DE69321731T2

DE69321731T2 - Schleifkorn mit metalloxidbeschichtung, verfahren zur seiner herstellung und schleifprodukte

Info

Publication number: DE69321731T2
Application number: DE69321731T
Authority: DE
Inventors: Ahmet Saint Paul Mn 55133-3427 Celikkaya
Original assignee: Minnesota Mining and Manufacturing Co
Current assignee: 3M Co
Priority date: 1992-07-28
Filing date: 1993-07-16
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2013-07-17
Also published as: US5474583A; DE69321731D1; CA2139313A1; KR950702608A; WO1994002560A1; JPH07509511A; EP0652918A1; EP0652918B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft verbesserte Schleilkörner, insbesondere auf alpha-Aluminiumoxid basierende keramische Schleifkörner. Die Erfindung betritt weiterhin Verfahren zur Herstellung verbesserter Schleilkörner und Schleifprodukte, die verbesserte Körner enthalten.
Die Schleifmittelindustrie befaßt sich im allgemeinen mit Schleifprodukten, die ein Bindemittel und eine Vielzahl von Schleifkörnern umfassen. Während des Schleifens werden die Schleifkörner in Kontakt mit einer Arbeitsoberfläche gebracht, im allgemeinen bei einem erheblichen Druck und unter Entwicklung einer beträchtlichen Wärmemenge. Es ist für derartige Arbeitsvorgänge wichtig, daß die Schleifprodukte die Schleifkörner sicher festhalten. Das bedeutet im allgemeinen, daß vorzeitiges Ablösen der Schleifkörner von den Schleifprodukten zu vermeiden ist.
Es sind die verschiedensten Schleifprodukte bekannt, einschließlich beschichteter Schleifprodukte, gebundener Schleifmittel und Faservlies-Schleifmittel. Im allgemeinen ist vorzeitiges Ablösen der Schleifkörner ein Problem im Hinblick auf alle verschiedenen Arten von Schleifprodukten. Das Problem ist besonders bedeutsam, wenn das Schleifprodukt für Anwendungen mit bedeutender Entfernung von Grundwerkstoff verwendet wird. Während derartiger Verwendungen muß das Schleifprodukt imstande sein, hohen Drücken und Drehgeschwindigkeiten zu widerstehen, während noch ein guter, ausreichender Schleifschnitt geliefert wird. Zum Beispiel kann sich eine beschichtete Schleifscheibe mit 12 000 Umdrehungen pro Minute (U/min) drehen und einem Grenzflächendruck von 15 kg/cm² unterworfen sein. Derartig harte Bedingungen können für bestimmte Anwendungen bevorzugt werden, da sie zu erhöhten Schnittraten führen. Jedoch beanspruchen sie stark die Unversehrtheit der Bindung zwischen dem Schleifkorn und dem Bindemittel(Kleber)system. Wenn die Bindung an dieser Grenzfläche versagt, werden die Schleifkörner aus dem Schleifprodukt herausgedrückt (oder blättern ab).
In der Industrie beschichteter Schleifmittel wird der Ausdruck "Abblättern" manchmal benutzt, um die Erscheinung des vorzeitigen Ablösens von Schleifkorn aus dem Bindemittel beim Gebrauch zu bezeichnen. Der Begriff "Abblättern" wird allgemein angewendet, sei es, daß das beteiligte Produkt ein beschichtetes Schleifmittel oder irgendeine andere Form eines Schleifprodukts, wie zum Beispiel ein gebundenes Schleifmittel oder Faservlies-Schleifmittel, ist. Hier soll der Begriff "Abblättern" allgemein ein vorzeitiges Ablösen von Schleifkörnern aus einem Bindemittelsystem (oder Bindungssystem) ohne Bezug auf die Art des Aufbaus oder die beteiligte Trägerunterlage bezeichnen.
Aus dem Journal of the American Ceramic Society 68 (1985), C60 sind Zirconiumdioxid-Aluminiumoxid-Pulver bekannt, die durch gesteuerte Hydrolyse von Zirconiumpropoxid in einer Dispersion von α-Aluminiumoxid-Pulver in wasserfreiem 100%igem Ethanol hergestellt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung von keramischem Schleifkornmaterial bereitgestellt. Das keramische Kornmaterial umfaßt gesinterte Teilchen, die als Schleifkorn in Schleifprodukten verwendbar sind.
Das Verfahren umfaßt im allgemeinen die Schritte
a) Bereitstellen einer Masse von Teilchen, umfassend alpha-Aluminiumoxid- Vorstufenmaterial;
b) Beschichten der Teilchen mit einer Metallalkoxid umfassenden Beschichtungszusammensetzung, um beschichtete Teilchen bereitzustellen; und
c) Erhitzen der beschichteten Teilchen auf eine Temperatur zwischen 400 und 1000ºC unter Bedingungen, die die Beschichtung in eine Metalloxidbeschichtung umwandeln, die autogen an die Oberfläche jedes der Teilchen gebunden ist, und Umwandeln und Sintern der Teilchen bei einer Temperatur zwischen 1200 und 1650ºC unter Bedingungen, die auf alpha-Aluminiumoxid basierende Teilchen bereitstellen.
Im allgemeinen wird die Umwandlung durch die Schritte der Hydrolyse zur Erzeugung von Metallhydroxid(en) und dann der Umsetzung zur Erzeugung von Metalloxid durchgeführt. Das Produkt aus dem Schritt der Umwandlung der Metallalkoxid enthaltenden Beschichtung auf den Ausgangsteilchen in eine Metalloxidbeschichtung wird dann auf eine Temperatur und für eine Zeit erhitzt, die ausreichend sind, um gesinterte alpha-Aluminiumoxid-Schleifteilchen zu schaffen, an die autogen eine Metalloxidbeschichtung gebunden ist.
Vorzugsweise sind die Ausgangsteilchen, die in Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, Aluminiumoxidvorstufen, die nach einem wie hier beschriebenen Sol-Gel-Verfahren erzeugt werden. Vorzugsweise betrifft der Schritt der Umwandlung der Metallalkoxid enthaltenden Beschichtung in eine Metalloxidbeschichtung einen ersten Schritt der Hydrolyse des Metallalkoxids zu Metallhydroxid und einen zweiten Schritt der Umsetzung des Metallhydroxids zur Erzeugung eines Metalloxids. Der Schritt der Hydrolyse wird mit atmosphärischer Feuchtigkeit und/oder Restfeuchtigkeit in den Ausgangskornteilchen durchgeführt, die entweder aus der Atmosphäre absorbiert wurde oder von dem Sol-Gel- Verfahren oder einem anderen Verarbeitungsschritt, zum Beispiel dem Tränken, übrig geblieben ist. Der Schritt der Umwandlung des Metallhydroxids in Metalloxid wird durch Erhitzen der beschichteten Ausgangskornteilchen auf eine Temperatur zwischen 400 und 1000ºC vervollständigt. Herkömmliche Wege können verwendet werden, um Sintern zu erreichen.
In bestimmten bevorzugten Anwendungen von Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung können die Ausgangsteilchen vor dem Aufbringen der Metallalkoxid enthaltenden Beschichtung auf sie modifiziert werden. Eine derartige Modifizierung beinhaltet im allgemeinen die Bereitstellung von Metalloxiden (Modifizierungsmittel) oder Metalloxidvorstufen (Modifizierungsmittelvorstufen) in den Ausgangsteilchen.
Die verschiedensten Materialien können als das Metallalkoxid in der Metallalkoxid enthaltenden Beschichtung verwendet werden. Zum Beispiel können verschiedene Metallkationen in dem Alkoxid verwendet werden. Zirconium wird für bestimmte Anwendungen, d. h. diejenigen, bei denen die Schleitkörner zum Schleifen von Edelstahl verwendet werden sollen, bevorzugt. In einigen Anwendungen können jedoch Alkoxide von Titan, Aluminium, Magnesium, Zink, Cobalt, Nickel, Silicium, Hafnium, Eisen, Mangan, Chrom, Yttrium, Praseodym, Samarium, Ytterbium Neodym, Lanthan, Gadolinium, Cer, Dysprosium, Erbium und Gemische von zwei oder mehreren davon erwünscht sein. Für die Zwecke dieser Offenbarung wird Siliciumdioxid als Metalloxid definiert und ein Alkoxid von Silicium ist ein Metallalkoxid.
Die folgende Formel ist eine bevorzugte Formel für die Metallalkoxide:

