WO2001021547A1 - A12O3/SiC-NANOKOMPOSIT-SCHLEIFKÖRNER, VERFAHREN ZU IHRER HERSTELLUNG SOWIE IHRE VERWENDUNG - Google Patents

A12O3/SiC-NANOKOMPOSIT-SCHLEIFKÖRNER, VERFAHREN ZU IHRER HERSTELLUNG SOWIE IHRE VERWENDUNG Download PDF

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WO2001021547A1
WO2001021547A1 PCT/EP2000/009230 EP0009230W WO0121547A1 WO 2001021547 A1 WO2001021547 A1 WO 2001021547A1 EP 0009230 W EP0009230 W EP 0009230W WO 0121547 A1 WO0121547 A1 WO 0121547A1
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sic
abrasive grains
sintering
grinding
grain
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PCT/EP2000/009230
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Paul Möltgen
Pirmin Wilhelm
Anne Louise Ghislaine LERICHE
Christine Marie Renée KERMEL-KIM
Georg Gottschamel
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Treibacher Schleifmittel Gmbh
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    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K3/00—Materials not provided for elsewhere
    • C09K3/14—Anti-slip materials; Abrasives
    • C09K3/1409—Abrasive particles per se
    • C09K3/1418—Abrasive particles per se obtained by division of a mass agglomerated by sintering
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/01—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics
    • C04B35/10—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on oxide ceramics based on aluminium oxide
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    • C04B35/117—Composites
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    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/624—Sol-gel processing

Definitions

  • the present invention relates to sintered Al 2 0 3 / SiC nanocomposite abrasive grains according to the preamble of claim 11, a process for their production according to the preamble of claim 1 and their use as an abrasive.
  • Abrasive grains based on Al 2 0 3 are processed industrially in large quantities into abrasives due to their high hardness, chemical inertness and high temperature resistance.
  • sintered corundum which is obtained by a ceramic or chemical route, is increasingly being used for certain areas of application.
  • the technical advantage of sintered corundum is due to its microcrystalline structure, which in turn leads to a special wear mechanism for the abrasive grain during the grinding process.
  • the removal rates can be significantly increased with the use of sintered corundum. 1
  • the microcrystalline sintered corundum grain is much more wear-resistant than the macrocrystalline fused corundum.
  • smaller areas break out of the grain, which creates new cutting edges, which in turn intervene in the grinding process.
  • Such self-sharpening of the grain does not take place in the case of macrocrystalline fused corundum, since here the cracks that arise during the grinding process due to the mechanical stress on the grain can no longer be deflected, but continue along the crystal planes through the entire grain and thus lead to destruction of the abrasive grain.
  • microcrystalline sintered abrasive grains When using microcrystalline sintered abrasive grains, the trend can be observed in many applications that the abrasive grain, with comparable hardness and density, behaves more favorably in the grinding process, the finer the structure.
  • Particularly fine microstructures can be obtained using the sol-gel method, in which, for example, finely dispersed aluminum oxide monohydrate of the boehmite type is used, which - after it has been colloidally dissolved - is processed into the gel, which is then dried, calcined and sintered is processed into a compact and dense ⁇ -Al 2 0 3 interbody. It is then processed into abrasive grain.
  • the advantage of the sol-gel process for the production of microcrystalline corundums is that very fine and reactive starting materials are used and the resulting green bodies at relatively low sintering temperatures 5 can be compressed, which favors the formation of a fine structure.
  • EP-B-0 152 768 describes microcrystalline corundums which are produced by the sol-gel technique with the addition of species-specific crystallization nuclei at sintering temperatures of approximately 1400 ° C. and whose primary crystallites have a diameter of predominantly or completely smaller Have 1 ⁇ m.
  • EP-B-0 408 771 Due to the low sintering temperatures and the addition of crystallization nuclei, crystal growth can be severely restricted during the sintering process. Even finer structures with high density and hardness are described in EP-B-0 408 771. According to EP-B-0 408 771, corundum abrasive grains with an average crystallite size ⁇ 0.2 ⁇ m are also produced using the sol-gel technique with the addition of particularly fine particles
  • Crystallization nuclei and obtained in compliance with a special temperature and sintering program in which the temperature range between 900 and 1100 ° C pass in less than 90 seconds, the material then only briefly brought to a maximum temperature that should not exceed 1300 ° C, and then below this maximum temperature in the range between 1000 and 1300 ° C is densely sintered.
  • the temperature program is selected so that a high degree of compaction is made possible without the resulting sintered body or its precursor being exposed to temperatures that are too long, which would favor crystal growth.
  • sintering additives that hinder crystal growth or accelerate the sintering process and thus indirectly limit the formation of larger crystals.
  • EP-B-0 024 099 describes the addition of sperms or precursors which are converted to spinels in the course of the production process
  • EP-B-0 200 487 describes the use of ⁇ -Fe 2 0 3 crystallization nuclei in combination with at least one modifying component from the group of the oxides of magnesium, zinc, cobalt, nickel, zircon, hafnium, chromium and / or titanium
  • EP-B-0 373 765 describes - likewise in combination with ⁇ -Fe 2 0 3 -Ke ⁇ men - ytt
  • A1 2 0 3 sintered grinding machines can also be explained by the fact that grinding itself is an extremely diverse process, in which both the material, the machined tet, and the processing conditions (contact pressure, cooling or the like) can be largely varied.
  • a wide variety of materials (different types of steel, alloys and metals, plastics, wood, stone, ceramics, etc.) are processed under a wide variety of conditions depending on the objective (surface material, material removal, etc.).
  • the requirements placed on the abrasive grain to be used are correspondingly different, so that the usability and performance of an abrasive grain for a specific grinding process cannot be characterized solely by sizes such as hardness, density and crystallite structure.
  • other criteria such as chemical inertness, thermal conductivity, resistance to oxidation and temperature, toughness etc. also play an important role.
  • Another variable in the grinding process are the bond and the specification of the abrasive, which can also be varied further by adding additives (grinding aids, pore formers, etc.).
  • EP-A-0 228 856 describes the addition of yttrium which - e.g. B. in the form of an yttrium salt with a slightly volatile anion (nitrate, fc>
  • Aluminum monohydrate dispersion is added and during sintering with the aluminum oxide to form the yttrium-aluminum garnet (3Y 2 0 3 -5A1 2 0 3 ).
  • This material has particular advantages when machining stainless steel, titanium, nickel alloys, aluminum and other difficult-to-machine alloys, but also with simple structural steel.
  • the incorporation of garnet crystals gives the abrasive grain a special wear resistance for these applications, which is then reflected in a high stock removal rate.
  • Y 2 0 3 or its precursors the addition of crystallization nuclei and / or other sintering additives is described.
  • EP-B-0 293 164 also describes the addition of rare earths from the group praseodymium, samarium, ytterbium, neodymium, lanthanum, gadolinium, cerium, dysprosium, erbium and / or combinations of several from this group.
  • the rare earths form with A1 2 0 3 hexagonal aluminates, which, as inclusions in the Al 2 0 3 matrix, obviously increase the wear resistance of the abrasive grain.
  • EP-B-0 368 837 describes abrasive grains whose toughness is increased by the formation of whisker-like crystals, which are obtained by adding cerium compounds. Here too, increased toughness is achieved by strengthening the structure.
  • Composites are also obtained via the sol-gel method, which are described in DE-A-196 07 709 and differ from the abovementioned compounds in that, in addition to the Al 2 0 3 matrix, there are at least two additional discontinuous structural components which differ from each other in the average particle size by at least a factor of 10.
  • EP-B-0 4 91 184 composites are based described by A1 2 0 3 , the inclusions of isometric hard materials, which are at least 10 times larger than the primary crystals from which the matrix is constructed.
  • the abrasives In general, the abrasives or
  • corundum is one of the so-called conventional abrasives, which have been known for a relatively long time and are inexpensive to manufacture and use in large quantities.
  • the so-called superabrasives such as diamond and cubic boron nitride, are more and more common in recent times. Their production costs are a thousand to ten thousand times higher than the production costs for conventional abrasive grains, but due to their high performance and the associated reduced machine downtimes and the low consumption of abrasives themselves or the increase in the number of pieces per unit of time and abrasive body for many grinding operations offer an extremely favorable price / performance ratio.
  • One of the main objectives when developing new abrasive grains is therefore to obtain an abrasive grain that can be used on conventional machines, but is in the level of performance between conventional abrasives and superabrasives.
  • the sol-gel corundum is clearly closer to the conventional abrasive grain types not only because of the manufacturing costs, but also in terms of performance and is therefore more suitable for replacing the conventional corundum types in grinding operations that do not justify the use of super abrasives.
  • the object of the present invention is therefore to provide abrasive grains with an even better performance potential compared to the abovementioned prior art, and to provide a process for their production.
  • This object is achieved according to the invention by the features of claim 11 and claim 1.
  • the subclaims relate to advantageous embodiments of the invention.
  • Claim 20 relates to an appropriate use of the abrasive grains according to the invention.
  • nanocomposite which found its way into ceramics about 10 years ago, means systems that consist of at least two different types There are 3 fixed phases, of which at least one
  • Phase has particle sizes in the nanometer range.
  • Al 2 0 3 / S ⁇ C- Kompos ⁇ te in which SiC particles are incorporated for reinforcement in an Al 2 0 Matr ⁇ x are described in EP-B-0,311,289 and, for example, provided as a structural ceramic for use in the engine or turbine ,
  • the diameter of the SiC particles, the proportion of which in the composite is between 2 and 10 mol%, should be less than 0.5 ⁇ m, while the Al 2 O 3 particles should not exceed 5 ⁇ m.
