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Verfahren iur Herstellung 'Von Schleifkörpern Die üblichen keramischen
Bindemittel für Körner von kohlenstoffhaltigen Stoffen von der Art des Siliciumcarbnds
enthalten bildsamen Ton, Sinterton, Feldspat, Kaolin, Flint usw. in verschiedenen
Verhältnissen und werden durch Brennen in einem keramischen Ofen in einen porzellanartigen-Zustand
übergeführt.
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Obwohl Siliciumcarbid als feuerfester Stoff hohen Temperaturen als
solchen widersteht, neigt es doch- bei Erhitzung auf übliche Brenntemperatur in
Gegenwart von Sauerstoff einerseits zur Oxydation zu Kieselsäure, andererseits zur
Bildung von Silicaten mit. basischen Metalloxyden des Bindemittels unter jeweiliger
Entwicklung gasförmiger Oxyde des Kohlenstoffs, die aufblähend auf den Gegenstand
wirken, der. dadurch eine erhebliche Formänderung erfahren mann. In demselben Sinne
wirkt auch die Kieselsäure, deren Raumgehalt den des Siliciumcarbids, aus dem es
entstanden ist, übertrifft. Die Kieselsäure und das Silicat neigen auch dazu, sich
mit dem Bindemittel zu vereinigen, somit dessen chemische und physikalische Beschaffenheit;
seinen Verflüssigungs- oder Verglasungsgrad und die Festigkeit des Enderzeugnisses
zu beeinflussen.
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Aus der Verwendung porzellanartiger Bindemittel für Siliciumcarbid
ergeben sich verschiedene Nachteile. Das Bindemittel ändert sich während des Brennvorganges
fortwährend in seiner' Zusammensetzung und hat selbst am Ende des Zeitabschnittes,
in dem die höchste Temperaturaufrechterhalten wird, nicht einen endgültigen Gleichgewichtszustand
erreicht.
Da sich daraus Abweichungen im Härtegrad des Erzeugnisses als Begleiterscheinung
unvermeidlicher Ungleichmäßigkeiten der Behandlung des Erzeugnisses im Ofen ergeben,
ist es schwierig, .das Erzeugnis. 'selbst bei stets gleicher Zusammensetzung:-:
wiederholt in derselben Qualität zu erzielen. Überdies verleihen porzellanartige
Bindemittel, die hoch gebrannt werden müssen, dem Erzeugnis eine geringere Festigkeit
als solche mit leichter fließender, glasartiger Bindephase, so daß man auf Kosten
des Porigkeitsgrades zur Anwendung eines höheren Bindemittelzusatzes gezwungen ist.
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Zur Verminderung der Nachteile der Oxydation des Siliciumcarbids und
seiner Umsetzung mit basischen Bestandteilen des Bindemittels ist es an sich geboten,
Gegenstände aus Siliciunicarbid bei so niedriger Temperatur zu brennen, wie es für
das Reifen des Bindemittels angängig ist. Im Widerspruch hiermit hat man indessen
bisher die Bindemittelzusammensetzung im Hinblick auf andere wichtige Eigenschaften
gewählt und demgemäß die porzellanartigen, bei hoher Temperatur- zu brennenden Bindemittelarten
verwendet.
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Ähnliches gilt im allgemeinen auch von anderen kohlenstoffhaltigen
und- daher bei hohen Brenntemperaturen zur Oxydation neigenden Stoffen, wie Borcarbid
und Diamant. Das aus Borcarbid gebildete Oxydationsprodukt B203 reagiert mit verschiedenen
Bestandteilen des Bindemittels und beeinträchtigt so dessen Zusammensetzung und
Festigkeit.
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Zur Überwindung der erwähnten Schwierigkeiten wird nun erfindungsgemäß
ein irn wesentlichen nicht reagierendes Bindemittel verwendet, .das bei verhältnismäßig
-niedriger Temperatur in kurzer Zeit reift.