Formel I

YxM(OR)n-x
wobei:
M ein Metallkation ist;
n die Oxidationsstufe von M ist;
x eine ganze Zahl mit einem Wert von 0 bis n-1 ist;
O Sauerstoff ist;
OR ein Alkoxyrest ist, wobei jeder R-Rest unabhängig ein Alkylrest ist;
jeder Y-Rest unabhängig ein organischer Rest oder anorganischer Rest ist.
Im allgemeinen ist ein Alkoxid erforderlich, das wie beschrieben eine Vorstufe für ein Metallhydroxid und Metalloxid ist.
Die verschiedensten Alkoxide mit den verschiedensten R-Resten darin können verwendet werden. Das heißt, der R-Rest jedes Alkoxyrestes an dem Metall kann die verschiedensten Formeln haben. Im allgemeinen ist jeder R-Rest ein organischer Rest, der verzweigt oder linear sein kann, er kann nicht beeinträchtigende Substituenten daran aufweisen. Im allgemeinen werden organische Reste mit 1-20 Kohlenstoffatomen bevorzugt, mit stärkerer Bevorzugung von R-Resten mit 3-6 Kohlenstoffatomen. Da in typischen Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung der Alkoxyrest ein Nebenprodukt, d. h. Alkohol, liefert, werden relativ einfache (nichtsubstituierte, 3-6 Kohlenstoffatome) organische Reste bevorzugt. Wenn zu dem Metallalkoxid mehr als ein Alkoxyrest daran gehört, kann jeder Alkoxyrest der gleiche sein oder unabhängig von anderen Alkoxyresten in dem Material ausgewählt sein.
Zu dem Metallatom können ein oder mehrere organische oder anorganische Reste gehören, die direkt daran gebunden sind. Ähnlich den organischen Resten in den Alkoxyresten gibt es keine bestimmte Beschränkung bei der Art eines organischen Restes oder anorganischen Restes, die direkt an das Metall gebunden sind, außer daß er die Erzeugung einer gewünschten Beschichtung nicht beeinträchtigt. Wenn zu dem Metallatom mehr als ein anorganischer oder organischer Rest daran gehört, kann jeder der gleiche oder unabhängig von den anderen ausgewählt sein. Zu dem Metallatom können sowohl organische als auch anorganische Reste daran gehören.
Die verschiedensten Verfahren, einschließlich Sprühbeschichtung, Tauchbeschichtung, Fließbettbeschichtung usw., können verwendet werden, um die Metallalkoxid enthaltende Beschichtung auf die Ausgangskornteilchen aufzubringen. Im allgemeinen werden Verfahren, bei denen Sprühbeschichtung durchgeführt wird, bevorzugt, da die Verwendung überschüssiger Beschichtungslösung leicht vermieden werden kann.
Vorzugsweise wird eine hinreichend Metallalkoxid enthaltende Beschichtung auf dem Ausgangskorn bereitgestellt, wobei sich ein gesintertes Endprodukt ergibt, das eine Metalloxidbeschichtung aufweist, die mindestens 50% der äußeren Oberfläche des Ausgangsteilchens bedeckt.
Die vorliegende Erfindung schließt in ihren Schutzumfang keramisches Schleifkornmaterial ein, das wie beschrieben gemäß den bevorzugten Verfahren hergestellt wird. Im allgemeinen umfassen bevorzugte Schleifkornmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung gesinterte Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 20 Mikrometern bis 4000 Mikrometern, wobei jedes Teilchen einen auf alpha-Aluminiumoxid basierenden Kern (der beim Sintern der auf Aluminiumoxid basierenden Ausgangsteilchenvorstufe erhalten wird) und eine Metalloxidbeschichtung, die autogen an den auf alpha-Aluminiumoxid basierenden Kern gebunden ist, aufweist. Der Begriff "autogen gebunden" bedeutet in diesem Zusammenhang, daß die Oberflächenbeschichtung ohne irgendeine Art von externem Bindungsmedium, wie z. B. Flußmittel, glasartiges Bindungsmaterial, organisches Bindemittel, Glas oder dergleichen, an den darunter liegenden keramischen Kern gebunden ist. Vielmehr ist die Bindung der Metalloxidbeschichtung das Ergebnis einer bindemittelfreien Haftung zwischen dem gesinterten Ausgangskorn und der gesinterten Beschichtung.
Die Metalloxidbeschichtung kann kontinuierlich oder diskontinuierlich sein. Im allgemeinen umfaßt die Metalloxidbeschichtung regellos geformte Metalloxidinseln von 10-50 Mikrometern Länge (größtes Ausmaß) und weniger als etwa 5 Mikrometern Dicke. Es wird auch beobachtet, daß typischerweise kleinere Kugeln oder Kügelchen, die eine vel kleinere Größe haben als die Inseln aus Metalloxid, sowohl auf den Metalloxidinseln als auch dazwischen vorhanden sind.
Die Erfindung schließt ebenfalls Schleifprodukte mit verbesserten Schleifkörnern gemäß der vorliegenden Erfindung darin in ihren Schutzumfang ein. Zu derartigen Produkten können Materialien gehören, die Schleifkörner aufweisen, die an eine Trägerunterlage, wie z. B. Papier, gebunden sind; Materialien, die Schleitkörner aufweisen, die innerhalb einer Faservliesträgerunterlage gebunden sind; und Materialien, bei denen die Schleifkörner in einer bevorzugten Form, wie z. B. eine Schleifscheibe oder eine Trennscheibe, gebunden sind.
Die Zeichnungen bilden einen Teil der Beschreibung und veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen. In einigen der Zeichnungen können die relativen Größen der Komponenten oder Dicken der Materialien stark vergrößert gezeigt sein, um ein Verständnis der Prinzipien der Erfindung zu erleichtern.
Abb. 1 ist eine fragmentarische schematische Querschnittsansicht eines beschichteten Schleifproduktes mit Schleifkörnern darauf gemäß der vorliegenden Erfindung;
Abb. 2 ist eine perspektivische Ansicht eines gebundenen Schleifproduktes mit Schleifkörnern darin gemäß der vorliegenden Erfindung;
Abb. 3 ist eine vergrößerte, fragmentarische schematische Ansicht eines Faservlies- Schleifprodukts, das Schleifkörner einlagert, gemäß der vorliegenden Erfindung;
Abb. 4 ist eine sekundärelektronenmikroskopische Aufnahme eines keramischen Schleifkorns, das gemäß den Prinzipien der vorliegenden Erfindung hergestellt wurde; und
Abb. 5 ist eine rückstreuelektronenmikroskopische Aufnahme des gleichen keramischen Schleifkorns, das in Abb. 4 abgebildet ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft keramische Schleifkörner, von denen jedes einen auf alpha-Aluminiumoxid basierenden Kern mit einer Metalloxidoberflächenbeschichtung einschließt. Die Metalloxidbeschichtung ist sicher an die Oberfläche des auf alpha-Aluminiumoxid basierenden Kerns gebunden und schafft dadurch eine vergrößerte Oberfläche für jedes Schleifteilchen des Schleifkorns. Obwohl nicht erwünscht ist, an eine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, daß sich mit einer vergrößerten Oberfläche eine verbesserte Haftung zwischen dem Schleifkorn und einem Bindemittel verbindet.
Hier sollen der Begriff "Schleifkorn" und Varianten davon verwendet werden, um das körnige Schleifmaterial zu bezeichnen, nachdem es für den Einschluß in ein Schleifprodukt hergestellt worden ist. Der Begriff "Ausgangsteilchen" soll verwendet werden, um die Vorstufe des keramischen Teilchens zu bezeichnen, die beim Sintern Schleifkorn liefern kann.

