DE69309478T2

DE69309478T2 - Aluminiumoxid und zirconiumoxid enthaltendes schleifkorn

Info

Publication number: DE69309478T2
Application number: DE69309478T
Authority: DE
Inventors: Henry Larmie
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1992-09-25
Filing date: 1993-09-22
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2013-09-23
Also published as: HK1007740A1; US5551963A; EP0662072A1; DE69309478D1; WO1994007809A1; CA2142898A1; JPH08502232A; BR9307112A; JP3560341B2; ATE151063T1; EP0662072B1; KR960702420A

Description

Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid enthaltendes Schleifkorn

Die vorliegende Erfindung betrifft ein verbessertes Aluminiumoxid-Zirkoniumdioxid- Schleifkorn und ein Verfahren zu dessen Herstellung. Die verbesserten Schleifkörner sind in Schleifprodukten nützlich.
Die Schleifmittelindustrie beschäftigt sich im allgemeinen mit Schleifprodukten, die ein Bindemittel und eine Vielzahl von Schleifkörnern umfassen und die zum Abschleifen eines Werkstückes (z.B. rostfreier Stahl) verwendet werden. Für die Schleifwirkung eines Schleifproduktes bei der Anwendung auf das Werkstück sind die Schleifkömer verantwortlich. Bei der Anwendung können die Schleilkörner eines Schleifproduktes relativ hohen Drücken, Temperaturen und Rotationsgeschwindigkeiten ausgesetzt sein; deshalb sind die bevorzugten Schleifkörner hart, zäh und chemisch beständig gegenüber dem Werkstück, welches abgeschliffen wird. Im allgemeinen ist die Eigenschaft Härte damit verbunden, in welchem Maße das Schleifkorn den Schleifkräften Widerstand entgegensetzen kann. Die Eigenschaft Zähigkeit ist mit der Festigkeit und der Bruchfestigkeit des Schleifkorns verbunden. Die chemische Beständigkeit betrifft im allgemeinen die chemische Natur des Materials, aus welchem das Schleilkorn hergestellt ist, und die Schleifbedingungen.
Schleifkörner, die geschmolzenes Aluminiumoxid umfassen, sind bekannt und finden breite Anwendung. Im Laufe des letzten Jahrzehntes sind auch verbesserte Schleifkörner, die im allgemeinen das Produkt eines mit Aluminiumoxid ausgeführten Sol-Gel-Keramikverfahrens umfassen, entwickelt worden. Solche verbesserten Keramikkörner sind im allgemeinen zäher als Körner aus geschmolzenem Aluminiumoxid.
EP-A-0 291 029 beschreibt einen Keramikkörper, welcher gut vermischte Mikrokristalle aus α-Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid umfaßt, 50 bis 95 Gewichtsprozent Aluminiumoxid und 50 bis 5 Gewichtsprozent Zirkoniumdioxid enthält, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens drei Viertel der Mikrokristalle bei der Betrachtung des Querschnittes in einem Elektronenmikroskop bei einer etwa 10.000-20.000 fachen Vergrößerung anscheinend eine maximale Ausdehnung zwischen 0,25 und 1 Mikron aufweisen.
EP-A-0 200487 betrifft ein Sol-Gel-Verfahren zur Herstellung von Schleifkörnern auf der Basis von Aluminiumoxid, wobei das Verfahren die Herstellung einer Dispersion aus α-Aluminiumoxidmonohydratpartikeln, die Vergelung der Dispersion, das Trocknen der Geldispersion, wodurch ein Feststoff erzeugt wird, das Calcinieren des Feststoffes und das Sintern des calcinierten Feststoffes umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Trocknungsschritt Keimstellen in die Dispersion eingeführt werden. Das Gel kann auch eine Vorstufe eines modifizierenden Zusatzstoffes enthalten.
EP-A-0 293 163 beschreibt Keramikschleifkörner, die durch ein Imprägnierungsverfahren erzeugt werden, welches die Herstellung eines Aluminiumoxidhydratsols, das Trocknen des Sols, wodurch ein poröser Feststoff hergestellt wird, das Zerkleinern des Feststoffes, wodurch Partikel hergestellt werden, das Calcinieren der getrockneten Partikel, das Herstellen eines Gemisches aus einem Metalloxidzusatzstoff oder dessen Vorstufe in einem flüssigen Träger, die Imprägnierung der calcinierten Partikel mit dem Gemisch, das Trocknen der imprägnierten Partikel, das Calcinieren der getrockneten imprägnierten Partikel und das Brennen der Partikel, wodurch Keramikschleifkörner hergestellt werden, umfaßt. Die Konzentration des modifizierenden Metallzusatzstoffes ist an oder in der Nähe der Kornoberfläche größer als im Inneren der Körner.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird, wie in den Ansprüchen offenbart, ein Verfahren zur Herstellung von Schleilkörnern bereitgestellt. Das Verfahren schließt allgemein die Herstellung einer Dispersion ein, welche Aluminiumoxidhydrat und eine wirksame Menge Zirkoniumdioxid (als ein Sol) einschließt. Aus der Dispersion wird ein Zirkoniumdioxid enthaltendes Aluminiumoxid-Basiskornmaterial erzeugt. Das Zirkoniumdioxid ist relativ gleichmäßig über das Basiskornmaterial verteilt. Das Basiskommaterial wird gesintert, wodurch ein Aluminiumoxid-Schleifkorn (in dem der Großteil der Zirkoniumdioxidpartikel gleichmäßig und zufällig verteilt ist) gemäß der vorliegenden Erfindung bereitgestellt wird.
Die Dispersion, aus der das Basiskornmaterial erzeugt wird, sollte Aluminiumoxidhydrat und Zirkoniumdioxidsol im allgemeinen in einem solchen Gewichtsverhältnis einschließen, daß die prozentuale Menge an Zirkoniumdioxid in dem gesinterten Schleifkorn 0,1 Gew.-% bis 50 Gew.-%, bezogen auf das Elementoxid, beträgt (wobei der Rest α-Aluminiumoxid und/oder andere Metalloxide, einschließlich Aluminiumoxid-Metalloxid-Reaktionsprodukt(e) umfaßt). Der hierin verwendete Begriff "Reaktionsprodukt(e)" bezeichnet Oxid(e), die sich aus zwei oder mehreren Metalloxiden bilden. Zum Beispiel können Aluminiumoxid und gegebenenfalls vorhandenes Magnesiumoxid Spinell bilden; können Aluminiumoxid und gegebenenfalls vorhandenes Magnesiumoxid und gegebenenfalls vorhandenes Lanthanoxid MgLnAl&sub1;&sub1;O&sub1;&sub9; bilden; und können gegebenenfalls vorhandenes Titanoxid und gegebenenfalls vorhandenes Magnesiumoxid MgTi&sub2;O&sub4; bilden. Ferner ist Spinell ein Beispiel für ein Reaktionsprodukt, welches sowohl ein Aluminiumoxidreaktionsprodukt als auch ein Magnesiumoxidreaktionsprodukt ist.
Wird das Zirkoniumdioxid der Dispersion als Zirkoniumdioxidsol zugesetzt, sollte das zugesetzte Zirkoniumdioxidsol im allgemeinen 5 bis 60%, bevorzugt 15 bis 40% kolloidale Zirkoniumdioxidpartikel umfassen, wobei der Rest im allgemeinen den flüssigen Träger für das Zirkoniumdioxidsol (bevorzugt Wasser, stärker bevorzugt deionisiertes Wasser) umfaßt. In einer anderen Ausführungsform können die Zirkoniumdioxidpartikel in die Dispersion eingemischt werden, wobei die Bildung des Zirkoniumdioxidsols in situ erfolgt. In bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sollten die Zirkoniumdioxidpartikel in der Dispersion, aus welcher das Basiskornmaterial erzeugt wird, mindestens 97 Gew.-% Zirkoniumdioxidpartikel mit einer Größe von weniger als 0,2 Mikrometer (und bevorzugt mindestens 97 Gew.-% mit einer Größe von weniger als 0,1 Mikrometer) umfassen. Bevorzugt haben mindestens 90 Gew.-% der Zirkoniumdioxidpartikel eine Größe von weniger als 0,05 Mikrometer und am stärksten bevorzugt haben mindestens 50 Gew.-% eine Größe von weniger als 0,02 Mikrometer. In einigen Anwendungen wird Zirkoniumdioxid mit einer mittleren Partikelgröße im Bereich von 0,005 Mikrometer bis 0,01 Mikrometer bevorzugt.
Das Verfahren kann die Herstellung einer Dispersion, die ein Keimbildungsmaterial enthält, einschließen. Der Begriff "Keimbildungsmaterial" bezeichnet hier einen Keimbildner oder eine Vorstufe davon. Das Verfahren kann auch einen Schritt umfassen, bei dem eine Metalloxidvorstufe (Modifikatorvorstufe) in die Dispersion einbracht wird.
Die aus der Dispersion erzeugten Basiskörner können vor dem Sintern zum Beispiel durch Imprägnierung mit einer Lösung einer Metalloxidvorstufe (Modifikatorvorstufe) und/oder durch Beschichtung behandelt werden.
Es wird eine Formulierung zur Herstellung des bevorzugten Schleifkorns bereitgestellt. Die Formulierung schließt die Bereitstellung von Aluminiumoxid, Zirkoniumdioxid, Magnesiumoxid, Seltenerdoxid und gegebenenfalls Yttriumoxid (oder deren gesinterten Produkten) ein.
In den Bereich der Erfindung ist ein nach dem beschriebenen Verfahren erzeugtes Schleifkorn eingeschlossen. Sie schließt auch Schleifprodukte ein, welche Schleifkörner gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten.
Ein bevorzugtes Schleifkorn gemaß der vorliegenden Erfindung schließt im allgemeinen einen ges interten Kern, der ein gesintertes Produkt des Kornmaterials umfaßt, ein; wobei das gesinterte Produkt Aluminiumoxid und 0,05 bis 1 Mikrometer große (Durchmesser) Zirkoniumdioxidpartikel enthält; wobei das Aluminiumoxid in dem gesinterten Produkt im allgemeinen α-Aluminiumoxid umfaßt. Das gesinterte Produkt (Kern) oder das gesinterte Partikel schließen im allgemeinen einen Bereich (oder Bereiche) von zufällig und gleichmäßig zwischen α-Aluminiumoxidkristalliten verteilten Zirkoniumdioxidpartikeln ein. Der Begriff "gesinterter Kern" oder "Kern" soll in diesem Zusammenhang das gesinterte Basiskorn bezeichnen, ohne Berücksichtigung einer beliebige Beschichtung auf dem Schleifkorn.
Die Zeichnungen umfassen einen Teil dieser Patentbeschreibung und schließen beispielhafte Ausführungsformen ein. Zum besseren Verständnis der Erfindung können in den Zeichnungen die relativen Materialstärken übertrieben dargestellt sein.
FIG. 1 ist eine schematische Ansicht eines Ausschnittes des Querschnittes eines beschichteten, erfindungsgemäße Schleifkörner enthaltenden Schleifproduktes.
FIG. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines verklebten, erfindungsgemäße Schleifkörner enthaltenden Schleifproduktes.
FIG. 3 ist eine vergrößerte schematische Ansicht eines erfindungsgemäße Schleifkörner enthaltenden Schleifvliesproduktes.
FIG. 4 ist eine Aufnahme eines Feldrasterelekronenmikroskopes eines Schleifkorns gemäß Beispiel 19, aufgenommen bei 10.000 facher Vergrößerung.
FIG. 5 ist eine Aufnahme eines Feldrasterelekronenmikroskopes eines Schleifkorns gemäß Vergleichsbeispiel B, aufgenommen bei 10.000 facher Vergrößerung.
FIG. 6 ist eine Aufnahme eines Rasterelekronenmikroskopes eines Schleifkorns gemäß Beispiel 19, aufgenommen bei 2.000 facher Vergrößerung.
FIG. 7 ist eine Aufnahme eines Rasterelekronenmikroskopes eines Schleifkorns gemäß Vergleichsbeispiel B, aufgenommen bei 2.000 facher Vergrößerung.
FIG. 8 ist eine Aufnahme eines Feldrasterelekronenmikroskopes eines Schleifkorns gemäß Beispiel 19, aufgenommen bei 50.000 facher Vergrößerung.
FIG. 9 ist eine Aufnahme eines Felderasterelekronenmikroskopes eines Schleifkorns gemäß Vergleichsbeispiel B, aufgenommen bei 50.000 facher Vergrößerung.
Die vorliegende Erfindung betrifft die Entdeckung, daß einzigartige Schleifkörner erhalten werden, wenn die Schleifkörner in einem keramischen Sol-Gel-Verfahren erzeugt werden, bei dem das Sol-Gel aus Aluminiumoxidhydrat und einer wirksamen Menge als Sol vorliegendem Zirkoniumdioxid erzeugt wird. Die Erfindung betrifft auch Schleifprodukte, welche Schleifkornmaterial enthalten, das den hier beschriebenen allgemeinen Grundsätzen entspricht. Die Leistung der Schleifprodukte verbessert sich im allgemeinen mit den Eigenschaften der eingearbeiteten Schleifkörner. Der erhaltene Vorteil widerspiegelt sich im allgemeinen in der Leistung des Produktes und/oder der Lebensdauer des Produktes.
Der Begriff "Schleifkorn" und dessen Varianten werden hier zur Bezeichnung des körnigen Schleifmaterials, nachdem es für die Einarbeitung in ein Schleifprodukt hergestellt wurde, verwendet. Der Begriff "Basiskorn" oder "Basiskommaterial" wird zur Bezeichnung der auf Aluminiumoxid basierenden, Zirkoniumdioxid enthaltenden, Keramikkornvorstufe verwendet, welche, gesintert oder calciniert und gesintert, ein Schleifkorn gemaß der vorliegenden Erfindung bereitstellt. Das hierin beschriebene calcinierte und gesinterte Basiskorn weist typischerweise eine ausreichende Porosität auf, die es einer Flüssigkeit (z.B. Wasser oder einem organischen Lösungsmittel) erlaubt, die Poren durch Kapillarwirkung zu imprägnieren.

