DK175226B1 - Keramisk materiale, fremgangsmåde til fremstilling deraf og sliberedskab fremstillet deraf - Google Patents

Description

DK 175226 B1

Den foreliggende opfindelse angår et keramisk materiale i form af mindst et slibende korn, en fremgangsmåde til fremstilling af det keramiske materiale indeholdende polykrystallinsk a-aluminiumoxid med høj vægtfylde ved sintring af en tørret aluminiumoxidgel samt et sliberedskab, der omfatter det sli-5 bende korn af det keramiske materiale.

Hårde og stærke slibende kom til brug i slibeskiver, bøjelige, belagte, slibende produkter ("sandpapir") eller som løst slibemiddel fremstilles industrielt af aluminiumoxidholdige råmaterialer, enten ved smeltning i en elektrisk ovn, eller ved brænding af formgivne legemer indeholdende findelt aluminiumoxid 10 ved temperaturer noget under materialets smeltepunkter. En sådan proces ved lavere temperatur kaldes sintring. Den foreliggende opfindelse angår aluminiumholdige slibemidler fremstillet ved sintringsprocessen.

De første sintrede slibemidler fremstillet i storindustriel målestok blev fremstillet ved fremgangsmåden, der er beskrevet i amerikansk patent nr. 3 079 243.

15 Dette patent beskriver formaling af calcineret bauxit til fremstilling af et råmateriale med fin partikelstørrelse, som derpå formes til partikler af slibende kornstørrelse og brændes ved ca. 1500 °C til dannelse af hårde, stærke, seje småkugler af polykrystallinsk aluminiumoxid.

I den seneste tid er der i handelen indført slibende materialer bestående af 20 korn, der udgøres af aluminiumoxid- og magniumoxid-spinel, formodentlig fremstillet efter beskrivelsen i amerikansk.patent nr. 4 314 827 og fremstillet ifølge beskrivelsen til offentliggjort britisk patentansøgning nr. 2 099 012A, offentliggjort den 1. december 1982. Disse materialer fremstilles ved sintring (ved ca. 1400 °C) aftørrede aluminiumoxidgelpartikler. Amerikansk patent nr.

25 3 108 888 beskriver og fremstilling af aluminiumoxidprodukter (eller alumini umoxidholdige produkter) med høj vægtfylde ved brænding af en tørret aluminiumoxidgel fremstillet af α-aluminiumoxid-monohydrat (boehmit) eller ved varm presning af tørrede pulvere fremstillet af sådanne geler.

Industrielle slibemidler af aluminium/magniumoxid-spinel fremstillet af geler 30 indeholder aluminiumoxid i form af celler med fra 5 til 15 mikron i diameter.

I DK 175226 B1 I

I 2 I

I Cellerne udgøres af mange lange aluminiumoxid-arme, der har en diameter I

I på 0,2-0,4 mikrometer (men nogle af dem kan også være så store som 1 mi- I

I krometer i form af meget groft kugleformede klumper), og armene i hver celle I

I synes generelt at udstråle fra centrum i cellen. Alle armene i en given celle er I

I 5 tilsyneladende krystallografisk identisk orienteret. En sådan orientering vises I

I af den omstændighed, at hele en given celles areal udslukkes samtidig ved I

I rotation af en prøve, når den betragtes mellem krydsede polarisatorer i en I

I mikroskop med gennemfaldende lys. I

I De industrielle slibemidler fremstillet af sintrede geler indeholdende alumini- I

I 10 umoxid og magniumoxid er slibemidler af høj kvalitet, men det har ikke været I

I muligt at fremstille aluminiumoxidkorn af høj renhed ved gelmetoden. Dette I

I vises af den relative blødhed og mangel på slibeevne hos kontrollen i ek- I

I sempel 13 i amerikansk patent nr. 4 314 827, som blev fremstillet af en alu- I

I miniumoxidgel uden tilsætning af metaloxid eller metalsalt. I

I 15 I US patent nr. 3 909 991 beskrives en fremgangsmåde til fremstilling af sli- I

I bende korn med høj vægtfylde ved en varmpresningsmetode. Denne frem- I

I gangsmåde indebærer, at udgangsmaterialet, som kan være udvalgt blandt I

I bauxit, α-aluminiumoxid og zirconiumoxid, formales til et pulver med en gen- I

I nemsnitlig partikelstørrelse på under 1 pm. Dette pulver præformes derefter I

I 20 til slibende korn, som blandes med pulverformigt graphit i en sådan mængde, I

