DE102015108812A1

DE102015108812A1 - Plättchenförmige, zufällig geformte, gesinterte Schleifpartikel sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE102015108812A1
Application number: DE102015108812.6A
Authority: DE
Inventors: Jean-André Alary; Florent Polge
Original assignee: Center for Abrasives and Refractories Research and Development CARRD GmbH
Current assignee: Imertech SAS
Priority date: 2015-06-03
Filing date: 2015-06-03
Publication date: 2016-12-08
Also published as: FI3310870T3; US11225593B2; EP4253345A2; PL3310870T3; KR20180015633A; EP4253345A3; EP3310870A1; KR102646856B1; JP2018524414A; JP6877361B2; PT3310870T; ES2961235T3; EP3310870B1; CN107429147A; US20180163107A1; WO2016193448A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft plättchenförmige, zufällig geformte, gesinterte Schleifpartikel auf Basis von alpha-Aluminiumoxid mit einer Härte HV von mindestens 20 GPa und einer Kristallstruktur mit einer mittleren Kristallgröße zwischen 100 nm und 300 nm, wobei die Schleifpartikel einen Körper mit einer ersten Oberfläche und einer der ersten Oberfläche 2 gegenüberliegende angeordneten zweiten Oberfläche aufweisen, wobei beide Oberflächen durch eine zufällig geformte Seitenwand 3 mit einer Dicke (T) zwischen 20 µm und 500 µm voneinander getrennt sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft plättchenförmige, zufällig geformte, gesinterte Schleifpartikel, ein Verfahren zu ihrer Herstellung und ihre Verwendung.
Vor ca. 30 Jahren wurde ein neuer, wesentlich verbesserter Typ von Schleifkorn auf Basis von alpha-Aluminiumoxid, allgemein als Sol-Gel-Schleifkorn bezeichnet, entwickelt und vermarktet. Die Schleifleistung dieses neuen Schleifkorntyps gegenüber Metall, beispielsweise gemessen als Materialabtrag oder G-Faktor (Quotient aus Materialabtrag und Schleifmittelverschleiß), war drastisch höher als die, die mit konventionellen geschmolzenen Aluminiumoxid-Schleifkörnern erreicht wurde.
Ursprünglich wurden die Sol-Gel-Schleifkörner als Alternative zu den geschmolzenen mikrokristallin aufgebauten Zirkonkorund-Schleifkörnern entwickelt. Dementsprechend wird in der EP 0 024 099 B1 , die auf 1979 zurückgeht, ein auf α-Aluminiumoxid basierendes, körniges Schleifmineral beansprucht, das mindestens 10% Zirkonoxid, Hafniumoxid oder Kombinationen von Zirkonoxid und Hafniumoxid als modifizierende Komponente enthält. In den folgenden Jahren wurden zahlreiche Sol-Gel-Schleifkorn Patente und Patentanmeldungen veröffentlicht, wobei die ursprüngliche Idee eines Verbunds aus Aluminiumoxid und Zirkonoxid fallengelassen wurde, weil offensichtlich allgemein gefunden wurde, dass Produkte auf Basis von reinem Aluminiumoxid oder Sol-Gel-Schleifkörner, die geringe Mengen an anderen, von Zirkonoxid unterschiedlichen, modifizierenden Additiven enthielten, leistungsfähiger waren als Zirkonkorund-Schleifkörner auf Sol-Gel-Basis.
Sol-Gel Schleifkörner werden üblicherweise durch Dispergieren von Aluminiumoxidmonohydrat in saurem Wasser, Gelieren der Dispersion, Trocknen des erhaltenen Gels, zerkleinern des getrockneten Gels zu Gelpartikel, Kalzinieren der getrockneten Partikel, um das Wasser und andere flüchtige Stoffe zu entfernen, und Sintern der Partikel bei einer Temperatur weit unter dem Schmelzpunkt von Aluminiumoxid hergestellt. Häufig werden zusätzlich ein oder mehrere Modifizierungsmittel, Keimbildner, Kornwachstumsinhibitoren oder andere Additive eingesetzt, um die Eigenschaften und die Schleifleistung der Aluminiumoxid-Schleifkörner weiter zu verbessern.
Die Herstellung von dichten Sol-Gel-Schleifkörnern auf Basis von Aluminiumoxid wird beispielsweise in den US-Patentenschriften US 4,314,827 ; US 4,881,951 und US 5,227,104 beschrieben.
In den letzten 15 Jahren wurden darüber hinaus zahlreiche Patente und Patentanmeldungen veröffentlicht, die Sol-Gel-Schleifpartikel auf Basis von alpha-Aluminiumoxid beschreiben, die eine genau vorgegebene Form aufweisen.
Das US-Patent US 5,201,916 beschreibt Schleifkornpartikel, die Formen aufweisen, die als dünne Teilchen mit dreieckiger, rechteckiger oder anderen geometrischen Formen charakterisiert werden können. Derartige Schleifkornpartikel werden hergestellt durch die Bereitstellung einer Dispersion, die Partikel umfasst, welche in alpha-Aluminiumoxid umgewandelt werden können, und das Einbringen dieser Dispersion in ein formgebende Vertiefung mit einer vorgegebenen Form. Nach dem Gelieren und Trocknen werden Vorläufer für Schleifkornpartikel erhalten, die eine vorgegebene Form aufweisen. Diese Partikel werden aus der formgebenden Vertiefung entfernt und anschließend kalziniert und gesintert.
Ähnlich geformte Produkte und Verfahren werden beispielsweise in den US-Patenten US 7,384,437 ; US 8,123,828 ; US 8,764,865 ; US 8,142,531 ; US 8,142,891 und US 8,142,532 beschrieben.
Die in den oben angeführten Dokumenten beschriebenen Verfahren und Produkte haben den Nachteil, dass – um eine vorgegebene Form zu erhalten – Formen mit einer bestimmten Größe und Form eingesetzt werden, die der Größe und Form des gewünschten Schleifkorns entsprechen. Die mittlere Teilchengröße der gewünschten Schleifkörner liegt jedoch im Bereich von 1 mm oder darunter, so dass die oben erwähnte Formgebungstechnik in den meisten Fällen kompliziert und vor allem wenig produktiv ist.