Das Ausgangsteilchen

Zur Verwendung in Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bevorzugte Ausgangsteilchen sind poröse Teilchen aus getrocknetem Gel oder Teilchen aus calciniertem getrocknetem Gel, die nach einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt werden, wie zum Beispiel in den US-Patentschriften 5,011,508; 4,881,951; 4,770,671; 4,744,802; 4,623,364; 4,574,003; 4,518,397 und 4,314,827 offenbart.
Zur Herstellung der Aluminiumoxidausgangsteilchen durch ein Sol-Gel-Verfahren wird eine Dispersion erzeugt, die 2 bis 60 Gew.-% alpha-Aluminiumoxidmonohydrat (typischerweise Böhmit) umfaßt, wenn auch andere Hydrate verwendet werden können. Die Gew.-% beziehen sich auf eine Gesamtmenge an Hydrat plus flüssigem Träger ohne Rücksicht auf Hilfsstoffe oder Zusatzstoffe. Der Böhmit kann nach einem beliebigen von zahlreichen herkömmlichen Verfahren hergestellt werden, oder er kann käuflich erworben werden. Zu im Handel erhältlichem Böhmit, der in Sol-Gel-Verfahren, wie sie hier beschrieben sind, verwendbar ist, gehören diejenigen, die unter den Handelsbezeichnungen "DISPERAL" von Condea Chemie, GmbH, und "CATAPAL" von Vista Chemical Co. erhältlich sind. Der typische und bevorzugte flüssige Träger ist Wasser, stärker bevorzugt deionisiertes Wasser.
In der Böhmitdispersion kann ein Peptisierungsmittel verwendet werden, um ein stabileres Hydrosol oder eine kolloidale Dispersion herzustellen. Zu einprotonigen Säuren, die als Peptisierungsmittel verwendet werden können, gehören Essigsäure, Chlorwasserstoffsäure, Ameisensäure und Salpetersäure. Salpetersäure ist das bevorzugte Peptisierungsmittel. Mehrprotonige Säuren sind normalerweise zu vermeiden, weil sie die Dispersion schnell gelieren und es damit schwierig machen, zusätzliche Komponenten zu handhaben oder zuzumischen. Einige käufliche Ausgangsstoffe für Böhmit enthalten einen sauren Titer (wie z. B. Essigsäure, Ameisensäure oder Salpetersäure), um die Erzeugung einer stabilen Dispersion zu unterstützen. Derartige Materialien können in Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Die Dispersion kann eine Modifizierungsmittelvorstufe oder einen modifizierenden Zusatzstoff enthalten, der hinzugefügt werden kann, um irgendeine gewünschte Eigenschaft des gebrannten Produktes zu verbessern oder die Wirksamkeit eines nachfolgenden Verarbeitungsschrittes, wie z. B. Sintern, zu erhöhen. Derartige Modifizierungsmittel werden im allgemeinen in der Form einer Modifizierungsmittelvorstufe als Salz (typischerweise ein Metallsalzmaterial), das in dem flüssigen Träger der Dispersion löslich ist, eingeführt und umfassen somit typischerweise wasserlösliche Salze. Gemische von Modifizierungsmitteln können verwendet werden. Wasserlösliche Salze, die Metallsalzvorstufen der Oxide von Magnesium, Zink, Cobalt, Nickel, Zirconium, Hafnium, Eisen, Mangan, Chrom, Yttrium, Praseodym, Samarium, Ytterbium, Neodym, Lanthan, Gadolinium, Cer, Dysprosium, Erbium, Titan und Gemische dieser Materialien umfassen, sind verwendbare Modifizierungsmittel. Die genauen Anteile dieser Komponenten, die in den Dispersionen vorhanden sind (für die Erzeugung der Ausgangsteilchen), sind für die Prinzipien der vorliegenden Erfindung nicht kritisch und können somit nach Belieben verändert werden.
Die Dispersion kann ein keimbildendes Mittel enthalten, um die Umwandlung in alpha-Aluminiumoxid zu verbessern. Zu geeigneten keimbildenden Mitteln gehören feine Teilchen von alpha-Aluminiumoxid, alpha-Eisenoxid oder dessen Vorstufe (offenbart in der US-Patentschrift 4,744,802), Titanate (offenbart in der US-Patentschrift 5,076,815), Chromoxid (offenbart in der US-Patentschrift 5,219,806) und jedes andere Material, das keimbildend für die Umwandlung wirkt. Die verwendete Menge des keimbildenden Mittels sollte ausreichend sein, um Keimbildung zu bewirken.
Die Dispersion kann durch jedes geeignete Mittel erzeugt werden. Zum Beispiel kann die Dispersion erzeugt werden, indem einfach das Aluminiumoxidmonohydrat mit Wasser, das ein Peptisierungsmittel (und, wenn verwendet, ein Modifizierungsmittel) enthält, gemischt wird; oder indem eine Aufschlämmung von Aluminiumoxidmonohydrat erzeugt wird, zu der die peptisierende Säure hinzugegeben wird. Sobald die Dispersion erzeugt ist, wird sie dann geliert und getrocknet (d. h. entwässert). Das Gel kann nach einem beliebigen herkömmlichen Verfahren, wie z. B. die Zugabe eines gelösten oder dispergierten metallhaltigen modifizierenden Zusatzstoffes, zum Beispiel Magnesiumnitrat, erzeugt werden. Der pH-Wert der Dispersion wirkt sich darauf aus, wie schnell die Dispersion geliert. Typischerweise sollte der pH-Wert im Bereich von 1,5 bis 4 liegen. Im allgemeinen ist die Geschwindigkeit des Gelierens um so höher, je niedriger der pH-Wert ist.
Formen des Gels kann durch herkömmliche Verfahren, wie z. B. Pressen, Formpressen, Gießextrudieren oder Schneiden (oder eine Kombination dieser Schritte), während des Trocknens in Luft erreicht werden. Formen kann in Schritten erfolgen, z. B. durch ein erstes Formen einer plastischen Masse der teilweise getrockneten Dispersion durch Extrudieren. Zu Beispielen geformter Schleilkörner gehören Stäbchen, Kugeln, Dreiecke, Pyramiden usw. Unregelmäßig geformte Körner und Schleifkornprodukte werden geeigneterweise geformt, indem man die Dispersion in einem Trocknungsgefäß einer geeigneten Größe und Form (zum Beispiel ein pfannenförmiges Gefäß) sich absetzen läßt und trocknet, typischerweise bei einer Temperatur unterhalb der Schaumbildungstemperatur der Dispersion.
Schritte der Lufttrocknung können, ebenso wie verschiedene Entwässerungsverfahren, zur Entfernung des freien Wassers aus der Dispersion oder dem Gel (oder aus der geformten und teilweise getrockneten Dispersion) verwendet werden. Trocknen kann in einem Gebläseluftofen bei einer Temperatur im Bereich von 50ºC bis 200ºC, vorzugsweise zwischen 100ºC und 150ºC, erreicht werden. Im allgemeinen wird das Trocknen durchgeführt, bis das Produkt 1-40 Gew.-%, vorzugsweise 5-20 Gew.-%, freies Wasser enthält. Um Schaumbildung zu vermeiden, wird das Trocknen typischerweise mit einem langsamen Ansteigen der Temperatur bis zu den festgelegten Bereichen durchgeführt.
Nachdem die Dispersion getrocknet oder entwässert worden ist, kann, falls Verringerung der Teilchengröße nötig ist, die getrocknete Dispersion durch Zerkleinern (z. B. durch Hammermahlen, Kugelmahlen oder Walzenbrechen) in Ausgangsteilchen umgewandelt werden. Wenn die Dispersion geformt wird, sind die geformten Teilchen dann die Ausgangsteilchen. Es kann ein beliebiges Verfahren der Vermahlung des Feststoffes verwendet werden, und der Begriff "Zerkleinern" soll jedes derartige Verfahren bezeichnen. Im allgemeinen kann eine große Vielfalt von Teilchengrößen, z. B. 0,1 Mikrometer bis 4 Millimeter (vorzugsweise 20 Mikrometer bis 4000 Mikrometer), als Ausgangsteilchen verwendet werden. Im allgemeinen wird für jede gegebene Verwendung ein ausgewählter Größenbereich abgetrennt. Klassierungsschritte, wie z. B. Sieben, können verwendet werden, um ausgewählte Teilchengrößen oder Größenfraktionen zu erhalten. Es ist bekannt, daß nachfolgendes Sintern im allgemeinen zu einer Teilchenschrumpfung in der Größenordnung von 33% der linearen Dimension führt. Dieses sollte während der Auswahl der Fraktion berücksichtigt werden.
Das zerkleinerte (oder geformte) Material kann in einigen Fällen die Ausgangsteilchen umfassen. In anderen Fällen umfaßt das zerkleinerte (oder geformte) Material eine "Vorstufe", wobei die Ausgangsteilchen durch Calcinieren des zerkleinerten (oder geformten) Materials erzeugt werden. In typischen Anwendungen wird bevorzugt, die Ausgangsteilchen zur Entfernung von Wasser vor dem Sintern zu calcinieren.
Während des Calcinierens werden im wesentlichen alle flüchtigen Stoffe aus der Vorstufe entfernt. Außerdem werden alle Modifizierungsmittel, die in der Vorstufe zurückgehalten wurden, während des Calcinierungsvorgangs in ein Metalloxid umgewandelt. Während des Calcinierens werden die Ausgangsteilchen im allgemeinen auf eine Temperatur zwischen 400ºC und 1000ºC, vorzugsweise 400ºC bis 800ºC, erhitzt. Die Ausgangsteilchen werden innerhalb dieses Temperaturbereichs gehalten, bis eine angemessene Menge freien Wassers und vorzugsweise mehr als 90 Gew.-% aller gebundenen flüchtigen Stoffe entfernt sind.

