DE69207610T2 - Schleifkörper - Google Patents
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Description
- Diese Erfindung betrifft Schleifartikel.
- Ein glasgebundenes Schleifprodukt, wie eine herkömmuche Schleifsaheibe, umfaßt drei Volumskomponenten: ein Schleifteilchenmaterial, das üblicherweise etwa 40 bis 50 Vol.% einnimmt; ein Glasbindematerial, das üblicherweise etwa 5 bis 15 Vol.% vom Ganzen darstellt; und der Rest des Volumens ist Hohlraum. Die Funktion des Bindematerials besteht darin, die Schleifteuchen an Ort und Stelle zu halten, so daß sie die Schleifarbeit leisten können. Bei einem typischen glasgebundenen Produkt nach dem Stand der Technik werden die Glaskomponenten den Schleifteilchen zugegeben, und die Mischung wird erwärmt, bis die Glaskomponenten schmelzen, zur Bildung eines Glases verschmelzen und dann zu den Teilchenkontaktpunkten fließen, um einen Bindemittelposten zu bilden, der sich beim Abkühlen verfestigt. Dadurch entsteht die starre Struktur des fertigen Produktes. Bei einem jüngeren Verfahren wird das Glasbindematerial getrennt als eine geschmolzene Masse gebildet, bis zur Verfestigung abgekühlt und dann gemahlen. Dieses gemahlene Material, das als Fritte bekannt ist, wird dann mit den Schleifteilchen gemischt. Der Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß der Erwärmungsschritt verkürzt werden kann, die Bindemittelzusammensetzung gleichförmiger ist und die Bildungstemperatur häufig gesenkt werden kann.
- Bs ist offensichtlich, daß die Steifigkeit und Festigkeit der Produkte nach dem Stand der Technik häufig durch die Bindemittelposten bestimmt werden. Glas, das ein amorphes Material ist, hat im Vergleich zu den Schleifteilchen eine geringe Festigkeit (etwa 40 bis etwa 70 MPa). Diese geringe Festigkeit führt zu einer vorzeitigen Freisetzung des Korns und einem verstärkten Abrieb. Daher ist die Schleiffähigkeit von glasgebundenen Produkten theoretisch durch die Festigkeit der Posten begrenzt. In der Praxis waren bei den meisten Schleifmitteln solche Einschränkungen nicht sehr signifikant. Einige modernere Schleifmittel sind jedoch für eine optimale Leistung ünter hoher Belastung bestimmt, und dadurch wird das Bindemittel besonders belastet. Herkömmliche Gasbindemittel erweisen sich häufig unter solchen Bedingungen als unzureichend, und daher besteht ein Bedarf an Bindemitteln auf Glasbasis mit einer größeren Fähigkeit, unter hohen Belastungen zu arbeiten.
- Es wurde vorgeschlagen, daß die Verwendung eines glaskeramischen Bindemittels zum Binden der Schleifmittel vorteilhaft sein könnte. Bisher hat es sich jedoch als unmöglich erwiesen, das Bindematerial in den Bindemittelposten oder in der Beschichtung der Schleifkörner zu konzentrieren. Das ist natürlich besonders ineffizient und hat trotz der möglichen zu erwartenden Vorteile zu keiner Kommerzialisierung solcher glaskeramisch gebundenen Materialien geführt.
- In dem Artikel "The Strength of Experimental Grinding Wheel Materials induding Use of Novel Glass and Glass-Ceramic Bonds" von T.I. Barry, L.A. Lay und P. Morrell, veröffentlicht in Trans. Brit. Ceram. Soc. 79, S. 139-145 (1980), wird beschrieben, daß Versuchsschleifscheibenmaterialien mit Aluminiumoxidkörnern unter Verwendung von Glaskeramik- und sowohl neuartigen als auch herkömmlichen Glasbindemitteln hergestellt wurden. Die Ergebnisse von Experimenten unter Verwendung von rekristallisierenden Bindemitteln zeigten, daß eine gute Benetzung und ein gutes Fließen des Bindemittels während des Brennens wesentliche Merkmale zur Herstellung eines starken Materials sind. In mancher Hinsicht sind diese Merkmale mit dem Verfahren der Kristallisierung bei Glaskeramik unvereinbar, und die Festigkeit, die unter Verwendung einer Vielzahl von kristallisierenden Bindemitteln erzeugt wurde, war schwach.