Die EP 0 318 168 B1 beschreibt Schleifkörner in Form von Plättchen. Die Herstellung der Plättchen erfolgt über das Sol-Gel-Verfahren, wobei beispielsweise das Gel durch Extrusion zu einer Schicht mit einer bestimmten Dicke geformt, anschließend getrocknet und dann zu Partikeln zerkleinert wird. Die zerkleinerten Partikel werden kalziniert und gesintert. Bezüglich der erhaltenen plättchenförmigen Schleifkörner wird weder eine besondere Kristallstruktur noch eine besondere chemische Zusammensetzung beschrieben. Auf dem Markt sind derartige Schleifkörner bisher nicht in Erscheinung getreten, obwohl das Patent bereits auf das Jahr 1987 zurückgeht.
In der US-Patentanmeldung 2010/0319269 A1 werden dreieckig geformte Schleifpartikel mit einem geringen Rundheitsfaktor beschrieben. Es wird ausgeführt, dass durch eine besonders exakte Formgebung der geformten Schleifpartikel höhere Schleifleistungen erreicht werden.
Obwohl in den letzten 15 Jahren zahlreiche unterschiedlich geformte Schleifkörner beschrieben wurden, wird bis heute lediglich ein geformtes Schleifkorn, das eine Dreiecksform aufweist, als Produkt unter dem Markennamen „Cubitron II“ erfolgreich vermarktet. Gleichzeitig schreiben die Fachleute den geformten Schleifkörnern jedoch ein hohes Leistungspotential zu, so dass eine große Nachfrage nach alternativen geformten Schleifkörnern mit hoher Schleifleistung besteht.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, günstig herzustellende und leistungsstarke, geformte Schleifpartikel zur Verfügung zu stellen. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Anmeldung besteht darin, ein Verfahren zur Herstellung solcher geformter Schleifpartikel auf Basis von α-Aluminiumoxid zur Verfügung zu stellen.
Überraschenderweise wurde im Rahmen der vorliegenden Erfindung gefunden, dass auch plättchenförmige, zufällig geformte, gesinterte Schleifpartikel auf Basis von α-Aluminiumoxid überragende Eigenschaften für bestimmte Schleifoperationen aufweisen, vorausgesetzt, dass diese Schleifpartikel eine sehr feine Kristallstruktur mit einer mittleren Kristallgröße zwischen 100 nm und 300 nm sowie eine hohe Härte H_V von mehr als 20 GPa aufweisen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung besitzen die erfindungsgemäßen plättchenförmigen, zufällig geformten, gesinterten Schleifpartikel eine chemische Zusammensetzung, die zwischen 1 Gew.-% und 20 Gew.% Zirkonoxid umfasst. In diesem Fall weist die Kristallstruktur eine dominierende kontinuierliche Phase von α-Aluminiumoxidkristallen und eine Sekundärphase mit im Wesentlichen intragranularen Zirkonoxidkristallen auf, wobei die mittlere Kristallgröße der Aluminiumoxid- und Zirkonoxidkristalle zwischen 100 nm und 300 nm beträgt und die Kristallgröße der Zirkonoxidkristalle unter 100 nm liegt.
Die plättchenförmigen, zufällig geformten, gesinterten Schleifpartikel besitzen allgemein einen Formkörper mit einer ersten Oberfläche und einer der ersten Oberfläche gegenüberliegend angeordneten zweiten Oberfläche, wobei beide Oberflächen durch eine zufällig geformte Seitenwand mit einer Dicke (T) zwischen 20 µm und 500 µm voneinander getrennt sind.
Die plättchenförmigen, zufällig geformten, gesinterten Schleifpartikel können wirkungsvoll durch verschiedene Kornformfaktoren auf Grundlage von Bildanalysen charakterisiert werden.
Der äquivalente Kreisdurchmesser (X) ist definiert als der Durchmesser des Kreises mit der gleichen Fläche wie die des zu bestimmenden Teilchens. Der äquivalente Kreisdurchmesser (X) kann auf Basis der gemessenen Fläche (A) des Teilchens nach der Gleichung (1) berechnet werden:
Die Zirkularität (C) ist definiert als der Grad der Ähnlichkeit des Teilchens mit einem Kreis. Je weiter das Teilchen von einem perfekten Kreis entfernt ist, umso geringer ist der Wert für die Zirkularität. Die Zirkularität kann auf Basis der gemessenen Fläche (A) und der Umfangslänge (P) berechnet werden. ISO 9276-6 (2006) definiert die Zirkularität nach Gleichung (2):
Wie in der meisten älteren Literatur wird das Längenverhältnis (AR = aspect ratio) im vorliegenden Fall als Länge geteilt durch Breite berechnet. Dabei ist die Länge die maximale Distanz zwischen zwei Punkten auf dem Umfang des Teilchens parallel zur Hauptachse. Die Breite ist die maximale Distanz zwischen zwei Punkten auf dem Umfang parallel zur Nebenachse. Die Hauptachse verläuft durch den Mittelpunkt der Masse des Teilchens entsprechend der Form mit der minimalen Rotationsenergie. Die Nebenachse verläuft durch das Massenzentrum des Teilchens und ist immer senkrecht zur Hauptachse.
Der Ungleichheitsfaktor (UE) berücksichtigt bei der Berechnung auf Grundlage der gemessenen Fläche (A) und der Umfangslänge (P) nach der Gleichung (3) unterschiedliche Geometrien (d.h. einen Kreis, ein Rechteck, ein Quadrat und ein gleichseitiges Dreieck):
Einige beispielhafte UE-Werte für verschiedene Geometrien sin in der folgenden Tabelle 1 zusammengefasst: Tabelle 1