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Ein in diesem Sinne befriedigendes Bindemittel muß ein lceramisches
Glas oder eine Fritte von der Art eines Alkalimetallborsilicats enthalten, in Verbindung
mit geeigneten Änderungszusätzen, die dem Bindemittel gewünschte Eigenschaften verleihen.
Bindemittel dieser Art sind an sich bekannt, aber erfindungsgemäß wird die Fritte
nicht beim Brennen des Erzeugnisses, z. B. Schleifscheibe, sondern vorher durch
Brennen und Abkühlen gebildet und in zerkleinerter Form als Bestandteil des Bindemittels
verwendet, so daß beim Brennen des Enderzeugnisses die Reaktionsfähigkeit ihrer
Bestandteile im wesentlichen erschöpft ist.
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Als Änderungszusatz kommt besonders ein die Bildsamkeit entwickelndes
Reagens in Frage, wie z. B. bildsamer Ton oder ein gallertartiger Stoff, der das
Gemisch formbar macht. Ein solcher äallertartiger,Stoff kann organischer Natur sein,
wie z. B. vorgelatinierte Stärke, Cellulosemethyläther (Glutolin) usw., oder er
kann andere bildsam machende anorganische Bestandteile als Ton -enthalten.
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i Zusaininensetzung der Fritte wird so ' gewählt, daß sie bei niedriger
Temperatur schmilzt, um eine glasartige Bindephase vorzusehen, die bei Benutzung
mit dem Änderungszusatz bei dieser Temperatur mit den Körnern im wesentlichen nicht
reagiert.
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Das Vorbrennen der Fritte erfolgt bei weit oberhalb des Erweichungspunktes
des sich bildenden Glases liegender Temperatur, uin eine im wesentlichen vollständige
Reaktion zwischen ihren verschiedenen Bestandteilen herbeizuführen und so ein Glas
zu bilden, das bei der niedrigeren Brenntemperatur des mit ihr hergestellten Erzeugnisses
praktisch nicht mehr reagiert. Insbesondere wird diese Fritte vorzugsweise arm an
basischen Metalloxyden und reich an sauren Oxyden gehalten, so daß die Bildung von
Silicaten, Boraten und gasförinigen Oxyden -des Kohlenstoffs durch Reaktion mit
dem kohlenstoffhaltigen Korn auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird. Die Z_usaminensetzung
der Fritte und des Bindemittels sieht auch einen hohen Gehalt an einer niedrig schmelzenden
flüssigen, glasartigen Bindephase in dem fertiggebrannten Bindemittel vor, so daß
das Bindemittel bei niedriger Temperatur unterhalb 10q.0° C, z. B. bei etwa g25°
C, seinen endgültigen Zustand erreicht, bei der die Oxydation des körnigen Gutes
sehr langsam stattfindet. Es ist auch erwünscht, daß der Wärmedehnungskoeffizient
des Bindemittels unterhalb seines Erweichungspunktes nahe genug bei denn des körnigen
Gutes liegt, um das Rissigwerden des fertigen Erzeugnisses zu verhüten.
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Die bevorzugte Art von Borsilicatglasfritte enthält einen verhältnismäßig
hohen Prozentsatz Kieselsäure und Boroxyd, aber einen niedrigen Prozentsatz Alkalimetalloxyd.
Er- 1 findungsgemäß wird ein Bindemittel verwendet, das nach dem Brennen nach Gewicht
aus 50 bis 70 % Si 02, 15 bis 4o'/,) B20" 3 bis 20 % A1203, 3 bis 1o % Alkalimetalloxyd
sowie anderen Metalloxyden in Höhe von höchstens 3 % besteht und vor dem Brennen
mindestens zu 5o % aus einer vorgebrannten und vorgekühlten glasartigen Fritte besteht,
die nach Gewicht 45 bis 680/0 Si02, 2o bis 40 0/0 B2 O3, 3 bis 1o % Alkalimetalloxyd
enthält, und daß3 der au Schleifkorn, Fritte und bildsamem Stoff geformte Schleifkörper
bei einer Temperatur zwischen 875 und 104o° C gebrannt wird. Stoffe, wie Titanoxyd,
Zirkonoxyd, Zinkoxyd, Kadmiuinoxyd, Mullit usw., kann man zusetzen, um etwa erwünschte
besondere Eigenschaften zu verleihen. Zum
Binden von Siliciumcaibid
ist in dem Borsilicatglas für die Fritte ein hoher Prozentsatz von Kieselsäure und
Boroxyd erwünscht, um in ein und :demselben Bindemittel geringe Reaktionsfähigkeit
gegen Siliciumcarhid mit verhältnismäßig niedrigem Wärmedehnungskoeffizienten, der
dem des Siliciumcarbids-genügend nahe kommt, zu erhalten.