- In einem weiteren Artikel mit dem Titel "A Novel Technique for Producing a Glass-Ceramic Bond in Alumina Abrasives" von T.J. Clark und J.S. Reed, veröffentlicht in Am. Ceram. Soc. Bill. 65 [11], S. 1506 bis 1512 (1986) wurden mehrere glaskeramische Zusammensetzungen als Bindematerial für Aluminiumoxidschleifmittel getestet. Anfängliche Ergebnisse für Schleifmittel, welche die glaskeramische Zusammensetzung enthielten, die das Produkt mit größter Festigkeit ergab, beliefen sich auf etwa 60% des Wertes für die handelsüblichen glasgebundenen Schleifmaterialien. Die Kristallinität dieser glaskeramischen Zusammensetzung wird mit etwa 40% angegeben.
- Die vorliegende Erfindung schafft ein gebundenes Schleifprodukt oder einen Schleifartikel gemäß dem unabhängigen Anspruch 1. Weitere vorteilhafte Merkmale, Aspekte und Einzelheiten der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und dem Beispiel hervor.
- Die vorliegende Erfindung schafft Artikel, die ein verbessertes glaskeramisches Bindematerial enthalten. Es hat eine deutlich größere Festigkeit als herkömmliche Bindemittel und wird auf einfache Weise gebildet. Schleifprodukte, die solche Bindematerialien enthalten, zeigen häufig eine wesentlich bessere Leistung als jene, die mit Bindemitteln nach dem Stand der Technik hergestellt wurden. Die Bindemittel können mit einer Vielzahl von Schleifmitteln verwendet werden und zeigen eine beeindruckende Vielseitigkeit bei den Arten von Schleifprodukten, die mit ihnen hergestellt werden können
- Die Erfindung schafft gebundene Schleifartikel und insbesondere jene, die mit einem Bindematerial gebunden sind, das zu einem halbkristallinen keramischen Bindemittel umgewandelt werden kann.
- Die Schleifprodukte oder Artikel der Erfindung umfassen Schleifteilchen, die durch ein glaskeramisches Bindematerial zusammengehalten werden, wobei zumindest 75% des Bindematerials in Form von Bindemittelposten oder einer Beschichtung auf den Schleifteilchen vorliegen.
- Glaskeramische Materialien sind für den Zweck dieser Beschreibung als Materialien definiert, die als Glas verarbeitet und gebildet werden, die aber bei Erwärmung zu einem halbkristallinen Material mit einer Kristallinität von zumindest etwa 50% und vorzugsweise mehr als 80% und einer Korngröße "längste Abmessung) von weniger als etwa 10 µm und vorzugsweise etwa 1 µm oder sogar weniger umgewandelt werden können.
- Die Glaskeramik kann auf das Schleifteilchen, mit dem sie verwendet werden soll, abgestimmt werden, so daß sie einen passenden Wärmeausdehnungskoeffizienten, z.B. innerhalb von 20% jenes des Schleifmittels, aufweist. Dies kann häufig zu verringerten Wärmebelastungen in der Struktur und folglich einer verbesserten Festigkeit führen. Eine solche Abstimmung der Ausdehnungskoeffizienten kann häufig wünschenswert sein, aber es ist nicht ein wesentliches Merkmale des weitesten Aspekts der vorliegenden Erfindung. Der Grad der Kristallinität kann eingestellt werden, um die mechanische Festigkeit des Bindemittels auf die Schleifteilchen abzustimmen oder um zu garantieren, daß die Teilchen freigesetzt werden, wenn sie geglättet sind und nicht mehr effizient schneiden.