Kreis Quadrat gleichseitiges Dreieck Rechteck

L = 1.5 W L = 2 W L = 3 W

π² ~ 9.87 4π ~ 12.57 3√3π ~ 16.32 ~13.09 ~14.13 ~16.76
Eine weitere Möglichkeit zur Charakterisierung der plättchenförmigen, zufällig geformten, gesinterten Schleifpartikel ergibt sich aus der Verwendung eines Umfangszufallsfaktors (PRF = Perimeter Randomness Factor), der durch die Tangenten eines gleichseitigen Dreiecks, eines Rechtecks oder eines Kreises entlang der Seitenwand des Umfangs der plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifpartikel bestimmt wird. Der PRF (%) wird durch Division des zur Vervollständigung des regulären geometrischen Körpers fehlenden Flächenbereiches (M) durch den tatsächlichen Flächenbereich (A) des plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifteilchens und Multiplizieren mit 100 berechnet. Die Messung wird mit Hilfe einer Bildanalysensoftware oder einer ähnlichen geeigneten Messtechnik durchgeführt. Die Messung wird dabei so oft wiederholt bis die Umfänge von mindestens 50 einzelnen plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifpartikeln vermessen sind, wobei sich der mittlere Umfangszufallsfaktor (APRF) aus dem Mittelwert der mindestens 50 Resultate ergibt. Ein mittlerer Umfangszufallsfaktor von 100 % würde bedeuten, dass der fehlende Flächenbereich genau so groß ist wie der tatsächliche Flächenbereich der vermessenen Schleifkörner.
Es wurde gefunden, dass mit plättchenförmigen Schleifkörnern besonderes gute Schleifergebnisse erzielt werden können, wenn der mittlere Umfangszufallsfaktor mehr als 15 %, vorzugsweise mehr als 20 % und besonders bevorzugt zwischen 30 % und 100 % beträgt. Eine mögliche Erklärung dafür ist, dass die unregelmäßig angeordneten Ecken, Kanten einer Vielzahl von Plättchen im Schleifmittel im Mittel eine relativ gleichmäßige, mit besonders vielen Schneidkanten versehene Schleiffläche ergeben und auf diese Weise einen hohen Materialabtrag generieren. Diese Erklärung stützt sich vor allem auf optische Untersuchungen der Schleifmittel.

Ein anderer Weg, um den „Zufallscharakter“ der Plättchen zu beschreiben, kann durch Untersuchung der Streuung der Flächenbereiche oder Längenverhältnisse der einzelnen plättchenförmigen Partikel im Vergleich zu einem ausgesuchten geformten Teilchen, wie zum Beispiel ein gleichseitiges Dreieck wie Cubitron II. Die Streuung der Flächenbereiche von Teilchen zu Teilchen wird zusammen mit einigen wichtigen Kornformfaktoren für einige ausgesuchte Schleifpartikel in der folgenden Tabelle 2 dargestellt. Zur Beschreibung der Streuung der Flächenbereiche wurde das Excel-Software-Programm ANOVA genutzt. Tabelle 2

Kornformfaktor	Schleifkörner
Kornformfaktor	ZTA 2.5	ZTA 5	ZTA 5cc	ZTA 10	Cub. 321	Cub. II
C	0.63	0.61	0.68	0.615	0.73	0.58
AR	1.74	1.94	1.58	1.69	1.54	1.08
UE	15.94	16.55	14.75	16.704	13.70	17.02
X (µm)	853	801	696	790	746	655
APRF (%)	34.8	44.5	32.4	28.9	26.3	3.3
Streuung der Flächenbereiche
Summe der Abweichungen (µm²)	692517	1062519	501266	1180156	638691	97022
Mittelwert der Abweichungen zwischen den einzelnen Partikeln (µm²)	7960	8781	3298	13113	6141	741
Streuung (µm²)²	192424478	550767550	26802699	1795831726	234629121	2040501
Standardabweichung (µm²)	13872	23468	5177	42377	15318	1428
%	971	1643	362	2967	1072	100