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Das Alkalimetallborsilicat kann aus Borsäure, Boräx und Kieselsäure
mit anderen Bestandteilen je nach Wunsch hergestellt werden. Diese Fritte wird zur
Bildung des Bindemittels in gepulvertem Zustande mit einem bildsam machenden Stoff
bzw. einem andern, das Bindemittel- ändernden Stoff gemischt. Die Bildung -der Fritte
geschieht bei so hoher Temperatur, z. B. 1300° C, daß es zu einer vollständigen
Reaktion zwischen dem Borax, der Borsäure und der Kieselsäure kommt. Da die nachher
beim Binden der Körner zur Anwendung kommende Temperatur erheblich niedriger ist,
besteht die Möglichkeit, einen hohen Gehalt an Boroxyd und Kieselsäure zu verwenden,
ohne daß sich die unerwünschten Folgen ergeben, die sich bei unmittelbarer Anwendung
von Borsäure, Borax und Kieselsäure in dem Bindemittel beim Bindevorgang zeigen
würden.
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Der Zusatz von Abänderungs;stoffen geschieht vorzugsweise in solchem
Maße, daß das gebrannte -Bindemittel einen hohen Prozentsatz, und zwar vorzugsweise
über 5o'/0, einer-flüssigen Glasbindeph ase enthält.
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Es seien einige Beispiele für die Zu= sammensetzung der Fritte, des
Bindemittels und des ganzen Gemisches angeführt und das Vorgehen zur Herstellung
des Enderzeugnisses erläutert.
Eine durch Schmelzen dieses Gemisches erzeugte Fritte ist verwendbar zum Binden
von Erzeugnissen, die bei etwa 925° C zu brennen sind. Das Brennen zur Bildung der
Fritte erfolgt aber bei erheblich höherer Temperatur, z. B. etwa 1300° C. Die Brenntemperatur
ist so zu wählen, daß ein verhältnismäßig homogenes Glas ohne nennenswerten Verlust
durch Verflüchtigung gebildet wird. Es ist dafür zu sorgen, daß alle Kieselsäure
in der Schmelze in Lösung geht und daß eine Verunreinigung durch äußere Stoffe,
wie z. B. den feuerfesten Baustoff des Schmelzofens, vermieden wird. Die Fritte
wird nach dem Abkühlen fein gemahlen. Dies kann -leicht dadurch geschehen, daß man
das heiße flüssige Glas in Wasser granuliert und nach dem. Trocknen in einer Kugelmühle
mahlt; bis esdurch ein Sieb von 16oo oder mehr Maschen je cm2 geht.
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Aus dieser Fritte können verschiedene Bindemittel zusammengesetzt
werden. Für ein Enderzeugnis geringer Härte aus Siliciumcarbid erweist sich das
folgende Bindemittelgemisch als besonders geeignet.