  • These materials, in which the SiC particles are dispersed in the Al 2 0 3 particles are distinguished by an extraordinarily high resistance to wear and toughness and, owing to their good high-temperature properties, can be used as structural ceramics in engine construction.
  • example B 4 C which is often cited in specialist circles, shows that as an abrasive grain despite its high hardness, because of its 44 insufficient chemical and thermal resistance and its high brittleness has never found any significant use as an abrasive, a sum of properties must be considered in order to determine its suitability as an abrasive.
  • Other hard materials which rank between the conventional abrasives and the superabrasives, have not been able to establish themselves as abrasive grains either because they lack additional properties such as toughness, thermal and chemical stability or other requirements that are important for the grinding process.
  • the nanocomposite materials described in the literature which have certain properties required for the grinding process, have so far not been successfully used as abrasive grain.
  • Fig. 1 single grain scratch test
  • the test facility is a retrofitted surface grinding machine, on which a scoring disc is mounted on the grinding wheel instead of the grinding wheel.
  • the scoring disc which for practical reasons is made of a relatively light and easy-to-work material (e.g. aluminum), has a holder on the circumference into which a carrier with a soldered abrasive grain is inserted.
  • the circumference of the disc protrudes with every revolution a scratch mark in the workpiece.
  • the scoring depth and the scoring cross-section decrease due to the grain wear until the grain tip is worn out by the infeed amount in the y direction and no longer leaves a trace.
  • the scratch marks can be scanned with a surface measuring device and then evaluated. The measuring principle is shown in Figures 1 and 2 and is explained below using the reference numbers.
  • Figure 1 shows the basic structure of the test stand with the scoring disc (1) and the scoring grain (2), the movable axes (3, 4, 5) in the x, y and z directions, the workpiece (6), the Machine table (7) and the grinding headstock (8).
  • standard conditions for the cutting speed v c , the workpiece speed v w and the infeed a e which are adapted to the grinding operation for which the grinding grain is to be used later, must be defined.
  • materials and the use of cooling lubricant (9) must be specified.
  • the evaluation principle can be seen on the basis of the curves given as an example for different types of abrasive grain (Fig. 2), in which the change in the scratch cross section A R ⁇ / A RO is plotted against the scratch length I R.
  • a R0 is the scratch cross-section at the first intervention and
  • a Rn the scratch cross-section after n mm scratch length.
  • the power factor LF 25 for the single grain results from the intersection of the characteristic curve for the individual grain type with the ordinate after 25 mm scratch length and corresponds to the change in the scratch cross section A R o / A R25 .
  • the single-grain scratch test thus allows - in good agreement with the results in practice - an assessment of the suitability of an abrasive grain, in which all parameters relevant to the grinding process such as hardness, toughness, density, strength,
  • certain minimum requirements must be met in order for a material to be considered as an abrasive grain at all.
  • a material whose hardness is well below the usual hardness for abrasives would never be suitable for grinding, even if all other properties were outstanding.
  • the production of the abrasive grains according to the invention is carried out wet-chemically a direct sol-gel path using crystallization nuclei.
  • Xu, Nakahira and Niihara describe in their article in the Journal of the Ceramic Society of Japan, 1994, 102, 312-315 the use of sol-gel technology in the production of Al 2 0 3 / SiC nanocomposites.
  • an Al 2 0 3 sol is first produced in the usual way.
  • the solids component for the aluminum oxide-containing sol is advantageously finely dispersed Boeh-mit type aluminum oxide monohydrate, aluminum alkoxides, aluminum halides and / or aluminum nitrate, which are dispersed using a disperser, a powerful stirrer or using ultrasound.
  • the solids content of the suspension is preferably between 5 and 60% by weight.
  • This suspension becomes ⁇ then, also preferably in the form of a suspension, in order to achieve the most homogeneous possible distribution, between 0.1 and ⁇ 5 mol%, preferably in the range 0.3 and 2.5 mol%, based on the aluminum content of the Mixture, calculated as A1 2 0 3 , nanoscale SiC added. It is of course also possible to stir SiC as a solid into the specified suspension. As the examples in Table 3 show, particularly good results are achieved with comparatively small amounts of SiC. As
  • SiC-based are finely ground SiC powder, which was obtained via the Acheson process, or also nanopowder, which are produced in the gas phase by thermal or laser-assisted gas phase reactions or various plasma processes.
  • Ball growth inhibitors and / or other modifying components are added. All known sintering additives for Al 2 0 3 are particularly suitable for this, for example the bubbling oxides of Co, Mg, Ni and Zn, the oxides of Ce, Cu, B,
  • the Al 2 0 3 sol is preferably mixed with an aqueous suspension of finely ground ⁇ -A1 2 0 3 before the SiC addition.
  • the maximum particle size of the ⁇ -Al 2 0 3 particles, which serve as nuclei, is less than 1 ⁇ m, preferably less than 0.2 ⁇ m.
  • the amount of the seed material to be used depends on the particle size and is between 0.5 and 10% by weight, based on the Al 2 O 3 content in the end product. Since, in addition to the fineness, it depends on the number of germs, with very large fineness even small quantities of germs are sufficient to promote the sintering process.
  • the finished suspension is then heated to boiling and advantageously gelled with the addition of acid. Again, it is possible to use any other known type of gelation (aging, addition of electrolyte, temperature increase, concentration of the suspension or the like).
  • the gel is dried (after cooling) in a temperature range between 50 ° C and 120 ° C. This is followed by a calcination in a temperature range between 500 ° C and 800 ° C in order to evaporate the remaining water and the acid. After calcination, the composites are available as green bodies with diameters of up to several millimeters, which are then sintered.
  • the advantages of direct compaction lie in the particularly high sintering activity of the dried and calcined green bodies, in which the starting materials are already chemically bonded to one another and thus the compaction and consolidation to the finished composite is much more effective and cheaper.
  • the process and thus the product quality can be further improved by the additional use of sintering additives or crystallization nuclei.
  • the calcined gel is preferably sintered at temperatures between 1300 ° C. and 1600 ° C., preferably under inert conditions (for example nitrogen atmosphere) and particularly advantageously in a gas-tight rotary kiln, in order to achieve the fastest possible heating of the product and a short sintering time has a particularly favorable effect on the structure and thus on the performance of the abrasive grain.
  • any other known type of furnace can be used, which allows fast heating rates and high temperatures. Since the sintering takes place very quickly, even processing under vacuum or in an oxidizing atmosphere is possible, since the majority of the SiC nanoparticles are embedded in the matrix and are therefore protected against oxidation.
  • the crushing to the desired grain size can take place before or after the sintering with the usual crushing units. It is advantageous to prepare the calcined gel in the green state since, after sintering, considerably more energy has to be used to comminute the then dense and hard composite material.
  • the nanoscale SiC acts as a stall growth inhibitor for the Al 2 0 3 matrix, but at the same time delays the compaction of the green body, so that comparatively high sintering temperatures have to be used - compared to a sol-gel material based on pure aluminum oxide. to achieve sufficient compaction of the material, which can lead to a not inconsiderable crystal growth.
  • Large crystallites appear increasingly at around 1400 ° C. This phenomenon is described in U.S. Patent 4,623,364. There, the undesirable appearance of coarse crystals in an otherwise fine matrix is attributed to impurities.
  • the aim here is a fine-crystalline matrix with as few coarse fractions as possible, as is also disclosed in the patents cited at the beginning and corresponds to the prior art.
  • the grinding performance of the nanocomposite abrasive grain according to the invention is particularly high when a certain proportion of coarse crystals with lengths of up to 20 ⁇ m and an average diameter> 2 ⁇ m, preferably> 5 ⁇ m, is present in the matrix.
  • the removal rate is significantly higher than the finely structured, pure sol-gel-Al 2 0 abrasive grains, whose average crystallite size is usually 0.2-0.3 ⁇ m and for which all crystals are in the submicron range, preferably in the range below 0.4 ⁇ m.
  • the performance curve of the Al 2 0 3 / SiC nanocomposites has a non-linear Course with a maximum at a sintering temperature between 1400 ° C - 1450 ° C. In this temperature range, the first coarse-crystalline and columnar crystals appear in the matrix with a holding time of 30 minutes.
  • Crystals preferably have an elongated shape with a length to width ratio between 2: 1 and 10: 1, particularly preferably between 4: 1 and 6: 1.
  • Typical images of the matrix with the coarse crystalline inclusions are as electron microscopic
  • the coarse crystallites in the nanocomposites result in a kind of structure reinforcement that has a positive effect on the wear behavior of the grain, and not only compensate for the expected reduction in performance due to the grain growth, but also help - in combination with the embedded nano-SiC particles - to do this Abrasive grain even leads to a significant increase in performance.
  • the SiC particles in the nanocomposite according to the invention can either intragranularly, in the Al 2 O 3 matrix particles, or intergranularly, on the
  • Grain boundaries between the Al 2 0 3 particles may be arranged, it being observed that the smaller particles are preferably built in intragranularly. What influence does the type of storage of the SiC Particles that have grinding performance are the subject of further investigations and can only be considered speculatively at the moment.
  • Suspension B is added to the boehmite sol (suspension A) with stirring and the pH of the mixture is adjusted to 1.8 using nitric acid. The mixture is then heated to 95 ° C. with constant stirring and the gelatin 15 tion is initiated by the dropwise addition of further nitric acid. After cooling, the gel is dried in a drying cabinet at 85 ° C. The dried gel is pre-shredded to a particle size smaller than 5 mm and then calcined at approx. 500 ° C.
  • Example 1-6 only the sintering temperatures were varied. Table 1 shows the measured hardness values, performance factors and crystallite structure depending on the sintering conditions.