Herstellung der Basiskörner

Die erfindungsgemäßen Basiskörner werden im allgemeinen nach einem Verfahren hergestellt, welches die Schritte umfaßt: (a) Erzeugen einer Dispersion aus Aluminiumoxidhydrat und als Sol vorliegendem Zirkoniumdioxid; und (b) Trocknen der Dispersion. Die getrocknete Dispersion kann zerkleinert werden, wodurch Partikel als Basiskörner hergestellt werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Dispersion nur teilweise getrocknet, geformt und dann weiter zu dem Basiskornmaterial getrocknet werden. Das Basiskommaterial kann durch Sintern in Schleifkörner überführt werden. Die Basiskörner können gegebenenfalls vor dem Sinterverfahren klassiert und/oder modifiziert werden.
Sol-Gel-Verfahren zur Herstellung von α-Aluminiumoxid-Basiskörnern sind allgemein zum Beispiel in den US Patenten Nr.5.011.508 (Wald), 4.744.802 (Schwabel), 4.623.364 (Cottringer), 4.574.003 (Gerk), 4.518.397 (Leitheiser et al.), 4.770.671 (Monroe) und 4.881.951 (Wood) beschrieben. Im allgemeinen werden die in diesen Referenzen offenbarten Sol-Gel-Verfahren in den bevorzugten Anwendungen der vorliegenden Erfindung befolgt, mit Ausnahme der nachstehend beschriebenen Einarbeitung des als Zirkoniumdioxidsol vorliegenden Zirkoniumdioxids in das Sol-Gel. Die Anwesenheit einer wirksamen Menge als Sol vorliegenden Zirkoniumdioxids in dem Sol-Gel steht mit den verbesserten Schleifkörnern gemäß der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang.
Die Herstellung der Aluminiumoxid-Basiskörner durch das Sol-Gel-Verfahren schließt typischerweise zuerst die Herstellung einer Dispersion ein, die 2 bis 60 Gew.- α-Aluminiumoxidmonohydrat (typischerweise Boehmit), obgleich andere Aluminiumoxidhydrate verwendet werden können; und eine wirksame Menge an als Sol vorliegendem Zirkoniumdioxid umfaßt. Der festgesetzte Gewichtsanteil an α-Aluminiumoxid bezieht sich auf die Gesamtmenge an Aluminiumoxidhydrat plus flüssigen Träger, ohne Berücksichtigung von Hilfsstoffen oder anderen Zusatzstoffen. Das Boehmit kann mit verschiedenen herkömmlichen Verfahren hergestellt oder im Handel bezogen werden. Im Handel erhältliches Boehmit, welches für hier beschriebene Sol-Gel-Verfahren verwendbar ist, schließt ein: Disperal erhältlich von CONDEA CHEMIE GmbH, Hamburg, Deutschland, und Catapal , erhältlich von VISTA CHEMICAL Co., Houston, TX. Diese Aluminiumoxidmonohydrate liegen in der α-Form vor, sind relativ rein (schließen, wenn überhaupt, geringe von Monohydrat verschiedene Hydratphasen ein) und haben eine große Oberfläche.
Obwohl der flüssige Träger ein unpolarer organischer Träger sein kann (z.B. Heptan oder Hexan), ist der flüssige Träger typischerweise Wasser, bevorzugt dejonisiertes Wasser. Im allgemeinen enthält die Dispersion (unter Berücksichtigung aller Komponenten) mindestens 10 Gew.-% flüssigen Träger, bevorzugt zwischen 30 und 80 Gew.-% flüssigen Träger.
Wie vorstehend angedeutet, sollte die Dispersion eine wirksame Menge an als Sol vorliegendem Zirkoniumdioxid enthalten. Der Term "wirksame Menge" bedeutet in diesem Zusammenhang die Notwendigkeit, daß die Dispersion ausreichend Zirkoniumdioxidpartikel als Sol enthalten sollte, so daß beim Übergang des Aluminiumoxides von den Übergangsaluminiumoxiden in α-Aluminiumoxid beim Sintern eine Verbesserung der Verdichtung (d.h. stärkere Verdichtung) beobachtet wird (gegenüber einem Aluminiumoxidpartikel ohne Modifikator zur Verdichtung). Des gesinterte Schleifkorn weist bevorzugt mindestens 90% der theoretischen Dichte auf. Das in der Dispersion bereitgestellte Gewichtsverhältnis von Aluminiumoxidhydrat zu Zirkoniumdioxid sollte so sein, daß das gesinterte Schleifkorn 0,1 Gew.-% bis 50 Gew.-% Zirkoniumdioxid (bezogen auf ein Elementoxid) umfaßt.
Es wird angemerkt, daß es bekannt ist, daß die Verdichtung des α-Aluminiumoxids durch die Einführung von Zirkoniumsalzen in das Kornmaterial (s. US Pat. 4.314.827 (Leitheiser et al.)) verbessert wird. Die Einführung von Zirkoniumdioxidvorstufen in Form von Zirkoniumsalzen in das Sol-Gel-Verfahren ist jedoch nicht so erwünscht, wie die Einführung des Zirkoniumdioxids als Zirkoniumdioxidsol. Die Gründe dafür schließen folgende ein:
(1) Wird das Zirkoniumdioxid als Sol eingeführt, weist das erhaltene Produkt eine bevorzugte Mikrostruktur auf; (2) Wird es nicht als Salz eingeführt, neigt das Zirkoniumdioxid dazu, im Sol-Gel (und Korrimaterial) überall gleichmäßiger verteilt zu sein, da die Migration des Salzes während der Trocknung zu einer Konzentrierung des Zirkoniumdioxids an der Oberfläche des Kornmaterials führen kann; und (3) Die Zugabe von Zirkoniumdioxidsalz kann die vorzeitige Vergelung födern, was eine unerwünscht hohe Porosität in den Körnern zur Folge haben kann und die gute Vermischung behindern kann.
Ein Zirkoniumdioxidsol umfaßt eine Vielzahl von kolbidalen Zirkoniumdioxidpartikein (Zirkoniumdioxid), die im flüssigen Medium dispergiert sind. Das flüssige Medium kann Wasser (bevorzugt deionisiertes Wasser) oder ein unpolarer organischer Träger (z.B. Hexan und Heptan) sein, es ist jedoch bevorzugt, daß ein Großteil (mehr als 50 Gew.-%) des flüssigen Mediums Wasser (bevorzugt deionisiertes Wasser) ist. Die Anwesenheit des Zirkoniümdioxidsols in der Aluminiumoxiddispersion kann durch die Zugabe eines zuvor hergestellten Zirkoniumdioxidsols zu der Dispersion sichergestellt werden. Geeignete Zirkoniumdioxidsole sind im Handel erhältlich, z.B. von NYACOL PRODUCTS, INC., Ashland, MA. In einer anderen Ausführungsform können Zirkoniumdioxidpartikel (nicht als Sol) in die Dispersion eingemischt werden.
Die Zirkoniumdioxidpartikel sollten zu mindestens 97 Gew.-% (bevorzugt etwa 100 Gew.-%) auf eine Größe kleiner als 0,2 Mikrometer und bevorzugt zu mindestens 97 Gew.-% auf eine Größe kleiner als 0,1 Mikrometer klassiert werden. Die Zirkoniumdioxidpartikel umfassen bevorzugt auch mindestens 90 Gew.-% an Partikeln, die kleiner als 0,05 Mikrometer sind mit mindestens 50 Gew.-% an Partikeln, die kleiner als 0,02 Mikrometer sind. Der Begriff "Größe" bedeutet in diesem Zusammenhang die größte Ausdehnung der Partikel (typischerweise angenähernd gleich einem Durchmesser, da die Partikel häufig gleichachsig oder nahezu rund sind). Wird das Zirkoniumdioxid als ein Sol zugegeben, sollte das zu der Aluminiumoxiddispersion zugegebene Zirkoniumdioxidsol bevorzugt zwischen 50 und 60 Gew.-% und stärker bevorzugt zwischen 15 und 40 Gew.-% kolloidale Zirkoniumdioxidpartikel einer Größe kleiner als 0,05 Mikrometer (der Rest enthält im allgemeinen flüssigen Träger) enthalten. Der pH-Wert des Zirkoniumdioxidsols sollte im allgemeinen niedriger als 5, bevorzugt niedriger als 4 sein. Das Zirkoniumdioxidsol kann Salpetersäure oder Essigsäure als Stabilisator enthalten, um die Agglomeration der Zirkoniumdioxidpartikel zu verhindern.
Die Dispersion kann aus Zirkoniumdioxid (bevorzugt als Sol), α-Aluminiumoxidhydrat, flüssigem Träger und beliebigen Hilfsstoffen einfach durch Mischen der Komponenten hergestellt werden. Ein bequemes Verfahren ist die Zugabe der Zirkoniumdioxidpartikel (als Sol) zur α-Aluminiumoxidhydratdispersion unter schnellem Schermischen.
Ein Peptisierungsmittel kann in der Dispersion verwendet werden, um ein stabileres Hydrosol oder eine stabilere kolloidale Dispersion herzustellen. Die einwertigen Säuren, die als Peptisierungsmittel verwendet werden können, schließen Essig-, Chlorwasserstoff-, Ameisen- und Salpetersäure ein. Salpetersäure ist das bevorzugte Peptisierungsmittel. Mehrwertige Säuren werden im allgemeinen nicht verwendet, da sie dazu neigen, die Dispersion schnell zu vergelen, was die Handhabung oder das Zumischen zusätzlicher Komponenten erschwert. Einige kommerzielle Boehmitquellen enthalten einen sauren Titer (z.B. Essig-, Ameisen- oder Salpetersäure), um die Bildung einer stabilen Dispersion zu unterstützen.
Die Dispersion kann eine Vorstufe oder einen modifizierenden Zusatzstoff (Modifikator) enthalten, welcher zugesetzt wird, um einige gewünschte Eigenschaften des Endproduktes zu verbessern oder die Effektivität eines nachfolgenden Verfahrensschrittes, wie Sintern, zu steigern. Solche Modifikatoren werden im allgemeinen in Form einer Vorstufe des Modifikators in das in einem flüssigen Träger lösliche Oxid (typischerweise ein Metallsalzmaterial, welches eine Vorstufe für das entsprechende Oxid ist; die Umwandlung wird durch Einwirken von Hitze während des Calcinierens erreicht) eingeführt. Diese umfassen typischerweise wasserlösliche Salze. Es können Gemische von Modifikatoren oder Modifikatorvorstufen verwendet werden. Wasserlösliche Salze umfassende Metallsalzvorstufen (z.B. Nitrate oder Acetate) für Oxide von Magnesium, Zink, Cobalt, Nickel, Hafnium, Chrom, Yttrium, Praseodym, Samanum, Ytterbium, Neodym, Lanthan, Gadolinium, Cer, Dysprosium, Erbium, Titan, und Gemische davon sind als Modifikatorvorstufen verwendbar. Es können auch Zirkoniumsalze verwendet werden, wenn sie nicht anstelle der Zirkoniumdioxidpartikel verwendet werden. Die genauen Mengen dieser in den Sol-Gel-Dispersionen (für die Kornerzeugung) vorhandenen Komponenten sind für die Grundgedanken der vorliegenden Erfindung nicht kritisch und können daher nach Belieben variiert werden. Diese Modifikatoren und deren Anwendung in Schleifmitteln sind z.B. in den US Patenten Nr.4.518.397 (Leitheiser et al.), 4.770.671 (Monroe) und 4.881.951 (Wood) genauer beschrieben.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Einarbeitung von Ceroxid in die Schleifmittel ist in der Anmeldung des vorliegenden Anmelders mit dem Titel "Method For Making Abrasive Grain Containing Alumina and Ceria" PCT Anmeldung Nr. PCT/US93/08987 (US. Seriennummer 07/951.443) offenbart.
Die Dispersion kann ein Keimbildungsmaterial in einer Menge enthalten, die ausreicht, die Umwandlung in α-Aluminiumoxid zu verbessern. Geeignete Keimbildungsmatenahen schließen feine Partikel aus α-Aluminiumoxid, α-Eisenoxid oder dessen Vorstufe, Titanaten oder deren Vorstufen, Chromoxid oder dessen Vorstufe und anderen Materialien ein, die während des Sinterns für den Übergang der Basiskörner Keime bilden können. Die Keimbildung solcher Dispersionen ist z.B. in den US Patenten Nr.4.774.802 (Schwabel), 4.623.364 (Cottringer) und 4.964.883 (Morris) offenbart.
Das eventuelle Formen des Gels kann auf herkömmliche Weise, z.B. durch Pressen, Formen, Beschichten, Extrudieren, Schneiden oder Kombinationen solcher Schritte und Trocknen erreicht werden. Es kann schrittweise durchgeführt werden, z.B. indem zuerst eine plastische Masse der teilweise getrockneten Dispersion durch Extrusion geformt wird. Die erhaltene plastische Masse kann durch ein beliebiges Verfahren, wie Pressen, Formen oder Extrudieren, geformt werden und dann getrocknet werden, wodurch die gewünschte Form, z.B. eine Kugel, Pyramide, Scheibe, Diamant, Konus oder eine ähnliche Form, hergestellt wird. Unregelmäßig geformte Schleifkornprodukte werden bequem durch Absetzen der Dispersion in einem Trockengefäß einer beliebigen geeigneten Größe und Form (z.B. einem pfannenförmigen Gefäß) und Trocknen, typischerweise bei einer Temperatur, die niedriger ist als die Schäumungstemperatur der Dispersion, geformt.
Die Dispersion oder vergelte Dispersion wird, geformt oder ungeformt, im allgemeinen zu einem Feststoff getrocknet (z.B. entwässert). Zum Trocknen der Dispersion können herkömmliche Verfahren verwendet werden. Es können sowohl Lufttrocknungsschritte als auch verschiedene Entwässerungsverfahren angewendet werden. Die Trocknung kann z.B. in einem Gebläseluftofen bei einer Temperatur im Bereich von 50 bis 200ºC, bevorzugt zwischen 75 und 125ºC, erreicht werden. Im allgemeinen wird die vergelte Dispersion während des Trocknens langsam erhitzt, um das Aufschäumen zu verhindern.
Nachdem die Dispersion getrocknet ist, kann sie durch ein beliebiges geeignetes Verfahren zerkleinert oder geformt werden. Beispiele für Zerkleinerungsverfahren schließen die Verwendung einer Hammermühle, Kugelmühle oder Walzenmühle ein. Es kann ein beliebiges Verfahren zum Zerkleinern des Feststoffes verwendet werden, und der Begriff "Zerkleinern" bedeutet ein beliebiges dieser Verfahren. Im allgemeinen kann eine Vielzahl von Partikelgrößen, d.h. 10 bis 4.000 Mikrometer, für Basiskörner verwendet werden. Im allgemeinen wird ein ausgewählter Größenbereich für einen beliebigen vorgegebenen Zweck abgetrennt. Klassierungsschritte, wie Sieben, können verwendet werden, um ausgewählte Partikelgrößen oder -größenfraktionen zu erhalten. Es wird angemerkt, daß Sintern oder Calcinieren und Sintern im allgemeinen zu einem Schrumpfen der Partikel um etwa 33% der linearen Ausdehnung führt. Dies sollte bei der Fraktionsauswahl in Betracht gezogen werden.
Das zerkleinerte oder geformte Material kann in einigen Fällen die Basiskörner oder das Basiskörnermaterial umfassen. In anderen Fällen umfaßt das zerkleinerte oder geformte Material eine "Kornvorstufe", wobei das Basiskornmaterial durch Calcinieren des Materials oder Ausführung anderer Modifizierungen erzeugt wird. In typischen Anwendungen wird es bevorzugt, das Basiskornmaterial zu calcinieren, um Wasser oder andere flüchtige Stoffe zu entfernen. Werden die Körner unter Verwendung eines unpolaren organischen Lösungsmittels als flüssiger Träger erzeugt, ist ein Calcinierungsschritt typischerweise nicht notwendig.
Während des Calcinierens werden im wesentlichen alle flüchtigen Stoffe aus der Kornvorstufe entfernt. Ebenso werden beliebige Modifikatorvorstufen, die in der Dispersion vorhanden waren und die jetzt in der Kornvorstufe zurückgehalten werden, während des Calcinierungsverfahrens in ein Metalloxid überführt. Während des Calcinierens werden die Basiskörner im allgemeinen auf eine Temperatur zwischen 400 und 1000ºC, bevorzugt 400 bis 800ºC, erhitzt. Die Basiskörner werden in diesem Temperaturbereich gehalten bis freies Wasser und bevorzugt über etwa 90 Gew.-% beliebiger gebundener flüchtiger Stoffe entfernt sind. Ferner werden, wenn die Kornvorstufe eine Modifikatorvorstufe enthält, die Basiskörner bevorzugt für eine Zeitdauer calciniert, die ausreicht, um die im wesentlichen vollständige Umwandlung der Modifikatorvorstufe zum Oxid zu erreichen. Die erhaltenen calcinierten Basiskörner sind poröse Partikel.

