DE102020116845B4

DE102020116845B4 - Zirkonkorund-Schleifkörner mit hohem SiO2-Anteil und Verfahren zu deren Herstellung

Info

Publication number: DE102020116845B4
Application number: DE102020116845.4A
Authority: DE
Inventors: Reiner Kunz; Thomas Fuchs; Andreas Hottinger
Original assignee: Imertech SAS
Current assignee: Imertech SAS
Priority date: 2020-06-25
Filing date: 2020-06-25
Publication date: 2024-02-22
Anticipated expiration: 2040-06-26
Also published as: WO2021260094A1; KR20230025478A; DE102020116845A1; BR112022026371A2; EP4172288A1; JP2023532869A; CN116018385A; US20240199932A1

Abstract

Schleifkörner auf Basis von im elektrischen Lichtbogenofen geschmolzenem Al2O3und ZrO2mit einem Gehalt an- Al2O3zwischen 52 und 62 Gew.-%,- ZrO2(+ HfO2) zwischen 35.0 und 45.0 Gew.-%, wobei insgesamt mindestens 80 Gew.-% des ZrO2, bezogen auf den Gesamtgehalt an ZrO2, in der tetragonalen und/oder kubischen Hochtemperaturmodifikation vorliegen,- Kohlenstoff zwischen 0.03 und 0.5 Gew.-%,- reduziertes Titanoxid, ausgedrückt als TiO2, zwischen 1.0 und 4.0 Gew.-%,- Y2O3zwischen 0.2 und 1.5 Gew.-%,- Si-Verbindungen, ausgedrückt als SiO2,von mehr als 0.8 Gew.-% bis 1.5 Gew.-% und- Rohstoff-bedingte Verunreinigungen von weniger als 3 Gew.-%, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohstoffbasis für die Schleifkörner Aluminiumoxid, Baddeleyit und Zirkonsand umfasst, wobei das Verhältnis von Baddeleyit zu Zirkonsand 3:1 bis 1:2 beträgt.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Schleifkörner auf Basis von im elektrischen Lichtbogenofen geschmolzenem Al₂O₃ und ZrO₂ mit einem Gehalt an Al₂O₃ zwischen 52 und 62 Gew.-% und einem Anteil an ZrO₂ (+ HfO₂) zwischen 35 und 45 Gew.-%, wobei die Rohstoffbasis für die Schleifkörner Aluminiumoxid, Baddeleyit und Zirkonsand umfasst. Dabei sollen unter den Begriff Baddeleyit definitionsgemäß sämtliche natürlichen und künstlichen ZrO₂-Konzentrate mit einem Gehalt von mindestens 96 Gew.-% ZrO₂ fallen.
STAND DER TECHNIK
Schleifkörner auf Basis von Zirkonkorund sind seit vielen Jahren bekannt und werden erfolgreich in gebundenen Schleifmitteln oder Schleifmitteln auf Unterlage, insbesondere für die Bearbeitung von hochlegierten Stählen, eingesetzt. Neben dem mikrokristallinen Gefüge haben vor allem auch die Anteile an Hochtemperaturmodifikationen des Zirkonoxids einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Schleifkörner. Dies gilt insbesondere für den sogenannten eutektischen Zirkonkorund, der neben Aluminiumoxid und sonstigen Oxiden, die als Verunreinigungen oder gezielt eingebrachte Additive vorhanden sind, bevorzugt 35 bis 50 Gewichtsprozent Zirkonoxid enthält. Man hat daher in der Vergangenheit immer wieder versucht, die Leistungsfähigkeit des Zirkonkorunds durch eine Verfeinerung des Gefüges und/oder eine Steigerung des Anteils an Hochtemperaturmodifikationen zu verbessern. Während das Gefüge durch effizientes und schnelles Abschrecken der flüssigen Schmelze verbessert werden kann, erreicht man hohe Anteile an Hochtemperaturmodifikationen vor allem durch den gezielten Einsatz von Stabilisatoren, wobei häufig Titanoxid und/oder Yttriumoxid als Stabilisatoren für die Hochtemperaturmodifikationen des Zirkonoxids eingesetzt werden.
Zirkonoxid existiert in drei verschiedenen Modifikationen. Die monokline, bei Raumtemperatur stabile Modifikation wandelt sich bei Temperaturen zwischen ca. 800 und 1200 °C in die tetragonale Modifikation um, die bis ca. 2300 °C stabil ist und dann in die kubische Modifikation übergeht. Die oben genannten Temperaturen gelten für reines Zirkonoxid. In Gemischen oder dotierten Materialien verschieben sich die Temperaturen. Die reversiblen Phasenumwandlungen sind mit Volumenveränderungen verbunden, wobei die tetragonale Hochtemperaturmodifikation das geringste Volumen aufweist. Der Übergang