DE69327111T2

DE69327111T2 - Seltenes erdoxid enthaltendes schleifkorn

Info

Publication number: DE69327111T2
Application number: DE69327111T
Authority: DE
Inventors: Henry Larmie
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1992-09-25
Filing date: 1993-09-22
Publication date: 2000-04-20
Anticipated expiration: 2013-09-23
Also published as: EP0662110A1; CA2142466A1; BR9307113A; JPH08502304A; US5498269A; ATE186939T1; WO1994007969A1; EP0662110B1; KR950703625A; DE69327111D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Schleifkorn und ein Verfahren, es herzustellen. Das verbesserte Schleifkorn ist in Schleifprodukten nützlich.
Die Schleifmittelindustrie beschäftigt sich allgemein mit Schleifmitteln, die ein Bindemittel und eine Vielzahl von Schleifkörnern umfassen, die zum Abschleifen eines Werkstücks (z. B. rostfreien Stahl) verwendet werden. Wünschenswert sind Schleifkörner, die hart, fest und gegenüber dem abzuschleifenden Werkstück chemisch resistent sind. Die Härte bezieht sich darauf, daß das Schleifkorn den Schleifkräften nicht nachgibt und nicht abstumpft. Die Festigkeit bezieht sich auf die Kraft und die Bruchfestigkeit des Schleifkorns.
Allgemein ist bekannt, daß der Einschluß verschiedener Materialien in einem auf α-Aluminiumoxid basierenden Schleifkorn die Eigenschaften des Schleifkorns modifiziert. Es wurde versucht, die Härte und Festigkeit zu verbessern.
Die vorliegende Erfindung betrifft den in den Ansprüchen offenbarten Gegenstand.
Gemäß bevorzugter Anwendungen der vorliegenden Erfindung wird ein auf Aluminiumoxid basierendes Keramikschleifkorn geschaffen. Das Schleifkorn hat eine mittlere Härte von mindestens etwa 21 GPa (bevorzugt mindestens etwa 22 GPa) und eine mittlere Festigkeit von mindestens etwa 4 MPa · m"2. Das Schleifkorn umfaßt ein gesintertes Produkt eines Vorstufenmaterials, das Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid und Seltenerdmetalloxide beinhaltet. Bevorzugte Keramikschleifkörner gemäß der vorliegenden Erfindung werden aus Vorstufenmaterial gebildet, das Yttriumoxid und Magnesiumoxid (und/oder Vorstufen derselben) umfaßt.
Bevorzugt umfaßt das Splittvorstufenmaterial für das gesinterte Produkt, nach Gewicht auf Grundlage von Elementoxiden, etwa 70 bis etwa 95% Aluminiumoxid; etwa 0,1 bis etwa 15% Zirkoniumdioxid und etwa 0,1 bis etwa 10% Seltenerdmetalloxid. Zusätzlich umfaßt das Splittvorstufenmaterial bevorzugt etwa 0,1 bis etwa 10% Yttriumoxid und etwa 0,3 bis etwa 10% Magnesiumoxid. Ein besonders bevorzugtes auf Aluminiumoxid basierendes Keramikschleifkorn gemäß der vorliegenden Erfindung wird aus einem Splittmaterial hergestellt, das, nach Gewicht, etwa 85 bis etwa 95% Aluminiumoxid; etwa 0,5 bis etwa 8% Zirkoniumdioxid; etwa 0,5 bis etwa 10% (bevorzugt etwa 0,5 bis etwa 5%) Seltenerdmetalloxid; etwa 0,1 bis etwa 3% Yttriumoxid und etwa 0,3 bis etwa 1,5% Magnesiumoxid umfaßt. Bevorzugte Seltenerdmetalloxide beinhalten Oxide des Lanthaniums, Praseodymiums, Samariums, Neodymiums, Ceriums und Dysprosiums.
Das Verfahren kann beinhalten, daß eine Dispersion hergestellt wird, die kristallbildende Materialien enthält. Der Begriff "kristallbildende Materialien" bedeutet hier ein kristallbildendes Mittel oder eine Vorstufe davon. Das Verfahren kann auch eine Stufe beinhalten, bei der ein Metalloxid (Modifizierervorstufe) der Dispersion zugefügt wird.
Der aus der Dispersion hergestellte Grundsplitt kann durch Beschichten mit Metalloxid (Modifizierervorstufe) vor dem Sintern behandelt werden.
Das Schleifkorn gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt Aluminiumoxid und, bezogen auf das Gewicht auf Elementoxidbasis, etwa 0,1 bis etwa 15% Zirkoniumdioxid und etwa 0,1 bis etwa 10 % eines Metalloxids, ausgewählt aus a) Yttriumoxid, b) Seltenerdmetalloxid, ausgewählt aus Ytterbium, Neodymium, Lanthanium, Praseodymium, Samarium, Gadolinium, Cerium, Dysprosium, Erbium und Gemischen davon und c) Gemische davon, wobei das Aluminiumoxid als α-Aluminiumoxid, Reaktionsprodukt(e) des Aluminiumoxids oder eine Kombination davon anwesend ist, das Zirkoniumdioxid als Zirkoniumdioxid, Reaktionsprodukt(e) des Zirkoniumdioxids oder eine Kombination davon anwesend ist und das Metalloxid vorzugsweise als Metalloxid, Reaktionsprodukt(e) des Metalloxids oder eine Kombination davon anwesend ist und wobei das Schleifkorn eine mittlere Härte von mindestens 21 GPa und eine mittlere Festigkeit von mindestens etwa 4 MPa m1/2 hat.
Der Begriff "Reaktionsprodukt(e)" bedeutet hier Oxid(e), die aus zwei oder mehr Metalloxiden gebildet werden. Zum Beispiel können Aluminiumoxid und Magnesiumoxid, wenn anwesend, zum Spinell reagieren; Aluminiumoxid, Magnesiumoxid, wenn anwesend, und Lanthaniumoxid, wenn anwesend, können zu LaMgAl&sub1;&sub1;O0,9 reagieren; und Titanoxid, wenn anwesend, und Magnesiumoxid, wenn anwesend, können zu MgTi&sub2;O&sub4; reagieren. LaMgAl&sub1;&sub1;O0,9 ist ein Beispiel für jeweils ein Reaktionsprodukt des Aluminiumoxids, ein Reaktionsprodukt des Magnesiumoxids und ein Reaktionsprodukt des Lanthaniumoxids (Seltenerdmetalloxid). Desweiteren ist der Spinell ein Beispiel eines Reaktionsprodukts, das sowohl ein Reaktionsprodukt des Aluminiumoxids als auch ein Reaktionsprodukt des Magnesiumoxids ist.
Bevorzugte Schleifmittel gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen ein gesintertes Produkt, in dem gleichachsige Zirkoniumdioxidteilchen verteilt sind (bevorzugt gleichmäßig zwischen α-Aluminiumoxidkristalliten verteilt), wobei die Mehrzahl der Zirkoniumdioxidteilchen einen Durchmesser von bis zu 0,4 um (bevorzugt weniger als 0,1 um) aufweist. Das α-Aluminiumoxid ist bevorzugt als Kristallite mit einer Größe bis zu etwa 1 um und typischerweise bis zu etwa 0,5 um anwesend. Der Begriff "Größe" bedeutet in diesem Zusammenhang die größte Ausdehnung des Teilchens oder Kristalliten, auf das Bezug genommen wird.
Zusätzlich werden die Komponenten so bereitgestellt, daß das Seltenerdmetall in Verbindung mit einem zweiwertigen Kation und dem Aluminiumion ein bevorzugtes Reaktionsprodukt gemäß der Formel MLnAl&sub1;&sub1;O0,9 bildet, wobei O Sauerstoff ist; Ln ein Seltenerdmetallion (in der Oxidationsstufe + 3) ist; und Al das Aluminiumion ist. Das gesinterte Produkt (d. h. das Schleifkorn) ist bevorzugt so zusammengesetzt, daß es etwa 5 bis etwa 30 Gewichts % MLnAl&sub1;&sub1;O&sub1;&sub9; enthält.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet Schleifgegenstände, die als Bestandteile Schleifkornmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung haben.
Die vorliegende Erfindung beinhaltet ebenso ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung von Schleifkornmaterialien.
Die Zeichnungen umfassen einen Teil der Patentschrift und beinhalten beispielhafte Ausführungsformen. In den Zeichnungen können relative Materialstärken übertrieben dargestellt sein, um das Verständnis der Erfindung zu fördern.
Fig. 1 ist eine fragmentarische, schematische Darstellung des Querschnitts durch ein beschichtetes Schleifprodukt mit darin eingeschlossen Schleilkörnern gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung eines gebundenen Schleifprodukts mit Schleifkörnern gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 3 ist die vergrößerte, fragmentarische, schematische Darstellung eines Vliesschleifprodukts mit Schleifkörnern gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 4 ist ein Rasterelektronen-Photomikrograph eines Schleifkorns, das gemäß Beispiel 33 hergestellt wurde, aufgenommen bei 25 000 facher Vergrößerung.
Die vorliegende Erfindung betrifft auf α-Aluminiumoxid basierende Schleifkörner. Gemäß der Erfindung werden innerhalb von auf α-Aluminiumoxid basierenden Schleifkörnern gewisse zusätzliche Komponenten geschaffen, die für verbesserte Eigenschaften sorgen. Zusätzlich betrifft die Erfindung Verfahren zur Herstellung solcher verbesserter Schleifkörner und verbesserter Schleifprodukte, die eine wirksame Menge der verbesserten Schleifkörner beinhalten.
Der Begriff "Schleifkorn" oder Abänderungen davon bedeutet hier das granulierte Schleifmaterial, nachdem es für die Verwendung in einem Schleifprodukt gesintert wurde. Der Begriff "Grundsplitt" oder "Grundsplittmaterial" bedeutet auf Aluminiumoxid basierende Keramikkornvorstufen, die, wenn sie gesintert oder calciniert und gesintert sind, Schleifkörner gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugen. Calcinierter und uncalcinierter Grundsplitt hat, wie hier beschrieben, typischerweise ausreichend Porösität, um es einer Flüssigkeit (z. B. Wasser oder ein organisches Lösungsmittel) zu erlauben, durch Kapillarkräfte in die Poren einzudringen.
Allgemein umfaßt die vorliegende Erfindung, eine auf Aluminiumoxid basierende Schleifkornvorstufe in einer bevorzugten Weise zu erzeugen, die eine wirksame Menge von mindestens einem Seltenerdmetalloxid und eine wirksame Menge Zirkoniumdioxid darin enthält. Wenn ein derartiger Grundsplitt gesintert wird, um ein keramisches Produkt zu bilden, so entsteht ein verbessertes Schleifkorn.

