenden α,β-ungesättigten Carbonylresten, Epoxyharze und Kombinationen davon ein. Das Bindemittel und/oder Schleifprodukt kann ebenfalls Zusatzstoffe wie Fasern, Schmiermittel, Benetzungsmittel, Thixotropiermaterialien, oberflächenaktive Mittel, Pigmente, Farbstoffe, Antistatikmittel (z.B. Ruß, Vanadiumoxid, Graphit, usw.), Haftvermittler (z.B. Silane, Titanate, Zirkoniumaluminate, usw.), Weichmacher, Suspensionsmittel und dergleichen einschließen. Die Mengen dieser wahlweisen Zusatzstoffe werden ausgewählt, um die gewünschten Eigenschaften bereitzustellen. Die Haftvermittler können die Haftung zum Schleifkorn und/oder zum Füllstoff verbessern.
Das Bindemittel kann ebenfalls Füllmaterialien oder Schleifhilfsmittel enthalten, typischerweise in Form von teilchenförmigen Material. Typischerweise sind die teilchenförmigen Materialien anorganische Materialien. Beispiele für teilchenförmige Materialien, die als Füllstoffe wirken, schließen Metallcarbonate, Siliciumdioxid, Silikate, Metallsulfate, Metalloxide und dergleichen ein. Beispiele für teilchenförmige Materialien, die als Schleifhilfsmittel wirken, schließen ein: Halogenidsalze wie Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Natriumkryolith und Kaliumtetrafluorborat; Metalle wie Zinn, Blei, Wismut, Kobalt, Antimon, Eisen und Titan; organische Halogenide wie Polyvinylchlorid und Tetrachlornaphthalin; Schwefel und Schwefelverbindungen; Graphit; und dergleichen. Ein Schleifhilfsmittel ist ein Material, das eine wesentliche Wirkung auf die chemischen und physikalischen Prozesse des Schleifens hat, welches zu einer verbesserten Leistung führt. In einem Schleifprodukt mit überzogenem Schleifmittel wird ein Schleifhilfsmittel typischerweise in der über der Oberfläche des Schleifkorns aufgebrachten Überschicht verwendet, obgleich es ebenfalls zur Deckschicht zugegeben werden kann. Typischerweise wird ein Schleifhilfsmittel, wenn gewünscht, in einer Menge von etwa 50–300 g/m² (bevorzugt, etwa 80–160 g/m²) des Schleifprodukts mit überzogenem Schleifmittel verwendet.
Die Schleifprodukte können 100% Schleifkorn gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten, oder sie können ein Gemisch eines derartigen Schleifkorns mit herkömmlichen Schleifkorn und/oder Verdünnungsmittelteilchen enthalten. Jedoch sollten mindestens etwa 5 Gew.-%, und bevorzugt etwa 30–100 Gew.-%, des Schleifkorns in den Schleifprodukten Schleifkorn gemäß der vorliegenden Erfindung sein. Beispiele für geeignetes herkömmliches Schleifkorn schließen geschmolzenes Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Diamant, kubisches Bornitrid, Granat, geschmolzenes Aluminiumoxid-Zirkoniumdioxid, und anderes Sol-Gel-Schleifkorn, und dergleichen ein. Beispiele geeigneter Verdünnungsmittelteilchen schließen Marmor, Gips, Feuerstein, Siliciumdioxid, Eisenoxid, Aluminiumsilikat, Glas und Verdünnungsmittelagglomerate ein. Schleifkorn gemäß der vorliegenden Erfindung kann ebenfalls in oder mit Schleifagglomeraten vereinigt werden. Ein Beispiel für ein Schleifagglomerat wird in U.S.-Patent-Nrn. 4,311,489 (Kressner), 4,652,275 (Bloecher et al.) und 4,799,939 (Bloecher et al.) beschrieben.
Einige Ausführungsformen und bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den folgenden Punkten zusammengefasst:

1. Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis, umfassend mindestens 0,1 Gew.-% SiO₂, im Bereich von 1 bis 14 Gew.-% ZrO₂ und mindestens 0,1 Gew.-% MgO, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns, wobei das α-Aluminiumoxid des Schleifkorns eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 1 Mikrometer aufweist und wobei das ZrO₂, das als kristallines Zirkoniumdioxid vorliegt, eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 0,25 Mikrometer aufweist.
2. Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Punkt 1, wobei das Al₂O₃ im Bereich von 55 bis 93 Gew.-% vorliegt, das MgO im Bereich von 3 bis 7 Gew.-% vorliegt, das SiO₂ im Bereich von 0,1 bis 3 Gew.-% vorliegt und das ZrO₂ im Bereich von 1 bis 7 Gew.-% vorliegt, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns.
3. Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Punkt 2, welches eine Dichte aufweist, die mindestens 95% der theoretischen Dichte ist.
4. Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Punkt 3, wobei das α-Aluminiumoxid des Schleifkorns eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 0,8 Mikrometer aufweist.
5. Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Punkt 2, wobei das α-Aluminiumoxid des Schleifkorns eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 0,6 Mikrometer aufweist.
6. Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Punkt 2, wobei das α-Aluminiumoxid des Schleifkorns eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 0,5 Mikrometer aufweist.
7. Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Punkt 6, welches eine Dichte aufweist, die mindestens 95% der theoretischen Dichte ist.
8. Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Punkt 2, wobei das α-Aluminiumoxid des Schleifkorns eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 0,3 Mikrometer aufweist.
9. Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Punkt 8, welches eine Dichte aufweist, die mindestens 95% der theoretischen Dichte ist.
10. Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Punkt 2, welches eine Dichte aufweist, die mindestens 97% der theoretischen Dichte ist.
11. Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Punkt 10, wobei das α-Aluminiumoxid des Schleifkorns eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 0,3 Mikrometer aufweist.
12. Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Punkt 2, wobei mindestens ein Großteil das α-Aluminiumoxid mit einem Keimbildner durch Keime gebildet wurde.
13. Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Punkt 12, wobei der Keimbildner α-Fe₂O₃ ist.
14. Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Punkt 12, wobei der Keimbildner α-Fe₂O₃ ist, und auf einer theoretischen Metalloxid-Basis, im Bereich von 0,1 bis 10 Gew.-%, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns, vorliegt.
15. Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Punkt 12, wobei der Keimbildner α-Fe₂O₃ ist, und auf einer theoretischen Metalloxid-Basis, im Bereich von 1 bis 3 Gew.-%, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns, vorliegt.
16. Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Punkt 2, welches weiterhin ein Metalloxid, ausgewählt aus: Lithiumoxid, Manganoxid, Chromoxid, Praseodymoxid, Dysprosiumoxid, Samariumoxid, Cobaltoxid, Zinkoxid, Neodymoxid, Yttriumoxid, Ytterbiumoxid, Nickeloxid, Titanoxid, Lanthanoxid, Gadoliniumoxid, Dysprosiumoxid, Europiumoxid, Eisenoxid, Hafniumoxid, Erbiumoxid und Kombinationen davon, umfasst.
17. Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Punkt 1, welches das SiO₂ im Bereich von 1 bis 3 Gew.-% umfasst, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns.
18. Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Punkt 1, welches das ZrO₂ im Bereich von 1 bis 7 Gew.-% umfasst, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns.
19. Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Punkt 1, umfassend im Bereich von 1 bis 3 Gew.-% SiO₂, im Bereich von 1 bis 7 Gew.-% ZrO₂, und im Bereich von 3 bis 7 Gew.-% MgO, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns.
20. Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Punkt 1, umfassend im Bereich von 1 bis 3 Gew.-% SiO₂, und im Bereich von 1 bis 14 Gew.-% ZrO₂, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns.
21. Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Punkt 1, umfassend im Bereich von 1 bis 3 Gew.-% SiO₂, und im Bereich von 1 bis 7 Gew.-% ZrO₂, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns.
22. Schleifgegenstand, einschließend: ein Bindemittel; und eine Mehrzahl von Schleifkörnern gemäß Anspruch 1, die in dem Schleifgegenstand durch das Bindemittel befestigt sind.
23. Schleifgegenstand gemäß Punkt 22, wobei der Schleifgegenstand eine Schleifscheibe ist.
24. Schleifgegenstand mit überzogenem Schleifmittel, umfassend: ein Trägermaterial mit einer Hauptoberfläche; und eine Schleifschicht, umfassend eine Mehrzahl von Schleifkörnern gemäß Punkt 1, die an der Hauptoberfläche des Trägermaterials durch das Bindemittel befestigt sind.
25. Verfahren zur Herstellung eines keramischen Schleifkorns auf α-Aluminiumoxid-Basis, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen einer Dispersion durch Vereinen von Komponenten, umfassend ein flüssiges Medium, ein Peptisierungsmittel, eine Magnesiumoxidquelle, eine Siliciumdioxidquelle, eine Zirkoniumdioxidquelle und eine Aluminiumoxidquelle; Umwandeln der Dispersion zu teilchenförmigem keramischem Vorstufenmaterial des Schleifkorns auf α-Aluminiumoxid-Basis und Sintern des Vorstufenmaterials, um ein gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis bereitzustellen, umfassend mindestens 0,1 Gew.-% SiO₂, im Bereich von 1 bis 14 Gew.-% ZrO₂, und mindestens 0,1 Gew.-% MgO, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns, wobei das α-Aluminiumoxid des Schleifkorns eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 1 Mikrometer aufweist und wobei das ZrO₂, das als kristallines Zirkoniumdioxid vorliegt, eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 0,25 Mikrometer aufweist.
26. Verfahren gemäß Punkt 25, wobei die Aluminiumoxidquelle Boehmit einschließt.
27. Verfahren gemäß Punkt 24, wobei das Verfahren zwischen dem Umwandeln und dem Sintern weiterhin umfasst: (i) Imprägnieren des Vorstufenmaterials mit einem Gemisch, hergestellt durch Vereinen von Komponenten, umfassend ein zweites flüssiges Medium und mindestens ein Metalloxid oder eine Metalloxidvorstufe, um ein imprägniertes Vorstufenmaterial bereitzustellen; (ii) Trocknen des imprägnierten Vorstufenmaterials und (iii) Kalzinieren des getrockneten, imprägnierten Vorstufenmaterials.
28. Verfahren gemäß Punkt 26, wobei Sintern unterhalb von 1400°C durchgeführt wird.
29. Verfahren gemäß Punkt 26, wobei gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis eine Dichte aufweist, welche mindestens 95% der theoretischen Dichte ist.
30. Verfahren gemäß Punkt 28, wobei gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis eine Dichte aufweist, welche mindestens 97% der theoretischen Dichte ist.