von der tetragonalen zur monoklinen Modifikation, die das größte Volumen aufweist, ist mit einer Volumenvergrößerung von 4.5 % verbunden. Den positiven Einfluss der Hochtemperaturmodifikation im Schleifkorn erklärt sich der Fachmann damit, dass während des Schleifprozesses aufgrund der dabei stattfindenden Wärmeentwicklung eine Phasenumwandlung von tetragonal zu monoklin stattfindet, wobei dann aufgrund der Volumenzunahme Spannungen aufgebaut werden und Mikrorisse entstehen, die das Herausbrechen von kleineren Bereichen begünstigen, wodurch neue Schneidkanten gebildet werden. Dieser Vorgang wird häufig auch als Selbstschärfung bezeichnet.
In der US 5,525,135 A ( EP 0 595 081 B1 ) wird ein Schleifkorn auf Basis von Zirkonkorund beschrieben, bei dem mehr als 90 Gewichtsprozent des Zirkonoxids in der tetragonalen Hochtemperaturmodifikation vorliegen. Die Stabilisierung der Hochtemperaturphase erfolgt in diesem Fall durch die Zugabe von Titanoxid in Gegenwart von Kohle als Reduktionsmittel und anschließendes schnelles Abschrecken der Schmelze. Man geht davon aus, dass die dabei entstehenden reduzierten Titanverbindungen in Form von Suboxiden die Stabilisierung der Hochtemperaturphasen des Zirkonoxids bewirken.
Gegenstand der US 7,122,064 B2 ( EP 1 341 866 B1 ) sind Schleifkörner auf Basis von Zirkonkorund, bei denen die Hochtemperaturphasen des Zirkonoxids ebenfalls mit Titanverbindungen in der reduzierten Form stabilisiert sind. Die in dem Dokument beschriebenen Schleifkörner weisen darüber hinaus einen Gehalt an Siliziumverbindungen zwischen 0.2 und 0.7 Gewichtsprozent, ausgedrückt als SiO₂, auf. Zwar wird die stabilisierende Wirkung der reduzierten Titanverbindungen durch den Zusatz von SiO₂ deutlich gemindert, jedoch wird gleichzeitig auch die Viskosität der Schmelze stark verringert, wodurch das Abschrecken der Schmelze, wobei das flüssige Material zwischen Metallplatten eingegossen wird, erleichtert wird. Das schnelle Abschrecken wirkt sich positiv auf das Gefüge des fertigen Schleifkorns aus und es lässt sich auf diese Weise ein besonders feinkristallines und homogenes Gefüge realisieren, was neben den hohen Anteilen an Hochtemperaturmodifikationen des Zirkonoxids ein weiteres wichtiges Kriterium für die Produktqualität ist.
Die US 4,457,767 A beschreibt wird ein Zirkonkorund-Schleifkorn, das zwischen 0.1 und 2 Gewichtsprozent Yttriumoxid enthält, wobei das Yttriumoxid als Stabilisator für die Hochtemperaturmodifikation des Zirkonoxids eingesetzt wird. Es ist bekannt, dass die stabilisierende Wirkung des Y₂O₃ für die Hochtemperaturphasen des Zirkonoxids stärker ausgeprägt ist die des reduzierten TiO₂, so dass vergleichsweise weniger Y₂O₃ eingesetzt werden muss, um vergleichbare Anteile an Hochtemperaturphasen zu erhalten.
Schleifkörner auf Basis von Zirkonkorund gehören heute immer noch zu den wichtigsten konventionellen Schleifkörnern für die Bearbeitung von Stählen, so dass weltweit große Anstrengungen unternommen werden, die Leistungsfähigkeit dieser Schleifkörner weiter zu verbessern. Eine weitere Steigerung der Anteile an Hochtemperaturmodifikationen allein scheint jedoch keine adäquate Leistungssteigerung mehr zu bewirken. So werden in der WO 2011/141037 A1 Schleiftests mit Zirkonkorund-Schleifkörnern beschrieben, die teilweise ausschließlich Hochtemperaturmodifikationen des Zirkonoxids aufweisen, wobei jedoch im Vergleich zu Schleifkörnern mit ca. 90 Gewichtsprozent Anteilen an Hochtemperaturmodifikationen, bezogen auf den Gesamtanteil an Zirkonoxid, keine verbesserten Schleifleistungen zu erkennen sind. Dagegen wird in der WO 2011/141037 A1 erstmals konsequent zwischen der tetragonalen und kubischen Hochtemperaturphase unterschieden, wobei eine Optimierung der Schleifleistung beschrieben wird, wenn in den Schleifkörnern mehr als 20 Gew.-% des Zirkonoxids in der kubischen Hochtemperaturphase und mehr als 50 Gew.-% des Zirkonoxids in der tetragonalen Hochtemperaturphase vorliegen, jeweils bezogen auf den Gesamtanteil an Zirkonoxid, was durch einen kombinierten Einsatz von Y₂O₃ und TiO₂ als Stabilisatoren in Gegenwart von wenig SiO₂ als Flussmittel erreicht wird.
Die US 2012/0186161 A1 beschreibt ein Schleifkorn auf Basis von geschmolzenem eutektischen Zirkonkorund, das einen Anteil an tetragonaler Zirkonoxidphase von 60 bis 90 Gewichtsprozent aufweist, bezogen auf den Gesamtanteil an Zirkonoxid. Die Phasenverteilung mit relativ geringen Anteilen an tetragonaler Phase wird durch eine chemische Zusammensetzung erreicht, wobei Yttriumoxid und Titanoxid in Gegenwart von SiO₂ mit einem Verhältnis von Y₂O₃/SiO₂ zwischen 0.8 und 2.0 als Stabilisatoren für die Hochtemperaturphase eingesetzt werden. Das Produkt soll aufgrund seiner geringeren Zähigkeit besonders gut für die Bearbeitung von legierten Stählen bei geringem Anpressdruck geeignet sein. Dabei erfolgt die Selbstschärfung des Schleifkorns bereits unter relativ milden Bedingungen, so dass thermische Beschädigungen des Werkstücks vermieden werden können, während gleichzeitig hohe Abtragsleistungen erzielt werden.
Allgemein wird der Gehalt an SiO₂ bei Zirkonkorund-Schleifkörnern immer kritisch gesehen, da das SiO₂ die stabilisierende Wirkung der Additive einschränkt bzw. die Stabilisierung der Hochtemperaturmodifikationen des ZrO₂ behindert. Sämtliche im Stand der Technik beschriebenen leistungsstarken eutektischen Zirkonkorund-Schleifkörner weisen daher einen SiO₂-Anteil von weniger als 0.8 Gew.-% auf. Aufgrund dessen wurden in der Vergangenheit auch immer relativ reine Rohstoffe auf Basis von Al₂O₃ und ZrO₂ eingesetzt, um eine zu starke Verunreinigung mit SiO₂ zu vermeiden. Dabei wurden in erster Linie reines Aluminiumoxid und Baddeleyit eingesetzt, wobei neben den stabilisierenden Additiven, wie TiO₂ und Y₂O₃, Quarzsand oder Zirkonsand als Quelle für die geringen Mengen an SiO₂, die für die Verbesserung der Fließfähigkeit der flüssigen Schmelze benötigt werden, eingesetzt wurden. In der neueren Zeit werden aufgrund des begrenzten Vorkommens an natürlichem Baddeleyit auch künstlich hergestellte ZrO₂-Konzentrate eingesetzt.
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Vor die Aufgabe gestellt, die Produktion von eutektischen Zirkonkorund-Schleifkörnern weiter zu optimieren, wurde auch versucht, kostengünstigere Rohstoffe einzusetzen. So wurden Versuchsreihen gefahren, bei denen neben Baddeleyit vermehrt Zirkonsand, der bisher bei der Herstellung von Zirkonkorund üblicherweise nur als SiO₂-Quelle diente, direkt als Rohstoff für das ZrO₂ im Zirkonkorund eingesetzt wurde. Erwartungsgemäß erhöhte sich dadurch der Anteil des SiO₂ im Produkt, was dann in den meisten Fällen auch zu den ebenfalls erwartenden Produktverschlechterungen führte. Überraschenderweise konnte jedoch bei einer Stabilisierung mit einer Kombination von TiO₂ und Y₂O₃ die Menge an Zirkonsand verdreifacht werden, ohne dass sich die Produktqualität verschlechterte. Da hohe SiO₂-Anteile bis dahin für den Fachmann gleichbedeutend mit einer Produktverschlechterung waren, wurden die Versuche entsprechend häufig wiederholt und variiert, wobei die Rohstoffzusammensetzung für die Schmelze verändert wurde und neben Zirkonsand auch Quarz als SiO₂-Quelle eingesetzt wurde. Dabei zeigte sich, dass bei einer Stabilisierung des ZrO₂ mit einer Mischung aus TiO₂ und Y₂O₃ im Verhältnis von 2:1 bis 4:1 beim erhöhten Einsatz von Zirkonsand als Rohstoffquelle zwar die SiO₂-Anteile im Produkt erhöht wurden, wobei jedoch selbst bei einem Anteil von mehr als 1 Gew.-% SiO₂ im Produkt kein negativer Einfluss auf die Produktqualität festzustellen war. Dagegen zeigten Vergleichsversuche, bei denen der SiO₂-Anteil durch Zugabe von Quarzsand erhöht wurde, während als Rohstoffe Standardrezepturen eingesetzt wurden, stets eine deutliche Verschlechterung der Produktqualität, sobald der SiO₂-Anteil im Produkt mehr als 0.6 Gew.-% betrug. Auch bei einer Stabilisierung der Hochtemperaturmodifikation des Zirkonoxids mit TiO₂ oder Y₂O₃ alleine oder in einem anderen Verhältnis von TiO₂ zu Y₂O₃ als 2:1 bis 4:1 war stets eine Produktverschlechterung festzustellen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind somit Schleifkörner auf Basis von im elektrischen Lichtbogenofen geschmolzenem Al₂O₃ und ZrO₂ mit einem Gehalt an Al₂O₃ zwischen 52 und 62 Gew.-% und ZrO₂ (+ HfO₂) zwischen 35.0 und 45.0 Gew.-%. In den Schleifkörnern liegen insgesamt mindestens 80 Gew.-% des ZrO₂, bezogen auf den Gesamtgehalt an ZrO₂, in der tetragonalen und/oder kubischen Hochtemperaturmodifikation vor. Da die Herstellung der Schleifkörner unter reduzierenden Bedingungen erfolgt, wobei Kohlenstoff als Reduktionsmittel eingesetzt wird, enthalten die Schleifkörner einen Anteil an Kohlenstoff zwischen 0.03 und 0.5 Gew.-%. Die Stabilisierung der Hochtemperaturmodifikationen des Zirkonoxids erfolgt durch Zugabe von Rutil (TiO₂) und Yttriumoxid, so dass die Schleifkörner einen Gehalt an reduziertem Titanoxid, ausgedrückt als TiO₂, zwischen 1.0 und 4.0 Gew.-% und Y₂O₃ zwischen 0.2 und 1.5 Gew.-% aufweisen, wobei das Verhältnis von TiO₂ zu Y₂O₃ 2:1 bis 6:1 beträgt. Daneben weisen die Schleifkörner weniger als 3 Gew.-% Rohstoff-bedingte Verunreinigungen auf. Der Anteil an Si-Verbindungen in den erfindungsgemäßen Schleifkörnern, ausgedrückt als SiO₂, beträgt mehr als 0.8 Gew.-% und bis zu 1,5 Gew.%, vorzugsweise mehr als 1.0 Gew.-%. Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beträgt der Gehalt an SiO₂ 1.1 bis 1.5 Gew.-%. Die Rohstoffbasis für die Schleifkörner umfasst Aluminiumoxid, Baddeleyit und Zirkonsand, wobei das Verhältnis von Baddeleyit zu Zirkonsand 3:1 bis 1:2, vorzugsweise 1.5:1 bis 1: 1.5, beträgt.
Um die Qualität von Schleifkörnern zu beurteilen, werden üblicherweise Schleiftests durchgeführt. Diese Schleiftests sind relativ aufwändig und zeitintensiv. Es ist deshalb in der Schleifmittelbranche üblich, die Qualität von Schleifkörnern vorab anhand von mechanischen Eigenschaften zu beurteilen, die leichter zugänglich sind und als Indizien für das spätere Verhalten im Schleiftest dienen. So wird neben dem bereits eingangs erwähnten Gefüge und den Anteilen an Hochtemperaturmodifikationen insbesondere der Mikrokornzerfall bei einer Mahlung in einer Kugelmühle zu Qualitätsbeurteilung von Schleifkörnern herangezogen.
Mikrokornzerfall (MKZ)
Zur Messung des Mikrokornzerfalls werden 10 g Korund (Körnung 36) in einer mit 12 Stahlkugeln (Durchmesser 15 mm, Gewicht 330-332 g) gefüllten Kugelmühle bei 188 Umdrehungen pro Minute über einen bestimmten Zeitraum vermahlen. Anschließend werden die vermahlenen Schleifkörner 5 Minuten über ein 250 µm Sieb in einer (Siebmaschine Haver Böcker EML 200) gesiebt und der Feinanteil wird ausgewogen.
Der MKZ-Wert ergibt sich aus: $MKZ (%) = \frac{Siebdurchgang 250 μ m}{Gesamteinwaage} \times 100$
Als weiteres Kriterium für die Produktqualität wurde im vorliegenden Fall der Anteil an Hochtemperaturphasen des Zirkonoxids bestimmt, wobei jedoch nicht zwischen der kubischen und tetragonalen Phase unterschieden wurde, sondern lediglich ein beide Phasen umfassender T-Faktor bestimmt wurde.
T-Faktor
Die quantitative Messung des Anteils an Hochtemperaturmodifikationen des ZrO₂, bezogen auf den Gesamtanteil an ZrO₂, wird mit Hilfe eines Röntgendiffraktometers in einem Messbereich 2-Theta zwischen 27.5° und 32.5° durchgeführt. Dabei werden die Anteile an Hochtemperaturphasen (T-Faktor) entsprechend der Gleichung: $T (Gew .-%) = \frac{2 t \times 100}{2 t + m_{1} + m_{2}}$
bestimmt.