Bei den in der Tabelle 2 aufgeführten ausgesuchten Schleifkörnern handelt es sich um erfindungsgemäße plättchenförmige, zufällig geformte Schleifpartikel in der Körnung P36 mit jeweils 2.5 Gew.% (ZTA 2.5), 5 Gew.% (ZTA 5) oder 10 Gew.% (ZTA 10) Anteilen an Zirkonoxid, die nach den Beispielen 7, 8 und 9 erhalten wurden. Als Vergleich werden ein kommerziell erhältliches, nicht geformtes Schleifkorn (Cub. 321) und ein in Form von gleichseitigen Dreiecken ausgebildetes Schleifkorn (Cub. II) herangezogen. Die chemische Zusammensetzung der beiden letztgenannten Schleifkörner entspricht dem Vergleichsbeispiel 1.
Es hat sich gezeigt, dass mit den plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifteilchen dann besonders gute Resultate erzielt werden, wenn sie einen gewissen Grad an Zirkularität und geringe Unterschiede in Länge und Breite aufweisen. Vorteilhaft liegt das typische Verhältnis von Länge zur Breite zwischen 1.20 und 1.90, vorzugsweise zwischen 1.40 und 1.70, besonders bevorzugt unter 1.60. Ein Beispiel für den letztgenannten Typ von plättchenförmigen Schleifpartikeln ist ZTA 5cc, das nach Beispiel 8 hergestellt wurde, jedoch zusätzlich nach dem Sintern zerkleinert und klassiert wurde. Eine mögliche Erklärung dafür ist, dass in diesem Fall besonders gleichmäßige Schleifoberflächen ausgebildet werden können, wenn die plättchenförmigen Schleifpartikel nach dem elektrostatischen Streuen mit ihrer Seitenwand senkrecht auf der Schleifmittelunterlage stehen.
So werden besonders dann gute Schleifresultate erzielt, wenn die Zirkularität (C) im Bereich von 0.6 bis 0.7 liegt. Es hat sich auch gezeigt, dass es vorteilhaft ist, wenn Ungleichheitsfaktor (UE) der plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifpartikel zwischen 10 und 17 liegt.
Eine weitere geeignete Eigenschaft zur Charakterisierung der plättchenförmigen, zufällig geformten, gesinterten Schleifpartikel ist das Verhältnis von Länge zur Dicke, das typischerweise im Bereich von 2 bis 10, vorzugsweise im Bereich von 4 bis 8, liegt. Auch hier wurde gefunden, dass die plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifpartikel eine gewisse Kompaktheit mit einem entsprechenden Verhältnis von Länge zu Dicke aufweisen müssen, um erfolgreich in Schleifmitteln eingesetzt werden zu können.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besitzt die zufällig geformte Seitenwand eine Dicke (T) zwischen 150 µm und 450 µm. Die mittlere Kristallgröße der Aluminiumoxid- und Zirkonoxidkristalle liegt vorteilhaft unter 250 nm.
Soweit sich die entsprechenden Kornformfaktoren nicht bereits durch die Dicke der vorgegebenen Gelschicht und die spätere Zerkleinerung ergeben, können die Verhältnisse durch zusätzliche Klassierungsmaßnahmen, wie z.B. Sieben oder eine Kornformsortierung beispielsweise über einen Vibrationstisch, eingestellt werden.
Partikelgrößen und -formen wurden mit Hilfe eines optischen Mikroskops STEMI SV6 (Carl Zeiss GmbH) gemessen. Die Partikelgröße und Partikelform wurden mit der Software ImageJ analysiert, die bei der Anfertigung des Abbildung die entsprechenden Flächenbereiche und Umfangslänge jedes einzelnen passend gelegenen und separierten Teilchens berechnet. Das Verfahren ist zuverlässig und liefert reproduzierbare Werte.
Aufgrund der Tatsache, dass beim Sol-Gel-Verfahren eine Magnesiumnitratlösung als Kristallwachstumsinhibitor und Peptisierungsmittel eingesetzt wird, umfasst die chemische Zusammensetzung der plättchenförmigen, zufällig geformten Sol-Gel-Schleifpartikel vorzugsweise zwischen 0.5 Gew.% und 5 Gew.% MgO.
Darüber hinaus wurde gefunden, dass bereits ein Anteil zwischen 1 Gew.% und 10 Gew.% Zirkonoxid ausreicht, um leistungsstarke Schleifpartikel für bestimmte Schleifoperationen zu erhalten. Somit enthalten die plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifpartikel in einer vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung zwischen 1 Gew.% und 10 Gew.% Zirkonoxid.
Mindestens 50 Gew.%, vorzugsweise 75 Gew.%, des Zirkonoxids liegen in der tetragonalen Modifikation vor.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist mindestens eine Oberfläche gleichmäßig strukturiert und weist Strukturelemente, wie Noppen, Mulden, Wellen, Zähne, Sägezähne, Pyramiden, Kegel und/oder sonstige Vertiefungen oder Überstände, auf. Auf diese Weise wird die Einbindung der plättchenförmigen Schleifpartikel in Schleifmitteln, wie z.B. Schleifscheiben, Schleifbändern und Fiberscheiben, verbessert und deren Verschleiß kann zusätzlich reduziert werden. Es versteht sich von selbst, dass sich eine weitere Verbesserung ergibt, wenn beide Oberflächen gleichmäßig strukturiert sind und die oben genannten Strukturelemente aufweisen. Die Strukturelemente können der Oberfläche des plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifteilchens durch Aufbringen des Gels vor dem Trocknen auf eine Unterlage, die eine spiegelbildliche Struktur aufweist, verliehen werden. Die zweite gleichmäßig strukturierte Oberfläche kann durch Behandeln der Oberfläche der aufgebrachten Gelschicht mit einer Texturrolle, die ebenfalls eine spiegelbildliche Struktur aufweist, erhalten werden. In diesem Fall ist es natürlich eine Voraussetzung, dass die Konsistenz des Gels fest genug ist, um die aufgebrachte Struktur während des Trockenvorgangs beizubehalten.
Das Verfahren zur Herstellung der plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifpartikel umfasst die folgenden Schritte:

– Herstellung einer Dispersion von α-Aluminiummonohydrat in angesäuertem Wasser, das α-Aluminiumoxidkeime mit einer Partikelgröße von weniger als 300 nm enthält;
– Gelieren der Dispersion durch Zugabe einer wässrigen Lösung einer Zirkonium- und Magnesiumverbindung;
– Abformen des Gels zu einer Schicht mit einer gleichmäßigen Dicke durch ein beliebiges passendes Verfahren, wie z.B. Extrusion, Einfüllen in eine Form, Pressen, Ausbreiten, oder Beschichten;
– Trocknen des ausgeformten Gels, um plättchenförmiges Vorläufermaterial für Schleifkörner zu erhalten;
– Zerkleinern und Sieben des plättchenförmigen Vorläufermaterials für Schleifkörner, um plättchenförmige, zufällig geformte Vorläufer für Schleifpartikel zu erhalten;
– wahlweise Kalzinieren der Vorläuferpartikel für Schleifkörner;
– Sintern der Vorläuferpartikel für Schleifkörner bei Temperaturen unterhalb von 1450 °C, um plättchenförmige, zufällig geformte Schleifpartikel zu erhalten: und
– erneutes Zerkleinern und Klassieren wahlweise; und
– wahlweise zusätzliches Zerkleinern, Sieben und Klassieren der gesinterten, plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifpartikel, um plättchenförmige, zufällig geformte Schleifpartikel mit einem Längenverhältnis (AR) von weniger als 1.70, vorzugsweise weniger als 1.60, zu erhalten.