  • the pH of the mixture is adjusted to 1.8 using nitric acid.
  • the mixture is then heated to 95 ° C. with constant stirring and the gelation is initiated by the dropwise addition of further nitric acid.
  • the gel is dried in a drying cabinet at 85 ° C.
  • the dried gel is pre-shredded to a particle size of less than 5 mm and then calcined at approx. 500 ° C.
  • Table 2 shows the measured hardness values, performance factors and crystallite structure depending on the sintering conditions.
  • Example 12 was prepared analogously to Examples 1-6. However, 75 g of nanoscale SiC UF45 were used.
  • Example 12 The preparation was carried out analogously to Example 12. Instead of 75 g, 150 g of nanoscale SiC UF45 were 13 set. Table 3 shows the performance factors as a function of the SiC concentration.
  • Example 14 was prepared analogously to example 4. Instead of SiC UF45, the somewhat coarser SiC UF25 (from H.C. Starck) was used. Sintering was carried out at a temperature of 1400 ° C in a nitrogen atmosphere. The heating rate was 60 ° C per minute and the holding time was 30 minutes.
  • Example 15 was prepared analogously to example 14. Instead of SiC UF25, the coarser SiC UF15 (from HC Starck) was used. Comparative Example 16
  • Example 16 was prepared analogously to example 15. Instead of SiC UF15, an SiC P1000 (from Elektroschmelzwerk Kempten) was used.
  • Example 17 was produced analogously to example 16. Instead of SiC P1000, an SiC P600 (from Elektroschmelzwerk Kempten) was used.
  • Table 4 shows the power factor of the nanocomposites as a function of the particle size of the embedded SiC

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Abstract

Verfahren zur Herstellung von A12O3/SiC-Nanokomposit-Schleifkörnern, wobei ein aluminiumoxidhaltiges Sol mit SiC-Nanopartikeln versetzt, anschließend geliert, getrocknet, kalziniert und gesintert wird sowie A12O3/SiC-Nanokomposit-Schleifkorn.

Description

Beschreibung
Al203/SiC-Nanokomposit-Schleifkörner, Verfahren zu ihrer Herstellung sowie ihre Verwendung
Die vorliegende Erfindung betrifft gesinterte Al203/SiC-Nanokomposit-Schleifkörner nach dem Ober- begriff des Anspruchs 11, ein Verfahren zu ihrer Herstellung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ihre Verwendung als Schleifmittel.
Schleifkörner auf Al203-Basis werden aufgrund ihrer hohen Härte, chemischen Inertheit und hohen Temperaturbeständigkeit industriell in großen Mengen zu Schleifmitteln verarbeitet. Neben dem Schmelzkorund, der relativ kostengünstig im elektrischen Lichtbogenofen hergestellt werden kann, werden in der neueren Zeit für bestimmte Einsatzgebiete verstärkt Sinterkorunde eingesetzt, die über einen keramischen bzw. chemischen Weg gewonnen werden. Der schleiftechnische Vorteil der Sinterkorunde ist bedingt durch ihren mikrokristallinen Aufbau, der wiederum zu einem besonderen Verschleißmechanismus des Schleifkorns beim Schleifprozeß führt. Vor allem bei Anwendungen, die hohe Anpreßdrücke erfordern, wie z. B. die Bearbeitung von SpezialStählen, gehärteten Stählen oder schwer zerspanbaren Legie- rungen, können die Abtragsleistungen mit dem Einsatz von Sinterkorunden deutlich gesteigert werden. 1
Das mikrokristallin aufgebaute Sinterkorund-Korn ist für diese Anwendungen wesentlich verschleißfester als der makrokristallin aufgebaute Schmelzkorund. Hinzu kommt, dass beim Schleifen mit mikrokri- stallinen Korunden kleinere Bereiche aus dem Korn herausbrechen, wodurch neue Schneidkanten gebildet werden, die wiederum in den Schleifprozeß eingreifen. Eine solche Selbstscharfung des Korns findet bei den makrokristallinen Schmelzkorunden nicht statt, da hier die Risse, die beim Schleifprozeß durch die mechanische Beanspruchung des Korns entstehen, nicht mehr abgelenkt werden können, sondern sich entlang der Kristallebenen durch das gesamte Korn fortsetzen und damit zu einer Zerstörung des Schleifkornes fuhren.
Beim Einsatz von mikrokristallinen Sinterschleif- kornern ist bei vielen Anwendungen der Trend festzustellen, daß sich das Schleifkorn bei vergleich- barer Harte und Dichte umso gunstiger im Schleifprozeß verhalt, je feiner das Gefuge ausgebildet ist. Besonders feine Gefuge können über Sol-Gel- Verfahren erhalten werden, bei dem z.B. als Ausgangsstoff feinstdisperses Aluminiumoxidmonohydrat vom Typ Boehmit eingesetzt wird, das - nachdem es kolloidal gelost wurde - zum Gel verarbeitet wird, welches dann über einen Trocknungs-, Kalzinations- und Sinterschritt zu einem kompakten und dichten α- Al203-Sιnterkorper weiterverarbeitet wird. An- schließend erfolgt die Aufbereitung zum Schleifkorn. Der Vorteil des Sol-Gel-Verfahrens zur Herstellung von mikrokristallin aufgebauten Korunden besteht darin, daß sehr feinteilige und reaktive Ausgangsstoffe eingesetzt und die entstehenden Grunkorper bei relativ tiefen Sintertemperaturen 5 verdichtet werden können, was die Ausbildung eines feinen Gefüges begünstigt.
In der EP-B-0 152 768 werden mikrokristalline Kor- unde beschrieben, die über die Sol-Gel-Technik unter Zusatz von arteigenen Kristallisationskeimen bei Sintertemperaturen von ca. 1400 °C hergestellt werden und deren Primärkristallite einen Durchmesser von überwiegend bzw. vollständig kleiner 1 μm aufweisen.
Aufgrund der tiefen Sintertemperaturen und durch den Zusatz von Kristallisationskeimen kann das Kristallwachstum während des Sinterprozesses stark eingeschränkt werden. Noch feinere Gefüge bei gleichzeitig hoher Dichte und Härte werden in der EP-B-0 408 771 beschrieben. Nach der EP-B-0 408 771 werden Korundschleifkörner mit einer mittleren Kri- stallitgröße < 0,2 μm ebenfalls über die Sol-Gel- Technik unter Zusatz von besonders feinteiligen
Kristallisationskeimen und unter Einhaltung eines speziellen Temperatur- und Sinterprogramms gewonnen, bei dem der Temperaturbereich zwischen 900 und 1100 °C in weniger als 90 Sekunden durchlaufen, das Material dann nur kurzzeitig auf eine Maximaltemperatur, die 1300 °C nicht überschreiten sollte, gebracht und anschließend unterhalb dieser Maximaltemperatur im Bereich zwischen 1000 und 1300 °C dicht gesintert wird. Das Temperaturprogramm ist so gewählt, dass eine hohe Verdichtung ermöglicht wird, ohne dass der entstehende Sinterkörper bzw. dessen Vorstufe zu lange Temperaturen ausgesetzt ist, die ein Kristallwachstum begünstigen würden. Will man ein möglichst feinkristallines Gefuge erhalten, so bietet sich neben dem Einsatz von Kri- stallisationskeimen auch die Verwendung von Sin- teradditiven an, die das Kristallwachstum behindern oder den Sintervorgang beschleunigen, und damit indirekt die Ausbildung größerer Kristalle einschranken. Der Einfluß einzelner Additive für den Sinterprozeß und das Kristallwachstum beim Sintern von A1203 ist im „Journal of the American Ceramic So- ciety Vol. 39, No. 10, 1956" zusammengefaßt. Von den zahlreichen Patenten, die den Einsatz von Sin- teradditiven oder auch Kombinationen von Smterad- ditiven mit Kristallisationskeimen für die Herstellung von Schleifkornern über den Sol-Gel-Weg be- schreiben, werden im folgenden nur einige Beispiele genannt. Die EP-B-0 024 099 beschreibt den Zusatz von Spmellen bzw. Vorstoffen, die im Laufe des Herstellungsprozesses zu Spinellen umgewandelt werden. Die EP-B-0 200 487 beschreibt den Einsatz von α-Fe203 Kristallisationskeimen in Kombination mit mindestens einer modifizierenden Komponente aus der Gruppe der Oxide des Magnesiums, Zinks, Kobalts, Nickels, Zirkons, Hafniums, Chroms und/oder Titans. Die EP-B-0 373 765 beschreibt - ebenfalls in Kombi- nation mit α-Fe203-Keιmen - Yttrium- und Neodym- Verbindungen neben den oben genannten Oxiden als weitere modifizierende Komponenten. Die nach den o.g. Verfahren hergestellten Schleifkorner haben für bestimmte Anwendungen Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.
Die Vielfalt der unterschiedlichen A1203- Sinterschleif orner erklart sich auch daraus, dass das Schleifen selbst ein äußerst vielfaltiger Pro- zeß ist, be dem sowohl der Werkstoff, der bearbei- tet wird, als auch die Bearbeitungsbedingungen (Anpreßdruck, Kühlung o.a.) weitgehend variiert werden können. So werden die verschiedensten Werkstoffe (unterschiedliche Stahlsorten, Legierungen und Metalle, Kunststoffe, Holz, Gestein, Keramik u.v.a.m.) je nach Zielsetzung (Oberflachengute, Materialabtrag o.a.) unter den unterschiedlichsten Bedingungen bearbeitet. Entsprechend unterschiedlich sind die Anforderungen, die an das einzuset- zende Schleifkorn gestellt werden, so dass Brauchbarkeit und Leistungsfähigkeit eines Schleifkorns für einen bestimmten Schleifprozeß nicht allein durch Großen wie Harte, Dichte und Kristallitgefüge charakterisiert werden können. Weitere Kriterien, wie chemische Inerheit, Wärmeleitfähigkeit, Oxida- tions- und Temperatur-bestandigkeit , Zähigkeit u.a., spielen je nach Anwendung ebenfalls eine große Rolle.
