DE69612996T2

DE69612996T2 - Verfahren zur herstellung von mit metallkarbid oder metallnitrid beschichtetem aluminiumoxid-schleifkorn

Info

Publication number: DE69612996T2
Application number: DE69612996T
Authority: DE
Inventors: D. Allen; Ahmet Celikkaya
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1995-11-22
Filing date: 1996-03-26
Publication date: 2002-04-04
Anticipated expiration: 2016-03-27
Also published as: AU5526596A; WO1997020011A1; EP0863959A1; DE69612996D1; EP0863959B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schleifkorn auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis mit einer Metallkarbid- oder Metallnitridbeschichtung darauf.
In der gesamten Schleifindustrie möchte man ein Schleifkorn erzeugen, das eine, gegenüber dem gegenwärtig verfügbaren Schleifkorn, verbesserte Schleifwirkung besitzt.
Diamant und kubisches Bornitrid (CBN) sind seit langem als Schleifteilchen oder Korn mit sehr guter Schleifwirkung bekannt. Unglücklicherweise sind diese Körner relativ teuer.
Was man möchte, ist ein Schleifkorn, das hohe Leistungsmerkmale besitzt, aber dennoch relativ preiswert ist. Ein Ansatz besteht darin, eine Hochleistungsbeschichtung auf den Kern eines kostengünstigen Schleifkorns aufzubringen. Zum Beispiel lehrt US-A- 4,505,720 (Gabor et al.) das Beschichten eines Siliciumkarbid-Schleifkorns mit einem harten, widerstandsfähigen Material, umfassend das chemische Aufdampfen von Metallnitrid oder Metallkarbid. Unglücklicherweise sind chemische Aufdampfverfahren im Allgemeinen mit hohen Verfahrenskosten verbunden.
Nach anderen Quellen wurden Aluminiumoxid und nicht-oxidisches Schleifkorn mit Karbiden (einschließlich Siliciumkarbid und Borkarbid), Nitriden (einschließlich Bornitrid) und Boriden beschichtet (vergl. z. B. US-A-3,520,667 (Taylor), US-A- 4,606,738 (Hayden), US-A-5,085,671 (Martin et al.), US-A-5,090,969 (Oki et al.) und US- A-5,106,392 (Slutz et al.)).
Des Weiteren gibt es zahlreiche Stellen, die ein Schleifkorn mit einer Metalloxid- Beschichtung darauf offenbaren (vergl. z. B. US-A-2,404,598 (Sachse), US-A-4,278,449 (Helletsberger), US-A-4,913,708 (Kalinowski), US-A-5,011,508 (Wald et al.), US-A- 5,131,926 (Rostoker et al.) und US-A-5,213,591 (Celikkaya et al.), PCT Anmeldung Nr. PCT/US93/06784 mit der Internationalen Veröffentlichungs-Nr. WO 94/02561, veröffentlicht am 3. Februar 1994 und JP 2-97457, veröffentlicht am 10. April 1990).
Es besteht jedoch noch immer Entwicklungsbedarf für Schleifkorn mit einem relativ preiswerten Basisteilchen und einer Hochleistungsbeschichtung darauf.
Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Herstellung eines Schleifkorns auf Alpha-Aluminumoxid-Basis zur Verfügung, umfassend das Erhitzen einer Vielzahl von Schleifteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis, von denen jedes eine äußere, Metalloxid enthaltende Oberfläche besitzt, in Gegenwart einer Kohlenstoffquelle (z. B. einer teilchenförmigen Kohlenstoffquelle), für eine Zeit, bei einer Temperatur und in nicht- oxidierender Atmosphäre, die ausreichen, um wenigstens einen Teil des Metalloxids in Metallkarbid umzuwandeln.
Unter einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Schleifkorns auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis zur Verfügung, umfassend das Erhitzen einer Vielzahl von Schleifteilchen auf Alpha-Aluminumoxid-Basis, von denen jedes eine äußere, Metalloxid enthaltende Oberfläche besitzt, in Gegenwart einer Kohlenstoffquelle (z. B. einer teilchenförmigen Kohlenstoffquelle), für eine Zeit, bei einer Temperatur und in nicht-oxidierender, stickstoffhaltiger Atmosphäre (z. B. Stickstoff, Ammoniak und Kombinationen, obwohl andere stickstoffhaltige Atmosphären auch brauchbar sein können), die ausreichen, um wenigstens einen Teil des Metalloxids in Metallnitrid umzuwandeln.
Was die Metallkarbid-Beschichtungen betrifft, wird/werden das/die Metalloxid(e) typischerweise aus der Gruppe der Oxide von Titan, Zirkonium, Aluminium, Chrom, Silicium, Vanadium, Tantal, Hafnium, Niob und Kombinationen davon ausgewählt.
Was die Metallnitrid-Beschichtungen betrifft, wird/werden das/die Metalloxid(e) typischerweise aus der Gruppe der Oxide von Titan, Zirkonium, Aluminium, Chrom, Bor, Silicium, Vanadium, Tantal, Hafnium, Niob und Kombinationen davon ausgewählt.
In dieser Anmeldung bezieht sich
"Schleifteilchen auf Aluminiumoxid-Basis" auf ein Schleifkorn, das zu wenigstens 50 Gew.-% Aluminiumoxid ist, berechnet auf Al&sub2;O&sub3; als theoretische Oxidbasis;
"Schleifteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis" auf ein Schleifkorn auf Aluminiumoxid-Basis, das wenigstens 50 Gew.-% Alpha-Aluminiumoxid umfasst, berechnet auf Al&sub2;O&sub3; als theoretische Oxidbasis;
"gesintertes Keramikschleifteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis " auf ein gesintertes, polykristallines Schleifteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis mit einer Dichte größer als 90% des theoretischen Wertes; und
"Kohlenstoffquelle" auf Quellen von Kohlenstoff (z. B. Kohlepulver, Graphit und Koks), und organische Verbindungen (einschließlich organischer Verbindungen als Oberflächenbeschichtungen auf Schleifteilchen), die bei der Pyrolyse in nicht-oxidierender Atmosphäre Kohlenstoff liefern.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen:

Fig. 1 ist eine fragmentarische, schematische Darstellung eines beschichteten Schleifgegenstandes im Querschnitt;
Fig. 2 ist eine perspektivische Darstellung eines gebundenen Schleifgegenstandes;
Fig. 3 ist eine vergrößerte schematische Darstellung eines offenkettigen Schleifgegenstandes.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Schleifteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis (vorzugsweise gesinterte polykristalline Schleifteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis), von denen jedes eine Metallkarbid- oder Metallnitrid- Beschichtung besitzt.
Geeignete Schleifteilchen auf Alpha-Aluminumoxid-Basis zur Herstellung des Schleifkorns schließen geschmolzenes Aluminiumoxid und Keramikschleifteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis ein. Geschmolzene Aluminiumoxide schließen wärmebehandeltes Aluminiumoxid (erhältlich zum. Beispiel von der Treibacher GmbH, Treibach, Deutschland, unter dem Markennamen "BFRPL"), braunes Aluminiumoxid (erhältlich zum Beispiel von der Treibacher GmbH unter dem Markennamen "EPL"), weißes geschmolzenes Aluminiumoxid, rosafarbenes Aluminiumoxid und Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid (erhältlich zum Beispiel von Norton Company, Worcester, MA unter dem Markennamen "NorZon") ein. Natürlich vorkommendes Aluminiumoxid, bekannt als Korund, ist in dem erfindungsgemäßen Verfahren ebenfalls brauchbar.
Die Teilchengröße der Schleifteilchen liegt typischerweise im Bereich von 10 bis 3000 Mikrometer, noch typischer bei 100 bis 1000 Mikrometer. Unter einem anderen Aspekt ist eine solche Teilchengröße der Schleifteilchen bevorzugt, die ausreicht, um ANSI Grade von 24 bis 80 zu liefern.
Keramikschleifteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis können zum Beispiel mittels eines Sol-Gel- oder eines Pulververfahren hergestellt werden. Bei einem typischen Sol- Gel-Verfahren wird Alpha-Aluminiumoxid Monohydrat (im Allgemeinen Böhmit) in Wasser dispergiert um ein Sol zu liefern, das dann geliert, getrocknet, zerkleinert, typischerweise gebrannt und gesintert wird, um polykristalline Schleifteilchen auf Alpha- Aluminiumoxid-Basis zu liefern. Schleifteilchen, die sich von Sol-Gel-Verfahren ableiten, schließen diejenigen ein, die unter den Markennamen "CUBITRON" von der 3M Company, St. Paul, MN, und "SG" von der Norton Company erhältlich sind. Letztere sind von der Norton Company in Form beschichteter und gebundener Schleifprodukte erhältlich.
Schleifteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis können auch nach Löseverfahren hergestellt werden. Zum Beispiel können solche Teilchen im Allgemeinen aus einer Aluminiumsalzlösung, wie Aluminiumformoacetat (AFA) hergestellt werden, die geliert, getrocknet, zerkleinert, vorzugsweise gebrannt und gesintert wird.
Alternativ können Keramikschleifteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis nach anderen Verfahren als dem Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden, wie sie zum Beispiel in US-A-4,786,292 (Janz et al.), PCT Anmeldung Nr. PCT/US94/12765, mit der Internationalen Veröffentlichungs-Nr. WO 95/13251, veröffentlicht am 18. Mai 1995, und der U.K. Patent Anmeldung GB 2,186,585, veröffentlicht am 19. August 1987, gelehrt werden.
Weitere Einzelheiten zur Herstellung gesinterter polykristalliner Keramikschleifteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis werden nachstehend beschrieben.
Das Metalloxid auf der äußeren Oberfläche der Schleifteilchen auf Aluminiumoxid- Basis kann nach einer Reihe von Verfahren erhalten werden, einschließlich den nachstehend erörterten. Geeignete Metalloxide schließen die Oxide von Titan, Zirkonium, Aluminium, Chrom, Vanadin, Tantal, Hafnium, Niob und Kombinationen davon ein. Für Zwecke der vorliegenden Erfindung soll sich Metalloxid auch auf Siliciumdioxid beziehen.