Umwandlung des Basiskommatenais in verbesserte Schleifkörner

Der Hauptschritt bei der Umwandlung des Basiskorns in ein Schleifkorn ist das Sintern des Basiskorns (d.h. des nichtcalcinierten getrockneten Gels) oder der Kornvorstufe (d.h. des calcinierten getrockneten Gels), wodurch das Aluminiumoxid und Zirkoniumdioxid umfassende Keramikschleilkorn erzeugt wird. Den Basiskörnern können jedoch Modifikatoren, Keimbildungsmaterialien und/oder eine Beschichtung zugesetzt sein.

A. Sintern der Schleifkornvorstufe

Das Sintern der Körner kann durch eine Vielzahl herkömmiicher Verfahren erfolgen. Das Sintern wird typischerweise bei einer Temperatur zwischen 1200 und 1650ºC für einen Zeitraum, der zur vollständigen Umwandlung der Vorstufe ausreicht, ausgeführt. Im allgemeinen umfaßt der Sinterschritt die Umwandlung der α-Aluminiumoxidvorstufe (z.B. Übergangsaluminiumoxid) zu α-Aluminiumoxid (oder α-Aluminiumoxid und dem Reaktionsprodukt von Aluminiumoxid mit Metalloxidvorstufe(n)). Obwohl die Zeitdauer, in welcher die Basiskörner oder Kornvorstufen den Sintertemperaturen ausgesetzt werden, in Abhängigkeit von Faktoren, wie der genauen Zusammensetzung des Korns, variiert werden kann, kann das Sintern im allgemeinen innerhalb eines Zeitraumes von einigen Sekunden bis 120 Minuten beendet werden. Das Sintern verschiedener Basiskorntypen ist allgemein in US Pat. Nr.4.314.827 (Leitheiser et al.) beschrieben. Die in dieser Referenz beschriebenen Sintertechniken können auf die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Körner angewendet werden.