- Die Verwendung von glaskeramischen Bindemitteln in einer glasgebundenen Schleifscheibe ermöglicht, daß die Scheibe wegen der größeren mechanischen Festigkeit der Scheibe bei höheren Drehgeschwindigkeiten betrieben werden kann. Zusätzlich ist die Verwendung von weniger Bindematerial möglich, um einen Leistungswert zu erhalten, der mit jenem herkömmlicher glasartiger Bindematenahen vergleichbar ist. Die größere Bindefestigkeit führt auch zu einer besseren Eckenhalterung und insgesamt zu einer deutlich verbesserten Scheibe im Vergleich zu Scheiben nach dem Stand der Technik, die mit herkömmlichen glasartigen Bindemitteln hergestellt wurden.
- Der physikalische Mechanismus, durch den diese Ergebnisse erzielt werden, ist nicht vollständig klar, aber es wird angenommen, daß er mit dem Bruchmechanismen von Glas zusammenhängt. Bei einer amorphen Struktur wird die Fortpflanzung eines Sprunges nicht durch dazwischenliegende Strukturen gehemmt, und somit pflanzt sich der Sprung fort, bis er eine Oberfläche erreicht und das Glas bricht. Bei einer Glaskeramik jedoch scheinen die Mikrokristalle, die in der Glasmatrix verteilt sind, eine Verästelung des Sprunges zu bewirken, wodurch die Fortpflanzung beendet und somit die Integrität der Struktur weitaus länger beibehalten wird.
- Glaskeramische Zusammensetzungen neigen bei hohen Viskositäten zu einer Keimbildung und Kristallisierung, und dies neigt dazu, die Verformung und Verdichtung anzuhalten. Die Wahl der Komponenten ist daher von großer Bedeutung. Die Schlüsselparameter sind, daß das Glas fließen, die Schleifteilchen benetzen und dichte Bindemittelposten vor und zumindest gleichzeitig mit dem Beginn der Kristallisierung bilden muß. Die Fließeigenschaften sind besonders wichtig um zu garantieren, daß das Bindematerial in dem Endprodukt in den Bindemittelposten oder in einer Beschichtung auf den Schleifkörnern und nicht in getrennten, nicht funktionellen Bereichen des gebundenen Materials angeordnet ist. In der vorliegenden Erfindung liegen mindestens etwa 75% und vorzugsweise mindestens etwa 85% oder mehr an diesen Stellen vor, was darauf hinweist, daß der gewünschte Fließ- und Beschichtungswert erzielt wurde.
- Bei der Herstellung eines glaskeramisch gebundenen Schleifartikels werden die Komponenten zu einem Glas geschmolzen, das dann abgekühlt und zu einem Pulver gemahlen wird, das vorzugsweise eine Teilchengröße von etwa 200 Mesh¹ oder feiner aufweist. Je feiner das Pulver, desto besser ist es im allgemeinen. Dies ist darin begründet, daß die Oberflächen der Teilchen eine
- ¹ 200 Mesh 74 µm
- Mehrzahl von möglichen Oberflächenkeimbildungsstellen aufweisen, und je größer der Oberflächenbereich des Glaspulvers ist, desto größer ist die Anzahl von Stellen, an welchen die erwünschte Kristallinität ausgelöst werden kann. Das Glaspulver wird dann mit dem Schleifmittel in den erforderlichen Anteilen gemeinsam mit etwaigen, möglicherweise erwünschten, flüchtigen Bindemitteln, Weichmachern und dergleichen gemischt. Diese Mischung wird dann unter Verwendung herkömmlicher Ausrüstung zu einem gebundenen Schleifprodukt geformt. Der kritische Parameter, der das Ausmaß der Kristallinität bestimmt, ist (neben der Zusammensetzung) der Brennplan. Dieser ändert sich mit der Zusammensetzung der Glaskeramik und reguliert nicht nur das Ausmaß der Kristallinität, sondern auch die Größe der Kristalle und letztlich die Eigenschaften der Glaskeramik. Der Brennplan ist häufig, aber nicht im wesentlichen, ein mehrstufiger Vorgang. In einem typischen Plan werden die dichten Glasbindemittelposten bei einer optimalen Temperatur gebildet, die durch die Glaskomponenten bestimmt wird. Das Produkt wird dann über eine bestimmte Zeit auf die optimale Keimbildungstemperatur gebracht (üblicherweise von etwa 30ºC unter bis etwa 150ºC über der Kühltemperatur), worauf eine Periode bei optimaler Kristallwachstumstemperatur folgt. Als Alternative ist es bei einigen Glasformulierungen möglich, die Keimbildung und das Kristallwachstum gleichzeitig bei der Bindemittelpostenbildungstemperatur durchzuführen.
