DE68920091T2 - Schleifscheibe aus Schleifkörnern mit keramischer Bindung. - Google Patents

Schleifscheibe aus Schleifkörnern mit keramischer Bindung.

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Description

  • Die Erfindung betrifft keramisch gebundene Schleifscheiben und insbesondere Schleifscheiben, die mit einer Fritte gebunden sind.
  • Die bedeutendste Entwicklung in der Schleifmittelindustrie in den letzten Jahren ist eine neue Art von nicht schmelzgeformten oder gesinterten Schleifmaterialien mit Eigenschaften, die sich von jenen anderer Schleifmaterialien unterscheiden. Die einzigartigen Eigenschaften dieses neuen Schleifmaterials sind vorwiegend das Ergebnis der Mikrostruktur des Schleifmaterials, die ihrerseits aus den zur Herstellung des Materials verwendeten Verarbeitungstechniken resultiert. Ein Schleifmaterial dieser Art ist in U.S. Patent Nr. 4.623.364 offenbart. Das Produkt ist im Prinzip ein gesintertes aluminiumhaltiges Schleifmaterial, das äußerst dicht ist, eine Härte von mindestens 18 GPa aufweist und aus einer Vielzahl von Mikrokristallen von Alpha-Aluminiumoxid besteht, die im allgemeinen gleichachsig sind und eine Kristallgröße von höchstens 0,4 Mikrometer aufweisen. Dieses ultrafeine kristalline Aluminiumoxid wird durch Bildung eines wässerigen Sols aus Wasser, fein pulverisiertem, d.h. mikrokristallinem hydrierten Aluminiumoxid und einer Mineralsäure hergestellt; das Sol kann auch unterschiedliche Mengen an Zirkonoxid oder spinellbildendem Magnesiumoxid enthalten. Dem Sol wird eine wirksame Menge von Submikrometer Alpha-Aluminiumoxidteilchen zugegeben, die als Keimelemente dienen, oder ein Keimbildner, wenn das Sol bei erhöhter Temperatur hartgebrannt wird. Das Sol wird zu Tafeln gegossen oder extrudiert, getrocknet und granuliert. Die Grüngranula werden dann bei etwa 1400ºC hartgebrannt.
  • Ein weiteres gesintertes aluminiumhaltiges Schleifmaterial wird in U.S. Patent Nr. 4.314.827 beschrieben, wobei der wesentliche Unterschied darin besteht, daß dieses Verfahren nicht die Zugabe von Submikrometer Alpha-Aluminiumoxid- Keimmaterial zu dem Sol enthält. Auch hier kann jedoch die Zusammensetzung andere Materialien wie Zirkonoxid, Hafniumoxid oder Mischungen der beiden oder ein Spinell, das aus Aluminiumoxid und einem Oxid von Kobalt, Nickel, Zink oder Magnesium gebildet wird, enthalten. Das auf diese Weise hergestellte Schleifkorn enthält Alpha-Aluminiumoxid in Form von Zellen oder rosettenförmige Alpha-Aluminiumoxid-Kristalle mit einem Durchmesser von 5-15 Mikrometern, weist eine etwas geringere Dichte als das vorangehende Schleifmaterial auf und besitzt eine Härte von nur etwa 15 GPa.
  • U.S. Patent Nr. 4.744.802 beschreibt auch ein durch Sintern eines beimpften Solgels gewonnenes aluminiumhaltiges Schleifmaterial, das mit Alpha-Eisentrioxid oder Alpha- Aluminiumoxid-Teilchen beimpft wird. Das Produkt wird durch Bereitung eines Sols aus monohydrierten Alpha-Aluminiumoxid- Teilchen, Gelieren des Sols, Trocknen des Gels zur Bildung eines Feststoffes und Sintern des kalzinierten Gels hergestellt.
  • Es gibt natürlich andere gesinterte Schleifmaterialien, die seit Jahren im Handel sind, wie Schleifmaterialien, die auf gesintertem Bauxit und gesintertem Aluminiumoxid- Zirkonoxid basieren.
  • Gesinterte aluminiumhaltige Schleifmaterialien besitzen zwar Eigenschaften, die sie zu hervorragenden Schleifmaterialien machen sollten, erfüllen aber in zwei wesentlichen Bereichen die Erwartungen nicht. Ein Bereich ist das Trockenschleifen mit Scheiben, wobei das Schleifmaterial mit den häufiger verwendeten keramischen Bindungen gebunden ist, d.h. mit jenen, die bei Temperaturen von etwa 1220ºC oder mehr hartgebrannt und gargebrannt werden. Wie in U.S. Patent Nr. 4.543.107 angeführt, waren Versuche zur Verwendung von gesinterten aluminiumhaltigen Schleifmaterialien, die mit solchen keramischen Bindungen gebunden sind, beim Trockenschleifen nicht absolut erfolgreich. Dies steht vollständig im Gegensatz zu dem, was mit Schleifmaterialien passiert, die mit sogenannten Kunstharz- oder organischen Polymerbindungen gebunden sind; diese Bindungen verfestigen sich bei Temperaturen im Bereich von 160ºC bis 225ºC. Dasselbe gilt, wenn die gesinterten aluminiumhaltigen Schleifmaterialien in beschichteten Schleifprodukten verwendet werden. Organisch gebundene Schleifscheiben sind in U.S. Patent Nr. 4.741.743 beispielhaft angeführt. Ein Schleifmaterial des beimpften Solgel-Typs, Patent Nr. 4.632.364, wird mit einer Bindung des Phenol-Formaldehyd-Typs in Verbindung mit einem zusammengeschmolzenen Aluminiumoxid- Zirkonoxid-Schleifmaterial gebunden. Die einzigartigen Eigenschaften des durch Sintern des beimpften Solgels gewonnenen aluminiumhaltigen Schleifmaterials in Verbindung mit dem zusammengeschmolzenem Aluminiumoxid-Zirkonoxid ergeben einen synergistischen Effekt und führen zu Trennscheiben mit Schleifqualitäten oder G-Verhältnissen, die deutlich besser als bei Scheiben sind, die nur das durch Sintern des beimpften Solgels gewonnene aluminiumhaltige Schleifmaterial oder nur das zusammengeschmolzene Aluminiumoxid-Zirkonoxid enthalten. In zwei Gruppen von Schleifbedingungen waren die Scheiben, die nur das gesinterte aluminiumhaltige Schleifmaterial enthielten, besser als die Scheiben, die das bisher bessere zusammengeschmolzene Aluminiumoxid-Zirkonoxid- Schleifmaterial enthielten; in einem Fall war das erste in den G-Verhältnissen um 100% besser als das letzere.