| Errechnete chemische Zusammensetzung |
| Massezusammensetzung (nach Gewicht) |
| °/o |
| Fritte Nr. _ . . . . . . . . . . 75 Gewichtsteile S'02
....... 57,7 |
| Bildsamer Kentuckyton 25 - B203 ...... 27,5 |
| A1203 ...... 8,1 |
| Mullitpulver . . . . . . . . . . 5 - |
| e Nag 0 ...... 5,6 |
| K20 ....... o,1 |
| Fe203 ... 0,2 |
| - Mg0 . . . . . . . 0,i |
| Ca0 ....... o,1 |
| Ti02 .... o,6 |
| Insgesamt .. ioo,o |
Oder man kann den Mullit fortlassen und nur den bildsamen Ton verwenden, z. B. 2o
bis 3o Teile von ihm auf 75 Teile der Fritte. Feldspat, Kaolin, Bentonit, Aluminiumhydrat,-
Aluminiumoxyd, Kieselsäure und andere bekannte Bestandteile keramischer Bindemittel
können gleichfalls mit der obigen Fritte verwendet werden, um die Eigenschaften
der Bindung zu verändern.` Stoffe,
wie bildsamer Ton, Kaolin, Bentonit und
Aluminiumoxyd
oder -hydrat, können auf Wunsch an Stelle des Mullits in denselben Verhältnissen
Verwendung finden; aber die Verhältnisse können in weiten Grenzen verändert werden.
Auch andere Körner, wie Diamant, Bor-, Wolfram-, Tantal- oder Titancarbid usw.,
kann man durch ähnliche Mischungen binden.
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An Stelle des bildsamen Tons oder neben ihm kann man ein vorübergehend
wirkendes Bindemittel, wie vorgelatinierte Stärke, Glutolin oder andere organische
Stoffe, verwenden, die in Luft leicht verbrennbar sind, ohne ein erhebliches Auftreiben
oder Aufblähen des- Bindemittels zu verursachen.. Man kann auf diese Weise die Mischung
formbarer machen und dem Gemisch von Bindemittel und - Körnern in rohem Zustande
größere Festigkeit verleihen.
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Zur Herstellung eines gebundenen Gegenstandes (Schleifscheibe, Schleifblock
usw.) aus beispielsweise Siliciumcarbidkörnern kann man 455 g eines Kornes entsprechend
1z25 Maschen je em2 mit ii g einer 4prozentigen wäßrigen Glutolinlösung anfeuchten.
Sodann -werden et`cva 38g Bindemittel der obigen Zusammensetzung langsam unter Umrühren
beigegeben. Der aus dem Gemisch geformte Gegenstand wird getrocknet und bei 925°
C gebrannt. Die Brenntemperatur kann je nach der Art des gewünschten Enderzeugnisses
erheblich verändert werden, doch muß unter 1040° C und vorzugsweise in der Nähe
von 875 bis 975° C gebrannt werden. Als weiteres Beispiel für die Herstellung eines
Gegenstandes aus Siliciumcarbid kann man 113,4 g Siliciumcarbid, dessen Korn ioo
Maschen je cm= entspricht, mit 4,63 ccm einer 5prozentigen Wasserlösung von vorgelatinierter
Stärke (Mogul) anfeuchten, worauf man
17,79 g des oben angegebenen Bindemittels
hinzufügt und sorgfältig mischt. Es wird dann ein Stab von 16 X 1,6 X
0.7 cm in der üblichen Weise aus dem Gemisch gepreßt, getrocknet und bei
925° C gebrannt.
| Fritte Nr. 2 |
| Masse- Berechnete chemische |
| zusammensetzung Zusammensetzung |
| "r n: |
| u u |
| Borax....... 3o,81 Na20 ... ... 6,5 |
| Borsäure .... 24,29 B203 ... . ... 33,4 |
| Flint........ 44,90 S102 ....... 59,9 |
Andere Abänderungszusätze, wie Oxyde von Elementen der zweiten Gruppe des periodischen
Systems (Calcium, Magnesium, Barium, Strontium, Zink, Cadmium) und auch andere verändernde
Zusätze, z. B. Oxyde dreiwertiger Metalle, wie Aluminium, und vierwertiger-Metalle,
wie Titan, Zirkon usw., können bei der Herstellung der Alkalimetallborsilicatfritte
verwendet werden, um ihr gewünschte spezifische Eigenschaften, z. B. verminderte
Wasserlöslichkeit, zu verleihen. Beispiele hierfür sind:
| Fritte Nr. 3 |
| - Errechnete chemische |
| Massezusammensetzung Zusammensetzung |
| o/11 |
| Borax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32,2 Gewichtsteile
Na20 ..... . ...... 7,3 |
| Borsäure ................ . 25,q. - Ca0 .............