I at hvert korn er fuldstændigt omgivet af graphit. Blandingen af korn og I

I graphitpulver udsættes derefter for et tryk på mindst 2000 psi (ca. 138 bar) I

I ved en temperatur på 1200-1600 °C med henblik på at eliminere porøsitet. I

I Efter et vist tidsrum afkøles blandingen, og produktet af varmpressede sli- I

I 25 bende korn skilles fra graphitpulveret. I

I Det ved denne varmpresningsmetode opnåede produkt har imidlertid util- I

I strækkelige slibeegenskaber, idet især kornenes modstandsevne over for slid I

I er for lav til krævende slibeopgaver. Endvidere er det både dyrt og langvarigt I

I at fremstille blot små mængder af produktet. I

3 DK 175226 B1

Formålet med den foreliggende opfindelse er således at tilvejebringe et keramisk materiale i form af mindst et slibende korn, som har forbedrede slibe-egenskaber og en høj modstandsevne over for slid, og som samtidigt kan fremstilles i industriel målestok på en økonomisk fordelagtig måde.

5 Det har overraskende vist sig, at dette formål kan opnås med et materiale af den i krav 1's indledning anførte art, som har en fase af polykrystallinsk a-aluminiumoxid med en partikelstørrelse, der ikke overstiger 0,4 pm. Årsagen til de gode slibeegenskaber af produktet ifølge opfindelsen er formentlig, at slibekornene grundet den lave partikelstørrelse slides på en måde, der er 10 markant anderledes end for tilsvarende produkter med større partikler. Hvor slibekorn med partikler større end 0,4 pm generelt slides ved kløvning af partiklerne langs disses krystalgitterplaner under dannelse af stumpe og sløve partikler, slides slibekorn ifølge opfindelsen med partikler mindre end 0,4 pm formentlig ved afrivning af enkelte partikler, hvorved der efterlades skarpe 15 kanter.

Den foreliggende opfindelse angår således et keramisk materiale i form af mindst et slibende kom, indeholdende en polykrystallinsk fase med høj vægtfylde af submikrone a-aluminiumoxidpartikler af ikke-cellulær struktur som defineret i nærværende skrivelse, og eventuelt et additiv, og med en hårdhed 20 på mindst 14 GPa, med det forbehold, at hårdheden skal være mindst 16 GPa, når materialet ikke indeholder spinel som additiv, hvilket materiale er ejendommeligt ved, at de submikrone a-aluminiumoxidpartikler har en størrelse, der ikke overstiger 0,4 pm.

Opfindelsen angår endvidere en fremgangsmåde til fremstilling af det kera-25 miske materiale indeholdende polykrystallinsk aluminiumoxid med høj vægtfylde ved sintring af en tørret aluminiumoxidgel, hvilken fremgangsmåde er ejendommelig ved, at gelen er blevet behandlet med tilsætning af submikrone α-aluminiumoxidpartikler til gelen eller til et forstadium til gelen.

Opfindelsen angår desuden et sliberedskab fremstillet af det keramiske ma-30 teriale i form af slibende korn i en bundet form.

I DK 175226 B1 I Opfindelsen ligger i den opdagelse, at kontrol med mikrostrukturen i det I brændte produkt, således at den celleformede mikrostruktur af aluminiumoxi- I det i de kendte slibemidler undgås, resulterer i forbedrede produktegenska- I ber. I stedet for cellearealer på 5-10 mikrometer i diameter indeholder det I 5 fremkomne produkt α-aluminiumoxidpartikler (krystallitter) med en størrelse,

der ikke overstiger 0,4 μιτι (fortrinsvis 0,2-0,4 mikrometer). I

Hvor det drejer sig om de højere (f.eks. i nogle tilfælde 5%) MgO- I

tilsætninger, er disse aluminiumoxidpartikler omgivet af en grundmasse af I

I spinel. I

10 Tilpasning af gelen til at opnå den beskrevne virkning kan opnås ved vibre- I

I rende formaling af blandingen i solform eller fortyndet gelform, medens der I

I anvendes aluminiumoxidlegemer som formalingsmedium i møllen. Det anta- I

I ges, at hovedvirkningen af formalingen er at indføre materiale fra aluminium- I

I oxid-formalingsmediet i aluminiumoxidgelen. Også urenheder såsom zink og I

H 15 jern indføres fra rørledninger og tilhørende udstyr. Formaling med zirkondio- I

