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Schleifkörper aus geschmolzenen Tonerdekörnern und Verfahren zu ihrer
Herstellung Die Erfindung betrifft glasartig gebundene Körper aus geschmolzener
Tonerde, insbesondere Schleifkörper aus geschmolzener Tonerde, wie Schleifscheiben,
Wetzsteine, Abziehsteine usw., die durch glasartige Borsilikate gebunden sind, und
Verfahren zu ihrer Herstellung.
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Bindemittel aus Borsilikat wurden für die Herstellung von keramisch
gebundenen Schleifprodukten bereits vorgeschlagen. Borsilikate hat man z. B. bereits
zum Binden von Schleifkörpern aus Siliziumkarbid verwendet, die sich hierbei gut
bewährten, sich jedoch für Körper aus geschmolzener Tonerde weniger gut eigneten.
Dies war nicht weiter verwunderlich, da jahrelange Erfahrungen gezeigt haben, daß
gute Bindemittel für bestimmte Schleifkörper oft nicht für die Bindung von anderen
Schleifkörpern brauchbar sind, sondern nur geringe oder keine Bindekraft zeigen
oder sogar die Schleifwirkung des Materials aufheben oder stören. Aus diesem Grunde
überrascht es auch nicht weiter, daß zur Bindung von Siliziumkarbid brauchbare Borsilikate
für die Bindung von körniger, geschmolzener Tonerde weniger geeignet waren. Auch
zum. Binden von anderen Schleifmitteln einschließlich körniger Tonerde verwendete
Borsilikate brachten kein restlos befriedigendes Ergebnis.
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Die Erfindung befaßt sich deshalb nur mit der Bindung körniger, geschmolzener
Tonerde mit Hilfe von speziellen Alkaliborsilikaten, die für geschmolzene Tonerdeteilchen
besonders geeignet sind.
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Bei der Herstellung von Schleifkörpern aus geschmolzener Tonerde ist
es zunächst wünschenswert, daß das Bindemittel die Tonerdeteilchen gut benetzt und
an ihnen so fest haftet, daß die Körper beim Schleifen nicht zerbrechen und die
beim Schleifen erforderliche Geschwindigkeit aushalten. Außerdem muß das Bindemittel
auch ohne besonders hohe Temperaturen
oder übermäßig lange Brenndauer
gründlich verglasen. Eine niedrige Brenntemperatur ist auch deshalb vorzuziehen,
damit metallische Verstärkungseinlagen, wie Spindeln o der Wellen, in den Schleifkörpern
während des anschließenden Brennens keine Schäden erleiden.
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Weiter ist es wichtig, daß das Bindemittel zu den Teilchen aus Tonerde
eine gewisse Affinität oder Haftfähigkeit besitzt und damit eine hohe Festigkeit
des gebrannten Körpers bei geringem Gehalt an Bindemittel gewährleistet. Es ist
auch wünschenswert, daß die glasartige Bindung eine ausreichende Härte besitzt,
so daß die Herstellung von Schleifscheiben und anderen Gegenständen möglich wird,
für die eine keramische Bindung mit wesentlich geringerer Härte zum Schleifen von
vielen Materialien völlig ungeeignet sein würde: Die bisher verwendeten glasartigen
Bindemittel für Schleiferzeugnisse aus Tonerde versagten in einer oder mehreren
der obenerwähnten Eigenschaften.
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Die Erfindung bezweckt die Erzeugung von glasartig gebundenen Körpern
aus geschmolzener Tonerde, die als Bindemittel glasartige Borsilikate enthalten,
die die Nachteile der Bindemittel früherer Art verringern oder ganz vermeiden und
bessere Schleif- und Schrämeigenschaften besitzen.