Die Herstellung der α-Aluminiumoxidkeine ist ein besonders wichtiger Verfahrensschritt, der beispielsweise durch Nassvermahlen von einem feinkörnigem α-Aluminiumoxidpulver mit einer Partikelgröße von weniger als 3 µm in einer Kugelmühle und anschließendes Zentrifugieren der vermahlenen Dispersion durchgeführt wird, um α-Aluminiumoxidkeime mit einer Partikelgröße von weniger als 100 nm zu erhalten. Die für die Herstellung von plättchenfömigen, zufällig geformten Schleifpartikel eingesetzte Menge an Keimen liegt typischerweise in dem Bereich von 1 Gew.% bis 5 Gew.%, vorteilhaft bei ca. 2 Gew.%, bezogen auf das Gewicht des Schleifpartikelprodukts. Die zentrifugierte Keimdispersion wird zur Herstellung der gekeimten Dispersion von α-Aluminiumhydrat in saurer wässriger Lösung zu einer 20 Gew.%–30 Gew.%igen wässrigen Lösung von α-Aluminiumoxidmonohydrat gegeben, wobei der pH der Lösung durch Zugabe von genügend Salpetersäure auf ca. 2.5 eingestellt wird. Die erhaltene Lösung wird unter Einsatz eines Mischers mit hohen Scherkräften homogenisiert und anschließend bei Raumtemperatur durch Zugabe einer Salzlösung, die ausreichend Zirkoniumacetat und Magnesiumnitrat enthält, um Schleifpartikel mit einer chemischen Zusammensetzung zu erhalten, die 1 Gew.%–20 Gew.% Zirkonoxid und 1 Gew.%–5 Gew.% Magnesiumoxid umfasst, geliert. Das Gel wird beispielsweise durch Extrusion über ein Mundstück mit einer entsprechenden Schlitzdüse zu einer flachen Schicht mit einer Schichtdicke von ca. 800 µm–1600 µm ausgeformt. Die flache Schicht wird bei Temperaturen um 100 °C getrocknet, wobei die Dicke der Schicht sehr stark schrumpft und Risse ausgebildet werden. Das getrocknete Material wird zerkleinert und gesiebt, um plättchenförmige, zufällig geformte Vorläufer für Schleifpartikel zu erhalten. Diese Vorläuferpartikel werden wahlweise bei einer Temperatur zwischen 600 und 700 °C kalziniert und anschließend bei ca. 1360 °C im Drehrohrofen für 20 Minuten gesintert. Nach dem Sintern werden die die gesinterten Schleifpartikel vorzugsweise noch einmal zerkleinert, gesiebt und/oder beispielsweise mit Hilfe einer Vibrationstisches klassiert, um plättchenförmige Schleifpartikel mit einem Längenverhältnis von weniger als 1.70, vorzugsweise weniger als 1.60, zu erhalten.
Neben der Extrusion kann jede andere geeignete Methode, wie z.B. Pressen, Einfüllen in eine Form, Ausbreiten, Versprühen und Beschichten ebenfalls zum Formen des Gels eingesetzt werden.
Allgemein besitzen die plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifpartikel eine Härte H_V von mehr als 20 GPa, vorzugsweise mehr als 22 GPa, und eine Dichte von mehr als 97% der theoretischen Dichte.
Das Wesen der vorliegenden Erfindung wird zusätzlich mit Hilfe von Abbildungen erläutert, die der Beschreibung als 1 bis 4 beigefügt sind.
1 zeigt eine Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines geätzten Anschliffs eines plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifteilchens.
2A zeigt die mit Hilfe eines gleichmäßigen Dreiecks vermessenen Flächenbereiche eines plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifpartikels
2B zeigt die mit Hilfe eines Rechtecks vermessenen Flächenbereiche eines plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifpartikels.
2C zeigt die mit Hilfe eines Kreises vermessenen Flächenbereiche eines plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifpartikels.
3A zeigt eine Draufsicht des plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifteilchens aus den 2A–2C.
3B zeigt eine perspektivische Ansicht des plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifteilchens aus den 2A–2C.
4 zeigt eine vergleichende graphische Darstellung der Schleifleistung der plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifpartikel und Schleifpartikeln nach dem Stand der Technik.
Die 1 zeigt die mikrokristalline Struktur der plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifpartikel, die eine vorherrschende kontinuierliche Phase von α-Aluminiumoxidkristallen und eine Sekundärphase von im Wesentlichen intergranular orientierten Zirkonoxidkristallen 1 umfasst. Die chemische Zusammensetzung des analysierten Beispiels weist 2.5 Gew.% Zirkonoxid und 1 Gew.% Magnesiumoxid auf. Das Muster wurde unter Einsatz von 2 Gew.% α-Aluminiumoxid-Keimen mit einer Partikelgröße unter 100 nm hergestellt. Das oben beschriebene plättchenförmige Schleifteilchen besitzt eine Härte H_V von 23.6 GPa und eine Dichte von 98.6% der theoretischen Dichte. Die mittlere Kristallgröße beträgt zwischen 100 und 300 nm und die Kristaqllgröße der Zirkonoxidkristalle 1 liegt unter 100 nm.
Die 2A bis 2C erläutern das Messverfahren für die Bestimmung des mittleren Umfangszufallsfaktor (APRF). Der Umfangszufallsfaktor (PRF) wird durch die entlang der Seitenwand des Umfangs des plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifteilchens eingezeichneten Tangenten eines gleichmäßigen Dreiecks (siehe 2A), eines Rechtecks (siehe 2B), oder eines Kreises (siehe 2C) bestimmt. Der PRF (%) wird berechnet durch Division des zur Vervollständigung des regulären geometrischen Körpers fehlenden Flächenbereiches (M) durch den tatsächlichen Flächenbereich (A) des plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifteilchens und anschließendes Multiplizieren mit 100. Die Messung wird so oft wiederholt bis die Umfänge von mindestens 50 einzelnen plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifpartikeln vermessen sind, wobei sich der mittlere Umfangszufallsfaktor (APRF) aus dem Mittelwert der mindestens 50 Resultate ergibt. Für die Berechnung sollte die nächstkommende gleichmäßige Geometrie eingesetzt werden. Somit sollte für ein plättchenförmiges, zufällig geformtes Schleifteilchen, das einen Umfang gemäß den 2A bis 2C aufweist, ein Kreis oder ein Rechteck eingesetzt werden.
