DE2931868C2

DE2931868C2 - Mahlgefäß sowie Verfahren zu seiner Herstellung und Verfahren zum Aufmahlen von insbesondere sehr hartem körnigen Gut, wie keramischen Pulvern

Info

Publication number: DE2931868C2
Application number: DE2931868A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. Dr. 8633 Rodental Leimer; Detlef Dipl.-Ing. 8633 Rödenthal Steinmann
Original assignee: Annawerk Keramische Betriebe 8633 Roedental De GmbH; Annawerk Keramische Betriebe 8633 Roedental GmbH
Current assignee: Feldmuehle AG
Priority date: 1979-08-06
Filing date: 1979-08-06
Publication date: 1982-12-09
Also published as: DE2931868A1

Description

Die Erfindung betrifft das Aufmahlen von insbesondere sehr hartem körnigen Gut, wie keramischen Pulvern o. dgl. Mahlgefäße zum Aufmahlen solcher Güter unterliegen bei ihrem Einsatz einem sehr hohen Verschleiß, was insbesondere deshalb nachteilig wirkt, weil durch diesen Verschleiß die Herstellung reiner Werkstoffe durch Verunreinigung infolge Abrieb außerordentlich erschwert wird. In gleicher Weise wirken sich die Verunreinigungen durch den Abrieb auch nachteilig bei der Verwendung solcher Mahlgefäße o. dgl. für die Aufbereitung von Analysenproben aus.

Es sind zwar bereits Mahlgefäße aus beispielsweise 99%igem Sinterkorund, Hartmetall (WC-Co) und Achat bekannt, bei denen in der Reihenfolge dieser Aufzählung der Gesamtabrieb abnimmt, wie die nachfolgende Aufstellung nachweist:

Tabelle I

Mahlgefäß

Gesamtabrieb

Al₂O₃ 99%	56,9 g
WC/Co	18,0 g
Achat	7,17 g
Si₃N₄	2.49 g

Tabelle Il

Sinterkorund 99% Al₂Oj 657 μπι/km

Sinterkorund 96% Al₂O₃ 485 μπι/km

ZrO₂ 97% 338 μπι/km

SiC heißgepreßt 173 μΐη/km

WC-12% Co 152 μπι/km

SiC infiltriert mit Si 145 μπι/km

S13N4 heißgepreßt 107 μπι/km

S13N4 nachverdichtet 78 μπι/km

Diese Versuche zeigen zwar, daß Siliziumnitrid gegenüber anderen keramischen Werkstoffen und Hartmetallen, die man unter anderem auch für die Herstellung von Mahlgefäßen o. dgl. verwendet, einen sehr geringen Abrieb, ausgedrückt als Abtrag über den Schleifweg aufweist.

Es ist bekannt, daß Siliziumnitrid nach verschiedenen Verfahren herstellbar ist, wobei die hergestellten Produkte stark voneinander abweichende Eigenschaften aufweisen. Heißgepreßtes Siliciumnitrid ist dicht, gesintertes und reaktionsgesintertes Siliziumnitrid ist porös. Es läge deshalb nahe, zu einem möglichst dichten Material, d. h. zu heißgepreßtem Siliziumnitrid zu greifen. Bei Mahlversuchen hat sich aber gezeigt, daß gerade poröses Siliziumnitrid einen geringeren Abrieb aufweist als heißgepreßtes dichtes Siliziumnitrid. Des-

halb besteht nach der Erfindung das Mahlgefäß o. dgl. aus reaktionsgesintertem Siliziumnitrid. Der Grund für den geringen Abrieb gerade bei porösem Siliziumnitrid ist vermutlich darin zu finden, daß feinste Mahlgutteilchen sich in die Poren des aus reaktionsgesintertem Siliziuinnitrid bestehenden Mahlgefäßes einlagern, dadurch ein Ausbrechen von Silizi'jmnitridkörnern verhindern und durch Bildung eines dünnen Belages aus dem Mahlgut selbst den Abrieb weitgehend unterbinden. Dieser dünne Mahlgutbelag haftet nämiich fester auf den porösen Mahlgefäßwänden als auf z. B. dichtem heißgepreßtna Siliziumnitrid. Vermutlich ist der Grund für dieses Verhalten in einer Verzahnung zu sehen, die durch die in die Porenräume eingelagerten Mahlgutpartikel hervorgerufen wird. Dadurch wird der Belag festgehalten und das Mahlgut mahlt auf sich selbst und schützt die Gefäßwand vor weiterem Verschleiß.