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Erfindungsgemäß wurde festgestellt, daß man hochwertige Schleifkörper
bekommt, wenn ein beträchtlicher Anteil des Alkaligehalts des Bindemittels aus Lithiumoxyd
besteht. Das Lithiumoxyd scheint dem Bindemittel eine unerwartet hohe Affinität
zur Tonerde zu verleihen, so daß diese gründlich vom Bindemittel bei niedrigen Temperaturen,
wie etwa Iooo° und niedriger, benetzt wird. Des weiteren erhalten die hier beschriebenen
glasartigen Bindemittel durch Lithiumoxyd diese hohe Affinität und/oder Bindefähigkeit
gegen körnige, geschmolzene Tonerde, selbst wenn sie einen hohen Prozentsatz an
Kieselsäure, wie z. B. 6o% oder mehr, z. B. 69%, enthalten. Demzufolge ist es möglich,
Körper aus Tonerde mit einer harten und glasartigen Bindung, die in nur geringem
Maß Kristalle enthält, herzustellen, selbst wenn die Körper bei Iooo° und niedriger
gebrannt werden. Wenn die Tonerdeteilchen durch lithiumoxydhaltige Borsilikate gebunden
sind, ermöglichen die Fließbarkeit des Bindemittels bei der Brenntemperatur und
die Benetzbarkeit und/oder ihr Anhaften an den Schleifkörpern aus Tonerde die Verwendung
von geringeren Mengen an Bindemittel, als sie bisher für die hohe Festigkeit der
Körper als notwendig erachtet wurden. Überdies verleihen große Mengen an Kieselsäure
dem Bindemittel eine Härte, die bisher mit glasartigen Bindemitteln bei gleichen
Brenntemperaturen nicht zu erreichen war. Die hier verwendeten Bindemittel enthalten
im allgemeinen weniger als Io% Alkalioxyde, von denen etwa 1,5 bis 5% aus Lithiumoxyd
bestehen. Das Bindemittel enthält außerdem bis zu 15% Boroxyd und über 6o% Kieselsäure.
Wenn auch die Borsilikate der Erfindung gewöhnlich 6o °% oder mehr Kieselsäure enthalten,
um eine Bindung mit großer Härte zu erzielen, können jedoch auch geringere Mengen
Kieselsäure verwendet werden, wenn die Härte des Bindemittels nicht so von Bedeutung
ist und besonders kurze Brennzeiten und geringe Brenntemperaturen wünschenswert
sind und eine weichere Bindung zulässig oder sogar erwünscht ist. Das Lithiumoxyd
übt in diesen weicheren Bindemitteln trotzdem seine benetzende Wirkung auf die Tonerdeteilchen
aus und ermöglicht eine Herabsetzung der Bindemittelmenge, die sonst ohne Lithiumoxyd
erforderlich wäre. Es ist empfehlenswert, der Mischung eine kleine Menge Tonerde
mit etwas Erdalkali oder ein anderes Flußmittel zuzufügen.
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Zum weiteren Verständnis sei auf die Zeichnungen verwiesen.
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Fig.I stellt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäß hergestellte
Schleifscheibe dar, in der ein Verstärkungsring eingebettet ist; Fig. 2 zeigt in
Perspektive eine Schleifwalze der Erfindung; Fig. 3 stellt in starker Vergrößerung
die Struktur eines Bruchstückes eines gebundenen Tonerdeschleifkörpers der Erfindung
dar und zeigt die Anordnung des glasartigen Bindemittels und die leeren Räume zwischen
den Körnchen des Körpers; Fig. 4 zeigt in gleicher Vergrößerung einen Schleifkörper
aus Tonerde, in welchem ein typisches Bindemittel der früheren Art verwendet wurde.
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Die folgenden Beispiele dienen der Erläuterung, sollen aber diese
keinesfalls beschränken. Sie zeigen im speziellen die Art und Weise, in der die
Schleifkörper aus glasartig gebundener, geschmolzener Tonerde erfindungsgemäß hergestellt
werden. Beispiel I Rohmaterial Gewichtsteile Kieselsäure ..................... 750
Feldspat........................ Io Tonerde........................ 6 Borsäure .......................
262 Kryolith........................ 98 Kaliumnitrat.................... 45 Flußspat
....................... 3 Talkum ........................ 28 Lithiumcarbonat .:..............
9o Die Mischung obiger Zusammensetzung wird geschmolzen, so daß eine. homogene flüssige
Masse entsteht, die durch Ausgießen in Wasser granuliert wird. Das granulierte Material
wird dann getrocknet und bis zu einer Korngröße von etwa 75 Mikron und feiner gemahlen.
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Aus diesem Material werden Schleifscheiben mit einem Durchmesser von
io cm, 2,5 cm Dicke und einem Achsenloch von 1,27 cm Durchmesser wie folgt hergestellt.