Der Grundsplitt

Allgemein wird der Grundsplitt gemäß einem Verfahren hergestellt, der die Schritte beinhaltet:
a) Herstellung einer Dispersion von Aluminiumoxid-Hydrat und b) Trocknen der Dispersion, um einen getrockneten, porösen Feststoff (Grundsplittmaterial) herzustellen. Aus dem getrockneten, porösen Feststoff wird das Schleifkornmaterial durch Sintern hergestellt. Typischerweise wird der getrocknete, poröse Feststoff calciniert, um eine poröse Splittvorstufe zu erzeugen. Während des Verfahrens werden Zirkoniumdioxid und Seltenerdmetalloxid(e) im porösen Feststoff bereitgestellt, um verbesserte Körner zu erzeugen.
Allgemein kann das Grundsplittmaterial entweder von Anfang an mit Zirkoniumdioxid und/oder Seltenerdmetalloxid(en) darin hergestellt werden (z. B. aus einer Dispersion) oder das Grundsplittmaterial kann modifiziert werden, um derartige Materialien einzuschliessen. Die Eigenschaften der erhaltenen Schleifkörner können durch solche Änderungen modifiziert werden. Bevorzugte Grundsplittmaterialien zur Verwendung als Teilchen in Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung werden gemäß Modifikationen bekannter Solgelverfahren hergestellt. Bekannte Verfahren werden in den US Patenten Nr. 5,011,508 (Wald), 4,744,802 (Schwabel), 4,623,364 (Cottringer), 4,574,003 (Gerk), 4,518,397 (Leitheiser et al.) und 4,314,827 (Leitheiser) offenbart. Modifikationen der Verfahren, um das verbesserte Produkt der vorliegenden Erfindung zu erhalten, werden hier angegeben. Die Verfahren betreffen die Bildung einer Aluminiumoxiddispersion, gefolgt von Gelierung, Trocknen und (gegebenenfalls) Zerkleinern.
Allgemein wird eine Dispersion, umfassend etwa 2 bis etwa 60 Gewichts % α-Aluminiumoxid- Monohydrat (typischerweise Bohemit) hergestellt, obwohl andere Hydrate verwendet werden können, um die Aluminiumoxid-Grundsplitte durch ein Solgelverfahren herzustellen. Die Gewichtsprozente basieren auf der Gesamtheit von Hydrat zuzüglich flüssigem Träger, ohne Berücksichtigung von Hilfsmitteln oder Zusatzstoffen. Der Bohemit kann durch verschiedene herkömmliche Verfahren hergestellt werden oder er kann über den Handel bezogen werden. Im Handel erhältlicher Bohemit, der in den hier beschriebenen Solgelverfahren verwendet werden kann, beinhaltet: Disperal®, erhältlich von Condea Chemie GmbH, Hamburg, Deutschland und Catapal®, erhältlich von Vista Chemical Co., Houston, TX. Diese Aluminiumoxid Monohydrate liegen in der α-Phase vor, sind relativ rein (einschließlich relativ weniger, wenn überhaupt, Hydratphasen außer Monohydrat) und haben eine große Oberfläche.
Obwohl der flüssige Träger ein unpolarer, organischer Träger (z. B. Heptan oder Hexan) sein kann, ist der flüssige Träger typischerweise Wasser, bevorzugt vollentsalztes Wasser. Allgemein enthält die Dispersion (unter Berücksichtigung aller Komponenten) mindestens etwa 10 Gewichts % flüssigen Träger, bevorzugt etwa 30 bis etwa 80 Gewichts % flüssigen Träger.
Ein Peptisiermittel kann in der Bohemit-Dispersion verwendet werden, um ein stabileres Hydrosol oder kolloidale Dispersion zu erzeugen. Einwertige Säuren, die als Peptisiermittel verwendet werden können, beinhalten Essigsäure, Salzsäure, Ameisensäure und Salpetersäure. Salpetersäure ist das bevorzugte Peptisiermittel. Mehrwertige Säuren werden normalerweise vermieden, da sie die Dispersion schnell gelieren und es dadurch schwer machen, zusätzliche Komponenten zuzufügen. Einige, im Handel erhältliche, Bohemite beinhalten einen Säuretiter (z. B. Essigsäure, Ameisensäure oder Salpetersäure), um die Bildung einer stabilen Dispersion zu unterstützen.
Die Dispersion kann eine Vorstufe oder einen modifizierenden Zustatzstoff (Modifizierer) enthalten, der zugesetzt wird, um eine gewünschte Eigenschaft des fertigen Produkts zu verstärken oder die Effektivität eines nachfolgenden Verfahrensschritts, wie etwa Sintern, zu vergrößern. Derartige Modifizierer werden gewöhnlich in Form einer Modifizierervorstufe zu einem Oxid (typischerweise ein Metallsalzmaterial, das eine Vorstufe zum entsprechenden Oxid ist; die Umwandlung wird durch Anwendung von Wärme während der Calcinierung erzielt) zugesetzt, das in einem flüssigen Träger löslich ist. Sie umfassen typischerweise wasserlösliche Salze. Gemische von Modifizierern oder Modifizierervorstufen können verwendet werden. Beispiele geeigneter, wasserlöslicher Salze beinhalten Metallsalzvorstufen (z. B. Nitrate und Acetate) für Oxide des Eisens, Titaniums, Magnesiums, Zinks, Nickels, Siliziums, Hafniums und Gemische davon.
Der pH der Dispersion bestimmt, wie schnell die Dispersion sich verdickt oder geliert. Typischerweise sollte der pH im Bereich von etwa 1,5 bis etwa 4 sein. Allgemein gilt, je niedriger der pH desto größer die Geliergeschwindigkeit. Das Zusetzen der Modifizierervorstufe führt allgemein zur Gelierung der Dispersion.
Die Dispersion kann ein kristallbildendes Material in einer Menge enthalten, die wirksam ist, um die Umwandlung in α-Aluminiumoxid zu verbessern. Geeignete kristallbildende Materialien schliessen kleine Teilchen von α-Aluminiumoxid, α-Eisen(III)oxid oder seine Vorstufe, Titanate oder ihre Vorstufen, Chromoxid oder seine Vorstufe und andere Materialien ein, die kristallbildend wirken können bei der Umwandlung des Grundsplitts während des Sinterns. Keimbildung in solchen Dispersionen wird in den US Patenten Nr. 4,774,802 (Schwabel), 4,623,364 (Cottringer) und 4,964,883 (Morris) offenbart.
Formen des Gels wird gegebenenfalls durch herkömmliche Methoden wie Pressen, Giessen, Schneiden oder Fliesspressen mit Lufttrocknung erzielt. Es kann stufenweise durchgeführt werden, zum Beispiel, durch Formen einer plastillinen Masse aus der teilweise getrockneten Dispersion mittels Fliesspressen. Beispiele geformter Schleifkörner schliessen Stäbe, Pyramiden, Kegel, Dreiecke oder Kugeln ein. Unregelmäßig geformte Schleifkornprodukte werden leicht hergestellt durch Verbringen einer teilweise getrockneten Dispersion in ein Trocknungsgefäß (z. B. ein pfannenförmiges Gefäß) von geeigneter Größe und Form und Trocknen, typischerweise bei einer Temperatur unterhalb der Schäumungstemperatur der Dispersion.
Die Dispersion, ob geformt oder nicht, wird gewöhnlich getrocknet, um ein Grundsplittmaterial zu bilden. Lufttrockenschritte können angewendet werden, um freies Wasser aus der Dispersion zu entfernen und das Splittmaterial zu bilden. Trocknen kann in einem Trockenschrank bei einer Temperatur im Bereich von etwa 50ºC bis etwa 200ºC, bevorzugt von etwa 75ºC bis etwa 125ºC, erreicht werden. Gewöhnlich wird die gelierte Dispersion während des Trocknens langsam erwärmt, um Schaumbildung zu verhindern.
Nachdem das Gel getrocknet ist, kann es mit allen geeigneten Mitteln zerkleinert oder geformt werden. Beispiele von Zerkleinerungsverfahren schliessen die Verwendung einer Hammermühle oder eines Walzenzertrümmerers ein. Jedes Verfahren zur Pulverisierung des Feststoffs kann verwendet werden und der Begriff "Zerkleinern" soll sich auf jedes dieser Verfahren beziehen. Allgemein kann eine große Anzahl von Teilchengrößen, d. h. etwa 10 bis etwa 4000 Mikrometer, für Grundsplitt verwendet werden. Allgemein wird ein ausgewählter Größenbereich für jede gegebene Anwendung isoliert. Auswahlverfahren, wie Screening, können angewendet werden, um ausgewählte Teilchengrößen oder Größenbereiche zu erhalten. Es ist bekannt, daß Sintern oder Calcinieren und Sintern für gewöhnlich zu Teilchenschrumpfung von etwa 33% in der Längsrichtung führt. Dies sollte bei der Bereichsauswahl berücksichtigt werden.
Das zerkleinerte oder geformte Material kann in einigen Fällen den Grundsplitt oder das Grundsplittmaterial umfassen. In anderen Fällen umfaßt das zerkleinerte oder geformte Material eine "Splittvorstufe", wobei das Grundsplittmaterial durch Calcinieren des Materials oder andere Modifikationen desselben hergestellt wird. In typischen Ausführungsformen wird bevorzugt das Grundsplittmaterial calciniert, um Wasser oder andere flüchtige Stoffe zu entfernen. Wenn der Splitt mit einem unpolaren, organischen Lösungsmittel als flüssiger Träger hergestellt wird, wird ein Calcinierschritt für gewöhnlich nicht benötigt.
Während der Calcinierung werden im wesentlichen alle flüchtigen Stoffe aus der Vorstufe durch Erwärmen der Vorstufe auf eine Temperatur von etwa 400ºC bis etwa 1000ºC (bevorzugt etwa 400ºC bis etwa 800ºC) entfernt. Die Temperatur des Grundsplittmaterials wird innerhalb dieses Bereichs gehalten bis das ungebundene Wasser und bevorzugt über etwa 90 Gewichts% aller gebundenen flüchtigen Stoffe entfernt sind.