Die 3A zeigt eine Draufsicht des plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifteilchens gemäß den 2A bis 2C. Die Länge (L) ist die maximale Distanz zwischen zwei Punkten auf dem Umfang des Teilchens parallel zur Hauptachse. Die Breite (W) ist die maximale Distanz zwischen zwei Punkten auf dem Umfang parallel zur Nebenachse. Die Hauptachse verläuft durch den Mittelpunkt der Masse des Teilchens entsprechend der Form mit der minimalen Rotationsenergie. Die Nebenachse verläuft durch das Massenzentrum des Teilchens und ist immer senkrecht zur Hauptachse.
Die 3B zeigt eine perspektivische Ansicht des plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifteilchens gemäß den 2A bis 2C. Das plättchenförmige, zufällig geformte Schleifteilchen besitzt einen Körper mit einer ersten Oberfläche 2 und einer zweiten Oberfläche, die der ersten Oberfläche gegenüberliegt, wobei beide Oberflächen durch eine zufällig geformte (verlaufende) Seitenwand 3 mit einer Dicke (T) zwischen 20 µm und 500 µm.
Die 4 zeigt eine graphische Darstellung einiger ausgesuchter Schleiftests von plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifpartikeln im Vergleich zu nicht geformten gesinterten Schleifkörnern. Auf die 4 wird im Rahmen der nachfolgenden Beschreibung der Schleiftests näher eingegangen.
Die vorliegende Erfindung wird zusätzlich anhand der folgenden Beispiele näher erläutert, wobei die besonderen, in den Beispielen genannten Materialien und Mengen sowie die übrigen Bedingungen und Details nicht als ungewollte Einschränkung der Erfindung auszulegen sind.
Beispiel 1 (Vergleichsbeispiel)
Das Vergleichsbeispiel 1 wurde mit Hilfe der Imprägnierungsmethode unter Einsatz von ca. 2 Gew.% La₂O₃, 1 Gew.% Y₂O₃ und 1 Gew.% MgO als Modifizierungsmittel gemäß der Lehre des US-Patents US 4,881,951 hergestellt. Das so erhaltene Schleifkorn entspricht dem kommerziell unter dem Markennamen „Cubitron 321” erhältlichen Sol-Gel-Schleifkorn.
Beispiel 2 (Vergleichsbeispiel)
Eine Dispersion mit ca. 30 Gew.% Feststoffgehalt wurde durch Mischen von alpha-Aluminiumhydroxid-monohydrat zusammen mit 2 Gew.% Keimen, bezogen auf das Gesamtgewicht des gewünschten Produktes, in einer Wasser und 70%ige konzentrierte Salpetersäure enthaltenden Lösung gewonnen, wobei der pH-Wert auf ca. 2.5 eingestellt wurde. Das erhaltene Sol wurde mit 1 Gew.% Oxidäquivalent Magnesiumnitrat und 2.5 Gew.% Oxidäquivalent Zirkoniumacetat als modifizierende Komponenten versetzt, jeweils bezogen auf das Gewicht des gewünschten Produktes. Nach der Zugabe des Zirkoniumacetats und des Magnesiumnitrats erfolgte die Gelierung bei Raumtemperatur. Das Gel wurde bei ca. 100 °C getrocknet, um Schleifpartikel-Vorläufermaterial zu erhalten, das zerkleinert wurde, um die Teilchengröße auf eine Größe etwas über der des gewünschten Produkts zu reduzieren, und anschließend gesiebt. Die ausgesiebten Schleifpartikel-Vorläufer wurden für 20 Minuten bei 1360 °C in einem Drehrohrofen gesintert, um Schleifpartikel zu erhalten. Nach dem Sintern wurden die Schleifpartikel abschließend gesiebt, um ein Korn P36 nach FEPA zu erhalten.
Beispiele 3–6 (Vergleichsbeispiele)
Die Beispiele 3–6 wurden analog zu dem Vergleichsbeispiel 2 produziert mit der Ausnahme, dass 5 Gew.% (Beispiel 3), 10 Gew.% (Beispiel 4), 15 Gew.% (Beispiel 5) oder 20 Gew.% (Beispiel 6) Oxidäquivalent Zirkoniumacetat als modifizierende Komponente eingesetzt wurden.
Beispiel 7
Eine Dispersion mit ca. 30 Gew.% Feststoffgehalt wurde durch Mischen von alpha-Aluminiumhydroxid-monohydrat zusammen mit 2 Gew.% Keimen, bezogen auf das Gesamtgewicht des gewünschten Produktes, in einer Wasser und 70%ige konzentrierte Salpetersäure enthaltenden Lösung gewonnen, wobei der pH-Wert auf ca. 2.5 eingestellt wurde. Das erhaltene Sol wurde mit 1 Gew.% Oxidäquivalent Magnesiumnitrat und 2.5 Gew.% Oxidäquivalent Zirkoniumacetat als modifizierende Komponenten versetzt, jeweils bezogen auf das Gewicht des gewünschten Produktes. Nach der Zugabe des Zirkoniumacetats und des Magnesiumnitrats erfolgte die Gelierung bei Raumtemperatur. Das Gel wurde mit Hilfe eines Mundstücks, das eine rechteckige Düse von 1.5 mm Dicke und 3 cm Länge aufwies, auf eine Trägerplatte extrudiert, um eine Schicht zu erhalten. Das geformte Gel wurde bei ca. 100 °C getrocknet, um Schleifpartikel-Vorläufermaterial zu erhalten, das zerkleinert wurde, um die Teilchengröße auf eine Größe etwas über der des gewünschten Produkts zu reduzieren, und anschließend gesiebt. Die ausgesiebten Schleifpartikel-Vorläufer wurden für 20 Minuten bei 1360 °C in einem Drehrohrofen gesintert, um Schleifpartikel zu erhalten. Nach dem Sintern wurden die Schleifpartikel abschließend gesiebt, um ein Korn P36 nach FEPA zu erhalten.
Die gesinterten plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifpartikel haben eine Vickers-Härte H_V von 23.6 GPa, ein Dichte von 98.6% der theoretischen Dichte und eine Kristallstruktur mit einer mittleren Kristallgröße von 170 nm. Die Partikel haben eine mittlere Länge ca. 1080 µm, eine mittlere Breite von ca. 620 µm und eine mittlere Dicke von ca. 180 µm.
Beispiele 8 und 9
Die Beispiele 8 und 9 wurden analog zu Beispiel 7 produziert mit dem Unterschied, dass 5 Gew.% (Beispiel 8) bzw. 10 Gew.% (Beispiel 9) Oxidäquivalent Zirkoniumacetat als modifizierende Komponente eingesetzt wurden.
Beispiel 11 (Schleiftest / 250 mm Fiberscheiben)
Die Fiberscheiben wurden durch elektrostatisches Streuen von ca. 40 g Schleifpartikel mit Hilfe einer elektrostatischen Streuanlage für Schleifkörner (Peter Schwabe GmbH) auf ein mit ca. 5 g Kunstharzgrundbinder beschichtetes vulkanisiertes Fiberpapier unter Anwendung eines elektrostatischen Feldes von 22–35 kV für 6–10 Sekunden hergestellt. Die beschichteten Fiberschleifscheiben wurde für 6 Stunden unterhalb von 100 °C ausgehärtet und anschließend mit ca. 35 g Deckbinder beschichtet und dann für 12 Stunden bei Temperaturen unterhalb von 140 °C ausgehärtet.
Die Tests wurden mit einem Korn P36 mit der folgenden Siebanalyse durchgeführt. Tabelle 3