3,0 |
| Kieselsäure .............. 37,6 - A1203 .. :. ... ..... u,9 |
| Aluminiumhydroxyd ..... r,o - 8203 ............ 36.4 |
| Schlämmkreide .......... 3,8 - SiO, ............. 52,4 |
| Fritte Nr..l. |
| Errechnete chemische |
| Massezusammensetzung Zusammensetzung |
| _ u. |
| In |
| Borax . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32,1 Gewichtsteile
Na20 . . . . . . . . . . . . 7,2 |
| Borsäure ................ 25,3 - Ba0 ............. o,6 |
| Flint . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . e7,5 A1.03 .
. . . . . . . . . . .1.,2 |
| Aluminiumhydroxyd ..... 4,6 - B203 ............ 36,u |
| Bariümcarbonat ......... o,5 - Sio2 ......... - ...
52,o |
Wenn auch in allen Beispielen Borax erwähnt ist, der Natrium als
Hauptalkalirnetall beiträgt, so .können doch selbstverständlich andere Alkalimetalle,
wie Kalium und Lithium, das Natrium. teilweise oder ganz ersetzen.
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Bei der Zusammensetzung des Bindemittels, dessen wichtigster Teil
die die Glasbindephase bildende Fritte ist, kann man, um dem Gemisch von Schleifkörnern
und Bindemittel die Formbarkeit zu verleihen, bildsamen Ton allein oder mit anderen
zusätzlichen ,gepulverten, rieht bildsamen Zusätzen, wie Feldspat, Mullit usw.,
verwenden. Ein Verfahren zum Regeln der Flüssigkeit der Fritte besteht darin, daß
man den Gehalt an Aluminiumoxyd oder Kieselsäure ändert. Im allgemeinen ist die
Fritte bei einer gegebenen Schmelztemperatur um so zäher, je höher der Gehalt an
Kieselsäure oder Aluminiumoxyd ist. Die Erhöhung ,des Gehaltes an Kieselsäure oder
Aluminiumoxyd hat Deine ""schäd=--lichen chemischen Wirkungen, solange der Schmelzpunkt
nicht zu stark erhöht wird. Sie wirkt andererseits herabsetzend auf den Wärmedehnungskoeffizienten.
Baroxyd setzt die Schmelztemperatur sowohl als den Ausdehnungskoeffizienten herab.
Soda erniedrigt die Schmelztemperatur, erhöht jedoch den Ausdehnungskoeffizienten.
Ist die Fritte dazu bestimmt, Siliciumcarbidkörner zu binden, so sollten Alkalim@etalloxyde
nicht in solcher Menge oder Beschaffenheit vorhanden sein, daß sie schließlich 'n
schädlicher Weise mit dem Siliciumcarbid reagieren. Wird Ton mit der Fritte bei
Herstellung des Bindemittels verwendet, so löst sich ein Teil des Aluminiumoxyds
und der Kieselsäure des Tones in .der Fritte und verändert so die physikalischen
und chemischen Eigenschaften der Glasphase in dem Enderzeugnis, wie z. B. ihre Zähigkeit
und Reaktionsfähigkeit.. In-
folgedessen können durch Abänderung der Mengen dieser Bestandteile innerhalb des
Wissens des Fachmannes die Eigenschaften des Bindemittels in geeigneter Weise abgewandelt
werden. .
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Infolge der Verwendung der vorgebrannten Fritte braucht die Brennzeit
des Gegenstandes nur lang genug zu sein, um etwa vorhandene organische Stoffe herauszubrennen
und die Fritte zu erweichen oder um ihr die Veränderungsmittel genrügend einzuverleiben
und ein einwandfreies Benetzen des Kotries und Anhaften an diesem zu erreichen.