Ein Mahlgefäß nach der Erfindung besteht vorzugsweise aus einem aus reaktionsgesintertem Siliziumnitrid helgestellten Mahlbecher, der in eine Umhüllung aus Aluminium eingesetzt und mit einem mit eii.em Einsatz aus reaktionsgesintertem Siliziumnhrid gefütterten Aluminiumdeckel verschließbar ist.

Ein solcher schalenartiger Aufbau ermöglicht eine erhebliche Gewichtsersparnis gegenüber dem früher verwendeten einstückigen Aufbau. So weisen beispielsweise Mahlbecher der gleichen Ausführungsform aus Hartmetall ein Gewicht von 5 bis 6 kg auf und selbst solche aus Achat haben noch ein Gewicht von 1,2 bis 1,5 kg, während der erfindungsgemäße Mahlbecher nur ein Gewicht von 1 kg besitzt.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist der aus reaktionsgesintertem Siliziumnitrid bestehende Mahlbecher mit einer Umkleidung aus einem Kunststoff versehen, die die bei der Handhabung unvermeidbaren Stoß- und Schlagbeanspruchungen des Mahlbechers wesentlich herabsetzen.

Die Herstellung eines derartigen Mahlgefäßes, einer Auskleidung o. dgl. erfolgt in Weiterbildung der Erfindung aus Siliziumpulver, wobei das Mahlgefäß o. dgl. gegebenenfalls spanabhebend nachbearbeitet und unter Stickstoffatmosphäre reaktionsgesintert wird. Ein solches Verfahren ist für die Herstellung von Werkstücken unter Verwendung eines Silikonharzbindemittels für das Siliziumpulver bereits aus der DE-OS 26 50 083 bekannt. Es war aber nicht ohne weiteres erkennbar, daß nach diesem Verfahren hergestellte Mahlgefäße o. dgl. zum Aufmahlen von insbesondere sehr hartem körnigen Gut, wie keramischen Pulver o. dgl. besonders geeignet sind, weil es an sich schon nicht nahelag, reaktionsgesintertes Siliziumnitrid für solche Zwecke zu verwenden. Für das Verfahren nach Anspruch 3 wird nur im Rahmen eines Unteranspruches zu den vorhergehenden Ansprüchen Schutz begehrt.

Es hat sich gezeigt, daß der Effekt des haftenden Belages und der damit verbundene geringe Abrieb von der Qualität des porösen reaktionsgesinterten Siliziumnitrids in gewissem Umfange abhängt. Bei zu großen, zu vielen und inhomogen verteilten Poren kommt somit der volle Erfolg der Verwendung reaktionsgesinterten Siliziumnitrid als Material für Mahlgefäße o. dgl. nicht voll zum Tragen. Ein geeignetes reaktionsgesintertes Siliziumnitrid würde eine Reindichte von 2,4 g/cm³ besser aber mehr als 2.5 g/cm³ sowie eine gleichmäßige, feine und homogen verteilte Porenstruktur aufweisen, was sinngemäß auch für die Siliziumnitridkristalle zu gelten hätte. Eine solche Reindichte erreicht man gemäß dem der Erfindung zugrunde liegenden Verfahren dadurch, daß das zur Herstellung des reaktionsgesinterten Siliziumnitrids durch thermische Behandlung unter Stickstoff verwendete Si-Pulver eine Endkorngröße aufweist, die kleiner als 15 μΐη ist.

Da die Verwendung von Korngrößen unter 15 Jim für das Siliziumpulver bei der Herstellung von Formkörpern aus Siliziumnitrid nach der DE-OS 23 30 595 ebenfalls bereits zum Stande der Technik gehört, wird auch für den Anspruch 5 Schutz nur im Rahmen eines Unteranspruches zu den vorhergehenden Ansprüchen begehrt

Da Erzeugnisse aus reaktionsgesintertem Siliziumnitrid schon im grünen Zustand durch beispielsweise spanende Bearbeitung, wie Drehen, Fräsen, Schleifen aus einem gepreßten Vorkörper oder durch andere Formgebungsverfahren, wie Schlickerguß oder Spritzguß im grünen Zustand auf das gewünschte Endmaß gebracht werden kann, läßt sich auch die eingangs aufgestellte Forderung nach einem Material erfüllen, das zur Erzielung beliebiger Form und Größe des Mahlgefäßes o. dgl. entsprechend bearbeitet werden kann, wodurch die Herstellung von Mahlgefäßen aus solchem reaktionsgesinterten Siliziumnitrid auch wirtschaftlich wird.