B. (Eventuelles) Imdrägnieren der Basiskörner mit einem Modifikator und/oder einem Keimbildungmatenal vor dem Sintern

In einigen Fällen können dem gesinterten Produkt durch das Imprägnieren der nichtcalcinierten und/oder calcinierten Basiskörner mit einer Imprägnierlösung aus einem Metalloxidmodifikator, der in Form einer Vorstufe zur Verfügung gestellt wird, die eines oder mehrere Metailsalze (z.B. ein Metallnitrat- oder -acetatsalz) umfaßt, bevorzugte Eigenschaften verliehen werden. Das Imprägnieren ist allgemein in US Pat. Nr.5.164.348 beschrieben. Die gemäß dem Sol-Gel-Verfahren hergestellten calcinierten Basiskörner sind porös, d.h. sie haben im allgemeinen Poren mit einer Größe (Durchmesser) von 700- 900 Nanometern, die sich darin von einer Außenoberfläche ausdehnen. Im allgemeinen schließt die Imprägnierung das Mischen eines flüssigen Mediums (bevorzugt Wasser, stärker bevorzugt deionisiertes Wasser, obwohl ein unpolares Lösungsmittel (z.B. Heptan oder Hexan) ebenfalls verwendbar sind), in welchem die Metallsalze gelöst sind, mit den Basiskörnern ein. Bevorzugt werden mindestens 60 ml der Imprägnierlösung mit jeweils 100 g des porösen Basiskorns gemischt, wenn die Körner wie vorstehend beschrieben hergestellt wurden, wodurch eine durchgehende Sättigung der Körner mit der Lösung erreicht wird. Die Modifikatorvorstufen können aus der Gruppe ausgewählt sein, die vorstehend als im Sol-Gel-Verfahren gegebenenfalls verwendbar genannt wurde. Die Imprägnierung ist im allgemeinen ausreichend, wenn das erhaltene Basiskorn nach der Imprägnierung und dem späteren Sintern mindestens 0,1 Gew.-% und bevorzugt 1 bis 30 Gew.-% des Oxidproduktes des Imprägnates (die Gewichtsprozente werden bezogen auf das Gesamtgewicht des gesinterten Schleifkornes und bezogen auf ein theoretisches Elementoxid berechnet) einschließt.
Zum Imprägnieren des getrockneten Gels sollte das flüssige Medium so ausgewählt sein, daß das getrocknete Gel nicht durch dieses gelöst wird. So löst sich zum Beispiel ein von einem wäßrigen Gel abstammendes getrocknetes Gel in Wasser. Ein für die Imprägnierlösung verwendbares flüssiges Medium für ein von einem wäßrigen Gel abstammendes getrocknetes Gel kann ein unpolares Lösungsmittel sein.
Es kann ein Keimbildungsmaterial zu den Basiskörnern zugegeben werden. Das Keimbildungsmaterial kann zugegeben werden, indem die porösen Basiskörner mit einem das Keimbildungsmittel aufnehmenden flüssigen Medium behandelt werden. Die Behandlung kann gleichzeitig mit der Imprägnierung der Modifikatorvorstufe(n) ausgeführt werden.
Die Schleifkörner der vorliegenden Erfindung können ferner eine Oberflächenbeschichtung, d.h. eine den gesinterten Kern umhüllende Beschichtung, umfassen. Typischerweise umfaßt die Beschichtung Metalloxid, noch typischer sind Zirkoniumdioxid, Siliciumdioxid oder Aluminiumoxid (z.B. α-Aluminiumoxid, Übergangsaluminiumoxid oder Aluminiumoxidhydrat). Es kann ein beliebiges einer Vielzahl von Beschichtungsverfahren verwendet werden, einschließlich derjenigen, die in den US Patenten Nr.5.011.508 (Wald), 1.910.440 (Nicholson), 3.041.156 (Rowse), 5.009.675 (Kunz), 4.997.461 (Markhoff- Matheny) und 5.042.991 (Kunz) beschrieben sind. Die Herstellung der Beschichtung kann die Verwendung eines Keimbildungsmaterials einschließen. In einigen Fällen kann eine bevorzugte Beschichtung, die nicht in den vorstehend zitierten Referenzen beschrieben ist, auf die Basiskörner aufgebracht werden, indem eine Dispersion oder Suspension, die anorganische Feststoffteilchen (typischerweise Metalloxide) aufnimmt, zu den Basiskörnern zugegeben wird. Eine auf diese Weise aus anorganischen Feststoffteilchen hergestellte Beschichtung ist in US Pat. Nr.5.213.591 beschrieben. Eine andere Ausführungsform einer Beschichtung aus Metallalkoxiden ist in der PCT-Anmeldung des vorliegenden Anmelders Nr. PCT/US93/06689 beschrieben. C. Das erhaltene Schleifkorn Sowohl die Anwesenheit von Zirkoniumdioxid im Aluminiumoxidsystem, wenn das Zirkoniumdioxid als ein Partikelsol in dem α-Aluminiumoxidmonohydrat-Sol-Gel bereitgestellt wird, als auch die Partikelgröße des Zirkoniumdioxids und das vorhandene Volumen verbessern die Eigenschaften der erhaltenen Schleifkörner. Gegenwärtig wird angenommen, daß die Zirkoniumdioxidpartikel (wenn sie gemäß dem beschriebenen Solverfahren zugegeben werden) die Mikrostruktur der Schleifkörner verbessern können, indem sie das Kornwachstum in dem α-Aluminiumoxid und den Aluminiumoxidreaktionsprodukten verhindern. Deshalb wird theoretisiert, daß die Zugabe von Zirkoniumdioxid (als ein Sol) die Mikrostruktur des Aluminiumoxides verfeinert und homogenisiert und zur Verdichtung beiträgt.
FIG. 4-9 und Versuchsbeispiel 19 (und Vergleichsbeispiel B) sind Beispiele für die einzigartige Schleifkornmikrostruktur und die möglichen Vorteile, die mit den gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Schleifkörnern erhalten werden. FIG. 4 ist die Abbildung eines Sehleifkornes gemäß Beispiel 19. FIG. 5 ist die Abbildung eines Schleifkornes gemäß Vergleichsbeispiel B. Beide dieser (nichtgeimpften) Schleifkömer enthalten 60 Gew.-% α-Aluminiumoxid und 40 Gew.-% Zirkoniumdioxid. Beispiel 19 wurde unter Verwendung von Zirkoniumdioxidsol (erfindungsgemäß) hergestellt. Vergleichsbeispiel B wurde unter Verwendung von Zirkoniumdioxidsalz (d.h. das Sol-Gel enthält keine Zirkoniumdioxidpartikel) hergestellt. Für beide Beispiele wurden die Proben zu einer ein-Mikrometer-Ausführung poliert und 15 Minuten bei 1250ºC thermogeätzt. Die Proben wurden unter Verwendung eines Feldemissionsrasterelektronenmikroskopes bei 10.000 facher Vergrößerung geprüft (FIG. 4 und 5). Das sehr weiße Material in beiden Proben ist Bruch. Das dunklere Gebiet ist das α-Aluminiumoxid und das hellere Gebiet ist das Zirkoniumdioxid.
Bezugnehmend auf FIG. 4, ein erfindungsgemäßes Schleilkorn, liegt die Größe der α-Aluminiumoxidkristallite im Bereich von 0,05 bis 0,3 Mikrometer, gewöhnlich zwischen 0,05 bis 0,2 Mikrometer. Eine Ansammlung dieser α-Aluminiumoxidkristallite wird als eine Domäne bezeichnet. Die α-Aluminiumoxidkristallite innerhalb der Domäne weisen Korngrenzen rnit kleinem Winkel auf. Die Größe der Domänen liegt im Bereich von 3 bis 10 Mikrometer, gewöhnlich von 3 bis 5 Mikrometer. Die Zirkoniumdioxidpartikel befinden sich innerhalb der Domänen, d.h. zwischen α-Aluminiumoxidkristalliten und zwischen angrenzenden Domänen. Die Größe der Zirkoniumdioxidpartikel (als Ganzes) liegt im Bereich von 0,05 bis 1 Mikrometer, gewöhnlich zwischen 0,05 und 0,5 Mikrometer. Die innerhalb der Domänen vorhandenen Zirkoniumdioxidpartikel weisen jedoch eine viel geringere Partikelgröße auf, gewöhnlich zwischen 0,05 und 0,2 Mikrometer und sind gleichachsig. Der in diesem Zusammenhang verwendete Begriff "gleichachsig" bedeutet, daß jeder Zirkoniumdioxidpartikel mit einer ungefähr gleichgroßen Ausdehnung von einem zentralen Punkt aus geformt ist. Deshalb ist jeder Partikel nahezu kugelförmig Die zwischen den Domänen vorhandenen Zirkoniumdioxidpartikel sind länglicher (d.h. haben ein Ansichtsverhältnis von größer als 2:1) als die Partikel innerhalb der Domänen. Die Zirkoniumdioxidpartikel zwischen den Domänen haben eine Partikelgröße zwischen 0,2 und 0,8 Mikrometer, gewöhnlich zwischen 0,2 und 0,5 Mikrometer. Ist das Zirkoniumdioxid innerhalb der Aluminiumoxiddomänen vorhanden, ist das Zirkoniumdioxid in Form von einzelnen Partikeln überall in der Domäne verteilt. Ist das Zirkoniumdioxid zwischen den Domänen vorhanden, können einige Zirkoniumdioxidpartikel zu einem Cluster vereinigt sein. Der Großteil der Zirkoniumdioxidpartikel ist zwischen den α-Aluminiumoxidkristalliten innerhalb der Domänen vorhanden.
In FIG. 4 ist das Zirkoniumdioxid gleichmäßig und zufällig über die Aluminiumoxidkristall ite verteilt. Der Begriff "gleichmäßig" bezeichnet in diesem Zusammenhang die Eigenschaft, daß die Zirkoniumdioxidpartikel nahezu gleich zwischen den α-Aluminiumoxidkristalliten verteilt sind. Der Begriff "zufällig" bezeichnet in diesem Zusammenhang die Eigenschaft, daß die Zirkoniumdioxidpartikel nicht den Kristallitgrenzen des α-Aluminiumoxides folgen (d.h. die Zirkoniumdioxidpartikel haben im allgemeinen nicht dieselbe Ausrichtung wie die α-Aluminiumoxidkristallite). Im Gegensatz dazu folgen in FIG. 5 die Zirkoniumdioxidpartikel der Wachstumsrichtung der α-Aluminiumoxidkristallite. Deshalb sind die Zirkoniumdioxidpartikel in FIG. 5 im Vergleich zu den α-Aluminiumoxidkristalliten nicht zufällig verteilt, die Zirkoniumdioxidpartikel sind eher in Reihen ausgerichtet.
Ist das Zirkoniumdioxid zufällig verteilt (FIG. 4) ist die Hemmung der Rißausbreitung durch die Zirkoniumdioxidpartikel für eine aus einer beliebigen Richtung angewendete mechanische Belastung etwa gleich. Deshalb ist die zufällige Verteilung eine Eigenschaft eines relativ zähen Schleifkorns. Diese Zähigkeit kann ein Faktor sein, der zur verbesserten Schleifleistung beiträgt. Außerdem, da das Zirkoniumdioxid gleichmäßig verteilt ist, wird eine relativ gleichmäßige Härte (sowohl innerhalb des Schleifkorns als auch von Schleifkorn zu Schleifkorn) erzielt. Im Vergleich dazu ist im Falle der Ausrichtung des Zirkoniumdioxids in Reihen (FIG. 5) die Rißausbreitung zwischen den Reihen (d.h. "mit" dem Korn) wahrscheinlicher.
FIG. 6 ist eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme von Beispiel 19, welches mit einem ein-Mikrometer-Schleifmittel poliert, aber nicht thermogeätzt wurde. FIG. 7 ist eine Rasterelektronenmikroskopaufnahme von Vergleichsbeispiel B, welches mit einem ein-Mikrometer-Schleifmittel poliert, aber nicht thermogeätzt wurde. In FIG. 7 ist zu sehen, daß die α-Aluminiumoxiddomänen von Vergleichsbeispiel B ausgedehnter sind als von einem Korn, welches nach dem Zirkoniumdioxidsol-Verfahren, FIG. 6, hergestellt wurde.
FIG. 8 beziehungsweise 9 gleichen FIG. 4 beziehungsweise 5, ausgenommen daß die Mikroaufnahmen bei 50.000 facher anstellte bei 10.000 facher Vergrößerungen aufgenommen wurden. Die weißlichen Partikel sind Zirkoniumdioxid und die dunkleren Partikel sind α-Aluminiumoxidkristallite. Im Vergleich zu FIG. 8 sind die großen Partikel Zirkoniumdioxidpartikel zwischen den α-Aluminiumoxiddomänen. Die Zirkoniumdioxidpartikel in den α-Aluminiumoxiddomänen sind relativ gleichmäßig und gleichachsig. Entsprechend FIG. 9 weisen die Zirkoniumdioxidpartikel eine unregelmäßige Form auf, und einige sind gleichachsig, und einige sind länglich.
Zirkoniumdioxid in der tetragonalen Form ist als ein Schleifkorn bevorzugt, da gefunden wurde, daß ein Material, welches die tetragonale Form enthält, eine höhere Zähigkeit aufweist. Die Beständigkeit der tetragonalen Form hängt von der Partikelgröße des Zirkoniumdioxids ab. Je kleiner die Zirkoniumdioxidpartikel desto mehr neigt es dazu, auch bei niedrigeren Temperaturen in der tetragonalen Phase zu verbleiben. Der Mechanismus, durch den das Zirkoniumdioxid als zäh machend auf das Schleifkorn wirkt, ist unterschiedlich und kann die Zähigkeitsumwandlungs- und Mikroriß- und Rißablenkungsmechanismen einschließen. Dies ist in dem Buch von Green, Hannink und Swain "Transformation Toughening of Ceramics", herausgegeben von CRC Press, Boca Raton, Florida, näher beschrieben. Gegenwärtig wird angenommen, daß die mit der vorliegenden Erfindung erhältlichen kleinen 0,05 bis 1 Mikrometer großen Partikel, in denen Zirkoniumdioxid gleichmäßig und zufällig verteilt ist, die Zähigkeit fördern.
Im allgemeinen umfassen Keramikschleifkörner gemaß der vorliegenden Erfindung zwischen 40 bis 99,9 Gew.-%, bevorzugt 80 bis 97 Gew.-% Aluminiumoxid und 0,1 bis 60 Gew.-%, bevorzugt 0,1 bis 20 Gew.-%, am stärksten bevorzugt 3 bis 20 Gew.-% Zirkoniumdioxid, wobei die Gewichtsprozente des Schleifkorns auf der Grundlage eines theoretischen Oxides unter der Voraussetzung, daß kein Modifikator zugesetzt ist, unter Vernachlässigung des Gewichtes einer beliebigen zugesetzten Beschichtung und ohne Berücksichtigung der tatsächlich vorhandenen Phasen, berechnet wurden. Wird ein Modifikator und/oder eine Beschichtung verwendet, sollte deren Gewichtseffekt bezüglich der festgesetzten Bereiche berücksichtigt werden. Das Zirkoniumdioxid ist in den Keramikschleifkörnern bevorzugt in Form von Partikeln mit einer Größe von 0,05 bis 1, bevorzugt 0,05 bis 0,5 Mikrometer anwesend. Die Zirkoniumdioxidpartikel sind "gleichachsig" und im wesentlichen zufällig und im wesentlichen gleichmäßig zwischen den α-Aluminiumoxidkristall iten verteilt. Eine solche Größe und Verteilung der Zirkoniumdioxidpartikel innerhalb des Keramikschleifkorns ist leicht erhältlich, indem die Körner durch Sintern eines durch ein Sol-Gel-Verfahren, bei welchem das Zirkoniumdioxid zur Herstellung der Basiskörner als ein Sol von dispergierten Zirkoniumdioxidpartikeln mit einer Größe im vorstehend beschriebenen Bereich bereitgestellt wird, erzeugten Kornmaterials hergestellt wird.
Ein bevorzugtes seltenerdoxidhaltiges Schleilkorn und ein Verfahren zur Herstellung desselben wird in der Anmeldung des vorliegenden Anmelders mit dem Titel "Seltenerdoxid einschließendes Schleifkorn", PCT Patentanmeldung Nr. PCT/US93108986 (US Seriennr. 07/951.671) offenbart.
Bevorzugte Schleifkörner gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen, ohne Berücksichtigung der Anwesenheit einer beliebigen Beschichtung, ein gesintertes Produkt, umfassend 70 bis 95 Gew.-%, bevorzugt 85 bis 93 Gew.-% Aluminiumoxid, 0,1 bis 15 Gew.-%, bevorzugt 0,5 bis 10 Gew.-% Zirkoniumdioxid, wobei das Zirkoniumdioxid während der beschriebenen Erzeugung der Basiskörner als Sol zugegeben wird; eine wirksame Menge, typischerweise mindestens 0,5%, aber nicht mehr als 10% und bevorzugt 0,5 bis 3% Yttriumoxid; 0,1 bis 10%, bevorzugt 0,5 bis 5% Seltenerdoxid(e); und 0,5 bis 10%, bevorzugt 0,5 bis 1,5% Magnesiumoxid. Die Seltenerdoxide können ausgewählt sein aus der Gruppe, bestehend aus den Oxiden von: Praseodym, Samarium, Ytterbium, Neodym, Lanthan, Gadolinium, Cer, Dysprosium, Erbium und deren Kombinationen. Da die Beschichtung nicht berücksichtigt wird, gilt die Herstellungsvorschrift für den "Kern" der gesinterten Partikel. In Abhängigkeit von der Zusammensetzung des gesinterten Schleilkorns, kann ein Reaktionsprodukt zwischen Aluminiumoxid und einem oder mehreren Metalloxiden (und/oder ein Reaktionsprodukt zwischen einem oder mehreren Metalloxiden) anwesend sein, d.h. es kann ein Aluminiumoxidreaktionsprodukt, ein Zirkoniumdioxidreaktionsprodukt, ein Magnesiumoxidreaktionsprodukt, ein Yttriumoxidreaktionsprodukt, ein Seltenerdoxidreaktionsprodukt usw. anwesend sein. Unumgesetztes Aluminiumoxid (d.h. als Al&sub2;O&sub3; vorliegendes Aluminiumoxid) liegt als α-Aluminiumoxid vor.
Bei den Schleifkörnern, die die bevorzugte in dem vorstehenden Abschnitt angegebene Zusammensetzung aufweisen, wird im allgemeinen eine mittlere Härte von mindestens 21 GPA (typischerweise mindestens 22 GPA) und eine mittlere Zähigkeit von mindestens 4 mPa m½ beobachtet. Die mittlere Härte wird nach dem Amerikanischen Normprüfverfahren (ASTM) Standard E384 mit einer Last von 500 g ("Standard Test Method for Microhardness of Materials", 1991 Jahresbücher der ASTM-Standards, Teil 3, Band 3.01, S.463) bestimmt. Die mittlere Zähigkeit wird nach dem in dem Artikel von Lawn und Fuller "Equilibrium Penny-Like Cracks in Indentation Fracture", J. Mat. Sci., 10 (1974), 201-24 dargestellten Mikrorißeindrückverfahren bestimmt. Wird hier davon gesprochen, daß das Schleifkorn die minimale mittlere Härte und die minimale mittlere Zähigkeit, die angegeben ist, besitzt, bezieht sich das auf das Schleifkorn, wenn es mit den angegebenen Komponenten formuliert und gesintert ist, ohne Berücksichtigung der Anwesenheit einer Beschichtung. Das heißt, es werden die Härte und die Zähigkeit des Kern, nicht der Beschichtung bestimmt.
Ein bevorzugtes Seltenerdoxid enthaltendes Schleifkorn und ein Verfahren zur Herstellung desselben wird in der Anmeldung des vorliegenden Anmelders mit dem Titel "Seltenerdoxid einschließendes Schleifkorn", PCT Anmeldung Nr. PCT/US93/08986 (US Seriennr. 07/951.671) offenbart.