Weitere Variable beim Schleifprozeß sind die Bindung und die Spezifikation des Schleifmittels, das darüber hinaus durch die Zugabe von Zusatzstoffen (Schleifhilfsmittel, Porenbildner u.a.) weiter variiert werden kann.
So wurde auch bei den Schleifkornern, die über den Sol-Gel-Weg hergestellt werden, in der Vergangenheit versucht, die Leistungsfähigkeit nicht nur über die Feinheit des Kristallitgefuges zu stei- gern, sondern auch über Dotierungen spezielle gunstige Eigenschaften für bestimmte Anwendungen zu erhalten. Die EP-A-0 228 856 beschreibt den Zusatz von Yttrium, das - z. B. in Form eines Yttrium- Salzes m t einem leicht fluchtigen Anion (Nitrat, fc>
Acetat, u.a.) - im Sol-Gel-Prozess der α-
Aluminiummonohydrat-Dispersion zugegeben wird und beim Sintern mit dem Aluminiumoxid zum Yttrium- Alummium-Granat (3Y203-5A1203) reagiert. Besondere Vorteile hat dieses Material bei der Bearbeitung von Rostfrei Stahl, Titan, Nickel-Legierungen, Aluminium und anderen schwer zerspanbaren Legierungen, aber auch bei einfachem Baustahl. Offensichtlich verleihen die Einlagerungen von Granat- Kristallen dem Schleifkorn für diese Anwendungen eine besondere Verschleißfestigkeit, die sich dann in einer hohen Abtragsleistung widerspiegelt. Zusatzlich zum Y203 bzw. seinen Vorstoffen wird die Zugabe von Kristallisationskeimen und/oder anderen Sinteradditiven beschrieben. In der EP-B-0 293 164 werden darüber hinaus der Zusatz von Seltenen Erden aus der Gruppe Praseodym, Samarium, Ytterbium, Neodym, Lanthan, Gadolinium, Cer, Dysprosium, Erbium und/oder Kombinationen von mehreren aus dieser Gruppe beschrieben. Die Seltenen Erden bilden dabei mit A1203 hexagonale Aluminate, die als Einlagerungen in der Al203-Matrix offensichtlich die Ver- schleißfestigkeit des Schleifkorns zusatzlich erhohen. Die EP-B-0 368 837 beschreibt Schleifkorner, deren Zähigkeit durch die Ausbildung von whis- kerahnlichen Kristallen, die durch die Zugabe von Cer-Verbindungen erhalten werden, erhöht wird. Auch hier wird d e erhöhte Zähigkeit durch eine Verstärkung der Struktur erreicht. Ebenfalls über das Sol- Gel-Verfahren werden Komposite erhalten, die in der DE -A-196 07 709 beschrieben sind und sich von den vorgenannten Verbindungen dadurch unterscheiden, dass neben der Al203-Matπx mindestens zwei zusatzliche diskontinuierliche Gefugebestandteile vorlie- gen, die sich voneinander in der mittleren Partikelgroße um wenigstens den Faktor 10 unterscheiden. In der EP-B-0 4 91 184 werden Komposite auf Basis von A1203 beschrieben, die Einlagerungen von isometrischen Hartstoffen aufweisen , die mindestens um den Faktor 10 großer sind als die Primarkristalle aus der die Matrix aufgebaut ist.
Alle vorgenannten Verfahren und Stoffe basieren auf der Sol-Gel-Technologie, mit der es - bei gleichzeitigem Einsatz von Sinteradditiven - gelingt, ein sehr feines, bevorzugt submikrones, Kristallitgefu- ge zu verwirklichen. Hinzu kommt, dass die Schleif- korner häufig durch zusatzliche Dotierungen für bestimmte Einsatzgebiete maßgeschneidert und optimiert werden.
Allgemein lassen sich die Schleifmittel bzw.
Schleifkorner vereinfacht in zwei große Gruppen einteilen. Korund gehört neben SiC zu den sogenannten konventionellen Schleifmitteln, die schon relativ lange bekannt sind und kostengünstig in großen Mengen hergestellt und eingesetzt werden. Daneben findet man in der neueren Zeit immer häufiger die sogenannten Superabrasives, wie Diamant und kubisches Bornitrid, deren Herstellungskosten zwar beim eintausend- bis zehntausendfachen im Vergleich zu den Herstellungskosten für konventionelle Schleif- korner liegen, die aber aufgrund ihrer Leistungsstarke, der damit verbundenen reduzierten Maschinenstillstandszeiten und des geringen Verbrauchs an Schleifmittel selber bzw. der Erhöhung der Stuck- zahlen pro Zeiteinheit und Schleifkorper für viele Schleifoperationen ein äußerst gunstiges Preis/Leistungs-Verhältnis bieten.
Der Einsatz von Superabrasives erfordert allerdings auch spezielle maschinelle Ausrüstungen, was ent- I sprechende Investitionen voraussetzt, wodurch die
Anwendungsbreite der Hochleistungsschleifmittel noch eingeschränkt wird.
Eine der Hauptzielsetzungen bei der Entwicklung neuer Schleifkörner ist es daher, ein Schleifkorn zu erhalten, das auf konventionellen Maschinen eingesetzt werden kann, aber im Leistungsniveau zwischen den konventionellen Schleifmitteln und den Superabrasives liegt. Dies ist teilweise mit den oben genannten Sol-Gel-Korunden gelungen, die bei vielen SchleifOperationen zu einem sehr gunstigen Preis/Leistungs-Verhaltnis eingesetzt werden können. Allerdings sind die Sol-Gel-Korunde nicht nur aufgrund der Herstellkosten, sondern auch im Leistungsvermögen eindeutig naher bei den konventionellen Schleifkornsorten einzuordnen und sind daher eher geeignet, die konventionellen Korundsorten bei SchleifOperationen, die den Einsatz von Superabra- sives nicht rechtfertigen, zu ersetzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Schleifkorner mit - im Vergleich zum oben genannten Stand der Technik - noch besserem Leistungspotenti- al sowie ein Verfahren zu deren Herstellung zur Verfugung zu stellen. Diese Aufgabe wird erfin- dungsgemaß gelost durch die Merkmale des Anspruchs 11 bzw. des Anspruchs 1. Die Unteranspruche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. An- spruch 20 betrifft eine zweckmäßige Verwendung der erfindungsgemaßen Schleifkorner .
Unter dem Begriff Nanokomposit, der in der Keramik vor ca. 10 Jahren Eingang gefunden hat, versteht man Systeme, die aus mindestens zwei verschiedenen 3 festen Phasen bestehen, von denen mindestens eine
Phase Teilchengroßen im Nanometer-Bereich aufweist.
Al203/SιC-Komposιte, bei denen SiC-Partikel zur Verstärkung in eine Al20-Matrιx eingebaut werden, sind in der EP-B-0 311 289 beschrieben und z.B. als Strukturkeramik für den Einsatz im Motoren- oder Turbinenbau vorgesehen. Dabei sollte der Durchmesser der SiC-Teilchen, deren Anteil im Komposit zwi- sehen 2 und 10 Mol-% ausmacht, unter 0,5 μm liegen, wahrend die Al203-Partιkel 5 μm nicht überschreiten sollten. Diese Materialien, bei denen die SiC- Partikel in den Al203-Partιkeln dispergiert sind, zeichnen sich durch eine außerordentlich hohe B e- gebruchfestigkeit und Zähigkeit aus und können aufgrund ihrer guten Hochtemperatureigenschaften als Strukturkeramik im Motorenbau eingesetzt werden.
Ähnliche Al203/SιC-Nanokomposιte, die sich durch ihre guten Hochtemperatureigenschaften und ihre
Oxidationsbestandigkeit von den bekannten whisker-, faser- oder platelet-verstarkten Kompositmateriali- en abheben, werden von Nnhara im Journal of the Ceramic Society of Japan 99 [10] 974 - 982 (1991) beschrieben. Der Einfluß von femteiligen SiC-
Partikeln auf das Kornwachstum und das Sinterverhalten der Al203-Matrιx wird von Stearns, Zhao und Harmer im Journal of the European Ceramic Society 10 (1992) 473 - 477 beschrieben. Die mechanischen Eigenschaften von Al203/SιC-Nanokomposιten werden von Zhao, Stearns, Harmer, Chan, Miller und Cook im Journal of the American Ceramic Society 76 [2] 503 - 510 1993) untersucht. Nanokomposite, die über den Sol-Gel-Weg hergestellt werden, beschreiben die Au- Ab toren Xu, Nakahira und Niihara im Journal of the
Ceramic Society of Japan, 1994, 102, 312 - 315.