  • Das Problem der besonders schlechten Leistung von gesintertem aluminiumhaltigem Schleifmaterial mit den häufiger verwendeten keramischen Bindungen beim Trockenschleifen wird in U.S. Patent Nr. 4.543.107 behandelt. Der Erfinder entdeckte, daß, wenn die Viskosität und/oder die Garbrennungstemperatur der Bindung richtig kontrolliert wird, die besseren Eigenschaften des gesinterten aluminiumhaltigen Schleifmaterials hervorgebracht werden. Dies erfolgte durch Verringerung der Hartbrenntemperatur (Garbrenntemperatur der Bindung) auf 1100º oder weniger bei herkömmlichen Bindungen oder 1220ºC oder weniger bei den Bindungen mit höherer Viskosität.
  • In U.S. Patent. 4.543.107 wurde zwar das Problem von schlechten Trockenschleifeigenschaften gelöst, das bei einem gesinterten aluminiumhaltigen Schleifmaterial auftritt, welches mit den allgemein verwendeten keramischen Bindungen gebunden ist, aber der andere wesentliche Bereich, in dem die den gesinterten aluminiumhaltigen Schleifmaterialien eigene Qualität nicht beobachtet wird, wurde nicht behandelt, nämlich der sehr wesentliche Schleifvorgang des sogenannten Naßschleifens. Bei diesem Vorgang werden das Werkstück und die Schleifscheibe mit einem Kühlmittel umspült, das im wesentlichen nur Wasser sein kann, aber auch geringe Mengen an Bakteriziden, Entschäumungsmitteln und dergleichen enthalten kann, oder Wasser ist, das 5-10% eines wasserlöslichen Öls enthält, oder ein Kühlmittel aus ausschließlich Öl sein kann; die vorliegende Erfindung und diese Besprechung betreffen nur Kühlmittel auf Wasserbasis. Es ist allgemein bekannt, daß eine gewisse Verringerung in der Schleifqualität oder dem G-Verhältnis bei einigen Schleifarten beobachtet wird, wenn eine bestimmte keramisch gebundene Scheibe vom Trockenschleifen zum Schleifen mit Wasser übergeht. Der Abfall ist bei keramisch gebundenen, gesinterten aluminiumhaltigen Schleifscheiben jedoch deutlicher und beträgt unter gewissen Bedingungen bis zu 90%. Insbesondere bei Scheiben, die aus einem Schleifmaterial bestehen, das nach der zuvor beschriebenen beimpften Solgel- Technik hergestellt wurde, stellt die Verringerung im G-Verhältnis einen Verlust von im wesentlichen der gesamten Vorteile jenes Schleifmaterials im Vergleich zu dem herkömmlichen geschmolzenen Aluminiumoxid dar, das einen Abfall von etwa 30% aufweist, wenn das G-Verhältnis für alle Schleifvorgänge gemittelt wird.
  • Wie auch in der Technik allgemein bekannt ist, führt die Anwendung einer bestimmten keramisch gebundenen Schleifscheibe im Naßschleifen nicht immer zu Ergebnissen, wo es zu einem Abfall in der Schleifqualität und anderen Merkmalen des Schleifvorganges wie dem Energieverbrauch kommt; in einigen Naßschleifvorgängen kann das Kühlmittel tatsächlich einen Anstieg der Schleifqualität über jene, die beim Trockenschleifen erzielt wird, bewirken. Bei gesinterten aluminiumhaltigen Schleifmaterialien mit einer herkömmlichen keramischen Bindung kommt es nur zu einem minimalen oder keinem Anstieg der Schleifleistung als Folge des Kühlmittels. Mit anderen Worten, wenn die Kombination aus herkömmlich verwendeten keramischen Bindungen und gesinterten aluminiumhaltigen Schleifmaterialien Wasser ausgesetzt wird, wird ein wesentlicher Teil der besseren Eigenschaften jener besonderen Schleifmaterialart zerstört. Mit diesem Phänomen beschäftigt sich die vorliegende Erfindung.