D. Schleifprodukte

In den Bereich der vorliegende Erfindung ist die Bereitstellung von Schleifprodukten, welche die hier beschriebenen Schleifkörner einschließen, eingeschlossen. Die Schleifkörner wurden bevorzugt nach den hier beschriebenen Verfahren hergestellt und umfassen das gesinterte Produkt eines Basiskornmaterials, welches durch ein Sol-Gel-Verfahren erhalten wird, bei dem eine α-Aluminiumoxidvorstufe mit Zirkoniumdioxidsol gemischt wird. Ferner können die Schleifkörner durch ein Imprägnierungsverfahren, Keimbildnerverfahren und/oder ein Beschichtungsverfahren, wie allgemein angegeben, erzeugt oder später modifiziert werden.
Ein Schleifprodukttyp gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein beschichtetes Schleifmittel, welches eine Unterlage (Schichtträger) mit hier beschriebenen Schleifkörnern, die mit einem Bindemittel aufgeklebt sind, umfaßt. Die Unterlage kann Stoff, Polymerfohe, Faser, Vlies, Papier, Kombinationen davon oder behandelte Arten davon sein. Es kann eine Vielzahl anorganischer oder organischer Bindemittel verwendet werden. Die Schleifkörner können in einer Schicht oder in vielen Schichten aufgebracht sein. Bevorzugte Verfahren zur Herstellung beschichteter Schleifmittel sind in den US Patenten Nr.4.734.104 (Broberg) und 4.737.163 (Larkey) beschrieben.
Ein Beispiel eines beschichteten Schleifproduktes ist in FIG. 1 unter Bezugszeichen 1 dargestellt. Bezugnehmend darauf, hat die Unterlage (Schichtträger) 2 eine Schleifschicht 3, umfassend Schleifkorn 4, befestigt auf einer Außenfläche der Unterlage 2 durch eine Aufbauschicht 5 und Leimschicht 6. In manchen Fällen kann eine Überleimschicht, nicht dargestellt, verwendet werden.
Verklebte Schleifprodukte (z.B. Schleifscheiben und Trennscheiben) gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen im allgemeinen die hier beschriebenen Schleifkornformmassen, die mit einem Bindemittel zusammengehalten werden. Herkömmiiche Bindemittel für Schleifscheiben schließen organische, metallische oder verglaste Bindemittel ein. In FIG. 2 ist eine Schleifscheibe 10, umfassend Schleifkorn 11, geformt zu einer Scheibe und aufgezogen auf einer Nabe 12, bildlich dargestellt. Zusätzliche Details der Herstellung von Schleifscheiben sind zum Beispiel US Patent Nr.4.997.461 (Markhoff-Matheny) zu entnehmen. Trennscheiben können unter Verwendung herkömmiicher auf dem Fachgebiet bekannter Verfahren hergestellt werden. Bindemittel für Trennscheiben schließen organische Bindemittel ein.
Schleifvliesprodukte, die Schleifkörner gemäß der vorliegenden Erfindung enthalten, umfassen typischerweise eine offenporige luftige Polymerfaserstruktur, wobei die Schleifkörner der Erfindung überall in der Faserstruktur verteilt und durch ein organisches Bindemittel verklebt sind. Typische faserige Faserstrukturen, die mit einem solchen Aufbau verwendbar sind, umfassen Polyamide, Polyester und Polypropylene.
In FIG. 3 ist eine schematische etwa 100fach vergrößerte bildliche Darstellung eines typischen Schleifvliesgegenstandes dargestellt. Der Gegenstand umfaßt eine Fasermatte 50 als Schichtträger auf der das Schleifkorn 52 durch ein Bindemittel 54 geklebt ist. Zusätzliche Details der Herstellung von Schleifvliesprodukten sind zum Beispiel US Patent Nr.2.958.593 (Hoover et al.) zu entnehmen.
Wie vorstehend allgemein dargestellt, umfassen die Schleifprodukte gemäß der vorliegenden Erfindung im allgemeinen ein Bindemittel und darin Schleifkörner oder -partikel. In den Schleifprodukten gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine große Vielzahl von Bindemitteln, einschließlich herkömmlicher, verwendet werden. Nützliche organische Bindemittel schließen Phenol-, Harnstoff-Formaldehyd-, Melamin-Formaldehyd-, Polyesterharze, Leim, Aminoplastharze, Epoxidharze, Acrylharze, Urethanharze und Kombinationen davon ein. Die Bindemittel können anorganische Feststoffteilchen, wie Schleifhilfsmittel oder Füllstoffe einschließen. Beispiele für solche Schleifhilfsmittel schließen Kryolith, Ammoniumkryolith, Natriumtetrafluorborat, Polyvinylchlorid, Schwefel und Natriumchlorid ein. Beispiele für Füllstoffe schließen Calciumcarbonat, Siliciumdioxid und Calciummetasilicat ein.
Schleifprodukte oder -gegenstände gemäß der vorliegenden Erfindung können als einzelnes Material zu 100% Schleifkörner enthalten, die gemäß der vorliegenden Beschreibung hergestellt oder verbessert sind. Zusätzlich oder in einer anderen Ausführungsform können die Schleifgegenstände eine Mischung aus Schleifkörnern gemäß der vorliegenden Erfindung mit herkömmlichen Schleifkörnern oder Verdünnerkörnern enthalten. Herkömmliche in dieser Weise verwendbare Schleifkörner schließen Schleifkörner aus geschmolzenem Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Granat, geschmolzenem Aluminiumoxid, Diamant, kubischem Bornitrid, geschmolzenem Aluminiumoxid-Zirkoniumdioxid und andere Sol- Gel-Schleifkörner ein. Verdünnerkörner schließen Marmor, Gips und Glas ein. Schleilkörner gemäß der vorliegenden Erfindung können mit Schleifagglomeraten (siehe z.B. US Patent Nr.4.799.939 (Bloecher et al.)) kombiniert werden.
Die Aufgaben und Vorteile dieser Erfindung werden durch folgende Beispiele genauer erläutert, sowohl die in diesen Beispielen aufgeführten einzelnen Materialien und deren Mengen als auch andere Bedingungen und Details sind jedoch nicht als unangemessene Beschränkung dieser Erfindung auszulegen. Alle Teile und Prozentanteile sind, wenn nicht anderes angegeben, auf das Gewicht bezogen.