t: Intensität des tetragonalen Peaks bei 2-Theta von 30,3°
m1: Intensität des monoklinen Peaks bei 2-Theta von 28,3°
m2: Intensität des monoklinen Peaks bei 2-Theta von 31,5°

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von einigen wenigen ausgesuchten Beispielen ausführlich erläutert, ohne dass darin eine Einschränkung zu sehen ist. Anhand dieser Beispiele sollen in erster Linie einige allgemeine Zusammenhänge in dem Schmelzsystem Al₂O₃/ZrO₂ mit den Stabilisatoren TiO₂ und Y₂O₃ in Gegenwart von SiO₂ als Flussmittel aufgezeigt werden, die dem Fachmann Anhaltspunkte liefern, die Produktion von Schleifkörnern auf Basis von im elektrischen Lichtbogenofen geschmolzenem eutektischem Zirkonkorund zu optimieren, ohne dass es zu einer Verschlechterung der Produkte kommt.
Die Muster für die Untersuchungen wurden auf konventionelle Weise durch Aufschmelzen einer Mischung von Tonerde, Baddeleyitkonzentrat, Zirkonsand und Petrolkoks unter Zusatz von Rutilsand und/oder Y₂O₃ im elektrischen Lichtbogenofen hergestellt. Nach dem vollständigen Aufschmelzen der gesamten Rohstoffmischung wurde die Schmelze gemäß EP 0 593 977 in einen Spalt von ca. 3 bis 5 mm zwischen Metallplatten gegossen. Die so abgeschreckten Zirkonkorundplatten wurden nach dem vollständigen Erkalten in der üblichen Weise mit Backenbrechern, Walzenbrechern, Walzenmühlen oder Kegelbrechern zerkleinert und zu den gewünschten Korngrößenfraktionen ausgesiebt. Beim Vergleichsbeispiel H wurde anstatt Zirkonsand Quarz als SiO₂-Quelle eingesetzt.

In der folgenden Tabelle 1 sind zunächst die Rohstoffe aufgeführt. Bei der Produktzusammensetzung ergibt der Restanteil auf 100 % den Wert für Al₂O₃. Neben den MKZ-Werten und den T-Werten werden die prozentualen Anteile an Zr-Sand in der Rohstoffmischung, die für die angestrebte Produktoptimierung entscheidend sind, noch einmal gesondert aufgeführt. Tabelle 1

Beispiel		A	B	C	D	E	F	G	H

Al₂O₃	kg	350	350	350	350	350	350	350	350
Baddeleyit		230	230	190	190	150	230	190	250
Zr-Sand		50	50	100	100	150	50	100	-
Rutil		20	20	20	20	20	-	-	20
Y₂O₃		-	6	-	6	6	6	6	6
Kohle		20	20	20	20	20	20	20	20
Quarz		-	-	-	-	-	-	-	30
Summe		670	676	680	686	696	656	666	676

Al₂O₃	%	Rest	Rest	Rest	Rest	Rest	Rest	Rest	Rest
ZrO₂		41,5	41.1	40.8	40.5	39.8	42.4	41.8	39.5
TiO₂		3.0	3.2	3.1	2.9	3.2	-	-	2.9
SiO₂		0.4	0.37	1.1	1.1	1.3	0.3	0.72	1.2
Y₂O₃		-	0.9	-	0.82	0.9	1.0	0.98	0.80