I xidlegemer er f.eks. ineffektiv til fremstilling af den ønskede i det væsentlige I

ikke-cellulære struktur, dvs. i det væsentlige fri for celler. Med "celler" menes I

her sådanne, der har den samme krystallografiske orientering og er resultatet I

af vækst af den samme krystallinske struktur. Man kan således i en vis grad I

I 20 sige, at der med celler menes enkelte krystaller. I

Den første effektive og reproducerbare metode, der blev fundet ifølge opfin- I

I delsen, var at udvikle sådant materiale i gelen ved vibrerende formaling af I

gelen med aluminiumoxidlegemer. En egnet vibrerende mølle er vist i ameri- I

I kansk patent nr. 3 100 088. Typisk kan mediet være 1,2 cm i diameter og I

I 25 1,2-1,8 cm langt. Karret, som indeholder mediet og blandingen, vibreres i det I

I vandrette plan med en ubalanceret vægt forbundet til akselen i en motor I

I monteret koaksialt med karret, som er monteret på fjedre. Den ubalancerede I

vægt er monteret i umiddelbar nærhed af karrets bundplan, og en anden I

vægt er monteret under den. Motoren drejer typisk med 1200 omdrejninger I

30 pr. minut. Den kombinerede svingning underkaster indholdet en formalings- I

I virkning med formalingsmediet. Den indre overflade af møllen er fortrinsvis I

5 DK 175226 B1 foret, f.eks. med gummi, for at forhindre forurening ved erosion af metalvæggene.

Forskellige additiver som beskrevet i amerikansk patent nr. 4 314 827 og britisk patentansøgning nr. 2 099 012A kan sættes til aluminiumpxidet før eller 5 efter gelering. Det mest nyttige additiv, der kendes i øjeblikket, er ethvert foreneligt forstadium af MgO, idet slutproduktet fortrinsvis indeholder ca. 5%

MgO. MgO findes imidlertid i produktet som spinel (magniumaluminat: MgAI204), men beregnes som MgO i analysen. Det er klart, at mindre mængder MgO kan inkluderes, da aluminiumoxid uden nogen tilsætning er et 10 udmærket slibemiddel i sig selv, når det fremstilles ifølge den foreliggende opfindelse. Den formalede gel ifølge opfindelsen kan tjene som grundmasse for forskellige tilsatte materialer eller slibende partikler.

Den formalede blanding kan blot udhældes eller anbringes i beholdere til tørring og derefter brydes op i stykker af passende størrelse ved knusning, idet 15 materiale af for lille størrelse recirkuleres til begyndelsen af processen. Alternativt kan materialet formes eller støbes til formgivne partikler såsom ved ekstrusion. I tilfælde af ekstrusion vil de dannede stænger senere blive skåret eller brudt itu til stykker af passende størrelse. Den minimale nyttige brændingstemperatur er betydeligt under 1200 °C og betragtes i reglen som om-20 dannelsespunktet til omdannelse af α-aluminiumoxid. Den øvre grænse er ikke af afgørende betydning, når blot smeltetemperaturen ikke nås. En for lang brænding eller en for høj temperatur kan forårsage for megen krystalvækst. Højere temperaturer forøger omkostningerne ved fremgangsmåden; det foretrukne brændingsinterval er 1200-1500 °C.

25 EKSEMPEL 1 I en stor polymer plast-blandebeholder blev 13,6 kg "Condea" SB Pural aluminiumoxid (leveret af Condea) og 136 liter vand blandet. Dette materiale blev så geleret ved tilsætning af 4,1 liter 14 vægt-% HNO3. Magniumnitrat-hydrat (3,4 kg) opløst i 13,7 liter vand blev derefter sat til aJumjniumQxidgelen 30 til dannelse af 5 vægt-% MgO i slutproduktet. Det blev blandet i 15 minutter I DK 175226 B1 I 6

og overført til en Model M451 Sweco mølle og formalet i en time med 765 kg I

aluminiumoxid-medium. Blandingen blev recirkuleret gennem møllen i en én I

I times formalingstid med en hastighed af ca. 18 liter pr. minut. Efter formaling I

I blev den pumpet ind i aluminiumsbakker til en tykkelse af ca. 7,6 cm med I

5 henblik på tørring på elektriske destillationstørrere. I

H Sammensætningen af aluminiumoxid-mediet var ca. 90% α-aluminiumoxid I

med siliciumoxid som største urenhed. I

Der blev fremstillet en række portioner med ovennævnte sammensætning, I

og de blev forenet med henblik på knusning og brænding. I

10 Den tørrede gel blev så valseknust og sigtet gennem en *14 mesh sigte før I

I brænding til dannelse af de ønskede endelige kornstørrelser. Den blev så I

I for-brændt ved 400 °C i 16 timer og brændt ved 1400 °C i 30 minutter i en I

roterovn. I

Efter brænding havde alt produktet en hårdhed på 19 GPa (Vickers indtryk- I

15 ningsapparat, 500 g belastning) og en meget fin mikrostruktur, hvori der ikke I

