DE3587386T2

DE3587386T2 - Schleifkoerner oder keramikkoerper und verfahren zu ihrer herstellung.

Info

Publication number: DE3587386T2
Application number: DE8585100506T
Authority: DE
Inventors: Ralph Bauer; Thomas E Cottringer; De Merwe Ronald H Van
Original assignee: Norton Co
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 1984-01-19
Filing date: 1985-01-18
Publication date: 1993-09-16
Anticipated expiration: 2005-01-19
Also published as: ATE90320T1; NZ210805A; BR8500231A; ES8607888A1; DK165551C; DE3587823T2; JP2812928B2; DK165551B; JPH0686326B2; JPH06157134A; AU3768085A; ES539675A0; EP0152768B1; DE3587823D1; EP0152768A2; DK17285D0; JPH09221659A; NO166783B; AU584873B2; NO166783C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung von aluminiumhaltigen Schleifkörnern, ein Verfahren zur Herstellung und die Verwendung derselben.
Harte, feste Schleifkörner zur Verwendung in Schleifscheiben, flexiblen beschichteten, schleifend wirkenden Erzeugnissen ("Sandpapier") oder in Form von losen Schleifmitteln werden großtechnisch aus aluminiumoxidhaltigen Rohmaterialien entweder durch Schmelzen im Elektroofen oder durch Brennen von Formkörpern, die feinverteiltes Aluminiumoxid enthalten, bei Temperaturen unter dem Schmelzpunkt des Materials erhalten. Solch ein Verfahren bei niedrigerer Temperatur wird Sintern genannt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf aluminiumhaltige, im Sinterverfahren hergestellte Schleifmittel.
Die ersten in Massenproduktion hergestellten Sinterschleifmittel wurden nach dem in der US-Patentschrift 3,079,243 (Ueltz) beschriebenen Verfahren hergestellt. Diese Patentschrift beschreibt das Mahlen von calciniertem Bauxit zur Bildung eines feinteiligen Rohmaterials, das dann zu Teilchen in Schleifkorngröße geformt und bei einer Temperatur von etwa 1500ºC unter Bildung von harten, festen und zähen Pellets aus polykristallinem Aluminiumoxid gebrannt wird.
Vor kurzem wurden Schleifmittel aus Körnern aus Aluminiumoxid- oder Magnesiumoxid-Spinell großtechnisch eingeführt, die vermutlich gemäß der Lehre der US-Patentschrift 4,314,827 und der offengelegten britischen Anmeldung 2,099,012A, veröffentlicht am 1. Dezember 1982, hergestellt wurden. Diese Materialien werden durch Sintern von getrockneten Teilchen aus Aluminiumoxid-Gel (bei einer Temperatur von etwa 1400ºC) hergestellt. Die US-Patentschrift 3,108,888 (Bugosh) beschreibt auch die Herstellung von Erzeugnissen aus hochdichtem Aluminiumoxid (oder von aluminiumoxidhaltigen Erzeugnissen) durch Brennen eines getrockneten Aluminiumoxid- Gels aus Alpha-Aluminiumoxid-Monohydrat (Boehmit) oder durch Warmpressen von getrockneten, aus solchen Gelen erzeugten Pulvern.
Handelsübliche, aus Gelen hergestellte Aluminiumoxid/Magnesiumoxid-Spinell-Schleifmittel enthalten Aluminiumoxid in Form von Zellen mit einem Durchmesser von 5 bis 15 um. Die Zellen oder "Sonnenstrahlräder" ("sunbursts") bestehen aus einer Vielzahl von länglichen Aluminiumoxid-Armen mit einem Durchmesser von 0,2 bis 0,4 um (einige von ihnen können jedoch eine Größe von bis zu 1 um in der Form eines grob kugelförmigen Kleckses ("blob") aufweisen), wobei die Erscheinungsform der Arme in jeder Zelle dergestalt ist, daß sie im allgemeinen strahlenförmig vom Mittelpunkt der Zelle ausgehen. Alle Arme einer Zelle sind offensichtlich kristallographisch in gleicher Weise ausgerichtet. Eine solche Ausrichtung oder Orientierung ergibt sich aus der Tatsache, daß bei Drehung der Probe gleichzeitig der gesamte Bereich einer Zelle ausgelöscht wird, wenn man ihn zwischen gekreuzten Polarisatoren mittels Durchlichtmikroskopie betrachtet.
Während die handelsüblichen, aus gesinterten, aluminiumoxid- und magnesiumoxidhaltigen Gelen hergestellten Schleifmittel von hoher Güte sind, ist es bisher nicht gelungen, hochreine Aluminiumoxidkörner über die Gelroute zu erhalten. Das zeigt sich an der relativen Weichheit, und der mangelnden Brauchbarkeit als Schleifmittel, des "Kontroll-" Beispiels 13 in der US-Patentschrift 4,314,827, das aus einem Aluminiumoxid-Gel ohne Zugabe von Metalloxid oder Metallsalzen hergestellt wurde.