  • Für die vorliegende Erfindung sind die U.S. Patente 1.338.598 und 1.918.312 von Bedeutung. Sie sind wegen ihrer Aussagen zu der Bindung eines Schleifkorns mit einer Fritte zur Bildung einer Schleifscheibe bedeutsam. In beiden Patenten ist das Schleifkorn vom Typ des geschmolzenen Aluminiumoxids. Fritten sind allgemein bekannte Materialien und wurden viele Jahre als Glasuren zur Beschichtung von zum Beispiel Metallen und Schmuckstücken und zur Bindung von Schleifmaterialien verwendet, wie durch die vorangehenden Patente bewiesen wurde. Fritte ist ein Gattungsname für ein Material, das durch gründliches Vermischen von mehreren Mineralien, Oxiden und anderen anorganischen Verbindungen gebildet wird, worauf eine Erwärmung der Mischung auf eine Temperatur folgt, die zumindest hoch genug ist, um diese zu schmelzen, wonach das Glas gekühlt und pulverisiert wird. Es gibt nahezu eine unendliche Anzahl von möglichen Fritten angesichts der zahlreichen Kombinationen von Materialien und deren Mengen. Einige der üblicheren Materialien, die zur Bildung von Fritten verwendet werden, sind: Feldspat, Borax, Quarz, kalzinierte Soda, Bleimennige, Zinkoxid, gemahlene Kreide, Antimontrioxid, Titandioxid, Natriumhexafluorosilicat, Flint, Kryolit und Borsäure. Einige dieser Materialien werden als Pulver miteinander vermengt, zum Schmelzen der Mischung gebrannt und die geschmolzene Mischung dann gekühlt. Das gekühlte Glas wird fein zerkleinert. Dieses Endpulver wird zur Bindung von Schleifkörnern zur Bildung einer Schleifscheibe verwendet.
  • Die vorliegende Erfindung beruht auf der Entdeckung, daß der bekannte starke Abfall in der Schleifqualität, der sich ergibt, wenn keramisch gebundene, gesinterte aluminiumhaltige Schleifscheiben mit einem Kühlmittel auf Wasserbasis verwendet werden, durch Verwendung einer Fritte als Bindungsmittel im wesentlichen beseitigt oder drastisch verringert werden kann, d.h. eine keramische Bindungszusammensetzung, die vor ihrer Verwendung als Bindung vorgebrannt wurde.
  • Der Begriff Fritte, wie hierin verwendet, bezeichnet das Produkt, das erhalten wird, wenn die üblichen keramischen Bindematerialien bei Temperaturen von 1100ºC bis 1800ºC solange vorgebrannt werden, wie zur Bildung eines homogenen Glases erforderlich ist. Die erforderliche Temperatur und Zeit für die Bildung der Fritte hängen von deren Zusammensetzung ab.
  • Einige Fritten sind verhältnismäßig niedrigschmelzend, so daß bei Verwendung einer solchen Fritte als Schleifscheibenbindung die Grünscheibe bei einer verhältnismäßig niederen Temperatur, z.B. etwa 900ºC, hartgebrannt wird im Vergleich zu herkömmlicheren keramischen Bindungen, die bei 1220ºC oder mehr hartgebrannt werden müssen. Es hat sich gezeigt, daß hohe Hartbrennungstemperaturen ernstlich für die Trockenschleifeigenschaften der keramisch gebundenen Scheibe schädlich sind. Dieses besondere Problem wurde durch Verwendung von bei niedrigen Temperaturen hartgebrannten keramischen Bindungen gelöst, aber diese Lösung hat keine Auswirkung auf die Schleifqualität solcher Scheiben, wenn diese mit einem Kühlmittel auf Wasserbasis verwendet werden (siehe U.S. Patent Nr. 4.543.107). Die vorliegende Erfindung ist ein bedeutender Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik, da die verhältnismäßig niedere Hartbrenntemperatur der gefritteten Bindung die besseren Trockenschleifeigenschaften von gesinterten aluminiumhaltigen Schleifmaterialien bewahrt und zusätzlich diese besseren Eigenschaften auf das Naßschleifen mit einem Kühlmittel auf Wasserbasis ausdehnt. Die Bedeutung dieser Entwicklung ist sofort ersichtlich, wenn beachtet wird, daß ein Großteil des Schleifens mit keramischen Scheiben mit einem Kühlmittel auf Wasserbasis durchgeführt wird.
  • Es gibt mehrere sogenannte gesinterte aluminiumhaltige Schleifmaterialien, die gegenwärtig bekannt sind, wie gesinterten Bauxit, das beimpfte Solgel-Schleifmaterial, das in dem U.S. Patent. 4.623.364 beschrieben wird, und das Solgel- Schleifmaterial, wie in U.S. Patent Nr. 4.314.827 beschrieben. Das beimpfte Solgel-Verfahren ergibt gesinterte aluminiumhaltige Schleifmaterialien von extrem feiner Kristallinität. Dies gilt besonders für das beimpfte Solgel- Verfahren des ersteren Patents. Der genaue Grund, warum die vorliegende Erfindung Schleifscheiben mit einer verbesserten Leistung beim Naßschleifen mit gesinterten aluminiumhaltigen Schleifmaterialien ergibt, ist nicht vollständig geklärt. Es kann jedoch mit dem Fehlen von Materialien in der Frittenbindung zusammenhängen, die chemisch verbundenes Wasser abgeben oder bei Temperaturen unter der Hartbrenntemperatur des Schleifmaterials schmelzen und somit mit dem Schleifmaterial reagieren. Es wird die Theorie aufgestellt, daß die erhöhte Oberflächenreaktivität der gesinterten aluminiumhaltigen Schleifmaterialien diese stärker anfällig macht für den Angriff durch (1) chemisch gebundenes Wasser, das von Tonen freigesetzt wird, die normalerweise in keramischen Bindungen bei einem Hartbrennen bei 600ºC oder mehr vorgefunden werden, oder (2) chemisch gebundenes Wasser von hydrierten Borverbindungen oder (3) geschmolzenes B&sub2;O&sub3; bei 580ºC und mehr.
  • Die Erfindung hat zwar eine sehr ausgeprägte Wirkung auf keramisch gebundene Scheiben, worin das gesamte Schleifmaterial von der gesinterten aluminiumhaltigen Art ist, sie ist aber auch wirksam, wenn die Schleifscheibe nur 10 Gew.-% gesintertes aluminiumhaltiges Schleifmaterial und bis zu 90 Gew.-% eines sekundären Schleifmaterials eines anderen Typs enthält. Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung enthält Mischungen von 10 Gew.-% bis 100 Gew.-% gesintertes aluminiumhaltiges Schleifmaterial und 0% bis 90% eines sekundären Schleifmaterials. In einigen Schleifanwendungen dient die Zugabe eines sekundären Schleifmaterials zur Senkung der Kosten der Schleifscheibe, indem die Menge an teurem gesinterten aluminiumhaltigen Schleifmaterial verringert wird. In anderen Anwendungen hat eine Mischung aus gesintertem aluminiumhaltigen Schleifmaterial und einem sekundären Schleifmaterial einen synergistischen Effekt. In jedem Fall jedoch sollte bei Verwendung einer hohen Menge von gesintertem aluminiumhaltigen Schleifmaterial in einer keramisch gebundenen Scheibe zum Naßschleifen das Schleifmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Fritte gebunden sein. Zu Beispielen solcher sekundären Schleifmaterialien zählen geschmolzenes Aluminiumoxid, zusammengeschmolzenes Aluminiumoxid- Zirkonoxid, Siliziumkarbid, Borkarbid, Granat, Schmirgel, Flintstein, kubisches Bornitrid, Diamant oder Gemische daraus.
  • In dem einfachsten und bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Erfindung die Kombination von gesintertem aluminiumhaltigen Schleifmaterial, das ausschließlich oder mit einem anderen Schleifmaterial vermischt verwendet wird und vollständig mit einer Fritte gebunden ist. In bezug auf einige Schleifvorgänge können Scheiben mit vorteilhaften Eigenschaften jedoch erhalten werden, wenn die Bindung auch andere Materialien als nur Fritte enthält. Die Bindung kann aus einer Kombination von zumindest 40% Fritte bestehen, wobei der Rest ungebrannter Ton oder jede Kombination von ungebrannten keramischen Bindekomponenten ist. Füllmaterialien und Schleifhilfen werden zwar allgemein bei kunstharzgebundenen Schleifscheiben verwendet, diese Materialien können aber auch in keramisch gebundenen Scheiben bei einigen Schleifanwendungen vorteilhaft eingearbeitet werden. 1 bis 40 Gew.-% eines Füllmaterials oder einer Schleifhilfe wie Mullit, Kyanit, Kryolith, Nephelinsyenit und ähnliche Mineralien oder Mischungen können zu verbesserten Ergebnissen führen, wenn sie Teil des Bindungsansatzes sind.
  • Die bevorzugten gesinterten Schleifmaterialien zur verwendung in der Erfindung sind die dichten, fein mikrokristallinen Alpha-Aluminiumoxid-Schleifmaterialien, die durch die beimpfte solgel-Technik aus U.S Patent 4.623.364 und die nichtbeimpfte Solgel-Technik aus U.S Patent 4.314.827 hergestellt werden, wobei das bevorzugteste das dichte, fein kristalline Alpha-Aluminiumoxid-Schleifmaterial aus beimpftem Gel des ersteren Patents ist. Zusätzlich zu Aluminiumoxid kann das Schleifmaterial des ersteren Patents auch eine wirksame Menge eines Kornwachstumshemmers wie Silika, Chromoxid, Magnesiumoxid, Zirkonoxid, Hafniumoxid oder Gemische daraus enthalten, obwohl die Zugabe solcher Materialien nicht erforderlich ist; das Schleifmaterial des letzteren Patents muß außer Aluminiumoxid (1) zumindest 10% Zirkonoxid, Hafniumoxid oder eine Kombination von Zirkonoxid und Hafniumoxid oder (2) zumindest 1% Spinell, das von Aluminiumoxid gewonnen wird, und zumindest ein Oxid eines Metalls, ausgewählt aus Kobalt, Nickel, Zink oder Magnesium, oder (3) 1-45% Zirkonoxid, Hafniumoxid oder die Kombination von Zirkonoxid und Hafniumoxid und zumindest 1% Spinell enthalten. Solche Schleifmaterialien sind im wesentlichen kalziumionen- und alkalimetallionenfrei. Zusätzlich ist die vorliegende Erfindung in einem weiten Bereich von Schleifhärtegraden anwendbar, d.h. Volumsprozentsätzen von Schleifkorn, Bindung und Poren. Die Scheiben können aus 32 bis 54% Schleifkorn, 2 bis 20% Bindung und 15% bis 55% Poren bestehen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Produktion einer keramisch gebundenen Schleifscheibe geschaffen, umfassend das Formen eines Gemisches, welches ein Schleifkorn und keramische Bindekomponenten umfaßt, zur gewünschten Form sowie Hartbrennen, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß das Schleifkorn im wesentlichen aus 10 bis 100 Gewichtsprozent eines polykristallinen aluminiumhaltigen Schleifmaterials, welches durch Gelierung eines Sols aus Alpha-Aluminiumoxid-Teilchen, Trocknen des Gels und Sintern des getrockneten Gels gewonnen wird, und aus 0 bis 90 Gewichtsprozent von zumindest einem zweiten Typ Schleifmaterial besteht, und die keramische Bindung zumindest 40 Gewichtsprozent eines keramischen Bindematerials umfaßt, welches ausgebildet ist, um bei einer relativ niedrigen Temperatur in der Größenordnung von ungefähr 900ºC hartgebrannt zu werden, und das Hartbrennen des Gemisches bei der relativ niedrigen Temperatur durchgeführt wird, wobei das keramische Bindematerial durch Vorbrennen der keramischen Bindekomponenten bei einer Temperatur von 1100ºC bis 1800ºC während eines Zeitraums, welcher ausreichend ist, um ein homogenes Glas zu bilden, und darauffolgendes Zerstoßen des Glases zu einem feinen Pulver gewonnen wurde.
  • BEISPIELE DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN Beispiel I
  • Eine Serie von keramisch gebundenen Scheiben mit einem Durchmesser von 13 cm (5 Inch), einer Dicke von 1,3 cm (0,5 Inch) und einem Loch von 3,17 cm (1,25 Inch) wurde durch herkömmliche Misch-, Kaltformungs- und Hartbrennverfahren hergestellt. Scheibe A enthielt ein handelsübliches Schleifmaterial aus geschmolzenem Aluminiumoxid, das mit einer im Handel erhältlichen, nicht gefritteten keramischen Bindung gebunden war. Diese Scheibe wird im Handel von Norton Company, Worcester, Massachusetts, unter der Bezeichnung 32A54-J8VBE vertrieben. Das Produkt wurde in einem handelsüblichen Brennzyklus hartgebrannt. Scheibe B war ein weiteres Produkt, das von Norton Company erhältlich ist, aber diese Scheibe enthielt ein durch Sintern eines beimpften Solgels gewonnenes aluminiumhaltiges Schleifmaterial des Typs, der in U.S. Patent Nr. 4.623.364 offenbart ist. Das Schleifmaterial war mit einer nicht gefritteten keramischen Bindung gebunden und wurde in einem anderen handelsüblichen Brennzyklus hartgebrannt und wird als SG54-JVS bezeichnet. Scheibe C war die erfindungsgemäße Scheibe, die dasselbe gesinterte aluminiumhaltige Schleifmaterial wie Scheibe B enthielt, aber die Bindung war eine vollständig gefrittete keramische Bindungszusammensetzung, die von O. Hommel Company, Pittsburgh, Pennsylvania, erworben wurde. Die pulverisierte Fritte wies eine Teilchengröße von -325 Mesh U.S. Standard Sieve Series auf und die Bezeichnung von O. Hommel für diese Fritte ist 3GF259A. Auf einer Gewichtsprozentbasis bestand die Fritte aus 63% Silika, 12% Aluminiumoxid, 1,2% Kalziumoxid, 6,3% Natriumoxid, 7,5% Kaliumoxid und 10% Boroxid. Die Grünscheibe wurde bei 900ºC zur Verfestigung der Bindung hartgebrannt, wobei der Brennzyklus einen 25ºC/Std.-Anstieg von Raumtemperatur auf 900ºC umfaßte, sowie ein Durchwärmen bei 900ºC über 8 Stunden und eine freie Abkühlungsgeschwindigkeit auf Raumtemperatur.
  • Alle drei Scheiben enthielten 48 Vol.-% Schleifmaterial, aber während die Scheiben A und B 7,2 Vol.-% nicht gefrittete keramische Bindung enthielten, wurde die Menge der Bindung in Scheibe C auf 9,1 Vol. % erhöht, wodurch eine entsprechende Verringerung in der Porosität erhalten wurde. Der Grund für die Erhöhung der Menge der Bindung in der erfindungsgemäßen Scheibe C war, die Härte von Scheibe C etwa der Härte der Scheiben A und B anzugleichen. Gefrittete Bindungen neigen zu einer weicheren Wirkung, d.h. schwächeren Wirkung, als herkömmliche, nicht gefrittete Bindungen, so daß eine gleiche Menge an Bindung die Schleifergebnisse beeinflußt hätte.
  • Die Mischung für Scheibe C wurde durch Zugabe der folgenden Materialien in einen Hobart-Mischer in der angegebenen Reihenfolge und Menge und durch gründliches Vermischen hergestellt. Material Menge Gesintertes aluminiumhaltiges Schleifmaterial nach U.S. 4.623.364 Dextrin Glycerin Wasser O. Hommel Fritte Körnung
  • Ein 373,4 g Teil der so hergestellten Mischung wurde in eine zylindrische Stahlform gebracht, die eine obere und eine untere Platte und einen Dorn enthielt, welche zusammengebaut einen Hohlraum mit einem Durchmesser von 14 cm (5,5 Inch), einer Dicke von 1,3 cm (0,5 Inch) und einem Loch von 3,17 cm (1,25 Inch) bildete. Die Scheibe wurde bei Raumtemperatur auf die Größe gepreßt und nach dem obenbeschriebenen Brennzyklus hartgebrannt. Nach dem Hartbrennen wurden alle Scheiben auf eine Dicke von 0,64 cm (0,25 Inch) zugeschnitten und wurden durch einen Profilschliff auf einem 4340 Stahlblock getestet, der 40,6 cm (16 Inch) lang war, unter Verwendung eines Kühlmittels auf Wasserbasis, das aus 2,5% White and Bagley E55 Kühlmittel und Wasser, welches den Rest bildete, bestand. Die Profile wurden 1,27 x 10&supmin;³ cm und 2,54 x 10&supmin;³ cm (0,5 und 1 Mil) über insgesamt 0,254 cm (100 Mil) abwärts geführt. Sowohl die Abnützung der Scheibe als auch das entfernte Material wurden zur Berechnung des Schleifverhältnisses verwendet, indem das gesamte entfernte Material durch die gesamte Abnützung der Scheibe dividiert wurde; die verbrauchte Energie wurden ebenso als verbrauchte Watt pro Kubikzentimeter (verbrauchte Pferdestärke pro Kubikinch) des entfernten Metalls bestimmt. Die Schleifergebnisse sind in Tabelle I angeführt. Tabelle I Scheibe Schleifmaterial Tiefenvorschub G-Verhältnis geschmolzenes Aluminiumoxid gesintertert aluminiumhaltig
  • Die Wirkung auf die Schleifqualität, d.h. das G-Verhältnis, beim Naßschleifen mit Scheiben, die das gesinterte aluminiumhaltige Schleifmaterial enthalten, zeigt den direkten Einfluß des Austausches der herkömmlicheren nicht gefritteten Bindung von Scheibe B durch die Fritte von Scheibe C. Bei der erfindungsgemäßen Scheibe C war das G- Verhältnis bei 1,27 x 10&supmin;³ (0,5 Mil) Vorschub etwa 300% höher als jenes von B und bei 2,54 x 10&supmin;³ (1,0 Mil) Vorschub war C um etwa 186% besser als B. Bei einem Vergleich der erfindungsgemäßen Scheibe C mit der Scheibe A, die ein geschmolzenes Standard-Aluminiumoxid enthielt, das mit einer nicht gefritteten, keramischen Bindung gebunden war, ist leicht erkennbar, wie die Fritte von Scheibe C die volle Überlegenheit des durch Sintern eines beimpften Solgels gewonnenen aluminiumhaltigen Schleifmaterials hervorbrachte, wobei dieses Schleifverhältnisse aufwies, die 945% und 290% höher waren als bei Scheibe A bei 1,27 x 10&supmin;³ (0,5 Mil) Tiefenvorschub bzw. bei 2,54 x 10&supmin;³ (1,0 Mil) Tiefenvorschub. Es ist zu beachten, daß die erfindungsgemäße Scheibe 15-25% weniger Energie zur Entfernung von 16,38 Kubikzentimetern (ein Kubikinch) Metall im Vergleich zu Scheibe A verbrauchte.
  • Beispiel II
  • Ein gesintertes aluminiumhaltiges Schleifmaterial des in U.S. Patent Nr. 4.314.327 offenbarten Typs wurde mit einer Fritte gebunden und durch Profilschleifen eines 52100 Stahls getestet. Scheiben, welche dieses Schleifmaterial enthielten, wurden mit D bezeichnet. Eine Scheibe, die mit E bezeichnet wurde, wies denselben Härtegrad auf, enthielt aber das gesinterte aluminiumhaltige Schleifmaterial von Beispiel I und wurde neben der Scheibe D getestet. Die Scheiben wurden auf dieselbe Weise wie in Beispiel I beschrieben hergestellt, mit der Ausnahme, daß die Scheiben D und E aus Schleifmaterial-Bindemischungen der folgenden Zusammensetzung bestanden, wobei die verschiedenen Materialien dem Mischer in der angegebenen Reihenfolge zugegeben wurden. SCHEIBE D Material Menge Gesintertes aluminiumhaltiges Schleifmaterial nach U.S. 4.314.827 Dextrin Glycerin Wasser O. Hommel Fritte Körnung SCHEIBE E Material Menge Gesintertes aluminiumhaltiges Schleifmaterial nach U.S. 4.623.364 Dextrin Glycerin Wasser O. Hommel Fritte Körnung
  • Die so hergestellten Mischungen wurde zu Scheiben geformt, die einen Durchmesser von 12,7 cm (5 Inch), eine Dicke von 1,588 cm (0,625 Inch) und ein Loch von 2,222 cm (0,875 Inch) aufwiesen. Die Scheiben wurden in demselben Brennzyklus wie in Beispiel I für Scheibe C beschrieben hartgebrannt. Die fertigen Scheiben hatten einen Ansatz in Volumsprozent von 40% Schleifmaterial, 11,5% Bindung und 48,5% Poren. Nach der Fertigstellung wurden die Scheiben durch zylindrisches O.D. Profilschleifen unter Verwendung verschiedener konstanter Kräfte bei jeder Scheibe getestet. Die Ergebnisse sind in Tabelle II angeführt, welche das G- Verhältnis und die Energie jedes Kraftniveaus und den Durchschnitt zeigt. Der Test wurde in einem wasserlöslichen Ölkühlmittel, das aus 95% Wasser und 5% Cincinnati Milacron Cimperial 20 Öl bestand, bei einer Scheibengeschwindigkeit von 2637 Metern (8650 Fuß) pro Minute, einer Arbeitsgeschwindigkeit von 45,7 Metern (150 Fuß) pro Minute durchgeführt, und die Scheiben wurden mit einem Einzeldiamant unter Verwendung einer diametralen Abdrehtiefe von 2,54 x 10&supmin; ³ cm (0,001 Inch) und einer Drehsteigung von 1,27 x 10&supmin;² cm (0,005 Inch) abgerichtet. TABELLE II Scheibe Kraft (lbs/in.) G-Verhältnis Kraft (hp/in.) Durchschnitt
  • Beispiel I zeigt die deutliche Verbesserung in den Schleifeigenschaften, die durch die Bindung dieses besonderen gesinterten aluminiumhaltigen Schleifmaterials mit einer Fritte beeinflußt werden. Die Daten in Tabelle II zeigen dieselbe Wirkung auf einen zweiten Typ von gesintertem aluminiumhaltigem Schleifmaterial, wenn dieses mit einer Fritte gebunden ist, wobei die Daten die Scheibe D mit einem frittengebundenen gesinterten aluminiumhaltigen Schleifmaterial gemäß U.S. Patent 4.314.327 wie auch die Scheibe E mit einem frittengebundenen gesinterten aluminiumhaltigen Schleifmaterial von U.S. Patent Nr. 4.623.364 vergleichen.