Aufnahme von Zirkoniumoxid und Seltenerdmetalloxid(en) in den Grundsplitt

Gemäß der vorliegenden Erfindung kann der Grundsplitt durch Einbringen von Zirkoniumdioxid und Seltenerdmetalloxid(e) verbessert werden. Der Modifizierungsschritt bezüglich jeder der Komponenten (einzeln oder zusammen) kann entweder während oder nach der Grundsplittbildung durchgeführt werden. Außerdem können beide Arten von Komponenten, falls gewünscht, durch beide Verfahren eingebracht werden.
Die mittlere Härte wird gemäß der American Standard Test Method (ASTM) Standard E 384 ("Standard Test Method for Microhardness of Materials", 1991 Annual Books of ASTM Standards, Abschnitt 3, Bd. 3.01, S. 463) mit einem 500 g Gewicht gemessen. Die mittlere Festigkeit wird gemäß des im Artikel "Equilibrium Penny-like Cracks in Indentation Fracture", von Lawn und Fuller, J. of Mat. Sci., Bd. 10 (1974), S. 2016-24 gemessen. Gemäß der bevorzugten Anwendungen der vorliegenden Erfindung wurden Schleifkörner geschaffen, die eine mittlere Härte von mindestens etwa 21 GPa (bevorzugt mindestens etwa 22 GPa) und eine mittlere Festigkeit von mindestens etwa 4 MPa ~ min haben.
In typischen Anwendungen werden Verbesserungen erzielt, wenn das Grundsplittmaterial mit ausreichenden Mengen der Komponenten versehen wird, so daß die erhaltenen gesinterten, keramischen Schleifkörner umfassen: etwa 70 bis etwa 95 Gewichts%, bevorzugt etwa 85 bis etwa 93 Gewichts% Aluminiumoxid; etwa 0,1 bis etwa 15, bevorzugt etwa 0,5 bis etwa 8% Zirkoniumdioxid und etwa 0,1 bis etwa 10%, bevorzugt etwa 0,5 bis etwa 5%, Seltenerdmetalloxid(e). Zusätzlich enthalten bevorzugte Schleifkörner weniger als etwa 10%, bevorzugt etwa 0,1 bis etwa 3% Yttriumoxid und etwa 0,5 bis etwa 10%, bevorzugt etwa 0,3 bis etwa 1,5% Magnesiumoxid. Die Seltenerdmetalloxide können ausgewählt werden aus den Oxiden von: Praseodymium, Samarium, Ytterbium, Neodymium, Lanthanium, Gadolinium, Cerium, Dysprosium, Erbium und Gemische davon. In diesem Zusammenhang ist das endgültige gesinterte, keramische Schleifkorn gemeint, wenn gesagt wird, daß das Schleifkorn diese verschiedenen Materialien in Gewichts% beinhaltet und die Gewichts%e werden auf Grundlage von Elementoxiden angegeben, ohne Berücksichtigung der tatsächlichen Phase und ohne Berücksichtigung etwaiger Beschichtung auf dem Korn. Daher sollten alle Gewichts%e, wenn das Schleifkorn beschichtet ist, auf Grundlage des Korns abzüglich dem Gewicht der Beschichtung berechnet werden, d. h. auf Grundlage des gesinterten Korns.
Eine Vielzahl von Verfahren kann verwendet werden, um die verschiedenen Nebenkomponenten (Gewichts%), d. h. Komponenten außer Aluminiumoxid, in den Grundsplitt einzubringen. Während allgemein jedes der offenbarten Verfahren den Grundsplitt verbessert, führen Änderungen in den verwendeten Verfahren zu veränderten Eigenschaften des gesinterten Endprodukts.
Das Zirkoniumdioxid kann allgemein durch eines von drei Verfahren oder einer Kombination davon eingebracht werden. Das erste allgemeine Verfahren ist das Einbringen von Zirkoniumdioxidsol in die Dispersion von Aluminiumoxid-Monohydrat während der Herstellung des Grundsplitts, entweder durch Zugabe von Zirkoniumdioxidsol zu der Dispersion oder durch Vermischen der Dispersion mit Zirkoniumdioxidteilchen in einer Weise, die zur Bildung von Zirkoniumdioxidsol führt. Das zweite Verfahren beinhaltet die Einbringung einer Zirkoniumdioxidvorstufe (z. B. ein Zirkoniumsalz) in die Dispersion von Aluminiumoxid-Monohydrat während der Herstellung des Grundsplitts. Das dritte Verfahren beinhaltet das Einbringen einer Zirkoniumdioxidvorstufe (Zirkoniumsalz) in porösen Grundsplitt nach seiner Herstellung durch Imprägnierung. Bevorzugt wird das Zirkoniumdioxid als eine Zirkoniumkomponente während der Herstellung des Grundsplitts entweder als Zirkoniumdioxidteilchen oder als Zirkoniumsalz (Zirkoniumdioxidvorstufe) in die Dispersion eingebracht. Allgemein werden die Seltenerdmetalloxide, Magnesiumoxid und Yttriumoxid (wenn verwendet) durch eines oder beide der beiden letztgenannten, für Zirkoniumdioxid beschriebenen, Verfahren in den Grundsplitt eingebracht (d. h. entweder durch Einbringung von Salzvorstufen dieser Materialien in die Dispersion während des Solgelverfahrens oder Imprägnierung bereits gebildeten Grundsplitts mit den entsprechenden Salzen). Bevorzugt wird die Salzvorstufe des Seltenerdmetalloxids durch Imprägnierung des Grundsplittmaterials eingebracht. Ein Grund dafür ist, daß Migration der Seltenen Erdsalze während des Trocknens zu inhomogener Dispersion der Seltenerdmetalloxide im erhaltenen Grundsplittmaterial führen kann, wenn die Seltenrdmetalloxidvorstufe während des Solgelverfahrens eingebracht wird (d. h. in die Dispersion des Zirkoniumdioxids oder der Zirkoniumdioxidvorstufe und der Aluminiumoxidvorstufe).
Ein bevorzugtes Verfahren zur Einbringung von Ceriumoxid in das Schleifkorn ist in WO 94/07970 offenbart.
Wenn Metallsalze (Metalloxidvorstufen, einschließlich Zirkoniumsalze) verwendet werden, erhält man nach Trocknen und Calcinieren der erhaltenen Teilchen im allgemeinen das Oxid des Metalls. Hier wird der Begriff "Oxidationsvorstufe" oder Varianten davon verwendet, um ein Salz (z. B. ein Nitrat) zu bezeichnen, das bei Anwendung von Wärme in das entsprechende Oxid umgewandelt wird.
Einbringen einer Metalloxidvorstufe in das Solgel ist lediglich das Untermischen einer geeigneten Metalloxidvorstufe (Metallsalz) in die Dispersion. Die Zirkoniumdioxidvorstufen können ein Zirkonylalkylat, typischerweise Zirkonylformiat oder Zirkonylacetat, sein. Derartige Salze sind wasserlöslich und können daher einfach in die Dispersion des Solgels gemischt werden, vorausgesetzt der flüssige Träger ist Wasser.
Seltenrdmetalloxidvorstufen können die entsprechenden Metallsalze flüchtiger Anionen, zum Beispiel Nitrate, Formiate und Acetate, sein. Die am leichtesten erhältlichen Verbindungen von Seltenerdmetallen sind typischerweise die Oxide, die durch Reaktion mit einem Überschuß an Salpetersäure, um eine Nitratlösung herzustellen, in das Salz (Modifizierervorstufe) umgewandelt werden. Die Nitratlösung kann leicht, durch Vermischen, in die Dispersion des Solgelverfahrens eingebracht werden. Ähnliche Verfahren können verwendet werden, um die Dispersion des Solgelverfahrens herzustellen und so den Grundsplitt mit den Oxidvorstufen von Yttriumoxid, Magnesiumoxid, Zinkoxid, Kobaltoxiden, Nickeloxiden, Hafniumoxid, Chromoxiden und Gemischen davon darin herzustellen.
Ein bevorzugtes Material für bestimmte Anwendungen ist erhältlich, wenn die Zirkoniumdioxidzugabe während des Solgelverfahrens erfolgt, so daß eine gleichmäßige Verteilung des Zirkoniumdioxids innerhalb des erhaltenen keramischen Korns erreicht wird und die Zugabe des Seltenerdmetalloxids (und jede andere Oxidzugabe) während der Imprägnierung des Grundsplittmaterials erfolgt. Auf diese Weise kommt es zu einer verhältnismäßig gleichmäßigen Verteilung des Zirkoniumdioxids innerhalb des ganzen Produkts.
Das bevorzugte Verfahren zur Einbringung von Zirkoniumdioxid in das Schleifkorn ist in WO 94/07809 offenbart.
Allgemein ist gemäß dem Solgelverfahren hergestellter calcinierter Grundsplitt porös, d. h. er hat im allgemeinen Poren mit einem Durchmesser von 700-900 Nanometer. Wenn er mit einem flüssigen Träger (bevorzugt Wasser, bevorzugter vollentsalztes Wasser) vermischt wird, der darin gelöstes Metallsalz enthält, so kann das Metallsalz durch Kapillarkräfte in die Poren eindringen. Nach dem Trocknen und Calcinieren hat sich das Imprägniersalz (Metalloxidvorstufe) in Metalloxid(e) umgewandelt.
Allgemein ist es für die Einbringung der Metalloxidvorstufe durch das Imprägnierungsverfahren ausreichend, eine ausreichende Menge des flüssigen Trägers mit dem Grundsplitt zu vermischen. Allgemein sollte genügend flüssiger Träger verwendet werden, um hohe Sättigung (mindestens etwa 70% Sättigung) des Splitts zu erzielen. Wenn der Grundsplitt gemäß des vorstehend beschriebenen Solgelverfahrens hergestellt wird, sollte mindestens etwa 50 ml, bevorzugt mindestens etwa 60 ml, des flüssigen Trägers mit darin gelöstem Imprägniersalz mit jeweils 100 g des Grundsplitts vermischt werden. Wenn das Verhältnis, wie angegeben, im Bereich von 50 bis 60 ml pro 100 g ist, so dringt im allgemeinen die gesamte Menge Metalloxidvorstufe in den Grundsplitt ein, d. h. Lösungsüberschuß wird bevorzugt vermieden. Aus vorstehender Beschreibung wird ersichtlich, daß bei Verwendung von Imprägnierung die Modifizierer (oder Modifizierervorstufen) bevorzugt in die äußeren Regionen der Schleifkörner eingebracht werden. Die Einbringung verschiedener Materialien in den Grundsplitt durch ein Imprägnierverfahren wird im US Patent Nr. 5,164,348 beschrieben.
Wie vorstehend angegeben, kann Zirkoniumdioxid während des Solgelverfahrens durch Vermischen von Zirkoniumdioxidsol in die Aluminiumoxid-Hydrat-Dispersion in den Grundsplitt eingebracht werden. Ein Zirkoniumdioxidsol ist eine Dispersion von kolloidalen Zirkoniumdioxidteilchen in einem flüssigen Medium. Das flüssige Medium kann Wasser (bevorzugt vollentsalztes Wasser) oder ein unpolarer organischer Träger (z. B. Heptan oder Hexan) sein. Jedoch ist der überwiegende Teil (mehr als 50 Gewichts%) des flüssigen Mediums bevorzugt Wasser (bevorzugt vollentsalztes Wasser). Das Zirkoniumdioxidsol sollte, nach Gewicht, etwa 5 bis etwa 60%, bevorzugt etwa 15 bis etwa 40%, kolloidale Zirkoniumdioxidteilchen enthalten. Bevorzugt haben mindestens 97 Gewichts%, bevorzugter etwa 100 Gewichts% der Teilchen eine Teilchengröße von weniger als etwa 0,1 Mikrometer, bevorzugt haben davon mindestens etwa 90 Gewichts% der Teilchen eine Teilchengröße von weniger als 0,05 Mikrometer und davon haben mindestens etwa 50 Gewichts% der Teilchen eine Teilchengröße von weniger als 0,02 Mikrometer.
Der pH Wert des Zirkoniumdioxidsols vor Zugabe zur Dispersion ist typischerweise kleiner als etwa 5, bevorzugt kleiner als etwa 4. Das Zirkoniumdioxidsol kann etwas Salpetersäure oder Essigsäure als Stabilisator enthalten. Wenn dieses Verfahren angewendet wird, umfaßt die im Solgelverfahren hergestellte Dispersion sowohl Aluminiumoxidsol als auch Zirkoniumdioxidsol. Der bevorzugte Anteil von Zirkoniumdioxid (in Prozent der Feststoffe) in der Aluminiumoxiddispersion liegt bei etwa 5 bis etwa 30 Prozent.