31. Verfahren gemäß Punkt 26, wobei die Zirkoniumdioxidquelle Zirkoniumsalz einschließt.
32. Verfahren gemäß Punkt 26, wobei die Zirkoniumdioxidquelle Zirkonium-Sol einschließt.
33. Verfahren gemäß Punkt 26, wobei die Siliciumdioxidquelle Siliciumdioxid-Sol einschließt.
34. Verfahren gemäß Punkt 26, wobei die Komponenten zum Herstellen der Dispersion weiter keimbildendes Material umfassen, und wobei mindestens eine Mehrheit des α-Aluminiumoxids des Schleifkorns mit einem Keimbildner gebildet wurde.
35. Verfahren gemäß Punkt 26, wobei das gesinterte Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis im Bereich von 1 bis 3 Gew.-% SiO₂, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns, umfasst.
36. Verfahren gemäß Punkt 26, wobei das gesinterte Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis im Bereich von 1 bis 7 Gew.-% ZrO₂, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns, umfasst.
37. Verfahren gemäß Punkt 26, wobei das gesinterte Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis im Bereich von 1 bis 3 Gew.-% SiO₂, im Bereich von 1 bis 7 Gew.-% ZrO₂ und im Bereich von 3 bis 7 Gew.-% MgO, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns, umfasst.
38. Verfahren gemäß Punkt 26, wobei das gesinterte Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis im Bereich von 1 bis 3 Gew.-% SiO₂ und im Bereich von 1 bis 14 Gew.-% ZrO₂, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns, umfasst.
39. Verfahren gemäß Punkt 26, wobei das gesinterte Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis, im Bereich von 1 bis 3 Gew.-% SiO₂ und im Bereich von 1 bis 7 Gew.-% ZrO₂, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns, umfasst.
40. Verfahren zur Herstellung eines Schleifgegenstandes, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen einer Dispersion durch Vereinen von Komponenten, umfassend ein flüssiges Medium, ein Peptisierungsmittel, eine Magnesiumoxidquelle, eine Siliciumdioxidquelle, eine Zirkoniumdioxidquelle und eine Aluminiumoxidquelle; Umwandeln der Dispersion zu teilchenförmigem keramischem Vorstufenmaterial des Schleifkorns auf α-Aluminiumoxid-Basis; Sintern des Vorstufenmaterials, um ein gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis bereitzustellen, umfassend mindestens 0,1 Gew.-% SiO₂, im Bereich von 1 bis 14 Gew.-% ZrO₂, und mindestens 0,1 Gew.-% MgO, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns, wobei das α-Aluminiumoxid des Schleifkorns eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 1 Mikrometer aufweist, und wobei das ZrO₂, das als kristallines Zirkoniumdioxid vorliegt, eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 0,25 Mikrometer aufweist; und Vereinigen mindestens einer Mehrzahl der keramischen Schleifkörner auf α-Aluminiumoxid-Basis mit Bindemittel, um einen Schleifgegenstand bereitzustellen.
41. Verfahren gemäß Punkt 40, wobei die Aluminiumoxidquelle Boehmit einschließt.
42. Verfahren gemäß Punkt 41, wobei der Schleifgegenstand ein beschichteter Schleifgegenstand ist, der ein Trägermaterial einschließt.
43. Verfahren gemäß Punkt 41, wobei Vereinen mindestens einer Mehrzahl von keramischen Schleifkörnern auf α-Aluminiumoxid-Basis mit einem Bindemittel ein Vereinen von geschmolzenen Aluminiumoxidschleifkörnern mit dem Bindemittel einschließt.
44. Verfahren gemäß Punkt 26, wobei das gesinterte Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis im Bereich von 1 bis 3 Gew.-% SiO₂, im Bereich von 1 bis 7 Gew.-% ZrO₂ und im Bereich von 3 bis 7 Gew.-% MgO, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns, umfasst.
45. Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Schleifkorns auf α-Aluminiumoxid-Basis, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen einer Dispersion durch Vereinen von Komponenten, umfassend ein erstes flüssiges Medium, ein Peptisierungsmittel, eine Siliciumdioxidquelle und eine Aluminiumoxidquelle; Umwandeln der Dispersion zu teilchenförmigem keramischem Vorstufenmaterial des Schleifkorns auf α-Aluminiumoxid-Basis; Imprägnieren des Vorstufenmaterials mit einer Zusammensetzung, umfassend ein Gemisch, welches ein zweites flüssiges Medium umfasst; und Sintern des imprägnierten Vorstufenmaterials, um ein gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis bereitzustellen, umfassend mindestens 0,1 Gew.-% SiO₂, im Bereich von 1 bis 14 Gew.-% ZrO₂, und mindestens 0,1 Gew.-% MgO, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns, wobei das α-Aluminiumoxid des Schleifkorns eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 1 Mikrometer aufweist und wobei das ZrO₂, das als kristallines Zirkoniumdioxid vorliegt, eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 0,25 Mikrometer aufweist, wobei mindestens eines von mindestens einer (a) der Komponenten zur Herstellung der Dispersion oder (b) des Gemischs eine Magnesiumoxidquelle einschließt und wobei mindestens eines von mindestens einer (a) der Komponenten zur Herstellung der Dispersion oder (b) des Gemischs eine Zirkoniumdioxidquelle einschließt.
