DE69602378T2 - Schleifkörner auf basis von aluminiumoxid und verfahren zu deren herstellung - Google Patents
Schleifkörner auf basis von aluminiumoxid und verfahren zu deren herstellungInfo
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Description
- Die Erfindung betrifft das Gebiet der Schleifkörner aus Aluminiumoxid, wie z. B. Körner aus elektrisch geschmolzenem Korund oder Zirkonerde-Korund oder aus gesintertem Bauxit, die für die Herstellung sowohl von Schleifleinen und Schleifpapier als auch von Schleifscheiben bestimmt sind.
- Die Suche nach immer effizienterem Schleifmaterial hat in den letzten Jahren zu Qualitätserzeugnissen geführt, die mit äußerst komplexen Keramiktechniken entwickelt werden.
- So wird in den Patenten EP 0168606, EP 0171034 und EP 0291029 von NORTON, EP 0200487, EP 273569, EP 0373765 und EP 0471389 von 3M, EP 0263810 und EP 0368837 von TREIBACHER CHEMISCHE WERKE die Herstellung von Schleifmaterialien aus polykristallinem Sinteraluminiumoxid beschrieben. Zur Herstellung der meisten dieser Materialien werden die jeweiligen Vorteile der aus den Sol-Gel-Techniken hervorgegangenen Syntheseverfahren, der Kristallisationseinleitungsverfahren durch Einimpfen feiner Partikel gleicher Natur wie das herzustellende Material und der Herstellung von keramischen Verbundwerkstoffen miteinander kombiniert. Die Eigenschaften dieser Materialien entsprechen im wesentlichen denen der mikrokristallinen Keramiken mit hohem Aluminiumoxidgehalt, in der Regel mehr als 95%, es sei denn, es handelt sich um Verbundwerkstoffe mit Zirkonerde- oder Titannitriddispersoiden. Sie haben eine höhere Mikrohärte und Zähigkeit als die elektrisch geschmolzenen Produkte und eine deutlich verbesserte Schleifleistung.
- Allerdings sind die Herstellungkosten dieser Materialien, bei denen noblere Ausgangsstoffe verwendet und kompliziertere Syntheseprozesse eingesetzt werden, wesentlich höher als bei elektrisch geschmolzenen Produkten.
- Ferner werden in der Patentschrift EP 0304616 von LONZA Schleifkörner aus Aluminiumoxid beschrieben, die mit einer hygroskopischen und/oder hydrophilen Substanz oberflächenbehandelt werden. Diese Behandlung soll die Fähigkeit der Körner verbessern, in ein elektrostatisches Feld aufzusteigen, welches dazu dient, die Körner bei ihrer Abscheidung auf ein Leinen oder vorgeleimtes Papier auszurichten. Dabei hängt die Fähigkeit der Körner, sich in dieses elektrostatische Feld zu bewegen, auch "Feldaufstieg" genannt, von der absorbierten Wassermenge ab, die ihrerseits weitgehend von den klimatischen Verhältnissen, genauer gesagt vom Luftfeuchtigkeitsgrad beim Abscheiden auf ein Leinen oder Papier abhängt.
- In der Patentanmeldung JP 58-036923 (Showa Denko) wird die Abscheidung von Tonerdehydrat auf die Oberfläche von Korundmikropartikeln beschrieben, um diese zu kugelförmigen Partikeln zusammenzuballen.
- In der Patentschrift DE 32 30 227 (Didier Werke) ist ein Mörtel bzw. Zement zur Fugenausfüllung feuerfester Steine beschrieben, der aus einem Gemisch aus Tonerdehydrat und einem Bindemittel besteht. Das Bindemittel kann Natriumsilikat, ein Phosphat oder kolloidales Tonerdehydrat sein. Dem Gemisch kann eine bestimmte Menge Schamotte oder Mineralpulver beigesetzt werden, z. B. Porzellan, Kaolin, kalzinierter Bauxit oder gesinterter oder elektrisch geschmolzener Korund.