Der dritte Gesichtspunkt, daß eine möglichst uneingeschränkte Verfügbarkeit der Rohstoffe gegeben sein muß, ist bei dem Werkstoff Siliziumnitrid a priori gegeben. Silizium läßt sich durch Reduktion von Quarzsanden in ausreichender Menge vergleichsweise preisgünstig gewinnen. Stickstoff steht als Rohstoff aus der Luft ebenfalls in ausreichender Menge zur Verfügung.

Es hat sich gezeigt, daß sich noch bessere Ergebnisse erzielen lassen, wenn dem Reaktionssintern unter Stickstoffatmosphäre eine Glühbehandlung des erstellten Körpers unter Argon vorgeschaltet wird.

An sich ist auch ein Reaktionssintern unter Stickstoffatmosphäre mit vorgeschalteter Glühbehandlung unter Argon aus der DE-OS 23 30 595 bereits bekannt, so daß auch für den Gegenstand des Anspruches 6 nur im Rahmen eines Unteranspruches zu den vorhergehenden Ansprüchen Schutz begehrt wird.

Durch die Erfindung werden nicht nur die oben aufgezeigten Aufgaben in vollem Umfange gelöst, sondern es erg^!bt sich der weitere Vorteil eines geringen Gewichtes des hergestellten Mahlgefäßes o. dgl., das eine Vergrößerung des Füllvolumens der Mahlgefäße erlaubt und/oder die Belastung der Antriebsaggregate zu verringern und dadurch deren Lebensdauer zu erhöhen gestattet.

Im Gegensatz zu Mahlgefäßen aus 99°/oigem sinterkorund. Hartmetall oder Achat weist ein Mahlgefäß aus reaktionsgesintertem S13N4 einen Gesamtabrieb von 2,59 g auf, ein Wert, der im Vergleich zu den Werten nach Tabelle I den außerordentlichen Vorteil, der durch die Erfindung erreichbar ist, ausweist. Dabei diente in allen Fällen SißN^-Pulver als besonders hartes Mahlgut und es lagen in allen Fällen die gleichen Versuchsbedingungen vor (Mahlgutgewicht, Kugelgewicht, Mahlflüssigkeit und Mahldauer von 24 Stunden). Die Mahlkugeln bestanden dabei jeweils aus dem gleichen Werkstoff wie das Mahlgefäß. Das bedeutet, daß das zu mahlende Siliziumnitridpulver mit artfremden Abrieb bei den Korund-, Hartmetall- und Achatmahlgefäßen verunreinigt war. Solche Verunreinigungen lassen sich zum großen Teil überhaupt nicht oder nur unter größtem Aufwand wieder entfernen. Insofern ist gerade für Siliziumnitrid-Werkstoffe ein nicht zu übersehender

■ Vorteil der Erfindung, daß nunmehr auch Mahlgefäße aus Siliziumnitrid selbst zur Verfugung stehen, wodurch nur nicht störender arteigener Abrieb anfällt und dieser auch noch in sehr geringer Menge.

Der geringe Abrieb, wie er sich aus den obigen Zahlenwerten ergibt, ist nicht nur auf Mahlgut von S13N4 in Siliziumnitrid-Mahlgefäßen beschränkt, sondern zeigt sich auch bei anderen Mahlgütern. Eine Vergleichsmahlung zwischen einem Siliziumnitrid- und Hartmetallmahlgefäß an Eisenpulvern bestätigte dies.

Tabelle III	Siliziumnitrid Eisen Fe₂O₃	Hartmetall Hartmetall Fe₃Oj
Mahlgefäß Kugelart Pulverart	1,93	11,59
Gewichtsverlust (g/h · 10-2)

Aus den Ergebnissen geht nicht nur hervor, daß zum Mahlen von Eisenoxidpulvern sich Siliziumnitrid-Mahlgefäße durch einen geringen Abrieb auszeichnen, sondern daß auch arteigene Mahlkugeln in bezug auf das Mahlgut, jedoch artfremde Kugeln in bezug auf das Mahlgefäß sich hervorragend bewährt haben. Bestätigt wurden diese Ergebnisse auch mit Mahlkugeln aus Sinterkorund, Achat und Hartmetall in Siliziumnitird-Mahlgefäßen bei unterschiedlichen Mahlgütern, wie Schamotte, Tonerde, Zirkonoxid, Grobquarz und Glas.

Ein Ausführungsbeispiel für ein Mahlgefäß ist in der Zeichnung wiedergegeben.

Die Zeichnung zeigt auseinandergezogen den Aufbau eines Mahlgefäßes nach der Erfindung.