I var nogen celleformet mikrostruktur, og næsten alt α-aluminiumoxidet var i I

I form af generelt ligeaksede partikler (krystallitter), 0,2-0,4 mikron i diameter, I

med undtagelse af sjældne kvadratiske, blokagtige former med en diameter I

I på ca. 5 mikron. De blokagtige former kan have vist forurening. Ved under-

I 20 søgelse med scanning-elektron-mikroskop sås produktet at være sammen- I

sæt af en spinel-grundmasse og en diskontinuerlig fase af a-aluminiumoxid.

I Til nogle specielle slibningsformål med belagt slibemiddel var materialet bed- I re end smeltet aluminiumoxid-zircondioxid og bedre end industrielt tilgænge-

I ligt slibemiddel af den sintrede geltype med aluminiumoxid-spinel- I

25 sammensætning.

I EKSEMPEL 2 I Pural mikrokrystallinsk boehmit-aluminiumoxid, 22,7 kg, blev blandet med I 225 liter vand og 13,5 liter 14% HNO3 i 10-15 minutter.

7 DK 175226 B1

Halvdelen af gelblandingen blev formalet i 2 timer i Sweco møllen indeholdende 1,2 x 1,2 cm keramisk bundet aluminiumoxid, 88 AI2O3 (hvor hoved-urenhederne er MgO 1,74%, Si02 8,9%, Fe2C>3 0,18%, Ti02 0,2%, CaO 0,8%, Na20 0,34%), der kan fås fra Coors Porcelain Co., og tørret. Dette var 5 det samme medium som anvendt i eksempel 1. Den anden halvdel blev blot tørret uden formaling. De tørrede geler blev knust til ønsket størrelse, forbrændt ved 450 °C i 16 timer og brændt ved 1400 °C i en time.

Det formalede materiale havde en hårdhed på 19,1 GPa, og det uformalede materiale havde en hårdhed på 11,0 GPa.

10 Materiale fra hver parti blev sigtet til dannelse af 50 slibende korn, som blev anvendt til at fremstille belagte slibeskiver med en bagklædning af vulkaniseret fiber. Det formalede materiale var 10% bedre end industrielt aluminium-oxid/zirconoxid-slibemiddel til formaling af 1020 stål (prøven viste en 14% større metalfjernelse).

15 Det uformalede produkt var ringere end smeltet slibemiddel ved alle slibe-prøver, hvilket kunne forventes i betragtning af dets lavere hårdhed.

Den fysiske forskel mellem det formalede og ikke-formalede produkt er således, at det formalede produkt har en microkrystallinsk ikke-cellulær struktur, mens det ikke-formalede har en cellulær struktur 20 EKSEMPEL 3 I et eksempel svarende til det med det formalede produkt i eksempel 1 blev gelen formalet i 0,2 time. Produktet, der blev brændt ved 1400 °C i en time, var hovedsageligt af den fine, tilfældige 0,2-0,3 mm krystalstruktur, men udviste nogen celleformet forekomst.

25 Resultatet er således en blanding af såvel cellulær som ikké-cellulær struktur I DK 175226 B1 I 8 I EKSEMPEL 4-9

Yderligere eksempler blev udført ved en undersøgelse af virkningen af brændingstiden ved 1400 °C. Alle prøver blev fremstillet ved den almene me- tode fra eksempel 1. Der blev anvendt "Condea" mikrokrystallinsk boehmit- H 5 aluminiumoxid, som blev formalet i 2 timer, men efter tørring blev gelerne for- H brændt ved 750 °C i 30 minutter. Efterhånden som brændingstiden blev for- H øget, begyndte der i produktet at forekomme en grov, stangformet krystallisa- H tion af aluminiumoxid, tilfældigt fordelt blandt de fine 0,2-0,4 mikrometer alu- miniumoxidpartikler.

I 10 Resultaterne er anført i nedenstående tabel: H Partikelstørrelse (mikrome- I _ter)_

Brændetid Forhold, I (minutter) Grov_ Fin_% grov/% fin 1 Ingen 0,2-0,3 0 3 1,0-2,0 0,2-0,3 5 I 5 2-5 0,2-0,3 20 10 4-8 0,2-0,3 50 I 30 Op til 8 0,2-0,3 80 60_Op til 8 0,2-0,3_95_

Da tilstedeværelse af den grove fraktion antages at være mindre ønskelig, I skal brændetiden ved 1400 °C ikke være mere end 5 minutter til det foretruk- ne produkt, når materialet for-brændes ved 750 °C i 30 minutter.