46. Verfahren gemäß Punkt 42, wobei die Aluminiumoxidquelle Boehmit einschließt.
47. Verfahren zum Abschleifen einer Oberfläche, umfassend: in Kontakt bringen einer Mehrzahl der Schleifkörner mit einer Substratoberfläche mit einem Kontaktdruck von mindestens 1 kg/cm², wobei mindestens ein Teil der Schleifkörner gesinterte Schleifkörner auf α-Aluminiumoxid-Basis sind, umfassend mindestens 0,1 Gew.-% SiO₂, im Bereich von 1 bis 14 Gew.-% ZrO₂, und mindestens 0,1 Gew.-% MgO, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns, wobei das α-Aluminiumoxid des Schleifkorns eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 1 Mikrometer aufweist und wobei das ZrO₂, das als kristallines Zirkoniumdioxid vorliegt, eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 0,25 Mikrometer aufweist; und Bewegen von mindestens einem, die Mehrzahl der Schleifkörner oder die Oberfläche, relativ zu dem anderen, um mindestens einen Teil der Oberfläche mit den Schleifkörnern abzuschleifen.
48. Verfahren gemäß Punkt 47, wobei mindestens 75 Gew.-% des Schleifkorns gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis ist.
49. Verfahren gemäß Punkt 47, wobei das gesinterte Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis im Bereich von 1 bis 3 Gew.-% SiO₂, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns, umfasst.
50. Verfahren gemäß Punkt 47, wobei das gesinterte Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis im Bereich von 1 bis 7 Gew.-% ZrO₂, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns, umfasst.
51. Verfahren gemäß Punkt 47, wobei das gesinterte Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis im Bereich von 1 bis 3 Gew.-% SiO₂, im Bereich von 1 bis 7 Gew.-% ZrO₂ und im Bereich von 3 bis 7 Gew.-% MgO, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns, umfasst.
52. Verfahren gemäß Punkt 47, wobei das gesinterte Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis im Bereich von 1 bis 3 Gew.-% SiO₂ und im Bereich von 1 bis 14 Gew.-% ZrO₂, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns, umfasst.
53. Verfahren gemäß Punkt 47, wobei das gesinterte Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis im Bereich von 1 bis 3 Gew.-% SiO₂ und im Bereich von 1 bis 7 Gew.-% ZrO₂, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehlt des Schleifkorns, umfasst.

Beispiele
Diese Erfindung wird weiter durch die folgenden Beispiele veranschaulicht, aber die besonderen Materialien und Mengen davon, die in diesen Beispielen vorgetragen sind, ebenso wie andere Bedingungen und Details, sollten nicht so ausgelegt werden, dass sie diese Erfindung ungebührlich begrenzen. Verschiedene Abwandlungen und Veränderungen der Erfindung werden Fachleuten ersichtlich werden. Alle Teile und Prozentwerte sind auf das Gewicht bezogen, sofern nichts anderes angegeben ist.
Jede Bezugnahme auf die Feststoffprozentwerte der in den folgenden Beispielen verwendeten Dispersion sind ungefähre Feststoffwerte, da sie weder die allgemein an der Oberfläche von Boehmit gefundenen 2–6% Wasser noch die durch alle Nicht-Boehmit-Zusatzstoffe bereitgestellten Feststoffe berücksichtigen.

Die folgenden Bezeichnungen werden in den Beispielen verwendet:

AAMH	α-Aluminiumoxidmonohydrat (Boehmit) (erhalten von Condea Chemie,
	Hamburg, Deutschland, unter der Handelsbezeichnung "DISPERAL");
	Dispersionsvermögenswert: 99,0%
DWT	entionisiertes Wasser auf einer Temperatur von 60–65°C, sofern nichts anderes
	angegeben ist
HNO₃	Salpetersäure, 70% konzentriert
IO	Eisenoxidhydroxid (α-FeOOH), wässrige Dispersion (pH-Wert = 5,0–5,5),
	wobei davon 90–95% Goethit ist, nadelförmige Teilchen mit einer
	durchschnittlichen Teilchengröße von etwa 0,05 bis 0,1 μm, ein Länge zu
	Durchmesser oder Breitenverhältnis von etwa 1:1 bis 3:1, und eine Oberfläche
	von etwa 100 m²/g; die Dispersion erbringt 3 bis 7 Gew.-% Fe₂O₃
CS	kolloidales Siliciumdioxid, 30 Gew.-% Feststoffe (erhalten von Nyacol
	Products, Inc. aus Ashland, MA unter der Handelsbezeichnung "NYACOL
	830"); durchschnittliche Teilchengröße 8–10 nm
MGN	Lösung von Magnesiumnitrat (von Mallinckrodt Chemical, Paris, KY) in
	Wasser, enthaltend 10,5% MgO, bezogen auf ein theoretisches Metalloxid
ZRN	Zirkonylacetat-Lösung (~ 22% ZRN₂, bezogen auf ein theoretisches
	Metalloxid; erhalten von Magnesium Electron, Inc. aus Flemington, NJ)

Beispiel 1
Eine Dispersion wurde durch Zusammenmischen von 600 g AAMH, 20,5 g ZRN, 15 g CS, 36 g HNO₃, 100 g IO mit 6,5% Eisenoxid (berechnet bezogen auf ein theoretisches Metalloxid als Fe₂O₃), und 1.650 g DWT in einem herkömmlichen 4-l-Mischer in Lebensmittelqualität (Waring-Mischer erhältlich von Waring Products Division, Dynamics Corp. of America, New Hartford, CT; Modell 34BL22(CB6)). Das DWT, HNO₃, ZRO₂, CS, und IO wurden in den Mischer eingebracht und gemischt. Das AAMH wurde dann zugegeben und der Inhalt wurde bei einer niedrigen Geschwindigkeitseinstellung für 60 sec. gemischt.