Umwandlung des Grundsplitts in verbessertes Schleifkorn

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der Grundsplitt durch ein- oder mehrmalige Behandlung in verbesserte Schleifkörner umgewandelt. Ein Hauptschritt der Umwandlung ist das Sintern des Grundsplitts, um keramische Schleifkörner herzustellen, umfassend Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid und Seltenerdmetalloxide. Dem Grundsplitt können jedoch weitere Modifizierer, kristallbildende Materialien und/oder Beschichtungen zugefügt werden. Der Grundsplitt kann durch mehr als eine dieser angegebenen Behandlungen verbessert werden.

A. Sintern der Schleifkornvorstufe

Das Grundsplittmaterial, einschließlich des Aluminiumoxids, Zirkoniumdioxids, der Seltenerdmetalloxide und aller anderen Modifizierer und/oder kristallbildenden Materials und/oder der Beschichtung darauf, umfaßt die Vorstufe zum keramischen Schleitkorn. Durch Sintern bildet der Splitt (Splittmaterial) oder die Vorstufe ein einzigartiges und verbessertes Schleifkorn.
Die Schleifkörner können durch eine Vielzahl von herkömmlichen Verfahren gesintert werden.
Typischerweise wird für einen ausreichenden Zeitraum bei einer Temperatur von etwa 1200ºC bis etwa 1650ºC gesintert, um die Umwandlung der Vorstufe zu vervollständigen. Allgemein umfaßt das Sintern die Umwandlung von Aluminiumoxid zu α-Aluminiumoxid (oder α-Aluminiumoxid und Reaktionsprodukt zwischen Aluminiumoxid und Metalloxidmodifizierer). Obwohl die Zeitdauer, während der der Grundsplitt der Sintertemperatur ausgesetzt sein sollte, unterschiedlich sein kann, abhängig von Faktoren, wie die genaue Zusammensetzung des Splitts, kann das Sintern im allgemeinen in einer Zeit von wenigen Sekunden bis etwa 120 Minuten abgeschlossen werden. Das Sintern verschiedener Arten von Grundsplitt wird allgemein im US Patent Nr. 4,314,827 (Leitheiser et al.) beschrieben.
Die in diesem Dokument beschriebenen Sinterverfahren können auf den gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Grundsplitt angewendet werden.

B. (Gegebenenfalls) Imprägnieren des Grundsplitts mit Modifizierer vor dem Sintern; Keimbildung; Beschichtung

Bevorzugte Eigenschaften können durch Imprägnieren des Grundsplitts mit weiteren Metalloxidmodifizierervorstufen (zusätzlich zur Seltenerdmetalloxidvorstufe und/oder Zirkoniumdioxidvorstufe) auf das gesinterte Produkt übertragen werden. Das vorstehend beschriebene Imprägnierverfahren kann verwendet werden. Die im Zusammenhang mit dem Solgelverfahren beschriebenen Metalloxidmodifizierer können verwendet werden.
Ein keimbildendes Material kann dem Grundsplitt zugesetzt werden, um während des Erhitzens zu einer mit Keimen versehenen Mikrostruktur im Außenbereich des Grundsplitts zu kommen. Das keimbildende Material kann zugesetzt werden, indem der Grundsplitt mit einem flüssigen Medium behandelt wird, in dem sich das keimbildende Material befindet. Die Behandlung kann gleichzeitig mit der Imprägnierung durchgeführt werden.
Die Schleifkörner der vorliegenden Erfindung können ferner eine Oberflächenbeschichtung umfassen, d. h. eine Beschichtung, die den gesinterten Kern bedeckt. Typischerweise umfaßt die Beschichtung Metalloxid, meistens Zirkoniumdioxid, Siliziumdioxid oder Aluminiumoxid (z. B. oc-Aluminiumoxid, Aluminiumoxid einer Mischphase oder hydratisiertes Aluminiumoxid). Jedes einer Anzahl von Beschichtungsverfahren kann verwendet werden, einschließlich den in den US Patenten Nr. 5,011,508 (Wald); 1,910,440 (Nicholson); 3,041,156 (Rowse); 5,009,675 (Kunz); 4,997,461 (Markhoff- Matheny) und 5,042,991 (Kunz) beschriebenen. Die Herstellung der Beschichtung kann Verwendung keimbildenden Materials einschliessen. In einigen Fällen kann eine bevorzugte Beschichtung, die nicht in den vorstehend zitierten Dokumenten beschrieben wird, durch Zugabe einer Suspension oder Dispersion, die anorganische Teilchen (typischerweise Metalloxide) enthält, zum Grundsplitt auf den Grundsplitt aufgetragen werden. Eine Beschichtung, die auf diese Weise aus anorganischen Teilchen hergestellt wird, wird in Antragstellers US Patent Nr. 5,213,591 beschrieben. Eine andere Beschichtung, gebildet aus Metallalkoxiden, ist in WO 94/02560 beschrieben.

Das erhaltene Schleifkorn

Ausgewählte bevorzugte Schleifkörner gemäß der vorliegenden Erfindung werden im Elektronen-Photomikrograph der Fig. 4 abgebildet. Der Photomikrograph der Fig. 4 ist ein Querschnitt eines Beispiels für ein Schleifkorn gemäß der vorliegenden Erfindung (Beispiel 33). Die abgebildete Schleifkornprobe wurde zunächst auf einen Mikrometer poliert und dann für 15 Minuten bei 1250ºC thermisch geätzt. Die Probe wurde dann bei 25 000 facher Vergrößerung unter einem Rasterelektronenmikroskop untersucht. Die Mikrostruktur umfaßt eine α-Aluminiumoxid-Matrix, umfassend α-Aluminiumoxidkristallite und innerhalb der Matrix befinden sich eine Vielzahl von Plättchen und gleichachsigen Zirkoniumdioxidteilchen. Die Plättchen haben hauptsächlich eine Magnetoplumbitstruktur gemäß der Formel MLnAl&sub1;&sub1;O&sub1;&sub9;, wobei M ein zweiwertiges Metallkation, wie ein Magnesiumkation, ist; Ln ein Seltenerdmetallion ist (z. B. in der Oxidationsstufe + 3) (z. B. ein Kation des Praseodymiums, Samariums, Ytterbiums, Neodymiums, Lanthaniums, Ceriums oder Erbiums); O Sauerstoff ist; und Al das Aluminiumkation ist. Die Plättchen sind statistisch in der Aluminiumoxid- Matrix verteilt (zwischen α-Aluminiumoxidkristalliten und Zirkoniumdioxidteilchen). Der Durchmesser der Plättchen beträgt im allgemeinen bis zu etwa 1 um. Die Dicke der Plättchen beträgt 0,04 bis 0,08 um, gewöhnlich etwa 0,04 bis etwa 0,06 um. Das Volumen der Plättchen kann etwa 5 bis etwa 50% der Mikrostruktur betragen. Gewöhnlich umfassen die Plättchen etwa 25 bis etwa 35% des Kernvolumens. Die Volumenprozente sind stark abhängig von der Zusammensetzung der Schleifkörner.
Die gleichachsigen Zirkoniumdioxidteilchen haben allgemein einen Durchmesser von weniger als etwa 0,1 um, gewöhnlich etwa 0,01 bis etwa 0,04 um und am typischsten etwa 0,02-0,03 um. Die Zirkoniumdioxidteilchen sind zwischen den α-Aluminiumoxidkristalliten verteilt. Der Begriff "gleichachsig" bedeutet in diesem Zusammenhang, daß jedes Zirkoniumdioxidteilchen so geformt ist, daß es eine Ausdehnung von ungefähr gleicher Größe, ausgehend von einem zentralen Punkt, hat. Folglich ist jedes Zirkoniumdioxidteilchen annähernd sphärisch.
Die in Fig. 4 abgebildete Mikrostruktur zeigt einige einzigartige Eigenschaften bezüglich des Schleifkornverhaltens. Im besonderen führt die Anwesenheit sowohl von Plättchen als auch von Zirkoniumdioxidteilchen zu einem festen Schleifkorn. Unabhängig von theoretischen Überlegungen wird angenommen, daß die Anwesenheit der Plättchen die Fortpflanzung von Rissen durch die Probe verhindert.
Es wird ebenso angenommen, daß die Anwesenheit von Zirkoniumdioxid in einem Aluminiumoxidsystem, sowie die Teilchengröße des Zirkoniumdioxids und das anwesende Volumen, die mechanischen Eigenschaften der erhaltenen Schleifkörner sehr verstärkt. Zirkoniumdioxidteilchen scheinen nicht nur die Schleifkörner zu verfestigen, sondern auch die Mikrostruktur zu verbessern, indem sie das Kornwachstum von Aluminiumoxid und Aluminiumoxidprodukten behindern. Daher wird angenommen, daß die Zugabe von Zirkoniumdioxid die Mikrostruktur des Aluminiumoxids verändert und die Verdichtung unterstützt. Die Festigkeit kann (in einigen Zusammensetzungen) auf die Anwendung eines Konzepts zur Umwandlung der abgesetzten oder dispergierten Zirkoniumdioxidteilchen von der tetragonalen in die monokline Form zurückgeführt werden. Die Zunahme in der Stärke bei Zugabe von Zirkoniumdioxid ist daher der Gesamteffekt von Zunahme in Festigkeit und Verbesserung der Mikrostruktur. Es wird ebenfalls angenommen, daß die Zugabe von Seltenerdmetalloxid(en) die Stabilisierung von tetragonalen oder kubischen Zirkoniumdioxidphasen in einigen Zusammensetzungen unterstützt.
Bevorzugte Schleifkörner sind, wie vorstehend angegeben, sowohl hart als auch fest. Diese Eigenschaften stehen im Zusammenhang mit dem Erreichen der in den vorstehenden drei Absätzen beschriebenen Mikrostruktur. Allgemein beruht die Härteeigenschaft auf dem Widerstand der Körner gegenüber den Mahlkräften. Die Festigkeitseigenschaft beruht auf Stärke und Bruchwiderstand. Wenn ein Schleifkorn relativ hart, aber nicht ausreichend fest, ist, neigt das Korn dazu, während des Schleifens vorzeitig zu brechen, d. h. es resultiert eine verminderte nützliche Lebensdauer. Andererseits, wenn das Schleifkorn relativ fest, aber nicht hart, ist, stumpft es während des Schleifens schnell ab, d. h. es zeigt verminderte Schleifleistung. Obwohl oft angenommen wird, daß die Eigenschaften Härte und Festigkeit invers voneinander abhängen (d. h. Zunahme bei der Härte führt zu Abnahme bei der Festigkeit und umgekehrt), werden in Systemen gemäß der vorliegenden Erfindung beide Eigenschäften auf erwünschtem Niveau erhalten.