15 1 alle tilfælde blev der ikke iagttaget nogen celleformet struktur. Mikrostruktu rerne bestod af de ikke-facetterede submikron-partikler og de facetterede, stangagtige, grove krystaller, undtagen i tilfældet med ét minuts brænding, hvor der ikke blev fundet nogen stænger.

Ved "ikke-facetteret" menes, at ingen regelmæssig facettering af krystallitter-20 ne blev iagttaget i en brudoverflade ved 5.000 ganges forstørrelse med 9 DK 175226 B1 scanning-elektron-mikroskop. Partiklerne af a-aluminiumoxid var i stedet ret formløse, men ligeaksede med generelt krumme omrids og meget få tilsyneladende lige konturer. Ved 20.000 ganges forstørrelse begynder en facetteret struktur at blive synlig.

5 De slibende korn ifølge opfindelsen har en hårdhed, målt med Vickers ind-trykningsapparat, med en 500 g belastning på mindst 16 GPa (90% vægtfylde) for aluminiumoxid uden tilsætninger og mindst 14 GPa for korn, som er modificeret ved tilstedeværelse af 2% eller mere af spineldannere eller er modificeret ved andre additiver. Ren, tung α-aluminiumoxid har en hårdhed 10 på ca. 20-21 GPa, men nogen porøsitet kan være ønskelig til visse anvendelser, hvilket vil nedsætte hårdheden. Når aluminiumoxidet har en hårdhed på 13 GPa eller mindre, er det for porøst til den foreliggende opfindelses formål. Foretrukket er hårdheder på 18 GPa eller mere, målt med Vickers indtrykningsapparat og en belastning på 500 g.

15 EKSEMPEL 10

Der blev fremstillet en række slibemidler med varierende indhold af magniumoxid.

Den almene fremgangsmåde fra eksempel 1 blev anvendt, herunder formalingen (men i 2 timer) med aluminiumoxid-medium. I alle tilfælde blev gelerne 20 efter tørring ved 200 °G i ca. 30 timer knust og sigtet og derefter calcineret ved 450 °C i 16 timer. De fremkomne partikler af slibekornsstørrelse blev brændt i en roterende ovn ved 1400 °C. Opvarmningstiden til 1400 °C var ca.

15 minutter, og tiden ved 1400 °C var ca. 15 minutter.

Forskellige mængder magniumnitrat blev tilsat før geleringen. I ét forsøg blev 25 der ikke tilsat magniumnitrat. MgO-indholdet og hårdheden af slibemidlerne var som følger:

I DK 175226 B1 I

I 10 I

I Hårdhed (Vickers, 500 g be- I

I Forsøg nr. MgO-indhold (vægt-%) lastning)_ I

I 9498 0,14 19,9 I

I 9499 2,50 19 . I

I 9500 7,95 19 I

I 9502_1271_19_ - I

I I en række forsøg med forglassede (glasbundne) slibeskiver under anvéndel- I

I se af 54 korn (en kombination af kornstørrelserne 46 og 60) blev slibeskiver I

I fremstillet med de ovennævnte korn sammenlignet med det bedste kendte I

5 smeltede aluminiumoxidslibemiddel (sulfidproces-slibemiddel). I

I Forsøgene blev udført ved at slibe riller i værktøjsstål (D3) ved forskellige I

I regulerede nedslibninger. Ved tør slibning og nedslibning på 0,0013 cm hav- I

I de slibemidlet, der ikke indeholdt noget tilsat MgO (0,14% MgO), et forma- I

I lingsforhold, der var 16,18 gange formalingsforholdet for det smeltede slibe- I

I 10 middel (formalingsforholdet er det volumetriske forhold mellem fjernet mate- I

I riale og sliddet på slibeskiven). Alle MgO-tilsætningerne resulterede i bedre I