- Das Verfahren führt zu dichten glaskeramischen Bindemittelposten, die eine deutlich größere Festigkeit aufweisen als jene von herkömmlichen Glasbindungen.
- In einigen Fällen ist es möglich, dafür zu sorgen, daß das kristalline Material, das sich von der Glasschmelze trennt, selbst ein Schleifmittel ist und zu den Schleifeigenschaften des Endproduktes beiträgt. In einer extremen Situation ist dieses sich abtrennende Schleifmaterial die einzige Schleifkomponente der Mischung, so daß das Schleifmittel sozusagen "in situ" erzeugt wird. In einem solchen Fall jedoch muß die gewünschte Porosität der Schleifmittelzusammensetzung durch andere Mittel wie Opferkomponenten, Treibmittel oder dergleichen erzeugt werden.
- Die Erfindung wird nun mit Bezugnahme auf einige bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben, die zur Veranschaulichung der Erfindung angeführt werden.
- Figur 1 zeigt zwei SEM-Mikrographien einer gebundenen Struktur gemäß der Erfindung in Vergrößerungen von 150 (1a) und 900 (1b). Figur 1a zeigt die Schleifteilchen mit dem Bindemittel an Ort und Stelle; Figur 1b zeigt einen einfachen Bindemittelposten und seine Mikrostruktur. Wie ersichtlich ist, umfaßt der Bindemittelposten eine Mehrzahl von Faserkristallen mit regelloser Orientierung. Es ist auch eine geringe Menge an Restporosität vorhanden.
- Figur 2 beinhaltet zwei SEM-Mikrographien, die andere Arten einer Kristallstruktur zeigen, die in einer Glaskeramik vorhanden sein können. Figur 2a zeigt sphäroidale und 2b zeigt dendritische Kristallstrukturen. Solche Strukturen können durch geeignete Modifizierungen der Brennpläne und der Anteile der Komponenten erhalten werden, die in der Mischung enthalten sind, aus der die Glaskeramik gebildet wird.
- Figur 3 zeigt Graphiken, in welchen die Eigenschaften der gebundenen Scheiben verglichen werden, die mit Ausnahme des Bindemittels identisch sind. Eine herkömmliche Glasbindung wird mit einer Glaskeramikbindung gemäß der Erfindung verglichen. Die verglichenen Eigenschaften sind das G-Verhältnis und die Schneidfähigkeit. Die Scheibe gemäß der Erfindung ist dieselbe wie zuvor in Figur 1 beschrieben. Bei der Vergleichsscheibe wird ein im Handel erhältliches Glasbindemittel verwendet.
- Die Herstellung eines gebundenen Produktes gemäß der Erfindung wird ferner mit Bezugnahme auf das folgende Beispiel veranschaulicht.
- Ein Glaskeramikbindematerial wurde durch Zubereitung eines Lithiumaluminosilicat- (LAS-) Glaspulvers mit der in der folgenden Tabelle 1 dargestellten Zusammensetzung hergestellt. Das Glas wurde von Sandia National Laboratories unter der Bezeichnung "SB Glass" erhalten. Die Angaben zur Zusammensetzung, die in der Folge angeführt sind, stammen aus dieser Quelle. Tabelle 1 Rohzusammensetzung (Gew. %) Geschmolzene Zusammensetzung (Gew. %)
- Die Glascharge wurde bei etwa 1400-1500ºC in einem Platintiegel geschmolzen. Die Schmelzzeit betrug etwa 24 Stunden. Das schmelzende Glas wurde periodisch gerührt. Glasgranula wurden durch Abschrecken des geschmolzenen Glases mit Wasser und anschließendes Zerkleinern (mit einer Kugelmühle) auf etwa 200 Mesh oder kleiner durch Kugelmühlenaufbereitung mit Aluminiumoxidkugeln in einer Aluminiumoxidmühle über etwa 15 Stunden hergestellt.