Schleifprodukte

Die vorliegende Erfindung schließt innerhalb ihres Umfangs die Bereitstellung von Schleifprodukten mit verbesserten Schleifkörnern ein. Die Schleifkörner werden bevorzugt gemäß den hier beschriebenen Verfahren hergestellt und umfassen das gesinterte Produkt aus Grundsplitt, der das entsprechende Metalloxid oder Metalloxidvorstufen enthält. Die Schleifkörner können, wie beschrieben, in Anwesenheit eines kristallbildenden Mittels und/oder mit einer Beschichtung hergestellt werden.
Eine Art Schleifprodukt gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Träger (Substrat) mit Schleifkörnern, wie hier beschrieben, die mit einem Bindemittel daran befestigt sind. Der Träger kann Tuch, Polymerfolie, Faser, Vlies, Papier, Kombinationen davon oder behandelte Versionen davon sein. Eine Anzahl von anorganischen oder organischen Bindemitteln können verwendet werden. Die Schleifkörner können entweder in einer Schicht oder in einer Mehrzahl von Schichten aufgetragen werden. Ein bevorzugtes Verfahren, beschichtete Schleifmittel herzustellen, wird in den US Patenten Nr. 4,734,104 (Broberg) und 4,737,163 (Larkey) beschrieben.
Ein Beispiel eines beschichteten Schleifprodukts wird in Fig. 1 Bezugsnummer 1 bereitgestellt. Darauf bezugnehmend weist Träger (Substrat) 2 die Schleifmittelschicht 3 auf, umfassend Schleifkorn 4, durch Grundschicht 5 und Deckschicht 6 auf einer Hauptoberfläche des Trägers 2 befestigt. In einigen Fällen kann eine Nachdeckschicht, nicht abgebildet, verwendet werden.
Gebundene Schleifprodukte (z. B. Schleifscheiben und Trennscheiben) gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen im allgemeinen, hier beschriebene, geformte Ansammlungen von Schleifkörnern, die durch ein Bindemittel zusammengehalten werden. Herkömmliche Bindemittel für Schleifscheiben beinhalten organische, metallische oder glasartige Bindemittel. In Fig. 2 ist eine Schleifscheibe 10 abgebildet, umfassend Schleifkorn 11, in eine Scheibe gegossen und auf Nabe 12 montiert. Für weitere Details in der Herstellung von Schleifscheiben siehe US Patent Nr. 4,997,461 (Markhoff-Matheny). Trennscheiben können mit auf dem Fachgebiet bekannten herkömmlichen Verfahren hergestellt werden. Bindemittel für Trennscheiben beinhalten organische Bindemittel.
Vliesschleifprodukte, die Schleifkörner gemäß der vorliegenden Erfindung beinhalten, umfassen typischerweise eine offene, poröse, luftige Polymerfaserstruktur, wobei die Schleifkörner der Erfindung über die ganze Faserstruktur verteilt sind und mit einem organischen Bindemittel darin gebunden sind. Typische fasrige Faserstrukturen, die bei derartigen Anordnungen verwendet werden können, umfassen Polyamide, Polyester und Polypropylen. In Fig. 3 wird eine schematische Abbildung, etwa 100 fach vergrößert, eines typischen Vliesschleifgegenstandes gezeigt. Der Gegenstand umfaßt die Fasermatte 50 als ein Substrat auf dem die Schleifkörner 32 mit dem Bindemittel 54 befestigt sind. Für weitere Details in der Herstellung von Vliesschleifprodukten siehe US Patent Nr. 2,958,593 (Hoover et al.)
Wie vorstehend angegeben, umfassen Schleifprodukte gemäß der vorliegenden Erfindung allgemein Bindemittel oder Schleifkörner und Schleifkörner oder -teilchen darin. Eine große Anzahl von Bindemitteln können in Schleifprodukten gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, einschließlich herkömmliche. Nützliche Bindemittel schliessen ein Phenol-, Harnstoff-Formaldehyd-, Melamin-Formaldehyd-, Polyesterharze, Leim, Aminoplastharze, Epoxyharze, Acrylharze, Urethanharze und Kombinationen davon. Das Bindemittel kann auch anorganische Teilchen einschliessen. Solche Teilchen können Mahlhilfsmittel oder Füllmittel sein. Beispiele solcher Mahlhilfsmittel schliessen ein Kryolith, Ammoniumkryolith, Kaliumtetrafluoroborat, Polyvinylchlorid, Schwefel und Natriumchlorid. Beispiele von Füllmitteln schliessen ein Calciumcarbonat, Siliziumdioxid und Calciummetasilikat.
Schleifprodukte oder -gegenstände gemäß der vorliegenden Erfindung können als Teilchenmaterial darin 100% Schleifkörner enthalten, die gemäß der hier enthaltenen Beschreibungen verbessert wurden. Zusätzlich oder stattdessen können die Schleifgegenstände ein Gemisch von Schleifkörnern gemäß der vorliegenden Erfindung mit anderen Arten von Schleifkörnern oder zur Verdünnung beigefügten Körnern enthalten. Herkömmliche Schleifkörner, die auf diese Weise verwendet werden können, schliessen verschmolzenes Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, Granat, Diamant, kubisches Bornitrid, verschmolzenes Aluminiumoxid-Zirkoniumdioxid und andere Solgelschleifkörner ein. Zur Verdünnung beigefügte Körner schliessen Marmor, Gips und Glas ein. Schleifkörner gemäß der vorliegenden Erfindung können mit Schleifagglomeraten kombiniert werden (siehe US Patent Nr. 5,799,939 (Bloecher et al.)).
Ziele und Vorteile dieser Erfindung werden weiter durch die nachstehenden Beispiele beschrieben, aber die entsprechenden Materialien und Mengen davon, die in diesen Beispielen angegeben werden, sowie andere Bedingungen und Details, sollten nicht dazu herangezogen werden, diese Erfindung unangemessen zu begrenzen. Alle Teile und Prozente sind nach Gewicht, sofern nicht anders angegeben.

BEISPIELE

Für alle Beispiele wurden die Schleifkörner gemäß eines der nachstehend beschriebenen Verfahren hergestellt. Alle Schleifkornzusammensetzungen beruhen auf Gewicht auf Grundlage von Elementoxiden. Nach Herstellung der Schleifkörner wurden sie in einer beschichteten Schleiffaserscheibe verwendet, die gemäß des beschriebenen Verfahrens hergestellt wurde. Die so erhaltene beschichtete Schleifscheibe wurde gemäß eines der nachstehend beschriebenen Testverfahren geprüft. In den Beispielen 1 bis 47 schloß die Herstellung der Schleifkörner die Verwendung eines keimbildenden Materials nicht ein, d. h. die Schleifkörner waren nicht mit Kristallkeimem versehen. Die hier angegebenen Gewichtsprozentzahlen für Schleifkörner wurden auf Grundlage von Elementoxiden berechnet, ohne Rücksicht auf die anwesenden Phasen (z. B. Reaktionsprodukt(e)).

Allgemeines Verfahren I zur Herstellung der Schleifkörner

Die folgenden Stoffe wurden (unter ständigem Vermischen) in ein 18,9 I fassendes, mit Polyethylen ausgekleidetes Stahlgefäß gegeben, um eine Dispersion zu bilden: 2269 Teile vollentsalztes Wasser von Raumtemperatur, 45 Teile 16 N Salpetersäure p.a. und 643 g α-Aluminiumoxid, Monohydrat Pulver, verkauft unter dem Handelsnamen Disperal®. Das so erhaltene Gemisch wurde unter Verwendung eines Giford-Wood Homogenisiermixers (Greeco Corp., Hudson, NH) für 3 bis 4 Minuten bei hoher Geschwindigkeit dispergiert. Das so erhaltene Sol wurde in eine mit Polyester ausgekleidete, niedrige Aluminiumkastenform mit den Maßen 46 em mal 66 cm mal 5 cm gegossen, in der es etwa 24 Stunden bei 100ºC in einem Trockenschrank zu einem krümligen Feststoff getrocknet wurde. Das so erhaltene getrocknete Material wurde unter Verwendung eines UD Pulverisierers vom Braun-Typ zerkleinert, der eine 1,1 mm große Lücke zwischen den Stahlplatten hat, um Teilchen zu bilden. Die Teilchen wurden zwischen 0,125 und 1 mm Siebgröße gesiebt. Die gesammelten Teilchen wurden in einen Rotationsofen gegeben, um calcinierte Teilchen zu bilden. Der Rotationsofen war ein 140 cm langes Rohr aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 16 cm und einer 40 cm langen, 600ºC Heizzone. Das Rohr wurde um 2,4 Grad bezüglich der Horizontalen gekippt. Das Rohr rotierte mit etwa 6 U/min. um eine Aufenthaltsdauer von etwa 4 bis 5 Minuten im Ofen zu erzielen.
Die Imprägnierlösungen wurden mit vollentsalztem Wasser hergestellt. Die Magnesiumnitratlösung bestand aus etwa 11% Feststoff auf Grundlage des Oxids. Die Yttriumnitratlösung bestand aus etwa 23% Feststoff auf Grundlage des Oxids. Die Lanthaniumnitratlösung bestand aus etwa 28% Lanthaniumfeststoff und die Ceriumnitratlösung bestand aus etwa 39% Feststoff auf Grundlage des Oxids.
Bei jedem Imprägnierschritt gab es, nach Volumen, ungefähr doppelt soviele calcinierte Teilchen als Imprägnierlösung. Die Imprägnierlösung und die calcinierten Teilchen wurden innig miteinander vermischt, um die Lösung durch Kapillarkräfte in die calcinierten Teilchen einziehen zu lassen. Die so erhaltenen imprägnierten Teilchen wurden getrocknet und die getrockneten Teilchen wurden dann, wie vorstehend beschrieben, in den Rotationscalcinierer verbracht. Bei mehrstufigen Imprägnierungen ließ man die calcinierten Teilchen zunächst abkühlen und dann wurden sie wieder mit der gewünschten Imprägnierlösung imprägniert und wieder calciniert.
Anschliessend wurden die calcinierten, imprägnierten Teilchen in einen 1400ºC heissen Rotationsofen verbracht. Der Ofen war ein 1,3 Meter langes Siliziumcarbidrohr mit 8,9 cm Durchmesser, das um 4,4 Grad bezüglich der Horizontalen gekippt war und eine 76 cm Heizzone hatte. Das Rohr rotierte mit etwa 6 U/min. um eine Aufenthaltsdauer von etwa 5 Minuten im Ofen zu erzielen. Das Produkt wurde aus dem Ofen in einen Metallcontainer bei Raumtemperatur verbracht, in dem es auf Raumtemperatur abkühlte.