Die so erhaltene Dispersion wurde auf Glastabletts (erhalten unter der Handelsbezeichnung "PYREX") überführt und man ließ sie bei Raumtemperatur gelieren. Die gelierte Dispersion wurde dann über Nacht bei ungefähr 93°C (200°F) getrocknet, um getrocknetes, bröckeliges, festes Material bereitzustellen. Das getrocknete Material wurde unter Verwendung einer Mühle (mit einer 1,1 mm breiten Spalte zwischen den Stahlplatten; erhalten unter der Handelbezeichnung "BRAUN" Typ UD von Braun Corp., Los Angeles, CA) gebrochen, um Vorstufenschleifkorn(teilchen) bereitzustellen. Das gebrochene Material wurde gesiebt, um die Teilchen zurückzuhalten, deren Größe zwischen etwa 0,25 bis 1 mm betrug.
Die zurückbehaltenen Teilchen wurden in einen rotierenden Kalzinierofen eingespeist, um kalziniertes Vorstufenmaterial des Schleifkorns bereitzustellen. Der Kalzinierofen bestand aus einer Edelstahlröhre mit 15 cm innerem Durchmesser, 1,2 m Länge und wies eine 0,3 m Strahlungszone auf. Die Röhre war um einen Winkel von 3,0 Grad in Bezug auf die Horizontale geneigt. Die Röhre drehte sich mit etwa 3,5 U/min., um eine Verweilzeit in der Röhre von etwa 4–5 min. bereitzustellen. Die Temperatur der Strahlungszone betrug etwa 650°C.
Das kalzinierte Korn wurde mit MGN imprägniert, getrocknet und erneut kalziniert. Jeweils 100 g der kalzinierten Vorstufe wurden mit 30 g MGN, welches vor der Imprägnierung auf 60 ml verdünnt wurde, gemischt. Die imprägnierte, kalzinierte Vorstufe des Schleifkorns wurde in einen rotierenden Sinterofen eingespeist. Der Sinterofen bestand aus einer 1,32 m langen Siliciumcarbidröhre mit 8,9 cm innerem Durchmesser, die um 4,4 Grad in Bezug auf die Horizontale geneigt war und eine 31 cm Strahlungszone aufwies. Die Wärme wurde extern über SiC-Elektroheizelemente angelegt. Der Sinterofen drehte sich mit etwa 2 U/min., um eine Verweilzeit in der Röhre von etwa 15 min. bereitzustellen. Die Sintertemperatur betrug etwa 1375°C. Das Produkt verließ den Ofen in Luft auf Raumtemperatur, wo es in einem Metallbehälter gesammelt wurde und man es auf Raumtemperatur abkühlen ließ. Die Zusammensetzung des gesinterten Schleifkorns, bezogen auf die zum Herstellen des Korns verwendete Formulierung, war bezogen auf ein theoretisches Metalloxid, 93,5 Gew.-% Al₂O₃, 1 Gew.-% ZrO₂, 3 Gew.-% MgO, 1 Gew.-% SiO₂, und 1,5 Gew.-% Fe₂O₃, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des gesinterten Schleifkorns.
Das gesinterte keramische Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis wurde auf ein 1:1-Gemisch von –35+40- und X10+45-Maschenfraktionen (U.S.A. Standardprüfsiebe) klassiert.
Dieses zurückbehaltene Schleifkorn wurde in Schleifscheiben mit überzogenem Schleifmittel eingebracht, welche auf ihre Schleifleistung geprüft wurden. Die Schleifscheiben mit überzogenem Schleifmittel wurden gemäß herkömmlichen Verfahren hergestellt. Das Schleifkorn wurde auf 17,8 cm durchmessende, 0,8 mm starke, vulkanisierte Faserträgermaterialien (mit einem zentralen 2,2 cm durchmessenden Loch) unter Verwendung eines herkömmlichen Calciumcarbonat-gefüllten phenolischen Bindemittelharz (48% phenolisches Resolharz, 52% Calciumcarbonat, verdünnt auf 81% Feststoffe mit Wasser) und eines herkömmlichen Kryolith-gefüllten phenolischen Deckharzes (32% phenolisches Resolharz, 2% Eisenoxid, 66% Kryolith, verdünnt auf 78% Feststoffe mit Wasser) gebunden. Das Gewicht des feuchten Bindemittelharzes betrug etwa 185 g/m². Unmittelbar nachdem das Bindemittelharz aufgebracht worden war, wurde das Schleifkorn elektrostatisch beschichtet. Das Bindemittelharz wurde für 90 min. bei 88°C vorgehärtet. Das Feuchtgewicht betrug etwa 850 g/m². Das Bindemittelharz wurde für 90 min. bei 88°C vorgehärtet, gefolgt von abschließendem Härten für 10 h bei 100°C. Die Faserscheiben wurden vor dem Prüfen gebogen.
Vergleichsbeispiel A
Schleifscheiben mit überzogenem Schleifmittel des Vergleichsbeispiels A wurden hergestellt, wie für Beispiel 1 beschrieben, außer dass (a) kein ZRN oder CS verwendet wurde, (b) die Menge an MGN um 50% erhöht wurde, (c) die Menge an AAMH um 0,5% verringert wurde, und (d) dass Schleifkorn bei 1350°C gesintert wurde. Die Zusammensetzung des gesinterten Schleifkorns, bezogen auf die zum Herstellen des Korns verwendete Formulierung, war bezogen auf ein theoretisches Metalloxid, 94 Gew.-% Al₂O₃, 4,5 Gew.-% MgO, und 1,5 Gew.-% Fe₂O₃, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des gesinterten Schleifkorns.
Beispiel 2
Schleifscheiben mit überzogenem Schleifmittel des Beispiels 2 wurden hergestellt, wie für Beispiel 1 beschrieben, außer dass (a) die Menge an ZRN um 600% erhöht wurde, und (b) die Menge an AAMH um 6,4% verringert wurde. Die Zusammensetzung des gesinterten Schleifkorns, bezogen auf die zum Herstellen des Korns verwendete Formulierung, war bezogen auf ein theoretisches Metalloxid, 87,5 Gew.-% Al₂O₃, 7 Gew.-% ZrO₂, 3 Gew.-% MgO, 1 Gew.-% SiO₂, und 1,5 Gew.-% Fe₂O₃, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des gesinterten Schleifkorns.
Beispiel 3
Schleifscheiben mit überzogenem Schleifmittel des Beispiels 3 wurden hergestellt, wie für Beispiel 1 beschrieben, außer dass (a) die Menge an MGN um 133% erhöht wurde, und (b) die Menge an AAMH um 5,3% verringert wurde. Die Zusammensetzung des gesinterten Schleifkorns, bezogen auf die zum Herstellen des Korns verwendete Formulierung, war bezogen auf ein theoretisches Metalloxid, 88,5 Gew.-% Al₂O₃, 1 Gew.-% ZrO₂, 7 Gew.-% MgO, 1 Gew.-% SiO₂, und 1,5 Gew.-% Fe₂O₃, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des gesinterten Schleifkorns.
Beispiel 4
Schleifscheiben mit überzogenem Schleifmittel des Beispiels 4 wurden hergestellt, wie für Beispiel 1 beschrieben, außer dass (a) die Menge an ZRN um 600% erhöht wurde, (b) die Menge an MGN um 133% erhöht wurde, und (c) die Menge an AAMH um 10,7% verringert wurde. Die Zusammensetzung des gesinterten Schleifkorns, bezogen auf die zum Herstellen des Korns verwendete Formulierung, war bezogen auf ein theoretisches Metalloxid, 83,5 Gew.-% Al₂O₃, 7 Gew.-% ZrO₂, 7 Gew.-% MgO, 1 Gew.-% SiO₂, und 1,5 Gew.-% Fe₂O₃, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des gesinterten Schleifkorns.
Eine Bruchfläche eines Schleifkorns des Beispiels 4 wurde unter Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (SEM) untersucht. 7 ist eine Mikroaufnahme einer Bruchfläche von Schleifkorn des Beispiels 6, welche die aus α-Aluminiumoxidkristalliten und Magnesiumspinellkristalliten bestehenden Matrixkristallite zeigt. Es wurde beobachtet, dass die durchschnittliche Größe der α-Aluminiumoxidkristallite weniger als ein μm betrug. Weiter wurde Schleifkorn des Beispiels 4 montiert und mit einem herkömmlichen Poliermittel (erhalten von Buehler aus Lake Bluff, IL unter der Handelsbezeichnung "ECOMET 3 TYPE POLISHER-GRINDER") poliert. Die Probe wurde für etwa 3 min. mit einer Diamantscheibe poliert, gefolgt von jeweils 3 min. Polieren mit 45, 30, 15, 9, 3, und 1 μm Diamantaufschlämmungen. Die polierte Probe wurde unter Verwendung eines SEM im Rückstrahlmodus untersucht. 8 ist eine Mikroaufnahme eines polierten Ausschnitts von Schleifkorn des Beispiels 6 im Rückstrahlmodus, welche Zirkoniumdioxidkristallite 63 zeigt. Es wurde beobachtet, dass die durchschnittliche Größe der Zirkoniumdioxidkristallite weniger als 0,25 μm betrug. Zusätzlich zeigte die SEM-Analyse, dass die Mikrostruktur dicht und einheitlich war.
Beispiel 5
Schleifscheiben mit überzogenem Schleifmittel des Beispiels 5 wurde hergestellt, wie für Beispiel 1 beschrieben, außer dass (a) die Menge an CS um 200% erhöht wurde, und (b) die Menge an AAMH um 2,1% verringert wurde. Die Zusammensetzung des gesinterten Schleifkorns, bezogen auf die zum Herstellen des Korns verwendete Formulierung, war bezogen auf ein theoretisches Metalloxid, 91,5 Gew.-% Al₂O₃, 1 Gew.-% ZrO₂, 3 Gew.-% MgO, 3 Gew.-% SiO₂, und 1,5 Gew.-% Fe₂O₃, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des gesinterten Schleifkorns.
Beispiel 6
Schleifscheiben mit überzogenem Schleifmittel des Beispiels 6 wurden hergestellt, wie für Beispiel 1 beschrieben, außer dass (a) die Menge an ZRN um 600% erhöht wurde, (b) die Menge an CS um 200% erhöht wurde, und (c) die Menge an AAMH um 8,6% verringert wurde. Die Zusammensetzung des gesinterten Schleifkorns, bezogen auf die zur Herstellung des Korns verwendete Formulierung, war bezogen auf ein theoretisches Metalloxid, 85,5 Gew.-% Al₂O₃, 7 Gew.-% ZrO₂, 3 Gew.-% MgO, 3 Gew.-% SiO₂, und 1,5 Gew.-% Fe₂O₃, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des gesinterten Schleifkorns.
Beispiel 7
Schleifscheiben mit überzogenem Schleifmittel des Beispiels 7 wurden hergestellt, wie für Beispiel 1 beschrieben, außer dass (a) die Menge an CS um 200% erhöht wurde, (b) die Menge an MGN um 133% erhöht wurde, und (c) die Menge an AAMH um 6,4% verringert wurde. Die Zusammensetzung des gesinterten Schleifkorns, bezogen auf die zum Herstellen des Korns verwendete Formulierung, war bezogen auf ein theoretisches Metalloxid, 87,5 Gew.-% Al₂O₃, 1 Gew.-% ZrO₂, 7 Gew.-% MgO, 3 Gew.-% SiO₂, und 1,5 Gew.-% Fe₂O₃, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des gesinterten Schleifkorns.
Beispiel 8
Schleifscheiben mit überzogenem Schleifmittel des Beispiels 8 wurden hergestellt, wie für Beispiel 1 beschrieben, außer dass (a) die Menge an ZRN um 600% erhöht wurde, (b) die Menge an MGN um 133% erhöht wurde, (c) die Menge an CS um 200% erhöht wurde, und (d) die Menge an AAMH um 12,8% verringert wurde. Die Zusammensetzung des gesinterten Schleifkorns, bezogen auf die zum Herstellen des Korns verwendete Formulierung, war bezogen auf ein theoretisches Metalloxid, 81,5 Gew.-% Al₂O₃, 7 Gew.-% ZrO₂, 7 Gew.-% MgO, 3 Gew.-% SiO₂, und 1,5 Gew.-% Fe₂O₃, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des gesinterten Schleifkorns.
Bewertung der Schleifleistung der Beispiele 1–8 und des Vergleichsbeispiels A
Die Schleifleistung der Schleifscheiben mit überzogenem Schleifmittel der Beispiele 1–8 und des Vergleichsbeispiels A wurde gemäß dem folgenden Prüfverfahren bewertet. Jede Schleifscheibe mit überzogenem Schleifmittel wurde auf einer abgeschrägten Aluminiumsicherungsplatte montiert und zum Schleifen der Fläche eines vorgewogenen 1,25 cm × 18 cm × 10 cm 4150-Stahlwerkstücks verwendet. Die Scheibe wurde mit 5.000 U/min. angetrieben, während der die abgeschrägte Ecke der Sicherungsplatte überlagernde Teil der Scheibe das Werkstück mit einer Belastung von 7,7 kg berührte. Jede Scheibe wurde verwendet, um ein einzelnes Werkstück in Folge für einminütige Intervalle zu schleifen. Der Gesamtabtrag war die Summe des von den Werkstücken in 10 einminütigen Intervallen entfernten Materials. Zwei Scheiben wurden für jedes Beispiel geprüft. Der durchschnittliche Gesamtabtrag ist nachstehend für jedes Beispiel in Tabelle 1 angezeigt.
Tabelle 1
Die Schleifleistung der Schleifscheiben mit überzogenem Schleifmittel der Beispiele 1–8 und des Vergleichsbeispiels A wurde unter Verwendung derselben Schleifprüfung bewertet, außer dass die Belastung 5,9 kg betrug. Zwei Scheiben wurden für jedes Beispiel geprüft. Der durchschnittliche Gesamtabtrag ist nachstehend für jedes Beispiel in Tabelle 2 angezeigt.
Tabelle 2
Die Schleifleistung der Schleifscheiben mit überzogenem Schleifmittel der Beispiele 1, 3 und 4 und des Vergleichsbeispiels A wurden ebenfalls mit derselben, für die in Tabelle 2 angezeigten Ergebnisse beschriebenen Schleifprüfung bewertet, außer dass fünfzehn einminütige Intervalle anstelle von zehn einminütigen Intervallen verwendet wurden. Zwei Scheiben wurden für jedes Beispiel geprüft. Der durchschnittliche Gesamtabtrag ist nachstehend für jedes Beispiel in Tabelle 3 angezeigt.
Tabelle 3
Die Schleifleistung der Schleifscheiben mit überzogenem Schleifmittel der Beispiele 1, 3 und 4 und des Vergleichsbeispiels A wurden ebenfalls unter Verwendung derselben, für die in Tabelle 1 angezeigten Ergebnisse beschriebenen Schleifprüfung bewertet, außer dass die Werkstücke aus 1018-Weichstahl bestanden. Zwei Scheiben wurden für jedes Beispiel geprüft. Der durchschnittliche Gesamtabtrag ist nachstehend für jedes Beispiel in Tabelle 4 angezeigt.
Tabelle 4
Verschiedene Abwandlungen und Veränderungen dieser Erfindung werden Fachleuten ersichtlich werden, ohne vom Umfang und Wesen dieser Erfindung abzuweichen, und es sollte selbstverständlich sein, dass diese Erfindung durch die hier dargelegten veranschaulichenden Ausführungsformen nicht ungebührlich begrenzt wird.

Claims

Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis, umfassend mindestens 0,1 Gew.-% SiO₂, im Bereich von 1 bis 14 Gew.-% ZrO₂ und mindestens 0,1 Gew.-% MgO, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns, wobei das α-Aluminiumoxid des Schleifkorns eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 1 Mikrometer aufweist und wobei das ZrO₂, das als kristallines Zirkoniumdioxid vorliegt, eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 0,25 Mikrometer aufweist.
Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Anspruch 1, wobei das Al₂O₃ im Bereich von 55 bis 93 Gew.-% vorliegt, das MgO im Bereich von 3 bis 7 Gew.-% vorliegt, das SiO₂ im Bereich von 0,1 bis 3 Gew.-% vorliegt und das ZrO₂ im Bereich von 1 bis 7 Gew.-% vorliegt, bezogen auf den Metalloxidgesamtgehalt des Schleifkorns.
Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß Anspruch 1 oder 2, welches eine Dichte aufweist, die mindestens 95% der theoretischen Dichte ist.
Gesintertes, auf α-Aluminiumoxid basierendes Schleifkorn gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das α-Aluminiumoxid des Schleifkorns eine durchschnittliche Kristallitgröße von weniger als 0,8 Mikrometer aufweist.
Gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, welches weiterhin ein Metalloxid, ausgewählt aus: Lithiumoxid, Manganoxid, Chromoxid, Praseodymoxid, Dysprosiumoxid, Samariumoxid, Cobaltoxid, Zinkoxid, Neodymoxid, Yttriumoxid, Ytterbiumoxid, Nickeloxid, Titanoxid, Lanthanoxid, Gadoliniumoxid, Europiumoxid, Eisenoxid, Hafniumoxid, Erbiumoxid und Kombinationen davon, umfasst.
Schleifgegenstand, welcher einschließt: ein Bindemittel und eine Mehrzahl von Schleifkörnern gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, die in dem Schleifgegenstand durch das Bindemittel befestigt sind.
Verfahren zur Herstellung eines keramischen Schleifkorns auf α-Aluminiumoxid-Basis, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen einer Dispersion durch Vereinen von Komponenten, umfassend ein flüssiges Medium, ein Peptisierungsmittel, eine Magnesiumoxidquelle, eine Siliciumdioxidquelle, eine Zirkoniumdioxidquelle und eine Aluminiumoxidquelle; Umwandeln der Dispersion zu teilchenförmigem keramischem Vorstufenmaterial des Schleifkorns auf α-Aluminiumoxid-Basis und Sintern des Vorstufenmaterials, um ein gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 bereitzustellen.
Verfahren gemäß Anspruch 7, wobei das Verfahren zwischen dem Umwandeln und dem Sintern weiterhin umfasst: (i) Imprägnieren des Vorstufenmaterials mit einem Gemisch, hergestellt durch Vereinen von Komponenten, umfassend ein zweites flüssiges Medium und mindestens ein Metalloxid oder eine Metalloxidvorstufe, um ein imprägniertes Vorstufenmaterial bereitzustellen; (ii) Trocknen des imprägnierten Vorstufenmaterials und (iii) Kalzinieren des getrockneten, imprägnierten Vorstufenmaterials.
Verfahren zur Herstellung eines keramischen Schleifkorns auf α-Aluminiumoxid-Basis, wobei das Verfahren umfasst: Herstellen einer Dispersion durch Vereinen von Komponenten, umfassend ein erstes flüssiges Medium, ein Peptisierungsmittel, eine Siliciumdioxidquelle und eine Aluminiumoxidquelle; Umwandeln der Dispersion zu teilchenförmigem keramischem Vorstufenmaterial des Schleifkorns auf α-Aluminiumoxid-Basis; Imprägnieren des Vorstufenmaterials mit einer Zusammensetzung, umfassend ein Gemisch, welches ein zweites flüssiges Medium umfasst; und Sintern des imprägnierten Vorstufenmaterials, um ein gesintertes Schleifkorn auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß den Ansprüchen 1 bis 5 bereitzustellen, wobei mindestens eines von mindestens einer (a) der Komponenten zur Herstellung der Dispersion oder (b) des Gemischs eine Magnesiumoxidquelle einschließt und wobei mindestens eines von mindestens einer (a) der Komponenten zur Herstellung der Dispersion oder (b) des Gemischs eine Zirkoniumdioxidquelle einschließt.
Verfahren zum Abschleifen einer Oberfläche, umfassend: in Kontakt bringen einer Mehrzahl von Schleifkörnern mit einer Substratoberfläche mit einem Kontaktdruck von mindestens 1 kg/cm², wobei mindestens ein Teil der Schleifkörner gesinterte Schleifkörner auf α-Aluminiumoxid-Basis gemäß der Ansprüche 1 bis 5 sind; und Bewegen von mindestens einem, die Mehrzahl der Schleifkörner oder die Oberfläche, relativ zu dem anderen, um mindestens einen Teil der Oberfläche mit den Schleifkörnern abzuschleifen.