Während die oben zitierten Literaturstellen sich meist auf Komposite mit SiC-Anteilen > 2 Mol-% beziehen, werden die mechanischen Eigenschaften von heißgepressten Al203/SiC-Kompositen mit geringen Anteilen an SiC in einem Artikel der Autoren Wilhelm und Wruss in der cfi/Ber. DGK 75, 40 - 44 (1998) aufgeführt. Neben den oben zitierten Literaturstellen sind Al203/SiC-Nanokomposite in zahlreichen weiteren Veröffentlichungen beschrieben, die weitgehend in einer Übersicht von Sternizke im Journal of the European Ceramic Society 17 (1997) 1061 - 1082 zusammengefaßt sind. In dem Artikel wird auch die Vermutung geäußert, dass Al203/SiC- Nanokomposite als Schleifkörner die Lücke zwischen den konventionellen Schleifmitteln und den Superabrasives schließen könnten. Im Gegensatz zu dieser Mutmaßung beziehen sich jedoch fast alle in dem Artikel erwähnten Veröffentlichungen und die daraus zitierten Stoffeigenschaften ausdrücklich auf den Einsatz als Strukturkeramik. So werden die Mi- krostrukturen, thermodynamische Stabilität, Dichte, Härte, Bruchfestigkeit, Bruchzähigkeit, das Verschleißverhalten und die Kriechgeschwindigkeit erwähnt. Alle diese Größen spielen sicherlich auch für den Schleifprozeß eine wichtige Rolle, ohne jedoch alleine für sich eine gültige Aussage über die Brauchbarkeit eines Stoffes als Schleifkorn zu erlauben. So ist z. B. eine hohe Härte sicherlich eine Grundvoraussetzung für die Verwendung eines Stoffes als Schleifkorn. Wie jedoch das in Fachkreisen häufig zitierte Beispiel B4C zeigt, das als Schleifkorn trotz seiner hohen Härte, wegen seiner 44 mangelhaften chemischen und thermischen Beständigkeit und seiner hohen Sprodigkeit nie eine nennenswerte Anwendung als Schleifmittel gefunden hat, muß eine Summe von Eigenschaften betrachtet werden, um die Eignung als Schleifmittel zu erkennen. Weitere Hartstoffe, die im Hartewert zwischen den konventionellen Schleifmitteln und den Superabrasives rangieren, haben sich als Schleifkorn ebenfalls nicht durchsetzen können, weil ihnen zusatzliche Eigenschaften wie Zähigkeit, thermische und chemische Stabilität oder andere für den Schleifprozeß wichtige Voraussetzungen fehlen. So konnten auch die in der Literatur beschriebenen Nanokompositma- terialien, die zwar bestimmte, für den Schleifpro- zeß erforderliche Eigenschaften aufweisen, als Schleifkorn bisher nicht erfolgreich eingesetzt werden. Sie verhalten sich vielmehr ahnlich wie die Schneidkeramiken auf Al20-Basis, die z.B. zum Fräsen oder Drehen mit großem Erfolg eingesetzt wer- den, aber - zur Körnung verarbeitet - beim Schleifen nur eine unbefriedigende Abtragsleistung zeigen, die auf dem Niveau der konventionellen Schmelzkorunde oder sogar darunter liegt.
Es stellt sich nun in der Praxis als äußerst schwierig heraus, die Einsetzbarkeit bzw. das zu erwartende Schleifverhalten eines Schleifkorns allein aufgrund bestimmter Stoffeigenschaften, von denen man weiß, dass sie sich - jeweils für sich betrachtet - gunstig auf das Schleifverhalten auswirken, zu charakterisieren. Theorien zu den Mechanismen, die beim Materialabtrag durch ein Schleifwerkzeug tatsachlich ablaufen, konnten bisher nur nach dem Prozeß selber anhand des bearbeiteten Werkstuckes und aufgrund der Veränderungen am
Schleifwerkzeug entwickelt werden. Einfluß auf das Schleifverhalten hat neben samtlichen Stoffeigenschaften des Schleifkorns naturlich die Beschaffenheit des Schleifwerkzeugs (Bindung, Porosität, Zusatzstoffe u.a.) und das Werkstuck selber, so dass es oftmals selbst im nachhinein schwierig ist, bestimmte Schleifresultate mit bestimmten Stoffeigenschaften des Schleifkorns in Korrelation zu setzen. Eine endgültige Aussage erhalt man erst durch anwendungstechnische Tests von Schleifmitteln oder sogar erst durch Praxis- und Feldtests, die mit erheblichem finanziellen und zeitlichem Aufwand verbunden sind.
Es ist daher erstrebenswert, eine unabhängige Meß- methode und -große zu finden, die eine direkte Aussage über die Brauchbarkeit eines Stoffes als Schleifkörn zulaßt. In der Praxis hat sich m den letzten Jahren immer mehr der sogenannte Einzelkorntest (Abb. 1: Einzelkornritztest) durchgesetzt, bei dem ein einzelnes Schleifkorn unter möglichst realistischen, dem Schleifprozeß nachempfundenen, Bedingungen untersucht wird. Die Testeinrichtung ist eine umgerüstete Flachschleifmaschine, bei der auf der Schleifspmdel anstelle der Schleifscheibe eine Ritzscheibe montiert ist. Die Ritzscheibe, die aus praktischen Gründen aus einem relativ leichten und leicht zu bearbeitenden Werkstoff (z.B. Aluminium) gefertigt ist, besitzt auf dem Umfang eine Halterung, in die ein Trager mit einem aufgeloteten Schleifkorn eingesetzt w rd. Beim Ritzen selber fahrt der Maschinentisch mit dem darauf aufge- spannnten Werkstuck in x-Richtung gegen die Drehrichtung unter der rotierenden Ritzscheibe hindurch. Aufgrund einer vorgegebenen Zustellung in y- Richtung generiert das Schleifkorn, das über den
Umfang der Scheibe herausragt, mit jeder Umdrehung eine Ritzspur im Werkstuck. Mit zunehmender Ritzlange bzw. Ritzzeit verringert sich wegen des Kornverschleißes die Ritztiefe und der Ritzquerschnitt, bis die Kornspitze um den Zustellungsbetrag in y- Richtung verschlissen ist und keine Spur mehr hinterlaßt. Die Ritzspuren können mit einem Oberfla- chenmeßgerat abgetastet und anschließend ausgewertet werden. Das Meßprinzip ist in den Abbildungen 1 und 2 wiedergegeben und wird im folgenden anhand der Bezugszahlen erläutert.
Die Abbildung 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Prufstandes mit der Ritzscheibe (1) und dem Ritzkorn (2), den verfahrbaren Achsen (3, 4, 5) in x-, y- und z-Richtung, dem Werkstuck (6), dem Maschinentisch (7) und dem Schleifspindelstock (8) . Zur Messung selber müssen Standardbedingungen für die Schnittgeschwindigkeit vc, die Werkstuckgeschwindigkeit vw und die Zustellung ae, die nach Moglich- keit der Schleifoperation angepaßt sind, für die man das Schleifkorn spater einsetzen will, definiert werden. Zusatzlich müssen Werkstuckstoff und der Einsatz von Kuhlschmierstoff (9) festgelegt werden.
Das Auswertungsprinzip ist anhand der beispielhaft aufgeführten Kurven für verschiedenen Schleifkornsorten (Abb. 2) zu erkennen, bei dem die Änderung des Ritzquerschnittes ARΠ/ARO gegen die Ritzlange IR aufgetragen ist. Dabei ist AR0 der Ritzquerschnitt beim ersten Eingriff und ARn der Ritzquerschnitt nach n mm Ritzlange. Der Leistungsfaktor LF25 für das Einzelkorn ergibt sich aus dem Schnittpunkt der charakteristischen Kurve für die einzelne Kornsorte mit der Ordinate nach 25 mm Ritzlänge und entspricht der Änderung des Ritzquerschnittes ARo/AR25. Ausgedrückt wird der Leistungsfaktor in %, bezogen auf den theoretischen Fall, dass kein Verschleiß des Kornes stattfindet und AR25 = AR0 ist. Die Auswertung nach 25 mm Ritzlänge wurde deshalb gewählt, weil bei dem typischen Kurvenverlauf der entscheidende erste, steile Bereich der Kurve, bei dem das Korn am stärksten belastet wird, abgeschlossen ist. Dieser Bereich, der auch in Bezug auf die Zustellung ae dem tatsächlichen Schleifprozeß relativ nahekommt, erlaubt eine sehr gute Aussage über die Leistungsfähigkeit eines Schleifkorns . Im weiteren Verlauf flachen die Kurven ab, da die Körner aufgrund der sich verringernden Zustellung nun weniger stark beansprucht werden und auch weniger schnell verschleißen. Um ein re- präsentatives Ergebnis für eine Schleifkörnung zu erhalten, sollten mindestens 20 Körner einer Kornsorte vermessen und die Verschleißkurve aus den Mittelwerten der einzelnen Meßpunkte gebildet werden.
Der Einkornritztest erlaubt somit - in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen in der Praxis - eine Bewertung der Tauglichkeit eines Schleifkorns, bei der sämtliche für den Schleifprozeß relevanten Größen wie Härte, Zähigkeit, Dichte, Festigkeit,
Kriechgeschwindigkeit, thermische und chemische Beständigkeit, Kristallitgefüge u.a. indirekt in Summe einfließen, ohne dass dabei bestimmte Eigenschaften bzw. bestimmte Eigenschaftskombinationen explizit bekannt sein oder erkannt und entsprechend berücksichtigt werden müssen. Für alle Eigenschaf- ten müssen allerdings gewisse Mindestvoraussetzungen erfüllt werden, damit ein Stoff überhaupt als Schleifkörn in Betracht kommt. So wurde sich z.B. ein Material, das in seiner Harte deutlich unter der üblichen Härte für Schleifmitteln liegt, nie zum Schleifen eignen, selbst wenn samtliche anderen Eigenschaften hervorragend waren.