Allgemeines Verfahren II zur Herstellung von Schleifkörnern

Das Allgemeine Verfahren II ist im wesentlichen das gleiche wie das Allgemeine Verfahren I, außer daß das ursprüngliche Sol, zusätzlich zum Aluminiumoxidsol, ein Zirkoniumdioxidsol enthielt. Die mittlere Teilchengröße des Zirkoniumdioxids betrug etwa 5 bis etwa 10 nm. Die Zirkoniumdioxidsole bestanden aus etwa 20% Feststoff (in einem IS %-igen Konzentrat von wässriger Essigsäure mit pH 3,5) und wurden von Nyacol Products Inc., Ashland, MA bezogen.

Allgemeines Verfahren III zur Herstellung von Schleifkörnern

Das Nachfolgende wurde (unter ständigem Vermischen) in ein 18,9 l fassendes mit Polyethylen ausgekleidetes Stahlgefäß gegeben, um eine Dispersion zu bilden: 2269 Teile vollentsalztes Wasser von Raumtemperatur, 45 Teile 16 N Salpetersäure p.a. und 643 g α-Aluminiumoxid Monohydrat Pulver, verkauft unter dem Handelsnamen Disperal®. Dieser Dispersion wurden auch die fakultativen Modifiziersalze zugegeben. Diese Salze waren die gleichen wie die vorstehend im Allgemeinen Verfahren I beschriebenen. Das so erhaltene Gemisch wurde unter Verwendung eines Giford-Wood Homogenisiermixers (Greeco Corp., Hudson, NH) für 3 bis 4 Minuten bei hoher Geschwindigkeit dispergiert. Das so erhaltene Sol wurde in eine mit Polyester ausgekleidete, niedrige Aluminiumkastenform mit den Maßen 46 cm mal 66 cm mal 5 cm gegossen, in der es etwa 24 Stunden bei 100ºC in einem Trockenschrank zu einem krümligen Feststoff getrocknet wurde. Das so erhaltene getrocknete Material wurde unter Verwendung eines UD Pulverisierers vom Braun-Typ zerkleinert, der eine 1,1 mm große Lücke zwischen den Stahlplatten hat, um Teilchen zu bilden. Die Teilchen wurden zwischen 0,125 und 1 mm Siebgröße gesiebt. Die gesammelten Teilchen wurden in einen Rotationsofen gegeben, um calcinierte Teilchen zu bilden. Der Ofen war ein 140 cm langes Rohr aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 16 cm und einer 40 cm langen, 600ºC Heizzone. Das Rohr wurde um 2,4 Grad bezüglich der Horizontalen gekippt. Das Rohr rotierte mit etwa 6 U/min. um eine Aufenthaltsdauer von etwa 4 bis 5 Minuten im Ofen zu erzielen. Anschliessend wurden die calcinierten, imprägnierten Teilchen in einen 1400ºC heissen Rotationsofen verbracht. Der Ofen war ein 1,3 Meter langes Siliziumcarbidrohr mit 8,9 cm Durchmesser, das um 4,4 Grad bezüglich der Horizontalen gekippt war und eine 76 cm Heizzone hatte. Das Rohr rotierte mit etwa 6 U/min. um eine Aufenthaltsdauer von etwa 5 Minuten im Ofen zu erzielen. Das Produkt wurde aus dem Ofen in einen Metallcontainer bei Raumtemperatur verbracht, in dem es auf Raumtemperatur abkühlte.

Allgemeines Verfahren zur Herstellung der Schleifprodukte

Die Schleifkörner wurden in beschichteten Schleifprodukten verwendet, die auf ihre Schleifleistung hin getestet wurden. Die beschichteten Schleifprodukte wurden gemäß den herkömmlichen Herstellungsverfahren für beschichtete Schleifmittel hergestellt. Klasse 50 Schleifkörner wurden hergestellt, indem 50 Gewichts% Schleifkörner verwendet wurden, die ein 40 Mesh US Standardsieb passierten, aber von einem 45 Mesh US Standardsieb zurückgehalten wurden. Die restlichen 50% waren Schleifkörner, die ein 40 Mesh US Standardsieb passierten, aber von einem 50 Mesh US Standardsieb zurückgehalten wurden. Klasse 40 Schleifkörner wurden hergestellt, indem 100 Gewichts% Schleifkörner verwendet wurden, die ein 35 Mesh US Standardsieb passierten, aber von einem 40 Mesh US Standardsieb zurückgehalten wurden. Genauso wurden Klasse 36 Schleifkörner hergestellt, indem SO Gewichts% Schleifkörner hergestellt wurden, die ein 25 Mesh US Standardsieb passierten, aber von einem 30 Mesh US Standardsieb zurückgehalten wurden. Die restlichen 50% waren Schleifkörner, die ein 30 Mesh US Standardsieb passierten, aber von einem 35 Mesh US Standardsieb zurückgehalten wurden. Die Schleifkörner waren an Träger aus vulkanisierter Faser gebunden, wobei herkömmliche, mit Calciumcarbonat gefüllte, phenolische Grundharze und herkömmliche, mit Calciumcarbonat gefüllte, phenolische Deckharze verwendet wurden. Das Grundharz wurde gehärtet, indem es mit einem Gradienten von etwa 1,10 C pro Minute auf etwa 88ºC erwärmt wurde und die Temperatur anschliessend für etwa 2 Stunden bei 88ºC gehalten wurde. Das Deckharz wurde gehärtet, indem es mit einem Gradienten von etwa 1, 1ºC pro Minute auf etwa 65ºC erwärmt wurde und die Temperatur anschliessend für etwa 30 Minuten bei 65ºC gehalten wurde und nachfolgend mit einem Gradienten von etwa 0,6ºC pro Minute auf 99ºC erwärmt wurde und die Temperatur anschliessend für 12 Stunden bei 99ºC gehalten wurde. Die Schleifkörner wurden elektrostatisch beschichtet.
Wenn die beschichtete Faserscheibe dazu verwendet werden sollte, rostfreien Stahl zu schleifen, wurde eine Nachdeckschicht auf die Deckschicht aufgetragen. Die Nachdeckschicht umfaßte (nach Gewicht) 14,3 Teile Bisphenol A Epoxidharz (EPON 828 bezogen von Shell Chemical Co., Houston, TX); 9,4 Teile Polyamidkopplungsmittel (Versamid 125 von Henkel Corp., Gulph Mills, PA); 21,25 Teile KBF&sub4;; 1,9 Teile Verdickungsmittel (Cab-o-sil von Cabot Corp., Kokomo, IN) und 3,1 Teile Eisenoxid Füllmittel. Die Nachdeckschicht wurde aus einem organischen Lösungsmittel aufgetragen und dann erwärmt, um sie zu härten.

Testverfahren I

Die beschichtete Schleifscheibe wurde auf ein schräges Haltekissen aus Aluminium montiert und dazu verwendet, die Oberfläche eines 1,25 cm mal 18 cm großen Werkstücks aus weichem 1018 Stahl zu schleifen. Die Scheibe rotierte mit 5500 U/min. während der Teil der Scheibe, der die schräge Kante des Haltekissens überlappte, mit einem Gewicht von etwa 7 kg mit dem Werkstück in Kontakt trat. Jede Scheibe wurde dazu verwendet, 12 Werkstücke für jeweils eine Minute zu schleifen. Der Anfangsabschliff war die Menge Metall, die in der ersten Minute des Schleifens entfernt wurde. Genauso war der Endabschliff die Menge Material, die in der letzten Minute des Schleifens entfernt wurde und der Gesamtabschliff war die Summe der während des Tests entfernten Mengen. Für diemeisten Beispiele wird die Leistung der Schleifkörner in Prozent des Vergleichsbeispiels angegeben, d. h. die Gesamtmenge des im Vergleichsbeispiel entfernten Metalls wurde als 100% angenommen und die Schleifkörner der Beispiele wurden relativ zu den 100% gemessen. Es wurden ungefähr vier Scheiben pro Beispiel getestet. Der Fehler für jedes hier beschriebene Testverfahren betrug etwa ± 5%.

Testverfahren II

Das Testverfahren II war im wesentlichen das gleiche wie Testverfahren I, außer daß der Testendpunkt erreicht war, wenn die Menge Metall; die in einem einminütigen Zeitintervall entfernt wurde, weniger als ein Drittel des Wertes des Anfangsaschliffs betrug.

Testverfahren III

Das Testverfahren II war im wesentlichen das gleiche wie Testverfahren I, außer daß der Testendpunkt nach 20 Minuten erreicht war.

Testverfahren IV

Das Testverfahren IV war, im wesentlichen das gleiche wie Testverfahren I, außer daß das Werkstück aus rostfreiem 304 Stahl bestand und der Testendpunkt nach 10 Minuten erreicht war.

Testverfahren V

Das Testverfahren V war im wesentlichen das gleiche wie Testverfahren I, außer daß der Testendpunkt nach 15 Minuten erreicht war.

Vergleichsbeispiel A und Beispiele 1 und 2

Diese Gruppe von Beispielen verglich verschiedene Schleifkornzusammensetzungen miteinander. Die Ergebnisse werden nachstehend in den Tabellen 1 und 2 angegeben.

Vergleichsbeispiel A

Die Schleifkörner wurden gemäß den Angaben des US Patents Nr. 4,881,951 hergestellt. Die Schleifkörner wurden gemäß dem Solgelverfahren hergestellt und hatten eine Zusammensetzung von 94,7% Aluminiumoxid, 2,7% Lanthaniumoxid, 1,3% Magnesiumoxid und 1,3% Yttriumoxid.

Beispiel 1

Die Schleifkörner für dieses Beispiel wurden gemäß des Allgemeinen Verfahrens I mit mehreren Imprägnierungsschritten für dieses Beispiel hergestellt. Die calcinierten Aluminiumoxidteilchen wurden dreimal mit einer wässrigen Zirkonylacetatlösung imprägniert und die so erhaltenen Teilchen wurden zusätzlich viermal mit einer wässrigen Lösung imprägniert, die Magnesiumnitrat, Yttriumnitrat und Lanthaniumnitrat enthielt. Die so erhaltenen Schleifkörner umfaßten, nach Gewicht: etwa 86,7% Aluminiumoxid, etwa 8% Zirkoniumdioxid, etwa 1,3% Yttriumoxid, etwa 1,3% Magnesiumoxid und etwa 2,7% Lanthaniumoxid.

