DE60125808T2

DE60125808T2 - Keramische aggregatteilchen

Info

Publication number: DE60125808T2
Application number: DE60125808T
Authority: DE
Inventors: James L. Saint Paul MCARDLE; Scott R. Saint Paul Culler; William P. Saint Paul WOOD
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2000-10-06
Filing date: 2001-10-05
Publication date: 2007-10-11
Anticipated expiration: 2021-10-06
Also published as: US20020066233A1; EP1332194A2; EP2264115B1; DE60125592D1; US20040221515A1; EP1770142A2; EP1770140A3; EP1356008B9; JP2004510675A; EP1770145B1; WO2002028802A2; EP1770141A2; US6881483B2; DE60125592T3; EP1356008B1; US6790126B2; EP2264115A1; EP1770144A3; EP1332194B1; WO2002028980A3

Description

Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen Anmeldungen mit den US-Seriennummern 60/238,844 und 60/238,826, eingereicht am 6. Oktober 2000, deren Offenbarungen durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft keramische Aggregatteilchen. Bei einer Ausführungsform betrifft die vorliegende Erfindung keramische Schleif-Aggregatteilchen, die ein keramisches Bindemittel und mehrere Schleifkörner umfassen.
Es gibt eine Vielfalt von keramischen Aggregatteilchen zur Verwendung in einer Vielfalt von Industriezweigen. Zum Beispiel können Katalysatorkügelchen, die bei der Hydrierung von Toluen und Heptan verwendet werden, in der Weise hergestellt werden, dass man eine Metalllegierung, ein Polymer mit hohem Molekulargewicht und optional einen Weichmacher (d. h. ein Übergangslösemittel) zu einem Gemisch kombiniert, das Gemisch formt, den Weichmacher extrahiert (zum Beispiel durch Lösemittelextraktion), das geformte Gemisch kalziniert, um das Polymer zu entfernen, und dann das geformte Gemisch zu Katalysatorkügelchen sintert. Weitere Informationen finden sich in den US-Patenten Nr. 4,895,994 (Cheng und Mitarbeiter) und Nr. 4,900,698 (Lundsager). In der Orthopädie- und der Dentalbranche stellt man hartkeramische Formkörper her, indem man einen keramischen Bindemittelvorläufer schmilzt, die Schmelze abkühlt und dann die abgekühlte Schmelze zu Keramikkörpern zerkleinert, die in synthetischen Knochen- und Dentalzusammensetzungen verwendet werden. Weitere Informationen finden sich im US-Patent Nr. 5,914,356 (Erbe). In der Schleifmittelindustrie können keramische Aggregatteilchen in der Weise hergestellt werden, dass man eine Zusammensetzung bildet, die einen keramischen Bindemittelvorläufer und einen zeitweiligen organischen Bindemittelvorläufer enthält, die Zusammensetzung in eine Form gibt, die Zusammensetzung in der Form erhitzt, so dass Formteilchen entstehen, und die Formteilchen sintert, um das organische Bindemittel abzubrennen und keramische Aggregatteilchen zu erhalten. Weitere Informationen finden sich im US-Patent Nr. 5,975,988 (Christianson). Zu weiteren Verwendungszwecken für keramische Aggregatteilchen gehören zum Beispiel Dachbeschichtungsgranalien, Filtrationsprodukte, Hartbeschichtungen, Granalienstrahlmedien, Trommelmühlenmedien, Bremsbeläge, rutsch- und verschleißfeste Beschichtungen, rückstrahlende Folien und Laminatverbundstrukturen.
US-5,282,875 betrifft einen keramisch gebundenen Schleifgegenstand wie zum Beispiel eine Schleifscheibe mit einer besseren G-Verhältnis-Schleifleistung als vergleichbare Räder, die Schleifkörner auf Solgel-Aluminiumoxid-Basis mit einer Dichte von weniger als 3,85 Gramm je Kubikzentimeter enthalten.
WO 96/10471 betrifft einen Schleifgegenstand auf einer Unterlage mit einer Schleifschicht, die ein Bondungssystem auf organischer Basis und mehrere Schleifagglomerate umfasst, die mit dem Bondungssystem angehaftet sind.
Es besteht nach wie vor Bedarf an neuen keramischen Aggregatteilchen, die weniger teuer in der Herstellung sind, die weniger Prozessfläche oder weniger Schritte als herkömmliche Techniken erfordern oder die keramische Aggregatteilchen darstellen, die ähnliche oder bessere Eigenschaften aufweisen als jene, die mittels herkömmlicher Techniken hergestellt wurden. Zum Beispiel können Techniken zum Herstellen von keramischen Aggregatteilchen, die keinen Formungsschritt erfordern, einen kostensenkenden Prozess bedeuten. Außerdem sind Techniken wünschenswert, die ohne die Verwendung von Lösemitteln (zum Beispiel Toluen oder Heptan) auskommen.
Es besteht auch Bedarf an der Bereitstellung von keramischen Aggregatteilchen, die relativ gleichbleibende Formen und Größen aufweisen, um Gegenständen, die mit solchen keramischen Aggregatteilchen hergestellt wurden, eine gleichmäßigere Produktleistung zu verleihen. Was zum Beispiel insbesondere Schleifgegenstände anbelangt, besteht nach wie vor Bedarf an Schleifteilchen, die Schleifoberflächen mit dauerhaft gleichbleibenden Materialabtragsraten ermöglichen, um vorzugsweise längere Standzeiten bei gleichmäßiger werkstückoberfläche zu erreichen.
Die vorliegende Erfindung stellt keramische Aggregatteilchen nach einem der Ansprüche 1 bis 14, einen Schleifgegenstand nach Anspruch 15, einen Schleifgegenstand auf einer Unterlage nach Anspruch 16, einen Vliesschleifgegenstand nach Anspruch 17 und einen Schleifgegenstand, der ein gebundener Schleifgegenstand ist, nach Anspruch 18 bereit. Bei einer Ausführungsform stellt die Erfindung keramische Schleif-Aggregatteilchen bereit.
Mit "eine Mehrheit" ist gemeint, dass mindestens 50 Prozent, bevorzugt etwa 90 Prozent, der Teilchen eine im Wesentlichen gleichmäßige Querschnittsform aufweisen.
Bei einer weiteren Ausführungsform stellt die Erfindung mehrere keramische Aggregatteilchen bereit, die mehrere Feststoffteilchen umfassen, die mit keramischem Bindemittel miteinander verbunden sind, wobei die keramischen Aggregatteilchen ein Verhältnis zwischen dem Volumen an keramischem Bindemittel und dem Volumen an Feststoffteilchen im Bereich von etwa 0,2 bis 2,0 aufweisen.
Keramische Aggregatteilchen der vorliegenden Erfindung können in Produkten wie zum Beispiel Schleifmittel, Dachbeschichtungsgranalien, Filtrationsprodukte, Hartbeschichtungen, Granalienstrahlmedien, Trommelmühlenmedien, Bremsbeläge, rutsch- und verschleißfeste Beschichtungen, synthetische Knochen, Dentalzusammensetzungen, rückstrahlende Folien und Laminatverbundstrukturen verwendet werden. Im Sinne des vorliegenden Textes meint das Wort "keramisch" anorganisches, nichtmetallisches Material, das eine kristalline Phase, eine nicht-kristalline Phase (zum Beispiel Glas) oder eine Kombination aus sowohl einer kristallinen als auch einer nicht-kristallinen Phase (zum Beispiel Porzellan, Glaskeramik) enthalten kann.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Schleifen einer Oberfläche bereit, wobei das Verfahren umfasst, ein keramisches Schleifaggregat gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Oberfläche eines Werkstücks in Kontakt zu bringen und das Aggregat oder die Oberfläche relativ zueinander zu bewegen, um mindestens einen Abschnitt der Oberfläche zu schleifen.
Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung Schleifaggregate bereit, die eine gute Schleifleistung (zum Beispiel lange Standzeit, hohe Materialabtragsraten, gleichbleibende Materialabtragsraten, gleichbleibende Oberflächenbeschaffenheit und dergleichen) sowohl bei Schleifprodukten auf einer Unterlage als auch bei gebundenem Schleifmaterial aufweisen. Überdies minimiert das vorliegende Verfahren zum Herstellen der keramischen Agglomerate der Erfindung die Vorratshaltung, die Fläche für Investitionsgüter, die Kosten für Investitionsgüter und weitere zugehörige Fertigungskosten. Die vorliegende Erfindung stellt Verfahren bereit, die relativ wenig Platz und dementsprechend relativ geringe Investitionsaufwendungen und Betriebskosten erfordern.
1 ist ein schematischer Seitenaufriss eines beispielhaften keramischen Aggregatteilchen s, das gemäß einem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
2 ist ein gedrucktes, digitalisiertes Bild eines beispielhaften keramischen Aggregatteilchen s, das gemäß einem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde.
3 ist eine schematische Seitenansicht, die eine Vorrichtung zum Herstellen der mehreren keramischen Aggregatteilchen der vorliegenden Erfindung veranschaulicht.
4 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts einer Vorrichtung zum Herstellen der mehreren keramischen Aggregatteilchen der vorliegenden Erfindung, wobei ein vorderer Abschnitt der Vorrichtung entfernt ist, um den Blick auf einen Abschnitt im Inneren der Vorrichtung freizugeben.
5 ist eine perspektivische Ansicht eines Abschnitts des Siebes, das in der in 4 gezeigten Vorrichtung verwendet wird.
6 ist eine fragmentarische schematische Querschnittsansicht eines Schleifgegenstandes auf einer Unterlage, der keramische Schleif-Aggregatteilchen gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.
7 ist eine perspektivische Ansicht eines gebundenen Schleifgegenstandes, der keramische Schleif-Aggregatteilchen gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.
8 ist eine vergrößerte schematische Ansicht eines Vliesschleifgegenstandes, der keramische Schleif-Aggregatteilchen gemäß der vorliegenden Erfindung enthält.
Keramische Bindemittel
Zu keramischen Bindemitteln gehören kristalline und/oder nicht-kristalline keramische Materialien. Zu brauchbaren kristallinen keramischen Bindemitteln gehören Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Titanoxid, Zirkondioxid, Aluminiumoxid-Zirkondioxid, Aluminiumsilikat, Magnesiumaluminat, Magnesiumsilikat, Borcarbid, Siliciumcarbid, Siliciumaluminiumoxynitrid, Titancarbid, Bornitrid, Siliciumnitrid, Siliciumoxynitrid, Aluminiumnitrid, Titanborid, Kalziumphosphat und Kombinationen dieser Materialien.
Brauchbare nicht-kristalline keramische Bindemittel sind nicht-schäumend, und zu ihnen gehören Quarzgut, Alkalisilikatglas, Erdalkalisilikatglas, Bleisilikatglas, Borsilikatglas, Aluminiumsilikatglas, Aluminiumphosphatglas und Kombinationen dieser Materialien.
Zu brauchbaren keramischen Bindemitteln, die Kombinationen von kristallinen und nicht-kristallinen keramischen Bindemitteln darstellen, gehören Lithiumaluminiumsilikatglaskeramik, Magnesiumaluminiumsilikatglaskeramik, Fluorglimmersilikatglaskeramik, Porzellan, Steingut, Steinzeug und Kombinationen dieser Materialien.
Feststoffteilchen
Vorzugsweise ist mindestens ein Teil der mehreren Feststoffteilchen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schleifkörnern, Füllmitteln, Schleifhilfsmitteln, Fasern, elektronisch aktiven Teilchen, Pigmenten und Kombinationen daraus. In der Regel sind die mehreren Feststoffteilchen so ausgewählt, dass sie sich beim Erhitzen nicht zersetzen. Die mehreren Feststoffteilchen haben eine mittlere Teilchengröße im Bereich von etwa 0,5 Mikrometern bis etwa 1500 Mikrometern. Bei einer weiteren Ausführungsform haben die mehreren Feststoffteilchen eine mittlere Teilchengröße im Bereich von etwa 10 Mikrometern bis etwa 1500 Mikrometern. Bei einer weiteren Ausführungsform, wo zum Beispiel das Feststoffteilchen ein Schleifkorn ist, haben die mehreren Feststoffteilchen eine mittlere Teilchengröße im Bereich von etwa 125 Mikrometern bis etwa 1500 Mikrometern. Bei einer weiteren Ausführungsform für andere Verwendungszwecke haben die mehreren Feststoffteilchen eine mittlere Teilchengröße im Bereich von etwa einem Mikrometer bis etwa 800 Mikrometern. Bei einer weiteren Ausführungsform haben die mehreren Feststoffteilchen eine mittlere Teilchengröße im Bereich von etwa einem Mikrometer bis etwa 400 Mikrometern. Die Größe der Feststoffteilchen meint die längste Abmessung eines einzelnen Feststoffteilchens von einem bestimmten Bezugspunkt aus.
Schleifkörner
Zu beispielhaften Schleifkörnern, die sich für die vorliegende Erfindung eignen, gehören Schleifteilchen aus Elektrokorund, Schleifteilchen aus keramischem Aluminiumoxid, Schleifteilchen aus weißem Elektrokorund, Schleifteilchen aus wärmebehandeltem Aluminiumoxid, Schleifteilchen aus braunem Elektrokorund, Schleifteilchen aus Siliciumdioxid, Schleifteilchen aus Siliciumcarbid, Schleifteilchen aus grünem Siliciumcarbid, Schleifteilchen aus Borcarbid, Schleifteilchen aus Titancarbid, Schleifteilchen aus Aluminiumoxid-Zirkondioxid, Schleifteilchen aus Diamant, Schleifteilchen aus Cerdioxid, Schleifteilchen aus kubischem Bornitrid, Schleifteilchen aus Granat oder Kombinationen daraus. Das keramische Aluminiumoxid wird vorzugsweise gemäß einem Solgelverfahren hergestellt, wie es zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 4,314,827, Nr. 4,744,802, Nr. 4,623,364, Nr. 4,770,671, Nr. 4,881,951, Nr. 5,011,508 und Nr. 5,213,591 beschrieben ist, oder mittels eines Verfahrens des Sinterns von wasserfreien Aluminiumoxid pulvern, wie es zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 5,593,467, Nr. 5,645,618 und Nr. 5,651,801 beschrieben ist, deren Offenbarungen durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden. Das keramische Schleifkorn umfasst alpha-Aluminiumoxid und optional einen Metalloxidmodifikator, wie zum Beispiel Magnesiumoxid, Zirkondioxid, Zinkoxid, Nickeloxid, Hafnium(IV)-oxid, Yttriumoxid, Siliciumdioxid, Eisenoxid, Titandioxid, Lanthanoxid, Cerdioxid, Neodynoxid und Kombinationen daraus. Das keramische Aluminiumoxid kann optional auch einen Keimbildner umfassen, wie zum Beispiel alpha-Aluminiumoxid, Eisenoxid, Eisenoxidvorläufer, Titandioxid, Dichromoxid oder Kombinationen daraus. Das keramische Aluminiumoxid kann auch eine Form haben, wie zum Beispiel jene, wie sie im US-Patent Nr. 5,201,916 und US-Patent Nr. 5,090,968 beschrieben ist, deren Offenbarungen durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden.
Es kann wünschenswert sein, dass keramisches Schleifaggregat gemäß der vorliegenden Erfindung mindestens zwei voneinander verschiedene Sorten von Schleifteilchen umfasst (d. h. eine erste, größere Sorte und eine zweite, kleinere Sorte). Ein Maß für die Größe einer Probe von klassierten Schleifteilchen ist die mittlere Teilchengröße oder D₅₀. Im Sinne des vorliegenden Textes ist die "mittlere Teilchengröße" oder "D₅₀" für eine Probe von Schleifteilchen identisch mit der Schleifteilchengröße (in der Regel als ein Durchmesser angegeben), wobei 50 % des Volumens der Probe Schleifteilchen umfasst, die kleiner als die mittlere Volumenteilchengröße sind. Im Sinne des vorliegenden Textes bezieht sich "Verhältnis der mittleren Teilchengröße" oder "D₅₀-Verhältnis" auf die mittlere Teilchengröße der größeren Sorte von Schleifteilchen in dem Schleifkornagglomerat, geteilt durch die mittlere Teilchengröße aller kleineren Sorten von Schleifteilchen in dem Schleifkornagglomerat. Zum Beispiel ist bei einem Schleifkornagglomerat gemäß der vorliegenden Erfindung, das eine erste und eine zweite Schleifteilchensorte mit mittleren Teilchengrößen von 100 Mikrometern bzw. 50 Mikrometern umfasst, das Verhältnis der mittleren Teilchengröße oder das D₅₀-Verhältnis gleich 2. Bei Schleifkornagglomeraten gemäß der vorliegenden Erfindung kann das Verhältnis der mittleren Teilchengröße zum Beispiel etwa 2 oder größer, etwa 3 oder größer, etwa 5 oder größer oder sogar etwa 7 oder größer sein. Es liegt auch im Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung, mehr als zwei Schleifteilchensorten in dem Schleifgegenstand zu haben. Zum Beispiel kann die Schleifteilchengrößenverteilung drei voneinander verschiedene Sorten von Schleifteilchen enthalten.
Es ist anzumerken, dass, obgleich das Verhältnis der mittleren Teilchengröße für jeweils zwei Sorten von Schleifteilchen etwa 2 oder größer sein kann, dies nicht ausschließt, Schleifteilchen der gleichen Größe in jeder Sorte zu haben. Da jede Schleifteilchensorte eine Verteilung von Schleifteilchengrößen umfasst, ist eine Überlappung der Verteilungen nicht ausgeschlossen. Zum Beispiel können eine Schleifmittelsorte mit einer D₅₀ von 30 Mikrometern und eine Schleifmittelsorte mit einer D₅₀ von 60 Mikrometern beide Schleifteilchen mit einer Größe von 45 Mikrometern enthalten. Mit größer werdendem D₅₀-Verhältnis wird der Bereich der Teilchengrößen, die beide Sorten gemeinsam haben, kleiner.
In der Regel umfasst keramisches Schleifaggregat gemäß der vorliegenden Erfindung, das zwei Sorten von Schleifteilchen enthält, etwa 10 Gewichts-% bis etwa 90 Gewichts-% der größeren Sorte von Schleifteilchen und etwa 90 % bis etwa 10 % der kleineren Sorte von Schleifteilchen. Bei einigen Ausführungsformen umfasst das Schleifkornagglomerat gemäß der vorliegenden Erfindung etwa 25 Gewichts-% bis etwa 75 Gewichts-% der größeren Sorte von Schleifteilchen und etwa 25 % bis etwa 75 Gewichts-% der kleineren Sorte von Schleifteilchen. Bei weiteren Ausführungsformen beträgt die grö ßere Sorte von Schleifteilchen etwa 60 Gewichts-% und die kleinere Sorte von Schleifteilchen etwa 40 Gewichts-%. Keramische Schleifaggregate gemäß der vorliegenden Erfindung, die mehr als zwei Sorten von Schleifteilchen umfassen, umfassen in der Regel etwa 10 Gewichts-% bis 50 Gewichts-% der größeren Sorte von Schleifteilchen und etwa 50 Gewichts-% bis etwa 90 Gewichts-% für alle kleineren Sorten von Schleifteilchen. Wenn zwei oder mehr der kleineren Schleifteilchensorten vorhanden sind, so können diese Sorten in gleichen oder ungleichen Mengen vorliegen.
Schleifkörner können auch eine Oberflächenbeschichtung haben. Eine Oberflächenbeschichtung kann die Adhäsion zwischen dem Schleifkorn und dem keramischen Bindemittel in den keramischen Schleifaggregatteilchen verbessern und/oder kann die Materialabtragscharakteristika des Schleifkorns ändern. Solche Oberflächenbeschichtungen sind in den US-Patenten Nr. 5,011,508, Nr. 1,910,444, Nr. 3,041,156, Nr. 5,009,675, Nr. 4,997,461, Nr. 5,213,591 und Nr. 5,042,991 beschrieben, deren Offenbarungen durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden. Ein Schleifkorn kann auch einen Haftvermittler auf seiner Oberfläche aufweisen, wie zum Beispiel einen Silan-Haftvermittler. Haftvermittler verbessern allgemein die Adhäsion zwischen einer Festkörperoberfläche, wie zum Beispiel Schleifkörner, und einem härtbaren Bindemittelvorläufer. Zu Beispielen für Haftvermittler, die sich für diese Erfindung eignen, gehören Organosilane, Zirkoaluminate und Titanate.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung haben Schleifkörner in der Regel eine mittlere Teilchengröße im Bereich von etwa 125 bis 1500 Mikrometern.
Brauchbare Schleifkörner haben in der Regel eine Mohs-Härte von mindestens etwa 7, bevorzugt von mindestens etwa 8 und besonders bevorzugt über 9. Der Ausdruck "Mohs-Härte" meint einen Wert, der einer Zahl auf der "Mohs-Skala" entspricht. Die "Mohs-Skala" ist als eine Skala der Härte von Mineralien definiert (siehe Lafferty, Peter, The Dictionary of Science, Seite 386 (1993) oder Handbook of Chemistry and Physics, Seite F-22 (1975)).
Brauchbare Füllmittel beeinflussen allgemein Eigenschaften der keramischen Aggregatteilchen, wie zum Beispiel Härte, Porositätsgrad, Verschleißverhalten usw. Zu Beispielen brauchbarer Füllmaterialien gehören Metallcarbonate (wie zum Beispiel Kalziumkarbonat, Kreide, Calcit, Mergel, Travertin, Marmor, Kalkstein, Kalziummagnesiumcarbonat, Natriumcarbonat, Magnesiumcarbonat), Porenbildungszusätze (wie zum Beispiel Holzzellstoff, Holzmehl, Glasblasen, Glasperlen, organische Blasen, organische Perlen), Siliciumdioxid (wie zum Beispiel amorphes Siliciumdioxid, Quarz, Glasperlen, Glaspulver, Glasblasen und Glasfasern), Silikate (wie zum Beispiel Talkum, Tone (Montmorillonit), Feldspat, Glimmer, Kalziumsilikat, Kalziummetasilikat, Natriumaluminiumsilikat, Natriumsilikat), Metallsulfate (wie zum Beispiel Kalziumsulfat, Bariumsulfat, Natriumsulfat, Aluminiumnatriumsulfat, Aluminiumsulfat), Aluminiumtrihydrat, Metalloxide (wie zum Beispiel Kalziumoxid (Kalk), Aluminiumoxid, Titandioxide) und Metallsulfite (wie zum Beispiel Kalziumsulfit), Graustein, Marmor, Gips, Na₂SiF₆, Kryolith, Vermiculit und Kombinationen dieser Materialien.
"Schleifhilfsmittel" meint Materialien, die in der Lage sind, die Schleifleistung eines Schleifgegenstandes auf einem Metallwerkstück zu verbessern, wenn sie in eine abrasive Beschichtung eingearbeitet sind. Im Allgemeinen verlängert die Zugabe eines Schleifhilfsmittels die Grenznutzungsdauer des Schleifprodukts. Insbesondere erhöhen Schleifhilfsmittel allgemein die Schleifeffizienz oder Materialabtragsrate (d. h. das Gewicht eines Metallwerkstücks, das je Gewicht an verlorenem Schleifgegenstand abgetragen wird) eines Schleifgegenstandes auf einem Metallwerkstück. Ohne an theoretische Erklärungen gebunden sein zu wollen, wird davon ausgegangen, dass ein oder mehrere Schleifhilfsmittel (a) die Reibung zwischen dem Schleifmaterial und dem abgeschliffenen Werkstück verringern, (b) verhindern, dass Schleifteilchen "überdeckt" werden (d. h. verhindern, dass sich Metallteilchen an den Oberseiten der Schleifteilchen festschweißen) oder wenigstens die Überdeckungsneigung von Schleifteilchen verringern, (c) die Grenzflächentemperatur zwischen dem Schleifteilchen und dem Werkstück senken oder (d) die Schleifkräfte verringern. Als einige Beispiele brauchbarer Schleifhilfsmittel seinen Halogenidsalze, Metalle und ihre Legierungen genannt. Die anorganischen Halogenidverbindungen brechen in der Regel während des Schleifens auf und setzen eine Halogensäure oder eine gasförmige Halogenidverbindung frei. Zu Beispielen von Halogenidsalzen gehören Natriumchlorid, Kaliumkryolith, Natriumkryolith, Ammoniumkryolith, Kaliumtetrafluorborat, Natriumtetrafluorborat, Siliciumfluoride, Kaliumchlorid und Magnesiumchlorid. Zu Beispielen von Metallen gehören Zinn, Blei, Bismut, Kobalt, Antimon, Kadmium, Eisen und Titan. Zu weiteren brauchbaren Schleifhilfsmitteln gehören Schwefel, Graphit und Metallsulfide. Die oben genannten Beispiele von Schleifhilfsmitteln sollen eine repräsentative Darstellung von Schleifhilfsmitteln sein und erheben keinen Anspruch auf eine vollständige Nennung sämtlicher Schleifhilfsmittel.
Brauchbare Fasern beeinflussen allgemein Eigenschaften der keramischen Aggregatteilchen, wie zum Beispiel Schleifeigenschaften, elektronische Eigenschaften, Verstärkungseigenschaften usw. Zu beispielhaften brauchbaren Fasern gehören anorganische Oxid-, Nitrid- und Karbidzusammensetzungen. Anorganische Fasern können kristallin oder nicht-kristallin sein und können von natürlichen Mineralien abgeleitet oder aus Lösungs-, Sol- oder Polymervorläufern synthetisiert sein. Fasern können durch Blasen oder Ziehen aus einer Schmelze hergestellt werden, wie im Fall herkömmlicher Glasfasern, oder können durch Trocken- oder Nassspinnprozesse zu kontinuierlichen Formen hergestellt werden, wie im Fall einiger polykristalliner Keramikfasern. Kontinuierliche Fasern können zu kurzen, diskontinuierlichen Abschnitten weiterverarbeitet und als Feststoffteilchen verwendet werden.
Zu brauchbaren elektronisch aktiven Teilchen gehören leitfähige Teilchen (zum Beispiel Graphitteilchen, Rußteilchen oder andere antistatische Stoffe), ferroelektrische Teilchen (zum Beispiel Bleizirkonattitanat, Bariumtitanat und Bleilanthanzirkonattitanat), Magnetteilchen (zum Beispiel Magnetit, Bariumhexaferrit), superleitfähige Teilchen oder Kombinationen dieser Materialien.
Brauchbare Pigmentteilchen sind in der Regel anorganische Materialien, die allgemein Eigenschaften von keramischen Aggregatteilchen beeinflussen, wie zum Beispiel Farbe, Weißgrad oder Opazität. Zu beispielhaften brauchbaren Pigmenten gehören Eisenoxide, Kobaltoxid, Mangandioxid und Titanoxide. Zu weiteren beispielhaften brauchbaren Pigmenten gehören Verbindungen von Seltenerden-, Nickel-, Kadmium-, Chrom- und Kupferelementen.
Herstellungsverfahren
Eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Herstellen der keramischen Aggregatteilchen der vorliegenden Erfindung umfasst den Schritt, eine Zusammensetzung, die härtbares Bindemittelvorläufermaterial, keramisches Bindemittelvorläufermaterial und mehrere Feststoffteilchen umfasst, in keramische Aggregatvorläuferteilchen umzuwandeln. Dieses Verfahren zur Herstellung von keramischen Aggregatteilchen ist in der Anmeldung des Anmelders mit der US-Seriennummer 09/972,316 beschrieben, die am selben Tag wie diese Anmeldung eingereicht wurde und in den vorliegenden Text aufgenommen wird. Ein Verfahren zur Herstellung solcher Teilchen umfasst die Schritte, die Zusammensetzung durch mindestens eine Öffnung in einem mit Durchbrüchen versehenen Substrat zu leiten, die keramischen Aggregatvorläuferteilchen von dem mit Durchbrüchen versehenen Substrat zu trennen und die keramischen Aggregatvorläuferteilchen wenigstens teilweise auszuhärten.
Im Sinne des vorliegenden Textes meint der Ausdruck "härtbares Bindemittelvorläufermaterial" jegliches Material, das verformbar ist oder durch Wärme oder Druck oder beides verformbar gemacht werden kann und das wenigstens teilweise ausgehärtet werden kann, so dass ein Material, wie zum Beispiel keramische Aggregatvorläuferteilchen, entsteht, das handhabbar und auffangbar ist. Im Sinne des vorliegenden Textes meint – in Bezug auf härtbares Bindemittelvorläufermaterial – der Ausdruck "mindestens teilweise ausgehärtet", dass "ein Teil" des härtbaren Bindemittelvorläufermaterials oder "alles" härtbare Bindemittelvorläufermaterial zu einem solchen Grad ausgehärtet ist, dass es handhabbar und auffangbar ist. Der Ausdruck "mindestens teilweise ausgehärtet" bedeutet nicht, dass ein Teil des härtbaren Bindemittelvorläufers oder der gesamte härtbare Bindemittelvorläufer immer vollständig ausgehärtet ist, sondern dass er – nachdem er mindestens teilweise ausgehärtet ist – ausreichend ausgehärtet ist, um handhabbar und auffangbar zu sein.
Im Sinne des vorliegenden Textes meint der Ausdruck "handhabbar und auffangbar" Material, das im Wesentlichen nicht fließt oder keine wesentliche Formveränderung erfährt. Keramische Aggregatvorläuferteilchen und keramische Aggregatteilchen, die handhabbar und auffangbar sind, bleiben im Allgemeinen intakt, wenn auf sie eine Kraft einwirkt, die einen Körper im Allgemeinen mechanisch beansprucht oder verformt. Keramische Aggregatvorläuferteilchen und keramische Aggregatteil chen, die handhabbar und auffangbar sind, bleiben im Allgemeinen nicht intakt, wenn auf sie eine Kraft einwirkt, die einen Körper im Allgemeinen mechanisch beansprucht oder verformt.
Im Sinne des vorliegenden Textes meint der Ausdruck "keramisches Bindemittelvorläufermaterial" teilchenförmige Zusatzstoffe, die – wenn sie auf eine Temperatur erwärmt werden, die ausreicht, organische Materialien auszubrennen, die in dem keramischen Aggregatvorläuferteilchen vorhanden sind – sich anschließend miteinander verbinden können, so dass eine starre keramische Phase, die die keramischen Aggregatteilchen miteinander verbindet, gebildet wird und ein keramisches Aggregatteilchen entsteht. Zu keramischem Bindemittelvorläufermaterial kann kristallines oder nicht-kristallines keramisches Material gehören. Im Weiteren meint "keramisches Aggregatvorläuferteilchen", dass sich das keramische Bindemittelvorläufermaterial noch nicht ausreichend verbunden hat, um ein Teilchen entstehen zu lassen, das handhabbar und auffangbar ist. Im Weiteren meint "keramisches Aggregatteilchen", dass sich das keramische Bindemittelvorläufermaterial ausreichend verbunden hat, um ein Teilchen entstehen zu lassen, das handhabbar und auffangbar ist. In der Regel stellen Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung mindestens einen Teil der keramischen Aggregatteilchen mit einem Seitenverhältnis größer als eins bereit.
Im Weiteren meint "im Wesentlichen lösemittelfrei", dass die Zusammensetzung, die zur Herstellung keramischer Aggregatvorläuferteilchen verwendet wird, weniger als 10 % Lösemittel enthält.
Härtbarer Bindemittelvorläufer
Härtbarer Bindemittelvorläufer kann durch Strahlungsenergie oder Wärmeenergie gehärtet werden. In der Regel umfasst strahlungshärtbares Bindemittelvorläufermate rial mindestens eines der Folgenden: Epoxidharz, acryliertes Urethanharz, acryliertes Epoxidharz, ethylenisch ungesättigtes Harz, Aminoplastharz mit mindestens einer ungesättigten Carbonyl-Seitengruppe, Isocyanuratderivate mit mindestens einer Acrylat-Seitengruppe, Isocyanatderivate mit mindestens einer Acrylat-Seitengruppe oder Kombinationen daraus. Zu weiteren brauchbaren strahlungshärtbarem Bindemittelvorläufermaterial gehören Vinylether.
Epoxidharze haben einen Oxiranring und werden durch die Ringöffnung über einen kationischen Mechanismus polymerisiert. Zu brauchbaren Epoxidharzen gehören monomere Epoxidharze und polymere Epoxidharze. Diese Harze können hinsichtlich der Art ihrer Hauptketten und Ersatzgruppen über einen weiten Bereich variieren. Zum Beispiel kann die Hauptkette von jedem beliebigen Typ sein, der normalerweise mit Epoxidharzen assoziiert ist, und die Ersatzgruppen daran können jede beliebige Gruppe sein, die frei von einem aktiven Wasserstoffatom sind, das mit einem Oxiranring bei Raumtemperatur reagiert. Zu repräsentativen Beispielen von Ersatzgruppen für Epoxidharze gehören Halogene, Estergruppen, Ethergruppen, Sulfonatgruppen, Siloxangruppen, Nitrogruppen und Phosphatgruppen. Zu Beispielen einiger Epoxidharze, die sich für diese Erfindung eignen, gehören 2,2-bis[4-(2,3-epoxypropoxy)phenyl]propan (Diglycidylether von Bisphenol A) und Materialien unter der Handelsbezeichnung "EPON 828", "EPON 1004" und "EPON 1001F", auf dem freien Markt zu beziehen bei der Shell Chemical Co., Houston, Texas, "DER-331", "DER-332" und "DER-334", auf dem freien Markt zu beziehen bei der Dow Chemical Co., Freeport, Texas. Zu weiteren geeigneten Epoxidharzen gehören Glycidylether von Phenolformaldehydnovolac (zum Beispiel "DEN-431" und "DEN-428", auf dem freien Markt zu beziehen bei der Dow Chemical Co.). Die Epoxidharze, die in der Erfindung verwendet werden, können über einen kationischen Mechanismus mit der Zugabe eines oder mehrerer geeigneter Photoinitiationsmittel polymerisieren. Diese Harze sind in den US-Patenten Nr. 4,318,766 und Nr. 4,751,138 weiter beschrieben, die durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden.
Zu beispielhaftem acryliertem Urethanharz gehört ein Diacrylatester eines Hydroxy-terminierten Isocyanatverlängerten Polyesters oder Polyetters. Zu Beispielen für handelsübliches acryliertes Urethanharz gehören "WITHANE 782" und "WITHANE 783," beides zu beziehen bei Morton Thiokol Chemical, Moss Point, Mississippi, und "CMD 6600", "CMD 8400" und "CMD 8805", alle zu beziehen bei Radcure Specialties, Pampa, Texas.
Zu beispielhaftem acryliertem Epoxidharz gehört ein Diacrylatester von Epoxidharz, wie zum Beispiel das Diacrylatester eines Epoxidharzes wie zum Beispiel Bisphenol. Zu Beispielen für handelsübliches acryliertes Epoxidharz gehören "CMD 3500", "CMD 3600" und "CMD 3700", zu beziehen bei Radcure Specialties.
Zu beispielhaftem ethylenisch ungesättigtem Harz gehören sowohl monomere als auch polymere Verbindungen, die Atome von Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff und optional Stickstoff oder den Halogenen enthalten. Sauerstoffatome, Stickstoffatome oder beides sind im Allgemeinen in Ether-, Ester-, Urethan-, Amid- und Harnstoff-Gruppen vorhanden. Ethylenisch ungesättigtes Harz hat in der Regel ein Molekulargewicht von weniger als etwa 4.000 und ist bei einer Ausführungsform ein Ester, das aus der Reaktion von Verbindungen resultiert, die aliphatische Monohydroxy-Gruppen oder aliphatische Polyhydroxy-Gruppen und ungesättigte Carbonsäuren, wie zum Beispiel Acrylsäure, Methacrylsäure, Itaconsäure, Crotonsäure, Isocrotonsäure, Maleinsäure und dergleichen enthalten.