Korn P36

Sieb No. µm %

1 18 1000 0

1 + 2 25 710 < 1

1 bis 3 30 600 10–18

1 bis 4 35 500 52–70

1 bis 5 40 425 > 92

pass through 5 40 425 < 8

Das Werkstück, ein Cr-Ni Rostfrei Stahl 1.457 Stab mit einem Durchmesser von 20 mm, wurde mit einer Kraft von 40 N bzw. 60 N gegen die mit 2000 Umdrehungen pro Minute rotierende Fiberscheibe gepresst. Beim Test wurde der Materialabtrag am Werkstück jeweils nach einem 2 Minuten-Zyklus gemessen. Jeder Testlauf umfasste insgesamt 8 Schleifzyklen, die jeweils von einer 2 minütigen Abkühlperiode unterbrochen wurden. Nach dem Testlauf wurde zusätzlich der Verschleiß der Fiberscheibe bestimmt. Table 4

Beispiel	mittlere Kristallgröße (µm)	Härte HV (GPa)	Schleiftest (40 N)		Schleiftest (60N)
Beispiel	mittlere Kristallgröße (µm)	Härte HV (GPa)	Abtrag (g)	G-Faktor (%)	Abtrag (g)	G-Faktor (%)
1 (Vergleich)	250	20.2	137.6	100	230.7	100
2 (Vergleich)	170	21.9	145.9	104	227.2	106
3 (Vergleich)	175	22.4	126.2	92	220.1	103
4 (Vergleich)	175	23.8	131.4	98	212.6	102
5 (Vergleich)	140	24.4	128.5	92	209.3	98
6 (Vergleich)	200	20.9	124.4	87	198.4	89
7 (Erfindung)	170	23.6	151.6	117	252.6	125
8 (Erfindung)	190	23.2	148.0	118	283.3	142
9 (Erfindung)	145	22.2	135.5	102	252.1	121