Umwandlung der Ausgangsteilchen in verbesserte Schleifkörner

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden Ausgangsteilchen durch Anwendung einer oder mehrerer Behandlungen in verbesserte Schleifkörner umgewandelt. Zur Verbesserung der Oberfläche der Ausgangsteilchen im Hinblick auf die Haftung an ein Bindemittel werden die Ausgangsteilchen mit einer Metalloxidbeschichtung ausgestattet. Zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften der Ausgangsteilchen, zum Beispiel zur Vergrößerung von Dichte und Zähigkeit, können die Ausgangsteilchen wie vorstehend beschrieben mit verschiedenen Modifizierungsmittelvorstufen getränkt werden. Weiterhin kann ein keimbildendes Mittel für die Ausgangsteilchen nach ihrer Herstellung bereitgestellt werden. Die Ausgangsteilchen können durch mehr als eine der vorstehend beschriebenen Behandlungen behandelt werden.

A. Tränken der Ausgangsteilchen mit einem Modifizierungsmittel

Allgemeine Verfahren zum Tränken calcinierter Teilchen mit Modifizierungsmitteln und Modifizierungsmittelvorstufen werden in der US-Patentschrift 5,164,348 beschrieben. Derartige Verfahren können vor der Beschichtung der Teilchen mit Alkoxid(en), wie hier beschrieben, auf Teilchen der Vorstufe gemäß der vorliegenden Erfindung angewendet werden, um die Teilchen mit den zuvor diskutierten Modizierungsmitteln auszustatten.
Tränken beinhaltet im allgemeinen Mischen der Ausgangsteilchen oder der Ausgangsteilchenvorstufe mit einem flüssigen Träger, in dem die Modifizierungsmittelvorstufe (Metallsalzvorstufe für ein Metalloxid) gelöst worden ist. Vorzugsweise wird ausreichend (typischerweise 50-60 ml Flüssigkeit pro 100 Gramm des Ausgangsteilchenmaterials, wenn gemäß dem beschriebenen bevorzugten Verfahren hergestellt) flüssiger Träger verwendet, um das Teilchenmaterial weitgehend zu sättigen (d. h. flüssigen Träger in das gesamte Porenvolumen des Teilchenmaterials hineinzubringen). Modifizierungsmittel und Modifizierungsmittelvorstufen können, wie vorstehend für die Verwendung im Sol-Gel- Verfahren beschrieben, verwendet werden.
Im allgemeinen werden die getränkten Ausgangsteilchen, wie nachstehend beschrieben, mit einer Metalloxidbeschichtung beschichtet, bevor sie gesintert werden. In typischen Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ist es nicht notwendig, die getränkten Ausgangsteilchen vor dem Schritt des Beschichtens zu trocknen. Jedoch können getränkte Teilchen, wenn gewünscht, vor dem Beschichten getrocknet und sogar calciniert werden.

B. Beschichten der Ausgangsteilchen

Das verbesserte Schleifkorn gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch Aufbringen einer Metalloxidbeschichtung auf ein Ausgangsteilchen bereitgestellt. Das mit Metalloxid beschichtete Ausgangsteilchen schafft ein Schleifkorn, das eine vergrößerte Oberfläche aufweist. Diese vergrößerte Oberfläche erhöht den Anteil der Oberfläche für den Kontakt mit einem Bindemittel oder Klebemittel.
Weiterhin können die bevorzugten Metalloxidbeschichtungen der vorliegenden Erfindung das Schleifkorn mit verbesserten Schleifeigenschaften ausstatten. Zum Beispiel wird angenommen, daß, wenn die Metalloxidbeschichtung Zirconiumdioxid ist, das Vorhandensein der Beschichtung bewirken kann, daß das "Verschließen" des Schleifkorns während des Gebrauchs, besonders beim Schleifen von Edelstahl, verzögert wird. Der Begriff "Verschließen" bezeichnet eine Erscheinung, daß Metallteilchen aus dem abgeschliffenen Werkstück mit den Spitzen der Schleifkörner verschweißt werden. Wenn die Metalloxidbeschichtung eine Zirconiumdioxidbeschichtung ist, wird weniger Verschließen beobachtet.
Im allgemeinen wird die Metalloxidbeschichtung durch ein Mehrstufenverfahren bereitgestellt, das einschließt:
1. zuerst Beschichten der Ausgangsteilchen mit einer Beschichtungslösung, umfassend ein Metallalkoxid; und
2. zweitens Behandeln der beschichteten Ausgangsteilchen, derart, daß das Metallalkoxid in ein Metalloxid umgewandelt wird.
Vorzugsweise hat das Metallalkoxid, das in einem ersten Schritt der Erzeugung der Beschichtung auf die Ausgangsteilchen aufgebracht wird, die Formel I:

Formel I

YxM(OR)n-x
wobei x = eine ganze Zahl im Bereich von 0 bis einschließlich n-1;
n = die Oxidationsstufe des Metallkations M,
O = Sauerstoff
OR = Alkoxyrest, wobei jedes R unabhängig ein Alkylrest ist; und
Y = ein organischer oder anorganischer Rest, der direkt an das Metall M gebunden ist, vorzugsweise wie nachstehend beschrieben; und
M = ein Metallkation.
Wenn das verwendete Metallalkoxid darin mehr als einen Y-Rest enthält (d. h., x ≥ 2 ist), brauchen nicht alle Y-Reste die gleichen zu sein (d. h., sie werden unabhängig voneinander ausgewählt). Auch wenn das verwendete Metallalkoxid darin mehr als einen R-Rest aufweist (d. h., n-x ≥ 2 ist), dann brauchen nicht alle Reste R die gleichen zu sein (d. h., sie werden unabhängig voneinander ausgewählt). Es können auch Gemische aus Metallalkoxiden gemäß der Formel I in Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden.
Das Metallkation M kann eines aus einer Vielzahl von Metallen umfassen, einschließlich: Zirconium, Titan, Aluminium, Magnesium, Zink, Cobalt, Nickel, Silicium, Hafnium, Eisen, Mangan, Chrom, Yttrium, Praseodym, Samarium, Ytterbium, Neodym, Lanthan, Gadolinium, Cer, Dysprosium, Erbium und Kombinationen davon. Zirconiumdioxidbeschichtungen, die zum Beispiel aus Zirconiumalkoxiden erhalten werden können, werden bevorzugt, wenn die so erhaltenen Schleitkörner zum Schleifen von Edelstahl verwendet werden sollen. Wenn das der Fall ist, liegt das Zirconiumdioxid vorzugsweise in der tetragonalen Form vor. In der tetragonalen Form neigt das Zirconiumdioxid, im Gegensatz zur monoklinen Form, dazu, Rißausbreitung zu verzögern und eine robustere Beschichtung zu schaffen.
Wenn R einen Alkylrest umfaßt, der weniger als 5 Kohlenstoffatome enthält, ist das Alkoxid im allgemeinen relativ "schnellreagierend", wie der Begriff hier in diesem Zusammenhang verwendet wird. Wenn R mehr als etwa 6 Kohlenstoffatome enthält, ist das Metallalkoxid relativ "langsamreagierend", wie der Begriff hier in diesem Zusammenhang verwendet wird. R kann einen Alkylrest von fast jeder Größe umfassen; im allgemeinen werden jedoch Metallalkoxide bevorzugt, die R-Reste mit nicht mehr als etwa 20 Kohlenstoffatomen enthalten. Die Reste R können geradkettig oder verzweigt sein. Sie können verschiedene Substituenten daran einschließen; sie sind jedoch vorzugsweise derart, daß sie die Umsetzungen, die am Metall bei der Erzeugung der Metalloxidbeschichtung ausgeführt werden sollen, nicht beeinträchtigen. Bevorzugte R-Reste umfassen unsubstituierte lineare und verzweigte Alkylreste mit 3-8, stärker bevorzugt 3-6, Kohlenstoffatomen.
Der Rest Y kann im allgemeinen die gleiche Art von Resten wie der R-Rest umfassen. Außerdem kann Y ein anorganischer Rest, wie z. B. ein Halogenatom, sein. Ferner kann zu Y ein Substituent darin gehören, der gemäß der vorliegenden Erfindung reaktionsfähig für die Brückenbildung mit Metallen ist. Zum Beispiel kann der Y-Rest Acetylacetonat umfassen.
Während der Beschichtungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt die Beschichtungslösung im allgemeinen das Metallalkoxid (oder ein Gemisch von Metallalkoxiden) und gegebenenfalls ein organisches Lösungsmittel. Das bevorzugte Lösungsmittel ist ein unpolares organisches Lösungsmittel. Zu Beispielen derartiger Lösungsmittel gehören Heptan, Hexan und Cyclohexan. Polare Lösungsmittel, wie z. B. Aceton, Methylethylketon und Alkohole mit niedrigerem Molekulargewicht, können jedoch verwendet werden, solange sie nicht unannehmbare Mengen an Wasser enthalten.
Das organische Lösungsmittel wird verwendet, wenn die Viskosität des Metallalkoxids (der Metallalkoxide) hinreichend hoch ist, so daß sich in Abwesenheit des Lösungsmittels keine gute Beschichtung ergibt, oder wenn das Metallalkoxid kristallin ist. Die Viskosität der Beschichtungslösung sollte im allgemeinen weniger als etwa 1000 Centipoise, vorzugsweise weniger als 500 Centipoise und am meisten bevorzugt weniger als etwa 100 Centipoise betragen, wie sie unter Verwendung eines Brookfield-Viskosimeters mit einer Spindel Nr. 2 bei 25ºC und 30 U/min gemessen wird.
Metallalkoxide setzen sich typischerweise mit Wasser unter Erzeugung von Metallhydroxiden um. Die Metallhydroxide können typischerweise untereinander Metall- Sauerstoff-Metall-Brücken bilden. Wenn der Rest Y eine Einheit enthält, die mit dem Metall reaktionsfähig ist, dann können ebenso einige Metall-Y-Metall-Brücken vorliegen.
Es wird bevorzugt, daß die Beschichtungslösung während der Lagerung, d. h. vor dem Schritt des Beschichtens, relativ trocken oder wasserfrei gehalten wird. Auf diese Weise wird vorzeitige Hydrolyse des Metallalkoxids vermieden oder zumindest minimiert. Das bedeutet nicht, daß wasserfreie Bedingungen erforderlich sind. Im allgemeinen ist alles, was erforderlich ist, daß die Beschichtungslösung ohne unannehmbares Maß an Hydrolyse und/oder Umwandlung zum Oxid hinreichend trocken ist, welcher Zeitraum der Lagerung oder welche Handhabung vor dem Beschichten auch beteiligt ist. Die verschiedensten Faktoren, einschließlich der Reaktionsfähigkeit der beteiligten Metallalkoxide, sind im Hinblick darauf beteiligt. Wenn weniger als 6 Kohlenstoffatome in den Alkoxidresten "R" vorhanden sind, kann Wasser ein größeres Problem sein.
Die Beschichtungslösung kann gegebenenfalls Zusatzstoffe, wie z. B. Benetzungsmittel oder Dispersionsmittel, enthalten, um das Bedecken der Ausgangsteilchen zu erleichtern. Zusätzlich kann die Beschichtungslösung Metalloxide oder Metalloxidvorstufen umfassen, die auch zu der Beschichtung umgesetzt werden, die auf dem Ausgangsteilchen erzeugt wird. Diese Materialien können in einer Menge hinzugegeben werden, die wirksam die gewünschte Eigenschaft ergibt.
Falls gewünscht, können die Metallalkoxide mit Alkoholen, Säuren, Basen, Chloriden und/oder Chelatbildnern modifiziert werden, um die Reaktionsfähigkeit des entstehenden Alkoxids (der entstehenden Alkoxide) und die Geschwindigkeit und den Weg der Hydrolyse zu verändern.
Im allgemeinen kann die Metalloxidbeschichtung durch Bedecken oder Beschichten der äußeren Oberfläche der Ausgangsteilchen mit der Beschichtungslösung und dann Umwandlung der Oxidvorstufe(n) mit nachfolgenden Schritten der Umwandlung in Metalloxid(e) geschaffen werden. Es ist nicht notwendig, die Ausgangsteilchen mit der Beschichtungslösung zu tränken. Vorzugsweise sind die Ausgangsteilchen vor dem Beschichten nicht calciniert worden, so daß die Feuchtigkeit in dem Ausgangsteilchen zur Erleichterung der Hydrolyse verfügbar ist.
Im allgemeinen können die Ausgangsteilchen durch eines aus einer Vielzahl von Verfahren, einschließlich in einem Luftmischer, mit einem Sprühtrockner, durch Sprühbeschichten oder in einer Drehtrommel, beschichtet werden. Das bevorzugte Verfahren zum Mischen der Ausgangsteilchen mit der Beschichtungslösungs geschieht durch Sprühen. In einigen Fällen können die Ausgangsteilchen in der Beschichtungslösung durchtränkt, davon abgetrennt und dann umgesetzt werden. Es können mehrfache Beschichtungsschritte verwendet werden, um eine dickere, dichtere, kontinuierlichere Beschichtung zu erhalten. In verschiedenen Beschichtungsschritten können unterschiedliche Metallalkoxide verwendet werden.
Ein bevorzugtes Verhältnis von Beschichtungslösung zu Ausgangsteilchen beträgt 100 bis 1000 Milliliter Beschichtungslösung pro 1 Kilogramm der getrockneten Körner. Am meisten bevorzugt werden 200 bis 500 Milliliter der Beschichtungslösung pro Kilogramm der Ausgangsteilchen verwendet. Wenn ein (hinsichtlich Hydrolyse) besonders langsam reagierendes Metallalkoxid verwendet wird, können Wasser und/oder Katalysatoren zu der Beschichtungslösung hinzugegeben werden, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen.
Wenn die Beschichtungslösung und die getrockneten Teilchen für einen Zeitraum von 1 Minute bis 24 Stunden (aufeinander einwirkend) gemischt werden, wird im allgemeinen eine für eine Beschichtung guter Qualität ausreichende Mischzeit und weitgehende Hydrolyse erreicht sein. Im allgemeinen wird eine Einwirkungszeit von 1 Minute bis 300 Minuten angemessen sein. Es wurde beobachtet, daß die erhaltene Beschichtung um so dicker ist, je länger die Beschichtungslösung und die getrockneten Teilchen aufeinander einwirken.
Nachdem die Beschichtungslösung und die getrockneten Teilchen eine Zeit aufeinander eingewirkt haben, die hinreichend war, um eine Beschichtung der gewünschten Dicke zu erreichen, kann die überschüssige Beschichtungslösung (nicht hydrolysierte und umgesetzte) von den Teilchen abfiltriert oder abgespült werden. Das Teilchenmaterial mit der verbliebenen Beschichtungslösung darauf ist typischerweise hinreichend für die Beschichtung umgewandelt, um nicht leicht von den Teilchen entfernt zu werden, selbst wenn es nicht vollständig in die Metallhydroxide umgewandelt ist, und wenn es auch nicht vollständig in das Metalloxid (die Metalloxide) umgewandelt ist.
Es wurde beobachtet, daß ein Hauptanteil der Beschichtungslösung im allgemeinen auf der äußeren Oberfläche der porösen Ausgangsteilchen verbleibt. Etwas Beschichtungslösung kann durch Kapillarwirkung in die Poren des Ausgangsteilchens eindringen. Auch wenn dieses geschieht, wurde jedoch im allgemeinen beobachtet, daß die Beschichtungslösung nur in die äußersten Bereiche des Ausgangsteilchens und nicht in die inneren Teile der Poren eindringt. Das heißt, daß das Eindringen im allgemeinen eine Tiefe von 1-2 Mikrometern nicht überschreitet.
Im Anschluß an das Beschichten werden die Ausgangsteilchen calciniert, um eine im wesentlichen vollständige Umwandlung der Metallhydroxide in die Metalloxide zu erreichen. Außerdem wird das organische Nebenprodukt (Alkohol) verflüchtigt und/oder verbrannt. Im allgemeinen werden die beschichteten Ausgangsteilchen bei einer Temperatur zwischen 400-1000ºC, vorzugsweise 400-800ºC, calciniert. Nach dem Calcinieren werden die beschichteten Ausgangsteilchen wie nachstehend beschrieben gesintert.

C. Sintern der Schleifkornvorstufe

Die Teilchen, wenn sie einmal mit der Metalloxidbeschichtung beschichtet sind, umfassen eine Vorstufe zu dem auf alpha-Aluminiumoxid basierenden keramischen Schleifkorn. Beim Sintern (Brennen) erzeugen die beschichteten Teilchen ein einzigartiges und verbessertes Schleifkorn zur Verwendung in Schleifprodukten. Das Sintern erzeugt inter alia autogene Bindung zwischen der Beschichtung und dem gesinterten Ausgangsteilchen. Dieses ergibt ein Schleifkorn, welches sowohl sehr hart als auch angemessen zäh ist, während es gleichzeitig eine einzigartige rauhe äußere Oberfläche aufweist, die für ausgezeichnete Haftung an ein Bindungssystem eines Schleifgegenstands verfügbar ist.
Das Sintern der Körner wird bei einer Temperatur zwischen 1200ºC und 1650ºC für einen hinreichend langen Zeitraum ausgeführt, um die Umwandlung der Vorstufe zu vervollständigen. Obwohl die Länge der Zeit, während der das behandelte Ausgangsteilchen den Sintertemperaturen ausgesetzt werden sollte, in Abhängigkeit von Faktoren, wie z. B. die genaue Zusammensetzung des behandelten Teilchens, verändert werden kann, kann das Sintern im allgemeinen innerhalb eines Zeitraumes von einigen Sekunden bis zu etwa 120 Minuten ausgeführt werden. Das Sintern verschiedener Arten von Ausgangsteilchen wird allgemein in der US-Patenschrift 4,314,827 beschrieben. Die Sinterverfahren, die darin angewendet werden, können auf behandelte Teilchen, wie sie hier beschrieben sind, angewendet werden. Es liegt innerhalb des Schutzumfangs dieser Erfindung, in einer oxidierenden oder einer reduzierenden Atmosphäre zu sintern.
Das gesinterte Ausgangsteilchen (oder der Kern) ohne Berücksichtigung der Beschichtung weist im allgemeinen eine relativ hohe Dichte auf, typischerweise mindestens mehr als 90%, vorzugsweise mehr als 95% der theoretischen und am meisten bevorzugt mindestens 97% der theoretischen. Die Dichte des Schleifkorns kann leicht mit einem Heliumgas-Pyknometer, z. B. mit einem, das unter der Handelsbezeichnung Micrometeritics AccuPyc 1330 erhältlich ist, gemessen werden.

D. Verwendung eines keimbildenden Mittels oder einer Vorstufe eines keimbildenden Mittels

Ein keimbildendes Mittel kann vor oder während der Erzeugung der Beschichtung zu den Ausgangsteilchen hinzugegeben werden. Veränderungen bei der Zugabe des keimbildenden Mittels können genutzt werden, um die Eigenschaften des so erhaltenen gesinterten Produkts zu modifizieren.