Bevorzugte gesinterte Keramikschleifteilchen auf Aluminiumoxid-Basis

Das Basisteilchen

Geeignete Basisteilchen können nach Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden, wie zum Beispiel in US-A-4,881,951 (Wood et al.), US-A-4,770,671 (Monroe et al.), US-A- 4,744,802 (Schwabel), US-A-4,574,003 (Gerk), US-A-4,314,827 (Leitheiser et. al.), US-A- 4,964,883 (Morris et al.), US-A-5,201,916 (Berg et al.) und US-A-4,623,364 (Cottringer et al.) offenbart.
Die Vorstufen der Teilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis werden vorzugsweise durch ein Sol-Gel-Verfahren unter Verwendung einer Dispersion hergestellt, die 2 bis 60 Gew.-% Alpha-Aluminiumoxid Monohydrat (typischerweise Böhmit) umfasst, obwohl auch andere Hydrate verwendet werden können. Die Gewichtsprozente beziehen sich auf das Gesamthydrat plus den flüssigen Träger, ohne Berücksichtigung von Hilfsstoffen und Additiven. Böhmit kann nach verschiedenen herkömmlichen Verfahren hergestellt oder im Handel erworben werden. Ein geeigneter Böhmit ist zum Beispiel im Handel unter den Markennamen "DISPERAL" von der Condea Chemie GmbH, Hamburg, Deutschland, und "DISPAL" von der Vista Chemical Co., Houston, TX. erhältlich. Diese Aluminiumoxid Monohydrate liegen in der Alpha-Form vor, sind relativ rein (enthalten relativ wenig andere Hydratphasen als Monohydrat, wenn überhaupt) und besitzen eine große Oberfläche. Der typische und bevorzugte flüssige Träger ist entmineralisiertes Wasser.
Ein Peptisierungs- oder Dispergiermittel kann in der Böhmit-Dispersion verwendet werden, um ein stabileres Hydrosol oder eine stabilere kolloidale Dispersion zu erzeugen. Einbasische Säuren, die als Peptisierungsmittel verwendet werden können, schließen Essig-, Salz-, Ameisen- und Salpetersäuren ein. Salpetersäure ist bevorzugt. Mehrbasische Säuren sind normalerweise zu vermeiden, da sie die Dispersion rasch gelieren lassen, was die Handhabung und das Einmischen zusätzlicher Komponenten erschwert. Manche kommerziellen Quellen von Böhmit enthalten einen Säuretiter (z. B. Essig-, Ameisen- oder Salpetersäure), um die Bildung einer stabilen Dispersion zu unterstützen.
Zur Dispersionsherstellung werden im allgemeinen mechanische Mischer, wie Kugelmühlen, Gesteinsmühlen, Reibradmühlen oder Niedrigscherkraftmischer eingesetzt. Wahlweise kann Ultraschallenergie als Hilfsmittel beim Mischen der Dispersion verwendet werden.
Der Dispersion kann ein Entschäumer zugesetzt werden, um die Reduktion von Blasen- und Schaumbildung zu unterstützen. Übliche Entschäumer schließen Alkohole ein.
Die Böhmit-Dispersion enthält gegebenenfalls die Vorstufe eines oxidischen Modifizierungsmittels (z. B. Oxide von Magnesium, Zink, Kobalt, Nickel, Zirkonium, Hafnium, Eisen, Lithium, Silicium, Mangan, Chrom, Yttrium, Kalzium, Natrium, Strontium, Praseodym, Cer, Samarium, Ytterbium, Neodym, Lanthan, Gadolinium, Dysprosium, Erbium, Titan und Gemische davon), die gewisse, erwünschte Eigenschaften der gesinterten Schleifteilchen verbessern oder die Wirksamkeit eines nachfolgenden Verfahrensschrittes (z. B. der Sinterstufe) erhöhen. Solche Vorstufen werden im Allgemeinen in Form eines Salzes (typischerweise ein Metallsalzmaterial) eingebracht, das im flüssigen Träger der Dispersion löslich ist. Typischerweise ist die Vorstufe ein wasserlösliches Metallsalz.
Die Dispersion kann einen Keimbildner enthalten, um die Umwandlung der Alpha- Aluminiumoxid-Vorstufe in Alpha-Aluminiumoxid zu steigern. Geeignete Keimbildner schließen feinteiliges Alpha-Aluminiumoxid oder kleine Teilchen oder Vorstufen von Alpha-Eisenoxid, Chromoxid, Titanaten und jedes andere Material, das die Umwandlung animpft ein. Keimbildner sind zum Beispiel in US-A-4,744,802 (Schwabel), US-A- 4,964,883 (Morris et al.) und US-A-5,219,806 (Wood) offenbart.
Wegen zusätzlicher Einzelheiten bezüglich des Einbringens von Manganoxid und Vorstufen davon in die Dispersion siehe PCT Anmeldung Nr. PCT/US93/12441 mit der Internationlen Veröffentlichungs-Nr. WO 94/14722, veröffentlicht am 7. Juli 1994.
Die Dispersion kann auf jedem geeigneten Weg hergestellt werden. Die Dispersion kann zum Beispiel hergestellt werden, indem Aluminiumoxid Monohydrat, die optionalen Additive und Wasser als Träger einfach in eine Kugelmühle oder in eine andere zufriedenstellende Mischvorrichtung eingebracht und gemischt werden, bis die resultierende Dispersion brauchbar ist. Wenn sich die Dispersion gebildet hat, wird sie anschließend geliert und/oder getrocknet (d. h. entwässert). Das Gel kann mit jedem herkömmlichen Verfahren erzeugt werden, wie durch Zugabe eines gelösten oder dispergierten metallhaltigen Modiflzierungmittels (z. B. Magnesiumnitrat), oder das Sol kann wenigstens teilweise entwässert werden, um ein Gel zu bilden. Zu den gebräuchlichen Entwässerungsverfahren gehören die Trocknung in einem Ofen oder bei Umgebungsbedingungen, das Anlegen eines Vakuums, Dekantieren, Filtrieren und Abpressen. Verfahren, wie die Gefriertrocknung, die Flüssigextraktion oder die Verwendung superkritischer Flüssigkeiten sind ebenfalls geeignete Mittel zur Entwässerung der Dispersion. Die Trocknung unter Druck bei etwa 100ºC oder durch Hochdruckentwässerungsverfahren (wie Filtration mittels Hochdruckfilterpressen oder Hochdruckkerzenfilter) sind ebenfalls brauchbar.
Wenn die resultierenden, gesinterten Keramikteilchen auf Apha-Aluminumoxid-Basis Zirkoniumoxid und/oder Ceroxid enthalten sollen, besteht ein bevorzugtes Verfahren zur Einführung von Zirkoniumoxid und/oder Ceroxid darin, Zirkoniumoxid- und/oder Ceroxidteilchen der Alpha-Aluminiumoxid Monohydrat Dispersion vor der Gelierung zuzusetzen. Diese Stoffe können der Dispersion als Sol oder als feines Pulver zugesetzt werden. Wegen zusätzlicher Einzelheiten, betreffend solche Zirkoniumoxid- und Ceroxidzusätze, siehe die parallel anhängige PCT Anmeldung Nr. PCT/US93/08988 mit der Internationalen Veröffentlichungs-Nr. WO 94/07809, veröffentlicht am 14. April 1994.
Das Gel oder das teilweise entwässerte Gel kann geformt oder in unregelmäßig geformte Teilchen zerkleinert werden. Um gesinterte Schleifteilchen zum Beispiel in Form eines Stäbchens, Dreiecks, einer Pyramide, Scheibe, eines Diamants, Konus oder in ähnlicher Gestalt zu erzeugen, kann die Formung des Gels mittels herkömmlicher Verfahren erreicht werden, wie Pressen, Formen, Gießen, Extrudieren oder Schneiden, oder irgendeine Kombination solcher Schritte in Verbindung mit Trocknung.
Stäbchen haben ein Abmessungsverhältnis (d. h. Länge zu Breite) von etwa eins zu eins, und können ein Abmessungsverhältnis von drei zu eins, fünf zu eins und größer haben. Verfahren zur Herstellung von stäbchen- und fadenförmigen Teilchen werden zum Beispiel die US-A-5,090,968 (Pellow) gelehrt.
Dreiecke, Rechtecke oder andere Teilchen mit grundsätzlich ebenen, durch eine Dicke getrennte Frontseiten, weisen typischerweise ein Verhältnis der kürzesten Frontseitenabmessung zur Teilchendicke von etwa eins zu eins, zwei zu eins, sechs zu eins und größer auf. Solche geformten Schleifteilchen werden zum Beispiel in US-A-5,201,916 (Berg et al.) und US-A-5,366,523 (Rowenhorst et al.) gelehrt.
Weiterhin werden unregelmäßig gestaltete Schileifkornprodukte zum Beispiel günstig durch Zerkleinern des getrockneten Gel bis zur gewünschten Teilchengröße erzeugt. Zu den gebräuchlichen Zerkleinerungsverfahren gehören das Mahlen mit der Walzmühle, Kugelmühle und Hammermühle.
Lufttrocknungsschritte können verwendet werden, um Wasser sowohl aus dem geformten, als auch aus dem ungeformten Gel zu entfernen. Trocknung kann zum Beispiel in einem Umluftofen bei einer Temperatur im Bereich von 50ºC bis 200ºC, vorzugsweise zwischen 100ºC und 150ºC, erreicht werden. Im Allgemeinen wird die Trocknung durchgeführt, bis das getrocknete Gel 1 bis 40 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 20 Gew.-%, freies Wasser enthält.
Das getrocknete Gel wird typischerweise gebrannt, um jede Spur von Wasser oder Lösungsmittel zu entfernen. Während des Brennens wird das getrocknete Gel im Allgemeinen auf eine Temperatur im Bereich von 400ºC bis 1000ºC, vorzugsweise von 400ºC bis 800ºC erhitzt. Das getrocknete Gel wird in diesem Temperaturbereich gehalten, bis das freie Wasser und vorzugsweise über 90 Gew.-% irgendwelcher gebundener flüchtiger Stoffe entfernt sind. Enthält das getrocknete Gel eine Modifizierungsmittelvorstufe, wird das getrocknete Gel vorzugsweise während eines Zeitraums gebrannt, der ausreicht um eine im wesentlichen vollständige Umwandlung der Modifizierungsmittelvorstufe zum Metalloxid zu erzielen.

Umwandlung der Basisteilchen in Teilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis

Die vorstehend beschriebenen Basisteilchen können durch eine oder mehrere Wärmebehandlungen in gesinterte Keramikschleifteilchen aus Alpha-Aluminiumoxid- Basis umgewandelt werden.
Um die physikalischen Eigenschaften von Teilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis (d. h. ihre Dichte, Härte und/oder Zähigkeit zu erhöhen) und/oder die Übereinstimmung zwischen unterschiedlichen Schleifteilchen zu verbessern, können die Basisteilchen mit verschiedenen Stoffen imprägniert werden. Des Weiteren können, um die Oberfläche der Basisteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis bezüglich der Haftung an einen Binder zu verbessern und/oder um eine größere Oberfläche für die Bindung von Schleifhilfsmitteln zu schaffen, die Basisteilchen mit anorganischen Teilchen in jeder denkbaren Weise, beschichtet werden.

Imprägnierung der Basisteilchen mit Modifizierungsmittel

Allgemeine Verfahren zur Imprägnierung von Teilchen aus getrockneten Aluminiumoxidhydrat Dispersionen sind zum Beispiel in US-A-5,164,348 (Wood) beschrieben.
Im Allgemeinen ist das Material der Basisteilchen (welches ein gebranntes oder ungebranntes Material sein kann) porös. Zum Beispiel weist eine Basisteilchenmaterial im allgemeinen Poren von 5-10 Nanometer im Durchmesser auf, die sich von der äußeren Oberfläche nach Innen ausbreiten. Die Imprägnierung der Poren mit einem Imprägniermittel, umfassend eine geeignete Modifizierungsmittelvorstufe und ein flüssiges Medium, sorgt für eine Erhöhung der Dichte und kann die Zähigkeit des gesinterten Teilchens auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis verbessern. Das Modifizierungsmittel zur Imprägnierung (d. h. das Imprägniermittel) ist im Allgemeinen eine Vorstufe eines Metalloxids, das in Form eines oder mehrerer Salze eines Metalls (z. B. ein Nitrat- oder Acetatsalz) vorliegt. Es liegt auch im Rahmen dieser Erfindung mit einem Aluminiumsalz zu imprägnieren. Das Metallsalzmaterial wird in einem flüssigen Medium gelöst, und die resultierende Lösung dann mit dem porösen Basisteilchenmaterial gemischt. Man nimmt an, das der Imprägniervorgang durch die Kapillarwirkung erfolgt. Die Kapillarwirkung kann verbessert werden, in dem man die porösen Basisteilchen vor dem Vermischungsschritt einer Vakuumbehandlung unterzieht.
Das flüssige Medium, das Dir das Imprägniermittel verwendet wird, ist vorzugsweise Wasser (einschließlich entionisiertem Wasser) und/oder ein organisches Lösemittel (vorzugsweise ein unpolares Lösemittel). Wenn das teilchenförmige Material vor dem Imprägnierungsschritt gebrannt wird, ist Wasser das bevorzugte flüssige Medium Dir das Imprägniermittel. Wenn das teilchenförmige Material vor dem Imprägnierungsschritt nicht gebrannt wird, ist das bevorzugte flüssige Medium ein solches, welches das teilchenförmige Material nicht auflöst oder erweicht.
Die Salzkonzentration im flüssigen Medium liegt typischerweise im Bereich von 5% bis 40%, gelöster Feststoff, auf Oxidbasis. Im Allgemeinen sollte mindestens 50 ml Lösung zugesetzt werden, um eine Imprägnierung von 100 Gramm porösem Basisteilchenmaterial zu erzielen, vorzugsweise mindestens 60 ml Lösung auf 100 Gramm Basisteilchen.
In manchen Fällen kann mehr als ein Imprägnierschritt angewendet werden. Das gleiche Imprägniermittel kann bei wiederholten Behandlungen angewendet werden, oder die nachfolgenden Imprägniermittel können unterschiedliche Konzentrationen des gleichen Salzes, verschiedene Salze oder verschiedene Kombinationen von Salzen enthalten.
Während der Wärmebehandlung der imprägnierten Basisteilchen zur Herstellung gesinterter Keramikteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis, kann das Imprägniermittel (oder Modifizierungsmittel) mit dem Aluminiumoxid unter Bildung eines Reaktionsproduktes reagieren. Zum Beispiel reagieren die Oxide von Kobalt, Nickel, Zink und Magnesium mit Aluminiumoxid typischerweise unter Ausbildung einer Spinellstruktur. Yttriumoxid reagiert mit Aluminiumoxid typischerweise unter Bildung von 3Y&sub2;O&sub3;·5Al&sub2;O&sub3;, welches Granatkristallstruktur besitzt. Praseodym, Samarium, Ytterbium, Neodym, Lanthan, Gadolinium, Cer, Dysprosium, Erbium und Gemische von zwei oder mehreren dieser Seltenen Erdmetalle reagieren mit Aluminiumoxid typischerweise unter Bildung von Granat, Beta-Aluminiumoxid oder von Phasen, die eine Perovskitstruktur aufweisen. Bestimmte Oxide der Seltenen Erden und zweiwertige. Metalloxide reagieren mit Aluminiumoxid unter Bildung von Aluminaten Seltener Erden, die durch die Formel LmMAl&sub1;&sub1;O&sub1;&sub9; repräsentiert werden, worin Lm ein dreiwertiges Metallion, wie La, Nd, Ce, Pr, Sm, Gd oder Eu ist, und M ein zweiwertiges Metallkation, wie Mg, Mn, Ni, Zn, Fe oder Co ist. Solche Aluminate Seltener Erden haben typischerweise eine hexagonale Kristallstruktur, die manchmal als Magnetoplumbit Kristallstruktur bezeichnet wird. Hexagonale Aluminate Seltener Erden verleihen einem Schleifteilchen im Allgemeinen außerordentliche Eigenschaften und befinden sich, sofern sie vorliegen, typischerweise im Innern der Schleifteilchens als einzelne oder mehrere Borsten oder Plättchen. Solche Borsten oder Plättchen haben typischerweise eine Länge von 0,5 bis 1 Mikrometer und eine Dicke von 0,5 Mikrometer oder weniger. Man nimmt an, dass die Borsten oder Plättchen das Fortschreiten des Bruchs unterbinden können. Diese Borsten oder Blättchen treten eher in Abwesenheit keimbildender Stoffe auf.

Metalloxid-Oberflächenbeschichtungen

Zum Umfang der vorliegenden Erfindung gehört die Verwendung von Alumniumoxid-Schleifteilchen, wie vorstehend beschrieben, bei denen vorzugsweise wenigstens 70%, stärker bevorzugt, wenigstens 80%, der äußeren Oberfläche des Schleifteilchens mit einem Metalloxid beschichtet ist. Die Metalloxid-Beschichtung kann zusammenhängend oder nicht zusammenhängend und ziemlich dicht ohne Porosität, oder porös sein. Die Dicke der Metalloxid-Beschichtung liegt vorzugsweise im Bereich von 0,05 bis 20 Mikrometer, stärker bevorzugt von 0,1 bis 10 Mikrometer. Geeignete Metalloxide schließen zum Beispiel die Oxide von Titan, Zirkonium, Aluminium, Chrom, Vanadium, Tantal, Hafnium, Niob und Kombinationen davon, ein. Für die Zwecke der vorliegenden Anmeldung soll sich Metalloxid auch auf Siliciumdioxid beziehen. Verschiedene, für diese Erfindung brauchbare Metalloxid-Beschichtungen, werden nachstehend beschrieben, auch wenn der Umfang dieser Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt ist.