I virkning sammenlignet med det smeltede slibemiddel ved tørre slibeprøver. I

I Ved de våde slibeprøver var de eksperimentelle slibemidler med tilsat MgO I

I dårligere end eller lig med det smeltede slibemiddel. Ved 0,005 cm var sli- I

I 15 bemidlet uden magniumoxid-tilsætning bedre end det smeltede. I

I Ved prøver med belagt slibemiddel under anvendelse af slibemidlet med I

I kornstørrelsen 50 (CAMI standard) virkede et slibemiddel fremstillet ifølge I

I eksempel 10 og indeholdende 0,6% MgO, inkorporeret i bøjelige slibeskiver, I

I bedre (136%) end et sammensmeltet aluminiumoxid/zircondioxid-slibemiddel I

I 20 på 1020 stål og næsten ækvivalent med smeltet aluminiumoxid/zircondioxid I

I på rustfrit stål. Slibemidlerne indeholdende 2,5% MgO og 7,59% MgO var I

også bedre på 1020 stål. Den højere MgO-tilsætning var mindre effektiv på I

rustfrit stål. I

Slibemidlet med 0,14% MgO indeholdt foruden aluminiumoxidet: 0,25% Si02, I

25 0,18% Fe203, 0,28% Ti02, 0,05% CaO og 0,04% Na20, formodentlig i ho- I

DK 175226 B1 11 vedsagen indført ved formalingen. Lignende mængder af disse urenheder var til stede i de andre slibemidler.

Ovenstående indikerer således en sammenhæng mellem MgO-indholdets betydning for slibeegenskaberne i relation til det valgte stål.

5 Opfindelsen er ikke bundet til nogen speciel teori, men det antages, at indføringen fra aluminiumoxid-mediet af partikelformet stof kan bevirke podning af krystallisationen af a-aluminiumoxid under brændingen. Desuden kan de andre urenheder indført i formalingstrinnet hæmme krystalvækst i det færdige produkt ved deres tilstedeværelse ved korngrænser mellem a-10 aluminiumoxid-partiklerne.

Som bevis for, at det er affaldet fra formalingsmediet, der er effektivt til at tilpasse gelen, således at den frembringer det ønskede fint krystallinske, ik-ke-celleformede α-aluminiumoxid med høj vægtfylde ved brænding ved ca.

1400 °C, blev der foretaget tilsætning af formalet vand til aluminiumoxidmo-15 nohydrat sammen med syre uden formaling af gelen.

Vand, salpetersyre og mikrokrystallinsk boehmit blev blandet som i eksempel 2, med undtagelse af, at der blev fremstillet seks partier med varierende tilsætning af vand indeholdende affald afslidt fra aluminiumoxid-forma-lingsmediet og derefter formalet i flere timer med vand (ingen anden tilsæt-20 ning til vandet).

25

I DK 175226 B1 I

I 12 I

I Tilsætning af "formalet vand" til aluminiumoxid-monohydrat ("Condea"): I

I Vægtforhold mellem formalingsaf- Vægt-% affald i I

I Forsøg fald og aluminiumoxid-monohydrat brændt produkt x) Hårdhed I

I _nr._(GPa) I

I 1 0,0074 1,07 20+ I

I 2 0,0037 0,53 20 I

I 3 0,0019 0,27 19+ I

I 4 0,00075 0,11 17 I

I 5 xx) 0,00038 0,05 15 I

I 6 xx)_0_0_12,5 I

I Noter I

x) Under antagelse af et gennemsnitstab ved brænding på 30%. I

I 5 xx) Ikke ifølge opfindelsen. I

I Hårdheden blev bestemt på det brændte produkt, der var brændt ved 1400 I

I °C ± i ca. 10 minutter. Ovnen var elektrisk opvarmet, og atmosfæren var luft. I

I Undersøgelse af det formalede affald viste, at det var for det meste α- I

I aluminiumoxid med et overfladeareal på ca. 39 m2 per g. I

I 10 Aluminiumoxid med høj renhed, fremstillet ved udvinding af de fine suspen- I

I derede aluminiumoxid-partikler, der er tilbage i suspensionen, når meget fine I

I aluminiumoxidpulvere får lov at udfælde efter at være blandet med vand, er I

I også effektivt, når det anvendes i en mængde på ca. 0.1 % af de brændte fast I

I stoffer fra gelen. I

I 15 Forsøg med industrielle fine α-aluminiumoxidpulvere og forsøg med fint alu- I

I miniumoxid, udviklet ved formaling af smeltet aluminiumoxid af meget høj I

I renhed under anvendelse af aluminiumoxid selv som formalingsmedium vi- I

I ste, at de var meget effektive til at frembringe det tunge fint krystallinske pro- I

I dukt ifølge opfindelsen. I

13 DK 175226 B1

Differentialtermisk analyse har vist, at når a-aluminiumoxid-podepartiklerne er til stede, sker overgangen af gel-aluminiumoxidet fra formodentlig y-formen til α-formen ved ca. 1090 °C, medens overgangen i fravær af sådant podemateriale finder sted ved ca. 1190 °C. Den teoretiske minimale bræn-5 dingstemperatur for produkterne ifølge opfindelsen kan således være under den sædvanligt nævnte overgangstemperatur.