Auch dadurch wird die Möglichkeit einer Reaktion zwischen dem Korn und etwa noch
reaktionsfähigen Bestandteilen der Bindemasse oder mit Sauerstoff, wenn das- Brennen
in mehr oder weniger oxydierender Atmosphäre erfolgt, herabgesetzt. Das kurzzeitige
Brennen der Erzeugnisse ist natürlich auch von großer wirtschaftlicher Bedeutung.
Während bisher z* B: bei-Schleifscheiben der Brennprozeß bei hoher Temperatur je
nach der Größe .des Gegenstandes und des Brennofens :2 bis 2z Tage dauerte, liegt
hier die Brenndauer zwischen einigen Stunden und etwa 2 Tagen.
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Bei der Herstellung keramisch gebundener Diarnantschleifscheiben,
die den wegen der Empfindlichkeit des Diamantkornes gegen das Brennen bisher verwendeten
harzgebundenen Diamantscheiben in* verschiedener Hinsicht überlegen sind,
kann wie folgt verfahren werden. Für das Bindemittel werden 3o Teile bildsamer Ton
mit 75 Teilen der gepulverten Fritte Nr. 3 verwendet. -Zur Herstellung einer kleinen
Schleifscheibe von etwa 12,5 mm Durchmesser und 1,6 mm Dicke mit einem mittleren
Loch von etwa 3,2 mm Durchmesser werden etwa 0,33 g Diamantkörner von einer
Korngröße entsprechend Maschenweite r6oo je cm= mit 0,07 g des Bindemittelgemisches
vermengt. Die Diamantkörner
werden zuerst mit einer 4prozentigen
wäßrigen Glutolinlösung angefeuchtet, die in genügender Menge verwendet -wird, um
die Masse verarbeitbar zu machen und ihr die nötige Rohfestigkeit zu geben. Sodann
mischt man die feuchten Körner mit dem Bindemittel und preßt das Gemisch in einer
Form mit einem Druck von 3400 kg. Das Brennen kann in beliebiger Weise erfolgen,
jedoch wird vorzugsweise wie folgt verfahren.
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Zunächst wird- der gepreßte Körper bis zti einer Temperatur von etwa
400° C in Luft erhitzt, um das Glutolin herauszubrennen. Hierauf kann die Masse
mit Luft bis auf eine Temperatur (z. B. etwa 60o° C) erhitzt werden, bei der die
Schleifkörner noch nicht erheblich oxydiert werden. Oberhalb 60o° C wird vorzugsweise
eine Atmosphäre aus gereinigtem Stickstoff oder Kohlenoxyd verivendet, um jede Oxydation
der Diamantkörner zu verhüten.
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Zur Herstellung eines keramisch gebundenen Gegenstandes ,aus Borcarbid'körnern
mögen 0.2375g Borcarbid B4 C in Verbindung mit 0,o693 g desselben Bindemittels
wie für Diamantkörner verwendet werden. Das Form-und Brennverfahren kann ebenfalls
im wesentlichen dasselbe sein.
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Man kann die Fritte auch mit bildsamem Ton oder anderen keramischen
Stoffen der obenerwähnten Art vereinigen und daraus ein Glas erschmelzen, das als
solches in fein zerkleinertem Zustand zum Binden der Körner verwendet werden kann.
Hierbei kann z. B. wie folgt vorgegangen werden. Man nimmt i 13 g Siliciumcarbidkörner,
fügt 4,6 ccm einer 5prozentigen wäßrigen Glutolinlösung hinzu und mischt gründlich.
Hierauf setzt man unter sorgfältigem Mischen 17,5 g der fein gepulverten vorgeschmolzenen
Glasfritte Nr.5 hinzu. Der sodann geformte Gegenstand -wird nach dem Trocknen in
Luft in 21j2 Stunden auf 9z5° C erhitzt, 41J2 Stunden auf dieser Temperaturgehalten
und schließlich auf Raumtemperatur gekühlt.