- Ziel der Erfindung ist es, mit herkömmlichem kostengünstigen Schleifmaterial, wie elektrisch geschmolzenem braunen oder weißen Korund oder Zirkonerde- Korund und gesintertem Bauxit oder Aluminiumoxid, Gebrauchseigenschaften zu erzielen, die im wesentlichen denen der oben beschriebenen qualitativ hochwertigen Werkstoffe nahekommen, sowie eine zufriedenstellende Fähigkeit, bei der Herstellung von Schleifleinen und Schleifpapier unabhängig von den jeweiligen Zeit- und ortsgebundenen klimatischen Verhältnissen in das elektrostatische Feld aufzusteigen.
- Die Erfindung stützt sich auf drei von der Anmelderin während ihrer Untersuchungen gemachten Feststellungen:
- - der ersten zufolge läßt sich ein schnelles und vom Luftfeuchtigkeitsgrad unabhängiges Aufsteigen in das elektrostatische Feld dadurch erzielen, daß eine weder hygroskopische noch hydrophile Beschichtung verwendet wird, sondern eine Beschichtung, die Konstitutionswasser enthält, d. h. bei der die Wassermoleküle integrierender Bestandteil der chemischen Zusammensetzung des Produkts sind, beispielsweise in Form von Hydrat, und die zumindest unter normalen Bedingungen wasserunempfindlich, d. h. in Wasser unlöslich und gegenüber Wasser chemisch träge ist.
- - der zweiten zufolge ist die Haftung eines körnigen Materials auf einem Träger eng mit seiner Oberflächenbeschaffenheit verbunden, egal, ob es sich um einen organischen Träger, beispielsweise Harz auf Leinen oder Papier, oder einen mineralischen Träger handelt, wie im Fall einer verglasten Schleifscheibe. Je rauher das Material ist, desto mehr Haftpunkte bietet es für den Träger, für den es bestimmt ist. Die mit dieser Fähigkeit verbundene physikalische Eigenschaft ist die Oberflächenkennzahl.
- - der dritten zufolge hängt diese Haftung auch von der Fähigkeit des Kornmaterials ab, mit dem Träger eine chemische Verbindung einzugehen.
- Die Erfindung hat somit Schleifkörner auf Basis von Aluminiumoxid zum Gegenstand, wie z. B. Körner aus elektrisch geschmolzenem Korund oder Zirkonerde-Korund und aus gesintertem Bauxit oder Aluminiumoxid, mit einer Haut, die im wesentlichen aus einem Gemisch aus Tonerdehydrat (5 bis 95%), welches aus einer kolloidalen Lösung gewonnen wird, und Natriumsilikat (5 bis 95%) besteht. Der Kornanteil bei dieser Haut beträgt 0,1 bis 5%.
- Das beschichtete Korn hat im Vergleich zu unbeschichteten Körnern eine mit einem Faktor von 5 bis 100 multiplizierte Oberflächenkennzahl, wobei sich dieser Multiplikationsfaktor mit steigender Grobkörnigkeit des zu beschichtenden Korns erhöht.
- Gegenstand der Erfindung ist auch ein Verfahren zur Herstellung solcher Körner, bei dem:
- ein Gel aus einem Gemisch aus kolloidalem Tonerdehydrat und Natriumsilikat in einem leicht sauren wässrigen Medium zubereitet wird,
- - die Körner mit diesem Gel in einer Menge von 0,1 bis 5% der Kornmasse umhüllt werden,
- - die umhüllten Körner bei einer Temperatur zwischen 100 und 500ºC getrocknet werden.
- Das verwendete Tonerdehydrat ist vorzugweise ein Monohydrat in Form von Böhmit. Die für die Gelzubereitung verwendete saure Lösung ist vorzugsweise eine Lösung, die 0,5 bis 30% Salpeter-, Essig- oder Perchlorsäure enthält.