MKZ-Wert	%	5.0	4.4	7.0	4.6	5.2	5.9	6.0	8.4

T-Faktor	%	94	98	90	96	97	96	95	88

Zr-Sand	%	8	8	15	15	22	8	15	0

Die Beispiele A und B sind Vergleichsbeispiele und entsprechen kommerziell erhältlichen Produkten, wobei das Zirkonoxid im Vergleichsbeispiel A lediglich mit reduziertem Titanoxid stabilisiert wurde, während im Vergleichsbeispiel B die Stabilisierung der Hochtemperaturmodifikationen mit einer Kombination von Titanoxid und Yttriumoxid erfolgte. Die unterschiedliche Stabilisierung macht sich dann auch in Vergleichsbeispiel B primär im erhöhten T-Wert bemerkbar. Gleichzeitig ist gegenüber dem Vergleichsbeispiel A eine verbesserter MKZ-Wert zu erkennen, der eine verbesserte Schleifleistung erwarten lässt, was sich dann in den folgenden Schleiftests bestätigte. Für beide Vergleichsbeispiele wurden mit 8 Gew.-% die üblichen Mengen an Zirkonsand als SiO₂-Quelle eingesetzt, wobei in den Produkten ein SiO₂-Anteil von 0.4 bzw. 0.37 Gew.-% resultierte.
Das Beispiel C entspricht in Bezug auf die Stabilisierung dem Beispiel A, wobei jedoch der Anteil an Zirkonsand verdoppelt wurde, während der Anteil an Baddeleyit-Konzentrat entsprechend verringert wurde, um insgesamt den Zirkonoxid-Gehalt im Produkt auf einem gleichbleibenden Niveau zu halten. Durch die Verdoppelung des Zirkonsands erhöht sich der SiO₂-Anteil im Produkt auf 1.1 Gew.-%. Der MKZ-Wert liegt mit 6.9 im Bereich des Wertes für das Produkt A. Das Beispiel D ist wie Beispiel B mit einer Kombination aus TiO₂ und Y₂O₃ stabilisiert, wobei wie in Beispiel C der Anteil an Zirkonsand erhöht wurde. Im Produkt D wurde ein entsprechender SiO₂ Anteil von 1.1 Gew.-% gemessen. Der MKZ-Wert liegt mit 4.6 erstaunlich niedrig und lässt eine ansprechende Schleifleistung erwarten.
Eine weitere Erhöhung des Anteils an Zirkonsand in der Rohstoffmischung wurde in Beispiel E realisiert, wobei Baddeleyit und Zirkonsand im Verhältnis 1:1 eingesetzt wurde. Um den Zirkonoxid-Anteil im Produkt E auf einem vergleichbaren Niveau zu halten, wurde der Baddeleyit -Anteil entsprechend reduziert. Damit enthielt die Rohstoffmischung insgesamt 22 Gew.-% Zirkonsand. Das Produkt E hatte einen SiO₂-Anteil von 1.3 Gew.-% und zeigte einen MKZ-Wert von 5.0.
Das Beispiel F ist ein weiteres Vergleichsbeispiel mit einem konventionellen Anteil an Zirkonsand, wobei die Stabilisierung der Hochtemperaturmodifikationen des Zirkonoxids allein mit Y₂O₃ erfolgte. Der T-Faktor und der MKZ-Wert sind vergleichbar mit den Werten, die für Produkt A gefunden wurden, was möglicherweise als Indiz dafür gesehen werden kann, dass der Typ des Stabilisators eine untergeordnete Rolle spielt, wenn lediglich eine Sorte von Stabilisator eingesetzt wird. Beispiel G, bei dem im Vergleich zu Beispiel F nun der Anteil an Zirkonsand verdoppelt wurde, zeigt eine Verschlechterung der Kennzahlen, die aber im Vergleich zu der Einzelstabilisierung mit TiO₂ in Beispiel C relativ gering ausfällt. Das Vergleichsbeispiel H entspricht in Bezug auf die Stabilisierung den Beispielen B, D und E, allerdings wurde als SiO₂-Quelle ausschließlich Quarz eingesetzt. Der Zirkonoxidanteil im Produkt wurde durch einen erhöhten Einsatz an Baddeleyit eingestellt. Bei dem Produkt H ist der negative Einfluss des hohen SiO₂-Anteils auf die Produktqualität deutlich an den Kennzahlen (MKZ-Wert, T-Faktor) zu sehen, was sich dann im Folgenden auch bei den Schleiftests manifestiert. Darüber hinaus wurden bei Anschliffen des Produktes H im Rasterelektronenmikroskop (REM) eine deutlich erhöhte Porosität mit hohen Anteilen an Mikro- und Makroporen festgestellt, was als weiterer Grund für die schlechten Ergebnisse bei den Schleiftests zu Anschliffe angesehen werden kann.
SCHLEIFTEST 1 (TRENNSCHEIBENTEST)
Für den Trennscheibentest wurden Trennscheiben der Spezifikation R-T1 180x3x22.23 gewählt. Dazu wurde zunächst eine Pressmischung aus 75 Gew.-% Zirkonkorund, 5 Gew.-% Flüssigharz, 12 Gew.-% Pulverharz der Firma HEXION speciality chemicals GmbH, 4 Gew.-% Pyrit und 4 Gew.-% Kryolith hergestellt. Zur Herstellung der Scheiben wurden 160 g der Pressmischung auf handelsüblichem Gewebe eingeformt und bei 200 bar gepresst und dann nach Angaben des Harzherstellers ausgehärtet.
Für den Trenntest selber wurden runde Stangen aus Rostfrei Stahl (CrNi) mit einem Durchmesser von 20 mm eingesetzt. Die Trennoperationen wurden mit einer Scheibendrehzahl von 8.000 Umdrehungen pro Minute bei einer Schnittzeit von 3 Sekunden durchgeführt. Nach 20 Schnitten wurde der Scheibenverlust anhand der Abnahme des Durchmessers der Scheiben bestimmt. Aus dem Quotienten von Materialabtrag und Scheibenverlust wurde dann das G-Verhältnis bestimmt.