Es wird ein Gemenge zum Druckverformen aus einer Mischung der oben beschriebenen,
pulverisierten, glasartigen Schleifteilchen aus Tonerde mit Dextrin in den folgenden
Mengenverhältnissen hergestellt
| Gewichtsteile |
| Schleifkörner aus geschmolzener Ton- |
| erde (Korngröße etwa 250 Mikron) ... gi,o |
| gepulvertes, lithiumoxydhaltiges Borsili- |
| kat (wie oben) ................... 9,o |
| Dextrin ........................... 1,5 |
| Wasser............................ 2,5 |
Diese Mischung wird bei einem Druck von 105 kg/cm² zu einer Scheibe
der gewünschten Größe und Form gepreßt, der entstandene Körper wird aus der Form
herausgenommen, getrocknet und insgesamt Io Stunden bei Iooo° gebrannt. Eine geeignete
Brennmethode besteht darin, daß die Körper im Verlauf von 4 Stunden auf Iooo° erhitzt
werden, 2 Stunden auf dieser Temperatur gehalten und dann etwa innerhalb von 4 Stunden
auf Zimmertemperatur oder etwas darüber abgekühlt werden. Die gebrannten Körper
werden darauf aus dem Ofen genommen und in üblicher Weise abgezogen.
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Die glasartige Bindung des fertigen Körpers besitzt der Analyse nach
die folgende Zusammensetzung (als Oxyde berechnet) S'02 ................ 69,1o A1203
................ 2,91 CaO ................. 0,33 MgO ................ o,63 K20 .................
2,00 Nag 0 ................ 3,95 B203................. 12,96 Li2 0 .................
3,35 F2 ................... 4,57 Fe. 0, ............... o,2o Beispiel 2 Verstärkte
Schleifscheiben, wie sie in Fig. I gezeigt sind, bei denen der gebundene Schleifkörper
5 mit dem Achsenloch 6 durch einen Stahlring 7 verstärkt ist, wurden aus der Mischung
von Beispiel I hergestellt und nach dem Verfahren von Beispiel I weiterverarbeitet,
nur daß beim Einfüllen der Masse in die Form ein Verstärkungsring 7 aus Stahl eingebettet
wird. Dieser Ring wird nach teilweiser Füllung der Form eingelegt und dann der Rest
der Masse auf ihn gefüllt. Falls gewünscht, kann der zuerst in die Form eingefüllte
Teil der Mischung einem geringen Druck ausgesetzt werden, so daß der danach eingelegte
Ring eine genaue Lage erhält. Auch können ein oder mehrere Verstärkungsringe in
gleicher Weise in der Scheibe während des Verformens eingebettet werden, oder es
können die Verstärkungen aus anderen Formen, wie Stahlgestängen, -stäben, -geflechten
usw., bestehen. Der Körper wird zum Schluß gepreßt, so daß der Ring oder dergleichen
die gewünschte Lage annimmt, wie dies in den Zeichnungen angegeben ist. Die niedrige
Brenntemperatur zur Verglasung der Bindung ist von besonderem Vorteil, da sie dem
Verstärkungsring oder anderen Verstärkungsvorrichtungen nicht schadet, so daß deren
ursprüngliche Festigkeit erhalten bleibt. Beispiel 3 Die gleiche Bindemittelzusammensetzung
und Schleifmittelmischung der Beispiele I und 2 kann auch zur Herstellung von Schleifwalzen,
wie sie in Fig. 2 gezeigt sind, verwendet werden, in der der gebundene Schleifkörper
9 um eine rostfreie Stahlspindel oder -welle, deren eines Ende während der Verformung
sich innerhalb des Schleifkörpers 9 befindet, angeordnet ist. Dies läßt sich leicht
bewerkstelligen, indem man den Boden der Form mit einer Öffnung im gleichen Durchmesser
wie die rostfreie Stahlwelle versieht, so daß das Ende der Welle in einem Ausmaß
aufwärts in die Form ragt, wie es zur Einlagerung der Welle wünschenswert ist. Die
oben beschriebene Verfahrensweise zur Herstellung von Schleifkörpern ist der bisherigen
Praxis bei der Herstellung von glasartigen Bindungen mit höheren Brenntemperaturen
außerordentlich überlegen, bei denen es notwendig war, die Schleifkörper getrennt
zu brennen und die Welle oder Achse in das Loch der gebrannten Form nachträglich
einzukitten. Die Schwierigkeiten der letzten Verfahrensweise, nämlich die Achse
genau zentral anzubringen, leuchten ohne Zweifel ein. Die Beseitigung derartiger
Schwierigkeiten, ebenso wie die leichtere Verformung des vollständig montierten
Körpers bedeuten weitere Vorteile außer den bereits genannten Vorzügen der vorliegenden
Bindemittelzusammensetzung.