Den foreliggende opfindelse muliggør for første gang fremstilling af lavtemperatur-sintring af ot-aluminiumoxid-legemer af høj renhed, der har en submi-kron partikelstørrelse og en vægtfylde større end 95%, som resulterer i en 10 hårdhed større end 18 GPa. Andre produkter end slibemiddel, såsom belægninger, tynde film, fibre, stænger eller små formede dele, kan fremstilles ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen.

Kornvækstinhibitorer, såsom Si02, Cr203, MgO og Zr02, er blevet sat til den konditionerede gel. I disse forsøg, hvor MgO blev tilsat, var der reaktion med 15 a-aluminiumoxidet, og spinel blev dannet og blev iagttaget som omgivende det resterende ikke-reagerede a-aluminiumoxid. Det blev antaget, at med de andre additiver var blandingsdannelse med α-aluminiumoxidet minimal, og de forblev i krystalgrænserne. De udførte forsøg viser klart, at krystalvæksten ved diffusion og rekrystallisation blev undertrykt af additiverne. Dette har 20 værdi ved at muliggøre større fleksibilitet i forholdet mellem tid og temperatur til de sintrede produkter. Brugen af vækstinhibitorerne er velkendt inden for den keramiske teknologi og er ikke en nødvendig del af opfindelsen, men er meget nyttig til at vedligeholde den ønskede mikrostruktur inden for et bredt interval af sintringstid og temperatur, og hvor den høje renhed af a-25 aluminiumoxid ikke er et krav.

EKSEMPEL 11 fsammenlioninosforsøol

Et keramisk materiale bestående af fintkornede a-alu_miniumoxidpartikler blev fremstillet under anvendelse af den i US 3 909 991 beskrevne varmpresningsmetode.

I DK 175226 B1 I

I 14 I

I 30 g aluminiumoxidpulver af mærket Ucar A fra Union Carbide (99,98% I

I AI2O3; kornstørrelse: 0,3 pm) blev underkastet 20 minutters ultralydsbehand- I

I ling i 75 ml vandfrit isopropanol. Derefter blev isopropanolet fuldstændigt I

I dampet af under vacuum i løbet af 40 timer til dannelse af et tørt aluminium- I

I 5 oxidpulver. Det tørrede aluminiumoxidpulver blev under heliumatmosfære I

I fyldt i en graphitpresse, som blev lukket i begge ender med graphitplader. · I

I Aluminiumpulveret blev først pålagt et tryk på 2000 psi, medens der i 24 ti- I

I mer blev evakueret til et vacuum på 100 mTorr. Derefter blev temperaturen I

I hævet til 800 °C med hastighed på 12 °C/min og holdt på denne temperatur i I

I 10 12 minutter. I løbet af tre minutter blev trykket derefter forøget til 6140 psi, I

I hvorefter temperaturen blev hævet til 1300 °C med en hastighed på 36 I

I °C/min og holdt på denne temperatur i 5 timer. Til sidst blev trykket taget af i I

I løbet af tre minutter, og produktet afkølet til 1100 °C med en hastighed på 12 I

I °C/min, efterfulgt af naturlig afkøling til omgivelsestemperatur. I

I 15 Det resulterende varmpressede aluminiumoxidprodukt havde en vægtfylde I

I på 3.81 g/cm3, en middelpartikelstørrelse på 0.84 μιτι og en Vickers hårdhed I

I på 18,6 GPa. I

I I figur 1 er partikelstørrelsesfordelingen for det opnåede produkt (benævnt I

I HP AI2O3) vist sammen med partikelstørrelsesfordelingen for et kommercielt I

I 20 aluminiumoxidprodukt ifølge opfindelsen (benævnt SG AI2O3) fremstillet ved I

I den i beskrivelsen anførte sol-gel metode. Det fremgår af figuren, at under I

I 15% af partiklerne i HP AI2O3 produktet har en partikelstørrelse på 0,4 pm I

I eller mindre, medens alle partiklerne i SG AI2O3 produktet har en størrelse, I

I der ikke overstiger 0,4 pm. I

I 25 Med henblik på at sammenligne slibeegenskaberne af det i nærværende ek- I

I sempel fremstillede materiale med det kommercielle produkt ifølge opfindel- I

I sen blev begge materialer underkastet den såkaldte "scratch disc"-test. I

I Denne gennemføres ved at påføre et enkelt slibekorn på et slibehjul, og brin- I

I 30 ge slibekornet i berøring med et fladt arbejdsemne i form af en plade af I

15 DK 175226 B1 52100 stål (jf. arbejdsopstillingen på figur 2). Slibehjulet bringes i rotation, således at kornet bevæger sig med en lineær hastighed på 30 m/s, og arbejdsemnet fremføres under slibehjulet med en hastighed på 16,5 mm/s, hvorved slibekornet skærer en ridse i arbejdsemnet. Ved at sammenligne 5 tværsnitsarealet af ridsen hidrørende fra den første skæring med tværsnitsarealet af ridsen efter et fastsat antal skæringer opnås en bestemmelse af den mængde af slibekornet, som slides væk, og dermed en bestemmelse af slibekornets modstandsevne over for slid.