Trennscheiben: 180 x 3 x 22,23 mm

Körnungen: F24 (40%); F30 (40%); F36 (30%)

Werkstoff: Cr-Ni Edelstahlstäbe, Durchmesser 20mm

Schleifmaschine: Fein WSB 25-180 X, Drehzahl 8000 rpm
Testmethode:
Zur Konditionierung des Systems erfolgten vorab 3 Trennschnitte. Danach wurde der Startdurchmesser der Scheiben bestimmt. Nach 40 weiteren Trennschnitten wurde der Enddurchmesser der Scheiben bestimmt. Die Leistung der Körnungen wurde durch Bestimmung der Abnahme des Scheibendurchmessers nach den 40 Trennschnitten bestimmt.
Je Körnung wurden 3 Scheiben hergestellt und getestet.

Die nachfolgende Tabelle 2 zeigt die Durchschnittswerte der jeweils 3 Trennscheiben. Tabelle 2

Testkörnung gemäß Beispiel	Durchmesser Start (mm)	Durchmesser Ende (mm)	Durchmesser Differenz (mm)	Leistung (%)
A	179,4	175,2	4,2	100 %
B	179,8	176,3	3,5	120 %
C	179, 3	174,7	4,6	91 %
D	179,5	176,0	3,5	120 %
E	179,4	175,8	3,6	117 %
F	179,4	175,1	4,3	98 %
G	179,2	174,9	4,4	96 %
H	179,0	173,9	5,1	82 %

SCHLEIFTEST 2 (TRENNSCHEIBENTEST)
Mit den hergestellten Körnungen (Beispiele A bis H gemäß Tabelle 1) wurden handelsübliche kunstharzgebundene und glasfaserverstärkte Trennscheiben hergestellt und getestet:

Trennscheiben: 125 x 1,2 x 22,23 mm

Körnung: F46 (60%); F60 (40%)

Werkstoff: Edelstahlstäbe, Durchmesser 20mm

Schleifmaschine: Fein WS 14 1, 2kW, Drehzahl ca. 10.000 rpm
Testmethode:
Zur Konditionierung des Systems erfolgten vorab 3 Trennschnitte. Danach wurde der Startdurchmesser der Scheiben bestimmt. Nach 25 weiteren Trennschnitten wurde der Enddurchmesser der Scheiben bestimmt.
Die Leistung der Körnungen wurde durch Bestimmung der Abnahme des Scheibendurchmessers nach den 25 Trennschnitten bestimmt.

Je Körnung wurden 3 Scheiben hergestellt und getestet. Tabelle 3

Testkörnung gemäß Beispiel	Durchmesser Start (mm)	Durchmesser Ende (mm)	Durchmesser Differenz (mm)	Leistung (%)
A	124,0	112,9	11,1	100 %
B	124,1	114,8	9,3	119 %
C	123,9	111,8	12,1	92 %
D	124,2	114,9	9,3	119 %
E	124,3	114,9	9,4	118 %
F	124,2	113,2	11,0	101%
G	123,9	112,3	11,6	96 %
H	123,6	110,4	13,2	84 %

SCHLEIFTEST 3 (SCHLEIFBAND)
Mit den hergestellten Körnungen (Beispiele A bis H gemäß Tabelle 1) wurden handelsübliche Schleifbänder auf einem imprägnierten Polyester/Baumwoll-Mischgewebe mittels elektrostatischer Streuung hergestellt.

Schleifband: Länge 2000 mm Breite 50 mm

Korngrösse: NP 40

Kornbelegung: siehe unten

Die Schleifbänder wurden zum Schleifen der Stirnseite von Edelstahlstäben eingesetzt.

Werkstück:	Edelstahlstab (CrNi-Stahl) Durchmesser 20mm
Kontaktscheibe:	Durchmesser 250 mm, Härte 90 shore
Anpresskraft:	68,7 Newton
Schnittgeschwindigkeit:	30 m/s
Schleifzyklus:	10 Sekunden Schleifphase - 20 Sekunden Kühlphase

Die Leistung der Körnungen in den Bändern wurde durch die Gesamtabtragsleistung nach 24 Schleifzyklen bei einer Gesamtschleifzeit von 12 min bestimmt. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle 4 zusammengefasst. Tabelle 4

Testkörnung gemäß Beispiel	Streudichte (g/m²)	Materialabtrag (g)	Leistung (%)
A	593	582,3	100 %
B	588	696,3	119 %
C	596	541,6	93 %
D	591	694,3	119 %
E	582	687,2	118 %
F	589	583,9	100 %
G	592	580,0	99 %
H	594	474,8	81 %

Wie aus den Schleiftests in den Tabellen 2 bis 4 ersichtlich, wird mit den Beispielen D und E im Vergleich zum Vergleichsbeispiel B keine Leistungssteigerung erreicht. Vielmehr besteht die Produktoptimierung darin, dass bei der getroffenen Auswahl, dem Verhältnis und der Mengen an Stabilisatoren der Anteil des kostengünstigen Zirkonsands in der Rohstoffmischung im Vergleich zum Stand der Technik (Vergleichsbeispiel B) erhöht werden kann, ohne dass es zu Leistungseinbußen kommt. Kostengünstiger Zirkonsand ersetzt dabei teilweise den teuren und knapp werdenden Rohstoff Baddeleyit bzw. die künstlichen ZrO₂-Konzentrate. Die Kosteneinsparungen liegen, bezogen auf die Rohstoffe Baddeleyit zu Zirkonsand, bei ca. 30% und, bezogen auf das fertige Produkt (Schleifkörner), bei ca. 8 bis 10 %, was angesichts des hart umkämpften Schleifmittelmarktes ein enormer Wettbewerbsvorteil bedeutet.

Claims

Schleifkörner auf Basis von im elektrischen Lichtbogenofen geschmolzenem Al₂O₃ und ZrO₂ mit einem Gehalt an - Al₂O₃ zwischen 52 und 62 Gew.-%, - ZrO₂ (+ HfO₂) zwischen 35.0 und 45.0 Gew.-%, wobei insgesamt mindestens 80 Gew.-% des ZrO₂, bezogen auf den Gesamtgehalt an ZrO₂, in der tetragonalen und/oder kubischen Hochtemperaturmodifikation vorliegen, - Kohlenstoff zwischen 0.03 und 0.5 Gew.-%, - reduziertes Titanoxid, ausgedrückt als TiO₂, zwischen 1.0 und 4.0 Gew.-%, - Y₂O₃ zwischen 0.2 und 1.5 Gew.-%, - Si-Verbindungen, ausgedrückt als SiO₂,von mehr als 0.8 Gew.-% bis 1.5 Gew.-% und - Rohstoff-bedingte Verunreinigungen von weniger als 3 Gew.-%, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohstoffbasis für die Schleifkörner Aluminiumoxid, Baddeleyit und Zirkonsand umfasst, wobei das Verhältnis von Baddeleyit zu Zirkonsand 3:1 bis 1:2 beträgt.
Schleifkörner nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohstoffbasis für die Schleifkörner Aluminiumoxid, Baddeleyit und Zirkonsand umfasst, wobei das Verhältnis von Baddeleyit zu Zirkonsand von 1.5:1 bis 1:1.5 beträgt.
Schleifkörner nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Si-Verbindungen in den Schleifkörnern, ausgedrückt als SiO₂, mehr als 1.0 Gew.-% beträgt.
Schleifkörner nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an Si-Verbindungen in den Schleifkörnern, ausgedrückt als SiO₂, 1.1 bis 1.5 Gew.-% beträgt.
Schleifkörner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von TiO₂ zu Y₂O₃ 2:1 bis 6:1 beträgt.
Verfahren zur Herstellung von Schleifkörnern nach einem der Ansprüche 1 bis 5, umfassend die Schritte: - Mischen der Ausgangsmaterialien für Schleifkörner mit einem Gehalt an a) Al₂O₃ zwischen 52 und 62 Gew.-%, b) ZrO₂ (+ HfO₂) zwischen 35.0 und 45.0 Gew.-%, wobei insgesamt mindestens 80 Gew.-% des ZrO₂, bezogen auf den Gesamtgehalt an ZrO₂, in der tetragonalen und/oder kubischen Hochtemperaturmodifikation vorliegen, c) Si-Verbindungen, ausgedrückt als SiO₂, von mehr als 0.8 Gew.-% bis 1,5 Gew.%, d) Kohlenstoff zwischen 0.03 und 0.5 Gew.-%, e) reduziertes Titanoxid, ausgedrückt als TiO₂, zwischen 1.0 und 4.0 Gew.-%, f) Y₂O₃ zwischen 0.2 und 1.5 Gew.-%, wobei das Verhältnis von TiO₂ zu Y₂O₃ 2:1 bis 6:1 beträgt und g) Rohstoff-bedingte Verunreinigungen von weniger als 3 Gew.-%, - Schmelzen der Mischung in einem elektrischen Lichtbogenofen, - Abschrecken der geschmolzenen Mischung, um ein festes Produkt zu erhalten und - Zerkleinern des festen Produktes und anschließendes Aussieben, um Schleifkörner zu erhalten, dadurch gekennzeichnet, dass die Rohstoffbasis für die Schleifkörner Aluminiumoxid, Baddeleyit und Zirkonsand umfasst, wobei das Verhältnis von Baddeleyit zu Zirkonsand 3:1 bis 1:2 beträgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Baddeleyit zu Zirkonsand 1.5:1 bis 1:1.5 beträgt.