überraschenderweise wurden für Al203/SiC- Nanokomposite mit SiC-Anteilen unter 5 Mol-%, die über einen direkten Sol-Gel-Weg unter Zusatz von Kristallisationskeimen hergestellt wurden, nach der oben beschriebenen Methode Leistungsfaktoren gefunden, die deutlich über den bisher bei Al203/SiC- Nanokompositen gefundenen Leistungsfaktoren liegen. Die Leistungswerte der erfindungsgemaßen Nanokomposite liegen auch über den Werten der bekannten reinen oder dotierten Sol-Gel-Korunde und damit im angestrebten Bereich zwischen den konventionellen Schleifkornern und den Superabrasives.
Im Gegensatz zu den bekannten Al203/SiC- Nanokomposits, die über die Pulvertechnologie durch Vermischen der Ausgangssubstanzen, anschließendes Verdichten (z.B. durch Heißpressen, druckloses Sintern oder heiß isostatisches Pressen) und Sintern hergestellt werden, verlauft die Herstellung der erfindungsgemaßen Schleifkorner naßchemisch über einen direkten Sol-Gel-Weg unter Einsatz von Kri- stallisationskeimen. Xu, Nakahira und Niihara beschreiben m ihrem Artikel im Journal of the Ceramic Society of Japan, 1994, 102, 312 - 315 den Einsatz der Sol-Gel-Technologie bei der Herstellung von Al203/SιC-Nanokomposιts . Sie nutzen die Techno- b logie jedoch nur, um eine möglichst homogene Mischung der Nanopulver über eine vorgeschaltete kolloidale Lösung der Teilchen zu erreichen. Anschließend wird das Sol durch Trocknung und Kalzination zu einer homogenen Mischung aus ultrafeinen A1203- und SiC-Pulvern weiterverarbeitet, die dann - in Analogie zur konventionellen Pulvertechnologie - unter Stickstoff bei einem Druck von 30 MPa und einer Temperatur von 1600 °C heißgepresst werden.
Durch die Isolierung des Pulvers als Zwischenprodukt und anschließende konventionelle pulvertechnische Weiterverarbeitung gehen bestimmte, für die Herstellung eines Schleifkorns wichtige, Vorteile des Sol-Gel-Verfahrens verloren. Die schleiftechnischen Eigenschaften eines über das o.g. Verfahren hergestellten Komposits entsprechen daher denen der vorher erwähnten Nanokomposits . Hinzu kommen ökonomische Aspekte, da eine kostengünstige großtechni- sehe Massenproduktion von Schleifkörnern über ein Heißpressverfahren nicht zu realisieren ist.
Beim erfindungsgemäßen direkten Sol-Gel-Verfahren zur Herstellung von Al203/SiC-Nanokomposits dagegen wird zunächst auf die übliche Weise ein Al203-Sol hergestellt. Als Feststoffkomponente für das alumi- niumoxidhaltige Sol kommen dabei vorteilhaft feinstdisperses Aluminiumoxidmonohydrat vom Boeh- mit-Typ, Aluminiumalkoxide, Aluminiumhalogenide und/oder Aluminiumnitrat in Frage, die mit Hilfe eines Dispergators, eines starken Rührers oder unter Einsatz von Ultraschall dispergiert werden. Der Feststoffgehalt der Suspension liegt vorzugsweise zwischen 5 und 60 Gew.-%. Zu dieser Suspension wird Λ dann, ebenfalls vorzugsweise in Form einer Suspension, um eine möglichst homogene Verteilung zu erreichen, zwischen 0,1 und < 5 Mol-%, bevorzugt im Bereich 0,3 und 2,5 Mol-%, bezogen auf den Alumini- umgehalt der Mischung, gerechnet als A1203, nanoskaliges SiC zugegeben. Es ist natürlich auch möglich, SiC als Feststoff in die vorgegebene Suspension einzurühren. Wie die Beispiele in Tabelle 3 zeigen, werden besonders gute Ergebnisse mit ver- gleichsweise geringen Mengen an SiC erzielt. Als
SiC-Basis kommen feinstvermahlenes SiC-Pulver, das über den Acheson-Prozess gewonnen wurde, oder auch Nanopulver, die in der Gasphase durch thermische oder lasergestutzte Gasphasenreaktionen oder ver- schiedene Plasmaverfahren hergestellt werden, in Frage.
Um den spateren Smterprozess gunstig zu beeinflussen, können vorteilhaft vor dem Gelieren zusätzlich Sinteradditive in Form von Kristallisationskeimen
Knstallwachstumsinhibitoren und/oder anderen modifizierenden Komponenten zugesetzt werden. Dafür kommen insbesondere alle bekannten Sinteradditive für Al203 in Frage, z.B. die spmellbildenden Oxide des Co, Mg, Ni, und Zn, die Oxide des Ce, Cu, B,
Ba, Hf, K, Li, Nb, Si, Sr, Ti, Y, Zr oder der Seltenen Erden bzw. deren Vorlaufer und die Oxide mit einer korundahnlichen Struktur wie Fe203, Cr203, A1203 o.a., die als Kristallisationskeime wirken. Um bestimmte Eigenschaften des Schleifkorns zu erreichen, können naturlich auch Kombinationen daraus eingesetzt werden. i
Bevorzugt wird das Al203-Sol vor der SiC-Zugabe mit einer wässrigen Suspension von feinstvermahlenem α- A1203 versetzt. Die maximale Partikelgröße der α- Al203-Teilchen, die als Kristallisationskeime die- nen, liegt unter 1 μm, vorzugsweise unter 0,2 μm. Die Menge des einzusetzenden Keimmaterials hängt von der Partikelgröße ab und liegt zwischen 0,5 und 10 Gew.-%, bezogen auf den Gehalt an Al203 im Endprodukt. Da es neben der Feinheit auf die Anzahl der Keime ankommt, reichen bei sehr großer Feinheit schon geringe Gewichtsmengen an Keimen aus, um den Sinterprozeß zu fördern.
Die fertige Suspension wird anschließend zum Sieden erhitzt und vorteilhaft unter Säurezugabe geliert. Auch hier ist es wieder möglich, alternativ jede andere bekannte Art der Gelierung (Alterung, Elektrolytzugabe, Temperaturerhöhung, Einengen der Suspension o.a.) anzuwenden. Die Trocknung des Gels wird (nach dem Abkühlen) in einem Temperaturbereich zwischen 50 °C und 120 °C durchgeführt. Anschließend erfolgt in einem Temperaturbereich zwischen 500 °C und 800 °C eine Kalzination, um das restliche Wasser und die Säure zu verdampfen. Nach der Kalzination liegen die Komposite als Grünkörper mit Durchmessern bis zu mehreren Millimetern vor, die dann gesintert werden. Die Vorteile der direkten Verdichtung liegen in der besonders hohen Sinteraktivität der getrockneten und kalzinierten Grünkör- per, in denen die Ausgangsstoffe bereits chemisch miteinander verbunden sind und somit die Verdichtung und Verfestigung zum fertigen Komposit wesentlich effektiver und günstiger verläuft. 49
Durch den zusätzlichen Einsatz von Sinteradditiven bzw. Kristallisationskeimen kann der Prozeß und damit die Produktqualltat weiter verbessert werden. Die Sinterung des kalzinierten Gels erfolgt bevor- zugt bei Temperaturen zwischen 1300 °C und 1600 °C, vorzugsweise unter Inertbedingungen (z.B. Stickstoffatmosphare) und besonders vorteilhaft in einem gasdichten Drehrohrofen, um eine möglichst schnelle Aufheizung des Produktes und eine kurze Sinterzeit zu verwirklichen, was sich besonders gunstig auf die Struktur und damit auf die Leistungsfähigkeit des Schleifkorns auswirkt. Alternativ kann jeder andere bekannte Ofentyp eingesetzt werden, der schnelle Aufheizraten und hohe Temperaturen zulaßt. Da die Sinterung sehr rasch erfolgt, ist selbst eine Verarbeitung unter Vakuum oder in oxidierender Atmosphare möglich, da der größte Teil der SiC- Nanoteilchen in der Matrix eingelagert und somit vor einer Oxidation geschützt ist.
Die Zerkleinerung zur gewünschten Körnung kann vor oder nach der Sinterung mit den üblichen Zerkleinerungsaggregaten erfolgen. Vorteilhaft ist eine Aufbereitung des kalzinierten Gels im Grunzustand, da nach der Sinterung wesentlich mehr Energie zur Zerkleinerung des dann dichten und harten Kompositma- terials aufgewendet werden muß.
Bei der Sinterung wirkt das nanoskalige SiC als Kπstallwachstumsinhibitor für die Al203-Matrιx, verzögert aber gleichzeitig die Verdichtung des Grunkorpers, so dass vergleichsweise - zu einem Sol-Gel-Material auf reiner Aluminiumoxidbasis - hohe Sintertemperaturen eingesetzt werden müssen, um eine genugende Verdichtung des Materials zu erreichen, wobei es dann zu einem nicht unerheblichen Kristallwachstum kommen kann. So treten bereits bei ca. 1400 °C verstärkt große Kristallite auf. Dieses Phänomen wird schon im US-Patent 4,623,364 beschrieben. Dort führt man das unerwünschte Auftreten von groben Kristallen in einer ansonsten feinen Matrix auf Verunreinigungen zurück. Angestrebt wird dort eine feinkristalline Matrix mit möglichst we- nig groben Anteilen, wie sie auch in den eingangs zitierten Patenten offenbart wird und dem Stand der Technik entspricht.
Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass die Schleifleistung des erfindungsgemaßen Nanokomposit- Schleifkorns dann besonders hoch ist, wenn ein bestimmter Anteil an groben Kristallen mit Langen bis zu 20 μm und einem mittleren Durchmesser > 2 μm, bevorzugt > 5 μm, in der Matrix vorhanden ist. Die Abtragsleistung liegt deutlich über den feinstrukturierten reinen Sol-Gel-Al20-Schleifkornern, deren mittlere Kristallitgroße üblicherweise 0,2 - 0,3 μm betragt und bei dem samtliche Kristalle im Submikronbereich, bevorzugt im Bereich unter 0,4 μm, vorliegen. Dies ist um so überraschender, da in Fachkreisen allgemein bekannt ist, dass sich die Schleifleistung von Sinterkorunden mit feiner werdender Struktur - besonders im d50-Bereich unter 0,5 μm - drastisch erhöht.
Wie die Beispiele 1 - β und die Vergleichsbeispiele 7 - 11, die den Einfluß der Sinterbedingungen auf die Struktur und die Leistungsstarke von Sinterkorunden beschreiben, zeigen, weist die Leistungskurve der Al203/SiC-Nanokomposits einen nicht linearen Verlauf mit einem Maximum bei einer Sintertemperatur zwischen 1400 °C - 1450 °C auf. In diesem Temperaturbereich treten bei einer Haltezeit von 30 Minuten die ersten grobkristallinen und stengeligen Kristalle in der Matrix auf. Die groben Al203-
Kristalle weisen bevorzugt eine längliche Form auf mit einem Verhältnis Länge zu Breite zwischen 2:1 und 10:1, besonders bevorzugt zwischen 4:1 und 6:1. Typische Bilder der Matrix mit den grobkristallinen Einlagerungen sind als elektronenmikroskopische
Aufnahmen in den Abbildungen 3 und 4 auf Seite 19 wiedergegeben. Unterhalb von 1400 °C tritt eine rein submikrone Struktur auf, wobei sämtliche Teilchen im Bereich < lμm, bevorzugt < 0,5 μm vorlie- gen. Die Leistungsstärke dieser Materialien liegt ebenfalls über der von reinen Sol-Gel-Korunden nach dem Stand der Technik, aber überraschenderweise unter den im o.g. Temperaturbereich gewonnen Stoffe mit grobkristallinen Einlagerungen. Bei noch höhe- ren Sintertemperaturen, die ein verstärktes Auftreten von groben Kristallen mit sich bringen, fällt die Leistungskurve dann wieder ab.
Jedoch selbst bei Sintertemperaturen von 1500 °C mit hohen Anteilen an groben Kristallen werden noch Schleifleistungen erreicht, die auf dem Niveau der besten reinen Sol-Gel-Korunde liegen. Bei den reinen Sol-Gel-Korunden ist dagegen ein nahezu linearer Verlauf des Leistungspotentials mit der Fein- heit der Struktur zu erkennen und erst im Submi- kronbereich bei einer mittleren Kristallitgröße d50 < 0,4 μm werden gute Leistungen erzielt. Offensichtlich bewirken die groben Kristallite bei den Nanokomposits eine Art Gefügeverstärkung, die sich positiv auf das Verschleißverhalten des Korns auswirkt, und kompensieren nicht nur die - aufgrund des Kornwachstums - erwartete Leistungsminderung, sondern verhelfen - in Kombination mit den eingelagerten Nano-SiC-Teilchen - dem Schleifkorn sogar zu einer deutlichen Leistungssteigerung.
Anhand der Beispiele in Tabelle 4 ist zu erkennen, dass sich die Produktverbesserung durch die Einlagerung von SiC-Teilchen nicht nur auf Nano-SiC- Pulver beschränkt, sondern auch mit Körnern, die relativ grobe SiC-Einlagerungen aufweisen, hervor- ragende Schleifleistungen erzielt werden. Eindeutig ist jedoch der Trend, dass die Schleifleistungen um so besser sind, je feiner die eingesetzten SiC- Pulver sind. Aus kommerziellen Gründen und aus Gründen der Verfügbarkeit wurden bei der Herstel- lung des erfindungsgemäßen Schleifkorns zunächst ausschließlich die in den Beispielen aufgeführten Pulver eingesetzt, die durch Feinstmahlung von technischem SiC, das über das Acheson-Verfahren gewonnen wurden. Man kann jedoch davon ausgehen, dass sich beim Einsatz noch feinerer Pulver der o.g. Trend weiter fortsetzt.
Die SiC-Teilchen beim erfindungsgemäßen Nanokompo- sit können sowohl intragranular, in den Al203- Matrix-Partikeln, als auch intergranular, an den
Korngrenzen zwischen den Al203-Partikel, angeordnet sein, wobei zu beobachten ist, dass die kleineren Partikel bevorzugt intragranular einbaut sind. Welchen Einfluß die Art der Einlagerung der SiC- Teilchen auf die Schleifleistung hat, ist Gegenstand weitergehender Untersuchungen und kann zur Zeit nur spekulativ betrachtet werden.
Einige Theorien werden in den bereits zitierten
Veröffentlichungen diskutiert, die sich jedoch wieder ausschließlich auf einzelne Eigenschaften von Kompositmaterialien beziehen und nicht die Auswirkung der Summe der Eigenschaften, die für die Schleifleistung entscheidend ist, berücksichtigen. Allerdings zeigen die Beispiele 14 - 17 eindeutig den Trend, dass mit abnehmender Partikelgröße der Einlagerungen die Schleifleistung ansteigt. Woraus der Schluß gezogen werden kann, dass vor allem in- tragranular eingelagertes SiC für die Verbesserung der Schleifleistung verantwortlich ist.
Durch die Erfindung wird daher ein Nanokomposit- Schleifkorn auf Al203-Basis mit überwiegend intra- granulär eingelagerten SiC-Nanoteilchen geschaffen, das eine Härte (HV0/2) größer 18 GPa aufweist, dessen Dichte über 95 % der theoretischen Dichte liegt und das einen Leistungsfaktor LF25 > 75 % besitzt (* = gemessen als Mittelwert aus 20 Einzelmessun- gen auf dem Werkstoff 100Cr6 (HRc = 62) mit einer
Schnittgeschwindigkeit von 30 m/s, einer Zustellung von 20 μm, einer Werkstückgeschwindigkeit von 0,5 mm/s und unter Einsatz einer 3%-igen Emulsion als Kühlmittel) .
Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft erläutert, ohne dass darin eine Einschränkung zu sehen ist. tu Beispiele 1- 6
Suspension A (Böhmit-Sol)
10 kg Pseudoböhmit (Disperal, Fa. Condea) werden unter Einsatz eines Dispergators (Typ Megatron MT 1-90, Fa. Kinematica) in 50 1 destilliertem Wasser, dessen pH-Wert durch Zugabe von ca. 300 ml konz. Salpetersäure auf 2,4 eingestellt wurde, disper- giert. Zu der Dispersion werden - ebenfalls unter Einsatz des Dispergators - ca. 300 ml einer 50 %- igen α-Al203 -haltigen Keim-Slurry mit einer maximalen Partikelgröße dmaχ = 0,4 μm, die durch Naßvermahlung und anchließendes Zentrifugieren eines feinteiligen α-Al203-Pulvers (CS400M, Fa. Martinswerk) gewonnen wurde, zugegeben. Im Sol befinden sich nach Zugabe der Keim-Slurry ca. 2 Gew.-% Al203-Kristallisationskeime.
Suspension B (SiC-Suspension)
1,5 g einer 50-%igen wässrigen Polyaethylenimin Su- pension (Fa. Fluka) werden unter starkem Rühren in 600 ml destilliertes Wasser gegeben. Anschließend werden in die verdünnte Suspension 30 g nanoskali- ges SiC (UF 45, Fa. H.C. Starck) eingerührt.
Die Suspension B wird unter Rühren dem Böhmit-Sol (Suspension A) zugegeben und der pH-Wert der Mischung wird mit Hilfe von Salpetersäure auf 1,8 eingestellt. Anschließend wird die Mischung unter ständigem Rühren auf 95 °C erhitzt und die Gelie- 15 rung wird durch tropfenweise Zugabe von weiterer Salpetersäure eingeleitet. Das Gel wird nach dem Abkühlen im Trockenschrank bei 85 °C getrocknet. Das getrocknete Gel wird auf eine Partikelgröße kleiner 5 mm vorzerkleinert und anschließend bei ca. 500 °C kalziniert.
Bei den Beispielen 1 - 6 wurden lediglich die Sintertemperaturen variiert. In der Tabelle 1 sind die gemessenen Härtewerte, Leistungsfaktoren und Kristallitgefüge in Abhängigkeit von den Sinterbedingungen aufgeführt.
Tabelle 1: Beispiele 1 - 6
Beispiel Sinterprograπua» Harte (HV0 2) Kristallitgefüge (dso) LF25%)
1 1300 / N2 / 60 / 30 ll,3GPa < 0,4 μm 23
2 1350 / N2 / 60 / 30 13,3GPa < 0,4 μm 29
3 1380 / N2 / 60 / 30 19,8GPa < 0,4 μm 73
4 1400 / N2 / 60 / 30 22,9GPa 1 μm 85
5 1450 / N2 / 60 / 30 20,7 GPa 5 - 10 μm 83
6 1500 / N2 / 60 / 30 20,1 GPa 10 - 20 μm 70
* Sinterprogramm =
Sintertemperatur (°C) / Ofenatmosphäre / Aufheizrate (°C/min) / Haltezeit (min)
Vergleichsbeispiele 7 - 11 (ohne SiC-Einlagerungen)
10 kg Pseudoböhmit (Disperal, Fa. Condea) werden unter Einsatz eines Dispergators (Typ Megatron MT 1-90, Fa. Kinematica) in 50 1 destilliertem Wasser, dessen pH-Wert durch Zugabe von ca. 300 ml konz. Salpetersäure auf 2,4 eingestellt wurde, dispergiert. Zu der Dispersion werden - ebenfalls unter Einsatz des Dispergators - ca. 300 ml einer 50 %- igen α-Al203 -haltigen Keim-Slurry mit einer maxi- malen Partikelgroße dmax = 0,4 μm, die durch Naßvermahlung und anchließendes Zentπfugieren eines femteiligen α-Al203-Pulvers (CS400M, Fa. Martinswerk) gewonnen wurde, zugegeben. Im Sol befinden sich nach Zugabe der Keim-Slurry ca. 2 Gew.-% Al203-Krιstallιsatιonskeime.