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Fig. 3 der Zeichnung stellt schematisch die Struktur eines glasartig
gebundenen, geschmolzenen Tonerdeschleifkörpers dar, der ein Bindemittel aus Borsilikat
mit Lithiumoxyd enthält. Wie aus der Zeichnung zu ersehen ist, werden die Schleifkörner
iII aus geschmolzener Tonerde durch ein glasartiges Bindemittel 12 zusammengehalten,
das während des Brennens längs der Oberflächen der Schleifteilchen geflossen ist,
diese gründlich benetzt hat und sie durch kleine Vorsprünge 13 verbindet, die sich
in den kleinen Winkelräumen zwischen den Berührungspunkten oder Ecken der Schleifteilchen
befinden. Die Anordnung des Bindemittels in der beschriebenen Weise läßt die breiteren
Porenräume 14 des Körpers im wesentlichen offen und ungefüllt. Infolgedessen besitzt
der Schleifkörper eine rasche, kühle und selbsttätige Schleifwirkung.
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Im Vergleich hierzu zeigt Fig. q. einen Schleifkörper aus geschmolzener
Tonerde in stark vergrößertem Maßstab, bei dem die Tonerdeteilchen 15 durch die
gleiche Menge eines verglasten Bindemittels 16 gebunden sind, das kein Lithiumoxyd
enthält und für die Zusammensetzung, wie sie bisher üblich war, typisch ist. Es
ist aus der Struktur des Körpers von Fig. q. zu ersehen, daß das Bindemittel die
Oberflächen der Schleifteilchen nicht wirksam benetzt, noch eine ausgesprochene
Affinität zu diesen besitzt. Demzufolge fließt das Bindemittel nicht längs der Oberflächen
der Schleifteilchen und sammelt sich nicht in den winkligen Räumen zwischen den
sich berührenden Spitzen und Ecken der angrenzenden Schleifkörper,- vielmehr bleibt
es in erheblichem Maße dort, wo es während des Verformens untergebracht war, verstopft
die Poren und Räume zwischen den Körnern, wo es kaum eine fördernde Wirkung auf
die Festigkeit des Körpers auszuüben vermag. Obwohl die gleiche Menge an Bindemittel
wie bei der Herstellung der gebundenen Schleifkörper mit der Struktur der Fig. 3
verwendet wird, ist die Festigkeit wesentlich geringer. Nach Fig. 3 hat es den Anschein,
als ob weniger Bindemittel vorhanden ist; dies liegt ohne Zweifel an der besseren
Verteilung, die das Bindemittel erfahren hat, das gleichmäßig die gesamte Oberfläche
der Schleifteilchen überzieht. Des weiteren enthält das Bindemittel in Fig. q eine
beträchtliche Menge an feinem kristallinischem Material 17, so daß es sich nicht
in völlig verglastem Zustand befindet. Wie bereits festgestellt, sind die Poren
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zwischen den Körnchen so mit dem Bindemittel ausgefüllt, daß
die selbsttätige Schleifwirkung und Kühle des Schliffs zum großen Teil verlorengegangen
sind.
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Die Schleifkörper aus gebundener, geschmolzener Tonerde der Erfindung,
in denen das Bindemittel aus Borsilikat mit einem gewissen Gehalt an Lithiumoxyd
besteht und einen hohen Gehalt an Kieselsäure besitzt, weisen eine höhere Lebensdauer
auf, so daß mehr Stücke mit ihnen pro Scheibe geschliffen werden können, im Durchschnitt
2o bis 6o% mehr und selbst bis zu Ioo%, im Vergleich zu Schleifscheiben, die Bindemittel
anderer Zusammensetzung enthalten. Diese längere Lebensdauer beruht auf der hohen
mechanischen Festigkeit des Bindemittels, das vermutlich eine größere Affinität
zu den Oberflächen der geschmolzenen Tonerde besitzt, was wiederum eine Einsparung
an Bindemittel ermöglicht. Die scharfen Schleifkörner werden fest durch eine geringe
Menge Bindemittel zusammengehalten und nutzen sich nur langsam ab, ehe sie von dem
Bindemittel abgeschabt sind. Mehr Porenraum ohne Verlust an Festigkeit ergibt auch
einen glasartig gebundenen Schleifkörper, der anfangs selbsttätig arbeitet und während
seiner Benutzung nur in geringstem Maße ein Abziehen erfordert. Die nach der Erfindung
verbesserte Schleifscheibenstruktur ergibt eine genauere Toleranz und eine bessere
Oberflächenwirkung an den mit den Schleifscheiben bearbeiteten Flächen. Es ist auch
möglich, Schleifscheiben zu erzeugen, die eine so vielseitige Struktur besitzen,
daß die gleiche Scheibe für verschiedene Schleifarbeiten verwendet werden kann und
man nur noch wenige Schleifscheibenmuster braucht.