- Das erfindungsgemäße Verfahren besteht zunächst darin, ein Mischung aus einer handelsüblichen Natriumsilikatlösung und einer kolloidalen Tonerdehydratlösung herzustellen, die in einer schwach sauren wässrigen Lösung dispergierbar ist. Das Tonerdehydrat ist vorzugsweise ein Monohydrat, das in der kristallographischen Form von Böhmit vorliegt. Die Säure muß das Tonerdehydrat peptisieren können; dies ist inbesondere bei den Essig-, Perchlor- und Salpetersäuren der Fall. Die Konzentration der wässrigen sauren Lösung muß schwach bleiben, zwischen 0,5 und 30% und vorzugsweise zwischen 1,5 und 5%.
- Nach einigen Minuten Rühren stabilisiert sich die kolloidale Tonerdelösung und kann der Silikatlösung beigemengt werden, um das Gel zur Umhüllung der Körner herzustellen.
- Die Umhüllung erfolgt in einem Mineralpulver-Rührwerk, z. B. einer Drehtrommel gleichen Typs wie die, die zum Betonmischen verwendet werden. Danach erfolgt das Trocknen, das kontinuierlich auf einem Laufband am Ausgang des Rührwerks durchgeführt werden kann.
- Die Oberflächenkennzahl des umhüllten Korns hängt einerseits von der Zusammensetzung des Silikat-Tonerde-Gemischs und andererseits von der Trockentemperatur ab. Fig. 1 zeigt für Trockentemperaturen zwischen 150 und 450ºC während 30 Minuten den Verlauf der Oberflächenkennzahl BET des Gels je nach seiner Zusammensetzung, die durch das Verhältnis Al/Si dargestellt ist.
- Es wird festgestellt, daß mit einer Lösung aus etwa 10% Silikat und 90% Tonerdehydrat selbst bei einer Trockentemperatur von 150ºC hohe Oberflächenkennzahlen von über 200 m²/g erzielt werden können. Dieses Ergebnis ist deshalb interessant, weil mit einer niedrigen Trockentemperatur Energie gespart und die Herstellungskosten herabgesetzt werden können. Andererseits kann die Zusammensetzung des Gemischs je nach den für die jeweilige Anwendung gewünschten Eigenschaften angepaßt werden.
- In allen Fällen erhält man durch das erfindungsgemäße Verfahren eine mindestens 5-fache und in vielen Fällen mehr als 50-fache Erhöhung der Oberflächenkennzahl im Vergleich zu nicht umhüllten Körnern.
- Die erfindungsgemäßen Schleifkörner können zur Herstellung von Schleifleinen oder Schleifpapier verwendet werden. Sie werden dann mit Hilfe des elektrostatischen Feldes, das durch zwei leitende Platten erzeugt wird, zwischen denen eine hohe elektrische Spannung von etwa 40 kV angelegt ist, auf den vorgeleimten Träger aufgebracht. Die Schleifkörner steigen dabei zu einer der elektrischen Platten auf und stoßen auf ihrem Weg auf den dort angeordneten vorgeleimten Träger. Die hohe Oberflächenkennzahl der erfindungsgemäßen Körner, die durch eine mit der Wirkung von Spitzen vergleichbare Wirkung vermutlich das Hängenbleiben einer größeren Zahl statischer Aufladungen ermöglicht, bewirkt ein schnelleres Aufsteigen in das Feld, insbesondere dann, wenn der relative Luftfeuchtigkeitsgehalt zu schwach wircl (z. B. < 30%) oder die Körner zu dick oder zu klein sind. Weiterhin wird eine gute Beständigkeit gegen eine Ablösung der Körner erzielt, da ihre Haut eine hohe Oberflächenkennzahl hat und im Fall von Tonerdehydrat die gleiche chemische Beschaffenheit aufweist wie der Rest des Korns.