Beispiel 2

Die Schleifkörner für Beispiel 2 wurden in der gleichen Weise hergestellt wie für Beispiel 1, außer daß das Zirkonylacetat durch Zirkonylnitrat ersetzt wurde. Tabelle 1. Testverfahren I Tabelle 2. Testverfahren II

Vergleichsbeispiel A und Beispiele 3 bis 7

Diese Gruppe von Beispielen verglich verschiedene Schleifkornzusammensetzungen miteinander. Die Ergebnisse werden nachstehend in den Tabellen 4 und 5 angegeben. Die in Tabelle 4 angegebenen Ergebnisse sind für Klasse 50 Faserscheiben und die in Tabelle 5 angegebenen Ergebnisse sind für Klasse 36. Für Beispiele 3 bis 7 wurden die Schleifkörner gemäß des Allgemeinen Verfahrens I hergestellt und es wurde ein Imprägnierungsschritt für die Beispiele durchgeführt. Die Imprägnierlösung enthielt Lanthaniumnitrat, Magnesiumnitrat, Yttriumnitrat und Zirkonylacetat. Die Mengen dieser Materialien wurden ausgewählt, um die in nachstehender Tabelle 3 beschriebenen, gesinterten Schleifkornzusammensetzungen herzustellen. Tabelle 3. Zusammensetzungen für Beispiele 3 bis 7 Tabelle 4. Testverfahren III Tabelle 5. Testverfahren I

Kontrollbeispiel A und Beispiele 8 bis 14

Diese Gruppe von Beispielen verglich verschiedene Schleifkornzusammensetzungen miteinander. Die Schleifkörner wurden auf Klasse 36 gesiebt. Die Ergebnisse werden nachstehend in der Tabelle 7 angegeben. Für Beispiele 8 bis 14 wurden die Schleifkörner gemäß des Allgemeinen Verfahrens I hergestellt und es wurde ein Imprägnierungsschritt für die Beispiele durchgeführt. Die Imprägnierlösung enthielt Lanthaniumnitrat, Magnesiumnitrat, Ceriumnitrat, Yttriumnitrat und Zirkonylacetat. Die Mengen dieser Materialien wurden ausgewählt, um die in nachstehender Tabelle 6 beschriebenen, gesinterten Schleifkornzusammensetzungen herzustellen. Tabelle 6. Zusammensetzungen für Beispiele 8 bis 14 Tabelle 7. Testverfahren I

Beispiele 15 bis 26

Diese Gruppe von Beispielen verglich verschiedene Schleifkornzusammensetzungen miteinander. Die Schleifkörner wurden auf Klasse 50 gesiebt. Die Ergebnisse werden nachstehend in den Tabellen 8 bis 11 angegeben. Für Beispiele 15 bis 26 wurden die Schleifkörner gemäß des Allgemeinen Verfahrens II hergestellt und es wurde ein Imprägnierungsschritt für die Beispiele durchgeführt. Die Imprägnierlösung enthielt Lanthaniumnitrat, Magnesiumnitrat und Yttriumnitrat. Die Mengen dieser Materialien wurden ausgewählt, um die in nachstehender Tabelle 8 beschriebenen, gesinterten Schleifkornzusammensetzungen herzustellen. Für Beispiele 15, 17, 19, 21, 23 und 25 wurde das Zirkoniumdioxidsol mit Essigsäure stabilisiert und es hatte einen pH von 3,5. Für Beispiele 16, 18, 20, 22, 24 und 26 wurde das Zirkoniumdioxidsol mit Salpetersäure stabilisiert und hatte einen pH von 0,5. (Die Beispiele 25 und 26 sind nicht innerhalb des vorliegenden Anspruchssatzes.) Tabelle 8. Zusammensetzungen für Beispiele 15 bis 26 Tabelle 9. Testverfahren I Tabelle 10. Testverfahren III Tabelle 11. Testverfahren III Tabelle 12. Testverfahren III

Beispiele 27 bis 30

Diese Gruppe von Beispielen verglich verschiedene Schleifkornzusammensetzungen miteinander. Die Schleifkörner wurden auf Klasse 36 gesiebt. Die Ergebnisse werden nachstehend in der Tabelle 14 angegeben. Für diese Beispiele wurden die Schleifkörner gemäß des Allgemeinen Verfahrens I hergestellt und es wurde ein Imprägnierungsschritt für die Beispiele durchgeführt. Die Imprägnierlösung enthielt Lanthaniumnitrat, Magnesiumnitrat, Yttriumnitrat und Zirkonylacetat. Die Mengen dieser Materialien wurden ausgewählt, um die in nachstehender Tabelle 13 beschriebenen, gesinterten Schleifkornzusammensetzungen herzustellen. Tabelle 13. Zusammensetzungen für Beispiele 27 bis 30 Tabelle 14. Testverfahren I

Beispiele 31 bis 36

Diese Gruppe von Beispielen verglich verschiedene Schleifkornzusammensetzungen miteinander. Die Schleifkörner wurden auf Klasse 40 gesiebt. Die Ergebnisse werden nachstehend in der Tabelle 15 angegeben. Für diese Beispiele wurden die Schleifkörner gemäß des Allgemeinen Verfahrens II hergestellt und die Imprägnierlösung enthielt ein Seltenes Erdnitrat und Magnesiumnitrat. Für Beispiel 31 war das Seltene Erdmetall Dysprosium; für Beispiel 32 Gadolinium; für Beispiel 33 Lanthanium; für Beispiel 34 Neodymium; für Beispiel 35 Praseodymium; und für Beispiel 36 Samarium. Die gesinterten Schleifkörner für diese Gruppe von Beispielen enthielt 92,7% Aluminiumoxid; 2% Zirkoniumdioxid; 2,7% Seltenes Erdoxid; 1,3% Yttriumoxid; und 1,3% Magnesiumoxid. Tabelle 15. Testverfahren I und IV

Beispiele 37 bis 40

Diese Gruppe von Beispielen verglich verschiedene Schleifkornzusammensetzungen miteinander. Die Schleifkörner wurden auf Klasse 50 gesiebt. Die Ergebnisse werden nachstehend in der Tabelle 17 angegeben. Für diese Beispiele wurden die Schleifkörner gemäß des Allgemeinen Verfahrens II hergestellt und es wurde ein Imprägnierungsschritt für diese Beispiele durchgeführt. Die Imprägnierlösung enthielt Lanthaniumnitrat, Magnesiumnitrat, und Yttriumnitrat. Die Mengen dieser Materialien wurden ausgewählt, um die in nachstehender Tabelle 16 beschriebenen, gesinterten Schleifkornzusammensetzungen herzustellen. Tabelle 16. Zusammensetzungen für Beispiele 37 bis 40 Tabelle 17. Testverfahren IV und V

Vergleichsbeispiel B und Beispiel 41

Diese Gruppe von Beispielen verglich verschiedene Schleifkornzusammensetzungen miteinander. Die Schleifkörner wurden auf Klasse 40 gesiebt. Die Testergebnisse werden in Tabelle 18 angegeben. Vergleichsbeispiel B wurde gemäß Beispiel 38 des US Patents Nr. 4,314,827 hergestellt. Beispiel 41 wurde gemäß des Allgemeinen Verfahrens III zur Herstellung von Schleifkörnern hergestellt. Die Zusammensetzung der gesinterten Schleifkörner für Beispiel 41 betrug 84% Aluminiumoxid; 5% Magnesiumoxid; 6% Ceriumoxid; und 5% Zirkoniumdioxid. Tabelle 18. Testverfahren I

Vergleichsbeispiel C und Beispiele 42 bis 45

Diese Gruppe von Beispielen verglich verschiedene Schleifkornzusammensetzungen miteinander. Die Schleifkörner wurden auf Klasse 50 gesiebt. Die Testergebnisse werden in Tabelle 19 angegeben. Vergleichsbeispiel C wurde gemäß den Angaben des US Patents Nr. 4,881,951 (Imprägnierverfahren) hergestellt und enthielt 96% Aluminiumoxid; 1% Lanthaniumoxid; 1% Neodymiumoxid; 1% Magnesiumoxid; und 1% Yttriumoxid. Beispiele 42 bis 45 wurden gemäß den Allgemeinen Verfahren IV zur Herstellung von Schleifkörnern. Die Zusammensetzung der gesinterten Schleifkörner für Beispiele 42 und 43 betrug 96% Aluminiumoxid; 2,5% Zirkoniumdioxid; 1% Lanthaniumoxid; 1% Neodymiumoxid; 1% Magnesiumoxid; und 1% Yttriumoxid. Die Zusammensetzung der gesinterten Schleifkörner für Beispiele 44 und 45 betrug 96% Aluminiumoxid; 2,5% Zirkoniumdioxid; 1% Lanthaniumoxid; 1% Neodymiumoxid; 1% Magnesiumoxid; und 1% Yttriumoxid. Beachte, daß in den Beispielen 42 und 44 das Zirkoniumdioxidsol Essigsäure zur Stabilisierung des Sols enthielt, während in den Beispielen 43 und 45 Salpetersäure verwendet wurde, um das Sol zu stabilisieren. Tabelle 19. Testverfahren III

Vergleichsbeispiele D und E und Beispiel 46

Diese Gruppe von Beispielen verglich verschiedene Schleifkornzusammensetzungen miteinander. Die Schleifkörner wurden auf Klasse 50 gesiebt. Die Testergebnisse werden in nachstehender Tabelle 20 angegeben. Vergleichsbeispiel D wurde gemäß den Angaben des US Patents Nr. 4,314,827 hergestellt und enthielt 93% Aluminiumoxid und 7% Magnesiumoxid. Vergleichsbeispiel E wurde gemäß den Angaben des US Patents Nr. 4,314,827 hergestellt und enthielt 90% Aluminiumoxid; 5% Zirkoniumdioxid und 5% Magnesiumoxid. Beispiel 46 wurde gemäß des Allgemeinen Verfahrens III zur Herstellung von Schleifkörnern hergestellt. Die Schleifkörner enthielten 5% Zirkoniumdioxid; 2,7 % Lanthaniumoxid; 1,3% Magnesiumoxid; 1,3% Yttriumoxid; und 89,7% Aluminiumoxid.