- Das Glaspulver wurde in den in Tabelle 2 angeführten Anteilen mit Schleifkörnern aus einem Alpha- Aluminiumoxid (SG Alumina), die durch ein beimpftes Sol/Gel-Verfahren hergestellt wurden (mikrokristalline Größe von etwa 0,2 µm), wie in USP 4.623.364 beschrieben, und mit einem flüchtigen Bindemittel gemischt. Die Mischung wurde dann bei der Bildung zu einer Schleifscheibe nach dem Brennplan behandelt, der ebenso in Tabelle 2 angeführt ist. Tabelle 2 Mischformel (Gew.%) SG (Körnungsnummer 80) Zitronensäure (50% Lösung) Dextrin (erste Zugabe) Dextrin (zweite Zugabe) Glasfritte (Das Dextrin wurde von Maisstärke abgeleitet)
- Linearer Anstieg: Raumtemperatur auf 640ºC bei 150ºC / Stunde
- Garbrand: eine Stunde
- Linearer Anstieg: 640ºC bis 930ºC bei 25ºC/Minute
- Garbrand: eine Stunde
- Gleichzeitig wurde eine Scheibe aus demselben Schleifkorn unter Verwendung eines im Handel erhältlichen Glasbindemittels hergestellt, das von Norton Co. in der Herstellung von glasgebundenen Scheiben verwendet wird. Das Bindemittel wird als HA4C bezeichnet. Zur Herstellung einer Scheibe derselben Güte wie die Scheibe der Erfindung, deren Herstellung zuvor beschrieben wurde, wurde dieselbe Menge an Bindemittel und Schleifmittel verwendet.
- Typische SEM-Mikrographien der erfindungsgemäßen Scheibe sind in Figur 1 dargestellt. Figur 1a zeigt, daß das Bindemittel ein gutes Fließverhalten und eine gute Benetzung der Kornteilchen besitzt und daß eine gute Bindemittelgeometrie erzielt wurde. Die Mikrographie zeigt deutlich, daß im wesentlichen das gesamte Bindematerial in Bindemittelposten oder in einer Beschichtung der Kornoberfläche angeordnet ist. Figur 1b zeigt, daß das Bindemittel vorwiegend aus nadelähnlichen Kristallen besteht, die in einer glasartigen Phase verteilt sind. Die Nadeln werden durch Röntgenbeugungstechniken als Lithiumsilicat mit der Formel Li&sub2;SiO&sub3; bestimmt. Zusätzlich liegen Lithiumphosphat- und Cristobalitkristalle vor, wie durch Röntgenbeugung bestimmt wurde, und die gesamte Kristallinität in dem Bindemittel wurde mit etwa 50% bestimmt. Dieses Produkt zeigte, wie in der Folge dargestellt, eine angemessene Leistung, aber es wird angenommen, daß eine höhere Gesamtkristallinität sogar noch bessere Ergebnisse liefert.
- Die Leistung der glaskeramisch gebundenen Scheibe wurde mit der Scheibe mit dem HA4C-Bindemittel verglichen, und die Ergebnisse sind in Tabelle 3 angeführt. Der Test bestand aus dem äußerlichen Naßschleifen von gehärtetem 52100 Lagerstahl (Rc 58) unter Verwendung einer 5% wässerigen Lösung von Trim VHPE 300 Fluid. Die Scheibengeschwindigkeit betrug 12400 rpm, und die Arbeitsgeschwindigkeit war 100 rpm. Das Volumen des entfernten Metalls pro Volumeneinheit Scheibenabrieb (S/W oder "G-Verhältnis") wurde gemessen. Dies bestimmt in der Praxis die Gesamtmetallmenge, die entfernt werden kann, bevor die Scheibe ausgetauscht werden muß. Eine anderes, noch signifikanteres Maß der Brauchbarkeit einer Schleifscheibe ist das Qualitätsmaß" (S²/W), das nicht nur die Metallmenge berücksichtigt, die eine Scheibe entfernen kann, sondern auch die Geschwindigkeit, in der dies eintritt. Tabelle 3 Scheibeneigenschaften/Leistung: Naßschleifen von 52100 Stahl Verwendete Bindung Komp. Dichte q/cm³ MRR in³²/min. in Leistung PS/in. G-Verhältnis S/w Qualität S²/w Glaskera mik
- Aus Tabelle 3 geht hervor, daß sowohl das G-Verhältnis als auch das Qualitätsmaß durch die Verwendung der Glaskeramikbindung deutlich verbessert wurden. Es ist auch ersichtlich, daß die Scheibe mit der Glaskeramikbindung bei einer bestimmten Leistungsabgabe rascher schneidet.