Der pH-Wert der Mischung wird mit Hilfe von Salpetersaure auf 1,8 eingestellt. Anschließend wird die Mischung unter standigem Ruhren auf 95 °C erhitzt und die Gelierung wird durch tropfenweise Zugabe von weiterer Salpetersaure eingeleitet. Das Gel wird nach dem Abkühlen im Trockenschrank bei 85 °C getrocknet. Das getrocknete Gel wird auf eine Par- tikelgroße kleiner 5 mm vorzerkleinert und anschließend bei ca. 500 °C kalziniert.
Auch be den Vergleichsbeispielen 7 - 11 wurde lediglich die Sintertemperatur variiert. Die Tabelle 2 zeigt d e gemessenen Hartewerte, Leistungsfaktoren und Kristallitgefüge in Abhängigkeit von den Sinterbedingungen.
a
Tabelle 2: Vergleichsbeispiele 7 - 11
Beispiel Sinterprogramm* Harte(HV0,2) Kristallitgefüge (dso) LF2s(%)
1240 / N2 / 60 / 30 19, 7 GPa 0,2 - 0,3 μm 75
1300 / N2 / 60 / 30 22,4 GPa 1 μm 63
1350 / N2 / 60 / 30 23,1 GPa 5 μm 60
10 1400 / N2 / 60 / 30 21,6GPa 3 - 7 μm 49
11 1450 /N2 / 60 / 30 20,6GPa 5 - 10 μm 40
* Sinterprogramm =
Sintertemperatur (°C) / Ofenatmosphäre / Aufheizrate °C/min) /Haltezeit (min)
Beispiel 12
Die Herstellung von Beispiel 12 erfolgte analog zu den Beispielen 1 - 6. Es wurden jedoch 75 g nanoskaliges SiC UF45 eingesetzt.
Beispiel 13
Die Herstellung erfolgte analog zu Beispiel 12. Statt 75 g wurden 150 g nanoskaliges SiC UF45 ein- 13 gesetzt. Die Tabelle 3 zeigt die Leistungsfaktoren in Abhängigkeit von der SiC-Konzentration.
Tabelle 3: Beispiele 4, 12 und 13
Beispiel S πterprogramm Harte (HV0,2) SiC-Anteil (Mol-%) LF25 (%)
1400/N2/60/30 22, 9 GPa 1,0 85
12 1400/N2/60/30 22, GPa 2,5 59
13 1400/N2/60/30 23 , 1 GPa 5 , 0 37
Beispiel 14
Die Herstellung von Beispiel 14 erfolgte analog zu Beispiel 4. Statt SiC UF45 wurde das etwas gröbere SiC UF25 (Fa. H.C. Starck) eingesetzt. Gesintert wurde bei einer Temperatur von 1400 °C in Stick- stoffatmosphare. Die Aufheizrate betrug 60 °C pro Minute und Haltezeit lag bei 30 Minuten.
Beispiel 15
Die Herstellung von Beispiel 15 erfolgte analog zu Beispiel 14. Statt SiC UF25 wurde das gröbere SiC UF15 (Fa. H.C. Starck) eingesetzt. Vergleichsbeispiel 16
Die Herstellung von Beispiel 16 erfolgte analog zu Beispiel 15. Statt SiC UF15 wurde ein SiC P1000 (Fa. Elektroschmelzwerk Kempten) eingesetzt.
Vergleichsbeispiel 17
Die Herstellung von Beispiel 17 erfolgte analog zu Beispiel 16. Statt SiC P1000 wurde ein SiC P600 (Fa. Elektroschmelzwerk Kempten) eingesetzt.
Die Tabelle 4 zeigt den Leistungsfaktor der Nano- komposits in Abhängigkeit von der Partikelgröße des eingelagerten SiC's
Tabelle 4: Beispiele 4, 15 - 18
Beispiel SiC mittlere Partikelgroße dso Harte (HV0,2) LF25 (%)
4 UF45 300 nm 19,7 GPa 85
14 UF25 500 nm 22,4 GPa 82
15 UF15 600 nm 23,1 GPa 77
16 P1000 18 μm 21,6 GPa 73
17 P600 26 μm 23,3 GPa 58 3<
Schleiftests
Zusätzlich zum Ritztest wurden einige ausgewählte Beispiele in Schleifbändern einem Schleiftest unterzogen. Die Ergebnisse der Test sind in der Tabelle 5 zusammengefaßt.
Tabelle 5: Schleiftests (Bandschleifen)
Stahlsorte
Schleifkorn Turbinenstahl Titanlegierung
Abtrag (g) Leistung (%) Abtrag (g) Leistung (%)
Beispiel 4 1096 145 127 176
Beispiel 5 994 131 109 151
Beispiel 14 1023 135 112 155
Beispiel 15 843 111 85 118
Beispiel 7 781 103 68 94
handelsüblicher 757 100 72 100 Sol-Gel-Korund
Schmelzkorund 320 42 23 32

Claims

Ansprüche «32.
1. Verfahren zur Herstellung von Al203/SiC- Nanokomposit-Schleifkörnern,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein aluminiumoxidhaltiges Sol mit SiC-Nanopartikeln versetzt, anschließend geliert, getrocknet, kalziniert und gesintert wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das aluminiumoxidhaltige Sol als Feststoffkomponen- te feinstdisperses Aluminiumoxidmonohydrat vom Typ des Boehmits, Aluminiumalkoxide, Aluminiumhalogenide und/oder Aluminiumnitrat enthält.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Zusatz der SiC-Nanoteilchen in einer Menge zwischen 0,1 und < 5 Mol-%, bevorzugt im Bereich 0,3 und 2,5 Mol-%, bezogen auf den Aluminiumgehalt der Mischung, gerechnet als Al203, vorgenommen wird.
4. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass vor dem Gelieren Sinteradditive in Form von Kristallisationskeimen, Kristallwachstumsinhibitoren und/oder anderen modifizierenden Komponenten, die den Sinterprozeß beeinflussen, zugesetzt werden.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Kristallisationskeim feinteiliges α- Aluminiumoxid eingesetzt wird.
6. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Gelierung der Suspension durch pH-Wert-Erhöhung oder Erniedrigung, Alterung, Elektrolytzugabe, Temperaturerhöhung und/oder Einengen der Lösung erfolgt.
7. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprü- ehe 1 bis 6,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Trocknung des Gels in einem Temperaturbereich zwischen 50 °C und 120 °C, die Kalzination anschließend zwischen 500 °C und 800 °C und die Sin- terung in einem Temperaturbereich zwischen 1300 °C und 1600 °C durchgeführt wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Sinterung in einem Temperaturbereich zwischen 1380 °C und 1500 °C vorgenommen wird.
9. Verfahren gemäß 7,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Sinterung unter Inertbedingungen durchgeführt wird.
10. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Zerkleinerung zur gewünschten Korngröße vor oder nach der Sinterung vorgenommen wird.
11. Al203/SiC-Nanokomposit-Schleifkörn mit einer Härte > 16 GPa, einer Dichte > 95 % der Theorie und einem SiC-Anteil zwischen 0,1 und < 5 Mol-%, bezo- gen auf die Al203-Matrix,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die SiC-Partikel in der Al203-Matrix sowohl inter- als auch intragranular vorliegen und das Schleifkorn im Einkornritztest einen Leistungsfaktor LF25 > 75 % aufweist.
12. Al203/SiC-Nanokomposit-Schleifkörn gemäß Anspruch 11,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der SiC-Anteil bevorzugt zwischen 0,3 und < 2,5 Mol-%, bezogen auf die Al203-Matrix, beträgt.
13. Al203/SiC-Nanokomposit-Schleifkörn gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, IS d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die SiC-Partikel überwiegend intragranular in der A1203 -Matrix vorliegen.
14. Al203/SiC-Nanokomposit-Schleif körn gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Al203-Kristalle der Matrix mittlere Durchmesser zwischen 0,2 μm und 20 μm aufweisen.
15. Al203/SiC-Nanokomposit-Schleιf körn gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Al203-Matrix submikron aufgebaut ist und eine mittlere Teilchengroße < lμm, bevorzugt < 0,5 μm, aufweist .
16. Al203/SiC-Nanokomposιt-Schleιf körn gemäß Anspruch 15,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in der submikronen Al203-Matπx grobe A1203- Kristalle ausgebildet sind.
17. Al203/SiC-Nanokomposit-Schleif körn gemäß An- Spruch 16,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die groben Al203-Kπstalle einen mittleren Durchmesser > 2 μm, bevorzugt > 5 μm, aufweisen.
18. Al203/SiC-Nanokomposit-Schleifkörn gemäß einem der Ansprüche 16 oder 17,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die groben Al203-Kristalle eine längliche Form aufweisen.
19. Al203/SiC-Nanokomposit-Schleifkörn gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 18,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die groben Al203-Kristalle ein Verhältnis Länge zu Breite zwischen 2:1 und 10:1, bevorzugt zwischen 4:1 und 6:1, aufweisen.
20. Verwendung von Al203/SiC-Nanokomposit- Schleifkörnern gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 11 - 19 zur Herstellung von Schleifbändern und Schleifscheiben.
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