Tabelle 20

Beispiel Gesamtabschliff [g]
Vergleichsbeispiel D 927
Vergleichsbeispiel E 982
46 1.016
Mit Röntgenstrahldiffraktion wurde gemessen, daß das in Beispiel 46 anwesende Zirkoniumdioxid zu 100% in der tetragonalen Form vorliegt. Im Kontrollbeispiel E lag das anwesende Zirkoniumdioxid zu 70% in der tetragonalen und zu 30% in der monoklinen Form vor. Die tetragonale ist die bevorzugte Form und es wird angenommen, daß sie für die Leistungssteigerung verantwortlich ist. Die vorstehend beschriebenen Beispiele für Schleifkörner zeigten die Werte für Härte und Festigkeit, die in nachstehender Tabelle 21 angegeben sind. Die für Messungen verwendeten Verfahren waren wie vorstehend angegeben.
Speziell wurden die Schleifkörner für Messungen der Mikrohärte und Festigkeit in einer herkömmlichen Gußverbindung (im Handel erhältlich unter dem Handelsnamen "EPOMET" von Buehler Ltd, Evanston, IL) in einem Gußstoßheber aus rostfreiem Stahl mit 2,5 cm (1 Zoll) Durchmesser montiert. Die Schleifkörner und die Gußverbindung wurden dann einem Druck von 27,6 MPa (4000 psi) ausgesetzt und gleichzeitig in einer herkömmlichen Stempelpresse (im Handel erhältlich unter dem Handelsnamen "BUEHLER PNEUMET I MOUNTING PRESS" von Buehler Ltd) auf etwa 150ºC erwärmt. Die Gußverbindung wurde dann gehärtet, indem die Temperatur für 5 Minuten bei 150ºC gehalten wurde. Die gehärtete Gußverbindung ließ man dann auf Raumtemperatur abkühlen. Die montierten Schleifkörner wurden dann mit einer Poliereinheit (im Handel erhältlich unter dem Handelsnamen "DIALOG" von Buehler Ltd) poliert, die mit einer Mikroprozessorsteuerung ausgestattet ist, die die Schleifsuspension auf die Polierfläche aufbringt (im Handel erhältlich unter dem Handelsnamen "METLAP I" von Buehler Ltd). Das Polieren wurden in den nachstehenden, aufeinanderfolgenden Schritten durchgeführt.

Schritt 1

Polieroberfläche: Aluminiumoxidwalze, 20,3 cm Durchmesser (im Handel erhältlich unter dem Handelsnamen "METLAP 10" von Buehler Ltd.)
Schleiftyp und -größe: 30 Mikrometer Diamantsuspension (im Handel erhältlich unter dem Handelsnamen "METADI DIAMOND SLURRY" von Buehler Ltd.)
Polierzeit: 3 Minuten oder bis die Oberfläche glatt ist
Kraft: 22,2 N / Probe (5 1b / Probe)
Geschwindigkeitseinstellung: 240 U/min
Auftragungssequenz: 1 Sekunde Spray an; 10 Sekunden Spray aus
Relative Rotation: im Uhrzeigersinn

Schritt 2

Polieroberfläche: Poliertuch (im Handel erhältlich unter dem Handelsnamen "TEXMET POLISHING CLOTH" von Buehler Ltd.), festgeklemmt auf einer Alu miniumoxidwalze, 20,3 cm Durchmesser (im Handel erhältlich unter dem Handelsnamen "METLAP" von Buehler Ltd.)
Schleiftyp und -größe: 6 Mikrometer Diamantsuspension (im Handel erhältlich unter dem Handelsnamen "METADI DIAMOND SLURRY" von Buehler Ltd.)
Polierzeit: 10 Minuten
Kraft: 22,2 N / Probe (S Ib 1 Probe)
Geschwindigkeitseinstellung: 120 U/min
Auftragungssequenz: 1 Sekunde Spray an; 10 Sekunden Spray aus
Relative Rotation: entgegen dem Uhrzeigersinn

Schritt 3

Polieroberfläche: Poliertuch ("TEXMET POLISHING CLOTH"), festgeklemmt auf einer Aluminiumoxidwalze, 20,3 cm Durchmesser ("METLAP")
Schleiftyp und -größe: 1 Mikrometer Diamantsuspension (im Handel erhältlich unter dem Handelsnamen "METADI DIAMOND SLURRY" von Buehler Ltd.)
Polierzeit: 30 Minuten
Kraft: 22,2 N / Probe (5 1b / Probe)
Geschwindigkeitseinstellung: 120 U/min
Auftragungssequenz: 1 Sekunde Spray an; 10 Sekunden Spray aus
Relative Rotation: im Uhrzeigersinn
Die Vickers Mikrohärte der Schleifkörner wurde mit einem herkömmlichen Mikrohärtetester mit einem Diamantkörner (im Handel erhältlich unter dem Handelsnamen "MINILOAD 2 MICRO- HARDNESS TESTER" von Leitz, Deutschland) gemessen. Der Körner (ein feinpolierter, spitzer, quadratisch pyramidaler Diamant mit einem Oberflächenwinkel von 136 Grad) wurde graduell und glatt mit der zu messenden Probe in Kontakt gebracht. Das vorher bestimmte Auflagegewicht betrug 500 g. Die gemittelten Werte aus 20 Messungen pro Probe werden in nachstehender Tabelle 21 angegeben.
Die Festigkeitsmessungen wurden mit demselben Instrument durchgeführt, wie vorstehend für die Vickers Mikrohärtemessungen beschrieben, wobei man ein vorher bestimmtes Auflagegewicht auf die zu testende Probe einwirken ließ, um die Bildung von Rissen an der Spitze des rautenförmigen Abdrucks des Körners zu bewirken. Die Festigkeit wird gemäß folgender Gleichung bestimmt:
wobei c der Rißradius ist, FN das Körnergewicht ist und β der Halbwinkel der Körnerspitze (68 Grad für einen Vickersdiamanten) ist. Die gemittelten Werte für 20 Messungen pro Probe werden in nachstehender Tabelle 21 angegeben. Desweiteren wird in Tabelle 21 die Dichte der Schleifkörner angegeben, gemessen mit einem Micromeritics AccuPyc (Norcross, GA) 1330 Pycnometer. Tabelle 21. Dichte, Härte und Festigkeit ausgewählter Beispiele
Verschiedene Modifikationen und Änderungen dieser Erfindungen werden dem Fachmann offensichtlich werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen und es sollte selbstverständlich sein, daß diese Erfindung nicht unangemessen von den hier ausgeführten, illustrierenden Ausführungsformen begrenzt wird.

Claims

1. Auf Aluminiumoxid basierendes keramisches Schleifkorn, umfassend Aluminiumoxid und, nach Gewicht auf Grundlage von Elementoxiden, etwa 0,1 bis etwa 15% Zirkoniumdioxid und etwa 0,1 bis etwa 10% Metalloxide ausgewählt aus: (a) Yttriumoxid; (b) ein Seltenerdoxid ausgewählt aus den Oxiden von: Ytterbium, Neodymium, Lanthanium, Praseodymium, Samarium, Gadolinium, Cerium, Dysprosium, Erbium und Gemische davon und (c) Gemische davon, wobei das Schleifkorn eine mittlere Härte von mindestens etwa 21 Gpa und eine mittlere Festigkeit von mindestens etwa 4 MPa m1/2 aufweist.

2. Schleifkorn nach Anspruch 1, umfassend, nach Gewicht auf Grundlage von Elementoxiden, etwa 70 bis etwa 95% Aluminiumoxid, etwa 0,1 bis etwa 15% Zirkoniumdioxid und etwa 0,1 bis etwa 10% Seltenerdmetalloxid.

3. Schleifkorn nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Schleifkorn gleichachsige Zirkoniumdioxidteilchen umfaßt, die zwischen α-Aluminiumoxidkristalliten verteilt sind, wobei die Zirkoniumdioxidteilchen eine mittlere Teilchengröße von weniger als etwa 0,1 Mikrometer aufweisen.

4. Schleifkorn nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Seltenerdmetalloxid, auf Grundlage der Elementoxide, ein Seltenerdreaktionsprodukt(e) ist, umfassend etwa 5 bis etwa 30 Gew.-% Material der Formel:

MLnAl&sub1;&sub1;O1&sub9;

wobei:

O Sauerstoff ist;

M ein zweiwertiges Metallkation ist;

Ln ein Seltenerdmetallion ist; und

Al das Aluminiumion ist.

5. Schleifkorn nach einem der vorstehenden Ansprüche, umfassend:

a. eine α-Aluminiumoxid-Matrix, umfassend a- Aluminiumoxidkristallite;

b. eine Vielzahl von gleichachsigen Zirkoniumdioxidteilchen, werteilt zwischen α-Aluminiumoxidkristalliten; und

c. eine Vielzahl von Plättchen, verteilt zwischen den a- Aluminiumoxidkristalliten und Zirkoniumdioxidteilchen, wobei die Plättchen Magnetoplumbit- Kristallstruktur aufweisen und wobei die Plättchen Material der Formel:

MLnAl&sub1;&sub1;O&sub1;&sub9;

umfassen, wobei:

O Sauerstoff ist;

M ein zweiwertiges Metallkation ist;

Ln ein Seltenerdmetallion ist; und

Al das Aluminiumion ist.

6. Schleifkorn nach Anspruch 4 oder 5, das nach Gewicht, etwa 70 bis etwa 95% Aluminiumoxid, wobei das Aluminiumoxid entweder als a-Aluminiumoxidkristallite oder als α-Aluminiumoxidkristallite und Aluminiumoxidreaktionsprodukt(e) anwesend ist; etwa 0,1 bis etwa 15% Zirkoniumdioxid und etwa 5 bis etwa 30% Plättchen einschließt.

7. Schleifkorn nach Anspruch 1 oder 2, das nach Gewicht, etwa 85 bis etwa 93%Aluminiumoxid; etwa 0,5 bis etwa 8 % Zirkoniumdioxid und etwa 0,5 bis etwa 5% Seltenerdmetalloxid umfaßt.

8. Schleifgegenstand einschliessend:

a. ein Bindemittel und

b. eine Vielzahl von Schleifkörnern nach einem der vorstehenden Ansprüche, die mit dem Bindemittel im Schleifgegenstand gebunden sind.

9. Verfahren zur Herstellung von auf α-Aluminiumoxid basierenden keramischen Schleifkörnern, wobei das Schleifkorn eine mittlere Härte von mindestens etwa 21 GFa und eine mittlere Festigkeit von mindestens etwa 4 MPa · m1/2 aufweist und das Verfahren die Schritte umfaßt:

a. Bereitstellen einer Dispersion, umfassend

i. a-Aluminiumoxid-Monohydrat und

ii. eine Zirkoniumkomponente ausgewählt aus Zirkoniumdioxidteilchen, Zirkoniumsalzmaterial und G emischen davon;

b. Herstellung von porösem, festem Grundsplittmaterial aus der Dispersion;

c. Imprägnierung des porösen, festen Grundsplittmaterials mit einer Imprägnierlösung aus Oxidationsvordtufe(n), ausgewählt aus Vorstufen für Oxide von: Ytterbium, Neodymium, Lanthanium, Praseodymium, Samarium, Gadolinium, Cerium, Dysprosium, Erbium, Yttrium und Gemischen davon; und

d. Umwandlung des imprägnierten, porösen, festen Grundsplittmaterials in Schleifkörner, wobei der Umwandlungsschritt das Sintern des Grundsplittmaterials einschließt, um das Schleifkorn herzustellen.