- Es ist offensichtlich, daß die glaskeramisch gebundenen Produkte der Erfindung besonders vielseitig sind und auf nahezu jede Spezifikation abgestimmt werden können. Die Schlüsselvariable ist der Brennplan, der sich mit der Zusammensetzung und der gewünschten Dichte der Kristalistruktur in der Matrix ändert. In jedem Fall ist es notwendig zu gewährleisten, daß die Kristallisierung das Fließverhalten und die Benetzung der Körner oder die Bildung dichter Bindemittelposten nicht beeinträchtigt. Innerhalb dieser Grenzen kann die Kristallisierung zu jeder passenden Zeit und in jedem Ausmaß eintreten.
- Das Schleifkorn, das durch die Glaskeramik gebunden wird, ist nicht auf die beimpften Sol-Gel-Alpha- Aluminiumoxide beschränkt, die zuvor beschrieben wurden. Tatsächlich können alle Schleifteilchen oder Mi-
- ² 1 Inch - 2,54 cm
- schungen von Teilchen verwendet werden. Diese können zum Beispiel geschmolzenes Aluminiumoxid, Siliconcarbid, kubisches Bornitrid, geschmolzenes Aluminiumoxid/Zirconiumoxid, Diamant oder jede Modifizierung oder Variation eines der obengenannten wie auch andere umfassen, die weniger oft verwendet werden. Bei einigen Kombinationen kann die Zugabe anderer Komponenten notwendig sein, um die Wechselwirkungen zwischen dem Korn und dem Bindemittel zu verstärken. In der Regel schadet die Gegenwart dieser in keiner Weise der Nützlichkeit der erfindungsgemäßen Produkte.
- Die Schleifprodukte können in eine zweckmäßige Form wie eine Scheibe, einen Schleifstein, ein Kissen, ein Scheibensegment und dergleichen gebracht werden. Es wird jedoch festgestellt, daß die Erfindung die größte Nützlichkeit bei der Anwendung besitzt, in der die Festigkeit der Bindung am meisten erprobt wird, und dies ist am wahrscheinlichsten im Zusammenhang mit Schleifscheiben.
Claims (8)
1. Schleifartikel mit durch ein Glaskeramikbindematerial mit
einem Kristallgehalt von mindestens 50 Vol% aneinander
gebundenen Schleifkörnern, wobei etwa 75 % des
Bindematerials in Bindemittelposten oder in einer
Beschichtung auf den Schleifkörnern vorliegen, und wobei
das Volumenverhältnis Bindemittel zu Korn 0,06 bis 0,6
beträgt.
2. Schleifartikel gemäß Anspruch 1, bei dem mindestens etwa
% des Bindematenais in Bindemittelposten oder in
einer Beschichtung auf den Schleifkörnern vorliegen.
3. Schleifartikel gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die
Glaskeramik mindestens etwa 80 Vol% kristallines Material
enthält.
4. Schleifartikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem das Volumenverhältnis Bindemittel zu Korn 0,1 bis
0,4 beträgt.
5. Schleifartikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem das Schleifmaterial ein Alpha-Aluminiumoxid mit
einer durchschnittlichen Mikrokristallgröße von weniger
als einem µm ist.
6. Schleifartikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem das Bindematerial aus einer
Lithiumaluminosilicatfritte gebildet ist.
7. Schleifartikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem die Glaskeramik und das Korn
Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, welche im
Bereich von etwa 20 % voneinander liegen.
8. Schleifartikel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche,
bei dem es sich um ein Schleifwerkzeug, insbesondere eine
Schleifscheibe, handelt.
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8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: SAINT-GOBAIN ABRASIVES, INC., WORCESTER, MASS., US |