BEISPIELE

Die Schleifkörner werden nach dem nachstehend umrissenen Verfahren hergestellt. Alle Schleifkornformulierungen sind auf das Gewicht bezogen. Nach der Herstellung werden die Schleifkörner in einer beschichteten Schleiffaserscheibe verwendet, die nach einem der folgenden Verfahren hergestellt wurde. Die erhaltenen beschichteten Schleifscheiben wurden gemäß einem der nachstehend beschriebenen Prüfverfahren geprüft. Für die Beispiele 1 bis 12 schließt die Herstellung der Schleifkörner nicht die Verwendung eines Keimbildungsmaterials ein (d.h. die Schleifkörner sind nicht geimpft). Die hierin angegebenen Gewichtsprozente sind auf der Basis eines Elementoxides berechnet und widerspiegeln nicht die vorhandenen Phasen (z.B. Reaktionsprodukt(e)).

Allgemeines Verfahren I zur Herstellung der Schleifkörner

In einen mit Polyethylen ausgekleideten 18,9 Liter-Stahlbehälter wurde folgendes dosiert, wodurch eine Dispersion erzeugt wurde: 2269 Teile auf Raumtemperatur temperiertes deionisiertes Wasser, 45 Teile 16N Salpetersäure zur Analyse, ein Zirkoniumdioxidsol und 643 Teile α-Aluminiumoxidmonohydratpulver, verkauft unter der Handelsbezeichnung Disperal , im Handel erhältlich von CONDEA, Hamburg, Deutschland. Die mittlere Partikelgröße des Zirkoniumdioxidsols betrug zwischen 5 und 10 Nanometer. Das Zirkoniumdioxidsol bestand zu etwa 20% aus Feststoff und wurde von NYACOL PRODUCTS INC., Ashland, MA bezogen. Das erhaltene Gemisch wurde unter Verwendung eines Giford-Wood- Homogenisiermischers (GREECO CORP., Hudson, NH) bei hoher Geschwindigkeit 3 bis 4 Minuten dispergiert. Das erhaltene Sol wurde in eine mit Polyester ausgekleidetes 46 cm × 66 cm × 5 cm Aluminiumwanne gegossen, worin es in einem Gebläseluftofen 24 Stunden bei 100ºC zu einem spröden Feststoff getrocknet wurde. Das erhaltene getrocknete Material wurde unter Verwendung einer UD-Mühle vom "Braun"-Typ mit einem 1,1 mm Spalt zwischen den Stahlplatten zerkleinert, wodurch Partikel hergestellt wurden. Die Partikel wurden zwischen 0,125 und 1 mm Siebgröße gesiebt. Die zurückgehaltenen Partikel wurden einem Rotationscalcinierofen zugeführt, wodurch calcinierte Partikel erzeugt wurden. Der Calcinierofen war ein Rohr aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 16 cm und einer Länge von 140 cm mit einer 40 cm langen Heißzone von 600ºC. Das Rohr war um einen Winkel von 2,4 Grad aus der Waagerechten geneigt. Das Rohr rotierte mit etwa 6 U/min, wodurch eine Verweilzeit von etwa 5 Minuten in dem Calcinierofen erreicht wurde.
Die Imprägnierlösungen wurden mit deionisiertem Wasser hergestellt. Die Magnesiumnitratlösung bestand zu etwa 11% aus Feststoffen, bezogen auf ein Oxid. Die Yttriumnitratlösung bestand zu etwa 23% aus Feststoffen, bezogen auf ein Oxid. Die Lanthannitratlösung bestand zu etwa 28% und die Cernitratlösung zu etwa 39% aus Feststoffen, bezogen auf ein Oxid. Für jeden Imprägnierungsschritt wurden etwa 50 ml Imprägnierlösung auf 100 g Partikel verwendet. Die Imprägnierlösung und die calcinierten Partikel wurden völlig durchgemischt, wodurch die Imprägnierung der calcinierten Partikel mit der Lösung durch Kapillarwirkung hervorgerufen wurde. Die erhaltenen imprägnierten Partikel wurden in einem Gebläseluftofen etwa 10 Stunden bei 100ºC getrocknet. Die getrockneten Partikel wurden dann in einen vorstehend beschriebenen Rotationscalcinierofen gegeben. Wurde mehrfach imprägniert, wurden die calcinierten (ungesinterten) Partikel abkühlen gelassen und dann wurden sie noch einmal mit den gewünschten Imprägnierlösungen imprägniert. Als nächstes wurden die calcinierten, imprägnierten Partikel einem 1400ºC Brennofen zugeführt. Der Brennofen war ein Siliciumcarbidrohr mit einem Durchmesser von 8,9 cm und einer Länge von 1,3 m, das um 4,4 Grad aus der Waagerechten geneigt war und eine 76 cm Heißzone hatte. Der Brennofen rotierte mit 6 U/min, wodurch eine Verweilzeit in dem Brennofen von etwa 5 Minuten erreicht wurde. Das Produkt trat aus dem Brennofen in Luft von Raumtemperatur aus, wo es in einem Metallbehälter gesammelt und auf Raumtemperatur abkühlen gelassen wurde.

Allgemeines Verfahren II zur Herstellung der Schleifkörner

In einen mit Polyethylen ausgekleideten 18,9 Liter-Stahlbehälter wurde folgendes dosiert, wodurch eine Dispersion erzeugt wurde: 6036 Teile auf Raumtemperatur temperiertes deionisiertes Wasser, 72 Teile 16 N Salpetersäure zur Analyse, 5100 Teile Zirkoniumdioxidquelle und 1543 Teile α-Aluminiumoxidmonohydratpulver, verkauft unter der Handelsbezeichnung Disperal . Das erhaltene Gemisch wurde unter Verwendung eines Giford- Wood Romogenisiermischers (GREECO CORP., Hudson, NH) bei hoher Geschwindigkeit 3 bis 4 Minuten dispergiert. Das erhaltene Sol wurde in eine mit Polyester ausgekleidetes 46 cm × 66 cm × 5 cm Aluminiumwanne gegossen, worin es in einem Gebläseluftofen 24 Stunden bei 100ºC zu einem spröden Feststoff getrocknet wurde. Das erhaltene getrocknete Material wurde unter Verwendung einer UD-Mühle vom "Braun"-Typ mit einem 1,1 mm Spalt zwischen den Stahlplatten zerkleinert, wodurch Partikel hergestellt wurden. Die Partikel wurden zwischen 0,125 und 1 mm Siebgröße gesiebt. Die zurückgehaltenen Partikel wurden einem Brennofen zugeführt, wodurch calcinierte Partikel erzeugt wurden. Der Calcinierofen war ein Rohr aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 16 cm und einer Länge von 140 cm mit einer 40 cm langen Heißzone von 600ºC. Das Rohr war um einen Winkel von 2,4 Grad aus der Waagerechten geneigt. Das Rohr rotierte mit etwa 6 U/min, wodurch eine Verweilzeit von etwa 4 bis 5 Minuten in dem Calcinierofen erreicht wurde.
Als nächstes wurden die calcinierten Partikel einem 1400ºC Brennofen zugeführt. Der Brennofen war ein Siliciumcarbidrohr mit einem Durchmesser von 8 cm und einer Länge von 1,3 m, das um 4,4 Grad aus der Waagerechten geneigt war und eine 76 cm Heißzone hatte. Der Brennofen rotierte mit 6 U/min, wodurch eine Verweilzeit in dem Brennofen von etwa 5 Minuten erreicht wurde. Das Produkt trat aus dem Brennofen in Luft von Raumtemperatur aus, wo es in einem Metallbehälter gesammelt und auf Raumtemperatur abkühlen gelassen wurde.
Allgemeines Verfahren zur Herstellung der beschichteten Schleifscheibe Die Schleifkörner wurden in beschichteten Schleifprodukten verwendet, welche dann geprüft wurden. Die beschichteten Schleifprodukte wurden nach herkömmlichen Verfahren zur Herstellung beschichteter Schleifmittel hergestellt. Ein Schleifkorn mit 50er Körnung wurde unter Verwendung von 50 Gew.-% Schleifkörnern, die durch ein 420 µm (Maschenweite) (40 Maschen) US Standardsieb hindurchpassen, aber auf einem 354 µm (45 Maschen) US Standardsieb zurückbleiben und 50 Gew.-% Schleifkörnern, die durch ein 420 µm (40 Maschen) US Standardsieb hindurchpassen, aber von einem 297 µm (50 Maschen) US Standardsieb zurückgehalten werden, hergestellt. Ein Schleifkorn mit 40er Körnung wurde unter Verwendung von 100 Gew.-% Schleifkörnern, die durch ein 500 µm (35 Maschen) US Standardsieb hindurchpassen, aber von einem 420 µm (40 Maschen) US Standardsieb zurückgehalten werden, hergestellt. Ebenso wurde ein Schleifkorn mit 36er Körnung unter Verwendung von 50 Gew.-% Schleifkörnern, die durch ein 707 µm (25 Maschen) US Standardsieb hindurchpassen, aber auf einem 595 µm (30 Maschen) US Standardsieb zurückbleiben, hergestellt. Die restlichen 50 Gew.-% waren Schleifkörner, die durch ein 595 µm (30 Maschen) US Standardsieb hindurchpaßten, aber von einem 500 µm (35 Maschen) US Standardsieb zurückgehalten wurden. Die Schleifkörner wurden unter Verwendung von Calciumcarbonat gefüllten Phenolaufbauharzen und herkömmlichen Calciumcarbonat gefüllten Phenolklebharzen auf vulkanisierte Faserträger geklebt. Das Aufbauharz wurde durch Erhitzen auf etwa 88ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 1,1ºC/min vorgehärtet und dann etwa 2 Stunden bei etwa 88ºC gehalten. Das Klebharz wurde durch Erhitzen auf etwa 65ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 1,1ºC/min, etwa 30 Minuten langem Halten bei etwa 65ºC und dann Erhitzen auf etwa 99ºC mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,6ºC/min und dann etwa 12 Stunden langem Halten bei etwa 99ºC, gehärtet. Die Schleifkörner wurden elektrostatisch beschichtet.
Zur Verwendung der beschichteten Schleiffaserscheibe zum Schleifen von rostfreiem Stahl wurde über die Klebschicht eine Überklebschicht aufgebracht. Die Überklebschicht umfaßte (bezogen auf das Gewicht) 14,3 Teile Bisphenol A-Epoxidharz (erhältlich unter der Handelsbezeichnung EPON 828 von SHELL CHEMICAL Co., Houston, TX), 9,4 Teile Polyamidhärter (erhalten von HENKEL CORP., Gulph Mills, PA, unter der Handelsbezeichnung Versamid 125), 71,25 Teile KBF&sub4;, 1,9 Teile Verdickungsmittel (erhalten von CARBOT CORP., Kokomo, IN, unter der Handelsbezeichnung Cab-O-Sil) und 3,1 Teile Eisenoxidfüllstoff Die Überklebschicht wurde aus einem organischen Lösungsmittel abgeschieden und dann zum Härten erhitzt.