- Die erfindungsgemäßen Körner können auch zur Herstellung von Schleifscheiben dienen, indem sie einem Harz beigemengt werden. Diese Schleifscheiben weisen insbesondere dann, wenn sie warm sind, deutlich verbesserte mechanische und schleifende Eigenschaften auf als Schleifscheiben aus nicht umhüllten Körnern, wodurch sie besonders gut für Anwendungen wie das Putzen von Stählen in der Eisen- und Stahlindustrie geeignet sind.
- Beschafft wurde eine Lösung A aus Natriumsilikat mit 28,1% Kieselerde, die von RHONE-POULENC unter der Bezeichnung "flüssiges Natriumsilikat 16N34" vertrieben wird.
- Desweiteren wurde eine Lösung B hergestellt, indem ein dispergierbares Tonerdemonohydrat, DISPERAL, das von der Firma CONDEA CHIMIE vertrieben wird, in einer wässrigen Lösung mit 2% Salpetersäure, "Rectapur" von PROLABO, mit einer Dichte von 1,40, dispergiert wurde. Nach etwa 10- minütigem Rühren erhält man auf diese Weise eine kolloidale Lösung mit 30% Aluminiumoxid, die bei Zimmertemperatur mindestens 8 Stunden stabil bleibt.
- Es wurde ein Gemisch C hergestellt, indem 18% der Lösung A 82% der Lösung B zugesetzt wurden.
- Mit diesem Gemisch C wurden Körner aus braunem Korund SE154 von PECHINEY ELECTROMETALLURGIE mit einer mittleren Korngröße P50, P100 und P800 nach der Nomenklatur des Europäischen Verbands der Schleifmaterialproduzenten und Körner aus weißem Korund mit einer mittleren Korngröße P80 behandelt, wobei je Tonne Schleifkörner eine Menge von 10 kg verwendet wurde. Die Beschichtung erfolgte in einem Gerät vom Typ Betonmischer während 20 Minuten und das Trocknen bei 150ºC in einem Durchlauftrockner mit einem auf eine Mengenleistung von 500 kg/h eingestellten Band.
- Dabei wurden die Oberflächenkennzahlen BET in m²/g der unbehandelten und behandelten Körner verglichen. Die Ergebnisse sind die folgenden:
- Es ist zu erkennen, daß die Oberflächenkennzahl bei der kleinsten Korngröße 5 mal und in den anderen Fällen mehr als 50 mal höher ist.
- Zur Bestimmung der Fähigkeit, bei der Herstellung von Schleifleinen und Schleifpapier in das elektrostatische Feld aufzusteigen, wurde die notwendige Zeit gemessen, um 2,5 g Schleifkörner in das elektrostatische Feld zu bringen, welches durch Anlegen einer elektrischen Spannung von 40 kV zwischen zwei in einem Abstand von 10 cm in einem hygrometrisch kontrollierten Raum mit 20% bzw. 60% relativer Luftfeuchtigkeit angeordneten Elektroden erzeugt wurde.
- Die Ergebnisse sind die folgenden:
- Daraus geht eindeutig hervor, daß durch die Erhöhung der Oberflächenkennzahl der erfindungsgemäß behandelten Körner deren Fähigkeit, in das elektrostatische Feld aufzusteigen, spürbar verbessert wird und diese Verbesserung praktisch unabhängig vom Luftfeuchtigkeitsgehalt ist.
- Es wurde ein Gemisch C hergestellt, indem 2,4 kg (d. h. 30%) der Lösung A 5,6 kg (d. h. 70%) der Lösung B zugesetzt wurden. Diese 8 kg Gemisch C wurden mit 1 t Körnern aus gesintertem Bauxit SO 200 G 20 von PECHINEY ELECTROMETALLURGIE gemischt; die Körner wiesen einen Durchmesser von 0, 9 bis 1,1 mm auf und waren in der Länge so bemessen, daß bei 85% der Körner das Länge-Durchmesser-Verhältnis im Bereich von 2,5 bis 1 lag. Nach 20-minütigem Rühren wurden die umhüllten Körner bei 250ºC beim Durchlauf durch einen Trockner mit einer auf eine Mengenleistung von 500 kg/h geregelten Rollbahn getrocknet.