Resultatet af denne test udført på et slibekorn af henholdsvis et kommercielt 10 materiale ifølge opfindelsen og det ifølge nærværende eksempel fremstillede materiale er vist på figur 3. Det fremgår umiddelbart af denne figur, at materialet ifølge opfindelsen har betydeligt bedre modstandsevne over for slid end det varmpressede aluminiumoxid, som er fremstillet i overensstemmelse med den i US 3 909 991 beskrevne metode.

15

Claims (17)

1. Keramisk materiale i form af mindst et slibende korn, indeholdende en po- I I 5 lykrystallinsk fase med høj vægtfylde af submikrone a-aluminiumoxidpartikler I I af ikke-cellulær struktur som defineret i beskrivelsen, og eventuelt et additiv, I I og med en hårdhed på mindst 14 GPa, med det forbehold, at hårdheden skal I I være mindst 16 GPa, når materialet ikke indeholder spinel som additiv, I I kendetegnet ved, at de submikrone α-aluminiumoxidpartikler har en I I 10 størrelse, der ikke overstiger 0,4 mikron. I

2. Keramisk materiale ifølge krav 1,kendetegnet ved, at I I kornene har en hårdhed på mindst 18 GPa. I

3. Keramisk materiale ifølge krav 1 eller 2, kendetegnet I I ved, at det indeholder et dermed foreneligt additiv. I I 15

4. Keramisk materiale ifølge krav 3, kendetegnet ved, at I I additivet er magnesiumoxid, der er til stede som spinel. I

5. Keramisk materiale ifølge et af de foregående krav, kende- I I tegnet ved, at det indeholder facetterede, stangagtige grove kry- I I staller af aluminiumoxid tilfældigt fordelt blandt de submikrone partikler. I 20

6. Keramisk materiale ifølge et af de foregående krav, kende- I I tegnet ved, at det indeholder urenheder. I

7. Keramisk materiale ifølge krav 6, kendetegnet ved, at I I urenhederne indbefatter zink og/eller jern. I

8. Keramisk materiale ifølge et af de foregående krav, kende- I I 25 t e g n e t ved, at det har en vægtfylde, som er mindst 90% af den teo- I I retiske vægtfylde af α-aluminiumoxid. I 17 DK 175226 B1

9. Keramisk materiale ifølge krav 8, kendetegnet ved, at vægtfylden er mindst 95% af den teoretiske vægtfylde af a-aluminiumoxid.

10. Fremgangsmåde til fremstilling af et keramisk materiale ifølge krav 1-9, indeholdende polykrystallinsk α-aluminiumoxid med høj vægtfylde ved sint- 5 ring af en tørret aluminiumoxidgel, kendetegnet ved, at gelen er blevet behandlet ved tilsætning af submikrone a-aluminiumoxid-partikler til gelen eller til et forstadium til gelen.

11. Fremgangsmåde ifølge krav 10, kendetegnet ved, at gelen eller en sol anvendt til fremstilling åf gelen formales under anvendelse 10 af a-aluminiumoxidlegemer som formalingsmedium i møllen.

12. Fremgangsmåde ifølge krav 10, kendetegnet ved, at gelen behandles ved tilsætning af vand formalet med a-aluminiumoxidlegemer som formalingsmedium.

13. Fremgangsmåde ifølge krav 10-12, kendetegnet ved, 15 at gelen omfatter en vandig dispersion af submikrone hydratiserede alumini- umoxidpartikler.

14. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 10-12, k e n - d e t e g n e t ved, at man knuser den tørrede gel før eller efter sintring til dannelse af slibende korn.

15. Sliberedskab fremstillet af bundne keramiske materialer i form af slibende . korn ifølge et hvilket som helst af kravene 1-9.

16. Sliberedskab ifølge krav 15 i form af en bøjelig bagklædning med keramiske materialer i form af slibende korn ifølge et hvilket som helst af kravene 1- 9.

17. Sliberedskab ifølge krav 16 i form af en slibeskive indeholdende kerami ske materialer i form af slibende korn ifølge et hvilket som helst af kravene 1- 9.