Prüfverfahren I

Die beschichtete Schleifscheibe wurde auf eine abgeflachte Aluminiumsicherheitsnabe aufgezogen und zum Schleifen der Oberfläche eines 1,25 cm × 18 cm Werkstückes aus 1018er Leichtstahl verwendet. Die Scheibe wurde mit 5.500 U/min gefahren, wobei der über dem abgeflachten Rand der Sicherheitsnabe liegende Teil der Scheibe das Werkstück mit einer Last von etwa 6 kg berührte. Jede Scheibe wurde zum Schleifen eines anderes Werkstück in ein-Minuten-Intervallen für eine Gesamtzeit von 12 Minuten verwendet. Der Anfangsschn itt war die Menge an Metall, die in der ersten Schleifminute entfernt wurde. Entsprechend war der Endschnitt die Menge an Metall, die in der letzten Schleifminute entfernt wurde und der Gesamtschnitt die Summe der während der Prüffing entfernten Mengen. In den meisten Beispielen wird die Leistung des Schleifkorns als ein Prozentverhältnis angegeben, das heißt die Gesamtmenge des im Vergleichsbeispiel entfernten Metalls wurde als 100% gesetzt und das Schleifkorn der Beispiele wurde bezogen auf die 100% gemessen. Es wurden ungefähr vier Scheiben pro Beispiel geprüft. Der mit jedem der hierin beschriebenen Prüfverfahren verbundene Fehler betrug etwa ± 5%.

Prüfverfahren II

Das Prüfverfahren II war im wesentlichen das gleiche wie Prüfverfahren 1, außer daß das Werkstück 304er rostfreier Stahl war und der Endpunkt der Prüfung bei 10 Minuten lag.

Prüfverfahren III

Das Prüfverfahren III war im wesentlichen das gleiche wie Prüfverfahren 1, außer daß der Endpunkt der Prüfung bei 20 Minuten lag.

Vergleichsbeispiel A

Die Schleifkörner wurden gemäß der Lehren von US Patent Nr.4.881.951 (Wood) hergestellt. Die Schleifkörner auf der Basis von α-Aluminiumoxid wurden nach dem Sol- Gel-Verfahren hergestellt und hatten eine Zusammensetzung 94,7% Aluminiumoxid, 2,7% Lanthanoxid, 1,3% Magnesiumoxid und 1,3% Yttriumoxid.

Beispiele 1 bis 12

Diese Versuchsreihe verglich verschiedene Schleifkornzusammensetzungen. Die Schleifkörner wurden auf eine 50er Körnung gesiebt. Die Testergebnisse sind nachstehend in den Tabellen 1 bis 4 zu finden. Für die Beispiele 1 bis 12 wurden die Schleifkörner nach dem allgemeinen Verfahren 1 hergestellt und es wurde ein einziger Imprägnierungsschritt für diese Beispiele durchgeführt. Die Imprägnierlösung enthielt Lanthannitrat, Magnesiumnitrat und Yttriumnitrat. Die Mengen dieser Materialien wurde so gewahlt, daß die nächstehend in Tabelle 1 beschriebene gesinterte Schleifkornzusammensetzung erhalten wurde. Das Zirkoniumdioxidsol hatte für diese Beispiele eine mittlere Partikelgröße von 5 Nanometer. Für die Beispiele 1,3,5,7,9 und 11 wurde das Zirkoniumdioxidsol mit Essigsäure stabilisiert und hatte einen pH-Wert von 3,5. Für die Beispiele 2,4,6,8,10 und 12 wurde das Zirkoniumdioxidsol mit Salpetersäure stabilisiert und hatte einen pH-Wert von 0,5. Die Testergebnisse sind nachstehend in den Tabellen 2,3,4 und 5 dargestellt. Tabelle 1 Zusammensetzungen für die Beispiele 1 bis 12 Tabelle 2 Prüfverfahren I Tabelle 3 Prüfverfahren III Tabelle 4 Prüfverfahren III Tabelle 5 Prüfverfahren III
Die Härte-, Dichte- und Zähigkeitsuntersuchungen sind nachstehend in Tabelle 6 gezeigt. Sowohl für die Bestimmung der Mikrohärte als auch der Zähigkeit wurden die Schleifkörner in einer herkömmlichen Formmasse (im Handel erhältlich unter der Handelsbezeichnung "EPOMET" von BUEHLER, LTD., Evenston, IL) in Formstempel aus rostfreiem Stahl mit einem Durchmesser von 2,5 cm (1 inch) aufgenommen. Die Körner und die Formmasse wurden dann in einer herkömmlichen Aufziehpresse (im Handel erhältlich unter der Handelsbezeichnung "BUEHLER PNEUMET 1 MOUWNNG PRESS" von BUEHLER, LTD.) bei 27,6 mPa (4000 Psi) gepreßt und gleichzeitig auf etwa 150ºC erhitzt. Die Formmasse wurde dann gehärtet, indem sie etwa 5 Minuten bei etwa 150ºC gehalten wurde. Die gehärtete Formmasse wurde dann auf Raumtemperatur abgekühlt.
Die aufgenommenen Schleifkörner wurden dann unter Verwendung einer Poliereinheit (im Handel erhältlich unter der Handelsbezeichnung "DIALOG" von BUEHLER, LTD.) mit einer Mikroprozessorsteuerung, welche Schleifaufschlämmungen auf die Schleiffläche verteilt (im Handel erhältlich unter der Handelsbezeichnung "METLAP I" von BUEHLER, LTD.), poliert. Die Polierung wurde in folgenden aufeinanderfolgenden Stufen ausgeführt:

Stufe 1

Polierfläche: Aluminiumwalze, Durchmesser 20,3 cm (im Handel erhältlich unter der Handelsbezeichnung "METLAP 10" von BUEHLER, LTD.) Schleifmitteltyp & Größe: 30 Mikrometer Diamantaufschlämmung (im Handel erhältlich unter der Handelsbezeichnung "METADI DIAMOND SLURRY" von BUEHLER, LTD.)
Polierzeit: 3 Minuten, oder bis die Oberfläche glatt ist
Kraft: 22,2 Niprobe (5 Pfünd/probe)
Geschwindigkeitseinstellung: 240 U/min
Verteulungsfolge: 1 Sekunde Sprühen an; 10 Sekunden Sprühen aus
Rotationsrichtung rechtsgängig

Stufe 2

Polierfläche: Polierstoff (im Handel erhältlich unter der Handelsbezeichnung "TEXMET POLISHING CLOTH" von BUEHLER, LTD.), festgeklemmt auf einer Aluminiumwalze mit einem Durchmesser von 20,3 cm (im Handel erhältlich unter der Handelsbezeichnung "METLAP" von BUEHLER, LTD.).
Schleifmitteltyp & Größe: 6 Mikrometer Diamantaufschlämmung (im Handel erhältlich unter der Handelsbezeichnung "METADI DIAMOND SLURRY" von BUEHLER, LTD.)
Polierzeit: 10 Minuten
Kraft: 22,2 Niprobe (5 Pfund/Probe)
Geschwindigkeitseinstellung: 120 U/min
Verteilungsfolge: 1 Sekunde Sprühen an; 10 Sekunden Sprühen aus Rotationsrichtung linksgängig

Stufe 3

Polierfläche: Polierstoff ("TEXMET POLISHING CLOTH"), festgeklemmt auf einer Aluminiumwalze mit einem Durchmesser von 20,3 cm ("METLAP). Schleifmitteltyp & Größe: 1 Mikrometer Diamantaufschlämmung (im Handel erhältlich unter der Handelsbezeichnung "METADI DIAMOND SLURRY" von BUEHLER, LTD.)
Polierzeit: 30 Minuten
Kraft: 22,2 Niprobe (5 Pfund/Probe)
Geschwindigkeitseinstellung: 120 U/min
Verteilungsfolge: 1 Sekunde Sprühen an; 10 Sekunden Sprühen aus
Rotationsrichtung rechtsgängig
Die Mikrohärte nach Vickers der Schleifkörner wurde unter Verwendung eines herkömmlichen Mikrohärteprüfgerätes mit einem Diamanteindruckkörper (im Handel erhältlich unter der Handelsbezeichnung "MINILOAD 2 MICROHARDNESS TESTER" von LEITZ in Deutschland) bestimmt. Der Eindruckkörper (ein hochpolierter spitzer pyramidenförmiger Diamant mit quadratischer Grundfläche mit einem Oberflächenwinkel von 136 Grad) wurde allmählich und glatt mit der zu prüfenden Probe in Kontakt gebracht. Die festgesetzte Last betrug 500 g. Der Mittelwert aus 20 Messungen ist für jedes Beispiel nachstehend in Tabelle 6 angegeben.
Die Zähigkeitsbestimmung wurde unter Verwendung desselben Instrumentes, wie es vorstehend für die Bestimmung der Mikrohärte nach Vickers beschrieben wurde, ausgeführt, wobei die festgesetzte Last auf die zu prüfende Probe angewendet wurde, was Risse verursachte, wodurch an der Spitze des Diamantes Formvertiefungen des Eindruckkörpers erzeugt wurden. Die Zähigkeit wurde unter Verwendung der folgenden Gleichung bestimmt:
in der c der Rißradius, FN die Eindruckkörperbelastung und β der halb-apicale Winkel des Eindruckkörpers (68 Grad für einen Vickers-Diamant) ist. Der Mittelwert aus 20 Messungen ist für jedes Beispiel nachstehend in Tabelle 6 angegeben.
Die Dichten wurden unter Verwendung eines Mikromeritischen (Norcross, GA) Accupyc 1330 Pyknometers bestimmt. Tabelle 6