Die US-Patentschrift 4,252,544 beschreibt Schleifkörner aus Aluminiumoxid, bei denen die Kornstruktur aus groben Aluminiumoxid-Kristallteilchen in der Größe von 3 bis 10 im und aus feinen Aluminiumoxid-Kristallteilchen in einer Größe von weniger als 2 um aufgebaut ist. Die feinen Kristalle befinden sich zwischen den groben Kristallteilchen. Die groben Teilchen machen bis zu 60 Gewichtsprozent in den Schleifkörnern aus und stellen die wesentliche Schleifmasse dar. Die feinen Teilchen, die eine Größe von weniger als 2 im aufweisen und aus im Elektroofen geschmolzenem Aluminiumoxid bestehen, bilden die Matrix für die groben Teilchen mit einer Größe von 3 bis 10 um. Außerdem dienen die feinen Teilchen als Füllmaterial für die Schleifkörner, so daß eine Dichte von mehr als 3,75 g/cm³ erhalten wird. Eine Knoop-Härte von 200 kg/mm² wird nur erreicht, wenn die durchschnittliche Größe der feinen Teilchen mindestens 1,3 um beträgt.
Die US-Patentschrift 3,909,991 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung von gesinterten Schleifkörnern, bei dem isostatisches Warmpressen angewandt wird. Die Schleifkörner werden aus einem feuerfesten Basismaterial ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Bauxit, Spinell, Alpha-Aluminiumoxid, Zirkonoxid und Gemischen daraus vorgeformt und haben eine durchschnittliche Teilchengröße von weniger als 1 um; die vorgeformten Teilchen werden einer Warmpressung unterzogen, während sie in einem Medium für isostatisches Hochtemperaturpressen, wie z. B. Graphit, Bornitrid, etc., suspendiert sind. Die resultierenden gesinterten Teilchen haben z. B. ein spezifisches Gewicht von 3,86 g/cm³ und eine durchschnittliche Kristallgröße von weniger als 0,5 um. Diese Patentschrift sagt jedoch nichts über die Härtewerte der Schleifkörner aus. Gemäß der Lehre der US-Patentschrift 3,909,991 durchgeführte Vergleichsversuche zeigten, daß die Schleifkörner eine Härte von weniger als 16 GPa aufwiesen, wenn die Korngröße kleiner als 1 um war. Größere Härten wurden nur erzielt, indem die Teilchen einem beträchtlichen Wachstum unterworfen wurden. Es war nicht möglich, gleichzeitig eine grobe Härte mit Werten über 16 GPa und nicht-wachsende Teilchen in Submikron-Größe zu erhalten.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verbesserungen auf dem Gebiet der Herstellung von festen Schleifkörpern zu schaffen, die es erlauben, geeignete Schleifprodukte aus Aluminiumoxid-Gel mit oder ohne Zugabe von kornwachstumhemmenden Stoffen zu erzeugen.
Gemäß der Erfindung werden daher aluminiumhaltige Schleifkörner, wie in dem unabhängigen Anspruch 1 beschrieben, ein Verfahren zur Herstellung derselben, wie in dem unabhängigen Anspruch 9 beschrieben, und die Verwendung der Körner, wie in dem unabhängigen Anspruch 14 beschrieben, zur Verfügung gestellt. Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung sind aluminiumhaltige Schleifkörner einer hochdichten polykristallinen Phase vorgesehen, die aus gleichgerichtetem oder gleichachsigem Alpha-Aluminiumoxid-Kristallit in Submikrongröße und Verunreinigungen bestehen, wobei die Körner eine Dichte von mehr als 90% der theoretischen Dichte und eine Härte von mindestens 18 GPa aufweisen. Die Körner können gegebenenfalls Zusätze ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Zirkonoxid, Magnesiumoxid in Form von Spinell, und Chromoxid enthalten.
Das Verfahren zur Herstellung von aluminiumhaltigen Schleifkörnern gemäß den beiden obengenannten Aspekten umfaßt das Trocknen, Zerkleinern und Sintern eines hydrierten Aluminiumoxidgels, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gel oder Gelvorläufer α-Al&sub2;O&sub3;-Teilchen in Submikrongröße zugegeben werden.
Das obengenannte Verfahren kann durchgeführt werden durch Zurverfügungstellen einer Dispersion aus Aluminiumoxid- Teilchen vom Nicht-Alphatyp in Submikrongröße, wobei die Dispersion Alpha-Aluminiumoxid-Impfteilchen in Submikrongröße enthält, sowie durch Trocknen und Brennen der Dispersion. Hierdurch werden die Aluminiumoxidteilchen vom Nicht-Alphatyp in Alpha-Aluminiumoxidteilchen von Submikrongröße umgewandelt. Der so erhaltene Körper weist eine Dichte von mindestens 90% der theoretischen Dichte und eine Härte von mindestens 18 GPa auf.
Die Schleifkörner können aus einer getrockneten wäßrigen Aluminiumoxid-Monohydrat-Dispersion hergestellt werden, die Alpha-Aluminiumoxid-Kristalle in Submikrongröße in einer Menge und einer Feinheit enthält, die ausreicht, das Monohydrat in Alpha-Aluminiumoxid umzuwandeln.
Die eine hochdichte Polykristallitphase aufweisenden, aluminiumhaltigen Schleifkörner können aus feinen Aluminiumoxidteilchen mit einer theoretischen Dichte, die niedriger als die von Alpha-Aluminiumoxid ist, hergestellt werden. Alpha-Aluminiumoxid-Impfmaterial in Submikrongröße wird dann mit den feinen Aluminiumoxidteilchen vermischt und anschließend bei einer Temperatur von mindestens 1090ºC gebrannt, wobei die feinen Aluminiumoxidteilchen in Alpha- Aluminiumoxid umgewandelt werden und ein Körper mit einer Härte von mindestens 18 GPa hergestellt wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung können die aluminiumhaltigen Schleifkörner gemäß den ersten beiden Aspekten der Erfindung und hergestellt gemäß dem obengenannten Verfahren in einer keramischen bzw. gesinterten Schleifscheibe, einem flexiblen Schleifblatt, in beschichteten schleifend wirkenden Materialien oder in vulkanisierten faserverstärkten beschichteten Schleifkörnern verwendet werden.
Die Erfindung besteht in der Entdeckung, daß durch Steuerung der Mikrostruktur des gebrannten Produktes derart, daß die Zellstruktur des Aluminiumoxids in den aus dem Stand der Technik bekannten Schleifmitteln vermieden wird, Produkte mit verbesserter Leistungsfähigkeit erzielt werden. Die auf diese Weise hergestellten Produkte enthalten Alpha- Aluminiumoxidteilchen (Kristallite) in Submikrongröße (0,2 bis 0,4 um) anstelle von Zellbereichen mit einem Durchmesser von 5 bis 10 um.
Bei Zugabe von höheren MgO-Mengen, z. B. in manchen Fällen um 5%, werden diese Aluminiumoxidteilchen von einer Spinellmatrix umgeben.
Die Konditionierung des Gels mit dem Ziel, die beschriebene Wirkung zu erreichen, kann durch Vibrationsmahlen des Gemisches in Form eines Sols oder verdünnten Gels erfolgen, wobei Aluminiumoxidkörper als Mahlkörper in der Mühle eingesetzt werden. Es wird angenommen, daß der hauptsächliche Effekt des Mahlens darin liegt, daß Material von dem Aluminiumoxid-Mahlkörper in das Aluminiumoxid-Gel eingebracht wird. Auch Verunreinigungen, wie z. B. Zink und Eisen, werden aus dem Röhrensystem und der zugehörigen Ausrüstung eingebracht. Das Mahlen mit Zirkonoxidkörpern z. B. ist in dieser Hinsicht unwirksam und erzeugt nicht die angestrebte, im wesentlichen nicht zellförmige Struktur.
Die erste wirkungsvolle und nacharbeitbare, von uns entdeckte Methode bestand darin, ein derartiges Material in dem Gel durch Vibrationsinahlen des Gels mit Aluminiumoxidkörpern herzustellen. Eine geeignete Vibrations- oder Schwingmühle ist in der US-Patentschrift 3,100,088 gezeigt. Üblicherweise hat das Mahlmedium einen Durchmesser von 1,27 cm (½ in.) und eine Länge von 1,27 bis 1,90 cm (½ bis 3/4 in.). Die das Medium und das Gemisch enthaltende Wanne wird in horizontaler Ebene mittels einer Unwucht, die mit einer koaxial an der Wanne angebrachten Motorwelle verbunden ist, gerüttelt, wobei die Wanne auf Federn montiert ist. Die Unwucht befindet sich neben der Ebene des Wannenbodens, ein zweites Gewicht ist darunter angebracht. Die Motordrehzahl liegt üblicherweise bei 1200 Umdrehungen pro Minute. Durch die kombinierte Schwingung wird der Inhalt einem Mahlvorgang mittels der Mahlkörper unterzogen. Die Innenfläche der Mühle ist vorzugsweise ausgekleidet, z. B. mit Gummi, um Verunreinigung durch Erosion der Metallwände zu verhindern.
Verschiedene Zusätze, wie z. B. in der US-Patentschrift 4,314,827 und der britischen Anmeldung 2,099,012 A beansprucht, können dem Aluminiumoxid vor oder nach der Gelbildung zugegeben werden. Als am meisten geeignete Zusätze gelten derzeit alle kompatiblen MgO-Vorläufer, wobei das Endprodukt vorzugsweise um die 5% MgO enthält. MgO liegt im Produkt zwar als Spinell (Magnesium-Aluminat, MgAl&sub2;O&sub4;) vor, wird in der Analyse jedoch als MgO gerechnet. Offensichtlich können auch kleinere Mengen MgO enthalten sein, da das Aluminiumoxid ohne Zusätze ein eigenständiges hervorragendes Schleifmittel darstellt, wenn es gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellt ist. Das gemahlene Gel der vorliegenden Erfindung kann als Matrix für verschiedene Zusätze oder Schleifteilchen dienen.
Das gemahlene Gemisch kann einfach in Behälter gegossen oder eingefüllt werden, um dort zu trocknen und dann in Stücke geeigneter Größe zerkleinert zu werden, wobei zu klein geratenes Material zum Ausgangspunkt des Verfahrens zurückgeführt wird. Eine andere Möglichkeit besteht darin, das Material z. B. durch Strangpressen in Formteile zu überführen. Im Falle des Strangpressverfahrens würden die gebildeten Stäbe später in Stücke geeigneter Größe geschnitten oder zerkleinert werden. Die niedrigste geeignete Brenntemperatur liegt deutlich unter 1200ºC; dieser Wert gilt allgemein als Umwandlungspunkt für den Übergang in Alpha-Aluminiumoxid. Die Obergrenze ist nicht von entscheidender Bedeutung, solange die Schmelztemperatur nicht erreicht ist. Zu langes Brennen oder eine zu hohe Temperatur kann übermäßiges Kristallwachstum zur Folge haben. Höhere Temperaturen führen außerdem zu höheren Verfahrenskosten, so daß der bevorzugte Brennbereich bei 1200 bis 1500ºC liegt.

BEISPIEL I

In einem groben Mischbehälter aus polymerem Kunststoff wurden 13,6 kg (30 pounds) Condea SB Pural Alumina (geliefert von der Fa. Condea) und 136 Liter (30 Imperial gallons) Wasser gemischt. Dieses Material wurde dann unter Zugabe von 4,1 Liter 14-prozentiges HNO&sub3; geliert. 3,4 kg (7,5 pounds) von in 13,7 Liter (3 gallons) Wasser gelöstem Magnesiumnitrat-Hydrat wurden danach dem Aluminiumoxid-Gel hinzugefügt, um 5 Gew.% MgO im Endprodukt zu erhalten. Es wurde 15 Minuten lang gemischt, in eine Sweco-Mühle, Modell-Nr. M451, überführt und 1 Stunde lang mit 772 kg (1700 lbs) Aluminiumoxidmedium gemahlen. Das Gemisch wurde dem Kreislauf durch die Mühle für den einstündigen Mahlvorgang in einer Menge von etwa 18 l (4 gallons) pro Minute wieder zugeführt. Nach dem Mahlen wurde es in Aluminiumschalen zu einer Dicke von etwa 7,6 cm (3 in.) zum Trocknen auf elektrischen Bandtrocknern gepumpt.
Die Mischung aus Aluminiumoxidkörpern bestand aus etwa 90% Alpha-Aluminiumoxid mit Siliziumoxid als Hauptverunreinigung.
Eine Reihe von Chargen gemäß der obengenannten Zubereitung wurde erzeugt und zum Zerkleinern und Brennen zusammengefaßt.
Das getrocknete Gel wurde in einem Walzenbrecher zerkleinert und vor dem Brennen zum Erzielen der gewünschten endgültigen Korngrößen durch ein 14-mesh-Sieb gesiebt. Danach wurde es 16 Stunden lang bei 400ºC vorgebrannt und 30 Minuten lang bei 1400ºC in einem Drehofen gebrannt.
Nach dem Brennen wiesen alle Produkte eine Härte von 19 GPa (Vickers-Prüfspitze bei 500 g Belastung) und eine sehr feine Mikrostruktur ohne zellenförmige Mikrostruktur auf; fast das gesamte Alpha-Aluminiumoxid lag in der Form von Teilchen (Kristalliten) mit im allgemeinen gleichen Achsen und einem Durchmesser von 0,2 bis 0,4 um vor, mit Ausnahme von selten vorkommenden quadratischen Blockformen mit einem Durchmesser von etwa 5 im. Die Blockformen können ein Indikator für Verunreinigung gewesen sein. Die Prüfung mit einem Rasterelektronenmikroskop ergab, daß das Produkt eine Spinellmatrix und eine diskontinuierliche Alpha- Aluminiumoxidphase aufwies.
In einigen speziellen Anwendungsformen von beschichteten, schleifend wirkenden Materialien war dieses Material geschmolzenem Aluminiumoxid-Zirkonoxid und handelsüblichem Schleifmittel des Sintergeltyps in Aluminiumoxid-Spinell- Zusammensetzung überlegen.

BEISPIEL II

22,7 kg mikrokristallines Boehmit-Aluminiumoxid vom Typ Pural wurden mit 225 l Wasser und 13,5 l 14-prozentigem HNO&sub3; 10 bis 15 Minuten lang vermischt.
Eine Hälfte der Gelmischung wurde zwei Stunden lang in der Sweco-Mühle gemahlen, die 1,27 · 1,27 cm (½ · ½ in.) keramisch gebundenes Aluminiumoxid, 88% Al&sub2;O&sub3; enthielt (wobei die Hauptverunreinigungen 1,74% MgO, 8,9% SiO&sub2;, 0,18% Fe&sub2;O&sub3;, 0,2% TiO&sub2;, 0,8% CaO, 0,34% Na&sub2;O waren), erhältlich von der Fa. Coors Porcelain Co., und anschließend getrocknet. Dieses Medium war das gleiche wie in Beispiel I. Die andere Hälfte wurde einfach getrocknet ohne Mahlen. Die getrockneten Gele wurden in Teile geeigneter Größe zerkleinert, 16 Stunden lang bei 450ºC vorgebrannt und eine Stunde lang bei 1400ºC gebrannt.
Das gemahlene Material hatte eine Härte von 19,1 GPa, das nicht gemahlene Material eine Härte von 11,0 GPa.
Das Material aus jeder Charge wurde gesiebt, um Schleifkörner der Körnungsnummer 50 zu erhalten, die dann zur Herstellung von vulkanisierten faserverstärkten beschichteten Schleifblättern verwendet wurden. Das gemahlene Material übertraf handelsübliches Schleifmittel aus Aluminiumoxid- Zirkonoxid um mehr als 10% beim Schleifen von 1020er Stahl (die Prüfung ergab eine um 14% höhere Metallabtragung).
Das nicht gemahlene Produkt war dem Schmelzschleifmittel in allen Schleifversuchen unterlegen, was aufgrund seiner geringen Härte zu erwarten war.

BEISPIEL III

In einem Beispiel, das dem gemahlenen Produkt von Beispiel I ähnlich war, wurde das Gel 0,2 Stunden gemahlen. Das Produkt, das bei 1400ºC eine Stunde lang gebrannt wurde, wies überwiegend eine feine zufällige Kristallstruktur von 0,2 bis 0,3 mm auf, hatte jedoch eine gewisse zellenförmige Erscheinungsform.

BEISPIELE IV bis IX

Weitere Versuche wurden in einer Studie über die Wirkung der Brennzeit bei 1400ºC durchgeführt. Alle Proben wurden in dem allgemeinen Verfahren gemäß Beispiel I hergestellt. Verwendet wurde mikrokristallines Boehmit-Aluminiumoxid vom Typ Condea, der Mahlvorgang dauerte 2 Stunden; nach dem Trocknen wurden die Gele jedoch 30 Minuten lang bei 750ºC vorgebrannt. Mit erhöhter Brennzeit begann im Produkt eine grobe stabartige Kristallisation des Aluminiumoxids in zufälliger Verteilung unter den feinen 0,2 bis 0,4 um groben Aluminiumoxidteilchen zu erscheinen.
Die Ergebnisse sind in einer Tabelle wie folgt zusammengefaßt: Brennzeit (in Minuten) Teilchengröße grob fein Verhältnis (in %) grob/grob und fein
Da die Anwesenheit des groben Anteils als weniger wünschenswert gilt, sollte die Brennzeit bei 1400ºC für das bevorzugte Produkt nicht länger als 5 Minuten betragen, wenn das Material bei 750ºC 30 Minuten lang vorgebrannt wird.
In keinem der Fälle wurde eine Zellstruktur beobachtet. Die Mikrostrukturen bestanden aus den nicht-facettierten Submikronteilchen und den facettierten, stabartigen, groben Kristallen, mit Ausnahme des durch einminütiges Brennen hergestellten Produktes, bei dem keine stabartige Struktur zu beobachten war.
Der Ausdruck "nicht-facettiert" bedeutet, daß keine gleichmäßige Facettierung der Kristalliten in einer Bruchfläche bei 5000-facher Vergrößerung durch ein Rasterelektronenmikroskop festgestellt wurde. Die
Aluminiumoxid-Teilchen waren statt dessen eher formlos, jedoch gleichgerichtet bzw. gleichachsig, von im allgemeinen gewölbter Kontur und ganz wenigen sichtbaren geraden Umrissen. Bei 20.000-facher Vergrößerung wird die Facettenstruktur deutlich sichtbar.
Die erfindungsgemäßen Schleifkörner haben eine Härte, gemessen mit einer Vickers-Prüfspitze bei einer Belastung von 500 g, von mindestens 18 GPa (90% der theoretischen Dichte) im Fall von Aluminiumoxid ohne Zusätze und ebenso mindestens 18 GPa im Fall von Körnern, die durch das Vorliegen von Spinellbildnern oder durch andere Zusätze modifiziert werden. Während reines, dichtes α-Aluminiumoxid eine Härte von etwa 20-21 GPa hat, kann für bestimmte Anwendungsformen eine gewisse Porosität, die die Härte verringert, erwünscht sein. Bei einer Härte von weniger als 18 GPa ist das Aluminiumoxid für die Ziele der vorliegenden Erfindung zu porös. Daher müssen die Härten mindestens 18 GPa oder mehr betragen (gemessen mit der Vickers-Prüfspitze bei einer Belastung von 500 g).

BEISPIEL X

Es wurden eine Reihe von Schleifmitteln mit unterschiedlichem Magnesiumoxidgehalt hergestellt.
Dabei wurden die allgemeinen Verfahrensschritte nach Beispiel I, einschließlich des Mahlvorgangs (allerdings 2 Stunden lang) mit einem Aluminiumoxidmedium, angewendet. In allen Fällen wurden die Gele nach etwa 30-stündigem Trocknen bei 200ºC zerkleinert, gesiebt und dann bei einer Temperatur von 450ºC 16 Stunden lang calciniert. Die erzielten Korngrößen Teilchen wurden in einem Drehofen bei 1400ºC gebrannt. Die Aufwärmzeit bis zum Erreichen der 1400ºC dauerte etwa 15 Minuten, die Brennzeit bei 1400ºC dauerte ebenfalls etwa 15 Minuten.
Vor der Gelbildung wurden unterschiedliche Mengen von Magnesiumnitrat zugesetzt. In einem Durchgang wurde kein Magnesiumnitrat hinzugefügt. MgO-Gehalt und Härte der Schleifmittel waren folgendermaßen: Durchgang MgO-Gehalt (Gew.-%) Härte (Vickers, 500 g Belastung)
In einer Reihe von Versuchen gesinterter (glasgebundener) Schleifscheiben mit einem Schleifmittel der Körnungsnummer 54 (eine Kombination der Körnungsnummern 46 und 60) wurden Schleifscheiben, die mit Hilfe der obengenannten Körner hergestellt waren, mit den hochwertigsten bekannten Schleifmitteln aus geschmolzenem Aluminiumoxid (im Sulfidverfahren hergestellte Schleifmittel) verglichen.
In diesen Versuchen wurden mit verschiedenen, gesteuerten Vorschubbewegungen Schlitze in Werkzeugstahl (D3) geschliffen. Beim Trockenschleifen mit einem Tiefenvorschub von 12,7 um (0,5 mils = 0,0005 in.) wies das Schleifmittel, das kein zusätzliches MgO (0,14% MgO) enthielt, das 16,18-fache Schleifverhältnis von Schmelz-Schleifmitteln auf (das Schleifverhältnis ist das Volumenverhältnis von entferntem Material zu Schleifscheibenabnutzung). Alle MgO-Zusätze hatten eine verbesserte Leistung gegenüber dem Schmelz-Schleifmittel in den Trockenschleifversuchen zur Folge. In den Naßschleifversuchen erzielten die Testschleifmittel mit MgO-Zusatz schlechtere oder gleiche Ergebnisse wie die Schmelz- Schleifmittel. Bei 50,8 um (2 mils) war das Schleifmittel ohne Magnesiumoxid-Zusatz dem Schmelz-Schleifmittel überlegen.
In Prüfungen beschichteter, schleifend wirkender Materialien mit einem Schleifmittel der Körnungsnummer 50 (CAMI-Norm) erzielte ein nach Beispiel X hergestelltes Schleifmittel mit einem MgO-Gehalt von 0,6%, das in flexible Schleifblätter eingebracht war, bessere Ergebnisse (136%) auf 1020er Stahl als ein Schleifmittel aus zusammengeschmolzenem Aluminiumoxid- Zirkonoxid und auf rostfreiem Stahl beinahe die gleichen Ergebnisse wie geschmolzenes Aluminiumoxid-Zirkonoxid. Auch die Schleifmittel mit einem MgO-Gehalt von 2,5% bzw. 7,59% waren auf 1020er Stahl überlegen. Der höhere MgO-Zusatz war auf rostfreiem Stahl weniger wirksam.
Das Schleifmittel mit einem MgO-Gehalt von 0,14% enthielt zusätzlich zum Aluminiumoxid noch 0,25% SiO&sub2;, 0,18% Fe&sub2;O&sub3;, 0,28% TiO&sub2;, 0,05% CaO und 0,04% Na&sub2;O, die vermutlich hauptsächlich während des Mahlvorgangs eingebracht wurden. In den anderen Schleifmitteln lagen ähnliche Mengen dieser Verunreinigungen vor.
Die Anmelderin möchte sich zwar nicht auf eine bestimmte Lehre der Erfindung festlegen, ist jedoch der Meinung, daß die Einführung von Teilchen aus dem Aluminiumoxidmedium das Impfen und die resultierende α-Aluminiumoxid-Kristallisation während des Brennens bewirkt. Desweiteren können die anderen, während des Mahlvorgangs eingeführten Verunreinigungen das Kristallwachstum des Endprodukts durch ihre Anwesenheit an den Korngrenzen zwischen den α-Aluminiumoxid-Teilchen verhindern.
Als Beweis dafür, daß es die Abriebteilchen aus dem Mahlkörper sind, welche das Gel so konditionieren, daß es das gewünschte, hochdichte, feinkristalline, nicht-zellförmige Alpha- Aluminiumoxid beim Brennen bei etwa 1400ºC bildet, wurde zu Aluminiumoxid-Monohydrat Mahlwasser zusammen mit Säure hinzugegeben, ohne daß das Gel gemahlen wurde.
Wasser, Salpetersäure und mikrokristalliner Boehmit wurden wie in Beispiel II (mit der Ausnahme, daß 6 Chargen erzeugt wurden) mit unterschiedlichen Zugaben von Wasser vermischt, das Abriebteilchen aus den Aluminiumoxid-Schleifkörpern enthielt, wenn es mehrere Stunden lang mit Wasser (ohne anderen Zusatz zum Wasser) gemahlen wurde: "Mahlwasser"-Zusätze zum Aluminiumoxid-Monohydrat (Condea) Versuch Gew.-Verhältnis Mahlabriebteilchen ./. Aluminiumoxid-Monohydrat Gew.-% Abriebteilchen im gebrannten Produkt* Härte * Anmerkung: Ein durchschnittlicher Gewichtsverlust von 30% beim Brennen wird vorausgesetzt.
Die Härte wurde am gebrannten Erzeugnis, das bei 1400ºC ± 20ºC etwa 10 Minuten lang gebrannt worden war, ermittelt. Der Ofen war ein Elektroofen, bei der Atmosphäre handelte es sich um Luft.
Eine Untersuchung des Mahlabriebs ergab, daß es sich dabei überwiegend um α-Aluminiumoxid mit einer Oberfläche von etwa 39 m²/g handelte.
Hochreines Aluminiumoxid, das durch die Wiederverwertung der feinen, suspendierten Aluminiumoxidpartikel erhalten wird, die in Suspension verbleiben, wenn sich sehr feine Aluminiumoxidpulver nach dem Vermischen mit Wasser absetzen, ist auch effektiv, wenn es in einer Menge von mindestens etwa 0,1% der Festkörper aus gebranntem Gel verwendet wird.
Versuche mit handelsüblichen feinen α-Aluminiumoxid-Pulvern und Versuche mit feinem Aluminiumoxid, das durch Mahlen von hochreinem geschmolzenem Aluminiumoxid gewonnen wurde, wobei das Aluminiumoxid selbst als Mahlkörper verwendet wurde, erwiesen sich als sehr wirkungsvoll bei der Herstellung des dichten, feinkristallinen Produkts gemäß der Erfindung.
Die Differentialthermoanalyse hat gezeigt, daß bei Vorliegen von α-Aluminiumoxid-Impfpartikeln der Übergang des Aluminiumoxid-Gels vermutlich aus der Gamma- in die Alphaform bei etwa 1090ºC stattfindet, während in Abwesenheit eines solchen Impfmaterials der Übergang bei etwa 1190ºC erfolgt. Somit kann die theoretische Mindestbrenntemperatur der erfindungsgemäßen Produkte unter der üblicherweise beobachteten Umwandlungstemperatur liegen.
Die vorliegende Erfindung gestattet zum ersten Mal die Herstellung von hochreinen α-Aluminiumoxidkörpern mit Teilchen von Submikrongröße und einer Dichte von über 95% in einem Niedrigtemperatur-Sinterverfahren, wobei eine daraus resultierende Härte von über 18 GPa erzielt wird. Auch andere Erzeugnisse als Schleifmittel, z. B. Beschichtungen, dünne Filme, Fasern, Stäbe oder-kleine Formteile, können mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt werden.
Kornwachstumshemmende Stoffe, wie z. B. Cr&sub2;O&sub3;, MgO und ZrO&sub2;, wurden dem konditionierten Gel hinzugegeben. In den Versuchen, in denen MgO zugegeben wurde, erfolgte eine Reaktion mit dem α-Aluminiumoxid, und es bildete sich Spinell, der das verbliebene, nicht in Reaktion getretene Aluminiumoxid umgab. Man ging davon aus, daß mit den anderen Zusatzstoffen die Bildung von Verbindungen mit dem α-Aluminiumoxid sehr gering ist und sie in den Kristallgrenzen verbleiben. Die durchgeführten Versuche zeigen deutlich, daß das Kristallwachstum durch Diffusion und Rekristallisation durch die Zusatzstoffe unterdrückt wurde. Dies ist von Bedeutung, da es eine größere Flexibilität hinsichtlich der Zeit-Temperatur- Verhältnisse bei den Sinterprodukten ermöglicht. Der Gebrauch von Wachstumshemmern ist in der Keramiktechnik wohlbekannt und stellt keinen notwendigen Teil der Erfindung dar; sie sind jedoch von großem Nutzen bei der Aufrechterhaltung der gewünschten Mikrostruktur über einen weiten Sintertemperatur- und -zeitbereich sowie in Anwendungsgebieten, in denen der hohe Reinheitsgrad von α-Aluminiumoxid nicht erforderlich ist.

Claims

1. Aluminiumhaltige Schleifkörner einer hochdichten, polykristallinen Phase, die aus gleichgerichteten α-Al&sub2;O&sub3;- Kristalliten von Submikrongröße und Verunreinigungen besteht, wobei die Körner eine Dichte von über 90% der theoretischen Dichte und eine Härte von mindestens 18 GPa aufweisen und gegebenenfalls Zusätze von Zirkonoxid, Magnesiumoxid, als Spinell vorliegend, und Chromoxid enthalten.

2. Aluminiumhaltige Schleifkörner nach Anspruch 1, bei denen die Verunreinigung Zink und Eisen enthalten.

3. Aluminiumhaltige Schleifkörner nach einem der Ansprüche 1 oder 2, bei denen bis zu 12% des α-Al&sub2;O&sub3; durch MgO, als Spinell vorliegend, ersetzt sind.

4. Aluminiumhaltige Schleifkörner nach einem der Ansprüche 1 bis 3, erhältlich durch ein Sol/Gel-Verfahren, bei dem dem Gel oder Gelvorläufer α-Al&sub2;O&sub3;-Teilchen von Submikrongröße hinzugegeben werden.

5. Aluminiumhaltige Schleifkörner nach einem der Ansprüche 1 bis 4, erhältlich durch ein Sol/Gel-Verfahren, bei dem das Aluminiumoxidgel durch Vibrationsmahlen des Gemisches in Form eines Sols oder verdünnten Gels unter Verwendung von Aluminiumoxidkörpern als Mahlkörper in der Mühle konditioniert wird.

6. Aluminiumhaltige Schleifkörner nach einem der Ansprüche 1 bis 5, erhältlich durch ein Sol/Gel-Verfahren, bei dem das Gel durch Zugabe von Wasser, das mit Aluminiumoxid-Körpern als Mahlmedium in der Mühle vermahlen wird, konditioniert wird.

7. Aluminiumhaltige Schleifkörner nach Anspruch 5 oder 6, wobei die Aluminiumoxid-Schleifkörper ca. 88% α-Al&sub2;O&sub3; enthalten.

8. Aluminiumhaltige Schleifkörner nach einem der Ansprüche 1 bis 7, in denen die α-Al&sub2;O&sub3;-Kristallite von Submikrongröße eine Größe von 0,2 bis 0,4 um aufweisen.

9. Verfahren zur Herstellung Aluminiumhaltiger Schleifkörner nach einem der Ansprüche 1 bis 8, welche hochdichtes polykristallines α-Aluminiumoxid enthalten, durch das Trocknen, Zerkleinern und Sintern eines hydrierten Aluminiumoxidgels, dadurch gekennzeichnet, daß dem Gel oder Gelvorläufer α-Al&sub2;O&sub3;-Teilchen in Submikrongröße zugegeben werden.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemisch in Form eines Sols oder verdünnten Gels unter Verwendung von Aluminiumoxidkörpern als Mahlkörper in der Mühle gemahlen wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß Wasser, vermahlen mit Aluminiumoxidkörpern als Mahlkörper in der Mühle, dem Sol oder verdünnten Gel zugegeben wird.

12. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß feines α-Aluminiumoxidpulver hinzugefügt wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Material gesiebt und/oder bei 400ºC vorgebrannt wird, bevor es schließlich bei Sintertemperatur gebrannt wird.

14. Verwendung der aluminiumhaltigen Schleifkörner nach einem der Ansprüche 1 bis 8 oder hergestellt nach einem der Ansprüche 9 bis 13, in einer gesinterten Schleifscheibe oder einem flexiblen Schleifblatt oder in beschichteten, schleifend wirkenden Stoffen oder in vulkanisierten, faserverstärkten beschichteten Schleifblättern.