- Es wurden 2 Serien harzartige Schleifscheiben mit einem Durchmesser von 610 mm und einem Gewicht von 63 kg hergestellt, die eine enthielt unbehandelte Körner in einer Menge von 50%, die andere behandelte Körner in der gleichen Menge.
- Zur Bewertung ihrer mechanischen Festigkeit bei Raumtemperatur und im heißen Zustand (nach 30 min bei 250ºC) wurde eine Serie Proben von 120 mm Länge und 10 mm Dicke hergestellt und einem Zugversuch mittels einer Zugvorrichtung von INSTRON INSTRUMENTS unterworfen, um die Bruchfestigkeit R und das Elastizitätsmodul zu messen.
- Die Ergebnisse sind die folgenden:
- Bei den behandelten Körnern wird eine allgemeine Verbesserung festgestellt, insbesondere eine Erhöhung des Elastizitätsmoduls von 25% bei Hitzeeinwirkung.
- Um zu bewerten, welche Wirkung die Behandlung der Körner auf die Schleifeigenschaften dieser für den Stahlputz verwendeten Schleifscheiben hat, wurden Kaltschleifversuche an einem rostfreien Ferritstahl mit 17% Chrom und Warmschleifversuche an einem rostfreien Austenitstahl mit 18% Chrom und 10% Nickel unter folgenden Bedingungen durchgeführt:
- - Druck auf Schleifscheibe: 1 Tonne
- - Schleifwinkel; 70º
- - Schleifgeschwindigkeit: 80 m/s.
- Die Ergebnisse (kg abgeschliffenes Metall je Schleifscheibe) sind die folgenden:
- Bei der Schleifscheibe, die die umhüllten Körner verwendet, wird eine beträchtliche Leistungsverbesserung festgestellt, die um so deutlicher ist als die Arbeitstemperatur hoch ist.
Claims (8)
1. Schleifkorn auf Basis von Aluminiumoxid, dadurch gekennzeichnet, daß
es Eine Haut mit einem Kornmassenanteil von 0,1 bis 5% aufweist, die im
wesentlichen aus einem Gemisch besteht, das sich zu 5 bis 95% ihrer Masse
aus Tonerdehydrat, welches aus einer kolloidalen Lösung gewonnen wird, und
zu 5 bis 95% ihrer Masse aus Natriumsilikat zusammensetzt.
2. Schleifkom nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus
elektrisch geschmolzenem braunen oder weißen Korund ist.
3. Schleifkom nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es aus
gesintertem Bauxit oder Aluminiumoxid ist.
4. Schleifleinen oder -papier, das durch Ablagerung von Körnern nach
einem der Ansprüche 1 bis 3 auf einem vorgeleimten Leinen oder Papier ·
hergestellt wird.
5. Schleifscheibe, die durch Beimengen von Körnern nach einem der
Ansprüche 1 bis 3 in ein Harz hergestellt wird.
6. Verfahren zur Behandlung von Schleifkörnern,
- bei dem ein Gel durch Mischen einer Natriumsilikatlösung und einer
kolloidalen Lösung aus Tonerdehydrat in einem sauren Medium zubereitet
wird,
- bei dem die Schleifkörner mit diesem Gel in einer Menge von 0,1 bis 5
% ihrer Masse umhüllt werden,
- bei dem die umhüllten Körner bei 100 bis 500ºC getrocknet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das
Tonerdehydrat ein Monohydrat in Form von Böhmit ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch
gekennzeichnet, daß die saure Lösung 0,5 bis 30 Masse-% Salpeter-, Essig-
oder Perchlorsäure enthält.
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