  • BEISPIEL III
  • Die Bindung der vorliegenden Erfindung muß nicht vollständig aus Fritte bestehen. In einigen Fällen kann es vorteilhaft sein, die Menge der Fritte zu verringern und eine Menge an nicht gefrittetem Bindematerial beizufügen. Dies scheint beim Profilschleifen von 52100 Stahl in Übereinstimmung mit den Daten in der folgenden Tabelle III der Fall zu sein. Es wurden drei Scheiben unter Verwendung des gesinterten aluminiumhaltigen Schleifmaterials von U.S. Patent 4.623.364 hergestellt. Alle Scheiben enthielten 48 Vol.-% Schleifmaterial. Die mit F bezeichnete Scheibe wurde mit einer herkömmlichen, im Handel erhältlichen keramischen Bindung gebunden, die als Bindung VS bezeichnet und von Norton Company, Worcester, Massachusetts, verwendet wird. Bei Scheibe G war das Schleifmaterial mit derselben Fritte gebunden wie bei Scheibe C von Beispiel I und den Scheiben D und E von Beispiel II; die gesamte Bindung war Fritte. Die Bindung in Scheibe H bestand andererseits aus 71 Gew.-% Fritte und 29 Gew.-% Kentucky Töpferton. Die Fritte war eine Fritte, die von Ferro Corporation, Cleveland, Ohio, hergestellt wird. Da gefrittete Bindungen an sich beim Schleifen weicher wirken als nicht gefrittete Bindungen, wie bereits oben erwähnt, wurde der hartgebrannte Volumenprozentanteil von Scheibe F durch Reformulierung der Bindezusammensetzung vor dem Hartbrennen nach unten korrigiert. Somit enthielt die Scheibe F auf einer hartgebrannten Volumsprozentbasis 48% Schleifmaterial, 9,1% Bindung und 42,9% Poren; die Scheiben G und H enthielten 48% Schleifmaterial, 11,5% Bindung und 40,5% Poren. Dadurch wurden Scheiben mit derselben Härte erhalten.
  • Scheiben mit derselben Größe wie in Beispiel II wurden auf dieselbe Weise wie in Beispiel I aus Mischungen mit der folgenden Zusammensetzung hergestellt, wobei die verschiedenen Materialien in der angeführten Reihenfolge dem Mischer beigegeben wurden. SCHEIBE G Material Menge Gesintertes aluminiumhaltiges Schleifmaterial nach U.S. 4.623.364 Dextrin Glycerin Wasser O. Hommel Fritte Körnung SCHEIBE H Material Menge Gesintertes aluminiumhaltiges Schleifmaterial nach U.S. 4.623.364 Dextrin Glycerin Wasser 209,2 g Ferro-Fritte und 85,2 g Ton vorgemischt Körnung
  • Die Grünscheiben G und H wurden zur Verfestigung der Bindung bei 900ºC hartgebrannt; die Grünscheibe F wurde, da sie die handelsübliche Bindung nach dem Stand der Technik enthielt, in einem handelsüblichen Brennzyklus hartgebrannt. Die fertigen Scheiben wurden dann einem Schleiftest unterzogen, der mit dem in Beispiel II beschriebenen identisch war, wobei die folgenden Ergebnisse erhalten wurden. TABELLE III Scheibe Kraft (lbs/in.) G-Verhältnis Kraft (hp/in.) Durchschnitt Durchschnitt
  • Die Scheibe H, die nur 71% Fritte enthielt, wies sogar eine höhere Schleifqualität, d.h. G-Verhältnis, bei diesem besonderen Schleifvorgang auf, als die Scheibe G, die eine vollständig frittengebundene Scheibe war. Beide Scheiben waren besser als die Scheibe F, die mit einer standardmäßigen, nicht gefritteten Bindung gebunden war.
  • BEISPIEL IV
  • Die deutliche Verbesserung beim Naßschleifen mit frittengebundenen gesinterten aluminiumhaltigen Schleifscheiben im Vergleich zu Scheiben, die mit den herkömmlicheren keramischen Bindungen gebunden sind, zeigt sich weiterhin, selbst wenn das gesinterte aluminiumhaltige Schleifmaterial mit einem zweiten Schleifmaterial vermischt wird, das kein gesintertes aluminiumhaltiges Schleifmaterial ist.
  • Keramisch gebundene Scheiben mit einem Durchmesser von 12,7 cm (5 Inch) und einer Dicke von 1,6 cm (0,625 Inch) und einem Loch von 2,2 cm (0,875 Inch) wurden auf herkömmliche Weise hergestellt. Ein Satz von Scheiben, der mit I bezeichnet wurde, wurde mit O. Hommel Fritte 3GF259A gebunden und zur Verfestigung der Bindung bei 900ºC hartgebrannt; der andere Satz von Scheiben, der mit J bezeichnet wurde, wurde mit einer handelsüblichen Bindung, die von Norton Company, Worcester, Massachusetts, verwendet und als HA4 bezeichnet wird, gebunden, und diese Scheiben wurden ebenso bei 900ºC hartgebrannt. Die Scheiben waren Scheiben mit geradem Rand, die häufig für viele Schleifvorgänge verwendet werden, wo das Schleifmaterial ein Diamant oder kubisches Bornitrid CBN ist. Der Rand oder Schleifabschnitt der Scheiben bestand aus der folgenden Mischungszusammensetzung und ergab die angegebene Zusammensetzung in Endvolumsprozent. Scheibe Material End-Vol.-% Misch-Formel Gesintertes aluminiumhaltiges Schleifmat. (US 4.623.364) (150 Körnung) O. Hommel Fritte HA 4 Bindung Dextrin Aeromer Poren Körnung
  • Der Kern der Scheiben hatte die folgende Mischzusammensetzung und Zusammensetzung in Endvolumsprozent. Scheibe Material End-Vol.-% Misch-Formel O. Hommel Fritte HA 4 Bindung Dextrin Aeromer Poren
  • * 150 Körnung 38 ALUNDUM, vertrieben von Norton Co, Worcester, MA.
  • ** 150 Körnung Siliziumcarbid, vertrieben von Norton Co, Worcester, MA.