Eine bevorzugte Metalloxid-Oberflächenbeschichtung

Eine bevorzugte Metalloxid-Beschichtung ist in US-A-5,474,583 (Celikkaya) angegeben. Celikkaya lehrt das Aufbringen von Oxiden auf die äußere Oberfläche von Aluminiumoxidteilchen durch Beschichten ungesinterter, getrockneter oder gebrannter Schleifteilchenvorstufen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis mit metallorganischen Oxidvorstufen (d. h. Alkoxiden), die dann in der Schleifteilchenvorstufe mit Wasser unter Bildung einer Oxid-Beschichtung reagieren.
Im ganz besonderen gibt Celikkaya eine Verfahren zur Schaffung einer metallorganischen Oxid-Beschichtung an, die im Allgemeinen die Schritte:
(a) Bereitstellen einer Masse von Teilchen, umfassend Alpha-Aluminiumoxid- Vorstufenmaterial;
(b) Beschichten der Teilchen mit einem Beschichtungsmittel, umfassend Metallalkoxide, um beschichtete Teilchen zu erzeugen, deren Beschichtung in der Lage ist, sich beim Erhitzen in eine Metalloxid-Beschichtung umzuwandeln, die selbsttätig an die Oberfläche eines jeden Teilchens gebunden ist; und
(c) Erhitzen der beschichteten Teilchen unter Bedingungen, welche die Beschichtung in eine Metalloxid-Beschichtung umwandeln und die Teilchen sintern.
Im Allgemeinen verläuft die Umwandlung über Hydrolysierungsschritte unter Bildung von Metallhydroxid(en) und anschließender Reaktion unter Bildung von Metalloxid. Das Produkt aus dem Umwandlungsschritt der Metallalkoxid enthaltenden Beschichtung auf den Basisteilchen zu einer Metalloxid-Beschichtung, wird dann auf eine Temperatur und für eine Zeit erhitzt, die ausreichen, um gesinterte Alpha-Aluminiumoxid- Schleifteilchen zu liefern, an die eine Metalloxid-Beschichtung selbsttätig gebunden ist.
Die eingesetzten Basisteilchen sind vorzugsweise nach einem Sol-Gel-Verfahren gebildete Aluminiumoxidvorstufen, wie hier unter "Das Basisteilchen" beschrieben. Der Umwandlungsschritt der ein Metallalkoxid enthaltenden Beschichtung in eine Metalloxid- Beschichtung schließt vorzugsweise das Hydrolysieren des Metallalkoxids zum Metallhydroxid und die anschließende Umwandlung des Metallhydroxids in das Metalloxid ein. Die Hydrolyse kann mit Luftfeuchtigkeit und/oder Restfeuchtigkeit in den Basisteilchen durchgeführt werden, die aus der Atmosphäre absorbiert wurde bzw. aus dem Sol-Gel-Verfahren oder anderen Verfahrensschritten (z. B. der Imprägnierung) übrig geblieben ist. Die Umwandlung des Metallhydroxids in das Metalloxid kann durch Einwirkung beträchtlicher Wärme auf die beschichteten Basisteilchen, typischerweise mehr als 400ºC, vervollständigt werden. Um die Sinterung zu erreichen, können herkömmliche Verfahren verwendet werden.
Bei bestimmten, bevorzugten Anwendungen, können die Basisteilchen vor der Aufbringung der Metallalkoxid enthaltenden Schicht modifiziert werden. Eine solche Modifizierung schließt im Allgemeinen die Bereitstellung von Metalloxid (Modifizierungsmittel) oder Metalloxidvorstufe (Modifizierungsmittelvorstufe) im Innern des Basisteilchens ein.
Eine Vielzahl von Materialien können als Metallalkoxid in der das Metallalkoxid enthaltenden Schicht verwendet werden. Beispielsweise ist Zirkonium bei bestimmten Anwendungen bevorzugt (nämlich solche, bei denen das Schleifkorn zum Schleifen von Edelstahl verwendet werden soll). Bei einigen Anwendungen können jedoch Alkoxide von Titan, Aluminium, Magnesium, Zink, Kobalt, Nickel, Silicium, Hafnium, Eisen, Mangan, Chrom, Yttrium, Praseodym, Samarium, Ytterbium, Neodym, Lanthan, Gadolinium, Cer, Dysprosium, Erbium und Gemische von zwei oder mehreren davon, erwünscht sein.
Eine bevorzugte Formel für die Metallalkoxide ist folgende:
ZxM(OR)n-x
wobei: M ein Metallkation ist;
n die Oxidationszahl von M ist;
x eine ganze Zahl von 0 bis n-1 ist;
OR eine Alkoxygruppe ist, wobei O Sauerstoff und
jede R-Gruppe eine Alkylgruppe ist; und
jede Z-Gruppe unabhängig voneinander
eine organische oder anorganische Gruppe ist.
Allgemein ausgedrückt, was benötigt wird, ist ein Alkoxid welches eine Vorstufe eines Metallhydroxids und Metalloxids ist, wie vorstehend beschrieben.
Es können eine Vielzahl von Alkoxiden mit einer Vielzahl von R-Gruppen darin verwendet werden. Das bedeutet, dass die R-Alkylgruppe vielfältige Formeln aufweisen kann. Im Allgemeinen besitzt jede R-Gruppe eine organische. Gruppe mit 1-20 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise mit 3-6 Kohlenstoffatomen. Da bei typischen Verfahren nach der vorliegenden Erfindung die Alkoxygruppe ein Nebenprodukt liefert (d. h. einen Alkohol) sind relativ einfache (nicht substituiert, 3-6 Kohlenstoffatome) organische Gruppen bevorzugt. Weist das Metallalkoxid mehr als eine Alkoxygruppe auf, können die Alkoxygruppen gleich sein oder unabhängig aus anderen im Material vorliegenden Alkoxygruppen ausgewählt sein.
Das Metallatom kann eine oder mehrere, direkt daran gebundene, organische oder anorganische Gruppen einschließen. Ähnlich den organischen Gruppen in den Alkoxygruppen gibt es keine spezifische Beschränkung bezüglich der Art irgendeiner organischen oder anorganischen, direkt an das Metall gebundenen Gruppe, außer dass sie nicht in die Bildung der gewünschten Beschichtung eingreifen sollte. Wenn das Metallatom mehr als eine, daran gebundene anorganische oder organische Gruppe umfasst, können alle gleich sein oder unabhängig aus den anderen ausgewählt sein. Das Metallatom kann sowohl daran gebundene organische, als auch anorganische Gruppen, umfassen.
Vorzugsweise wird auf den Basisteilchen genügend Metallalkoxid enthaltende Beschichtung erzeugt, um am Ende ein gesintertes Schleifteilchen zu liefern, das eine Metalloxid-Beschichtung aufweist, die mindestens 70% seiner äußeren Oberfläche bedeckt.
Bei bestimmten, bevorzugten erfindungsgemäßen Verfahren, werden die porösen Basisteilchen vor dem Sinterschritt innen mit einer Metalloxidvorstufe ausgerüstet, wie einem Metallsalz, manchmal als Modifizierungsmittel bezeichnet. Die Metalloxidvorstufe kann in die Basisteilchen durch Imprägnierung eingeführt werden, die gleichzeitig mit, vor oder nach der Beschichtung mit den anorganischen Teilchen, erfolgt. Im Allgemeinen umfasst der Imprägnierschritt das Mischen der porösen Basisteilchen mit einer Trägerflüssigkeit, die das Modifizierungsmittel oder dessen Vorstufe (z. B. ein Metallsalz) darin gelöst enthält.

Oberflächenbeschichtungen aus teilchenförmigem Metalloxid

Die Beschichtung von Basisteilchen mit teilchenförmigen, anorganischen Metalloxiden liefert ein (gesintertes) Schleifteilchen mit einer größeren Oberfläche zur besseren Haftung im Bindersystem und/oder einer größeren Oberfläche für die Metallkarbid- oder Metallnitrid-Beschichtung. Vorzugsweise ist die teilchenförmige Metalloxid-Beschichtung auf dem gesinterten Schleifteilchen (oder Schleifkern) relativ porös.
Vorzugsweise sind mindestens 70% (stärker bevorzugt, mindestens 80%) der Oberfläche des gesinterten Teilchens (oder Kerns) auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis mit der teilchenförmigen Beschichtung aus anorganischem Metalloxid bedeckt, obwohl auch eine Bedeckung von mehr als 90% erzielt werden kann. Der Grad der Bedeckung bezieht sich auf den Umfang der Oberfläche von eingesetztem gesinterten Teilchen (Kern) im resultierenden, beschichteten Schleifteilchen. Demzufolge bedeutet eine Bedeckung von mindestens 70%, dass nicht mehr als ungefähr 30% der Gesamtfläche des zugrundeliegenden, gesinterten Basisteilchens unverdeckt ist. (d. h. nicht mit Teilchen bedeckt ist). Der Grad der Bedeckung bezieht sich in diesem Zusammenhang nicht auf die Natur (z. B. Porosität oder Dichte) der teilchenförmigen Beschichtung. Die Beschichtung kann zusammenhängend oder nicht zusammenhängend sein.
Die Dichte der Metalloxid-Beschichtung ist typischerweise geringer als 90% (vorzugsweise geringer als 80%) der theoretischen Dichte. Am stärksten bevorzugt besitzt die Beschichtung eine Dichte von mindestens 40%, aber weniger als 70%, der theoretischen Dichte. Dies deutet jedoch nicht darauf hin, dass die Beschichtung diskontinuierlich ist, sondern eher, dass sich Poren dadurch erstrecken. Darüber hinaus soll sich der angegebene Dichtewert auf die durchschnittliche Dichte der Beschichtung beziehen, nicht auf die Dichte der einzelnen, geschmolzenen Teilchen, welche die Beschichtung bilden (d. h. die Beschichtung umfasst dichte Teilchen, die mit etwas freiem Raum dazwischen gepackt sind).
Während des Sinterns sintern die anorganischen Metalloxidteilchen in der Beschichtung typischerweise aneinander, was zu einer Beschichtung mit guter struktureller Integrität führt. Die resultierende Beschichtung kann mehr als eine Lage anorganischer Metalloxidteilchen enthalten. Typischerweise liegen 2 bis 30 Schichten, noch typischer, 3 bis 20 Schichten von Teilchen vor. Vorzugsweise werden 5 bis 15 Lagen teilchenförmiger anorganischer Metalloxide erzeugt, die aufeinander geschichtet sind.
Die teilchenförmigen, anorganischen Metalloxide können zum Beispiel Aluminiumoxidzwischenstufen, Alpha-Aluminiumoxid, hydratisierte Aluminiumoxide, Yttriumoxid, Magnesiumoxid, Metalloxide Seltener Erden, Zinkoxid, Eisenoxid, Silikate, Chromoxid, Titanoxid, Nickeloxid, Aluminiumoxid, Granat, hexagonale Aluminate Seltener Erden, Aluminiumoxid-Zirkoniumoxid, Zirkoniumoxid, Aluminiumoxynitrid, Silicium-Aluminiumoxynitrid, Silicium-Aluminiumoxykarbid und Kombinationen davon umfassen.
US-A-5,011,508 (Wald et al.) beschreibt die selbsttätige Bindung von feinen anorganischen Metalloxidteilchen (nämlich Aluminiumoxid) an die Oberfläche eines gebrannten Basisteilchens und das anschließende Sintern, um Schleifteilchen mit einer teilchenförmigen Metalloxid-Beschichtung zu erzeugen.

Eine bevorzugte Oberflächenbeschichtung aus teilchenförmigem Metalloxid

Eine bevorzugte Oberflächenbeschichtung aus teilchenförmigem Metalloxid wird in US- A-5,213,591 (Celikkaya et al.) beschrieben. Insbesondere lehren Celikkaya et al. ein Keramikschleifteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis, das einen Kern auf Alpha- Aluminiumoxid-Basis umfaßt, der eine Beschichtung aus teilchenförmigem anorganischem Metalloxid hat, die selbsttätig daran gebunden ist.
In einem bevorzugten Verfahren wird ein Beschichtungsmittel, umfassend teilchenförmige anorganische Metalloxide und ein flüssiges Medium (z. B. Wasser oder ein organisches Lösungsmittel), auf die gebrannten oder ungebrannten (d. h. das getrocknete Gel) Basisteilchen aufgebracht (oder damit beschichtet). Wenn das flüssige Medium Wasser oder ein polares organisches Lösungsmittel ist, sollten die Basisteilchen im Allgemeinen vor Aufbringung der Beschichtung gebrannt werden. Wenn jedoch das flüssige Medium ein unpolares organisches Lösungsmittel ist, brauchen die Basisteilchen vor der Beschichtung nicht gebrannt zu werden.
Im Allgemeinen umfasst das Beschichtungsmittel teilchenförmige anorganische Metalloxide im Bereich von 0,01 Gew.-% bis 20 Gew.-% (vorzugsweise 0,1 Gew.-% bis 5 Gew.-%), wobei sich die Gewichtsprozente auf das Gewicht der Teilchen plus der Trägerflüssigkeit (z. B. Wasser oder Aceton) beziehen, ahne Berücksichtigung anderer Additive oder Hilfsstoffe. Das Beschichtungsmittel kann Hilfsstoffe, wie Benetzungs- und Dispergiermittel enthalten, typischerweise in Mengen, die wirksam sind, um dem Gemisch oder der Dispersion die gewünschten Eigenschaften zu verleihen. Das Beschichtungsmittel, das typischerweise eine Suspension ist, kann nach jedem herkömmlichen Verfahren hergestellt werden, wie Mischen mit einem kontinuierlichen Mischer, einem Chargenmischer, einer Kugelmühle, einem Zementmischer, einem Vibrator oder einem Trommelmischer.
Das Beschichtungsmittel kann zum Beispiel durch Mischen der Basisteilchen mit dem Beschichtungsmittel aufgebracht werden. Geeignete Mischverfahren schließen solche ein, die eine Schraubenschnecke, einen Chargenmischer, einen kontinuierlichen Mischer, einen Zementmischer, einen Vibrator oder eine Trommel verwenden. Eine bevorzugte Technik besteht darin, einen kontinuierlichen Mischer über getrennte Förderströme mit dem Beschichtungsmittel und den Basisteilchen zu beschicken.
Um eine im Wesentlichen einheitliche Beschichtung mit anorganischen Metalloxidteilchen auf den Basisteilchen zu erzielen, ist ein möglichst kleines Verhältnis von Trägerflüssigkeitsvolumen zum Gewicht der zu beschichtenden Teilchen bevorzugt.
Im Allgemeinen beträgt das kleinste, bevorzugte Flüssigkeitsvolumen mindestens 50 ml, um eine gute Beschichtung von 100 Gramm Basisteilchen mit anorganischen Metalloxidteilchen sicherzustellen. Vorzugsweise ist ein etwa 20%iger Überschuß an Flüssigkeitsvolumen über diese Menge (d. h. 60 ml Flüssigkeit pro 100 Gramm Basisteilchen) erwünscht, um eine gute Beschichtung und Verfahrensführung sicherzustellen. Es wird darauf verwiesen, dass dieses Verhältnis das gleiche ist, wie vorstehend für die bevorzugte Imprägnierung des Basisteilchenmaterials angegeben.
Die Basisteilchen sind typischerweise porös (d. h. sie haben üblicherweise eine offene Porosität, einschließlich relativ kleiner Poren (5-10 Nanometer)). Solche Poren sind typischerweise für das Eindringen von anorganischen Metalloxidteilchen zu klein. Durch die Kapillarwirkung wird die Flüssigkeit in die Poren gesaugt, wobei die anorganischen Metalloxidteilchen zur Oberfläche eines jeden Basisteilchen transportiert wird. Dies erleichtert die Erzielung einer gewünschten gleichmäßigen Beschichtung, vorausgesetzt, dass genügend Beschichtungsmittel verwendet wird, so dass eine im Wesentlichen vollständige Bedeckung der äußeren Oberfläche eines jeden Basisteilchens erhalten wird. Vorzugsweise wird genügend Flüssigkeit verwendet, um die Basisteilchen zu sättigen (oder wenigstens zu 70% zu sättigen).
Im Anschluss an die Beschichtung, werden die beschichteten Basisteilchen so getrocknet, dass sie nicht aneinander haften. Bei typischen Anwendungen ist es vorgesehen, dass die beschichteten Basisteilchen mittels Umlufttrocknung bei Temperaturen von 100ºC bis 150ºC getrocknet werden. Überschüssige Flüssigkeit wird vorzugsweise vor der Trocknung, zum Beispiel durch Dekantieren, entfernt.
Die Dicke der getrockneten Beschichtung liegt im Allgemeinen im Bereich von 0,1 bis 20 Mikrometer (vorzugsweise 0,5 bis 10 Mikrometer), und am meisten bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 2 Mikrometer. Der Anteil der Beschichtung kann auch auf der Basis von Gewichtsprozent der Beschichtung in Bezug zum Basisteilchen berechnet werden. Typischerweise umfasst die Beschichtung im Mittel vorzugsweise einen Bereich von mehr als 0,01 bis 10 Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht der beschichteten anorganischen Metalloxidteilchen und des Basisteilchens vor der Aufbringung der anorganischen Mealloxidteilchen.
Andere Verfahren zur Erzeugung einer teilchenförmigen Beschichtung auf den Basisteilchen sind möglich. Sind die Basisteilchen zum Beispiel nass (im Wesentlichen gesättigt, d. h. dass wenigstens 70%, vorzugsweise 100%, des Porenvolumens mit Flüssigkeit gefüllt ist und auf der Oberfläche der Basisteilchen ein Flüssigkeitsfilm vorhanden ist), so kann zum Beispiel mit Wasser eine Beschichtung erzeugt werden, indem anorganisches teilchenförmiges Metalloxid zu den nassen Basisteilchen hinzugefügt wird oder durch andere Mischverfahren. Im Allgemeinen wirkt die Flüssigkeit (typischerweise Wasser) auf der Oberfläche eines jeden Basisteilchens als Bindemittel, um die anorganischen Metalloxidteilchen anzuziehen und zu halten und dadurch die Bildung einer Beschichtung zu unterstützen. Weiterhin können die Basisteilchen und anorganisches teilchenförmiges Metalloxid trocken vermischt werden, gefolgt von der Zugabe von Flüssigkeit (typischerweise Wasser) und ausreichendem Mischen um die Flüssigkeit zu verteilen und eine Beschichtung aus anorganischen Metalloxidteilchen auf den Basisteilchen zu erzeugen. Grundsätzlich sollte genügend Flüssigkeit verwendet werden, um eine beträchtliche Sättigung, wie vorstehend definiert, zu erzielen, da die Flüssigkeit als temporärer Binder für die Beschichtung dient.
Weiterhin ist es möglich, die porösen Basisteilchen zuerst mit einem Imprägniermittel zu imprägnieren und dann die (nassen) imprägnierten Basisteilchen mit (trockenen) anorganischen Metalloxidteilchen zu beschichten. Abweichend davon kann in manchen Fällen die Imprägnierung durchgeführt werden, nachdem zuerst eine Beschichtung aus anorganischem teilchenförmigen Metalloxid erzeugt wurde. Das letztere Verfahren ist möglich, weil die Beschichtung relativ porös ist.
Wenn die Basisteilchen mit einem flüssigen Medium gemischt, das Modifizierungsmittelvorstufen (wie vorstehend beschrieben) enthält, während darin gleichzeitig anorganische Metalloxidteilchen (wie vorstehend beschrieben) suspendiert sind, kann sowohl die Imprägnierung als auch die Beschichtung mit anorganischem teilchenförmigen Metalloxid gleichzeitig erfolgen.
Die anorganische Beschichtung bedeckt vorzugsweise mindestens 70% der äußeren Oberfläche des gesinterten Kerns und ist vorzugsweise mindestens 0,1 Mikrometer dick.
Ein Verfahren zur Erzeugung bevorzugter keramischer Schleifteilchen auf Alpha- Aluminiumoxid-Basis umfasst die Schritte:
(a) Bereitstellen einer Masse poröser Basis-Schleifteilchen, umfassend Alpha- Aluminiumoxid-Vorstufenmaterial, wobei jedes Teilchen zu einem Schleifteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis gesintert werden kann;
(b) Mischen anorganischer Metalloxidteilchen gleicher oder unterschiedlicher Zusammensetzung, und die viel feiner sind als die Basisteilchen, mit dieser Masse in Gegenwart einer Flüssigkeit, bis die anorganischen Metalloxidteilchen über die äußere Oberfläche eines jeden Basisteilchens verteilt sind, und die abgeschiedenen Teilchen in der Lage sind, sich beim Sintern selbsttätig an die äußere Oberfläche der Basisteilchen zu binden; und
(c) Erhitzen der Teilchen um die Flüssigkeit zu entfernen und die Basisteilchen zu sintern, wobei eine selbsttätige Bindung der anorganischen Metalloxidteilchen an die äußere Oberfläche eines jeden Basisteilchens erfolgt, um gesinterte Keramikteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis zu schaffen.
Im Allgemeinen ist der Schritt (b) ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus:
(A) (i) Zugeben der anorganischen Metalloxidteilchen zur Flüssigkeit, um eine Dispersion zu erzeugen; und (ii) Zugeben der Dispersion zu den porösen Basisteilchen; und
(B) (i) Zugeben der Flüssigkeit zu den porösen Basisteilchen, um mit Flüssigkeit imprägnierte Teilchen zu erzeugen; und (ii) Mischen der anorganischen Metalloxidteilchen mit den mit Flüssigkeit imprägnierten Teilchen.
Das anorganische teilchenförmige Metalloxid hat vorzugsweise eine durchschnittliche Teilchengröße im Bereich von 0,01 bis 20 Mikrometer, und stärker bevorzugt, von weniger als 1 Mikrometer.
Im Anschluss an den Beschichtungsschritt der porösen Basisteilchen, wird das beschichtete Material (d. h. die beschichteten Basisteilchen) erhitzt, um die Flüssigkeit zu entfernen und dann gesintert, um Keramikschleifteilchen zu liefern. Der Sinterschritt wandelt jedes poröse Basisteilchen in einen dichten Kern auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis um, wobei die anorganischen Metalloxidteilchen damit eine selbsttätig gebundene Beschichtung bilden.
Andere, in der Schleiftechnik bekannte Verfahren (z. B andere als die vorstehend beschriebenen Oxid-Beschichtungen) zur Behandlung und Beschichtung von Schleifteilchen, können bei der Herstellung von Schleifteilchen für die Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verfahren, nützlich sein.

Sinterung

Die Basisteilchen oder die behandelten (z. B. imprägnierten, geschleuderte, und/oder beschichteten) Basisteilchen sind Vorstufen der Keramikschleifteilchen.
Das Sintern der Vorstufenteilchen kann nach einer Reihe herkömmlicher Verfahren erfolgen. Typischerweise wird das Sintern bei einer Temperatur im Bereich von 1200ºC bis 1650ºC durchgeführt. Das Sintern kann im Allgemeinen innerhalb einer Zeitspanne von wenigen Sekunden bis 120 Minuten erreicht werden. Das Sintern verschiedener Arten von Basisteilchen ist in allgemeiner Form beschrieben in der US-A- 4,314,827 (Leitheiser et al.). Eine andere Art von Brennofen, der für das Sintern der Basisteilchen brauchbar ist, ist zum Beispiel in der US-A-5,489,204 beschrieben. Die darin angewandten Sinterverfahren können auf die hier beschriebenen, behandelten Basisteilchen angewendet werden. Zum Umfang dieser Erfindung gehört auch das Sintern in einer inerten oder reduzierenden Atmosphäre.

Karbid- und Nitrid-Beschichtungen

Ein Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt das Erhitzen von Schleifteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis in Gegenwart einer Kohlenstoffquelle in einer nicht-oxidierenden, stickstoffhaltigen Atmosphäre (z. B. Stickstoff, Ammoniak und Kombinationen, obwohl andere stickstoffhaltige Atmosphären brauchbar sein können). Die Kohlenstoffquelle ist vorzugsweise eine teilchenförmige Kohlenstoffquelle. Unter einem anderen Aspekt ist eine strömende Gasatmosphäre gegenüber einer statischen Gasatmosphäre bevorzugt, um die Umwandlungsgeschwindigkeit und/oder den Umwandlungsgrad zu erhöhen. In beiden Fällen ist ein positiver Gasdruck bevorzugt.
Ein anderes Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung schließt das Erhitzen von Schleifteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis in Gegenwart einer Kohlenstoffquelle in nicht-oxidierender Atmosphäre (z. B. Helium, Argon, Wasserstoff, Kohlenmonoxid, Kohlendioxid und Kombinationen, obwohl andere nicht-oxidierende Atmosphären brauchbar sein können) ein. Im Allgemeinen tendiert die Anwesenheit von Wasserstoff dazu, die Umwandlungsgeschwindigkeit von Metalloxid in Metallkarbid zu beschleunigen und den Umwandlungsgrad zu erhöhen. Wenn genügend große Mengen Stickstoff oder Ammoniak anwesend sind, kann sich das Metalloxid in ein Metallnitrid, Oxynitrid oder Carbonitrid umwandeln. Unter einem anderen Aspekt ist eine strömende Gasatmosphäre gegenüber einer statischen Gasatmosphäre bevorzugt, um die Umwandlungsgeschwindigkeit und/oder den Umwandlungsgrad zu erhöhen. In beiden Fällen ist ein positiver Gasdruck bevorzugt.
Geeignete teilchenförmige Kohlenstoffquellen schließen Graphit, Koks, Kohlepulver, Ruß, organische Stoffe, die bei der Pyrolyse in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre Kohlenstoff erzeugen, und Gemische davon ein. Die Kohlenstoffquelle kann kristallin oder amorph sein.
Die teilchenförmige Kohlenstoffquelle ist vorzugsweise ein feines Pulver, das mit der Oberfläche des Schleifkorns auf Aluminiumoxid-Basis in innigen Kontakt tritt. Die durchschnittliche Teilchengröße der Kohlenstoffquelle beträgt vorzugsweise weniger als 50 Mikrometer (-325 mesh), obwohl auch größere Teilchengrößen brauchbar sind.
Die Kohlenstoffquelle kann auch durch Beschichtung der Schleifteilchen mit einem geeigneten kohlenstoffhaltigen Material, wie einem Polyvinylalkohol oder einen organischen Harz (z. B. einem Phenolharz) zur Verfügung gestellt werden. Phenolharze sind im Handel erhältlich und schließen solche, die von Union Carbide, Danburry, CT, unter dem Markennamen "BKUA-2370-UCAR" vermarktet werden ein. Das Phenolharz kann nach herkömmlichen Verfahren auf die Schleifteilchen aufgebracht werden, einschließend das Zusammenmischen des Harzes und der Schleifteilchen, das Härten des Harzes und anschließend, sofern erforderlich, das vorsichtige Aufbrechen jeder Art von Agglomeraten von Schleifteilchen, die durch das Harz aneinander gebunden sind. Um die Beschichtung zu erleichtern, kann die Viskosität des Phenolharzes nach herkömmlichen Verfahren eingestellt werden, einschließlich Verdünnen des Harzes mit einem geeigneten Lösemittel (im Fall des Union Carbide Phenolharzes, ist zum Beispiel Methanol ein geeignetes Lösemittel).
Es soll dahingehend verstanden werden, dass die Beschichtung aus Kohlenstoff enthaltendem Material, zum Beispiel eine Dicke und/oder Porosität besitzt, die es dem Metalloxid ermöglicht unter Metallkarbid- oder Metallnitridbildung zu reagieren. Ist die Beschichtung zum Beispiel zu dick oder zu dicht, kann die Reaktion, die es dem Metalloxid ermöglicht, das Metallkarbid oder Metallnitrid zu bilden verhindert oder herabgesetzt werden.
Die Schleifteilchen mit dem gehärteten Harz darauf können in einer Vakuumkammer erhitzt werden, so dass das gehärtete Phenolharz karbonisiert wird (d. h. um ein kohlenstoffbildendes Material zu liefern). Der Ausdruck "kohlenstoffbildend" oder "kohlenstoftbildendes Material" bezieht sich auf eine Kohlenstoffmatrix oder Beschichtung, in der im Wesentlichen der gesamte Kohlenstoff typischerweise amorph vorliegt. Die Karbonisierungstemperatur liegt vorzugsweise im Bereich von 400ºC bis 600ºC, und stärker bevorzugt im Bereich von 450ºC bis 500ºC. Bezüglich weiterer Einzelheiten betreffend die Erzeugung von kohlenstoffbildendem Material vergl. zum Beispiel die US-A-5,411,763 (Weaver et al.).
Ein anderes Verfahren, um die Kohlenstoffquelle bereitzustellen, beinhaltet die Behandlung der Schleifteilchen mit einem Kohlenstoff abscheidenden Gas, zum Beispiel, einem Kohlenwasserstoff (z. B. Propylen, Methan oder Ethan), das sich bei erhöhten Temperaturen zersetzt (z. B. ungefähr 1100ºC) um eine kohleartige Schicht auf den Schleifteilchen niederzuschlagen. Bezüglich weiterer Einzelheiten betreffend die Erzeugung einer kohleartigen Schicht aus einem Kohlenstoff enthaltenden Gas vergl. zum Beispiel die US-A-5,411,763 (Weaver et al.).
Zusätzlich zu der/den Kohlenstoffquelle(n) können inerte, teilchenförmige Stoffe mit den Schleifteilchen zusammen gemischt werden. In manchen Fällen können diese inerten Pulver, dadurch, dass sie eine höhere Gaszirkulation zulassen, zum Beispiel höhere Umsetzungsraten erlauben.
Für den Einsatz nach dem erfindungsgemäßen Verfahren geeignete Heizapparaturen schließen Brennöfen und Öfen wie Röhrenöfen, Tunnelöfen, Drehrohröfen und Hordenöfen, wovon eine Ausführungsform in der US-A-5,489,204 (Conwell et al.) offenbart ist, ein. Brauchbare, im Handel erhältliche Öfen schließen diejenigen von Harrop Industries, Columbus, OH, und Thermal Technology, Santa Rose, C, (Hersteller von "Astro-Öfen") ein.
Die Schleifteilchen werden vorzugsweise mit der teilchenförmigen Kohlenstoffquelle gründlich gemischt und in einen Behälter (vorzugsweise Graphittiegel oder -wanne) gegeben, der in eine geeignete Heizapparatur platziert wird. Um sowohl die Kontrolle der Heizatmosphäre zu erleichtern als auch den Produktgasen (z. B. CO) das Austreten zu erlauben, wird der Behälter vorzugsweise nicht vollständig geschlossen.
Zeit und Temperatur zur Umwandlung des Metalloxids in Metallkarbid oder Metallnitrid sind im Allgemeinen voneinander abhängig. Weiterhin kann die Zeit und/oder Temperatur von der Menge der Schleifteilchen, der Oberfläche der einzelnen Schleifteilchen, der Zusammensetzung der Schleifteilchen, der Porosität des Metalloxids und von der Strömung und vom Druck, und im Fall von Metallnitrid, von der Stickstoffkonzentration des stickstoffhaltigen Gases, abhängen. Mit der vorliegenden Erfindung einmal vertraut, wird der Fachmann in der Lage sein die geeigneten Betriebsbedingungen für einen bestimmten Ansatz zu bestimmen. Um ein unerwünschtes Kornwachstum zu vermeiden oder möglichst klein zu halten, ist vorzugsweise die Zeit nicht übermäßig lang und die Temperatur nicht übermäßig hoch.
Im Allgemeinen verläuft die Umwandlung des Metalloxids in Metallkarbid oder Metallnitrid schneller als die Porosität des Oxids zunimmt (d. h. die Dichte abnimmt) und wie die Dicke und Teilchengröße (wenn das Metalloxid eine teilchenförmige Beschichtung umfaßt) abnimmt. Auch die Atmosphäre, in der die Umwandlung erfolgt, kann die zur Umwandlung benötigte Zeit beeinflussen. Bevorzugte Umwandlungszeiten liegen zwischen 5 Minuten und 6 Stunden (vorzugsweise zwischen 30 Minuten und 2 Stunden).
Die Umwandlungstemperatur hängt im Allgemeinen während der Umwandlungsdauer von den vorstehend beschriebenen Einflußgrößen ab. Typischerweise wird eine Temperatur von mehr als 1000ºC zur Umwandlung benötigt (typischerweise 1100ºC bis 1400ºC), obwohl sowohl niedrigere als auch höhere Temperaturen brauchbar sein können.
Die entstehende Metallkarbid- oder Metallnitrid-Beschichtung behält im allgemeinen die physikalischen Eigenschaften (z. B. Dicke, Dichte, Porosität, Oberflächenbedeckung) der ursprünglichen Metalloxid-Beschichtung bei. Typischerweise wird die Umwandlung von Oxid in Karbid oder Nitrid bis zur vollständigen Umwandlung durchgeführt. Es ist jedoch möglich, dass die Mletalloxid-Beschichtung nicht in ihrer Gesamtheit in Metallkarbid oder Metallnitrid umgewandelt werden kann. Es kann zum Beispiel in Abhängigkeit von der Dicke und Dichte der Beschichtung, über die Dicke der Beschichtung ein Gradient auftreten, wobei die Oxidkonzentration in der Nähe des Kerns des Schleifteilchens am größten ist und die des Metallkarbids oder Metallnitrids an der äußeren Oberfläche des Schleifkorns am größten ist. Andererseits können mit zunehmender Dichte und/oder Größe der Metalloxidteilchen die Oxidteilchen teilweise in Metallkarbid oder Metallnitrid umgewandelt werden, was zu einem Gradienten über den Teilchendurchmesser führt, bei dem die Metalloxidkonzentration im Zentrum am größten ist.
Es gehört zum Umfang der vorliegenden Erfindung, das Metalloxid in Metalloxykarbid, Metalloxynitrid oder Metallcarbonitrid umzuwandeln. Es gehört des Weiteren zum Umfang der vorliegenden Erfindung, dass das Metalloxid in Metallkarbid, oder Metallnitrid umgewandelt wird, um eine Kombination von Metalloxiden zu umfassen (z. B. Zirkoniumoxid und Titanoxid), wobei die resultierende Metallkarbid- oder Metallnitrid-Beschichtung ein heterogenes Gemisch aus Zirkon- und Titan-Karbiden oder - Nitriden einschließen wird. Lässt man die Umwandlung bis zum Ende ablaufen, weist die resultierende Metallkarbid- oder Metallnitrid-Beschichtung im allgemeinen das gleiche, in den Karbiden oder Nitriden vorliegende Metallatomverhältnis auf, wie das Ausgangsatomverhältnis der in den Oxiden vorliegenden Metalle.

Schleifprodukte

Das nach dem eifindungsgemäßen Verfahren hergestellte Schleifkorn kann in gebräuchlichen Schleifprodukten, wie beschichteten Schleifprodukten, gebundenen Schleifprodukten (einschließlich Schleifscheiben, Trennscheiben und Honsteine), offenkettige (non-woven) Schleifprodukte und Schleifbürsten verwendet werden. Typische Schleifprodukte (d. h. Schleifgegenstände) beinhalten einen Binder und Schleifteilchen, wovon wenigstens ein Teil ein nach erfindungsgemäßem Verfahren hergestelltes Schleifkorn ist, das innerhalb des Schleifproduktes durch den Binder gesichert ist. Verfahren zur Herstellung solcher Schleifprodukte sind dem Fachmann gut bekannt. Weiterhin kann das nach dem erfindungemäßen Verfahren hergestellte Schleifkorn bei Schleifanwendungen verwendet werden, welche Dispersionen scheuernder Verbindungen (z. B. Poliermittel) benützen.
Beschichtete Schleifprodukte beinhalten im Allgemeinen eine rückwärtige Verstärkung, ein Schleifkorn und wenigstens einen Binder, um das Schleifkorn auf der Verstärkung zu fixieren. Die Verstärkung kann ein beliebiges Material sein, einschließlich Stoff, Polymerfilm, Fasern, offenkettiges Gewebe, Papier, Kombinationen davon und vorbehandelte Varianten davon. Der Binder kann jeder geeignete Binder sein, einschließend einen anorganischen oder organischen Binder. Das Schleifkorn kann in einer Schicht oder in zwei Schichten des beschichteten Schleifproduktes vorliegen. Bevorzugte Verfahren zur Herstellung beschichteter Schleifprodukte sind zum Beispiel in US-A- 4,734,104 (Broberg) und US-A-4,737,163 (Larkey) beschrieben.
Das beschichtete Schleifprodukt kann auf seiner hinteren Oberfläche eine Befestigungsvorrichtung besitzen um das beschichtete Schleifprodukt an einer Stützunterlage oder einer Stabilisatorunterlage zu sichern. Solche Befestigungsmittel können zum Beispiel ein druckaktivierbarer Klebstoff oder ein Schlingenstoff für einen Haken-Schlingen-Verschluss sein. Die Rückseite des beschichteten Schleifproduktes kann auch eine rutschfeste Beschichtung oder Reibbeschichtung enthalten. Beispiele solcher Beschichtungen beinhalten ein anorganisches teilchenförmiges Material (z. B. Kalziumkarbonat oder Quarz), das in einem Klebstoff dispergiert ist.
Ein Beispiel eines beschichteten Schleifproduktes ist in Fig. 1 dargestellt. Bezugnehmend auf diese Figur besitzt das beschichtete Schleifprodukt 10 eine rückwärtige Verstärkung (Substrat) 12 und eine Schleifschicht 13. Die Schleifschicht 13 beinhaltet das Schleifkorn 14 das über die Grundschicht 15 und die Deckschicht 16 an einem Großteil der Oberfläche der Verstärkung 12 befestigt ist. In manchen Fällen wird eine verstärkte Deckschicht (nicht dargestellt) verwendet.
Gebundene Schleifprodukte schließen typischerweise eine geformte Masse von Schleifkorn, die durch einen organischen, metallischen oder keramischen Binder zusammengehalten wird, ein. Eine so geformte Masse kann zum Beispiel die Form einer Scheibe, wie einer Schleifscheibe oder Trennscheibe, haben. Sie kann zum Beispiel auch in Form eines Honsteins oder einer anderen gebräuchlichen gebundenen Form für Schleifteile vorliegen. Sie liegt bevorzugt in Gestalt einer Schleifscheibe vor. In Fig. 2 ist die Scheibe 20 dargestellt, die das Schleifkorn 21 enthält, von dem mindestens ein Teil ein nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Schleifkorn ist, gegossen in Gestalt einer Scheibe und auf eine Nabe 22 montiert. Bezüglich weiterer Einzelheiten betreffend gebundener Schleifprodukte vergl. zum Beispiel die US-A-4,997,461 (Markhoff-Matheny et al.). Bevorzugte Binder, die verwendet werden können, sind bei Temperaturen und unter Bedingungen härtbar, die das Schleifkorn nicht nachteilig beeinflussen.
Offenkettige Schleifmittel beinhalten typischerweise eine offenporige, lose gesponnene Polymerfaserstruktur bei der das Schleifkorn über die ganze Struktur verteilt ist und darin mittels eines organischen Binders anhaftend gebunden sind. Beispiele von Fasern schließen Polyesterfasern, Polyamidfasern und Polyaramidfasern ein. In Fig. 3 ist eine schematische Darstellung, etwa 100x vergrößert, eines typischen, offenkettigen Schleifproduktes wiedergegeben. Ein solches offenkettiges Schleifprodukt umfasst Fasermaterial 30 als Substrat, auf dem das Schleifkorn 32, wovon mindestens ein Teil nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Schleifkorn ist, mit einem Binder 34 befestigt ist. Bezüglich weiterer Einzelheiten, betreffend offenkettige Schleifprodukte siehe zum Beispiel die US-A-2,958,593 (Hoover et al.).
Geeignete organische Binder für Schleifprodukte schließen warmhärtende organische Polymere ein. Beispiele geeigneter wärmhärtender organischer Polymerer schließen Phenolharze, Harnstofformaldehydharze, Melamin-Formaldehydharze, Urethanharze, Acrylharze, Polyesterharze, Aminoplastharze mit anhängigen α, β- ungesättigten Carbonylgruppen, Epoxidharze und Kombinationen davon. Der Binder und/oder das Schleifprodukt können Additive enthalten, wie zum Beispiel Fasern, Schmierstoffe, Netzmittel, Thixotropiermittel, oberflächenaktive Substanzen, Pigmente, Farbstoffe, Antistatika (z. B. Ruß, Vanadiumoxid, Graphit etc.), Kopplungsmittel (z. B. Silane, Titanate, Zirkonaluminate etc.), Weichmacher, Dispergiermittel und ähnliche. Die Mengen dieser gegebenenfalls verwendeten Additive werden so ausgewählt, dass sie die gewünschten Eigenschaften liefern. Die Kopplungsmittel können die Haftung an das Schleifkorn und/oder den Füllstoff verbessern.
Der Binder kann zusätzlich Füllstoffe oder Schleifhilfsmittel enthalten, typischerweise in Form von teilchenförmigen Materialien. Typischerweise bestehen die teilchenförmigen Materialien aus anorganischen Materialien. Beispiele für teilchenförmige Materialien, die als Füllstoffe fungieren, schließen Metallkarbonate, Siliciumdioxid, Silikate, Metallsulfate und Metalloxide ein. Beispiele für teilchenförmige Materialien, die als Schleifhilfsmittel wirken, beinhalten Halogenidsalze, wie Natriumchlorid, Kaliumchlorid, Natriumkryolith und Kaliumtetrafluorborat; Metalle, wie Zinn, Blei, Wismut, Kobalt, Antimon, Eisen und Titan; organische Halogenide, wie Polyvinylchlorid und Tetrachlornaphthalin; Schwefel und Schwefelverbindungen und Graphit. Ein Schleifhilfsmittel ist ein Material, das einen beträchtlichen Einfluß auf die chemischen und physikalischen Schleifvorgänge hat und zu einer höheren Leistung führt. In einem beschichteten Schleifprodukt werden Schleifhilfsmittel typischerweise in der Deckschicht, (super size coat) verwendet, die über der Oberfläche der Schleilkörner aufgebracht wird, obwohl es auch der Grundschicht (size coat) zugegeben werden kann. Typischerweise wird ein Schleifhilfsmittel, sofern gewünscht, in einer Menge von 50-300 g/m² (vorzugsweise 80-160 g/m²) des beschichteten Schleifproduktes eingesetzt.
Die Schleifprodukte können 100% Schleifkorn, hergestellt nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung, oder eine Mischung von solchem Schleifkorn mit gebräuchlichen Schleifteilchen und/oder Streckmittelteilchen enthalten. Es sollten jedoch wenigstens 15 Gew.-%, und vorzugsweise 50-100 Gew.-%, der Schleifteilchen in den Schleifprodukten Schleifkorn sein, das nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde. Zu den Beispielen geeigneter Schleifteilchen gehören geschmolzenes Aluminiumoxid, Siliciumkarbid, Granat, gebranntes Aluminium-Zirkoniumoxid und vom Sol-Gel abgeleitete Schleifteilchen. Zu den Beispielen geeigneter Streckmittelteilchen gehören, Marmor, Gips, Flint, Siliciumdioxid, Eisenoxid, Aluminiumsilikat, Glas, Metalloxidhohlkörper, Kreidehohlkugeln, poröse Kreidekügelchen, massive und hohle Glaskugeln, geschäumte Silikatmaterialien, massive und hohle Kunststoffkugeln und Streckmittelagglomerate. Schleifkorn, das nach dem erfindungsgemäßem Verfahren hergestellt wurde, kann auch in oder mit Schleiflnittelagglomeraten kombiniert werden. Ein Beispiel eines Schleifmittelagglomerats ist in. US-A-4,311,489 (Kressner), US-A- 4,652,275 (Bloecher et al.) und US-A-4,799,939 (Bloecher et al.) beschrieben.
Die Gegenstände und Vorteile dieser Erfindung werden zusätzlich durch folgende Beispiele erläutert, aber sowohl die in diesen Beispielen im einzelnen aufgeführten Materialien und Mengen als auch andere Bedingungen und Einzelheiten, sollten nicht dazu konstruiert werden, diese Erfindung ungebührlich einzuschränken. Alle Anteils- und Prozentangaben sind Gewichtsangaben, sofern nichts anderes angegeben.

Beispiele

Metallkarbid-Beschichtungen

Vergleichsbeispiel A und Beispiel 1

Vergleichsbeispiel-A-Schleifteilchen wurden durch Dispergieren von 28,5 Tl. Böhmit (im Handel erhältlich von Condea Chemical unter dem Markennamen "DISPERAL") in 72,1 Tl. angesäuertem Wasser (hergestellt durch Zugabe von 2,3 Tl. Salpetersäure zu 69,8 Tl. entionisiertem Wasser) hergestellt. Das resultierende Sol wurde 24 Stunden getrocknet und lieferte einen bröckeligen Feststoff, der mit einem Pulverisator (Typ U.A., hergestellt von Braun Corp., Los Angeles, CA) zerkleinert und zwischen etwa 0,125 bis 2 mm ausgesiebt wurde. Das ausgesiebte, getrocknete Sol wurde in einem Drehrohrofen (122 cm lang, 15,24 cm Innendurchmesser, Edelstahlrohr) bei etwa 650ºC und einer Verweilzeit von etwa 1 Minute bei 650ºC gebrannt, um die gebundenen flüchtigen Anteile im wesentlichen zu entfernen.
Eine Lösung von Oxiden Seltener Erden wurde durch Abmischen von Lanthan-, Neodym- und Yttriumnitrat-Lösung (20,5% La(NO&sub3;)&sub3;·6H&sub2;O, 20,1% Nd(NO&sub3;)&sub3;·6H&sub2;O und 26,1% Y(NO&sub3;)&sub3;·6H&sub2;O; erhältlich von Molycorp, Lourviers, CO) mit einer ausreichenden Menge Magnesiumnitratlösung (11% Mg(NO&sub3;)&sub2;·6H&sub2;O; erhältlich von Mallinckrodt Chemical, Paris, KY) und Kobaltnitratlösung (15% Co(NO&sub3;)&sub2;·6H&sub2;O; erhältlich von Hall Chemical, Wicklife, OH) hergestellt, um eine Lösung zu liefern, die etwa 5,8% Nd(NO&sub3;)&sub3;·6H&sub2;O, etwa 7,1% Y(NO&sub3;)&sub3;·6H&sub2;O, etwa 14,4% Mg(NO&sub3;)&sub2;·6H&sub2;O, etwa 0,4% Co(NO&sub3;)&sub2;·6H&sub2;O und im übrigen entionisiertes Wasser enthielt.
Etwa 1000 Gramm der gebrannten Aluminiumoxidteilchen wurden mit 500 ml der Lösung von Oxiden Seltener Erden imprägniert und anschließend mit einem Gebläsetrockner teilweise getrocknet. Das resultierende Material bestand aus imprägnierten Aluminiumoxidteilchen. 150 ml einer Lösung, enthaltend 25 Gramm Zirkon-n-Propoxid (im Handel erhältlich von Alfa, Danver, MA) in Isopropylalkohol wurde durch Mischen von 1000 Gramm der imprägnierten Aluminiumoxidteilchen mit den 150 ml Zirkon-n-Propoxidlösung auf die imprägnierten Aluminiumoxidteilchen beschichtet. Die resultierenden, beschichteten Teilchen wurden dann getrocknet. Die getrockneten, mit Zirkonium beschichteten, imprägnierten Aluminiumoxidteilchen wurden ein zweites Mal gebrannt und anschließend in einem Drehrohrofen (122 cm lang, 7,62 cm Innendurchmesser, Siliciumkarbidrohr) bei 1400ºC 5 Minuten gesintert. Die resultierenden, gesinterten Schleifteilchen besaßen eine ZrO&sub2;-Beschichtung und wurden auf ANSI Grad 50 ausgesiebt.
Beispiel-1-Schleifkorn wurde durch Vereinigen von 50 Gramm Vergleichsbeispiel- A-Schleifteilchen mit 10 Gramm Graphitpulver (mit einer Fisher Größe von etwa 1,95 Mikrometer; im Handel erhältlich von Cerac, Inc., Milwaukee, WI, unter der Lagernummer 6-1059) in einem Graphittiegel (etwa 15 cm lang, 6,5 cm breit und 1,5 cm tief) hergestellt. Der Tiegel wurde samt Inhalt in einen Schamotteröhrenofen gestellt. Der Schamotteröhrenofen wurde abgedichtet und Vakuum angelegt um die gesamte Luft zu entfernen. Ein Gasstrom aus 90/10 Argon/Wasserstoff mit einem Überdruck von etwa 2,07 N/cm² (3 psi) wurde im Röhrenofen hergestellt. Die Temperatur des Röhrenofens wurde auf etwa 1325ºC angehoben (Innentemperatur) und dann 2 Stunden lang gehalten. Wenigstens ein Teil der ZrO&sub2;-Beschichtung wurde in ZrC umgewandelt, das eine silbermetallische Farbe aufwies. Das restliche Schleifkorn hatte eine dunkelgraue Farbe.
Vergleichsbeispiel-A-Schleifteilchen mit ANSI Grad 50 und Beispiel-1-Schleifkorn wurden jeweils in beschichtete Schleifscheiben eingegliedert. Die beschichteten Schleifscheiben wurden nach üblichen Herstellungsverfahren für beschichtete Schleifprodukte hergestellt. Die Schleifteilchen oder das Schleifkorn wurden an vulkanisierte Faserunterlagen gebunden, die einen Durchmesser von 17,8 cm und ein 2,2 cm großes Loch in der Mitte aufwiesen. Der Binder (make resin) war ein herkömmliches, mit Kalziumkarbonat gefülltes, Phenolharz. Die Schleifteilchen oder das Schleifkorn wurden auf den Binder elektrostatisch aufgebracht, der dann während 90 Minuten bei 88ºC vorgehärtet wurde. Das Deckharz (size resin) war ein herkömmliches, mit Kryolith gefülltes, Phenolharz, mit dem die Schleifteilchen bzw. das Schleifkorn überschichtet und dann während 90 Minuten bei 88ºC vorgehärtet wurden, gefolgt von einer Endaushärtung während 10 Stunden bei 100ºC. Nach der Härtung wurden die Faserscheiben geflext.
Zur Prüfung wurde eine beschichtete Schleifscheibe auf eine abgeschrägte Aufnahmevorrichtung aus Aluminium montiert und dazu verwendet, die Stirniläche eines Werkstücks aus Edelstahl 304 von 1,25 · 18 cm zu schleifen. Die Scheibe wurde mit 5500 upm angetrieben, wobei der über die abgeschrägte Kante hinausragende Teil der Scheibe das Werkstück mit einer Last von 6 kg berührte. Jede Scheibe wurde benützt, um ein anderes Werkstück während eines Intervalls von einer Minute über eine Gesamtzeit von 10 Minuten zu schleifen, sofern nichts anderes angegeben ist. Der Gesamtabtrag entsprach der Summe der während der Versuchsdauer entfernten Metallmenge.
Die beschichteten Schleifscheiben, die Vergleichsbeispiel-A-Schleifteilchen enthielten, erzeugten einen Gesamtabtrag von 179 Gramm. Die Schleifscheiben, die Beispiel-1-Schleifkorn enthielten, erzeugten einen Gesamtabtrag von 184 Gramm.

Vergleichsbeispiel B und Beispiel 2

Das Vergleichsbeispiel B wurde durch imprägnieren von 1000 Gramm der gebrannten Aluminiumoxidteilchen (hergestellt wie in Vergleichsbeispiel A beschrieben) mit 500 ml der Lösung der Oxide Seltener Erden (wie in Vergleichsbeispiel A beschrieben), in die 90 Gramm ZrO&sub2; Sol (20 Gewichtsprozent ZrO&sub2;; erhalten von The PQ Corporation unter dem Markennamen "NYACOL Zr 150/20") gemischt worden waren. Die imprägnierten Aluminiumoxidteilchen wurden teilweise getrocknet und ein zweites Mal gebrannt und anschließend im Drehrohrofen bei 1400ºC 5 Minuten lang gesintert. Die resultierenden Schleifteilchen enthielten etwa 1,5% ZrO&sub2;, das als Beschichtung auf ihrer äußeren Oberfläche vorlag.
Beispiel-2-Schleifkorn wurde, wie unter Beispiel 1 beschrieben, hergestellt, außer dass 50 Gramm Vergleichsbeispiel-B-Schleifteilchen mit 10 Gramm des Graphitpulvers vereinigt wurden und die Atmosphäre im Ofen aus Argon bestand. Wenigstens ein Teil der ZrO&sub2;-Beschichtung wurde in ZrC umgewandelt.

Beispiel 3

Beispiel-3-Schleifkorn wurde wie unter Beispiel 2 beschrieben hergestellt, außer dass ein ZrO&sub2;-Nitrat Sol (5-10 nm Teilchengröße; erhältlich von Nyacol unter dem Markennamen "Nyacol 10/20") an Stelle des 20 Gew.-% ZrO&sub2; Sols und ein Gemisch aus 7 Gramm des Graphitpulvers und 2 Gramm Bornitrid-Pulver (beide im Handel erhältlich von Cerac Inc.) an Stelle der 10 Gramm Kohlepulver verwendet wurde. Wenigstens ein Teil der ZrO&sub2;-Beschichtung wurde in ZrC umgewandelt.

Metallnitrid-Beschichtungen

Beispiele 4 und 5

Beispiel-4- und Beispiel-5-Schleifkörner wurden durch Dispergieren von 28,5 Teilen Böhmit ("DISPERSAL") in 72,1 Teilen angesäuertem Wasser (hergestellt durch Zugabe von 2,3 Teilen Salpetersäure zu 69,8 Teilen entionisiertem Wasser) hergestellt. Das resultierende Sol wurde während 24 Stunden getrocknet und lieferte einen krümeligen Feststoff, der mit einem Pulverisator (Typ U.A., hergestellt von der Braun Corp.) zerkleinert und auf etwa 0,125 bis 2 mm ausgesiebt wurde. Das gesiebte, getrocknete Sol wurde in einem Drehrohrofen (122 cm lang, 15,24 cm Innendurchmesser, Edelstahlrohr) bei etwa 650ºC mit einer Verweilzeit von etwa 1 Minute bei 654ºC gebrannt, um die gebundenen flüchtigen Anteile im Wesentlichen zu entfernen. Diese Teilchen werden als gebrannte Aluminiumoxidteilchen bezeichnet.
Eine Lösung von Oxiden Seltener Erden wurde durch Abmischen einer Lanthan-, Neodym- und Yttriumnitrat-Lösung (20,5% La(NO&sub3;)&sub3;·6H&sub2;O, 20,1% Nd(NO&sub3;)&sub3;·6H&sub2;O, 26,1% Y(NO&sub3;)&sub3;·6H&sub2;O; erhältlich von Molycorp, Lounviers, CO) mit einer ausreichenden Menge Magnesiumnitratlösung (11% Mg(NO&sub3;)&sub2;6H&sub2;O; erhältlich von Mallinckrodt Chemical, Paris, KY) und Kobaltnitratlösung (15% Co(NO&sub3;)&sub2;·6H&sub2;O; erhältlich von Hall Chemical, Wickliffe, OH) hergestellt, um eine Lösung zu liefern, die etwa 5,8% Nd(NO&sub3;)&sub3;·6H&sub2;O, etwa 7,1% Y(NO&sub3;)&sub3;·6H&sub2;O, etwa 14,4% Mg(NO&sub3;)&sub2;·6H&sub2;O, etwa 0,4% Co(NO&sub3;)&sub2;·6H&sub2;O und im übrigen entionisiertes Wasser enthält.
250 Gramm der gebrannten Aluminiumoxidteilchen wurden mit 125 ml der Lösung von Oxiden Seltener Erden imprägniert und dann mit einem Luftgebläse teilweise getrocknet. Das resultierende Material wurde bei 150ºC etwa 1 Stunde lang getrocknet, nochmals bei etwa 650ºC im Drehrohrofen etwa 1 Minute lang gebrannt und anschließend im Drehrohrofen (7,5 cm Innendurchmesser, 120 cm langes Drehrohr aus SiC) bei 1400ºC während 5 Minuten gesintert.
Beispiel-4-Schleifkorn wurde durch Vereinigung von 10 Gramm der vorstehend hergestellten Schleifteilchen mit 10 Gramm Graphitpulver mit einer Fisher Größe von 1,95 Mikrometer (im Handel erhältlich von Cerac, Inc.. unter der Lagernummer 6-1059) in einem Graphittiegel (etwa 7,5 cm lang, 2,5 cm breit und 2 cm tief) hergestellt. Der Tiegel wurde in einen Schamotteröhrenofen gestellt. Der Schamotteröhrenofen war etwa 117 cm lang und wies einen äußeren Durchmesser von 7,6 cm auf. Der Röhrenofen wurde abgedichtet und 2 Stunden mit Stickstoff gespült. Der Röhrenofen wurde mit einem Stickstoffstrom mit einem Überdruck von etwa 2,07 N/cm² (3 psi) beaufschlagt. Die Temperatur des Röhrenofens wurde auf etwa 1225ºC (Innentemperatur) erhöht und 1 Stunde aufrechterhalten. Nachdem sich der Ofen auf Raumtemperatur abgekühlt hatte, wurde der Tiegel entfernt und das Graphitpulver durch Sieben vom Schleifkorn getrennt. Das resultierende Korn hatte eine grau/goldene Farbe.
Beispiel-5-Schleifkorn wurde wie unter Beispiel 4 beschrieben hergestellt, außer dass 20 Gramm der Schleifteilchen mit 5 Gramm des Graphitpulver gemischt und 90 Minuten lang auf etwa 1325ºC erhitzt wurden. Das resultierende Schleifkorn wies eine schimmernde, graugoldene Farbe auf.

Vergleichsbeispiel C und Beispiel 6

Vergleichsbeispiel-C-Schleifteilchen wurden wie die in den Beispielen 4 und 5 verwendeten Schleifteilchen hergestellt.
Beispiel-6-Schleifkorn wurde durch Vereinigung von 50 Gramm Vergleichsbeispiel-C-Schleifteilchen mit 10 Gramm Graphitpulver hergestellt. Dieses Gemisch wurde in einen Graphittiegel (etwa 15 cm lang, 6,5 cm breit und 1,5 cm tief) gegeben, der dann in einen Schamotteröhrenofen gestellt wurde. Der Röhrenofen wurde abgedichtet, Vakuum angelegt, um die Luft vollständig zu entfernen, und ein Stickstoffgasdruck von etwa 2.07 N/cm² (3 psi) aufgegeben. Der Röhrenofen wurde samt Inhalt auf etwa 1325ºC aufgeheizt und 2 Stunden lang auf Temperatur gehalten. Am Ende der 2 Stunden wurde der Strom abgeschaltet und man ließ den Ofen auf Raumtemperatur abkühlen. Der Stickstoffgasstrom wurde mit einem Überdruck von 2,07 N/cm² (3 psi) während des Heizens aufrechterhalten. Das Schleifkorn wurde durch Sieben vom Graphit abgetrennt und dann mit Wasser gewaschen und getrocknet.
Vergleichsbeispiel-C-Schleifteilchen mit ANSI Grad 50 und Beispiel-6-Schleifkorn wurden jeweils in eine Schleifscheibe eingegliedert. Die beschichteten Schleifscheiben wurden nach den herkömmlichen Verfahren rar Herstellung beschichteter Schleifprodukte hergestellt. Die Schleifteilchen oder das Schleifkorn wurden an vulkanisierte Faserunterlagen gebunden, die einen Durchmesser von 17,8 cm aufwiesen und ein 2,2 cm großes Loch in der Mitte aufwiesen. Das Binderharz war ein herkömmliches, mit Kalziumkarbonat gefülltes Phenolharz. Die Schleifteilchen oder das Schleifkorn wurden elektrostatisch auf das Binderharz aufgebracht, das dann 90 Minuten lang bei 88ºC vorgehärtet wurde. Das Deckharz war ein herkömmliches, mit Kryolith gefülltes Phenolharz, mit dem die Schleifteilchen oder das Schleifkorn überschichtet und dann während 90 Minuten bei 88ºC vorgehärtet wurden, gefolgt von einer Endaushärtung während 10 Stunden bei 100ºC. Nach der Aushärtung wurden die Faserscheiben geflext.
Zur Prüfung wurde eine beschichtete Schleifscheibe auf eine abgeschrägte Aufnahmevorrichtung aus Aluminium montiert und dazu verwendet, die Stirnfläche eines Werkstücks aus Edelstahl von 1,25 cm · 18 cm zu schleifen. Die Scheibe wurde mit 5500 upm angetrieben, wobei der über die abgeschrägte Kante hinausragende Teil der Scheibe das Werkstück mit einer Last von 6 kg berührte. Jede Scheibe wurde benützt, um ein anderes Werkstück aus Edelstahl 304 während eines Intervalls von jeweils einer Minute über eine Gesamtzeit von 10 Minuten zu schleifen, sofern nichts anderes angegeben ist. Der Gesamtabtrag entsprach der Summe der während der Versuchsdauer entfernten Metallmenge.
Je zwei Scheiben von Beispiel 6 und Vergleichsbeispiel C wurden geprüft und die betreffenden Ergebnisse gemittelt. Die gemäß Beispiel 6 beschichteten Schleifscheiben erzeugten einen Gesamtabtrag, der 107% des Gesamtabtrags der gemäß Vergleichsbeispiel C beschichteten Schleifscheiben betrug.

Vergleichsbeispiel D, Beispiel 7 und Anschauungsbeisiel I

Beispiel-D-Schleifteilchen wurden durch Imprägnieren von 500 Gramm der gebrannten Aluminiumoxidteilchen (hergestellt, wie in den Beispielen 4 und 5 beschrieben) mit 250 ml der Lösung von Oxiden Seltener Erden (hergestellt, wie in den Beispielen 4 und 5 beschrieben) hergestellt, zu der eine ausreichende Menge an Co(NO&sub3;)&sub2;·6H&sub2;O gegeben worden war, um eine Lösung mit 8% Co(NO&sub3;)&sub2; zu liefern. Die imprägnierten Aluminiumoxidteilchen wurden ein zweites Mal gebrannt und bei 1400ºC 5 Minuten gesintert. Die resultierenden Teilchen besaßen eine Beschichtung mit etwa 1% CoO und wurden auf ANSI Grad 36 ausgesiebt.
Anschauungsbeispiel-I-Schleifkorn wurde hergestellt, indem ein Graphittiegel (etwa 6,5 cm Innendurchmesser bei etwa 15 cm Höhe) etwa zur Hälfte mit Vergleichsbeispiel-D-Schleifteilchen gefüllt wurde. Ein Deckel wurde aufgesetzt und der Tiegel samt Inhalt bei 1500ºC während 60 Minuten in einem Astro (TM) Ofen (erhalten von Thermal Technology, Santa Rose, CA) im Stickstoffstrom mit einem Überdruck von 2,07 N/cm² (3 psi) erhitzt. Das resultierende Schleifkorn hatte keine Goldfarbe, sondern war einheitlich grau, möglicherweise infolge des mangelnden Stickstoffzutritts wegen des Deckels auf dem Graphittiegel.
Beispiel-7-Schleifkorn wurde wie in Beispiel 6 beschrieben hergestellt, außer dass 50 Gramm Vergleichsbeispiel-D-Schleifteilchen an Stelle von Vergleichsbeispiel-C- Schleifteilchen verwendete wurden.
Vergleichsbeispiel-D-Schleifteilchen mit ANSI Grad 36 und Anschauungsbeispiel-I-Schleifkorn wurden jeweils in Schleifscheiben eingegliedert, wie vorstehend beschrieben. Von Vergleichsbeispiel D wurde eine Scheibe geprüft und von Anschauungsbeispiel I wurden zwei Scheiben geprüft.
Die gemäß Vergleichsbeispiel I beschichteten Schleifscheiben erzeugten einen durchschnittlichen Gesamtabtrag, der 70% des Gesamtabtrags der Schleifscheibe gemäß Vergleichsbeispiel D betrug.
Vergleichsbeispiel-D-Schleifteilchen und Beispiel-7-Sehleifkorn wurden jeweils in beschichtete Schleifscheiben eingegliedert und an Werkstücken aus 304 Edelstahl geprüft, wie vorstehend beschrieben.
Die gemäß Beispiel 7 beschichteten Schleifscheiben erzeugten einen durchschnittlichen Gesamtabtrag, der 107% des Gesamtabtrags der Schleifscheiben gemäß Vergleichsbeispiel D betrug.

Beispiele 8 und 9

Die Beispiele 8 und 9 wurden durch Vereinigung von 250 Gramm der gebrannten Aluminiumoxidteilchen (hergestellt, wie in den Beispielen 4 und 5 beschrieben) mit 125 ml der Lösung der Oxide Seltener Erden (hergestellt, wie in den Beispielen 4 und 5 beschrieben) hergestellt und teilweise mit einem Luftgebläse getrocknet. Die imprägnierten Aluminiumoxidteilchen wurden mit 200 ml einer Lösung, die 50 Gramm Titantetrabutylalkoxid in Isopropylalkohol enthielt, beschichtet, indem die 250 Gramm imprägnierten Aluminiumoxidteilchen mit der Alkoxidlösung gemischt wurden. Die Teilchen wurden anschließend bei 150ºC etwa 1 Stunde getrocknet. Die getrockneten Teilchen wurden ein zweites Mal bei 650ºC gebrannt und im Drehrohrofen bei 1400ºC 5 Minuten gesintert. Die resultierenden, gesinterten Schleifteilchen besaßen eine TiO&sub2;- Beschichtung.
Beispiel-8-Schleifkorn wurde durch Mischen von 10 Gramm der TiO&sub2;-beschichteten Schleifteilchen (hergestellt wie im vorausgehenden Abschnitt beschrieben) mit 10 Gramm Graphitpulver und Erhitzen, wie in Beispiel 3 beschrieben, hergestellt. Das resultierende Schleifkorn hatte eine grau/goldene Farbe.
Beispiel-9-Schleifkorn wurde wie in Beispiel 8 beschrieben hergestellt, außer dass 20 Gramm der TiO&sub2;-beschichteten Schleifteilchen mit 5 Gramm Graphitpulver gemischt und 2 Stunden auf 1325ºC erhitzt wurden. Das resultierende Schleifkorn hatte eine graugoldene Farbe.

Beispiel 10

Beispiel-10-Schleifkorn wurde durch Mischen von 500 Gramm der gebrannten Aluminiumoxidteilchen (hergestellt, wie in den Beispielen 4 und 5 beschrieben) mit 250 ml der Lösung von Oxiden Seltener Erden (hergestellt, wie in den Beispielen 4 und 5 beschrieben) hergestellt, der 40 Gramm ZrO&sub2; Sol (20 Gewichtsprozent ZrO&sub2;; erhalten von The PQ Corporation unter dem Markennamen "Nyacol Zr 150/20") zugemischt worden waren. Die imprägnierten Aluminiumoxidteilchen wurden teilweise getrocknet, ein zweites Mal gebrannt und im Drehrohrofen bei 1400ºC 5 Minuten gesintert. Die resultierenden Schleifteilchen enthielten etwa 1,5% ZrO&sub2; als Beschichtung. 20 Gramm dieser ZrO&sub2;-beschichteten Schleifteilchen wurden mit 5 Gramm Graphitpulver gemischt und 2 Stunden unter den Bedingungen von Beispiel 5 erhitzt. Das resultierende Schleifkorn besaß ein graue äußere Oberfläche mit einer goldfarbenen ZrN-Beschichtung.

Vergleichsbeispiel E und Beispiel 11

Vergleichsbeispiel-E-Schleifteilchen wurden in gleicher Weise hergestellt, wie die mit 1,5% ZrO&sub2; beschichteten Schleifteilchen von Beispiel 10 und auf ANSI Grad 50 ausgesiebt.
Beispiel-11-Schleifkorn wurde wie in Beispiel 9 beschrieben hergestellt, außer dass 50 Gramm Vergleichsbeispiel-E-Schleifteilchen verwendet wurden. Das resultierende Schleifkorn hatte eine Gold/Bronze-Farbe, die auf die Umwandlung von wenigstens einem Teil der ZrO&sub2;-Beschichtung in ZrN hinweist.
Vergleichsbeispiel-E-Schleifteilchen und Beispiel-11-Schleifkorn wurden jeweils in beschichtete Schleifscheiben eingegliedert und an Werkstücken aus 304 Edelstahl geprüft, wie in diesem Abschnitt oben unter Metallnitridbeschichtungen beschrieben.
Die beschichteten Schleifscheiben von Beispiel 11 erzeugten einen mittleren Gesamtabtrag, der 119% des Gesamtabtrags der Schleifscheiben von Vergleichsbeispiel E betrug.

Vergleichsbeispiele F und G und Beispiele 12 und 13

Vergleichsbeispiel-F-Schleifteilchen wurden durch Imprägnieren von 1000 Gramm der gebrannten Aluminiumoxidteilchen (hergestellt, wie in den Beispielen 4 und 5 beschrieben) mit 500 ml der Lösung von Oxiden Seltener Erden (hergestellt, wie in den Beispielen 4 und 5 beschrieben) hergestellt. Die imprägnierten Aluminiumoxidteilchen wurden mit 150 ml einer Lösung, enthaltend 25 Gramm Zirkon-n-Propoxid (im Handel erhältlich von Alfa, Danver, MA) in Isopropylalkohol, beschichtet, indem die 1000 Gramm imprägnierter Aluminiumoxidteilchen mit der Zirkon-n-Propoxid-Lösung gemischt wurden. Die Teilchen wurden mit einem Luftgebläse getrocknet. Die mit Alkoxid beschichteten, imprägnierten Aluminiumoxidteilchen wurden ein zweites Mal gebrannt und im Drehrohrofen bei 1400ºC 5 Minuten gesintert. Die resultierenden, eine ZrO&sub2;- Beschichtung aufweisenden Schleifteilchen, wurden auf ANSI Grad 50 ausgesiebt.
Vergleichsbeispiel-G-Schleifteilchen wurden durch Imprägnieren von 500 Gramm der gebrannten Aluminiumoxidteilchen (hergestellt, wie in den Beispielen 4 und 5 beschrieben) mit 250 ml der Lösung von Oxiden Seltener Erden (hergestellt, wie in den Beispielen 4 und 5 beschrieben) hergestellt. 35 Gramm Titan-iso-Propoxid wurden mit Isopropylalkohol gemischt, um ein Endvolumen von 150 ml zu liefern. Mit dieser Lösung wurden die imprägnierten, teilweise getrockneten Schleifteilchen beschichtet. Die imprägnierten, beschichteten Schleifteilchen wurden ein zweites Mal gebrannt und bei 1400ºC 5 Minuten im Drehrohrofen gesintert. Die resultierenden Schleifteilchen besaßen eine TiO&sub2;-Beschichtung und wurden auf ANSI Grad 50 ausgesiebt.
Beispiel-12-Schleifkorn wurde wie unter Beispiel 9 beschrieben hergestellt, außer dass 50 Gramm Vergleichsbeispiel-F-Schleifteilchen mit 10 Gramm Graphitpulver gemischt wurden. Wenigstens ein Teil der ZrO&sub2;-Beschichtung wurde in ZrN umgewandelt, das eine Gold/Bronze-Farbe aufwies. Das Schleifkorn hatte eine durchgehend graue Farbe.
Beispiel-13-Schleifkorn wurde wie unter Beispiel 12 beschrieben hergestellt, außer dass 50 Gramm Vergleichsbeispiel-G-Schleifteilchen verwendet wurden und das Erhitzen und die Kühlung in einer Stickstoffatmosphäre und die Imprägnierung in einer Ammoniakatmosphäre erfolgten. Wenigstens ein Teil der TiO&sub2;-Beschichtung wurde in TiN umgewandelt, das eine Bernstein/Gold-Farbe aufwies. Das Schleifkorn war durchgehend grau.
Vergleichsbeispiel-F-Schleifteilchen und Beispiel-12-Schleifkorn wurden jeweils in Schleifscheiben eingegliedert und an 304 Edelstahl getestet, wie vorstehend beschrieben.
Beschichtete Schleifscheiben gemäß Beispiel 12 erzeugten einen durchschnittlichen Gesamtabtrag, der 130% des Gesamtabtrags von Schleifscheiben gemäß Vergleichsbeispiel F betrug.
Vergleichsbeispiel-G-Schleifteilchen und Beispiel-13-Schleifkorn wurden in Schleifscheiben eingegliedert und an Werkstücken aus 1018 Flußstahl bis zum 12- Minuten-Endpunkt geprüft, wie in diesem Abschnitt oben unter Metallnitridbeschichtungen beschrieben.
Die beschichteten Schleifscheiben gemäß Beispiel 13 erzeugten einen Gesamtabtrag, der 117% des Gesamtabtrags von beschichteten Schleifscheiben gemäß Vergleichsbeispiel G betrug.

Vergleichsbeispiel H und Beispiele 14 und 15

Vergleichsbeispiel-H-Schleifteilchen wurden durch Imprägnieren von 1000 Gramm der gebrannten Aluminiumoxidteilchen (hergestellt, wie in den Beispielen 4 und 5 beschrieben) mit 500 ml der Lösung der Oxide Seltener Erden (hergestellt, wie in den Beispielen 4 und 5 beschrieben) hergestellt, der 90 Gramm ZrO&sub2; Sol (20 Gew.-% ZrO&sub2;; erhalten von Nyacol unter dem Markennamen "Nyacol 150/20") zugesetzt wurden. Das imprägnierte Material wurde ein zweites Mal gebrannt und bei 1400ºC 5 Minuten im Drehrohrofen gesintert. Die resultierenden Schleifteilchen enthielten etwa 1,5% ZrO&sub2; als Beschichtung und wurden auf ANSI Grad 40 ausgesiebt.
Beispiel-14-Schleifkorn wurde wie in Beispiel 13 beschrieben hergestellt, außer dass 50 Gramm Vergleichsbeispiel-H-Schleifteilchen verwendet wurden. Wenigstens ein Teil der ZrO&sub2;-Beschichtung wurde in goldfarbenes ZrN umgewandelt. Das Schleifkorn war durchgehend grau.
Beispiel-15-Schleifkorn wurde wie in Beispiel 14 beschrieben hergestellt, außer dass das Erhitzen, Imprägnieren und Kühlen in einer 90/10 Stickstoff/Wasserstoff- Atmosphäre erfolgte. Wenigstens eine Teil der ZrO&sub2;-Beschichtung wurde in goldfarbenes ZrN umgewandelt. Das Schleifkorn war durchgehend grau.
Vergleichsbeispiel-H-Schleifteilchen mit ANSI Grad 40 und Beispiel-15-Schleifkorn wurden jeweils in Schleifscheiben eingegliedert und an Werkstücken aus Titan bis zum 4-Minuten-Endpunkt und an Werkstücken aus Edelstahl 304 bis zum 10-Minuten- Endpunkt geprüft, wie in diesem Abschnitt vorstehend unter Metallnitrid-Beschichtungen beschrieben.
Auf Titan erzeugten die beschichteten Schleifscheiben gemäß Beispiel 15 einen durchschnittlichen Gesamtabtrag, der 142% des Gesamtabtrags der beschichteten Schleifscheiben gemäß Vergleichsbeispiel H betrug.
Auf Edelstahl erzeugten die beschichteten Schleifscheiben gemäß Beispiel 16 einen durchschnittlichen Gesamtabtrag, der 106% des Gesamtabtrags der beschichteten Schleifscheiben gemäß Vergleichsbeispiel H betrug.
Bei einem anderen Versuch wurden Vergleichsbeispiel-H-Schleifteilchen mit ANSI Grad 40 mit 10 Gramm löslichem Stärkepulver gemischt, und es wurde weiter verfahren, wie in Beispiel 14 beschrieben, außer dass die Atmosphäre aus 100% Stickstoff bestand. Die Schamotteröhre brach jedoch beim Aufheizen auf halbem Wege, so dass der Versuch nicht zu Ende geführt wurde. Die Stärke hatte aufgeschäumt und floß über den Tiegel, hatte aber die Schleifteilchen beschichtet.