Zu repräsentativen Beispielen weiterer brauchbarer Acrylate gehören Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Ethylenglycoldiacrylat, Ethylenglycolmethacrylat, Hexandioldiacrylat, Triethylenglycoldiacrylat, Trimethylolpropantriacrylat, Glyceroltriacrylat, Pentaerythritoltriacrylat, Pentaerythritolmethacrylat und Pentaerythritoltetraacrylat. Zu weiteren brauchbaren ethylenisch ungesättigten Harzen gehören Monoallyl-, Polyallyl- und Polymethylallylester und -amide von Carbonsäuren, wie zum Beispiel Diallylphthalat, Diallyladipat und N,N-diallyladipamid. Zu weiteren brauchbaren ethylenisch ungesättigten Harzen gehören Styren, Divinylbenzen und Vinyltoluen. Zu weiteren brauchbaren stickstoffhaltigen, ethylenisch ungesättigten Harzen gehören tris(2-acryloyl-oxyethyl)isocyanurat, 1,3,5-tri(2-methyacryloxyethyl)-s-triazin, Acrylamid, Methylacrylamid, N-methylacrylamid, N,N-dimethylacrylamid, N-vinylpyrrolidon und N-vinylpiperidon.
Einige brauchbare Aminoplastharze können monomer oder oligomer sein. In der Regel haben die Aminoplastharze mindestens eine α,β-ungesättigte Carbonyl-Seitengruppe je Molekül. Diese α,β-ungesättigten Carbonyl-Gruppen können Acrylat-, Methacrylat- oder Acrylamid-Gruppen sein. Zu Beispielen solcher Harze gehören N-hydroxymethylacrylamid, N,N'-oxydimethylenbisacrylamid, ortho- und paraacrylamidmethyliertes Phenol, acrylamidmethyliertes phenolisches Novolac und Kombinationen daraus. Diese Materialien sind in den US-Patenten Nr. 4,903,440 und Nr. 5,236,472 weiter beschrieben, die durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden.
Brauchbare Isocyanuratderivate mit mindestens einer Acrylat-Seitengruppe und Isocyanatderivate mit mindestens einer Acrylat-Seitengruppe sind im US-Patent Nr. 4,652,274 weiter beschrieben, das durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird. Ein solches Isocyanuratmaterial ist ein Triacrylat von tris(2-hydroxyethyl)isocyanurat.
Zu Beispielen von Vinylethern, die sich für diese Erfindung eignen, gehören Vinylether-funktionalisierte Urethanoligomere, auf dem freien Markt zu beziehen bei Allied Signal, Morristown, New Jersey, unter den Handelsbezeichnungen "VE 4010", "VE 4015", "VE 2010", "VE 2020" und "VE 4020".
Keramisches Bindemittelvorläufermaterial
Zu keramischem Bindemittelvorläufer gehören kristalline und/oder nicht-kristalline keramische Materialien. In der Regel wird keramisches Bindemittelvorläufermaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Glaspulver, Fritten, Ton, Flussmineralien, Siliciumdioxid-Solen, sinterfähigen keramischen Pulvern oder Kombinationen daraus. Nach dem Erwärmen bildet das keramische Bindemittelvorläufermaterial keramisches Bindemittel. In der Regel verbindet – unter Verwendung eines Verfahrens der vorliegenden Erfindung – das keramische Bindemittel Feststoffteilchen, wie zum Beispiel Schleifkörner, miteinander, so dass keramische Aggregatteilchen entstehen.
Zu brauchbarem Glaspulver kann Glaspulver auf Silikat- oder Nicht-Silikat-Basis gehören. Glaspulver auf Silikatbasis können Einphasen- oder Mehrkomponentensysteme sein. Bei einer Ausführungsform enthält ein Einphasen-Glaspulver glasartiges Siliciumdioxid. Mehrkomponenten-Silikatglaspulver enthält in der Regel Modifikatoren oder Zwischenprodukte, wie zum Beispiel Metalloxide. Zu brauchbaren Beispielen für Mehrkomponenten-Silikatglaspulver gehören Alkalisilikate, die Alkalimetalloxide enthalten; Sodakalkglassorten, die Alkali- und Erdalkalimetalloxide und in der Regel noch kleine Mengen Aluminiumoxid und sonstige weitere Oxide enthalten; Borsilikatglassorten; Aluminiumsilikatglassorten; und Bleiglassorten. Zu brauchbarem Glaspulver auf Nicht-Silikat-Basis können glasartige Metall- und Nichtmetalloxidsysteme gehören, einschließlich beispielsweise P₂O₅, GeO₂, B₂O₃, Al₂O₃, Li₂O, Na₂O, K₂O, BeO, MgO, CaO, BaO, PbO, ZnO und FeO. Zu weiteren brauchbaren Beispielen von Nicht-Silikat-Glassorten gehören Boratglassorten, wie zum Beispiel Lindemann-Glassorten (Li₂O·BeO·B₂O₃), Phosphatglassorten, Kalziumaluminatglassorten und Kalziumgermanatglassorten. Definitionsgemäß sind Glaskeramiksorten zu mindestens 50 Gewichts-% kristallin. Zu Beispielen kristalliner Phasen gehören β-Quarz, β-Quarz-Feststofflösung, β-Spodumen-Feststofflösung, Li₂O·Al₂O₃·(SiO₂)_4-10, Lithiummetasilikat-Lithiumdisilikat, Li₂O·SiO₂-Li₂O·2SiO₂, β-Spodumen-Feststofflösung-Mullit, Li₂O·Al₂O₃·(SiO₂)_4-10-3Al₂O₃·2SiO₂, α-Quarz-Feststofflösung-Spinell-Enstatit, SiO₂-MgO·Al₂O₃-MgO·SiO₂. Titanat oder Zirkonate werden in der Regel als die primären kristallinen Kerne verwendet.
Zu beispielhaften Frittenbindemittelvorläufern gehören Feldspat, Borax, Quarz, kalzinierte Soda, Bleioxidrot, Zinkoxid, Schlämmkreide, Antimontrioxide, Titandioxid, Natriumhexafluorosilikat, Flint, Kryolith, Borsäure und Kombinationen daraus. Ein Verfahren zur Herstellung von Fritten umfasst das Erwärmen eines Pulvers eines bestimmten Frittenmaterials, bis das Pulver verschmilzt, Abkühlenlassen des verschmolzenen Pulvers und dann Zerkleinern und Sieben des verschmolzenen Pulvers zu einem sehr feinen Pulver, das als ein Frittenbindemittelvorläufer verwendet wird. Bei einer Ausführungsform umfasst ein Frittenbindemittelvorläufer 63 Gewichts-% Siliciumdioxid, 12 Gewichts-% Aluminiumoxid, 1,2 Gewichts-% Kalziumoxid, 6,3 Gewichts-% Natriumoxid, 7,5 Gewichts-% Kaliumoxid und 10 Gewichts-% Boroxid. Die Temperatur, bei der ein Pulver verschmilzt, richtet sich nach der Pulverchemie. Bei einer Ausführungsform kann die Temperatur im Bereich von etwa 800°C (1472°F) bis etwa 1800°C (3272°F) liegen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Temperatur im Bereich von etwa 900°C (1652°F) bis etwa 1400°C (2552°F) liegen. Fritten können mit anderen keramischen Bindemittelvorläufern zu einem keramischen Bindemittelvorläufer kombiniert werden, der in der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Bei einer Ausführungsform kann der keramische Bindemittelvorläufer etwa 1 bis 100 % Fritten, bei einer weiteren Ausführungsform etwa 20 bis 100 % Fritten umfassen. Weiter Einzelheiten zu Frittenbindemittelvorläufern finden sich im US-Patent Nr. 4,898,597 (Hay), dessen Offenbarung durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
Zu brauchbarem Ton können kristalline Hydratsilikate von Aluminium-, Eisen- und Magnesiumverbindungen gehören. Zu nicht-einschränkenden Beispielen gehören Kaolin, Töpferton, hochfeuerfester Ton, Bentonit, Fullererde, aktivierte Tone, kalzinierte Tone und kolloidale Tone.
Zu brauchbaren Flussmineralien können Materialien gehören, die bei niedrigen Temperaturen mit anderen vorliegenden Materialien zu einer Glasphase reagieren, wodurch die erforderliche Brenntemperatur eines keramischen Bindemittelvorläufers verringert wird. Bei einer Ausführungsform können zu brauchbaren Flussmineralien Alkali- oder Erdalkalioxide, Boroxid oder Bleioxid gehören. Zu brauchbaren Beispielen für Flussmineralien gehören Kaliumfehdspat, Natriumfeldspat, Kalziumfeldspat, Nephelinsyenit, Talkum, kalzinierte Soda, Borax und Bleioxide.
Siliciumdioxid-Solen umfassen in der Regel Siliciumdioxidteilchen. Im Sinne des vorliegenden Textes meint der Begriff "Sol" eine kolloidale Dispersion aus im Wesentlichen nicht-aggregierten, anorganischen Oxidteilchen (zum Beispiel Siliciumdioxidteilchen) in einem flüssigen Medium (zum Beispiel wässrig oder nicht-wässrig). Zu beispielhaften Siliciumdioxid-Solen in wässrigen Lösungen gehören "LUDOX" (zu beziehen bei E. I. DuPont de Nemours and Co., Wilmington, Delaware, unter der Handelsbezeichnung "LUDOX"), "NYACOL" (zu beziehen bei Nyacol Co., Ashland, Massachusetts, unter der Handels bezeichnung "NYACOL") und "NALCO" (zu beziehen bei Nalco Chemical Co., Oak Brook, Illinois, unter der Handelsbezeichnung "NALCO"). Zu beispielhaften Siliciumdioxid-Solen in nicht-wässrigen Lösungen (auch Siliciumdioxid-Organosolen genannt) gehören "NALCO 1057" (ein Siliciumdioxid-Sol in 2-Propoxyethanol) (zu beziehen bei Nalco Chemical Co., Oak Brook, Illinois, unter der Handelsbezeichnung "NALCO 1057"), "MA-ST, IP-ST" und "EG-ST" (zu beziehen bei Nissan Chemical Ind., Tokio, Japan, unter der Handelsbezeichnung "MA-ST, IP-ST" und "EG-ST"). Bei einer Ausführungsform haben die kolloidalen Siliciumdioxidteilchen einen mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von etwa 5 bis etwa 100 Nanometern. Bei einer weiteren Ausführungsform haben die Teilchen einen mittleren Teilchendurchmesser im Bereich von etwa 10 bis etwa 50 Nanometern. Weitere beispielhafte Siliciumdioxid-Solen sind in US-Patent Nr. 5,611,829 (Monroe und Mitarbeiter) und US-Patent Nr. 5,645,619 (Erickson und Mitarbeiter) beschrieben, deren Offenbarungen durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden. Gemäß einem weiteren Aspekt kann der pH-Wert eines Sols so eingestellt werden, dass eine Dispersionsstabilität des Sols erreicht wird. Bei einer Ausführungsform kann der pH-Wert alkalisch sein (zum Beispiel ein pH-Wert im Bereich von etwa 8 bis etwa 11). Bei einer weiteren Ausführungsform kann der pH-Wert sauer sein (zum Beispiel ein pH-Wert im Bereich von etwa 2 bis etwa 6).
Zu brauchbaren sinterfähigen keramischen Pulvern können kristalline Oxide, nicht-kristalline Oxide, Carbide, Nitride, Silicide, Boride, Phosphide, Sulfide, Telluride und Selenide gehören. Zu brauchbaren Beispielen von sinterfähigen keramischen Pulvern gehören Aluminiumoxid, Siliciumoxid, Titanoxid, Zirkonoxid, Aluminiumoxid-Zirkondioxid, Siliciumcarbid, Titancarbid, Titanborid, Aluminiumnitrid, Siliciumnitrid, Ferrite, Eisensulfid.
Bei der Herstellung einer Zusammensetzung, die härtbares Bindemittelvorläufermaterial, keramisches Bindemittelvorläufermaterial und mehrere Feststoffteilchen umfasst, können viele verschiedene Gewichtsprozentanteile für jede Komponente nützlich sein. Beispielhafte Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung können relativ höhere Gewichtsprozentanteile von Feststoffteilchen (zum Beispiel Schleifkörner) und keramischen Bindemittelvorläufern als härtbare Bindemittelvorläufer enthalten. Ein Verringern der Menge an härtbarem Bindemittelvorläufer kann vorteilhaft sein, weil der härtbare Bindemittelvorläufer während des Erwärmungsschrittes "ausgebrannt" wird, was als Vergeudung angesehen werden kann. In einer brauchbaren Ausführungsform kann das härtbare Bindemittelvorläufermaterial im Bereich von etwa 5 Gewichts-% bis etwa 22 Gewichts-% liegen; bei einer weiteren brauchbaren Ausführungsform im Bereich von etwa 7 Gewichts-% bis etwa 13 Gewichts-%; und bei einer weiteren brauchbaren Ausführungsform im Bereich von etwa 8 Gewichts-% bis etwa 10 Gewichts-%. Bei einer brauchbaren Ausführungsform kann das keramische Bindemittelvorläufermaterial im Bereich von etwa 11 Gewichts-% bis etwa 63 Gewichts-% liegen; bei einer weiteren brauchbaren Ausführungsform im Bereich von etwa 22 Gewichts-% bis etwa 37 Gewichts-%; und bei einer weiteren brauchbaren Ausführungsform im Bereich von etwa 26 Gewichts-% bis etwa 31 Gewichts-%. Bei einer brauchbaren Ausführungsform können die mehreren Feststoffteilchen im Bereich von etwa 29 Gewichts-% bis etwa 81 Gewichts-% liegen; bei einer weiteren brauchbaren Ausführungsform im Bereich von etwa 52 Gewichts-% bis etwa 70 Gewichts-%; und bei einer weiteren brauchbaren Ausführungsform im Bereich von etwa 60 Gewichts-% bis etwa 66 Gewichts-%. Brauchbare Zusammensetzungen können auf organischer Basis, auf wässriger Basis oder im Wesentlichen lösemittelfrei sein. Bei einer Ausführungsform kann die Zusammensetzung weniger als 10 Lösemittel enthalten. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Zusammensetzung weniger als 0,5 % Löse mittel enthalten. Und bei einer weiteren Ausführungsform kann die Zusammensetzung weniger als 0,1 % Lösemittel enthalten.
Initiator
Optional kann die härtbare Zusammensetzung des Weiteren einen Initiator umfassen, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Photoinitiator, thermischem Initiator und Kombinationen daraus. Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann ein thermischer Initiator verwendet werden, wenn Wärmeenergie in dem Schritt des teilweisen Härtens verwendet wird, und Photoinitiatoren können verwendet werden, wenn ultraviolettes und/oder sichtbares Licht in dem Schritt des teilweisen Härtens verwendet wird. Die Forderung nach einem Initiator kann von der Art des verwendeten härtbaren Bindemittelvorläufers und/oder von der Art der Energie (zum Beispiel Elektronenstrahl oder ultraviolettes Licht) abhängen. Zum Beispiel erfordern härtbare Bindemittelvorläufer auf Phenolbasis in der Regel nicht die Beigabe eines Initiators, wenn sie thermisch ausgehärtet werden. Demgegenüber erfordern härtbare Bindemittelvorläufer auf Acrylatbasis in der Regel die Beigabe eines Initiators, wenn sie thermisch ausgehärtet werden. Als ein weiteres Beispiel sind Initiatoren in der Regel nicht erforderlich, wenn während des Schrittes des teilweisen Härtens Elektronenstrahlenergie verwendet wird. Wenn jedoch ultraviolettes oder sichtbares Licht verwendet wird, so ist ein Photoinitiator in der Regel ein Bestandteil der Zusammensetzung.
Unter Einwirkung von Wärmeenergie erzeugt ein thermischer Initiator eine Quelle freier Radikale. Die Quelle freier Radikale initiiert dann die Polymerisation des härtbaren Bindemittelvorläufers. Zu beispielhaften thermischem Initiatoren gehören organische Peroxide (zum Beispiel Benzoilperoxid), Azoverbindungen, Quinone, Nitrosoverbindungen, Acylhalogenide, Hydrazone, Mercaptoverbindungen, Pyryliumverbindungen, Imidazole, Chlortriazine, Benzoin, Benzoinalkylether, Diketone, Phenone und Gemische daraus. Azoverbindungen, die sich als thermische Initiatoren in der vorliegenden Erfindung eignen, können unter den Handelsbezeichnungen VAZO 52, VAZO 64 und VAZO 67 von E.I. duPont deNemours and Co., Wilmington, Delaware, bezogen werden.
Unter Einwirkung von ultraviolettem oder sichtbarem Licht erzeugt der Photoinitiator eine Quelle freier Radikale oder eine kationische Quelle. Diese Quelle freier Radikale oder diese kationische Quelle initiiert dann die Polymerisation des härtbaren Bindemittelvorläufers.
Zu beispielhaften Photoinitiatoren, die unter Einwirkung von ultraviolettem Licht eine Quelle freier Radikale erzeugen, gehören zum Beispiel und ohne Einschränkung jene, die ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus organischen Peroxiden (zum Beispiel Benzoilperoxid), Azoverbindungen, Quinone, Benzophenone, Nitrosoverbindungen, Acylhalogenide, Hydrozone, Mercaptoverbindungen, Pyryliumverbindungen, Triacrylimidazole, Bisimidazole, Chloralkytriazine, Benzoinether, Benzilketale, Thioxanthone und Acetophenonderivate und Gemische daraus. Beispiele für Photoinitiatoren, die unter Einwirkung von sichtbarer Strahlung eine Quelle freier Radikale erzeugen, sind im US-Patent Nr. 4,735,632 weiter beschrieben, dessen Offenbarung durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
Kationische Photoinitiatoren erzeugen eine Säurequelle zum Initiieren der Polymerisation eines Epoxidharzes oder eines Urethans. Zu beispielhaften kationischen Photoinitiatoren gehört ein Salz mit einem Oniumkation und einem halogenhaltigen komplexen Anion eines Metalls oder Metalloids. Zu weiteren brauchbaren kationischen Photoinitiatoren gehört ein Salz mit einem metallorganischen komplexen Kation und einem halogenhaltigen komplexen Anion eines Metalls oder Metalloids. Diese Photoinitiatoren sind im US-Patent Nr. 4,751,138 weiter beschrieben, dessen Offenbarung durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird. Ein weiteres Beispiel ist ein metallorganisches Salz und eine Oniumsalz, das im US-Patent Nr. 4,985,340 beschrieben ist, dessen Offenbarung durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird. Zu weiteren kationischen Photoinitiatoren gehören ein ionisches Salz eines metallorganischen Komplexes, bei dem das Metall aus den Elementen der Periodengruppen IVB, VB, VIB, VIIB und VIIIB ausgewählt ist. Diese Photoinitiatoren sind im US-Patent Nr. 5,089,536 weiter beschrieben, dessen Offenbarung durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
Durch ultraviolette Strahlung aktivierte Photoinitiatoren, die für die vorliegende Erfindung geeignet sind, können unter den Handelsbezeichnungen "IRGACURE 651", "IRGACURE 184", "IRGACURE 369" und "IRGACURE 819" von der Ciba Geigy Company, Winterville, Mississippi, "Lucirin TPO-L" von der BASF Corp., Livingston, New Jersey, und "DAROCUR 1173" von Merck & Co., Rahway, New Jersey, bezogen werden.
Bei einer Ausführungsform kann die Gesamtmenge an Initiator (entweder Photoinitiator, thermischer Initiator oder Kombinationen daraus) im Bereich von 0,1 bis 10 Gewichtsprozent des härtbaren Bindemittelvorläufers, bei einer weiteren Ausführungsform von etwa 1 bis etwa 5 Gewichtsprozent des härtbaren Bindemittelvorläufers liegen. Wenn sowohl ein Photoinitiator als auch ein thermischer Initiator verwendet werden, so liegt das Verhältnis von Photoinitiator zu thermischem Initiator zwischen etwa 3,5:1 bis etwa 0,5:1.
Gemäß einem weiteren Aspekt kann – wenn in dem Schritt des mindestens teilweisen Härtens ultraviolette oder sichtbare Lichtenergie verwendet wird – die Zusammen setzung auch einen Photosensibilisator enthalten. Ein Photosensibilisator erweitert die Wellenlänge, bei der der Initiator oder das Monomer freie Radikale bilden. Zu beispielhaften Photosensibilisatoren gehören Verbindungen mit Carbonyl-Gruppen oder tertiären Amino-Gruppen und Gemische daraus. Brauchbare Beispiele von Verbindungen mit Carbonyl-Gruppen sind Benzophenon, Acetophenon, Benzil, Benzaldehyd, o-Chlorbenzaldehyd, Xanthon, Thioxanthon, 9,10-Anthraquinon und weitere aromatische Ketone. Brauchbare Beispiele für tertiäre Amine sind Methyldiethanolamin, Ethyldiethanolamin, Triethanolamin, Phenylmethylethanolamin und Dimethylaminoethylbenzoat. Bei einer Ausführungsform kann die Menge an Photosensibilisator in der Zusammensetzung im Bereich von etwa 0,01 bis 10 Gewichts-% des härtbaren Bindemittelvorläufers liegen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Menge an Photosensibilisator in der Zusammensetzung im Bereich von etwa 0,25 bis 4 Gewichts-% des härtbaren Bindemittelvorläufers liegen.
Modifizierende Zusatzstoffe
Modifizierende Zusatzstoffe sind in der Regel in der härtbaren Zusammensetzung enthalten, um die Verarbeitungscharakteristika der Zusammensetzung zu verändern (zum Beispiel Ändern der Viskosität usw.). Zu brauchbaren Beispielen für modifizierende Zusatzstoffe gehören Haftvermittler, Netzmittel, Fließmittel, grenzflächenaktive Stoffe und Kombinationen daraus. Viele Zusatzstoffe neigen während des Erwärmungsschrittes zum Zersetzen.
Haftvermittler verbessern allgemein die Adhäsion zwischen einer Festkörperoberfläche (zum Beispiel Schleifkörner) und härtbarem Bindemittelvorläufer. Zu brauchbaren Beispielen für Haftvermittler, die sich für diese Erfindung eignen, gehören Organosilane, Zirkoaluminate und Titanate. Ein Schleifkorn kann auch einen Haftver mittler auf seiner Oberfläche enthalten, wie zum Beispiel einen Silan-Haftvermittler.
Netzmittel oder grenzflächenaktive Stoffe steuern allgemein die Rheologie der Zusammensetzung während der Verarbeitung. Allgemein kann jede beliebige Art von Netzmittel, d. h. anionisch, kationischen, nichtionisch, amphoter, zwitterionisch usw., in der Zusammensetzung verwendet werden. Zu brauchbaren Beispielen für Netzmittel gehören INTERWET 33 von Chemie America Interstab Chemicals, New Brunswick, New Jersey, FLUORAD von 3M Co., St. Paul, Minnesota, oder AEROSOL OT von Rohm Haas, Philadelphia, Pennsylvania.
Fließmittel verhindern allgemein ein "Festbacken" von Pulvern während der Verarbeitung. Zum Beispiel kann ein Fließmittel in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um zu verhindern, dass keramischer Bindemittelvorläufer während des Herstellungsschrittes festbäckt. Zu brauchbaren Beispielen von Fließmitteln gehören Kondensate von Ethylenoxid und ungesättigten Fettsäuren.
Keramische Aggregatteilchen
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden aus einer Zusammensetzung keramische Aggregatvorläuferteilchen hergestellt, indem man die Zusammensetzung durch eine Öffnung passieren lässt. Zum Beispiel veranschaulicht 1 ein keramisches Aggregatteilchen der vorliegenden Erfindung. Das keramische Aggregatteilchen 80 selbst umfasst mehrere Feststoffteilchen 84, die mit einem keramischen Bindemittel 82 überzogen und in das keramische Bindemittel 82 eingebettet sind. Optional kann ein Zwischenraum 86 vorhanden sein, der kein keramisches Bindemittel 82 enthält und der einen Zugang von der Außenfläche des Teilchens her ermöglicht und geeignet ist, das Eindringen von Fluiden zu gestatten. Ein solches Eindringen von Flui den verleiht dem Aggregatteilchen eine "oberflächenverbundene Porosität". Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung haben keramische Aggregatteilchen ein Seitenverhältnis größer als eins und in der Regel im Bereich von größer als eins bis 30. Im Sinne des vorliegenden Textes meint der Ausdruck "Seitenverhältnis" die längste Abmessung des Teilchens (L), geteilt durch die kürzeste Abmessung des Teilchens (W). Bei einer weiteren Ausführungsform haben die Teilchen ein Seitenverhältnis im Bereich von größer als eins bis 10. Und bei einer weiteren Ausführungsform haben die Teilchen ein Seitenverhältnis im Bereich von größer als eins bis 3.
Gemäß einem weiteren Aspekt können keramische Aggregatteilchen, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt sind, verschiedene Größen haben (zum Beispiel keramische Aggregatteilchen mit verschiedenen Durchmessern). Bei einer Ausführungsform zum Beispiel bildet eine Zusammensetzung, die man durch ein mit Durchbrüchen versehenes Substrat mit einer oder mehreren kreisrunden Öffnungen passieren lässt, allgemein keramische Aggregatvorläuferteilchen mit annähernd kreisrunden Querschnitten von etwa dem gleichen Durchmesser wie die eine oder die mehreren Öffnungen. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können keramische Aggregatteilchen einen Durchmesser im Bereich von etwa 25 Mikrometern (ein mil) bis etwa 12.700 Mikrometern (500 mil) haben. Bei einer weiteren Ausführungsform können keramische Aggregatteilchen einen Durchmesser im Bereich von etwa 381 Mikrometern (15 mil) bis etwa 6350 Mikrometern (250 mil) haben.
Eines der Merkmale der vorliegenden Erfindung ist, dass die Aggregatteilchen, die wie oben beschrieben hergestellt werden, im Wesentlichen gleichmäßige Querschnittsabmessungen – gemessen entlang einer bestimmten Achse – haben. Mit "im Wesentlichen gleichmäßig" ist gemeint, dass die Abmessung um nicht mehr als etwa 20 Prozent variiert, in der Regel nicht mehr als etwa 10 Prozent.
Gemäß einem weiteren Aspekt können keramische Aggregatteilchen, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, verschiedene Formen haben. Die Teilchen haben Querschnittsformen, die gekrümmt, kreisrund, dreieckig oder sechseckig sind. Teilchen mit einem Seitenverhältnis größer als eins sind in der Regel stabförmig.
Ein beispielhaftes mit Durchbrüchen versehenes Substrat kann ein Material mit einer oder mehreren Öffnungen sein, das genügend Festigkeit aufweist, damit man eine Zusammensetzung durch die eine oder die mehreren Öffnungen hindurchdrücken kann, ohne das mit Durchbrüchen versehene Substrat zu zerbrechen. Zu mit Durchbrüchen versehenen Substraten können im Allgemeinen zum Beispiel gehören: Maschensiebe, wie sie zum Beispiel im US-Patent Nr. 5,090,968 beschrieben sind, dessen Offenbarung durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird, Folienblasköpfe, Spinndüsen, Siebbahnen, wie sie zum Beispiel im US-Patent Nr. 4,393,021 beschrieben sind, oder Siebe, wie sie zum Beispiel im US-Patent Nr. 4,773,599 beschrieben sind, deren Offenbarungen durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthalten mit Durchbrüchen versehene Substrate konische Siebe mit einer oder mehreren kreisrunden Öffnungen im Bereich von etwa 25 Mikrometern (ein mil) bis etwa 12.700 Mikrometern (500 mil) Durchmesser. Bei einer weiteren Ausführungsform enthalten mit Durchbrüchen versehene Substrate konische Siebe mit einer oder mehreren kreisrunden Öffnungen im Bereich von etwa 381 Mikrometern (15 mil) bis etwa 6350 Mikrometern (250 mil) Durchmesser.
Die Formungsvorrichtung 18 in 3 kann jede beliebige Materialformungsvorrichtung sein, wie zum Beispiel ein Extruder, eine Mahl- oder Zerkleinerungsmaschine, eine Pelletisiermaschine oder eine Wannenagglomeriervorrichtung. 4 veranschaulicht eine bevorzugte Formungsvorrichtung 40, bei der es sich um eine Zerkleinerungsmaschine handelt, bei Y-Tron Quadro (U.K.) Limited, Chesham, Großbritannien, unter der Handelsbezeichnung "QUADRO COMIL" zu beziehen. Die Formungsvorrichtung 40 hat einen Rührflügel 43, der an einer drehbaren Welle 44 montiert ist. Die Welle 44 und der Rührflügel 43 befinden sich in einem Kanal 46 mit einem Eingang 48 und einem Ausgang 50. Der Rührflügel 43 ist so geformt und montiert, dass ein Spalt 52 zwischen einer äußeren Kante 45 des Rührflügels 43 und einer verjüngten, mit Öffnungen versehenen Wand 58 des Siebes 56 besteht, und der Spalt 52 ist im Wesentlichen konstant, wenn sich der Rührflügel 43 um die Welle 44 dreht.
Im Allgemeinen kann die Querschnittsform des Rührflügels 43 zum Beispiel rund oder flach sein oder aus winkeligem Flachmaterial bestehen. In der Regel sind die Formen des Rührflügels 43, wie sie in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, rund. Bei einer Ausführungsform hat der Rührflügel 43 pfeilspitzenartige Formen.
Die Breite des Spaltes 52 kann zum Beispiel von 25 Mikrometern (1 mil) bis 5080 Mikrometern (200 mil) reichen. In der Regel liegt die Breite des Spaltes 52 im Bereich von 127 Mikrometern (5 mil) bis 1270 Mikrometern (50 mil).
Das Justieren der Drehzahl des Rührflügels 43 zum Optimieren der Formung der keramischen Aggregatvorläuferteilchen ist dem Fachmann geläufig. In der Regel beträgt die Drehzahl des Rührflügels 43 von 50 bis 3500 U/min.
Der Kanal 46 enthält außerdem einen Träger 54, der so geformt und positioniert ist, dass er das Sieb 56 so hält, dass alles Material, das vom Eingang 48 zum Ausgang 50 gelangt, das Sieb 56 passiert. Das Sieb 56 ist so geformt, dass die verjüngte, mit Öffnungen versehene Wand 58 die Form eines Kegelstumpfes aufweist, wobei ein weites Ende 60 des Siebes 56 offen ist und ein schmales Ende 62 mindestens teilweise geschlossen ist. Bei den meisten Verwendungszwecken ist es wünschenswert, dass das schmale Ende 62 vollständig geschlossen ist. Das Sieb 56 hat eine oder mehrere Öffnungen 64, die mit einer Form versehen sind.
Wie in 5 gezeigt, können die eine oder die mehreren Sieböffnungen 64 gekrümmt, kreisrund, dreieckig oder sechseckig sein. In der Regel ist die Form der einen oder der mehreren Sieböffnungen 64, die in der vorliegenden Erfindung verwendet werden, kreisrund. Die bevorzugten Formen für die eine oder die mehreren Sieböffnungen 64 sind kreisrund und haben einen Größenbereich von 381 Mikrometern (15 mil) bis 6350 Mikrometern (250 mil) im Durchmesser oder in der Diagonale.
Wie sofort aus 4 zu ersehen ist, ragt das Ende 66 der Welle 44 aus dem Kanal 46 heraus. Eine (nicht gezeigte) Antriebsquelle kann problemlos am Ende 66 der Welle 44 angebracht werden, damit sich die Welle 44 und der angebrachte Rührflügel 43 relativ zum Sieb 56 drehen. In der Regel handelt es sich bei der Antriebsquelle um einen drehzahlvariablen Elektromotor. Jedoch ist die Antriebsquelle von herkömmlicher Art, und es eignen sich viele weitere Antriebsquellen für den Antrieb der Vorrichtung 40.
Gemäß einem weiteren Aspekt beinhaltet die vorliegende Erfindung das mindestens teilweise Härten der Zusammensetzung, die in den keramischen Aggregatvorläuferteilchen vorliegt. Bei einer Ausführungsform, wie sie zum Beispiel in 3 veranschaulicht ist, werden die keramischen Aggregatvorläuferteilchen mindestens teilweise gehärtet, während sie durch Schwerkraft durch eine Härtungszone 24 fallen. Wie in 3 gezeigt, kann ein mindestens teilweises Härten handhabbare und auffangbare keramische Aggregatvorläuferteilchen 28 erbringen, die in einem Behälter 30 aufgefangen werden.
Das mindestens teilweise Härten der keramischen Aggregatvorläuferteilchen kann durch eine Energiequelle 26 bewirkt werden. Zu einer oder mehreren beispielhaften Energiequellen 26 gehören thermische und Strahlungsenergie. In der Regel werden eine oder mehrere Strahlungsenergiequellen verwendet. Beispielhafte Quellen von Strahlungsenergie sind Elektronenstrahlen, ultraviolettes Licht, sichtbares Licht, Mikrowellen, Laserlicht und Kombinationen daraus.
Bei einer Ausführungsform wird ultraviolettes Licht als eine Strahlungsenergiequelle 26 verwendet, und es werden Spiegel 25 in einer Härtungszone 24 verwendet, um die ultravioletten Wellen so zu reflektieren, dass die Energie, die zu den keramischen Aggregatvorläuferteilchen übertragen wird, intensiviert wird. Ultraviolette Strahlung meint nicht-teilchenförmige Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von etwa 4 bis etwa 400 Nanometern, bevorzugt im Bereich von etwa 250 bis etwa 400 Nanometern. Bei einer Ausführungsform ist eine Vorrichtung, die zum mindestens teilweisen Strahlungshärten verwendet wird, eine wie zum Beispiel jene, die bei Fusion W Systems, Inc., Gaithersburg, Maryland, unter der Handelsbezeichnung "DRE 410 Q" zu beziehen ist. Bei einer Ausführungsform ist die Strahlungsvorrichtung "DRE 410 Q" zum Beispiel mit zwei 600 Watt starken Fusion-"d"-Lampen ausgestattet, die auf "hohe" Leistung eingestellt werden.
Sichtbare Strahlung meint nicht-teilchenförmige Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von etwa 400 bis etwa 800 Nanometern. Bei einer Ausführungsform wird nicht-teilchenförmige Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von etwa 400 bis etwa 550 Nanometern verwendet.
Bei anderen Ausführungsformen können eine oder mehrere Wärmeenergiequellen verwendet werden. Zu beispielhaften Wärmeenergiequellen, die verwendet werden können, gehören elektrische oder Verbrennungswärmequellen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann Infrarotstrahlung als eine Wärmeenergiequelle verwendet werden.
Die Menge an Strahlungsenergie, die benötigt wird, um die keramischen Aggregatvorläuferteilchen mindestens teilweise auszuhärten, um handhabbare und auffangbare keramische Aggregatvorläuferteilchen zu gewinnen, kann von Faktoren wie zum Beispiel der Art des härtbaren Bindemittelvorläufermaterials, der Art des keramischen Bindemittelvorläufermaterials, der Verweildauer in der Härtungszone, der Art der Feststoffteilchen und der Art der gegebenenfalls verwendeten optionalen modifizierenden Zusatzstoffe abhängen.
Optional können keramische Aggregatvorläuferteilchen, die gemäß einem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, unter Verwendung von Wärmeenergie, Strahlungsenergie oder Kombinationen daraus mindestens teilweise weiter gehärtet werden. Ein weiteres mindestens teilweises Härten kann zu keramischen Aggregatvorläuferteilchen mit anderen Eigenschaften führen, wie zum Beispiel erhöhte Steifigkeit zum Handhaben und Auffangen. In der Regel bleiben keramische Aggregatteilchen, die handhabbar und auffangbar sind, durch die Verfahrensschritte allgemein fest zusammenhängende keramische Aggregatvorläuferteilchen. In der Regel neigen keramische Aggregatteilchen, die nicht handhabbar und auffangbar sind, zum Auseinanderbrechen, wenn die Teilchen an einem Punkt während der Verfahrensschritte physisch bewegt werden. Bei einer Ausführungsform werden erste keramische Aggregatvorläuferteilchen mindestens teilweise gehärtet, um zweite keramische Aggregatvorläuferteilchen zu erzeugen, die härtbares Bindemittelvorläufermaterial, keramisches Bindemittelvorläufermaterial, mehrere Feststoffteilchen und das Produkt des mindestens teilweisen Härtens der ersten keramischen Aggregatvorläuferteilchen umfassen. Das Verfahren umfasst des Weiteren das mindestens teilweise Härten der zweiten keramischen Aggregatvorläuferteilchen, die handhabbar und auffangbar sind.
Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet der nächste Schritt nach dem mindestens teilweisen Härten der keramischen Aggregatvorläuferteilchen das Erwärmen der keramischen Aggregatvorläuferteilchen auf eine Temperatur und für eine Zeitdauer, die ausreicht, um keramische Aggregatteilchen mit gewünschten Eigenschaften zu erhalten, wie zum Beispiel Gesamtporenvolumen (ml/g), scheinbares Teilchenvolumen (ml/g), Volumenprozentporosität, scheinbare Schüttdichte (g/cm³) oder Druckfestigkeit (lb). Das Gesamtporenvolumen und das scheinbare Teilchenvolumen werden durch Quecksilberintrusionsporosimetrieanalyse gemessen. Die Quecksilberintrusionsporosimetrieanalyse wird in den Beispielen 9-14 weiter beschrieben. Das Gesamtporenvolumen ist das massenormalisierte Gesamtvolumen des offenen Raumes innerhalb der keramischen Aggregatteilchen, der eine Verbindung zur Außenfläche der Teilchen hat, d. h. die oberflächenverbundene Porosität, die infolge von Kapillarwirkung das Eindringen von Quecksilber in die keramischen Aggregatteilchen ermöglicht. Die Quecksilberintrusionsporosimetrie misst das Eindringen von Quecksilber in Teilchen mit Porendurchmessern im Bereich von etwa 0,07 Mikrometern bis etwa 900 Mikrometern. In der Regel haben die Aggregatteilchen der Erfindung eine Volumenprozentporosität von bis zu etwa 25 Prozent. Die Volumenprozentporosität wird folgendermaßen berechnet: (Gesamtporenvolumen / scheinbares Teilchenvolumen) x·100. Das scheinbare Teilchenvolumen ist das Volumen von Quecksilber, das durch das keramische Aggregatteilchen verdrängt wird. Die scheinbare Schüttdichte ist das Verhältnis der Masse der keramischen Aggregatteilchen zum scheinbaren Teilchenvolumen. Die Druckfestigkeit ist die mittlere Kraft, die erforderlich ist, damit ein Teilchen unter einer Drucklast zerbricht, und wird in der Testvorschriftvorschrift Nr. 2 weiter beschrieben. Beispielhafte Werte, die durch Verfahren der vorliegenden Erfindung gewonnen wurden, werden weiter unten besprochen.
Bei einer Ausführungsform enthält das Erwärmen den folgenden aus zwei Schritten bestehenden Brennprozess. Die zwei Schritte des Brennprozesses finden in der Regel zu getrennten Zeiten statt, aber sie könnten auch aufeinanderfolgend zur gleichen Zeit in einem einzigen Brennofenzyklus stattfinden. Bei einer Ausführungsform beinhaltet der erste (d. h. der Vorbrenn-) Schritt das Erwärmen der keramischen Aggregatvorläuferteilchen von Raumtemperatur auf eine Endtemperatur im Bereich von etwa 500°C bis etwa 650°C mit einer langsamen Rate, in der Regel 2°C in der Minute, und das Inkontaktbringen der Teilchen mit der Endtemperatur über eine Dauer von in der Regel etwa 1 bis etwa 4 Stunden, um gehärtetes und/oder ungehärtetes Material, wie zum Beispiel Acrylatharz, zu entfernen und zu bewirken, dass das keramische Bindemittelvorläufermaterial sich genügend verbindet, um handhabbare und auffangbare Teilchen zu erhalten. Während des Voranschreitens des Erwärmens während des ersten Schrittes sinkt in der Regel die Druckfestigkeit der keramischen Aggregatvorläuferteilchen auf ein Minimum. Dieses Minimum tritt in der Regel bei vollständiger Pyrolyse des gehärteten und/oder ungehärteten Materials ein, weil die Pyrolyse von gehärtetem und/oder ungehärtetem Material Hohlräume in den keramischen Aggregatvorläuferteilchen hinterlässt und das keramische Bindemittelvorläufermaterial sich in der Regel noch nicht genügend verbunden hat, um handhabbare und auffangbare Teilchen entstehen zu lassen. Während sich jedoch das Erwärmen in Richtung der Endtemperatur fortsetzt, beginnt das keramische Bindemittelvorläufermaterial in der Regel, sich ausreichend zu verbinden, um die Druckfestigkeit der Teilchen zu erhöhen und handhabbare und auffangbare Teilchen entstehen zu lassen. Weil die Teilchen in der Regel nicht handhabbar und auffangbar sind, wenn die Pyrolyse abgeschlossen ist, wird in der Regel während des ersten Schrittes ein Festbett verwendet, um die auf die Teilchen einwirkenden Kräfte zu minimieren, so dass die Teilchen intakt bleiben. Zu Beispielen von Brennöfen, die sich für das Festbettbrennen während des ersten Schrittes eignen, gehören Herdwagenöfen, Rollenherdöfen, Stoßöfen und Bandöfen. Bei einer Ausführungsform werden die keramischen Aggregatvorläuferteilchen während des ersten Schrittes mit einer langsamen Rate erwärmt, zum Beispiel 2°C in der Minute, um die Rate der Pyrolyse von gehärtetem und/oder ungehärtetem Material zu steuern. In der Regel führen relativ rasche Heizraten allgemein dazu, dass sich gehärtetes und/oder ungehärtetes Material zu einem oder mehreren Gasen mit einer Rate zersetzt, die höchstwahrscheinlich die keramischen Aggregatvorläuferteilchen zerstört. In der Regel erfolgt das Erwärmen während des Vorbrennschrittes in einer oxidierenden Atmosphäre (zum Beispiel Luft), um die vollständige Pyrolyse von gehärtetem und/oder ungehärtetem Material, wie zum Beispiel Acrylatharz, zu unterstützen. Es ist bevorzugt, dass die Vorbrenntemperaturen und Heizraten so gewählt werden, dass gewährleistet ist, dass bei Vollendung des Vorbrennschrittes alles gehärtete und/oder ungehärtete Material aus den keramischen Vorläuferaggregatteilchen entfernt ist.
In der Regel werden während des zweiten Brennschrittes vorgebrannte Teilchen, die kein restliches gehärtetes und/oder ungehärtetes Material enthalten, auf eine Endtemperatur im Bereich von etwa 650°C bis etwa 1500°C mit einer beliebigen gewünschten Heizrate erwärmt. Auch hier ist es bevorzugt, dass kein restliches gehärtetes und/oder ungehärtetes Material in den vorgebrannten Teilchen vorhanden ist, weil das Entstehen von Gasen bei der thermischen Zersetzung der Materialien zu einem Reißen der Teilchen führen kann, wodurch die gewünschte Gleichmäßigkeit der Teilchenform beeinträchtigt wird. In der Regel werden die Teilchen der Endtemperatur über eine Dauer von einer bis vier Stunden ausgesetzt, um eine teilweise oder vollständige Verdichtung des keramischen Bindemittelvorläufermaterials zu bewirken. Im Sinne der vorliegenden Erfindung meint "Verdichtung" die teilweise oder vollständige Beseitigung von offenen Räumen innerhalb des keramischen Aggregatteilchens, um keramische Aggregatteilchen mit erhöhter Teilchendichte (d. h. einem verringerten Teilchenvolumen je Teilchenmasseeinheit) zu erhalten. Bei einer Ausführungsform kann das Erwärmen während des zweiten Brennschrittes in einem Festbett oder Nicht-Festbett erfolgen, weil die vorgebrannten Teilchen handhabbar und auffangbar sind und intakt bleiben, wenn eine Kraft auf sie einwirkt, die einen Körper allgemein mechanisch beansprucht oder verformt. Zu Beispielen für Nicht-Festbetten gehören Drehofen- oder Wirbelschicht-Brenntechniken.
Die endgültige Brenntemperatur und die Brenndauer der Teilchen bei der endgültigen Brenntemperatur beeinflussen das Gesamtporenvolumen (ml/g), die Volumenprozentporosität, die scheinbare Schüttdichte (g/cm³) und die Druckfestigkeit (lb). Sowohl das Gesamtporenvolumen als auch die Volumenprozentporosität von keramischen Aggregatteilchen nehmen allgemein in dem Maße ab, wie sich die endgültige Brenntemperatur erhöht und/oder die Brenndauer der keramischen Aggregatteilchen bei der endgültigen Brenntemperatur verlängert. Bei einer Ausführungsform kann das Gesamtporenvolumen im Bereich von etwa 0,01 ml/g bis etwa 0,05 ml/g liegen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Gesamtporenvolumen im Bereich von etwa 0,002 ml/g bis etwa 0,25 ml/g liegen. Bei einer Ausführungsform kann die Volumenprozentporosität im Bereich von etwa 25 % bis etwa 5 % liegen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Volumenprozent porosität im Bereich von etwa 40 % bis etwa 1 % liegen. Die scheinbare Schüttdichte erhöht sich allgemein mit zunehmender endgültiger Brenntemperatur und/oder mit zunehmender Brenndauer der keramischen Aggregatteilchen bei der endgültigen Brenntemperatur. Bei einer Ausführungsform kann die scheinbare Schüttdichte im Bereich von etwa 2,5 g/cm³ bis etwa 3,0 g/cm³ liegen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die scheinbare Schüttdichte im Bereich von etwa 2,0 g/cm³ bis etwa 4,0 g/cm³ liegen. Die Druckfestigkeit nimmt allgemein in dem Maße zu, wie die endgültige Brenntemperatur zunimmt und/oder wie die Brenndauer der keramischen Aggregatteilchen bei der endgültigen Brenntemperatur sich verlängert. Bei einer Ausführungsform kann die Druckfestigkeit im Bereich von etwa 5 lb. (2,3 kg) bis etwa 25 lb. (11,3 kg) liegen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Druckfestigkeit im Bereich von etwa 2 lb. (0,9 kg) bis etwa 80 lb. (36,3 kg) liegen.
In der Regel werden mindestens teilweise gehärtete keramische Aggregatvorläuferteilchen mindestens teilweise mit einem Metalloxidteilchen beschichtet, damit sie während des Erwärmens nicht aneinander kleben. Wenn Brennschritte zu getrennten Zeiten ausgeführt werden, so werden die keramischen Aggregatvorläuferteilchen in der Regel mit Metalloxidteilchen nach dem Vorbrennen, aber vor dem zweiten Brennschritt beschichtet. Bei einer Ausführungsform beträgt die Menge an Metalloxidteilchen, die verwendet wird, um die keramischen Aggregatvorläuferteilchen mindestens teilweise zu beschichten, annähernd 5 Gewichts-% bis 10 Gewichts-% der keramischen Aggregatvorläuferteilchen. Bei einer Ausführungsform enthalten die Metalloxidteilchen wasserhaltiges Aluminiumoxid.
Bei einer weiteren Ausführungsform können Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung das Verringern der mittleren Größe von keramischen Aggregatvorläufer- und/oder keramischen Aggregatteilchen nach dem mindes tens teilweisen Härten bzw. Erwärmen beinhalten. In der Regel erfolgt das Verringern der mittleren Teilchengröße mittels Mahlen und/oder Zerstoßen und/oder Stürzen. Bei einer Ausführungsform kann die in 4 gezeigte Vorrichtung 40 verwendet werden, um die mittlere Größe von keramischen Aggregatvorläuferteilchen und/oder keramischen Aggregatteilchen zu verringern.
Weitere Verfahren zum Herstellen von Ausführungsformen von keramischen Aggregatteilchen gemäß der vorliegenden Erfindung finden sich zum Beispiel in der gleichzeitig anhängigen Anmeldung mit der US-Seriennummer 09/972,315, die am selben Tag wie diese Anmeldung eingereicht wurde und durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
Das Verfahren zum Herstellen der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Aggregate ist im Allgemeinen kostengünstiger und erfordert weniger Schritte und weniger Platz und Arbeitsaufwand als herkömmliche Mittel zum Herstellen keramischer Aggregatteilchen, wie zum Beispiel Formen.
Keramische Aggregatteilchen, die gemäß Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt werden, finden zum Beispiel Anwendung als Schleifmittel, Dachbeschichtungsgranalien, Filtrationsprodukte, Hartbeschichtungen, Granalienstrahlmedien, Trommelmühlenmedien, Bremsbeläge, rutsch- und verschleißfeste Beschichtungen, synthetische Knochen, Dentalzusammensetzungen, rückstrahlende Folien und Laminatverbundstrukturen. Bei einer Ausführungsform beinhalten Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung das Kombinieren von mindestens einem Teil der gehärteten keramischen Aggregatteilchen mit Schleifgegenstand-Bindemittelmaterial und Schleifmaterial zu einem Schleifgegenstand. Zu geeigneten Schleifgegenständen gehören Schleifgegenstände auf einer Unterlage (einschließlich Vliesschleifgegenstände) und gebundene Schleifgegenstände.
Keramische Schleifaggregate gemäß der vorliegenden Erfindung können in herkömmlichen Schleifprodukten verwendet werden, wie zum Beispiel Schleifprodukten auf einer Unterlage, gebundenen Schleifprodukten (einschließlich keramisch gebundener, kunstharzgebundener und metallisch gebundener Schleifscheiben, Trennscheiben, Besatzspitzen und Honsteine), Vliesschleifprodukten und Schleifbürsten. In der Regel enthalten Schleifprodukte (d. h. Schleifgegenstände) Bindemittel und Schleifteilchen (die bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung Schleifaggregate gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten), die innerhalb des Schleifprodukts durch das Bindemittel festgehalten werden. Verfahren zum Herstellen solcher Schleifprodukte und zum Verwenden von Schleifprodukten sind einschlägig bekannt. Des Weiteren können Schleifaggregate gemäß der vorliegenden Erfindung in Schleifanwendungen verwendet werden, die Schlämmen aus Schleifverbindungen (zum Beispiel Poliermassen), Mahlmedien, Granalienstrahlmedien, Rüttelmühlenmedien und dergleichen verwenden.
Schleifprodukte auf einer Unterlage enthalten allgemein einen Träger, Schleifmaterial und mindestens ein Bindemittel, um die Schleifteilchen (die bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung Schleifteilchen enthalten, die in Form eines keramischen Schleifaggregats gemäß der vorliegenden Erfindung zusammengeballt sind) auf dem Träger zu halten. Bei dem Träger kann es sich um ein beliebiges geeignetes Material handeln, einschließlich Gewebe, Polymerfolie, Fasern, Vliesbahnen, Papier, Kombinationen daraus und behandelte Versionen davon. Bei dem Bindemittel kann es sich um ein beliebiges geeignetes Bindemittel handeln, einschließlich eines anorganischen oder organischen Bindemittels (einschließlich thermisch härtbarer Harze und strahlungshärtbarer Harze). Die Schleifteilchen können in einer einzelnen Schicht oder in zwei Schichten des Schleifprodukts auf einer Unterlage vorhanden sein.
Ein Beispiel eines Schleifprodukts auf einer Unterlage ist in 6 dargestellt. Wenden wir uns dieser Figur zu. Das Schleifprodukt 101 auf einer Unterlage hat einen Träger (ein Substrat) 102 und eine Schleifschicht 103. Die Schleifschicht 103 enthält keramisches Schleifaggregat 104 gemäß der vorliegenden Erfindung, das mittels einer Klebeschicht 105 und einer Einbettungsschicht 106 auf einer Hauptfläche des Trägers 102 befestigt ist. In einigen Fällen wird eine (nicht gezeigte) Einbettungs-Überzugsschicht verwendet.
Gebundene Schleifprodukte enthalten in der Regel eine geformte Masse aus Schleifteilchen (die bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung keramisches Schleifaggregat enthält), die durch ein organisches, metallisches oder keramisches Bindemittel zusammengehalten werden. Eine solche geformte Masse kann zum Beispiel die Form einer Scheibe, wie zum Beispiel einer Schleifscheibe oder einer Trennscheibe, haben. Der Durchmesser von Schleifscheiben beträgt in der Regel etwa 1 cm bis über 1 Meter. Der Durchmesser von Trennscheiben beträgt etwa 1 cm bis über 80 cm (häufiger 3 cm bis etwa 50 cm). Die Trennscheibendicke beträgt in der Regel etwa 0,5 mm bis etwa 5 cm, häufiger etwa 0,5 mm bis etwa 2 cm. Die geformte Masse kann zum Beispiel auch die Form eines Honsteins, eines Segments, einer Besatzspitze, einer Scheibe (zum Beispiel einer Doppelscheibenschleifmaschine) oder eine andere Form haben, wie man sie bei herkömmlichen gebundenen Schleifprodukten findet. Gebundene Schleifprodukte umfassen in der Regel etwa 3-50 Volumen-% Bondmaterial, etwa 30-90 Volumen-% Schleifmaterial, bis zu 50 Volumen-% Zusatzstoffe (einschließlich Schleifhilfsmitteln) und bis zu 70 Volumen-% Poren, auf der Basis des Gesamtvolumens des gebundenen Schleifprodukts. Schleifscheiben haben in der Regel einen Porositätsanteil von mindestens 10 %, 20 % oder sogar noch mehr.
Ein beispielhaftes gebundenes Schleifprodukt ist eine Schleifscheibe. Wenden wir uns 7 zu, wo eine Schleifscheibe 110 gezeigt ist, die keramisches Schleifaggregat 111 gemäß der vorliegenden Erfindung enthält, das zu einer Scheibe geformt und auf einer Nabe 112 montiert ist. Ein Vorteil, den Ausführungsformen von Schleifaggregat gemäß der vorliegenden Erfindung bei einem gebundenen Schleifprodukt wie zum Beispiel einer Schleifscheibe bieten können, ist Platz für den Spänedurchlass während des Metallabtrags. Das heißt, die Porosität, die bei bestimmten Ausführungsformen von Schleifaggregaten gemäß der vorliegenden Erfindung vorhanden ist, kann Platz für den Spänedurchlass während des Metallabtrags schaffen.
Vliesschleifprodukte enthalten in der Regel eine offenporige, federnd-poröse Polymerfilamentstruktur mit Schleifteilchen (die bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung keramische Schleifaggregate gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten), die über die gesamte Struktur verteilt sind und mittels eines organischen Bindemittels in diese Struktur haftend eingebunden sind. Zu Beispielen für Filamente gehören Polyesterfasern, Polyamidfasern und Polyaramidfasern. 8 ist eine schematische, um etwa das Einhundertfache vergrößerte Darstellung eines typischen Vliesschleifprodukts. Ein solches Vliesschleifprodukt umfasst eine Fasermatte 150 als ein Substrat, auf dem keramische Schleifaggregate gemäß der vorliegenden Erfindung 152 mittels Bindemittel 154 angehaftet sind.
Zu brauchbaren Schleifbürsten, gehören jene mit mehreren Borsten, die einstückig mit einem Träger ausgebildet sind (siehe zum Beispiel die US-Patente Nr. 5,427,595 (Pihl und Mitarbeiter), Nr. 5,443,906 (Pihl und Mitarbeiter), Nr. 5,679,067 (Johnson und Mitarbeiter) und Nr. 5,903,951 (Ionta und Mitarbeiter), deren Offenbarung durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird). Zu solchen Bürsten gehören jene, die durch Spritzgießen eines Gemischs aus Polymer und Schleifteilchen (die bei der praktischen Umsetzung der vorliegenden Erfindung keramische Schleifaggregate gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten) hergestellt sind.
Zu geeigneten organischen Bindemitteln zum Herstellen von Schleifprodukten gehören duroplastische organische Polymere. Zu Beispielen für geeignete duroplastische organische Polymere gehören Phenolharze, Harnstoffformaldehydharze, Melaminformaldehydharze, Urethanharze, Acrylatharze, Polyesterharze, Aminoplastharze mit α,β-ungesättigten Carbonyl-Seitengruppen, Epoxidharze, acryliertes Urethan, acrylierte Epoxidharze und Kombinationen daraus. Das Bindemittel und/oder das Schleifprodukt können auch Zusatzstoffe enthalten, wie zum Beispiel Fasern, Schmiermittel, Netzmittel, thixotrope Materialien, grenzflächenaktive Stoffe, Pigmente, Farbstoffe, antistatische Mittel (zum Beispiel Ruß, Vanadiumoxid, Graphit usw.), Haftvermittler (zum Beispiel Silane, Titanate, Zirkoaluminate usw.), Weichmachers, Suspendiermittel und dergleichen. Die Mengen dieser optionalen Zusatzstoffe werden so gewählt, dass die gewünschten Eigenschaften entstehen. Die Haftvermittler können die Adhäsion an den Schleifteilchen und/oder Füllmitteln verbessern. Die Bindemittelchemie kann thermisch gehärtet, strahlungsgehärtet oder kombiniert thermisch und strahlungsgehärtet werden. Weitere Einzelheiten zur Bindemittelchemie finden sich in den US-Patenten Nr. 4,588,419 (Caul und Mitarbeiter), Nr. 4,751,137 (Tumey und Mitarbeiter) und Nr. 5,436,063 (Follett und Mitarbeiter), deren Offenbarungen durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden.
Was speziell keramisch gebundene Schleifmittel anbelangt, sind keramische Bindematerialien, die eine amorphe Struktur aufweisen und in der Regel hart sind, einschlägig bekannt. Keramisch gebundene Schleifprodukte können die Gestalt einer Scheibe (einschließlich Trennscheiben), von Honsteinen, Besatzspitzen oder sonstige Formen haben, wie man sie bei herkömmlichen gebundenen Schleifprodukten findet. Ein beispielhaftes keramisch gebundenes Schleifproduktprodukt ist eine Schleifscheibe.
Zu Beispielen für Metalloxide, die zur Herstellung von keramischen Bindematerialien verwendet werden, gehören: Siliciumdioxid, Silikate, Aluminiumoxid, Soda, Calciumoxid, Kaliumoxid, Titandioxid, Eisenoxid, Zinkoxid, Lithiumoxid, Magnesiumoxid, Boroxid, Aluminiumsilikat, Borsilikatglas, Lithiumaluminiumsilikat, Kombinationen daraus und dergleichen. In der Regel können keramische Bindematerialien aus einer Zusammensetzung hergestellt werden, die 10 bis 100 % Glasfritte umfasst, obgleich die Zusammensetzung häufiger 20 % bis 80 % Glasfritte oder 30 % bis 70 % Glasfritte umfasst. Der übrige Teil des keramischen Bindematerials kann ein Nicht-Frittenmaterial sein. Alternativ kann die keramische Bindung aus einer frittenfreien Zusammensetzung abgeleitet sein. Keramische Bindematerialien lässt man in der Regel bei einer oder mehreren Temperaturen im Bereich von etwa 700°C bis etwa 1500°C, gewöhnlich im Bereich von etwa 800°C bis etwa 1300°C, manchmal im Bereich von etwa 900°C bis etwa 1200°C oder auch im Bereich von etwa 950°C bis etwa 1100°C einbrennen. Die tatsächliche Temperatur, bei der man die Bindung einbrennen lässt, richtet sich zum Beispiel nach der konkreten Bindungschemie.
Zu beispielhaften keramischen Bindematerialien gehören jene, die Siliciumdioxid, Aluminiumoxid (zum Beispiel mindestens 10 Gewichtsprozent Aluminiumoxid) und Boroxid (zum Beispiel mindestens 10 Gewichtsprozent Boroxid) umfassen. In den meisten Fällen umfasst das keramische Bindematerial des Weiteren ein oder mehrere Alkalimetalloxide (zum Beispiel Na₂O und K₂O) (in einigen Fällen mindestens 10 Gewichtsprozent Alkalimetalloxid(e)).
Bindematerialien können auch Füllmaterialien oder Schleifhilfsmittel, in der Regel in Form eines teilchenförmigen Materials, enthalten. In der Regel sind die teilchenförmigen Materialien anorganische Materialien. Beispiele für brauchbare Füllmittel und Schleifhilfsmittel für diese Erfindung sind bereits oben beschrieben worden.
Die Schleifprodukte können 100 % keramisches Schleifaggregat gemäß der vorliegenden Erfindung oder Mischungen solcher Aggregate mit anderen Schleifteilchen und/oder Verdünnungsteilchen enthalten. Jedoch sollten mindestens etwa 2 Gewichts-% bevorzugt mindestens etwa 5 Gewichts-% und besonders bevorzugt etwa 30-100 Gewichts-% der Schleifteilchen in den Schleifprodukten keramische Schleifaggregate gemäß der vorliegenden Erfindung sein. In einigen Fällen kann das Schleifaggregat gemäß der vorliegenden Erfindung mit anderen Schleifteilchen und/oder Verdünnungsteilchen in einem Verhältnis zwischen 5 und 75 Gewichts-%, etwa 25 bis 75 Gewichts-%, etwa 40 bis 60 Gewichts-% oder etwa 50 Gewichts-% bis 50 Gewichts-% (d. h. in gleichen Gewichtsmengen) vermischt sein. Zu nicht-einschränkenden Beispielen für geeignete Schleifteilchen gehören Elektrokorund (einschließlich weißem Elektrokorund, wärmebehandeltem Aluminiumoxid und braunem Aluminiumoxid), Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Borcarbid, Titancarbid, Diamant, kubisches Bornitrid, Granat, Elektrokorund-Zirkondioxid, aus Solgel abgeleitete Schleifteilchen und dergleichen. Die aus Solgel abgeleiteten Schleifteilchen können angeimpft oder nicht-angeimpft sein. Gleichfalls können die aus Solgel abgeleiteten Schleifteilchen willkürlich geformt sein oder eine Form haben, wie zum Beispiel dreieckig. Zu Beispielen für Solgel-Schleifteilchen gehören jene, die oben beschrieben sind. Das Schleifaggregat kann im Wesentlichen die gleiche Größe wie das Verdünnungsteilchen haben. Umgekehrt kann das Schleifaggregat größer sein als das Verdünnungsteilchen. Außerdem sind weitere brauchbare verschmolzene Schleifteilchen zum Beispiel in den Anmeldungen mit den US-Seriennummern 09/618,876, 09/618,879, 09/619,106, 09/619,191, 09/619,192, 09/619,215, 09/619,289, 09/619,563, 09/619,729, 09/619,744 und 09/620,262, die jeweils am 19. Juli 2000 eingereicht wurden, und Nr. 09/772,730, die am 30. Januar 2001 eingereicht wurde, offenbart, deren Offenbarung durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
Keramische Schleifaggregate gemäß der vorliegenden Erfindung können auch mit anderen Schleifagglomeraten kombiniert werden. Das Bindemittel der anderen Schleifagglomerate kann organische und/oder anorganisch sein. Weitere Einzelheiten bezüglich Schleifagglomeraten finden sich zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 4,311,489 (Kressner), Nr. 4,652,275 (Bloecher und Mitarbeiter), Nr. 4,799,939 (Bloecher und Mitarbeiter), Nr. 5,549,962 (Holmes und Mitarbeiter) und Nr. 5,975,988 (Christianson), deren Offenbarungen durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden.
Zu Beispielen für geeignete Verdünnungsteilchen gehören Marmor, Gips, Flint, Siliciumdioxid, Eisenoxid, Aluminiumsilikat, Glas (einschließlich Glasblasen und Glasperlen), Aluminiumoxidblasen, Aluminiumoxidperlen und Verdünnungsagglomerate.
Die Schleifteilchen können gleichmäßig in dem Schleifgegenstand verteilt sein oder können in ausgewählten Bereichen oder Abschnitten des Schleifgegenstandes konzentriert sein. Zum Beispiel können bei einem Schleifprodukt auf einer Unterlage zwei Schichten aus Schleifteilchen oder -körnern vorhanden sein. Die erste Schicht umfasst andere Schleifteilchen oder -körner als jene gemäß der vorliegenden Erfindung, und die zweite (äußerste) Schicht umfasst keramisches Schleifaggregat gemäß der vorliegenden Erfindung. Gleichfalls können in einem gebundenen Schleifprodukt zwei voneinander verschiedene Sektionen der Schleifscheibe vorhanden sein. Die äußerste Sektion kann keramische Schleifaggregate gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen, wohingegen die innerste Sektion keine keramischen Schleifaggregate gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst. Alternativ können keramische Schleifaggregate gemäß der vorliegenden Erfindung gleichmäßig in dem gesamten gebundenen Schleifgegenstand verteilt sein.
Weitere Einzelheiten bezüglich Schleifprodukten auf einer Unterlage finden sich zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 4,734,104 (Broberg), Nr. 4,737,163 (Larkey), Nr. 5,203,884 (Buchanan und Mitarbeiter), Nr. 5,152,917 (Pieper und Mitarbeiter), Nr. 5,378,251 (Culler und Mitarbeiter), Nr. 5,417,726 (Stout und Mitarbeiter), Nr. 5,436,063 (Follett und Mitarbeiter), Nr. 5,496,386 (Broberg und Mitarbeiter), Nr. 5,609,706 (Benedict und Mitarbeiter), Nr. 5,520,711 (Helmin), Nr. 5,954,844 (Law und Mitarbeiter), Nr. 5,961,674 (Gagliardi und Mitarbeiter) und Nr. 5,975,988 (Christinason), deren Offenbarungen durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden. Weiter Einzelheiten bezüglich gebundenen Schleifproduktprodukten finden sich zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 4,543,107 (Rue), Nr. 4,741,743 (Narayanan und Mitarbeiter), Nr. 4,800,685 (Haynes und Mitarbeiter), Nr. 4,898,597 (Hay und Mitarbeiter), Nr. 4,997,461 (Markhoff-Matheny und Mitarbeiter), Nr. 5,038,453 (Narayanan und Mitarbeiter), Nr. 5,110,332 (Narayanan und Mitarbeiter) und Nr. 5,863,308 (Qi und Mitarbeiter), deren Offenbarungen durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden. Außerdem finden sich Einzelheiten bezüglich keramischen gebundenen Schleifmitteln zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 4,543,107 (Rue), Nr. 4,898,597 (Hay), Nr. 4,997,461 (Markhoff-Matheny und Mitarbeiter), Nr. 5,094,672 (Giles und Mitarbeiter), Nr. 5,118,326 (Sheldon und Mitarbeiter), Nr. 5,131,926 (Sheldon und Mitarbeiter), Nr. 5,203,886 (Sheldon und Mitarbeiter), Nr. 5,282,875 (Wood und Mitarbeiter), Nr. 5,738,696 (Wu und Mitarbeiter) und Nr. 5,863,308 (Qi), deren Offenbarungen durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen werden. Weitere Einzelheiten bezüglich Vliesschleifprodukten finden sich zum Beispiel im US-Patent Nr. 2,958,593 (Hoover und Mitarbeiter), dessen Offenbarung durch Bezugnahme in den vorliegenden Text aufgenommen wird.
Die Verfahren zum Schleifen mit Schleifaggregaten gemäß der vorliegenden Erfindung können vom Grobschleifen (d. h. mit hohem Druck und hohem Materialabtrag) bis zum Polieren (zum Beispiel das Polieren medizinischer Implantate auf Schleifbändern) reichen, wobei das Letztere in der Regel mit feineren Graden (zum Beispiel kleiner als ANSI 220 und feiner) von Schleifteilchen erfolgt. Die Schleifaggregate können auch für Präzisionsschleifanwendungen geeignet sein, wie zum Beispiel das Schleifen von Nockenwellen mit keramisch gebundenen Scheiben. Die Größe des Schleifaggregatkorns (und von Schleifteilchen, die solche Aggregate umfassen), die für eine bestimmte Schleifanwendung verwendet wird, ist für den Fachmann offensichtlich.
Das Schleifen mit Schleifgegenständen gemäß der vorliegenden Erfindung kann trocken oder nass erfolgen. Zum Nassschleifen kann die Flüssigkeit in Form eines leichten Nebels bis hin zu einem vollständigen Überfluten zugeführt werden. Zu Beispielen für häufig verwendete Flüssigkeiten gehören: Wasser, wasserlösliches Öl, organische Schmierstoffe und Emulsionen. Die Flüssigkeit kann dem Verringern der beim Schleifen entstehenden Wärme dienen und/oder als Schmierstoff fungieren. Die Flüssigkeit kann geringe Mengen an Zusatzstoffen wie zum Beispiel Bakterizid, schaumbremsende Mittel und dergleichen enthalten.
Schleifaggregate gemäß der vorliegenden Erfindung können zum Schleifen von Werkstücken wie zum Beispiel Aluminiummetall, Kohlenstoffstählen, Weichstählen, Werkzeugstählen, Edelstahl, gehärtetem Stahl, Titan, Glas, Keramik, Holz, holzartigen Materialien, Anstrichstoffen, gestrichenen Oberflächen, organischen beschichteten Oberflächen und dergleichen verwendet werden. Die Kraft, die während des Schleifens angelegt wird, reicht in der Regel von etwa 1 bis etwa 100 Kilogramm.
Schleifaggregate gemäß der vorliegenden Erfindung können auch in loser Form oder in einer Schlämme verwendet werden, wobei das Schleifaggregat in flüssigem Medium (zum Beispiel Wasser) suspendiert ist.
Wenden wir uns wieder 1 zu. Bei einer Ausführungsform sind die Feststoffteilchen 84 Schleifkörner, und das Bindemittel 82 liegt in einem relativ niedrigen Volumenverhältnis von zum Beispiel 0,2 bis 2,0 vor. Dadurch entsteht ein Aggregat, das überwiegend Schleifkorn umfasst (bevorzugte Größe: 125-1500 Mikron). Das Bindemittel 82 legt sich dicht an die äußersten Oberflächen 88 der Feststoffteilchen an. Normalerweise ist die Dicke des Bindemittels 82 auf den äußersten Oberflächen 88 der Teilchen relativ dünn und richtet sich nach der Größe der Teilchen. In der Regel beträgt die Dicke des Bindemittels 82 etwa 10 Prozent oder weniger der Querschnittsabmessung des Teilchens, gewöhnlich zwischen etwa 0,05 Mikron und 150 Mikron. Solche Aggregate können bei bestimmten Ausführungsformen Schleifgegenstände erbringen, die gleichbleibend hohe Materialabtragsraten über längere Zeiträume hinweg aufweisen. Zum Beispiel wurden schon Schleifgegenstände mit Materialabtragsraten von bis zu 200 Prozent und Grenznutzungsdauern von bis zu 500 Prozent (in der Regel 200-500 Prozent) – anhand von Vergleichsprodukten gemessen – hergestellt. Der Schleifgegenstand, der unter Verwen dung solcher Aggregate hergestellt ist, erbringt eine gleichbleibendere Leistung, einschließlich der Werkstückoberfläche, im zeitlichen Verlauf. Darüber hinaus schafft die vergrößerte Oberfläche der Aggregatteilchen, die durch den hohen Grad an Oberflächenanpassung des Bindemittels 82 an die Schleifkörner 84 entsteht, ein Teilchen, das fest an der Klebeschicht von Schleifgegenständen anhaftet, die diese Teilchen enthalten oder tragen.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen weiter konkrete Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
BEISPIELE
In den Beispielen werden die folgenden Abkürzungen verwendet (sofern nicht anders angegeben, sind alle Teile, Prozentangaben, Verhältnisse usw. in den Beispielen nach Gewicht):

AO:: wärmebehandeltes Elektrokorund-Schleifkorn, auf dem freien Markt bei Treibacher, Villach, Österreich, unter der Handelsbezeichnung "ALODUR BFRPL" zu beziehen.
AOP:: alpha-Aluminiumoxidpulver, auf dem freien Markt bei Alcoa unter der Handelsbezeichnung "A-16 SG" zu beziehen.
ASF:: amorphes Siliciumdioxid-Füllmittel, auf dem freien Markt bei der DeGussa Corp. (Richfield Part, New Jersey) unter der Handelsbezeichnung "OX-50" zu beziehen.
AG321:: Aus Solgel abgeleitetes Schleifkorn auf Aluminiumoxidbasis, auf dem freien Markt bei der 3M Company, St. Paul, Minnesota, unter der Handelsbezeichnung "Cubitron 321" zu beziehen.
BP:: Boehmit (gamma-Aluminiumoxidmonohydrat), auf dem freien Markt bei Condea Chemical, Hamberg, Deutschland, unter der Handelsbezeichnung "Disperal" zu beziehen.
CaCO3:: Kalziumkarbonat-Füllmittel, auf dem freien Markt bei der J. M. Huber Corp., Quincy, Illinois, unter der Handelsbezeichnung "Chem Q 325" zu beziehen.
CH:: Cumenhydroperoxid, auf dem freien Markt bei der Aldrich Chemical Co., Milwaukee, Wisconsin, als Artikel-Nr. 24,750-2 zu beziehen.
CRY:: Natriumkryolith, auf dem freien Markt bei der Tarconard Trading a/s, Avernakke Nyberg, Dänemark, unter der Handelsbezeichnung "RTN" zu beziehen.
IO:: rotes Eisenoxidpulver, auf dem freien Markt bei der Elementis Pigments Inc., E. St. Louis, Illinois, unter der Handelsbezeichnung "Kroma RO-8097" zu beziehen.
KB1:: Photoinitiator 2,2-Dimethoxy-1,2-diphenyl-1-ethanon, auf dem freien Markt bei der Sartomer Co. unter der Handelsbezeichnung "ESACURE KB1" zu beziehen.
KBF4:: Kaliumtetrafluorborat SPEC 102 und 104, auf dem freien Markt bei der Atotech USZ Inc., Cleveland, Ohio, zu beziehen.
PET:: 5 mil (125 Mikron) dicker Polyesterfilm mit Ethylenacrylsäure (EAA)-Copolymer-Primer, auf dem freien Markt bei der 3M Company, St. Paul, Minnesota, unter der Handelsbezeichnung "Scotchpar P990" zu beziehen.
PH2:: Photoinitiator 2-Benzyl-2-N,N-Dimethylamino-1-(4-morpholinophenyl)-1-butanon, auf dem freien Markt bei der Ciba Geigy Corp. unter der Handelsbezeichnung "Irgacure 369" zu beziehen.
SC:: Siliciumcarbid-Schleifkorn, auf dem freien Markt bei der 3M Company, St. Paul, Minnesota zu beziehen.
REO:: Eine Lösung, hergestellt durch Mischen einer Lanthan-, Neodym- und Yttriumnitratlösung [20,5 La(NO₃)₃·6H₂O, 20,1 % Nd(NO₃)₃·6H₂O, 26,1 % Y(NO₃)₃·6H₂O, zu beziehen bei Molycorp aus Lourviers, Colorado] mit einer ausreichenden Menge an MGN und Kobaltnitrat [15 Co(NO₃)₃·6H₂O, zu beziehen bei Hall Chemical aus Wickliffe, Ohio], so dass eine Lösung entsteht, die etwa 5,8 % La (NO₃)₃·6H₂O, etwa 5,8 % Nd(NO₃)₃·6H₂O, etwa 7,1 % Y(NO₃)₃·6H₂O, etwa 14,4 % Mg(NO₃)₃·6H₂O, etwa 0,4 Co(NO₃)₃·6H₂O und den Rest entionisiertes Wasser enthält.
SCA:: Silan-Haftvermittler 3-Methacryloxpropyltrimethoxysilan, auf dem freien Markt bei der OSI Specialties, Inc., Greenwich, Connecticut, unter der Handelsbezeichnung "A-174" zu beziehen.
SGP:: Alumoborsilikatglaspulver, Mesh-Zahl 325, auf dem freien Markt bei der Specialty Glass Inc., Oldsmar, Florida, unter der Handelsbezeichnung "SP1086" zu beziehen.
TATHEIC:: Triacrylat von Tris(hydroxyethyl)isocyanurat, auf dem freien Markt bei der Sartomer Co. unter der Handelsbezeichnung "SR368" zu beziehen.
TMPTA:: Trimethylolpropantriacrylat, auf dem freien Markt bei der Sartomer Co. unter der Handelsbezeichnung "SR351" zu beziehen.

Verfahrensvorschrift Nr. 1: Allgemeine Verfahrensvorschrift zum Herstellen einer keramischen Aggregatvorläuferschlämme
Eine Schmirgelschlämme wurde durch gründliches Mischen von Schleifkorn, Glaspulvern, Acrylatharz und Initiato ren unter Verwendung eines Mischers (von der Hobart Corporation, Troy, Ohio, Modell-Nummer A120T) hergestellt. Konkrete Formulierungen finden sich in den Tabellen 2, 4, 6, 9, 12 und 13. Die Schmirgelschlämme wurde in dem Mischer bei niedriger Drehzahl unter Verwendung eines Scheibenrührflügels 30 Minuten lang vermischt und infolge mechanischer Erwärmung und Reaktionswärme auf eine Temperatur im Bereich von etwa 90°F (32°C) bis etwa 120°F (49°C) erwärmt. An diesem Punkt die Schmirgelschlämme sehr dick und wies zementartige Handhabungseigenschaften auf. Die vermischte Schlämme wurde dann in einen Kühlschrank verbracht, wo man sie vor der Weiterverarbeitung mindestens 45 Minuten abkühlen ließ. Die Temperatur des Kühlschranks lag im Bereich von etwa 40°F (4°C) bis etwa 45°F (7°C).
Verfahrensvorschrift Nr. 2: Allgemeine Verfahrensvorschrift zum Herstellen keramischer Aggregatvorläuferteilchen
Die keramische Aggregatvorläuferschlämme wurde mit Hilfe der Materialformungsvorrichtung "QUADRO COMIL" (bei Quadro Incorporated, Milbourne, New Jersey, unter der Handelsbezeichnung "QUADRO COMIL", Modell-Nummer 197, zu beziehen) zu Aggregatvorläuferteilchen geformt. Je nach der gewünschten Querschnittsform der keramischen Aggregatvorläuferteilchen wurden verschieden geformte Öffnungen verwendet. Es wurden konische Siebe mit kreisrund geformten Lochöffnungen verwendet, um keramische Aggregatvorläuferteilchen mit kreisrund geformten Querschnitten herzustellen. Es könnten auch konische Siebe mit quadratisch geformten Lochöffnungen verwendet werden, um keramische Aggregatvorläuferteilchen mit quadratisch geformten Querschnitten herzustellen. Die Schlämme wurde von Hand in den Einfülltrichter der "QUADRO COMIL" gegeben, während der Rührflügel sich mit einer voreingestellten Drehzahl (U/min) von 350 U/min drehte. Die sich drehende Rührflügel drängte die Schlämme durch die Öffnungen in dem konischen Sieb, und wenn eine kritische Länge erreicht war (in der Regel wird eine kritische Länge erreicht, wenn das Gewicht der Teilchen größer ist als eine Klebkraft zwischen der hergestellten Zusammensetzung und dem mit Durchbrüchen versehenen Substrat), so trennten sich die filamentartig geformten keramischen Aggregatvorläuferteilchen von der Außenseite des Siebes und fielen per Schwerkraft durch eine UV-Härtungskammer (von Fusion UV Systems, Gaithersburg, Maryland, Modell Nr. DRE 410 Q), die mit zwei 600 Watt starken Fusion-"d"-Lampen ausgestattet war, die auf "hohe" Leistung eingestellt waren. Die keramischen Aggregatvorläuferteilchen wurden durch die UV-Strahlung mindestens teilweise gehärtet und dadurch in handhabbare und auffangbare Teilchen umgewandelt.
Bei einigen der folgenden Beispiele wurden die keramischen Aggregatvorläuferteilchen weiter mindestens teilweise gehärtet, indem die Teilchen in Aluminiumwannen verbracht wurden und in einem Umluftofen (von der Lindberg/Blue M Company, Watertown, Wisconsin, Modell-Nummer POM-246F) etwa 5 Stunden bis etwa 8 Stunden lang bei etwa 340°F (171°C) bis etwa 360°F (182°C) mindestens teilweise thermisch gehärtet wurden. Optional wurden die mindestens teilweise gehärteten keramischen Aggregatvorläuferteilchen verkleinert, indem sie durch die "QUADRO COMIL" geführt wurden. In der Regel werden die Teilchen durch das Passieren der "QUADRO COMIL" verkleinert, wobei die "QUADRO COMIL" mit konischen Sieben ausgerüstet war, die relativ größere Öffnungen aufweisen als jene, die zum Herstellen keramischer Aggregatvorläuferteilchen verwendet werden. Für die Teilchenverkleinerung wurde die Rührflügeldrehzahl der "QUADRO COMIL" auf 252 U/min eingestellt.
Verfahrensvorschrift Nr. 3: Allgemeine Verfahrensvorschrift zum Erwärmen keramischer Aggregatvorläuferteilchen zum Herstellen keramischer Aggregatteilchen
In den folgenden Beispielen wurden stabförmige keramische Aggregatvorläuferteilchen durch einen aus zwei Schritten bestehenden Brennprozess in stabförmige keramische Aggregatteilchen umgewandelt. Die zwei Schritte des Brennprozesses wurden zu unterschiedlichen Zeiten ausgeführt, aber sie könnten optional auch nacheinander in einem einzigen Brennofenzyklus ausgeführt werden.
Erster Brennschritt (d. h. Vorbrennen)
Im ersten Brennschritt wurden stabförmige keramische Aggregatvorläuferteilchen vorgebrannt, um Acrylatharz zu entfernen, das in dem Teilchenformungsprozess verwendet wurde, der in Verfahrensvorschrift Nr. 2 beschrieben wurde, und um zu bewirken, dass sich das keramische Bindemittelvorläufermaterial ausreichend verbindet, so dass handhabbare und auffangbare Teilchen entstehen. Die keramischen Aggregatvorläuferteilchen wurden auf eine mittlere Teilchengröße verkleinert (für konkrete mittlere Teilchengrößen siehe die Beispiele), um keramische Aggregatteilchen herzustellen, die sich zum Herstellen von Schleifgegenständen auf einer Unterlage eignen. Dann wurden die Teilchen in einer Dicke von 5/8 Inch (16 mm) in 3,5 Inch × 7,5 Inch (89 mm × 190 mm) messenden Aluminiumoxidwannen (von Coors Ceramics Co., Golden, Colorado) ausgebreitet und in einem Laborofen (von der Lindberg/Blue M Company, Watertown, Wisconsin, Modell-Nummer BF 117) gemäß dem folgenden Plan in Luft erwärmt:

a. Heizrate etwa 3,6°F (2°C)/Minute von etwa Raumtemperatur bis etwa 662°F (350°C)
b. etwa 2 Stunden Durchwärmen bei etwa 662°F (350°C)
c. etwa 3,6°F (2°C)/Minute von etwa 662°F (350°C) bis etwa 1157°F (625°C)
d. etwa 1 Stunde Durchwärmen bei etwa 1157°F (625°C)
e. Abkühlen des Ofens auf etwa Raumtemperatur (der Ofen wurde abgeschaltet, die Teilchen verblieben im Ofen, und sowohl der Ofen als auch die Teilchen kühlten mit einer unkontrollierten Rate auf etwa Raumtemperatur ab).

Nach dem Vorbrennschritt wurden die keramischen Aggregatteilchen mit Handdruck zerstoßen, um längere filamentartige Teilchen und Teilchencluster, die sich miteinander verbunden hatten, aufzubrechen. In den Beispielen Nr. 2 bis Nr. 6 wurden die keramischen Aggregatteilchen nach dem vorgebrannten Zustand ohne weitere Wärmebehandlung für Schleiftests verwendet.
Zweiter Brennschritt für die Beispiele Nr. 1 und Nr. 7 bis Nr. 14
Während des zweiten Brennschrittes für die Beispiele Nr. 1 und Nr. 7 bis Nr. 14 wurden vorgebrannte keramische Aggregatteilchen von Raumtemperatur auf eine Endtemperatur im Bereich von etwa 1200°F (650°C) bis etwa 1832°F (1000°C) wiedererwärmt, um eine teilweise oder vollständige Verdichtung des keramischen Bindemittelvorläufermaterials zu bewirken. In Vorbereitung auf das abschließende Brennen wurden vorgebrannte Teilchen zusammen mit 10 Gewichts-% BP in einen 500 ml fassenden Glaszylinder gegeben. Das Gemisch wurde dann ungefähr eine Minute lang von Hand gestürzt, um die Teilchen zu beschichten, um zu verhindern, dass sie in dem anschließenden Hochtemperatur-Brennschritt aneinander kleben. Die BP-beschichteten Teilchen wurden in die Aluminiumschalen gegeben und in dem Laborofen (von der Lindberg/Blue M Company, Watertown, Wisconsin, Modell-Nummer BF 117) gemäß folgendem Plan gebrannt:

a. Heizrate etwa 9°F (5°C)/Minute von etwa Raumtemperatur auf Endtemperatur im Bereich von etwa 1200°F (650°C) bis etwa 1832°F (1000°C)
b. etwa 4 Stunden Durchwärmen bei Endtemperatur im Bereich von etwa 1200°F (650°C) bis etwa 1832°F (1000°C)
c. Abkühlen des Ofens auf etwa Raumtemperatur (der Ofen wurde abgeschaltet, die Teilchen verblieben im Ofen, und sowohl der Ofen als auch die Teilchen kühlten mit einer unkontrollierten Rate auf etwa Raumtemperatur ab)

Die gebrannten keramischen Aggregatteilchen wurden dann in einem mit Polyethylen ausgekleideten Zementmischer (von CF Glico Inc., Graf ton, Wisconsin, Modell-Nummer 59016A) 15 Minuten lang gestürzt, um Teilchencluster aufzubrechen. Die gebrannten Teilchen wurden dann mittels eines Ro-tap-Rüttelsiebes, Modell-Nummer RX 29, und mittels 8 Inch (20,3 cm) durchmessenden Messingsieben (von W. S. Tyler, Mentor, Ohio, Modell-Nummer RX 29) gesiebt, um den Aluminiumoxidstaub zu entfernen und die gewünschten keramischen Aggregatteilchengrößen aufzufangen (für die konkrete Teilchengröße siehe die Beispiele). Die gesiebten Teilchen wurden mit entionisiertem Wasser gespült, um restlichen Aluminiumoxidstaub zu entfernen, und die gewaschenen Teilchen wurden dann in einer Aluminiumoxidwanne ausgebreitet und über Nacht in einem Umluftofen bei 212°F (100°C) (von Despach Industries, Minneapolis, Minnesota, Modell-Nummer ALD2-11) getrocknet.
Zweiter Brennschritt für die Beispiele Nr. 15 bis Nr. 19
Während des zweiten Brennschrittes für die Beispiele Nr. 15 bis Nr. 19 wurden vorgebrannte keramische Aggregatteilchen auf eine Endtemperatur von etwa 2732°F (1500°C) wiedererwärmt, um eine teilweise oder voll ständige Verdichtung des keramischen Bindemittelvorläufers zu bewirken. Ungefähr 100 Gramm vorgebrannte keramische Aggregatteilchen wurden in 3 Inch durchmessende Platintiegel verbracht und dann in einem Labor-Kammerofen (bei CM, Bloomfield, New Jersey, unter der Handelsbezeichnung "CM RAPID TEMP" zu beziehen) gemäß folgendem Plan erwärmt:

a. Heizrate etwa 9°F (5°C)/Minute von etwa Raumtemperatur auf Endtemperatur von etwa 1500°C
b. etwa 90 Minuten Durchwärmen bei Endtemperatur von etwa 1500°C
c. Abkühlen des Ofens auf etwa Raumtemperatur (der Ofen wurde abgeschaltet, die Teilchen verblieben im Ofen, und sowohl der Ofen als auch die Teilchen kühlten mit einer unkontrollierten Rate auf etwa Raumtemperatur ab) Die gebrannten Teilchen wurden dann mittels eines Rotap-Rüttelsiebes, Modell-Nummer RX 29, und mittels 8 Inch (20,3 cm) durchmessenden Messingsieben (von W. S. Tyler, Mentor, Ohio, Modell-Nummer RX 29) gesiebt, um den Aluminiumoxidstaub zu entfernen und die gewünschten keramischen Aggregatteilchengrößen aufzufangen (für die konkreten Größen siehe die Beispiele). Die gesiebten Teilchen wurden mit entionisiertem Wasser gespült, um restlichen Aluminiumoxidstaub zu entfernen, und die gewaschenen Teilchen wurden dann in einer Aluminiumwanne ausgebreitet und über Nacht etwa 10 Stunden lang in einem Umluftofen bei etwa 212°F (100°C) (von Despach Industries, Minneapolis, Minnesota, Modell-Nummer ALD2-11) getrocknet.

Verfahrensvorschrift Nr. 4: Allgemeine Verfahrensvorschrift zum Herstellen von Schleifgegenständen auf einem Folieträger unter Verwendung von keramischen Aggregatteilchen, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden
Beispiele für Schleifgegenstände auf Folieträgern und mit Acrylat-Klebe- und -Einbettungsharzen wurden unter Verwendung von keramischen Aggregatteilchen nach dem ersten Brennschritt und/oder dem zweiten Brennschritt hergestellt. Das Klebe- und Einbettungsschichtharz wurde gemäß der in Table 1 gezeigten Formulierung hergestellt. Die Mengen sind in Gewichtsprozentanteilen angegeben. Tabelle 1. Klebe- und Einbettungsschichtharzformulierung für Schleifgegenstände auf einem Folieträger
PET-Folie mit einer Dicke von 0,005 Inch (127 μm) wurde als der Träger verwendet. Die Folie hatte eine 0,0008 Inch (20 Mikrometer) dicke EAA-Grundierungsbeschichtung. Das Klebeharz wurde in einer Dicke von 0,012 Inch (300 Mikrometer) mittels einer sechs Inch langen Universalziehklinge (von Paul Gardner, Pompano Beach, Kalifornien, Modell-Nummer AP-G06) auf die grundierte Folienoberfläche aufgerakelt. Keramische Aggregatteilchen wurden von Hand auf das nasse Harz geschüttet und von Hand mehrere Male vor und zurück gewalzt, um die Teilchen gleichmäßig auf dem Träger zu verteilen. Dann wurden die überschüssigen Teilchen abgeschüttelt. Die entstandene beschichtete Probe wurde dann mit Klebeband auf einer Metallplatte befestigt und gehärtet, indem die Probe auf ein Transportband gelegt wurde und durch ein UV-Härtungssystem (von Fusion UV Systems, Gaithersburg, Maryland, Modell Nr. DRE 410 Q) unter Verwendung einer 600 Watt starken Fusion UV-"d"-Lampe, die auf "hohe" Leistung eingestellt war, hindurchgeführt. Die beschichtete Probe wurde dreimal durch das UV-Härtungssystem mit etwa 30 ft/min (9,1 Meter/min) hindurchgeführt. Die beschichtete Probe wurde dann über einer 2 Inch (5 cm) durchmessenden Stange gebogen, um die beschichtete Probe für die Installation in der Schwingtrommeltestvorrichtung (siehe Testvorschrift Nr. 1 unten) besser geeignet zu machen. Eine dünne Einbettungsbeschichtung des gleichen Harzgemischs, das für die Klebeschicht verwendet wurde, wurde dann von Hand auf die beschichtete Probe aufgepinselt, und das überschüssige Harz wurde mit einem Papiertuch abgetupft. Die mit einer Einbettungsschicht versehene Probe wurde dann dreimal durch das UV-Härtungssystem mit etwa 30 ft/min (9,1 Meter/min) hindurchgeführt. Die gehärtete beschichtete Probe wurde dann erneut über einer 2 Inch (5 cm) durchmessenden Stange gebogen, um die beschichtete Probe für die Installation in der Schwingtrommeltestvorrichtung (siehe Testvorschrift Nr. 1 unten) besser geeignet zu machen.
Verfahrensvorschrift Nr. 5: Allgemeine Verfahrensvorschrift zum Herstellen von Schleifgegenständen auf einem Gewebeträger unter Verwendung von keramischen Aggregatteilchen, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden
Beispiele für Schleifgegenstände auf Polyestergewebeträgern und mit Klebe- und Einbettungsharzen auf Phenolbasis wurden mit keramischen Aggregatteilchen hergestellt, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden. Die Trägergewebe mit Y-Gewicht war ein Satinbindungspolyester mit einem Basisgewicht von ungefähr 535 g/m² (von Wisselink Textiles, Aalten, Niederlande). Das Klebeharz war ein Gemisch aus CaCO₃ und Phenol auf Wasserbasis (von Georgia-Pacific Resins, Columbus, Ohio, Produktnummer GP23155B) mit einem Gewichtsverhältnis von 52:48. Eine Ziehvorrichtung "ACCU LAB" (bei der Paul Gardner Co., Pompano Beach, Florida, unter der Handelsbezeichnung "ACCU LAB" zu beziehen) und ein mit Draht Nr. 90 umwickelter Beschichtungsstab (von der Paul Gardner Co., Pompano Beach, Florida) wurden verwendet, um eine gleichmäßige Beschichtung aus Klebeharz auf dem Polyesterträger auszubreiten. Das Klebebeschichtungsgewicht für die Einstellung des mit Draht Nr. 90 umwickelten Beschichtungsstabes in der "ACCU LAB"-Vorrichtung betrug ungefähr 230 g/m² auf Trockengewichtsbasis. Das Klebebeschichtungsgewicht wurde für eine bestimmte Einstellung des mit Draht Nr. 90 umwickelten Beschichtungsstabes in der "ACCU LAB"-Vorrichtung mit Hilfe des folgenden Verfahrens ermittelt: Wiegen einer Trägerprobe, Aufbringen einer Klebeschicht auf die Trägerprobe unter Verwendung der "ACCU LAB"-Vorrichtung bei einer bestimmten Einstellung, Trocknen der Klebeschicht in einem Konvektionsofen (von Precision Scientific, Chicago, Illinois, Modell-Nummer 8) etwa 2 Stunden bei etwa 190°F (88°C) und dann Wiegen des getrockneten klebebeschichteten Trägers. Beschichtungsgewicht = (Gewicht der getrockneten klebebeschichteten Trägerprobe – das Gewicht der Trägerprobe)/(Fläche der Trägerprobe). Keramische Aggregatteilchen, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt waren, wurden dann von Hand auf das nasse Klebeharz geschüttet und mehrere Male von Hand vor und zurück gewalzt, um die Teilchen gleichmäßig auf dem Träger zu verteilen. Dann wurden die überschüssigen Teilchen abgeschüttelt. Die beschichteten Proben wurden über Nacht etwa 10 Stunden lang in einem Konvektionsofen (von Precision Scientific, Chicago, Illinois, Modell-Nummer 8), der auf etwa 180°F (82°C) eingestellt war, erwärmt. Das Einbettungsharz war ein Gemisch aus Kryolith und Phenol auf Wasserbasis (von Georgia-Pacific Resins, Columbus, Ohio, Produktnummer GP23155B) in einem Gewichtsverhältnis von 52:48 und wurde dann von Hand auf die beschichteten Proben auf gepinselt. Die einbettungsbeschichteten Proben wurden in einem Konvektionsofen (von Precision Scientific, Chicago, Illinois, Modell-Nummer 8) etwa 1 Stunde bei etwa 180°F (82°C) erwärmt und dann etwa 2 Stunden lang bei etwa 200°F (93°C) gehärtet, gefolgt von etwa 30 Minuten bei etwa 220°F (104°C) und etwa 1 Stunde bei etwa 245°F (118°C). Nach dem Härten wurden die beschichteten Schleifproduktproben über einer 2 Inch (5 cm) durchmessenden Stange gebogen, um die beschichtete Probe für die Installation in der Schwingtrommeltestvorrichtung (siehe Testvorschrift Nr. 1 unten) besser geeignet zu machen.
Testvorschrift Nr. 1: Schwingtrommel
Schleifgegenstände, die gemäß der Verfahrensvorschrift Nr. 4 oder Nr. 5 hergestellt waren, wurden zu Bögen von 10 Inch × 2,5 Inch (25,4 cm × 6,4 cm) geschnitten. Diese Proben wurden auf einer zylindrischen Stahltrommel einer Testmaschine angebracht. Die Stahltrommel maß 13 Inch (33 cm) im Durchmesser und wurde durch einen Elektromotor und einen Schubstangenhebel dergestalt angetrieben, dass die Trommel oszillierte (in einem kleinen Bogen vor und zurück schwang). Ein Werkstück aus Kohlenstoffstahl 1018 (ein Werkstück wird durch den Schleifgegenstand geschliffen), das 3/16 Inch (0,48 cm) im Quadrat maß, wurde in einer Hebelarmanordnung über der Schleifproduktprobe fixiert, und es wurde eine Last von etwa 8 lb (3,6 kg) an das Werkstück angelegt. Beim Vor- und Zurückschwingen des Schleifgegenstandes wurde das Werkstück abgeschliffen, und es entstand eine 3/16 Inch × 5,5 Inch (0,48 cm × 14 cm) große Materialabtragsspur auf dem Schleifgegenstand. Über dieser Materialabtragsspur fanden ungefähr 60 Hübe in der Minute statt. Ein Druckluftstrahl mit 20 psi (138 kPa) wurde auf die Probe gerichtet, um Schleifspäne und -trümmer von der Materialabtragsspur zu entfernen. Die Menge an Stahl, die nach jeweils 1000 Zyklen abgetragen war (wobei ein Zyklus eine Vor- und Zurückbewegung ist), wurde als die "Intervallabtragsmenge" protokolliert, und die "Gesamtabtragsmenge" war die zusammengenommene Menge an Stahl (die zusammengerechneten "Intervallabtragsmengen"), die am Endpunkt des Tests abgetragen war. Der Endpunkt wurde als der Punkt bestimmt, an dem eine festgelegte Anzahl von Zyklen absolviert war oder an dem die Materialabtragsrate auf weniger als ungefähr 40 % der maximalen Intervallabtragsmenge, die für diesen Test protokolliert wurde, abfiel. Dieser Verfahrensablauf heißt im vorliegenden Text "Schwingtrommeltest".
Testvorschrift Nr. 2: Drucktest
Für jeden Test wurden ungefähr 5 Gramm keramische Aggregatteilchen verwendet. Die Teilchen wurden von Hand zerstoßen, und Teilchen, die im Bereich von etwa 1 mm bis etwa 2 mm lagen, wurden getestet. Die zerstoßenen keramischen Aggregatteilchen wurden auf einen Epoxidharz-Labortisch geschüttet und von Hand ausgebreitet, um die einzelnen Teilchen voneinander zu trennen. Dann wurden die Teilchen unter Verwendung eines Kraftmessgerätes (von Shimpo Instruments, Lincolnwood, Illinois, Modell-Nummer FGV-50), das mit einem Anschluss für einen flachen Kompressionsfuß versehen war, getestet. Das Kraftmessgerät hatte einen Messbereich von 0 bis 60 lbs. Der flache Kompressionsfuß des Kraftmessgerätes wurde in einer horizontalen Position über – und in Kontakt mit – dem zu zerstoßenden Teilchen gehalten, und es wurde von Hand eine konstante Kraft angelegt, bis das Teilchen brach (der Teilchenbruch wurde anhand eines hörbaren Geräuschs und/oder nach Gefühl festgestellt). Die maximale Kraft, die angelegt wurde, um das Teilchen zum Brechen zu bringen (d. h. der Drucktestwert), wurde protokolliert, und der Test wurde wiederholt. Der angegebene Drucktestwert war ein Mittelwert von mindestens 40 Teilchen einer bestimmten Probe.
Vergleichsbeispiel A
Unter Verwendung von organisch gebundenen Agglomeratschleifteilchen (bei der 3M Co., St. Paul, Minnesota, unter der Handelsbezeichnung "MULTICUT C" zu beziehen) wurden Proben mit einem Folieträger hergestellt. "MULTICUT C"-Teilchen enthalten AG321-Schleifkörner der Sorte P100, die mittels eines Kryolith-gefüllten phenolischen Bindungssystems miteinander verbunden sind. Die beschichteten Proben wurden gemäß Verfahrensvorschrift Nr. 4 hergestellt, aber anstelle der keramischen Aggregatteilchen, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt waren, wurden "MULTICUT C"-Teilchen Nr. 100 verwendet.
Vergleichsbeispiel B
Die im Vergleichsbeispiel B hergestellten Schleifgegenstände auf einer Unterlage wurden mittels einer einzelnen Schicht AG321-Schleifkörner der Sorte P100 hergestellt, die elektrostatisch auf einen Polyesterträger unter Verwendung von CaC03-gefülltem Phenolklebeharz und Kryolith-gefülltem Phenol-Einbettungsharz aufbeschichtet wurden. Die Trägergewebe mit Y-Gewicht war ein Satinbindungspolyester mit einem Basisgewicht von ungefähr 331 g/m² (von Milliken & Co., Lagrange, Georgia). Das Klebeharz war ein Gemisch mit einem Gewichtsprozentverhältnis von 52:48, das ein CaCO₃-gefülltes Phenolharz auf Wasserbasis (von Georgia-Pacific Resins, Columbus, Ohio, Produktnummer GP23155B) enthielt. Das Gewicht der nassen Harzbeschichtung betrug ungefähr 150 g/m². 330 g/m² AG321-Schleifkörner der Sorte P100 wurden elektrostatisch aufgebracht, um einen Schleifgegenstand auf einer Unterlage zu erhalten. Die Klebeschicht wurde dann in einem Umluftofen (von Despach Industries, Minneapolis, Minnesota, Modell-Nummer Typ S) etwa 30 Minuten bei etwa 175°F (79°C) und etwa 90 Minuten bei etwa 200°F (93°C) vorgehärtet. Dann wurde eine Einbettungsschicht aus einem Kryolith-gefüllten Phenolharz auf Wasserbasis mit einem Nassbeschichtungsgewicht von ungefähr 177 g/m² aufgebracht. Die Einbettungsschicht wurde etwa 30 Minuten bei etwa 175°F (79°C) und etwa 120 Minuten bei etwa 200°F (93°C) in dem Ofen vorgehärtet. Das beschichtete Material wurde dann etwa 10 Stunden bei etwa 212°F (100°C) in dem Ofen endgehärtet und dann über einer 2 Inch (5 cm) durchmessenden Stange gebogen, um die beschichtete Probe für die Installation in der Schwingtrommeltestvorrichtung (siehe Testvorschrift Nr. 1 unten) besser geeignet zu machen.
Beispiel Nr. 1
Beispiel Nr. 1 demonstriert, dass keramische Aggregatteilchen gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung unter Verwendung von Schleifkorn der Sorte Nr. 100 und nicht-kristallinem Bindemittelvorläufer hergestellt werden können. Keramische Aggregatvorläuferschlämme wurde, wie in Verfahrensvorschrift Nr. 1 beschrieben, unter Verwendung eines Mischers (von der Hobart Corporation, Troy, Ohio, Modell-Nummer A120T) und AG321-Schleifkorn der Sorte P100 hergestellt. Die Schmirgelschlämmenformulierung ist in Tabelle 2 angeführt und wurde durch Zusammenfügen der Bestandteile in Tabelle 2 in der Reihenfolge, wie sie in der Tabelle angegeben ist, kombiniert. Die Endtemperatur der Schmirgelschlämme nach dem Mischen betrug ungefähr 90°F (32°C). Tabelle 2. Beispiel 1 – Schmirgelschlämmenformulierung
Es wurden keramische Aggregatvorläuferteilchen wie in Verfahrensvorschrift Nr. 2 beschrieben hergestellt. Die "QUADRO COMIL" wurde mit einem kleinen runden Rührflügel und einem 0,075 Inch (19 mm) breiten Spalt und einem konischen Sieb mit 0,045 Inch (11 mm) messenden runden Öffnungen hergerichtet. Die Antriebsmotordrehzahl wurde auf 1600 U/min eingestellt. Vorgebrannte Teilchen wurden mit einem weiteren Durchgang durch die "QUADRO COMIL" verkleinert. Die Vorläuferteilchen wurden wie in Verfahrensvorschrift Nr. 3 beschrieben vorgebrannt. Die vorgebrannten Teilchen wurden dann mit einem weiteren Durchgang durch die "QUADRO COMIL" verkleinert, bevor sie gemäß Verfahrensvorschrift Nr. 3 endgebrannt wurden, außer dass die abschließende Brenntemperatur etwa 1697°F (925°C) betrug. Die gebrannten keramischen Aggregatteilchen wurden gesiebt, und der Größenanteil, der durch ein Sieb mit Mesh-Zahl 16 hindurchfiel und auf einem Sieb mit Mesh-Zahl 20 liegen blieb, wurde aufgefangen. Die gesiebten Teilchen wurden zum Herstellen von Schleifgegenständen auf einem Folieträger gemäß Verfahrensvorschrift Nr. 4 verwendet. Die beschichteten Proben von Beispiel Nr. 1 wurden gemäß der Schwingtrommeltestvorschrift (Testvorschrift Nr. 1) getestet und mit Proben verglichen, die gemäß den Vergleichsbeispielen A und B hergestellt wurden. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 zusammengefasst. Tabelle 3. Schwingtrommeltest für Beispiel Nr. 1 und Vergleichsbeispiele A und B
Die Ergebnisse in Tabelle 3 zeigen, dass der in Beispiel Nr. 1 hergestellte Schleifgegenstand während des gesamten Tests Intervallmaterialabtragsraten (Gramm/1000 Zyklen) aufwies, die zwischen 30 und 50 höher waren als bei dem in Vergleichsbeispiel A hergestellten Schleifgegenstand. In den ersten 1000 Zyklen erreichte Beispiel Nr. 1 eine Materialabtragsrate von 86 % des in Vergleichsbeispiel B hergestellten Schleifgegenstandes und übertraf die Materialabtragsrate von Vergleichsbeispiel B über den verbleibenden Teil des Tests hinweg. Die Gesamtabtragsmenge von Beispiel Nr. 1 betrug 165 % von Vergleichsbeispiel A und 427 % von Vergleichsbeispiel B.
Vergleichsbeispiel C
Die in Vergleichsbeispiel C hergestellten Schleifgegenstände hatten einen Gewebeträger und wurden mit organisch gebundenen Agglomeratschleifteilchen (bei 3M Co., St. Paul, Minnesota, unter der Handelsbezeichnung "MULTICUT C" zu beziehen) beschichtet. "MULTICUT C"-Teilchen der Sorte Nr. 60 enthielten AG321-Schleifkörner der Sorte Nr. 60, die durch ein Kryolith-gefülltes phenolisches Bindungssystem miteinander verbundenen waren. Die beschichteten Proben wurden gemäß Verfahrensvorschrift Nr. 4 hergestellt, aber anstelle der keramischen Aggregatteilchen, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt waren, wurden "MULTICUT C"-Teilchen Nr. 60 verwendet.
Vergleichsbeispiel D
Die in Vergleichsbeispiel D hergestellten Schleifgegenstände waren handelsübliche Schleifgegenstände auf einer Unterlage (bei der 3M Co., St. Paul Minnesota, unter der Handelsbezeichnung "3M 967F" zu beziehen). "3M 967F" der Sorte Nr. 60 enthielt eine einzelne Schicht AG321-Schleifkörner der Sorte Nr. 60, die elektrostatisch auf einen Polyestergewebeträger mit Klebe- und Einbettungsharzen auf Phenolbasis beschichtet waren.
Beispiele Nr. 2 bis Nr. 5
Die keramischen Aggregatteilchen, die für die Beispiele Nr. 2 bis Nr. 5 hergestellt wurden, demonstrierten die Verwendung von Schleifmitteln mit größerem Korn (Sorte Nr. 60) und nicht-kristallinem keramischem Bindemittelvorläufer. Bei den Teilchen von Beispiel Nr. 2 betrug das Gewichtsverhältnis von Schleifkorn zu nichtkristallinem Bindemittelvorläufer 1,5, und in Beispiel Nr. 3 betrug das Gewichtsverhältnis von Schleifkorn zu nicht-kristallinem Bindemittelvorläufer 3,0. In den Beispielen Nr. 4 und Nr. 5 wurden zwei verschiedene keramische Aggregatteilchengrößen bei der Herstellung von Schleifgegenständen auf einer Unterlage kombiniert. Keramische Aggregatvorläuferschlämmen wurden, wie in Verfahrensvorschrift Nr. 1 beschrieben, unter Verwendung von AG321-Schleifkorn der Sorte Nr. 60 hergestellt. Die Schmirgelschlämmenformulierung ist in Tabelle 4 angeführt und wurde kombiniert, indem zuerst die Bestandteile in Tabelle 4 in der genannten Reihenfolge zusammengeführt wurden, mit Ausnahme von SGP und AG321 Sorte Nr. 60. SGP und AG321 Sorte Nr. 60 wurden zuerst miteinander kombiniert und dann langsam zu den übrigen Bestandteile in Tabelle 4 hinzugegeben. Tabelle 4. Schmirgelschlämmenformulierungen für die Beispiele Nr. 2 bis Nr. 5
Das Mischen erfolgte in einem Mischer (von der Hobart Corporation, Troy, Ohio, Modell-Nummer A120T) mit einem Scheibenrotor und mit der langsamsten Drehzahleinstellung. Nachdem das SGP/AG321-Gemisch dem Harzgemisch beigegeben war, wurde die Drehzahl auf "mittel" erhöht. Das Mischen wurde etwa 25 Minuten fortgesetzt, wie in Verfahrensvorschrift Nr. 1 beschrieben. Die Endtemperatur des Gemischs lag im Bereich von etwa 100°F (38°C) bis etwa 120°F (49°C).
Es wurden keramische Aggregatvorläuferteilchen wie in Verfahrensvorschrift Nr. 2 beschrieben hergestellt. Während des gesamten Herstellungs- und Brennprozesses wurden die Teilchen, die für die Beispiele Nr. 2 und Nr. 4 hergestellt wurden, von den Teilchen getrennt gehalten, die für die Beispiele Nr. 3 und Nr. 5 hergestellt wurden. Die "QUADRO COMIL" wurde mit einem kleinen runden Rührflügel, einem 0,075 Inch (1,90 mm) breiten Spalt und einem konischen Sieb mit 0,062 Inch (1,57 mm) messenden runden gitterrostartigen Öffnungen hergerichtet, und die Antriebsmotordrehzahl wurde auf 470 U/min eingestellt. Nachdem die Schlämmen durch die "QUADRO COMIL" und das UV-Härtungssystem geleitet wurden, wurden die mindestens teilweise gehärteten Vorläuferteilchen in Aluminiumwannen verbracht und in einem Umluftofen (von der Lindberg/Blue M Company, Watertown, Wisconsin, Modell-Nummer POM-246F) etwa 6 Stunden bei etwa 350°F (177°C) thermisch gehärtet.
Nachdem sie mindestens teilweise thermisch ausgehärtet waren, wurden die keramischen Aggregatvorläuferteilchen mit einem weiteren Durchgang durch die "QUADRO COMIL" unter Verwendung eines 0,075 Inch (1,90 mm) breiten Spaltes und eines 0,094 Inch (2,39 mm) großen Gitterrostsiebes verkleinert. Die Teilchen wurden dann wie in Verfahrensvorschrift Nr. 3 beschrieben vorgebrannt. Die vorgebrannten keramischen Aggregatteilchen wurden unter Verwendung eines Rüttelsortierers (von der Exolon Co., Tanawanda, New York, Modell-Nummer 501) und eines Edelstahlsiebes mit Mesh-Zahl 24 (von der Cambridge Wire Cloth Co., Cambridge, Maryland) gesiebt. Die Teilchen, die durch das Sieb mit Mesh-Zahl 24 hindurchfielen ("feine" Teilchengröße), wurden von den Teilchen getrennt, die das Sieb mit Mesh-Zahl 24 nicht passierten ("grobe" Teilchengröße). Beide Teilchengrößen wurden aufgefangen und zum Herstellen von zu testenden Schleifgegenständen auf einer Unterlage verwendet.
Die gesiebten Teilchen wurden zum Herstellen von Schleifgegenständen auf einem Gewebeträger gemäß Verfahrensvorschrift Nr. 5 verwendet. Für die Beispiele Nr. 2 und Nr. 3 wurden nur die "groben" Teilchen zum Herstellen von Schleifgegenständen auf einer Unterlage verwendet. Für die Beispiele Nr. 4 und Nr. 5 wurden zuerst die groben Teilchen auf die Probe beschichtet, und dann wurden die offenen Räume zwischen den "groben" Teilchen teilweise ausgefüllt, indem die "feinen" Teilchen aufgebracht wurden, um Schleifgegenstände auf einer Unterlage gemäß Verfahrensvorschrift Nr. 5 herzustellen. Alle beschichteten Proben wurden getrocknet, mit einer Einbettungsschicht versehen und gehärtet, wie in Verfahrensvorschrift Nr. 3 beschrieben. Die beschichteten Proben der Beispiele Nr. 2 bis Nr. 5 wurden gemäß der Schwingtrommeltestvorschrift (Testvorschrift Nr. 1) getestet und mit den Proben der Vergleichsbeispiele C und D verglichen. Für diese Tests war der Endpunkt des Tests nach 18.000 Zyklen oder als die Materialabtragsrate für eine Probe auf weniger als etwa 40 % der maximalen Intervallabtragsmenge, die für diese Probe verzeichnet wurde, abfiel. Die Testergebnisse sind in Tabelle 5 zusammengefasst. Tabelle 5. Schwingtrommeltest für die Beispiele Nr. 2 bis Nr. 5 und die Vergleichsbeispiele C und D
Wie in Tabelle 5 gezeigt, erbrachten einige beschichtete Proben, die mit keramischen Aggregatteilchen hergestellt waren, die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt waren, Gesamtabtragsmengen von 108 % bis 120 % von denen des Vergleichsbeispiels C und 275 % bis 305 % von denen des Vergleichsbeispiels D. Die Gesamtabtragsmenge des in Beispiel Nr. 3 hergestellten Schleifgegenstandes wurde durch vorzeitiges Ausbrechen der Teilchen aus dem Träger begrenzt.
Beispiele Nr. 6 bis Nr. 8
Die in den Beispielen Nr. 6 bis Nr. 8 hergestellten Schleifgegenstände dienten dem Zweck, die Auswirkung der Brenntemperatur, die zum Herstellen keramischer Aggregatteilchen verwendet wird, auf die Materialabtragsleistung von Schleifgegenständen aufzuzeigen. Die keramischen Aggregatteilchen, die zum Herstellen von Schleifgegenständen der Beispiele Nr. 6 bis Nr. 8 verwendet wurden, sollten überdies aufzeigen, dass zwei Sorten von Schleifkörnern in einem Verfahren der vorliegenden Erfindung verwendet werden können, um keramische Aggregatteilchen herzustellen.
Es wurde keramische Aggregatvorläuferschlämme, wie in Verfahrensvorschrift Nr. 1 beschrieben, unter Verwendung einer Kombination von AG321-Schleifkörnern der Sorten Nr. 60 und Nr. 320 hergestellt. Die Schmirgelschlämmenformulierung ist in Tabelle 6 angeführt und wurde kombiniert, indem zuerst die Bestandteile in Tabelle 6 in der angegebenen Reihenfolge zusammengebracht wurden, mit Ausnahme von SGP und AG321 der Sorten Nr. 60 und Nr. 320. SGP und AG321 der Sorten Nr. 60 und Nr. 320 wurden zuerst kombiniert und dann langsam zu den übrigen Bestandteilen in Tabelle 6 hinzugegeben. Tabelle 6. Schmirgelschlämmenformulierung für die Beispiele Nr. 6 bis Nr. 8
Das Mischen erfolgte in einem Mischer (von der Hobart Corporation, Troy, Ohio, Modell-Nummer A120T) mit einem Scheibenrotor und mit der langsamsten Drehzahleinstellung. Nachdem das SGP/AG321-Gemisch dem Harzgemisch beigegeben wurde, wurde die Drehzahl auf "mittel" erhöht. Das Mischen wurde etwa 25 Minuten fortgesetzt, wie in Verfahrensvorschrift Nr. 1 beschrieben. Die Endtemperatur des Gemischs betrug etwa 100°F (38°C). Es wurden keramische Aggregatvorläuferteilchen wie in Verfahrensvorschrift Nr. 2 beschrieben hergestellt. Die "QUADRO COMIL" wurde mit einem massiven Rührflügel (Arrow 1701), einem 0,075 Inch (1,90 mm) breiten Spalt und einem konischen Sieb mit 0,050 Inch (1,27 mm) messenden runden, gitterrostartigen Öffnungen hergerichtet, und der Antriebsmotor wurde auf 253 U/min eingestellt. Nachdem die Schlämme die "QUADRO COMIL" und das UV-Härtungssystem durchlaufen hatte, wurden die mindestens teilweise gehärteten keramischen Aggregatvorläuferteilchen in Aluminiumwannen verbracht und in einem Umluftofen (von der Lindberg/Blue M Company, Watertown, Wisconsin, Modell-Nummer POM-246F) etwa 6 Stunden bei etwa 350°F (177°C) thermisch gehärtet. Die keramischen Aggregatvorläuferteilchen wurden dann verkleinert, indem man sie durch die "QUADRO COMIL" unter Verwendung eines 0,075 Inch (1,90 mm) breiten Spaltes und eines 0,062 Inch (1,57 mm) großen Gitterrostsiebes passieren ließ. Nach der Verkleinerung wurden die keramischen Aggregatvorläuferteilchen unter Verwendung eines Rüttelsortierers (von der Exolon Co., Tanawanda, New York, Modell-Nummer 501) und eines Edelstahlsiebes mit Mesh-Zahl 36 (von der Cambridge Wire Cloth Co., Cambridge, Maryland) gesiebt, um den "Feinstaub" zu entfernen. Die Teilchen, die von dem Sieb mit Mesh-Zahl 36 zurückgehalten wurden, wurden auf gefangen.
Die Teilchen für das Beispiel Nr. 6 wurden gemäß Verfahrensvorschrift Nr. 3 vorgebrannt und gesiebt. Die Teilchen, die ein Sieb mit Mesh-Zahl 16 passierten, aber von einem Sieb mit Mesh-Zahl 30 zurückgehalten wurden, wurden aufgefangen und zum Herstellen von Proben für das Beispiel Nr. 6 verwendet. Die Teilchen für die Beispiele Nr. 7 und Nr. 8 wurden wie in Verfahrensvorschrift Nr. 3 beschrieben gebrannt. Die Endtemperaturen während des zweiten Brennschrittes betrugen etwa 1382°F (750°C) und etwa 1697°F (925°C) für das Beispiel Nr. 7 bzw. das Beispiel Nr. 8. Dann wurden die Teilchen für die Beispiele Nr. 7 und Nr. 8 gesiebt und gewaschen, wie in Verfahrensvorschrift Nr. 3 beschrieben. Die Teilchen, die ein Sieb mit Mesh-Zahl 16 passierten, aber von einem Sieb mit Mesh-Zahl 30 zurückgehalten wurden, wurden aufgefangen und zum Herstellen von Proben für die Beispiele Nr. 7 und Nr. 8 verwendet.
Die Teilchen, die für die Beispiele Nr. 6 bis Nr. 8 hergestellt wurden, wurden zum Herstellen von Schleifgegenständen auf einem Gewebeträger, wie in Verfahrensvorschrift Nr. 5 beschrieben, verwendet. Eine einzelne Beschichtung aus gebrannten Teilchen wurde aufgebracht, und die beschichteten Proben wurden gemäß Verfahrensvorschrift Nr. 5 getrocknet, mit einer Einbettungsschicht versehen und gehärtet. Die Schleifgegenstände der Beispiele Nr. 6 bis Nr. 8 wurden auf der Schwingtrommel gemäß Testvorschrift Nr. 1 getestet und mit den Schleifgegenständen der Vergleichsbeispiele C und D verglichen. Für diese Tests war der Endpunkt nach 6000 Schwingtrommelzyklen erreicht. Die Testergebnisse sind in Tabelle Nr. 7 zusammengefasst. Tabelle 7. Schwingtrommeltestergebnisse für die Beispiele Nr. 6 bis Nr. 8
Wie in Tabelle 7 gezeigt, wies der in Beispiel Nr. 8 hergestellte Schleifgegenstand, der mit keramischen Aggregatteilchen hergestellt wurde, die bei etwa 1697°F (925°C) gebrannt wurden, eine Gesamtabtragsmenge von etwa 150 % des Schleifgegenstandes in den Vergleichsbeispielen C und D auf. Der Schleifgegenstand in Beispiel Nr. 8 erreichte eine maximale Materialabtragsrate von etwa 158 % des Schleifgegenstandes aus Vergleichsbeispiel C und etwa 125 % des Schleifgegenstandes aus Vergleichsbeispiel D. Die Auswirkung einer erhöhten Brenntemperatur auf keramische Aggregatteilchen wird durch die zunehmenden Gesamtabtrags- und maximalen Materialabtragsraten für die Schleifgegenstände der Beispiele Nr. 7 und Nr. 8 im Vergleich mit denen von Beispiel Nr. 6 widergespiegelt.
Beispiele Nr. 9 bis Nr. 14
Die in den Beispielen Nr. 9 bis Nr. 14 verwendeten Teilchen zeigen die Auswirkung einer zunehmenden Brenntemperatur während des zweiten Brennschrittes in der Verfahrensvorschrift Nr. 3 auf die Druckfestigkeit und Porosität von keramischen Aggregatteilchen. Die keramischen Aggregatteilchen, die zum Herstellen von Schleifgegenständen in Beispiel Nr. 2 verwendet wurden, wurden als Teilchen in den Beispielen Nr. 9 bis Nr. 11 verwendet. Für das Beispiel Nr. 9 wurden die Teilchen so verwendet, wie sie für Beispiel Nr. 2 hergestellt wurden. Für die Beispiele Nr. 10 und Nr. 11 wurden die Teilchen gemäß dem in Verfahrensvorschrift Nr. 3 beschriebenen zweiten Brennschritt auf die in Tabelle 8 angegebenen abschließenden Brenntemperaturen "nachgebrannt". Die keramischen Aggregatteilchen, die zum Herstellen von Schleifgegenständen in Beispiel Nr. 3 verwendet wurden, wurden als Teilchen in den Beispielen Nr. 12 bis Nr. 14 verwendet. Für das Beispiel Nr. 12 wurden die Teilchen so verwendet, wie sie für Beispiel Nr. 3 hergestellt wurden. Für die Beispiele Nr. 13 und Nr. 14 wurden die vorgebrannten Teilchen von Beispiel Nr. 3 gemäß dem zweiten Brennschritt in Verfahrensvorschrift Nr. 3 auf die in Tabelle 8 angegebenen abschließenden Brenntemperaturen gebrannt. Tabelle 8 listet auch die folgenden physikalischen Eigenschaften der keramischen Aggregatteilchen auf: Gesamtporenvolumen, Volumenprozentporosität, scheinbare Schüttdichte und mittlere Druckfestigkeit. Das Gesamtporenvolumen und das scheinbare Teilchenvolumen wurden mittels Quecksilberintrusionsporosimetrieanalyse unter Verwendung eines "MICROMETIRICS AUTO PORE"-Instruments (bei der Micromeritics Corp., Norcross, Georgia, unter der Handelsbezeichnung "MICROMETIRICS AUTO PORE" zu beziehen) gemessen. Das Gesamtporenvolumen ist das massenormalisierte Gesamtvolumen der offenen Räume innerhalb des keramischen Aggregatteilchens, die eine Verbindung zur Außenfläche des Teilchens haben und das Eindringen von Quecksilber infolge von Kapillarwirkung in das keramische Aggregatteilchen gestatten. Die Quecksilberintrusionsporosimetrie gestattet das Messen des Eindringens von Quecksilber in Teilchen mit Porendurchmessern im Bereich von etwa 0, 07 Mikrometern bis etwa 900 Mikrometern. Die Volumenprozentporosität wird folgendermaßen berechnet: (Gesamtporenvolumen/Scheinbares Teilchenvolumen)·100. Das scheinbare Teilchenvolumen ist das Volumen von Quecksilber, das durch das keramische Aggregatteilchen verdrängt wird. Die scheinbare Schüttdichte ist das Verhältnis der Masse des keramischen Aggregatteilchens zum scheinbaren Teilchenvolumen. Die Druckfestigkeit ist die mittlere Kraft, die erforderlich ist, um ein Teilchen unter einer Drucklast zu zerbrechen, und ist in Testvorschrift Nr. 2 weiter beschrieben. Tabelle B. Physikalische Eigenschaften für die Beispiele Nr. 9 bis Nr. 14
Beispiele Nr. 15 bis Nr. 19
Die keramischen Aggregatteilchen in den Beispielen Nr. 15 bis Nr. 19 sollen die Verwendung von kristallinem keramischem Bindemittelvorläufermaterial (zum Beispiel alpha-Aluminiumoxidpulver) und Elektrokorund, keramischem Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid-Schleifteilchen zum Herstellen keramischer Aggregatteilchen demonstrieren. Die keramischen Aggregatvorläuferteilchen in den Beispielen Nr. 15 bis Nr. 19 wurden in einer ähnlichen Weise hergestellt wie die keramischen Aggregatvorläuferteilchen in den Beispielen Nr. 6 bis Nr. B. Die keramischen Aggregatvorläuferschlämmen wurden, wie in Verfahrensvorschrift Nr. 1 beschrieben, unter Verwendung von entweder AG321-Schleifkorn (für die Beispiele Nr. 15 und Nr. 16), AO-Schleifkorn (für die Beispiele Nr. 17 und Nr. 18) oder SC-Schleifkorn (für das Beispiel Nr. 19) hergestellt. In den Beispielen Nr. 15 bis Nr. 19 wurde das in den Beispielen Nr. 6 bis Nr. 8 verwendete keramische Bindemittelvorläufermaterial SGP durch AOP ersetzt. Die Schmirgelschlämmenformulierungen für die Beispiele Nr. 15 bis Nr. 19 sind in Tabelle 9 gezeigt und wurden kombiniert, indem zuerst die Bestandteile in Tabelle 9 in der angegebenen Reihenfolge vermischt wurden, mit Ausnahme des AOP und der AG321-Sorten Nr. 60 und Nr. 320 (Beispiele Nr. 15 und Nr. 16), des AO der Sorte Nr. 80 (Beispiele Nr. 17 und Nr. 18) oder des SC der Sorte Nr. 80 (Beispiel Nr. 19). In jedem dieser Beispiele wurde das AOP zuerst mit dem AG321 der Sorte Nr. 60 und Nr. 320, dem AO der Sorte Nr. 80 oder dem SC der Sorte Nr. 80 kombiniert, und die kombinierten Gemische wurden dann langsam zu den übrigen Bestandteilen in Tabelle 9 hinzugegeben. Tabelle 9. Schmirgelschlämmenformulierungen für die Beispiele Nr. 15 bis Nr. 19
Das Mischen erfolgte in einem Mischer (von der Hobart Corporation, Troy, Ohio, Modell-Nummer A120T) mit einem Scheibenrotor und mit der langsamsten Drehzahleinstellung. Nachdem das AOP/AG321- oder AO-Gemisch dem Harzgemisch hinzugegeben wurde, wurde die Drehzahl auf "mittel" erhöht. Das Mischen wurde etwa 25 Minuten fortgesetzt, wie in Verfahrensvorschrift Nr. 1 beschrieben. Die Endtemperatur jedes Gemisches betrug etwa 116°F (47°C). Die keramischen Aggregatvorläuferteilchen wurden für die Beispiele Nr. 15 bis Nr. 19 wie in Verfahrensvorschrift Nr. 2 beschrieben hergestellt. Die "QUADRO COMIL"-Einrichtung war bei den Beispielen Nr. 15 bis Nr. 19 die gleiche, wobei ein massiver Rührflügel (Arrow 1701) mit einem 0,175 Inch (4,44 mm) breiten Spalt und ein konisches Sieb mit 0,050 Inch (1,27 mm) messenden runden, gitterrostartigen Öffnungen verwendet wurden. Der Antriebsmotor wurde mit 350 U/min betrieben. Nach die Schlämmen die "QUADRO COMIL" und das UV-Härtungssystem durchlaufen hatten, wurden die mindestens teilweise gehärteten keramischen Aggregatvorläuferteilchen in Aluminiumwannen gegeben und etwa 6 Stunden in dem Umluftofen bei etwa 350°F (177°C) mindestens teilweise thermisch gehärtet. Die keramischen Aggregatvorläuferteilchen wurden dann verkleinert, indem man sie durch die "QUADRO COMIL" unter Verwendung eines mit einer Karbidspitze versehenen Rührflügels Arrow 1607 mit einem 0,175 Inch (4,44 mm) breiten Spalt und eines 0,079 Inch (2,00 mm) großen Gitterrostsiebes passieren ließ. Nach der Verkleinerung wurden die keramischen Aggregatvorläuferteilchen gesiebt, und der Teilchengrößenanteil größer als Mesh-Zahl 36 (0,0185 Inch, 0,47 mm) wurde aufgefangen.
Die keramischen Aggregatteilchen, die für die Beispiele Nr. 15 bis Nr. 19 hergestellt wurden, wurden wie in Verfahrensvorschrift Nr. 3 beschrieben hergestellt, mit der Ausnahme, dass die Teilchen in dem Vorbrennschritt etwa 4 Stunden bei einer Höchsttemperatur von etwa 1832°F (1000°C) gehalten wurden. Außerdem wurde die in Verfahrensvorschrift Nr. 3 beschriebene BP-Beschichtung nicht zum Herstellen der keramischen Aggregatteilchen in den Beispielen Nr. 15 bis Nr. 19 verwendet. Des Weiteren wurden die keramischen Aggregatvorläuferteilchen für die Beispiele Nr. 15 bis Nr. 18 nach dem Vorbrennen weiter verkleinert, indem man sie erneut durch die "QUADRO COMIL" unter Verwendung eines mit einer Karbidspitze versehenen Rührflügels Arrow 1607 mit einem 0,0175 Inch (4,44 mm) breiten Spalt und unter Verwendung eines 0,079 Inch (2,0 mm) großen Gitterrostsiebes passieren ließ. Nach der weiteren Verkleinerung wurden die keramischen Aggregatvorläuferteilchen gesiebt, wie in Verfahrensvorschrift Nr. 3 beschrieben, und der Teilchengrößenanteil größer als Mesh-Zahl 20 (0,0320 Inch, 0,81 mm) und kleiner als Mesh-Zahl 12 (0,0661 Inch, 1,70 mm) wurde aufgefangen.
Für die Beispiele Nr. 15, Nr. 17 und Nr. 19 wurde der zweite Brennschritt gemäß Verfahrensvorschrift Nr. 3 ausgeführt, indem etwa 100 Gramm der gesiebten, vorgebrannten keramischen Aggregatteilchen in einen 3 Inch (7,6 cm) durchmessenden Platintiegel gegeben und dann in einem Labor-Kammerofen (bei CM Rapid Temp Furnace, Bloomfield, New Jersey, unter der Handelsbezeichnung "RAPID TEMP" zu beziehen) erwärmt wurden. Während des zweiten Brennschrittes wurden die Teilchen etwa 90 Minuten bei einer Höchsttemperatur von etwa 2732°F (1500°C) gehalten. Dann ließ man die Teilchen auf Raumtemperatur abkühlen, indem man den "RAPID TEMP"-Kammerofen abschaltete und ihn auf Raumtemperatur abkühlen ließ.
Für die Beispiele Nr. 16 und Nr. 18 wurden die vorgebrannten keramischen Aggregatteilchen vor dem zweiten Brennschritt mit REO-Sinterhilfslösung getränkt. Die vorgebrannten keramischen Aggregatteilchen wurden getränkt, indem man 25 ml REO-Lösung je 100 Gramm vorgebrannten Teilchen mit den vorgebrannten Teilchen vermischte. Das Gemisch wurde etwa 10 Minuten in einem sich drehenden, mit Polyethylen ausgekleideten Behälter gestürzt, um die REO-Lösung zwischen den Teilchen zu verteilen. Die getränkten Teilchen wurden dann in Aluminiumwannen gegeben und in einen Umluftofen (von Despach Industries, Minneapolis, Minnesota, Modell-Nummer ALD2-11) verbracht und etwa 2 Stunden bei etwa 100°C getrocknet. Die Teilchen wurden dann herausgenommen, und man ließ sie auf etwa Raumtemperatur abkühlen. Dann wurden die Teilchen durch einen Rotationsofen geleitet, der auf etwa 1200°F (650°C) erwärmt wurde. Der Rotationsofen hatte eine "Warmzone", die etwa 12 Inch (30,5 cm) maß, und eine Siliciumcarbid-Drehröhre, die etwa 15 cm durchmaß, etwa 1,1 m lang war und etwa 2,5° nach oben geneigt war. Die Verweildauer der Teilchen betrug etwa 5 Minuten durch die Länge der Röhre hindurch. Nachdem die Teilchen den Rotationsofen durchlaufen hatten, wurden sie etwa 90 Minuten bei etwa 2732°F (1500°C) gemäß dem zweiten Brennschritt für die keramischen Aggregatteilchen, die in den Beispielen Nr. 15, Nr. 17 und Nr. 19 verwendet wurden, gebrannt.
Die für die Beispiele Nr. 15 bis Nr. 18 hergestellten keramischen Aggregatteilchen wurden zum Herstellen von Schleifgegenständen auf einem Gewebeträger wie in Verfahrensvorschrift Nr. 5 beschrieben verwendet. Eine einzelne Beschichtung aus keramischen Aggregatteilchen wurde auf den Gewebeträger aufgebracht, und die beschichteten Proben wurden gemäß Verfahrensvorschrift Nr. 5 getrocknet, mit einer Einbettungsschicht versehen und gehärtet. Die Schleifgegenstände der Beispiele Nr. 15 bis Nr. 18 wurden getestet und mit Schleifgegenständen der Vergleichsbeispiele C und D auf der Schwingtrommel gemäß Testvorschrift Nr. 1 verglichen. Die Testergebnisse sind in Tabelle 10 zusammengefasst. Für diese Tests lag der Endpunkt bei 9000 durchgeführten Schwingtrommelzyklen oder wenn die Materialabtragsrate für eine Probe auf weniger als etwa 30 % der maximalen Intervallabtragsmenge, die für diese Probe verzeichnet wurde, fiel. Die Schwingtrommeltestergebnisse sind in Tabelle 10 zusammengefasst. Tabelle 10. Schwingtrommeltestergebnisse für die Beispiele Nr. 15 bis Nr. 18
Tabelle 10 zeigt, dass die in Beispiel Nr. 17 hergestellten keramischen Aggregatteilchen, die Aluminiumoxid und REO enthielten, eine maximale Materialabtragsrate von 170 % von der des Schleifgegenstandes von Vergleichsbeispiel C und von 140 % von der des Schleifgegenstandes von Vergleichsbeispiel D aufwies. Im Vergleich zu dem in Beispiel Nr. 17 hergestellten Schleifgegenstand wies der entsprechende in Beispiel Nr. 15 hergestellte Schleifgegenstand, der keramische Aggregatteilchen verwendete, die kein REO enthielten, zunächst ähnliche Materialabtragsraten auf, aber die Gesamtabtragsmenge durch den Schleifgegenstand in Beispiel Nr. 15 war durch Ausbrechen der Teilchen aus dem Träger nach etwa 5000 Testzyklen begrenzt. Der in Beispiel Nr. 17 hergestellte Schleifgegenstand behielt eine gleichbleibende Materialabtragsrate (gemäß Messung der Intervallabtragsmengen) innerhalb eines Bereichs von etwa 18 % vom niedrigsten zum höchsten über die Dauer des Tests hinweg bei. Die Materialabtragsrate (gemäß Messung der Intervallabtragsmengen) des Schleifgegenstandes in Vergleichsbeispiel C erhöhte sich ständig um etwa 34 % über die Dauer des Tests hinweg. Der in Vergleichsbeispiel D hergestellte Schleifgegenstand behielt eine gleichbleibende Materialabtragsrate (gemäß Messung der Intervallabtragsmengen) über die ersten wenigen Testintervalle bei, fiel dann aber abrupt ab, als sich die Probe durch die Schleifbeschichtung bis auf den Träger hindurch abnutzte. Die Materialabtragsraten (gemäß Messung der Intervallabtragsmengen) der in den Beispielen Nr. 16 und Nr. 18 hergestellten Schleifgegenstände waren ähnlich, betrugen aber etwa die Hälfte der Materialabtragsraten (gemäß Messung der Intervallabtragsmengen), die die in den Beispielen Nr. 15 und Nr. 17 hergestellten Schleifgegenständen aufwiesen.
Die Teilchendruckfestigkeitswerte für die in den Beispielen Nr. 15 bis Nr. 19 hergestellten Teilchen wurden gemäß Testvorschrift Nr. 2 gemessen. Die in Tabelle 11 angegebenen Druckfestigkeitswerte waren die Mittelwerte von mindestens 40 Teilchen einer bestimmten Probe von keramischen Aggregatteilchen. Tabelle 11. Drucktestergebnisse für die Beispiele Nr. 15 bis Nr. 19
Beispiel Nr. 20
In Beispiel Nr. 20 wurden keramische Aggregatteilchen hergestellt, um zu demonstrieren, dass das Verfahren der vorliegenden Erfindung auch zum Herstellen keramischer Aggregatteilchen verwendet werden könnte, die Schleifhilfsmittel enthalten. Es wurde keramische Aggregatvorläuferschlämme, wie in Verfahrensvorschrift Nr. 1 beschrieben, unter Verwendung von Schleifhilfsmittelteilchen (CRY) und nicht-kristallinem keramischem Bindemittelvorläufer (SGP) hergestellt. Die Teilchenschlämmenformulierung ist in Tabelle 12 angegeben und wurde kombiniert, indem zuerst die Bestandteile in Tabelle 12 in der angegebenen Reihenfolge zusammengebracht wurden, mit Ausnahme von CRY und SGP. CRY und SGP wurden erst miteinander kombiniert und dann langsam zu den übrigen Bestandteilen in Tabelle 12 hinzugegeben. Tabelle 12. Teilchenschlämmenformulierung für Beispiel Nr. 20
Das Mischen erfolgte in einem Mischer mit einem Scheibenrotor (von der Hobart Corporation, Troy, Ohio, Modell-Nummer A120T). Das CRY/SGP-Gemisch wurde dem Harzgemisch beigegeben, und das Mischen wurde mit der langsamsten Mischdrehzahl etwa 30 Minuten fortgesetzt, wie in Verfahrensvorschrift Nr. 2 beschrieben. Die Endtemperatur des Gemischs betrug etwa 100°F (38°C). Es wurden keramische Aggregatvorläuferteilchen wie in Verfahrensvorschrift Nr. 2 beschrieben hergestellt. Die "QUADRO COMIL" wurde mit einem massiven Rührflügel (Arrow 1701), einem 0,075 Inch (1,90 mm) breiten Spalt und einem konischen Sieb mit 0,055 Inch (1,40 mm) messenden runden Öffnungen hergerichtet, und der Antriebsmotor wurde auf 253 U/min eingestellt. Nachdem die Schlämme die "QUADRO COMIL" und das UV-Härtungssystem durchlaufen hatte, wurden die mindestens teilweise gehärteten keramischen Aggregatvorläuferteilchen in Aluminiumwannen verbracht und in einem Umluftofen (von der Lindberg/Blue M Company, Watertown, Wisconsin, Modell-Nummer POM-246F) etwa 6 Stunden bei etwa 350°F (177°C) thermisch gehärtet. Die Vorläuferteilchen wurden mittels eines Rüttelsiebes (von W. S. Tyler, Mentor, Ohio, Modell-Nummer RX 29) und 8 Inch (20,3 cm) durchmessender Messingsiebe (von W. S. Tyler, Mentor, Ohio) gesiebt. Die Teilchen, die ein Sieb Nr. 12 passierten, aber auf einem Sieb Nr. 20 zurückblieben, wurden aufgefangen und vorgebrannt, wie in Verfahrensvorschrift Nr. 3 beschrieben. Die vorgebrannten Teilchen wurden dann auf 1132°F (750°C) wiedererwärmt, wie in Verfahrensvorschrift Nr. 3 beschrieben. Die gebrannten Teilchen wurden gesiebt, gewaschen und getrocknet, wie in Verfahrensvorschrift Nr. 2 beschrieben, und die Druckfestigkeit der gebrannten Teilchen wurde wie in Testvorschrift Nr. 2 beschrieben gemessen. Die mittlere Druckfestigkeit der Teilchen in Beispiel Nr. 20 betrug 5,3 lbs. (2,4 kg).
Beispiele Nr. 21-22
In den Beispielen 21 und 22 wurden keramische Aggregatteilchen unter Verwendung nicht-kristalliner keramischer Bindemittelvorläufer hergestellt. Beispiel 21 wurde ohne Farbpigment hergestellt, und Beispiel 22 wurde mit Farbpigment hergestellt (IO). Es wurde eine keramische Aggregatvorläuferschlämme wie in Verfahrensvorschrift Nr. 1 beschrieben hergestellt. Die Schlämmenformulierungen sind in Tabelle 13 angegeben und wurden kombiniert, indem zuerst die Bestandteile in Tabelle 13 in der angegebenen Reihenfolge zusammengebracht wurden, mit der Ausnahme, dass in Beispiel 22 SGP und IO erst miteinander kombiniert wurden und dann langsam zu den übrigen Bestandteilen in Tabelle 13 hinzugegeben wurden. Tabelle 13. Vorläuferteilchenschlämmenformulierungen für die Beispiele Nr. 21 und Nr. 22
Das Mischen erfolgte in einem Mischer mit einem Scheibenrotor (von der Hobart Corporation, Troy, Ohio, Modell-Nummer A120T). Das SGP (Beispiel Nr. 21) oder das SGP/IO-Gemisch (Beispiel Nr. 22) wurden jedem separaten Harzgemisch beigegeben, und das Mischen wurde etwa 30 Minuten mit der langsamsten Mischdrehzahl, wie in Verfahrensvorschrift Nr. 2 beschrieben, fortgesetzt. Die Endtemperatur jedes Gemisches betrug etwa 100°F (38°C). Es wurden keramische Aggregatvorläuferteilchen wie in Verfahrensvorschrift Nr. 2 beschrieben hergestellt. Für Beispiel Nr. 21 wurde die "QUADRO COMIL" mit einem massiven Rührflügel (Arrow 1701), einem 0,075 Inch (1,90 mm) breiten Spalt und einem konischen Sieb mit 0,062 Inch (1,57 mm) messenden runden, gitterrostartigen Öffnungen hergerichtet, und der Antriebsmotor wurde auf 350 U/min eingestellt. Für Beispiel Nr. 22 wurde die "QUADRO COMIL" mit einem massiven Rührflügel (Arrow 1701), einem 0,075 Inch (1,90 mm) breiten Spalt und einem konischen Sieb mit 0,055 Inch (1,57 mm) messenden runden Öffnungen hergerichtet, und der Antriebsmotor wurde auf 253 U/min eingestellt. Nachdem die Schlämmen die "QUADRO COMIL" und das UV-Härtungssystem passiert hatten, wurden die mindestens teilweise gehärteten keramischen Aggregatvorläuferteilchen in Aluminiumwannen gegeben und in einem Umluftofen (von der Lindberg/Blue M Company, Watertown, Wisconsin, Modell-Nummer POM-246F) etwa 6 Stunden bei etwa 350°F (177°C) thermisch gehärtet. Für Beispiel Nr. 21 wurden die keramischen Aggregatvorläuferteilchen dann verkleinert, indem man sie durch die "QUADRO COMIL" unter Verwendung eines massiven Rührflügels (Arrow 1701) mit einem 0,175 Inch (4,44 mm) breiten Spalt und eines 0,094 Inch (2,39 mm) großen Gitterrostsiebes passieren ließ. Nach der Verkleinerung wurden die keramischen Aggregatvorläuferteilchen für Beispiel Nr. 21 unter Verwendung eines Rüttelsortierers (von der Exolon Co., Tonawanda, New York, Modell-Nummer 501) gesiebt. Die Teilchen, die ein Sieb mit Mesh-Zahl 8 passierten, aber auf einem Sieb mit Mesh-Zahl 24 hängen blieben, wurden aufgefangen und vorgebrannt, wie in Verfahrensvorschrift Nr. 2 beschrieben. Für Beispiel Nr. 22 wurden die keramischen Aggregatvorläuferteilchen nicht verkleinernd weiterverarbeitet, sondern sie wurden mittels eines Rüttelsiebes (von W. S. Tyler, Mentor, Ohio, Modell-Nummer RX 29) und 8 Inch (20,3 cm) durchmessen der Messingsiebe (von W. S. Tyler, Mentor, Ohio) gesiebt. Die Teilchen, die ein Sieb Nr. 12 passierten, aber auf einem Sieb Nr. 20 hängen blieben, wurden aufgefangen und vorgebrannt, wie in Verfahrensvorschrift Nr. 2 beschrieben. Die keramischen Aggregatteilchen für die Beispiele Nr. 21 und Nr. 22 wurden dann auf 1382°F (750°C) wiedererwärmt, wie in Verfahrensvorschrift Nr. 2 beschrieben. Die gebrannten Teilchen für jedes der Beispiele Nr. 21 und Nr. 22 wurden gesiebt, gewaschen und getrocknet, wie in Verfahrensvorschrift Nr. 2 beschrieben, und die Druckfestigkeit der gebrannten Teilchen wurde wie in Testvorschrift Nr. 2 beschrieben gemessen. Die gebrannten Teilchen von Beispiel Nr. 21 hatten ein glänzend-weißes, durchscheinendes Aussehen, und die mittlere Druckfestigkeit betrug 53,6 lbs. (24,3 kg). Die gebrannten Teilchen von Beispiel Nr. 22 hatten ein glänzend-rotes, undurchsichtiges Aussehen, und die mittlere Druckfestigkeit betrug 44,8 lbs. (20,3 kg).
Druckfestigkeitswerte für verschiedene Verhältnisse von Schleifkorn zu keramischer Bindungsphase
Tabelle 14 soll die Auswirkung des Verhältnisses von Schleifkorn zu keramischer Bindungsphase auf den Druckfestigkeitswert demonstrieren. Die Gewichts- und Volumenverhältnisse von Schleifkorn zu keramischer Bindungsphase sind in Tabelle 14 für keramische Aggregatteilchen von ausgewählten Beispielen, zusammen mit entsprechenden Druckfestigkeitswerten, die gemäß Testvorschrift Nr. 2 gemessen wurden, angegeben.
Für glasgebundene keramische Aggregatteilchen (d. h. Beispiele Nr. 1, Nr. 2, Nr. 3 und Nr. 8) wurde das tatsächliche Volumenverhältnis von Schleifkörnern zu Glasbindungsphase folgendermaßen bestimmt: Keramische Aggregatteilchen für jedes bestimmte Beispiel wurden etwa 2 Stunden bei etwa 100°C in einem Umluftofen (von Despach Industries, Minneapolis, Minnesota, Modell- Nummer ALD2-11) getrocknet, um Feuchtigkeit von der Oberfläche der Teilchen zu entfernen. Dann wurde das Gesamtvolumen von etwa 10 Gramm Teilchen für jedes bestimmte Beispiel durch Heliumpyknometrie unter Verwendung eines "ACCU PYC 1330" (bei Micromeritics Inc., Norcross, Georgia, unter der Handelsbezeichnung "ACCU PYC 1330" zu beziehen) gemessen. Für jedes der Beispiele Nr. 1, Nr. 2, Nr. 3 und Nr. 8 wurden die keramischen Aggregatteilchen etwa 2 Stunden in 30 %-iger Fluorwasserstoffsäure getränkt, wodurch die Glasbindungsphase, aber nicht die Schleifkörner aufgelöst wurden. Die Fluorwasserstoffsäurelösung wurde dekantiert, und die Schleifkörner wurden herausgenommen. Die Schleifkörner wurden mit entionisiertem Wasser gewaschen und etwa 2 Stunden bei etwa 100°C in dem Umluftofen (von Despach Industries, Minneapolis, Minnesota, Modell-Nummer ALD2-11) getrocknet, um Feuchtigkeit zu entfernen. Das Volumen der verbliebenen Schleifkörner wurde durch Heliumpyknometrie unter Verwendung des "ACCU PYC 1330" gemessen. Die Volumenverhältnisse und Prozentangaben von Schleifkorn zu Glasbindungsphase wurden berechnet und in Tabelle 14 angegeben. Für die Aluminiumoxid-gebundenen keramischen Aggregatteilchen (d. h. Beispiele Nr. 16 und Nr. 18) wurden die Volumenverhältnisse anhand der Gewichtsanteile des Schleifkorns und Aluminiumoxidbindungsphasen geschätzt, wobei nominale Materialdichten von 4,00 g/cm³ sowohl für das Schleifkorn als auch die Aluminiumoxidbindungsphasen angenommen wurden. Diese Daten sind in Tabelle 14 zusammengefasst. Tabelle 14. Druckfestigkeitswerte für verschiedene Verhältnisse von Schleifkorn zu keramischer Bindungsphase
Tabelle 14 veranschaulicht, dass ein höherer Gehalt an keramischem Bindemittel zu einer höheren Teilchenfestigkeit führt.

Claims

Mehrere keramische Aggregatteilchen, wobei diese Teilchen mehrere Feststoffteilchen umfassen, die durch keramisches Bindemittel miteinander verbunden sind, wobei die mehreren Feststoffteilchen eine mittlere Teilchengröße im Bereich von 0,5 Mikrometer bis 1500 Mikrometer aufweisen und das keramische Bindemittel und die mehreren Feststoffteilchen getrennte Phasen sind; und wobei eine Mehrheit der mehreren keramischen Aggregatteilchen ein Seitenverhältnis von größer als eins und eine im Wesentlichen einheitliche Querschnittsabmessung aufweist, die sich um nicht mehr als 20% ändert und wobei das keramische Bindemittel jede Außenfläche des Feststoffteilchens mit einer Beschichtung mit einer Stärke von nicht mehr als 0,05 bis 150 μm bedeckt, sodass sich die Außenfläche des Aggregatteilchens eng an die äußerste Fläche der Feststoffteilchen darin anpasst und wobei die mehreren keramischen Aggregatteilchen eine Querschnittsform aufweisen, die gebogen, kreisförmig, dreieckig oder hexagonal ist.
Mehrere keramische Aggregatteilchen nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Anteil der Feststoffteilchen Schleifteilchen sind, die Teilchengrößen von zwischen etwa 125 Mikrometer und 1500 Mikrometer aufweisen.
Mehrere keramische Aggregatteilchen nach Anspruch 2, wobei die Schleifteilchen aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Schleifteilchen aus verschmolzenem Aluminiumoxid, Schleifteilchen aus keramischem Aluminiumoxid, Schleifteilchen aus weißem verschmolzenem Aluminiumoxid, Schleifteilchen aus wärmebehandeltem Aluminiumoxid, Schleifteilchen aus braunem verschmolzenem Aluminiumoxid, Siliciumoxidschleifteilchen, Siliciumcarbidschleifteilchen, Schleifteilchen aus grünem Siliciumcarbid, Borcarbidschleifteilchen, Titancarbidschleifteilchen, Zirkonaluminiumoxidschleifteilchen, Diamantschleifteilchen, Cerdioxidschleifteilchen, Schleifteilchen aus kubischem Bornitrid, Granatschleifteilchen oder Kombinationen davon besteht.
Mehrere keramische Aggregatteilchen nach Anspruch 1, wobei ein größerer Anteil der keramischen Aggregatteilchen stabförmig ist.
Mehrere keramische Aggregatteilchen nach Anspruch 1, wobei das keramische Bindemittel ein keramisches Bindemittel umfasst, das aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus kristallinem keramischem Bindemittel, nichtkristallinem keramischem Bindemittel und Kombinationen davon besteht.
Mehrere keramische Aggregatteilchen nach Anspruch 5, wobei das kristalline keramische Bindemittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, Titanoxid, Zirkoniumoxid, Aluminiumoxid-Zirkonoxid, Alumosilikat, Magnesiumaluminat, Magnesiumsilikat, Borcarbid, Siliciumcarbid, Silicium-Aluminium-Oxynitrid, Titancarbid, Bornitrid, Siliciumnitrid, Siliciumoxynitrid, Aluminiumnitrid, Titanborid, Calciumphosphat und Kombinationen davon besteht.
Mehrere keramische Aggregatteilchen nach Anspruch 5, wobei das nicht-kristalline keramische Bindemittel aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus verschmolzenem Siliciumdioxid, Alkalisilikatglas, Erdalkalisilikatglas, Bleisilikatglas, Borsilikatglas, Aluminosilikatglas, Aluminophosphatglas und Kombinationen davon besteht.
Mehrere keramische Aggregatteilchen nach Anspruch 5, wobei das keramische Bindemittel eine Kombination aus kristallinem keramischem Bindemittel und nichtkristallinem keramischem Bindemittel umfasst und aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Lithiumaluminosilikatglaskeramik, Magnesiumaluminosilikatglaskeramik, Fluorglimmersilikatglaskeramik, Porzellan, Steingut, Steinzeug und Kombinationen davon besteht.
Mehrere keramische Aggregatteilchen nach Anspruch 1, wobei ein größerer Anteil der keramischen Aggregatteilchen eine kreisförmige Querschnittsform aufweist.
Mehrere keramische Aggregatteilchen nach Anspruch 1, wobei ein größerer Anteil der keramischen Aggregatteilchen eine polygonale Querschnittsform aufweist.
Mehrere keramische Aggregatteilchen nach Anspruch 1, wobei ein größerer Anteil der keramischen Aggregatteilchen eine mit der Oberfläche verbundene Porosität aufweist.
Mehrere keramische Aggregatteilchen nach Anspruch 1, wobei ein größerer Anteil der keramischen Aggregatteilchen keine merkliche mit der Oberfläche verbundene Porosität aufweist.
Mehrere keramische Aggregatteilchen nach Anspruch 1, wobei mindestens ein Anteil der Feststoffteilchen aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Füllmitteln, Schleifhilfsstoffen, Fasern, elektrisch wirksamen Teilchen, Pigmenten und Kombinationen davon besteht.
Mehrere keramische Aggregatteilchen nach Anspruch 1, wobei die Querschnittsform kreisförmig, dreieckig oder hexagonal ist.
Schleifgegenstand, enthaltend: ein Bindemittel; und mehrere keramische Aggregatteilchen nach einem der Ansprüche 1 bis 14, die mit dem Bindemittel in dem Gegenstand befestigt sind.
Schleifgegenstand auf Unterlage, umfassend: einen Träger mit einer Hauptfläche; und eine Schleifschicht, die mehrere keramische Aggregatteilchen nach einem der Ansprüche 1 bis 14 umfasst, die mit dem Bindemittel an der Hauptfläche des Trägers befestigt sind.
Vliesschleifgegenstand, umfassend: eine poröse offene Polymerfaserstruktur mit mehreren keramischen Aggregatteilchen nach einem der Ansprüche 1 bis 14, die in der Struktur verteilt sind und mit einem organischen Bindemittel darin gebunden sind.
Schleifgegenstand nach Anspruch 15, der ein gebundener Schleifgegenstand ist.