  • *** 2,28 Gew.-% Methylcellulose, 9,78 Gew.-% Glycerin und 87,94 Gew.-% Wasser.
  • Die fertiggestellten Scheiben wurden durch Schleifen eines 52100 Stahls unter Verwendung eines Kühlmittels aus Wasser und einem wasserlöslichen Öl bei 10:1 Wasser zu Öl getestet. Die Ergebnisse waren wie folgt. TABELLE IV Scheibe Kraft (lbs/in.) G-Verhältnis Kraft (hp/in.)
  • Selbst wenn etwa 20% des gesinterten aluminiumhaltigen Schleifmaterials von der Scheibe entfernt und stattdessen CBN verwendet wird, ist die Wirkung der gefritteten Bindung beachtlich. Bei einer Kraft von etwa 17,9 kg/cm (100 lb/in.) wies die frittengebundene Scheibe I ein G-Verhältnis auf, das 84% höher war als jenes der Scheibe J, welche die handelsübliche Bindung HA4 enthielt, und bei 28,4 und 31,4 kg/cm (159 und 176 lb/in.) war das G-Verhältnis der Scheibe I 95% höher als jenes der Scheibe J.

Claims (10)

1. Verfahren zur Herstellung einer keramisch gebundenen Schleifscheibe, umfassend das Formen eines Gemisches, welches ein Schleifkorn und keramische Bindekomponenten umfaßt, zur gewünschten Form sowie Brennen, wobei das Schleifkorn im wesentlichen aus 10 bis 100 Gewichtsprozent eines polykristallinen aluminiumhaltigen Schleifmaterials, welches durch Gelierung eines Sols aus Alpha-Aluminiumoxid-Teilchen, Trocknen des Gels und Sintern des getrockneten Gels erhalten wird, und aus 0 bis 90 Gewichtsprozent von zumindest einer zweiten Art eines Schleifmaterials besteht, und die keramische Bindung zumindest 40 Gewichtsprozent eines keramischen Bindematerials umfaßt, welches ausgebildet ist, um bei einer relativ niedrigen Temperatur in der Größenordnung von etwa 900ºC gebrannt zu werden, und das Brennen des Gemisches bei der relativ niedrigen Temperatur durchgeführt wird, wobei das keramische Bindematerial durch Vorbrennen der keramischen Bindekomponenten bei einer Temperatur von 1100º bis 1800ºC während eines Zeitraums, welcher ausreichend ist, um ein homogenes Glas zu bilden, und darauffolgendes Zerkleinern des Glases zu einem feinen Pulver gewonnen wurde.
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das gesinterte aluminiumhaltige Schleifmaterial durch Sintern eines beimpften aluminiumhaltigen Sols gebildet wird und wobei jedes durch Sintern des beimpften Sol-Gels gewonnene aluminiumhaltige Schleifkorn im wesentlichen aus einer Mehrzahl von Mikrokristallen aus Alpha-Aluminiumoxid besteht, welche im allgemeinen gleichachsig sind und eine Größe von höchstens etwa 0,4 um (Mikron) aufweisen.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das gesinterte aluminiumhaltige Schleifmaterial eine wirksame Menge eines Kornwachstumshemmers umfaßt, welcher Silika, Chromoxid, Magnesiumoxid, Zirkonoxid, Hafniumoxid oder ein Gemisch daraus ist.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das gesinterte aluminiumhaltige Schleifmaterial im wesentlichen kalziumionen- und alkalimetallionenfrei ist und eine im wesentlichen homogene mikrokristalline Struktur aufweist, welche eine sekundäre Phase aus Kristalliten umfaßt, die eine modifizierende Komponente in einer dominanten kontinuierlichen Aluminiumoxidphase umfassend Alpha-Aluminiumoxid enthalten, wobei die modifizierende Komponente in Volumenprozent der gebrannten Feststoffe des gesinterten aluminiumhaltigen Schleifmaterials ist:
(i) zumindest 10% Zirkonoxid, Hafniumoxid oder eine Kombination aus Zirkonoxid und Hafniumoxid,
(ii) zumindest 1% eines aus Aluminiumoxid abgeleiteten Spinells und zumindest ein Oxid eines Metalls ausgewählt aus Kobalt, Nickel, Zink oder Magnesium, oder
(iii) 1-45% des Zirkonoxids, Hafniumoxids oder der Kombination aus Zirkonoxid und Hafniumoxid und zumindest 1% des Spinells.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Art des Schleifmaterials geschmolzenes Aluminiumoxid, zusammengeschmolzenes Aluminiumoxid- Zirkonoxid, Siliziumkarbid, Borkarbid, Granat, Schmirgel, Flintstein, kubisches Bornitrid, Diamant oder ein Gemisch daraus ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die zweite Art des Schleifmaterials geschmolzenes Aluminiumoxid ist.
7. Verfahren nach Anspruch 5, wobei die zweite Art des Schleifmaterials kubisches Bornitrid ist.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Schleifkörner in der entstehenden Schleifscheibe in einer Volumenmenge von 32% bis 54% vorliegen, wobei die Bindung in der entstehenden Schleifscheibe in einer Volumenmenge von 2% bis 20% vorliegt und wobei die Schleifscheibe 15 bis 55 Volumenprozent Poren enthält.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die keramischen Bindekomponenten von 1 bis 40 Gewichtsprozent eines Füllmaterials enthalten, welches Mullit, Kyanit, Kryolith, Nephelinsyenit oder ein Gemisch daraus ist.
10. Verwendung einer Schleifscheibe, wenn sie durch das Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche hergestellt wurde, beim Naßschleifen, insbesondere mit einem Kühlmittel auf Wasserbasis.
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