Mit 1 ist ein Deckel aus Aluminium bezeichnet, unter dem ein Einsatz aus reaktionsgesintertem Siliziumnitrid angebracht ist. 3 ist ein Dichtring, der z. B. aus dem unter dem Handelsnamen Teflon bekannten Kunststoff besteht. Mit 4 ist ein Mahibecher aus reaktionsgesintertem Siliziumnitrid bezeichnet. 5 ist eine Ummantelung aus Kunststoff, die gegebenenfalls auch der Reduktion von Schlagbeanspruchungen dient.

6 sind Stehbolzen zum Justieren des Deckels. 7 ist eine Mahlbecherumhüllung aus Aluminium. 8 ist eine Verschraubung für den unteren Deckel 9, der ebenfalls aus Aluminium besteht.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Aus einem siliziumhaltigen Material bestehendes Mahlgefäß oder Auskleidung eines solchen Mahlgefäßes, einer Mühle o. dgl, zum Aufmahlen von insbesondere sehr harten körnigen Gut, wie keramischen Pulver o.dgl, dadurch gekennzeichnet, daß das Mahlgefäß o. dgl. aus reaktionsgesintertem Siliziumnitrid besteht

Z Mahlgefäß nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein aus reaktionsgesintertem Siliziumnitrid bestehender Mahlbecher (4) in einer Umhüllung (7) aus Aluminium eingesetzt und mit einem mit einem Einsatz (2) aus reaktionsgesintertem Siliziumnitrid gefütterten Aluminiumdeckel (1) verschließbar ist

3. Mahlgefäß nach Ansprach 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Mahlbecher (4) mit einer Umkleidung (5) aus einem Kunststoff versehen ist

4. Verfahren zur Herstellung eines Mahlgefäßes nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet daß das Mahlgefäß o.dgl. aus Siliziumpulver hergestellt, gegebenenfalls spanabhebend nachbearbeitet und unter Stickstoffatmosphäre reaktionsgesintert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssiliziumpulver auf eine Korngröße kleiner 15 μπι aufgemahlen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Reaktionssintern unter Stickstoffatmosphäre eine Glühbehandlung unter Argon vorgeschaltet wird.

7. Verfahren zum Aufmahlen von insbesondere sehr hartem körnigen Gux, wie keramischen Pulvern o. dgl., dadurch gekennzeichnet, daß das Aufmahlen in einem Mahlgefäß nach einem der Ansprüche 1 bis 3 unter Verwendung von Mahlkugeln aus heißgepreßtem Siliziumnitrid vorgenommen wird.

Während bei Mahlgefäßen aus AI2O3 und Hartmetall die Frage der Verunreinigung durch den hohen Abrieb von besonderer Bedeutung ist. tritt diese: Problem bei Mahlgefäßen aus Achat zwar schon weniger auf, wenn s es sich bei dem körnigen Mahlgut beispielsweise um keramische Pulver o. dgL handelt doch ist der Abrieb in den meisten Fällen immer noch zu hoch. Außerdem ist Achat ein außerordentlich kostspieliger und seltener werdender Werkstoff und es ist deshalb insbesondere für das Aufmahlen keramischer Pulver anzustreben, zu einem Material für Mahlgefäße zu kommen, das verschleißfester und wesentlich preisgünstiger ist und insbesondere leichter verarbeitet werden kann.

Aufgabe der Erfindung ist es somit nach einem Werkstoff zu suchen, der es gestattet Mahlgefäße oder ähnliche Einrichtungen oder Beläge für Mahleinrichtungen in beliebiger Form und Größe herzustellen, wobei der verwendete· Rohstoff eine praktisch uneingeschränkte Verfügbarkeit aufweisen soll. Außerdem soll die Möglichkeit bestehen, daß Mahlgefäß o.dgl. dadurch leicht und in beliebiger Form und Größe herzustellen, daß man es beispielsweise durch spanende Bearbeitung, wie Drehen, Fräsen oder Schleifen aus einem gepreßten Vorkörper oder durch andere Formgebungsverfahren, wie Schlickerguß oder Spritzguß im grünen Zustand auf das gewünschte Endmaß bringt.

Dies«; an sich heterogene Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst daß das Mahlgefäß o.dgl. aus reaktionsgesintertem Siliziumnitrid besteht.

Es ließ sich durch Abrieb- und Verschleißversuche nachweisen, daß Siliziumnitrid gegenüber beispielsweise Wolframkarbid, Zirkonoxid, Siliziumkarbid sowie Sinterkorund wesentlich bessere Werte ergibt. Dabei wurde der Abrieb nach dem Böhme-Verfahren so modifiziert, daß anstelle des Abriebs in g/50 cm² der Verschleiß über den Schleifweg in μηι/km ermittelt wurde. Im einzelnen ergeben sich dabei folgende Werte, wobei der Abrieb gegen SiC-Korn als Schleifmittel erfolgte: