DE60012541T2

DE60012541T2 - Verbessertes Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifkorn

Info

Publication number: DE60012541T2
Application number: DE60012541T
Authority: DE
Inventors: Jason Sung; Ralph Bauer
Original assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Current assignee: Saint Gobain Ceramics and Plastics Inc
Priority date: 1999-08-20
Filing date: 2000-08-07
Publication date: 2005-09-15
Anticipated expiration: 2020-08-08
Also published as: TWI254740B; WO2001014495A1; CN1209435C; BR0013440B1; BR0013440A; JP2007231287A; CN1370211A; CA2381101C; JP4473288B2; AU6401600A; JP2003507565A; DE60012541D1; CA2381101A1; AU748745B2; EP1206503A1; ES2225188T3; ATE272102T1; EP1206503B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Schleifmittelprodukte mit glasartiger Bindung, die Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifkörner enthalten.
Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifkörner, insbesondere solche, die eine Kristallgröße des Aluminiumoxids aufweisen, die im Wesentlichen im sub-Mikrometerbereich liegt, sind in vielen Anwendungen extrem wirksam, insbesondere wenn sie in Schleifscheiben mit glasartiger Bindung eingearbeitet sind. Bei der Herstellung solcher Scheiben werden die Körner mit einem Material für eine glasartige Bindung und verschiedenen organischen, flüchtigen Bindemitteln, auszubrennenden Materialien und/oder Schmiermitteln gemischt, und die Mischung wird in eine Form gegeben. Die flüchtigen Bindemittel und/oder Schmiermittel werden benötigt, um das Mischen und die Formgebung zu vereinfachen, und die auszubrennenden Materialien werden benötigt, um sicherzustellen, dass die Scheibe einen gewünschten Grad an Porosität aufweist, wenn sie fertiggestellt ist. Es ist selbstverständlich beabsichtigt, dass das auszubrennende Material während des Brennens der Scheibe vollständig entfernt wird.
Die Temperatur der Mischung wird während des Herstellungsverfahrens bis zu dem Punkt erhöht, an dem sich die Bindungsbestandteile vermischen (falls eine ungebrannte Bindung verwendet wird) und diese fließen, bis die Schleifkörner mit dem Material der glasartigen Bindung beschichtet sind und die geschmolzene Bindung einen Bindungsposten bildet, der die Punkte benachbarter Körnern verbindet, die sich berühren oder sehr nahe beieinander gelegen sind. Nachdem Gelegenheit gegeben wurde, dass die Bindungsposten reifen, kann die Temperatur herunter geregelt werden, bis die Scheibe aus der Form entfernt werden kann.
Die Temperatur, bei der die Bindung gebrannt wird, ist ziemlich entscheidend, weil zu beobachten ist, dass Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifkörner mit Aluminiumoxid-Kristallgrößen in der Größenordnung von einem Mikrometer oder weniger durch die Exposition gegenüber Temperaturen, oberhalb etwa 1150°C sind über die verlängerten Zeiträume, die zur Herstellung einer Schleifscheiben mit glasartiger Bindung benötigt werden, an Qualität verlieren. Dies liegt daran, dass die sehr feine Kristallstruktur, die in engem Zusammenhang mit der hervorragenden Schleifleistungsfähigkeit steht, sich zu vergröbern beginnt. Aus diesem Grund wird es ausdrücklich empfohlen, dass bei der Verwendung von Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifkörnern, insbesondere mit Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifkörnern, die mit Beimpfung hergestellt wurden, eine Bindung verwendet werden sollte, die bei Temperaturen unterhalb 1150 °C und vorzugsweise unterhalb etwa 1000 °C gereift wird.
Zusätzlich gilt, dass je höher die Temperatur ist bei der die Bindung gebildet wird, umso größer ist das Ausmaß des Eindringens von Siliziumdioxid aus dem glasartigen Bindungssystem in die Schleifkörner. Diese Wechselwirkung, die kein schwerwiegendes Problem mit Bindungen darstellt, die bei niedrigen Temperaturen gereift werden, ist etwas, das bei der Entwicklung optimaler Leistungsfähigkeiten berücksichtigt werden muss.
Es wird jedoch beobachtet, dass bei der Verwendung solcher bei niedrigen Temperaturen gereiften Materialien für glasartige Bindungen die organischen Materialien, die vollständig ausgebrannt werden sollten, tatsächlich einen Rückstand aus Kohlenstoff zurücklassen. Dieser Rückstand sammelt sich in den Oberflächenporen der Körner, die typischerweise weiß oder farblos sind, so dass die hergestellte Schleifscheibe schwarze Punkte aufweisen kann.
Es wurden nun ein neues Verfahren entwickelt, dass die Verwendung von Bindungen, die bei niedrigen Temperaturen gereift werden, zusammen mit Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifkörnern erlaubt, ohne dass sich unansehnliche Fehler, bzw. schwarze Punkte, auf der Oberfläche des Produktes mit glasartiger Bindung ausbilden.
Es wurde ebenfalls festgestellt, dass das Verfahren eine Verbesserung beim Vermindern der Wechselwirkung zwischen der Bindung und den Schleifkörnern bewirkt und somit die Entwicklung stärkerer Bindungen erlaubt.
Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung stellt ein Schleifmittelprodukt mit glasartiger Bindung bereit, dass beschichtete Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifkörner umfasst, in dem die Aluminiumoxid-Körner mit einem keramischen Oxid beschichtet sind und alpha-Aluminiumoxidkristalle umfassen, die eine Größe von zwei Mikrometern oder weniger aufweisen.
Mit dem Begriff "beschichtet" ist gemeint, dass die alpha-Aluminiumoxid-Schleifkörner mit einer Lösung eines Precursors des keramischen Oxids behandelt wurden und dann bei einer Temperatur calziniert wurden, die ausreichend ist, um das Lösemittel, in dem der Precursor gelöst wurde, zu verflüchtigen und das keramische Oxid aus dem Precursor zu bilden. In der Praxis besteht der übliche Effekt darin, dass das keramische Oxid in die Oberflächenschicht des Korns diffundiert und die Porosität des Schleifkorns herabsetzt. Im Rahmen dieser Erfindung beträgt diese Oberflächenreduzierung (wie sie mittels des BET-Verfahrens gemessen wird) zwischen etwa 10% bis 40%. In einigen Fällen liegen Beweise vor, dass das keramische Oxid zumindest teilweise mit dem Aluminiumoxid reagiert, um ein Aluminat zu bilden (was im Falle bestimmter Oxide, wie beispielsweise Magnesiumoxid, Spinelle einschießen würde). Für den Zweck der vorliegenden Erfindung werden solche Aluminate, dort wo sie gebildet werden, als keramische Oxide angesehen, außer für den Zweck der Berechnung der Menge an dem keramischen Oxid die zugegeben wird, wobei dann das keramische Oxid im höchsten Oxidationszustand als Berechnungsbasis verwendet wird.
Die Erfindung stellt daher auch ein Verfahren zur Herstellung von Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifkörnern bereit, umfassend die Bildung von alpha-Aluminiumoxid-Schleifkörnern mit einer Kristallgröße von etwa zwei Mikrometern oder weniger, dann die Behandlung der Körner mit einer Lösung oder Dispersion eines Keramikoxid-Precursors und anschließendem Erhitzen der behandelten Körner bei einer Temperatur, die ausreichend ist, um das Lösemittel zu verflüchtigen und den Precursor in ein keramisches Oxid umzuwandeln.
Die Temperatur der Behandlung beträgt vorzugsweise von 900 bis 1300 °C und vorzugsweise von 1000 bis 1200 °C, obwohl höhere oder tiefere Temperaturen verwendet werden können, vorausgesetzt dass die Kristallgröße des Aluminiumoxids nicht wesentlich verändert und vorausgesetzt dass das keramische Oxid gebildet wird. Es ist ebenfalls in hohem Maße bevorzugt, dass die Temperatur hoch genug sein sollte, um zu erreichen, dass die BET-Oberfläche der behandelten Körner wie oben angezeigt reduziert wird.
Der Keramikoxid-Precursor ist vorzugsweise ein wasserlösliches Salz, das sich beim Erhitzen ohne ein als Rückstand verbleibendes Material in das Oxid und Gase zersetzt. Das Salz kann beispielsweise ein Nitrat oder ein Salz einer organischen Säure sein. Das keramische Oxid selber wird so verstanden, dass es ein Metalloxid bezeichnet, dass bei Temperaturen oberhalb 1500 °C stabil ist und ausgewählt ist aus Magnesiumoxid, Titandioxin, Cobaltoxid, Nickeloxid und Chromoxid. Wie oben angezeigt, kann das keramische Oxid, dort wo diese durch Reaktion des Oxids mit dem Aluminiumoxid gebildet werden, in der Form des entsprechenden Aluminats vorliegenden. Die Menge an zuzugebendem keramischen Oxid ist ausreichend, um bis zu ein Gewichtsprozent (gemessen als das Oxid) des Gesamtgewichts des Aluminiumoxid-Korns bereitzustellen.
Wie oben angezeigt, kann das keramische Oxid als eine wässrige Lösung eines löslichen Salzes, dass das Oxid ergibt, wenn es auf Temperaturen erhitzt wird, denen das behandelte Korn während der Herstellung ausgesetzt ist. Alternativ und oftmals bevorzugt wird das Keramikoxid-Salz in einer Dispersion oder einem Sol eines alpha-Aluminiumoxid-Precursors, wie beispielsweise einem Boehmit-Sol oder einer wässrigen Dispersion von Aluminiumoxidhydrat, gelöst oder dispergiert. Diese An der Zugabe kann auch eine Schicht aus einem alpha-Aluminiumoxid oder einem alpha-Aluminiumoxid-Precursor wie gamma-Aluminiumoxid um das Schleifkorn legen. Weitaus üblicher ist allerdings, dass der Großteil des Aluminiumoxids unter Bildung eines Aluminats reagiert. Diese Beschichtung oder Schicht fügt auch einen Schutz für die Körner gegen einen Angriff durch die glasartige Bindung hinzu, wenn die Körner dazu verwendet werden, Materialien mit glasartiger Bindung herzustellen.
Das Sol-Gel-Aluminiumoxid, aus dem die Schleifkörner hergestellt sind, ist vorzugsweise ein angeimpftes Sol-Gel-Aluminiumoxid mit einer Kristallgröße im sub-Mikrometer-Bereich. Im Rahmen dieser Erfindung wird die Kristallgröße durch das "Unterbrechungs-Verfahren" gemessen, im Zuge dessen eine REM-Aufnahme dahingehen analysiert wird, dass eine Vielzahl diagonaler Linien über die Aufnahme gezogen werden und die Gesamtlänge der Linien durch die Anzahl der Kristalle, die durch diese Linien gekreuzt werden, geteilt wird und dann der erhaltene Wert mit einem Korrekturfaktor von 1,5 multipliziert wird.
Zeichnungen
1 ist ein Balkendiagrammen, dass die BET-Oberfläche für beschichtete und unbeschichtete Körner bei drei unterschiedlichen Korngrößen zeigt.
2 ist eine Reihe von Fotographien, die die Verbreitung von schwarzen Punkten in Materialien mit glasartiger Bindung zeigt, die unter Verwendung unbeschichteter Körner hergestellt wurden.
Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
Die Erfindung wird nun mit Bezug auf die nachfolgenden, nicht einschränkenden Beispiele verdeutlicht.
Beispiel 1
In diesem Beispiel beschreiben wir die Herstellung eines Schleifmittelartikels mit einer glasartigen Bindung, umfassend angeimpfte Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifkörner, eine glasartige Bindung, die bei einer Temperatur von 950 °C gereift wird, und organische Ausbrennmaterialien umfassend Porenbildner, Schmiermittel und flüchtige Bindemittel. Zwei Sätze Proben wurden mit identischen Formulierungen hergestellt, außer dass die erfindungsgemäß hergestellte Probe Schleifkorn umfasste, das in einer Lösung aus Cobaltnitrat getränkt und dann calziniert wurde, um ein erfindungsgemäßes beschichtetes Schleifkorn zu ergeben.
Herstellung von beschichtetem Schleifkorn
Schleifkorn, das unter dem Handelsnamen „Cerpass-XTL" von der Saint-Gobain Industrial Ceramics, Inc. verkauft wird, wurde in allen folgenden Beispielen als das Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifkorn verwendet. Dies ist ein angeimpftes Sol-Gel-Aluminiumoxid, umfassend zumindest 98% an alpha-Aluminiumoxid und mit einer Vickers-Härte von etwa 21 GPa. Um eine Probe eines erfindungsgemäßen beschichteten Korns sicherzustellen, wurde eine 1000g Probe des Korns mit einer 54 Grit Korngröße in einem Hobart-Mischer gegeben und eine Cobaltnitratlösung zugegeben. Die Menge der Lösung wurde so berechnet, dass in dem fertigen Korn ein Cobaltaluminat-Gehalt von 0,25%, gemessen als Cobaltoxid, erhalten wurde, und für dieses Ziel war die berechnete Menge an Cobaltnitrat-Hexahydrat, die zugegeben werden müsste, 4,1 g. Diese wurde in der Form von 10g einer wässrigen Lösung, die einen pH-Wert von etwa 2,0 aufwies, zugegeben. Es wird sofort ersichtlich sein, dass die Menge an Keramikoxid-Precursor für die Beschichtung von der Korngröße abhängen wird, da die kleineren Körner eine größere Oberfläche bieten, die zu beschichten ist. Beispielsweise wird berechnet, dass um für ein 36 Grit Korn den selben Beschichtungsgrad zu erhalten, die Menge an Keramikoxid-Precursor um 15% verringert werden kann, sie aber um 10% erhöht werden sollte, wenn die Korngröße 80 Grit ist.
Die Mischungsbedingungen werden so eingestellt, dass eine einheitliche Beschichtung erhalten wird, und dies kann in den Fällen, in denen die Precursorlösung eine intensive Farbe aufweist, üblicherweise durch Sichtkontrolle festgestellt werden. Nachdem eine einheitliche Beschichtung erreicht wurde, wurde das beschichtete Korn in einem Konvektionsofen bei 100 °C über 18 Stunden getrocknet. Falls der Mischer mit einem Trockner ausgestattet ist, kann das Trocknen natürlich auch in dem Mischer durchgeführt werden. Bei Cobaltnitrat beträgt der Schmelzpunkt lediglich 55 °C, und dies ist tatsächlich wünschenswert, das es hilft, eine einheitliche Verteilung auf der Kornoberfläche sicherzustellen. Die vollständige Trocknung wurde durch ein fließfähiges Korn mit einer einheitlichen Farbe angezeigt. Überlanges Trocknen wird nicht empfohlen, da dies zu einem Abblättern oder Pulverisieren der Beschichtung führen kann. Das Ziel ist es, zu diesem Zeitpunkt das Hydratwasser nicht zu verlieren, da dies zu einer weiteren Zersetzung des Nitrats (ihren könnte und der Trockenofen üblicherweise nicht für die Entfernung von NO_x-Dämpfen ausgelegt ist.
Das getrocknete, beschichtete Korn wird dann in einen Brennofen gegeben und gebrannt. Der verwendete Ofen war ein Drehofen mit der Heißzone bei 1100 °C unter Verwendung einer 20 minütigen Verweilzeit.
Alternativ kann ein statischer Brennofen verwendet werden, in dem die Körner auf eine Temperatur von 1050 bis 1150 °C gefahren werden und dort für etwa 15 Minuten gehalten werden, bevor auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Das Korn wurde anfangs schwarz, was die Bildung von Cobaltoxid (zwischen etwa 200 bis 900°C) anzeigte, änderte sich dann aber in eine blaue Farbe, was die Bildung von Cobaltaluminat oberhalb von 900 °C anzeigte.
Testen des beschichteten Korns
Die BET-Oberflächen von beschichteten Körnern in den Korngrößen 36, 54 und 80 Grit, die wie oben angezeigt hergestellt wurden, wurden dann mit identischem, unbehandeltem Korn verglichen. Bei allen Korngrößen trat als Folge der Beschichtung eine signifikante Reduzierung von bis zu 40% der gemessenen Oberfläche ein. Diese Ergebnisse sind in 1 gezeigt.
Vergleichstests zwischen den beschichteten und den unbeschichteten Körnern zeigte an, dass die Beschichtung in den Produkten mit glasartiger Bindung keinen nachteiligen Effekt auf die Härte, die elektrostatische Schleuderfähigkeit oder das Element-Diffusionsprofil über die Korn/Bindung-Grenzfläche hinweg hatte. Die Aluminiumoxid-Kristallgröße zeigte eine geringfügige Zunahme von etwa 0,01 auf 0,02 Mikrometer.
Herstellung von Proben mit glasartiger Bindung
Das wie oben hergestellte, beschichtete Korn wurde dann mit einem unbeschichteten Korn, das ansonsten identisch war, in der Herstellung von Teststäben mit glasartiger Bindung verglichen. Die verwendete Bindung war eine Niedrigtemperaturbindung, die bei einer Temperatur von 900 °C für 10 Stunden gereift wurde. Das unbeschichtete Korn zeigte eine signifikante Anzahl schwarzer Punkte. Diese sind in 2 deutlich gezeigt. Die Beschichteten zeigten keine schwarzen Punkte. Diese Korrelation mit der Oberflächenreduktion stützt in hohem Maße die Schlussfolgerung, dass die schwarzen Punkte die Folge der Ansammlung von unvollständig verbranntem, organischem Material in den Oberflächenporen eines Korns sind.
Die Probestäbe wurden dann Tests zur Bestimmung der Biegefestigkeit und der Sandstrahl-Eindringtiefe von Stäben, die unter Verwendung der beschichteten und unbeschichteten Körner hergestellt wurden, unterzogen. Es wurde kein signifikanter Unterschied festgestellt. Wenn überhaupt waren die Stäbe, die mit dem beschichteten Korn hergestellt wurden, geringfügig besser.
Das beschichtete Korn wurde dann zusammen mit einem gleichen Volumen weißem Schmelzaluminiumoxid unter Verwendung einer transparenten glasartigen Bindung, die bei 950 °C über einen Zeitraum von 10 Stunden gebrannt wurde, zu Teststäben verarbeitet. Es wurde kein Auslaufen der Farbe des beschichteten Korns in das Schmelzaluminiumoxidkorn beobachtet, was zeigte, dass die Beschichtung vollständig in die Oberfläche des Korns integriert war.
Beispiel 2
In diesem Beispiel wurden die gleichen Verfahren angewandt wie sie im Beispiel 1 beschrieben wurden, mit dem Unterschied, dass das Cobaltsalz zu einem Boehmit-Sol zugegeben wurde und dass die zugegebene Menge ausreichend war, um nach dem Brennen bei den in Beispiel 1 angewendeten Temperaturen auf den Schleifkörnern eine Ablagerung von 1,00 Gew.-% Cobalt, gemessen als Cobaltoxid, in der Form einer Schicht, umfassend Cobaltaluminat und einen alpha-Aluminiumoxid-Precursor, zu ergeben. Die dadurch hergestellten Schleifkörner waren gegenüber Farbänderungen in hohem Maße resistent, sogar nach den ausgedehnten Brennschemata, die benötigt werden, um ein Schleifmittelprodukt mit glasartiger Bindung zu bilden. Die Messung der Oberfläche der Körner vor und nach der Bildung der Beschichtung zeigte eine Reduzierung der Oberfläche von weit mehr als 10% an.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Schleifmittelproduktes mit glasartiger Bindung, umfassend Sol-Gel-alpha-Aluminiumoxid-Schleifkorn, das mit einem keramischen Oxid beschichtet ist, wobei dieses Verfahren die Schritte umfasst: (a) Formen von Sol-Gel-Aluminiumoxid Schleifkorn, dass alpha-Aluminiumoxid-Kristalle enthält, die eine Größe von zwei Mikrometern oder weniger aufweisen, (b) Behandeln der Schleifkörner mit einer Lösung oder Dispersion eines Keramikoxid-Precursors, wobei der Keramikoxid-Precursor in der Lösung oder Dispersion in solch einer Menge vorhanden ist, dass das beschichtete Sol-Gel-alpha-Aluminiumoxid-Schleifkorn in dem Heizschritt (c) mit bis zu einem Gewichtsprozent, bezogen auf das Gewicht des Schleifkorns, mit einem keramischen Oxid beschichtet wird, und wobei das keramische Oxid ein Metalloxid ist, dass bei Temperaturen oberhalb 1500°C stabil ist, und ausgesucht ist aus der Gruppe bestehend aus Magnesiumoxid, Titanoxid, Cobaltoxid, Nickeloxid, Chromoxid, den entsprechenden Aluminaten dieser Oxide, Mischungen aus einem oder mehrerer dieser Oxide und Aluminaten mit einem alpha-Aluminiumoxid-Precursor sowie Mischungen aus diesen, (c) Erhitzen der behandelten Körner auf eine Temperatur, die ausreichend ist, um das Lösemittel zu verflüchtigen und den Keramikoxid-Precursor in ein keramisches Oxid umzuwandeln, wodurch Sol-Gel-alpha-Aluminiumoxid-Schleifkörner geformt werden, die mit dem keramischen Oxid beschichtet sind und eine BET-Oberfläche aufweisen, die durch die Keramikoxid-Beschichtung um 10% bis 40% verringert ist, und (d) Formen eines Schleifartikels mit glasartiger Bindung unter Verwendung des beschichteten Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifkorns und einer glasartigen Bindung, die bei niedrigen Temperaturen gereift wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Hitzeschritt (c) bei einer Temperatur zwischen 900 und 1300°C, vorzugsweise zwischen 1000 bis 1200°C durchgeführt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei das Sol-Gel-alpha-Aluminiumoxidkorn ein angeimpftes Sol-Gel-alpha-Aluminiumoxidkorn ist.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Beschichtung der Sol-Gel-alpha-Aluminiumoxid-Schleifkörner Cobaltaluminat umfasst.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die bei niedrigen Temperaturen gereifte glasartige Bindung bei einer Temperatur unterhalb 1150°C, vorzugsweise unterhalb von 1000°C gereift wird.
Glasartig gebundenes Schleifmittelprodukt, erhältlich nach einem Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5.