Vergleichsbeisbiel I & Beispiele 16-19

Vergleichsbeispiel-I-Schleifteilchen wurden wie in Vergleichsbeispiel H beschrieben hergestellt, außer dass ein ZrO&sub2;-Nitrat Sol mit feinerer Teilchengröße (5-10 nm, erhältlich von Nyacol unter dem Markennamen "Nyacol Zr 10/20") verwendet wurde. Die resultierenden Schleifteilchen besaßen eine ZrO&sub2;-Beschichtung und wurden auf ANSI Grad 50 ausgesiebt.
Beispiel-16-Schleifkorn wurde wie in Beispiel 15 beschrieben hergestellt, außer dass 50 Gramm Vergleichsbeispiel-I-Schleifteilchen verwendet wurden und das Erhitzen in einer 85/15 Stickstoff/Wasserstoff-Atmosphäre erfolgte. Wenigstens ein Teil der ZrO&sub2;- Beschichtung wurde in ZrN mit goldbrauner Farbe umgewandelt.
Beispiel-17-Schleifkorn wurde wie in Beispiel 16 beschrieben hergestellt, außer dass 5 Gramm Graphit verwendet wurden und 30 Minuten erhitzt wurde. Wenigstens ein Teil der ZrO&sub2;-Beschichtung wurde in ZrN umgewandelt.
Beispiel-18-Schleikorn wurde wie in Beispiel 17 beschrieben hergestellt, außer dass 60 Minuten erhitzt wurde. Wenigstens ein Teil der ZrO&sub2;-Beschichtung wurde in ZrN umgewandelt.
Beispiel-19-Schleifkorn wurde wie in Beispiel 16 beschrieben hergestellt, außer dass 125 Gramm Vergleichsbeispiel-I-Schleifteilchen verwendet wurden. Wenigstens ein Teil der ZrO&sub2;-Beschichtung wurde in ZrN umgewandelt.
Schleifteilchen/korn von Vergleichsbeispiel I und den Beispielen 17, 18 und 19 wurden jeweils in Schleifscheiben eingegliedert, wie vorstehend beschrieben. Die Scheiben wurden an Werkstücken aus 1018 Flussstahl bis zum 12-Minuten Endpunkt geprüft, wie vorstehend in diesem Abschnitt unter Metallnitridbeschichtungen beschrieben.
Die beschichteten Schleifscheiben von Beispiel 17 erzeugten einen durchschnittlichen Gesamtabtrag, der 102% des Gesamtabtrags der beschichteten Schleifscheiben von Vergleichsbeispiel I betrug; die beschichteten Schleifscheiben von Beispiel 18 erzeugten einen durchschnittlichen Gesamtabtrag, der 108% des Gesamtabtrags der beschichteten Schleifscheiben von Vergleichsbeispiel I betrug; und die beschichtete Schleifscheiben von Beispiel 19 erzeugten einen durchschnittlichen Gesamtabtrag, der 105% des Gesamtabtrags der beschichteten Schleifscheiben von Vergleichsbeispiel I betrug.

Vergleichsbeispiel J & Beispiel 20

Vergleichsbeispiel-J-Schleifteilchen wurden durch Imprägnieren von 500 Gramm der gebrannten Aluminiumoxidteilchen (hergestellt, wie in den Beispielen 4 und 5 beschrieben) mit 250 ml der Lösung von Oxiden Seltener Erden (hergestellt, wie in den Beispielen 4 und 5 beschrieben) hergestellt, der 3,5 Gramm geschmolzenes TiO&sub2;-Pulver (erhalten von DeGussa Corp., Teterboro, NJ, unter dem Markennamen "TITANDIOXID P-25") und 14 Gramm des 20 Gew.-% ZrO&sub2; Sols zugesetzt wurden. Die imprägnierten Teilchen wurden bei 1400ºC 5 Minuten im Drehrohrofen befeuert. Die resultierenden Teilchen waren mit einem TiO&sub2;/ZrO&sub2;-Gemisch beschichtet und wurden auf ANSI Grad 36 ausgesiebt.
Beispiel-20-Schleifkorn wurde wie in Beispiel 18 beschrieben hergestellt, außer dass 50 Gramm Vergleichsbeispiel-J-Schleifteilchen verwendet wurden. Die TiO&sub2;/ZrO&sub2;- Beschichtung wurde in eine goldfarbene TiN/ZrN-Beschichtung umgewandelt.
Vergleichsbeispiel-J-Schleifteilchen und Beispiel-20-Schleifkorn wurden jeweils in Schleifscheiben eingegliedert und an Werkstücken aus 1018 Flußstahl bis zum 12- Minuten-Endpunkt geprüft, wie vorstehend in diesem Abschnitt unter Metallnitrid- Beschichtungen beschrieben.
Die beschichteten Schleifscheiben von Beispiel 20 erzeugten einen durchschnittlichen Gesamtabtrag, der 106% des Gesamtabtrags der beschichteten Schleifscheiben von Vergleichsbeispiel J betrug.

Vergleichsbeispiel K & Beispiel 21

Vergleichsbeispiel-K-Schleifteilchen waren geschmolzene Aluminiumoxid- Zirkoniumoxid-Schleifteilchen mit ANSI Grad 60, im Handel erhältlich von Norton Co., unter dem Markennamen "NZX".
Beispiel-21-Schleifkorn wurde wie in Beispiel 18 beschrieben hergestellt, außer dass 50 Gramm Vergleichsbeipiels-K-Schleifteilchen verwendet wurden. Es bildete sich eine Oberflächenschicht, in der ZrO&sub2; in ZrN mit goldbrauner Farbe umgewandelt wurde.
Vergleichsbeispiel-K-Schleifteilchen mit ANSI Grad 60 und Beispiel-21- Schleifkorn wurden in Schleifscheiben eingegliedert und an Werkstücken aus 1018 Flußstahl bis zum 12-Minuten-Endpunkt geprüft, wie in diesem Abschnitt oben unter Metallnitrid-Beschichtungen beschrieben.
Die beschichteten Schleifscheiben von Beispiel 21 erzeugten einen durchschnittlichen Gesamtabtrag, der 108% des Gesamtsabtrags der beschichteten Schleifscheiben von Vergleichsbeispiel K betrug.

Vergleichsbeispiel L & Beispiel 22

Vergleichsbeispiel-L-Schleifteilchen waren blaue geschmolzene Aluminiumoxid- Schleifteilchen mit ANSI Grad 40, im Handel erhältlich von Norton Co. unter dem Markennamen "FSX", die mit TiO&sub2; beschichtet waren. Die TiO&sub2;-Beschichtung wurde durch Mischen von 3,5 Gramm gebranntem TiO&sub2; ("TITANDIOXID P-25") in 25 Gramm Wasser hergestellt. Diese Dispersion wurde mit 100 Gramm der geschmolzenen Aluminiumoxidteilchen gemischt. Diese Schleifteilchen wurden dann getrocknet und bei 1300ºC während 30 Minuten befeuert. Die resultierenden Schleifteilchen hatten eine TiO&sub2;- Beschichtung.
Beispiel-22-Schleifkorn wurde wie in Beispiel 18 beschrieben hergestellt, außer dass 50 Gramm Vergleichsbeispiel-L-Schleifteilchen verwendet wurden und 2 Stunden erhitzt wurde.
Vergleichsbeispiel-L-Schleifteilchen mit ANSI Grad 40 und Beispiel-22-Schleifkorn wurden jeweils in Schleifscheiben eingegliedert und an Werkstücken aus 1018 Flussstahl bis zum 12-Minuten-Endpunkt geprüft, wie vorstehend in diesem Abschnitt unter Metallnitrid-Beschichtungen beschrieben.
Die beschichteten Schleifscheiben von Beispiel 22 erzeugten einen durchschnittlichen Gesamtabtrag, der 109% des Gesamtabtrags der beschichteten Schleifscheiben von Vergleichsbeispiels L betrug.

Vergleichsbeispiel M & Beispiel 23

Vergleichsbeispiels-M-Schleifteilchen bestanden aus blauem, geschmolzenem Aluminiumoxid mit ANSI Grad 40, im Handel erhältlich von Norton Co. unter dem Markennamen "FSX", auf die eine ZrO&sub2;-Schicht aufgebracht war. Die ZrO&sub2;-Schicht wurde durch Mischen von 18 Gramm eines 20 Gew.-% ZrO&sub2;-Sol (gibt 3,5 g ZrO&sub2;) in Wasser hergestellt. Diese Dispersion wurde dann zu 100 Gramm der blauen, geschmolzenen Aluminiumoxid-Schleifteilchen gegeben. Diese Schleifteilchen wurden anschließend getrocknet und bei 1300ºC 30 Minuten befeuert. Die resultierenden Schleifteilchen besaßen eine ZrO&sub2;-Beschichtung.
Beispiel-23-Schleifkorn wurde wie in Beispiel 22 beschrieben hergestellt, außer dass 50 Gramm Vergleichsbeispiel-M-Schleifteilchen verwendet wurden.
Vergleichsbeispiel-M-Schleifteilchen mit ANSI Grad 40 und Beispiel-23-Schleifkorn wurden jeweils in Schleifscheiben eingegliedert und an Werkstücken aus 1018 Flußstahl bis zum 12-Minuten-Endpunkt geprüft, wie vorstehend in diesem Abschnitt unter Metallnitrid-Beschichtungen beschrieben.
Die beschichteten Schleifscheiben von Beispiel 23 erzeugten einen durchschnittlichen Gesamtabtrag, der 100% des Gesamtabtrags der beschichteten Schleifscheiben von Vergleichsbeispiel M entsprach.

Vergleichsbeispiel N & Beispiel 24

Vergleichsbeispiel-N-Schleifteilchen wurden wie in den Beispielen 4 und 5 beschrieben hergestellt, außer dass das Gel vor dem Brennen in Dreiecke geformt wurde, wie von der US-A-5,201,916 (Berg et al.) gelehrt. 150 Gramm dieser gebrannten Aluminiumoxiddreiecke wurden mit 75 ml der Lösung von Oxiden Seltener Erden (hergestellt, wie in den Beispielen 4 und 5 beschrieben) imprägniert, der 12 Gramm des 20 Gew.-% ZrO&sub2; Sols zugesetzt worden war. Die resultierenden, imprägnierten Teilchen wurden getrocknet und bei 1400ºC 5 Minuten befeuert.
Beispiel-24-Schleifkorn wurde wie in Beispiel 18 beschrieben hergestellt, außer dass 60 Gramm Vergleichsbeispiel-M-Schleifteilchen mit 10 Gramm Graphit gemischt wurden. Das resultierende Schleifkorn war mit ZrN beschichtet.
Vergleichsbeispiel-M-Schleifteilchen mit ANSI Grad 24 und Beispiel-24-Schleifkorn wurden jeweils in Schleifscheiben eingegliedert und an Werkstücken aus 1018 Flußstahl bis zum 12-Minuten-Endpunkt geprüft, wie vorstehend in diesem Abschnitt unter Metallnitrid-Beschichtungen beschrieben.
Die beschichteten Schleifscheiben von Beispiel 24 erzeugten einen durchschnittlichen Gesamtabtrag, der 103% des Gesamtabtrags der Schleifscheiben von Vergleichsbeispiel M betrug.

Beispiel 25

Die zur Herstellung von Beispiel 25 verwendeten Schleifteilchen wurden wie in Vergleichsbeispiel M beschrieben hergestellt, außer dass das Gel Eisenoxid als keimbildendes Material enthielt und in Stäbchen extrudiert wurde. Das keimbildende Eisenoxidmaterial bestand in einer wässerigen Dispersion von Eisenoxyhydroxid (gamma- FeOOH), Lepidocrocit, nadelförmigen Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 0,05 bis 0,1 Mikrometer. Die resultierenden Schleifstäbchen enthielten 2% Fe&sub2;O&sub3;, bezogen auf den theoretischen Wert. Das mit Nitrid beschichtete Schleikorn wurde wie in Beispiel 24 beschrieben hergestellt, außer dass 60 Gramm des vorstehend beschriebenen, Eisenoxid enthaltenden, Schleifkorns (Stäbchen), verwendet wurden. Das resultierenden Schleifkorn war mit ZrN beschichtet.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Schleifkorns auf Alpha-Aluminiumoxid- Basis, umfassend das Erhitzen einer Vielzahl von Schleifteilchen auf Alpha- Aluminiumoxid-Basis, von denen jedes eine äußere, Metalloxid enthaltende Oberfläche besitzt, in Gegenwart einer Kohlenstoffquelle, für eine Zeit, bei einer Temperatur und in nicht-oxydierender Atmosphäre, die ausreichen, um wenigstens einen Teil des Metalloxids in Metallkarbid umzuwandeln.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoffquelle eine teilchenförmige Kohlenstoffquelle ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei wenigstens ein Teil der Schleifteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis, jeweils einen Kern auf Alpha- Aluminiumoxid-Basis mit einer äußeren Oberfläche und eine Metalloxid-Beschichtung umfaßt, die wenigstens einen Teil der äußeren Oberfläche des Kerns bedeckt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei die Metalloxid-Beschichtung wenigstens 70% der äußeren Oberfläche des Kerns bedeckt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, wobei wenigstens ein Teil der Schleifteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis gesinterte, polykristalline Keramikteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis sind.

6. Verfahren zur Herstellung eines Schleifgegenstandes (10, 20), umfassend den Schritt der Aufnahme einer Vielzahl von nach Anspruch 1 hergestellten Schleitkörnern (17, 21, 32) in einen, einen Binder (15, 16, 34) umfassenden Schleifgegenstand (10,20).

7. Verfahren zur Herstellung eines Schleifkorns auf Alpha-Aluminiumoxid- Basis, umfassend das Erhitzen einer Vielzahl von Schleifteilchen auf Alpha- Aluminiumaxid-Basis, von denen jedes eine äußere, Metalloxid enthaltende Oberfläche besitzt, in Gegenwart einer Kohlenstoffquelle, für eine Zeit, bei einer Temperatur und in nicht-oxydierender, stickstofthaltiger Atmosphäre, die ausreichen, um wenigstens einen Teil des Metalloxids in Metallnitrid umzuwandeln.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei die Kohlenstoffquelle eine teilchenförmige Kohlenstoffquelle ist.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei wenigstens ein Teil der Schleifteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis, jeweils einen Kern auf Alpha- Aluminiumoxid-Basis, mit einer äußeren Oberfläche und eine Metalloxid-Beschichtung umfaßt, die wenigstens einen Teil der äußeren Oberfläche des Kerns bedeckt.

10. Verfahren nach Anspruch 7, 8 oder 9, wobei das Metalloxid wenigstens 70% der äußeren Oberfläche des Kerns bedeckt.

11. Verfahren nach Anspruch 7, 8, 9 oder 10, wobei wenigstens eine Teil der Schleifteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis, gesinterte, polykristalline Keramikteilchen auf Alpha-Aluminiumoxid-Basis sind.

12. Verfahren zur Herstellung eines Schleifgegenstandes (10, 20), umfassend den Schritt der Aufnahme einer Vielzahl von nach Anspruch 7, 8, 9, 10 oder 11 hergestellten Schleifkörnern (14, 21, 32) in einen, einen Binder (15, 16, 34) umfassenden Schleifgegenstand (10, 20).