Beispiele 13 bis 18

Diese Versuchsreihe verglich verschiedene Schleifkornzusammensetzungen. Die Schleifkörner wurden auf 40er Körnung gesiebt. Die Testergebnisse sind nachstehend in Tabelle 7 zu finden. Für diese Beispiele wurden die Schleifkörner nach dem allgemeinen Verfahren 1 hergestellt und die Imprägnierlösung enthielt das Nitratsalz eines Seltenerdmetalls und Magnesiumnitrat. Für Beispiel 13 war das Seltenerdmetall Dysprosium, für Beispiel 14 Gadolinium, für Beispiel 15 Lanthan, für Beispiel 16 Neodym; für Beispiel 17 Praseodym und für Beispiel 18 Samarium. Das gesinterte Schleifkorn für diese Versuchsreihe enthielt etwa 92,7% Aluminiumoxid, 2% Zirkoniumdioxid, 2,7% Seltenerdoxid, 1,3% Yttriumoxid und 1,3% Magnesiumoxid. Tabelle 7 Prüfverfahren I und II

Beispiel 19 und Vergleichsbeispiel B

Das Schleifkorn für diese Beispiele wurde nach dem Allgemeinen Verfahren II zur Herstellung des Sol-Gel-Schleifkorns hergestellt. Für Beispiel 19 war die Zirkoniumdioxidquelle Zirkoniumdioxidsol mit einer mittleren Partikelgröße zwischen 5 und 10 Nanometer. Das Zirkoniumdioxidsol bestand zu etwa 20% aus Feststoffen und wurde von NYACOL PRODUCTS INC., Ashland, MA bezogen. Für Vergleichsbeispiel B war die Zirkoniumdioxidquelle Zirkonylacetat, 20% Feststoff in Wasser. Für beide Beispiele wurden die Schleifkörner nach dem vorstehend angegebenen "Allgemeinen Verfahren zur Herstellung der Beschichteten Schleifscheiben" in einen beschichteten Schleifgegenstand eingearbeitet. Die erhaltenen beschichteten Schleiffaserscheiben wurden nach dem Prüfverfahren I geprüft. Die Testergebnisse sind nachstehend in Tabelle 8 zu finden. Die erhaltenen Körner wurden mit einem Elektronenmikroskop, wie es vorstehend mit den Beschreibungen von FIG. 4-9 angegeben ist, untersucht. Tabelle 8 Prüfverfahren I
Aus den vorstehenden Schleifergebnissen ist ersichtlich, daß das mit Zirkoniumdioxidsol hergestellte Schleifkorn (Beispiel 21) einen höheren Anfangsschnitt, Endschnitt und Gesamtschnitt aufweist als das mit Zirkoniumdioxidsalz hergestellte Schleifkorn (Vergleichsbeispiel B). Das heißt, Beispiel 19 ergab einen um 36% höheren Gesamtschnitt als Vergleichsbeispiel B. Die chemische Zusammensetzung beider Schleifkörner war jedoch im wesentlichen dieselbe.
Die Röntgenbeugungskurve dieser Beispiele wurde unter Verwendung eines Phillips Röntgenbeugungsdiffraktometers Modell #3100 aufgenommen. Aus der Röntgenbeugungskurve wurde die Menge an Zirkoniumdioxid in der tetragonalen und der monoklinen Form bestimmt. Für Beispiel 19 lagen etwa 81% in der tetragonalen Form vor, während der Rest monoklin war. Für Vergleichsbeispiel B lagen etwa 43% in der tetragonalen Form vor, während der Rest monoklin war. So enthielt das aus Zirkoniumdioxidsol hergestellte Beispiel (Beispiel 19) eine beträchtlich höhere Menge an Zirkoniumdioxid in der tetragonalen Form.
Als nächstes wurden 10 g jeder Probe 6 Minuten mit einer Retsch-Mühle unter Verwendung von Wolframcarbidschleifmittel zerkleinert. Dann wurde jede Probe einer Röntgenbeugungsuntersuchung unterworfen. Für Beispiel 19 lagen etwa 58% in der tetragonalen Form vor, während der Rest monoklin war. Für Vergleichsbeispiel B lagen etwa 37% in der tetragonalen Form vor, während der Rest monoklin war. So behielt das aus Zirkoniumdioxidsol hergestellte Beispiel (Beispiel 19), nachdem es den Kräften der mechanischen Beanspruchung ausgesetzt war, mehr der tetragonalen Form bei. Es kann theoretisiert werden, das diese Beibehaltung der tetragonalen Form zur Erhöhung der Schleifleistung beiträgt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Schleifkornmaterials, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:

(a) Herstellen einer Dispersion aus Aluminiumoxidhydrat und Zirkoniumdioxid, wobei die Dispersion eine ausreichende Menge von jeweils Aluminiumoxidhydrat und Zirkoniumdioxidpartikel umfaßt, um ein Schleifkorn von Schritt (c) mit 40 bis 99,9 Gew.-% Aluminiumoxid und mindestens 0,1 Gew.-% Zirkoniumdioxid, bezogen auf das Gesamtgewicht des Schleifkorns, bereitzustellen, wobei mindestens 97 Gew.-% der Zirkoniumdioxidpartikel eine Größe von weniger als 0,2 µm besitzen;

(b) Erzeugen von Aluminiumoxid-Basiskörnern aus der Dispersion; und

(c) Sintern der Aluminiumoxid-Basiskörner, um ein Schleifkorn bereitzustellen, das 40 bis 99,9 Gew.-% Aluminiumoxid und mindestens 0,1 Gew.-% Zirkoniumdioxid, bezogen auf das Gesamtgewicht des Schleifkorns, umfaßt, wobei Aluminiumoxid als α-Aluminiumoxid, Aluminiumoxidreaktionsprodukt(e) oder als Kombination davon vorhanden ist, wobei Zirkoniumdioxid als Zirkoniumdioxid oder als Zirkoniumdioxid und Zirkoniumdioxidreaktionsprodukt vorhanden ist, mit der Maßgabe, daß die Zirkoniumdioxidpartikel in der Dispersion in einer Menge vorhanden sind, die ausreicht, um die Verdichtung des Schleifkorns von Schritt (c) zu erhöhen, verglichen mit einem Schleifkorn, das gemäß den Schritten (a), (b) und (c) ohne das Vorhandensein von Zirkoniumdioxid im Schleifkorn hergestellt wurde.

12. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dispersion eine wäßrige Dispersion ist und das ferner einen Calcinierungsschritt der Aluminiumoxid-Basiskörner von Schritt (b) vor dem Sinterschritt (c) umfaßt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Dispersion eine so ausreichende Menge von Zirkoniumdioxidpartikel enthält, daß das Schleifkorn von Schritt (c) zwischen 0,1 Gew.-% und 20 Gew.-% Zirkoniumdioxid umfaßt.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei das Zirkoniumdioxid des Schrittes (a) ein Sol ist und 15 bis 40 Gew.-% kolloidale Zirkoniumdioxidpartikel umfaßt, von denen etwa 50 Gew.-% eine Größe von weniger als 0,05 µm besitzen.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, das einen Imprägnierungsschritt der calcinierten Aluminiumoxid-Basiskörner mit einer Metalloxidvorstufe vor dem Sinterschritt einschließt.

6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Dispersion ferner eine Metalloxidvorstufe eines Oxids, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Yttriumoxid, Magnesiumoxid und einem Seltenerdoxid, umfaßt; wobei Aluminiumoxidhydrat und Zirkoniumdioxidpartikel in der Dispersion in einer Menge vorhanden sind, um das Schleifkorn von Schritt (c) mit 70 bis 95 Gew.-% Aluminiumoxid bereitzustellen, wobei die Zirkoniumdioxidpartikel in der Dispersion in einer Menge vorhanden sind, die ausreicht, um das Schleifkorn mit 0,1 bis 15 Gew.-% Zirkoniumdioxid bereitzustellen, wobei die Metalloxidvorstufe in einer Menge vorhanden ist, die ausreicht, um das Schleifkorn von Schritt (c) mit mindestens 0,5 Gew.-% % von mindestens einem Metalloxid bereitzustellen, wobei das Metalloxid als Metalloxid, Metalloxidreaktionsprodukt(e) oder als eine Kombination davon vorhanden ist,

(i) wobei das Seltenerdoxid ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend aus den Oxiden von Praseodym, Samanum, Ytterbium, Neodym, Lanthan, Gadolinium, Cer, Dysprosium, Erbium und Gemischen davon; und

(ii) wobei jeweils Yttriumoxid, Magnesiumoxid und das Seltenerdoxid, falls es im Schleifkorn von Schritt (c) vorhanden ist, bis zu 10 Gew.-% vorhanden ist; und wobei das Schleifkorn von Schritt (c) 70 bis 95 Gew.-% Aluminiumoxid und 0,1 bis 15 Gew.-% Zir-10 koniumdioxid umfaßt.

7. Gesintertes Schleifkorn, umfassend α-Aluminiumoxid, das α-Aluminiumoxidkristallite umfassende α-Aluminiumoxiddomänen einschließt, und Zirkoniumdioxidpartikel mit 0,05 bis 1 µm, wobei die Zirkoniumdioxidpartikel im wesentlichen gleichmäßig überall im Schleifkorn verteilt sind und wobei ein Großteil der Zirkoniumdioxidpartikel in den α-Aluminiumoxiddomänen zufällig und gleichmäßig zwischen den α-Aluminiumoxidkristalliten verteilt sind.

8. Schleifkorn nach Anspruch 7, umfassend:

(a) 70 bis 95 Gew.-% Aluminiumoxid, wobei das Aluminiumoxid als α-Aluminiumoxid oder als α-Aluminiumoxid und Aluminiumoxidreaktionsprodukt(e) vorhanden ist;

(b) 0,1 bis 15 Gew.-% Zirkoniumdioxid, wobei Zirkoniumdioxid als Zirkoniumdioxidpartikel oder als Zirkoniumdioxidpartikel und Zirkoniumdioxidreaktionsprodukt(e) vorhanden ist;

(c) 0,5 bis 1,5 Gew.-% Magnesiumoxid, wobei Magnesiumoxid als Magnesiumoxidreaktionsprodukt (e) vorhanden ist; und

(d) 0,1 bis 10 Gew.-% eines Seltenerdoxids ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus den Oxiden von Praseodym, Samanum, Ytterbium, Neodym, Lanthan, Gadolinium, Cer, Dysprosium, Erbium und Gemischen davon, wobei das Seltenerdoxid als Seltenerdoxid, Seltenerdoxidreaktionsprodukt(e) oder als eine Kombination davon vorhanden ist.

9. Schleifgegenstand (1, 10) einschließend:

.(a) ein Bindemittel (5,6,54); und

(b) eine Vielzahl von Schleifkörnern (4,11,52) nach Anspruch 7 oder 8, welche im Gegenstand (1,10) durch das Bindemittel (5,6,54) befestigt sind.