Eine graphische Darstellung der Schleiftests einiger ausgesuchter Beispiele (1, 2, 7 und 8) ist in der 4 wiedergegeben. Dabei ist das Vergleichsbeispiel 1 mit Cubitron 321 bezeichnet. Das Vergleichsbeispiel 2 ist ein mit 2.5 Gew.% Zirkonoxid dotierter Sol-Gelkorund mit der Bezeichnung ZTA-SG2.5. Beispiel 7, ein plättchenförmig, zufällig geformtes Schleifteilchen, das die gleiche Zusammensetzung wie Beispiel 2 besitzt wird als ZTA-SG2.5 (Plates) bezeichnet. Beispiel 8, ein mit 5 Gew.% Zirkonoxid dotiertes erfindungsgemäßes Schleifteilchen hat die Bezeichnung ZTA-SG5 (Plates).
Der G-Faktor berechnet sich aus Gleichung (4), wobei ein direkter Bezug zum Vergleichsbeispiel 1 hergestellt wird: G-Faktor = 100 × Abtrag (ZTA) × Verschleiß (Cubitron) / Verschleiß (ZTA) × Abtrag (Cubitron) (4)
In der Graphik ist deutlich zu erkennen, dass die beiden plättchenförmigen Musterbeispiele 7 und 8 insbesondere im ersten Zyklus eine signifikant höhere Abtragsleistung zeigen als die nicht geformten Schleifkörner, wobei das mit 5 Gew.% Zirkonoxid dotierte Beispiel 8 über den gesamten Test auf hohem Niveau verbleibt. Als weiterer Vorteil kommt hinzu, dass der Verschleiß des Schleifmittels bei allen mit Zirkonoxid dotierten Beispielen geringer ausfällt als beim Vergleichsbeispiel 1, was sich insbesondere bei dem Test mit höheren Drücken bemerkbar macht, so dass für das Beispiel 8 bei hohem Druck mit einem G-Faktor von 142% eine Leistungssteigerung von 42% zu verzeichnen ist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0024099 B1 [0003]
US 4314827 [0005]
US 4881951 [0005, 0055]
US 5227104 [0005]
US 5201916 [0007]
US 7384437 [0008]
US 8123828 [0008]
US 8764865 [0008]
US 8142531 [0008]
US 8142891 [0008]
US 8142532 [0008]
EP 0318168 B1 [0010]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

ISO 9276-6 (2006) [0019]

Claims

Plättchenförmige, zufällig geformte, gesinterte Schleifpartikel auf Basis von alpha-Aluminiumoxid, die einen Körper mit einer ersten Oberfläche und einer der ersten Oberfläche gegenüberliegende angeordneten zweiten Oberfläche aufweisen, wobei beide Oberflächen durch eine zufällig geformte Seitenwand mit einer Dicke (T) zwischen 20 µm und 500 µm getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifpartikel eine Kristallstruktur mit einer mittleren Kristallgröße zwischen 100 nm und 300 nm besitzen.
Schleifpartikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung der Schleifpartikel zwischen 1 Gew.% und 20 Gew.% Zirkonoxid umfasst, wobei mindestens 50 Gew.% des Zirkonoxids in der tetragonalen Modifikation vorliegen.
Schleifpartikel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kristallstruktur eine dominierende kontinuierliche Phase von α- Aluminiumoxidkristallen und eine Sekundärphase mit im Wesentlichen intragranularen Zirkonoxidkristallen umfasst, wobei die Kristallgröße der Zirkonoxidkristalle unter 100 nm liegt.
Schleifpartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung zusätzlich zwischen 0.5 Gew.% und 5 Magnesiumoxid umfasst.
Schleifpartikel nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die chemische Zusammensetzung der Schleifpartikel zwischen 1 Gew.% und 10 Gew.% Zirkonoxid umfasst.
Schleifpartikel nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 75 Gew.% des Zirkonoxids in der tetragonalen Phase vorliegen.
Schleifpartikel nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Kristallgröße der Aluminiumoxid- und Zirkonoxidkristalle weniger als 250 nm beträgt.
Schleifpartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifpartikel eine Zirkularität (C) größer als 0.60 aufweisen.
Schleifpartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifpartikel einen der Ungleichheitsfaktor (UE) zwischen 10 und 17 aufweisen.
Schleifpartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifpartikel einen mittleren Umfangszufallsfaktor (ARPF) größer als 15% aufweisen.
Schleifpartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zufällig geformte Seitenwand eine Dicke (T) zwischen 100 µm und 450 µm aufweist.
Schleifpartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifpartikel ein Längenverhältnis (AR) zwischen 1.20 und 1.90 aufweisen.
Schleifpartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifpartikel ein Längenverhältnis (AR) weniger als 1.60 aufweisen.
Schleifpartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifpartikel ein Verhältnis von Länge zu Dicke im Bereich zwischen 2 und 10 aufweisen.
Schleifpartikel nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Oberfläche gleichmäßig strukturiert ist mit Strukturelementen, wie Noppen, Mulden, Wellen, Zähne, Sägezähne, Pyramiden, Kegel und/oder sonstige Vertiefungen oder Überstände.
Verfahren zur Herstellung von Schleifpartikeln nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Herstellung einer Dispersion von α-Aluminiummonohydrat in angesäuertem Wasser, das α-Aluminiumoxidkeime mit einer Partikelgröße von weniger als 300 nm enthält; – Gelieren der Dispersion durch Zugabe einer wässrigen Lösung einer Zirkonium- und Magnesiumverbindung; – Abformen des Gels zu einer Schicht mit einer gleichmäßigen Dicke durch ein beliebiges passendes Verfahren, wie z.B. Extrusion, Einfüllen in eine Form, Pressen, Ausbreiten, oder Beschichten; – Trocknen des ausgeformten Gels, um plättchenförmiges Vorläufermaterial für Schleifkörner zu erhalten; – Zerkleinern und Sieben des plättchenförmigen Vorläufermaterials für Schleifkörner, um plättchenförmige, zufällig geformte Vorläufer für Schleifpartikel zu erhalten; – wahlweise Kalzinieren der Vorläuferpartikel für Schleifkörner; und – Sintern der Vorläuferpartikel für Schleifkörner bei Temperaturen unterhalb von 1450 °C, um plättchenförmige, zufällig geformte Schleifpartikel zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 16, wobei das Verfahren einen zusätzlichen Schritt der Zerkleinerung, Siebung und/oder Klassierung der gesinterten plättchenförmigen, zufällig geformten Schleifpartikel umfasst, um Schleifpartikel mit einem mittleren Längenverhältnis (AR) von weniger als 1.70, vorzugsweise weniger als 1.60, zu erhalten.