Schleifkörner

Die vorliegende Erfindung stellt verbesserte Schleifkörner bereit. Vorzugsweise umfassen die Schleifkörner ein gesintertes Ausgangsteilchen, das mindestens 55 Gew.-% Aluminiumoxid umfaßt, mit einer Oberflächenbeschichtung darauf, die Metalloxid umfaßt. Die Metalloxidbeschichtung wird vorzugsweise wie beschrieben durch Hydrolyse/Umwandlung von Metallalkoxid(en) hergestellt.
Wenn die Beschichtung gemäß den hier beschriebenen Verfahren hergestellt wird, weist die Beschichtung (wo sie vorhanden ist, d. h. in den Inseln) im allgemeinen eine Dichte von mindestens 80% der theoretischen und typischerweise mindestens 90% der theoretischen auf und ist autogen an die Oberfläche des Ausgangsteilchens gebunden. Die Beschichtung zeigt bei Untersuchung durch ein Rasterelektronenmikroskop dünne (in Tiefe oder Dicke) und breite (in der Fläche) "Metalloxidinseln". Typischerweise bedeckt die Beschichtung nicht die ganze Oberfläche des Kerns oder des gesinterten Ausgangsteilchenmaterials, sondern vielmehr im allgemeinen mindestens etwa 50% und typischerweise 60 bis 75% davon. Die Metalloxidinseln sind im allgemeinen zufällig in der Form, wobei die längste Ausdehnung der Inseln typischerweise 10-50 Mikrometer beträgt, am typischsten und vorzugsweise mindestens 10 und bis zu 30 Mikrometern. Die Metalloxidinseln sind typischerweise weniger als etwa 5 Mikrometer dick. Wenn den vorstehend skizzierten bevorzugten Verfahrensschritten gefolgt wird, sind die Inseln im allgemeinen weniger als etwa 2 Mikrometer dick.
Die Größe der Metalloxidinseln ist im allgemeinen eine Funktion der Größe der Tröpfchen der Beschichtungslösung, die während des Beschichtens auf die Teilchen aufgebracht werden. Die angegebenen bevorzugten Größenbereiche sind mit dem hier angegebenen bevorzugten Verhältnis von Ausgangsteilchen zu Beschichtungslösung erreichbar. Vorzugsweise und typischerweise liegt die Mehrzahl der Metalloxidinseln innerhalb der angegebenen bevorzugten Bereiche.
Die Beschichtung zeigt ebenfalls typischerweise das Vorhandensein kugelförmiger Metalloxidteilchen. Die kugelförmigen Metalloxidteilchen befinden sich in einigen Fällen oben auf den Inseln und in anderen Fällen zwischen den Inseln. Im allgemeinen haben die kugelförmigen Teilchen einen Durchmesser von weniger als etwa 5 Mikrometern und am typischsten einen Durchmesser von weniger als etwa 1 Mikrometer. Besonders wenn das Metalloxid Zirconiumdioxid ist, wird angenommen, daß wie beschrieben die Form der Beschichtung mit den Inseln und mit den vorhandenen Metalloxidkugeln die Verzögerung des Verschließens beim Abschleifen von Edelstahl erleichtert.
Die Beschichtung ist typischerweise diskontinuierlich, im allgemeinen hängt das Ausmaß der Diskontinuität von der Menge der Beschichtungslösung, die auf die Ausgangsteilchen aufgebracht wird, ab. Um eine verwendbare Beschichtung zu erreichen, wird ein Verhältnis von etwa 1 Kilogramm der Ausgangsteilchen auf 50-300 ml der Beschichtungslösung bevorzugt. In einer anderen Ausführungsform könnten eine sehr verdünnte Konzentration des Metallalkoxids und der Beschichtungslösung verwendet werden, wobei in hohem Maße diskontinuierliche Beschichtungen erhalten werden. "Verdünnte Konzentration" bedeutet in diesem Zusammenhang, daß eine Konzentration im Bereich von 1-30 Gew.-% Metallalkoxid, am typischsten 1-10%, in der Gesamtbeschichtung verwendet wird.
Die Aufmerksamkeit wird jetzt auf die elektronenmikroskopischen Aufnahmen der Abb. 4 und 5 gerichtet. Abb. 4 ist eine sekundärelektronenmikroskopische Aufnahme bei 4000facher Vergrößerung und zeigt die Rauhigkeit des Korns. Abb. 5 ist eine rückstreuelektronenmikroskopische Aufnahme, wobei Zirconiumdioxidinseln die hellen Flächen und der Aluminiumoxidkern die dunkleren Flächen umfassen. Das abgebildete Teilchen wurde gemäß dem nachstehend angegebenen Beispiel 1 hergestellt.

Schleifprodukte

Die vorliegende Erfindung stellt auch Schleifprodukte bereit, die mindestens einen Teil und am meisten bevorzugt ihren gesamten Schleifkorngehalt an Schleifkörnern, wie sie hier beschrieben sind, einschließen.
Eine Art Schleifprodukt gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Unterlage (Trägerunterlage) mit Schleifkörnern, wie sie hier beschrieben wurden, die durch ein Bindemittel daran gebunden sind. Die Unterlage kann jede geeignete Trägerunterlage, einschließlich Gewebe, polymere Folie, Faser, Vliesgewebe, Papier, behandelte Versionen davon oder Kombinationen davon, sein. Die verschiedensten anorganischen oder organischen Bindemittel könnten verwendet werden. Die Schleifkörner können in einer Schicht oder in einer Vielzahl von Schichten aufgebracht werden. Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung beschichteter Schleifmittel wird in den US-Patentschriften 4,734,104 und 4,737,163 beschrieben. Im allgemeinen sind beschichtete Schleifprodukte, die hierin Schleifkörner gemäß der vorliegenden Erfindung einschließen, in bezug auf die Möglichkeit des Abblätterns und die Langlebigkeit verbessert.
Ein Beispiel für ein beschichtetes Schleifprodukt ist in Abb. 1 unter der Bezugsziffer 1 abgebildet. Unter Bezugnahme darauf weist die Unterlage 2 eine Schleifschicht 3 auf, umfassend Schleifkörner 4, die durch die Bindemittelschicht 5 und die Deckschicht 6 auf der Unterlage gesichert sind.
Gebundene Schleifprodukte gemäß der vorliegenden Erfindung umfassen im allgemeinen geformte Massen von Schleifkorn, wie es hier beschrieben ist, zusammengehalten durch organische, metallische oder glasartige Bindemittel. Eine besonders übliche geformte Masse für Schleifprodukte ist eine Schleifscheibe. In Abb. 2 ist die Scheibe 10 abgebildet, umfassend die Körner 11, die zu einer Scheibe geformt und auf die Nabe 12 montiert sind.
Faservlies-Schleifprodukte, die Schleifkörner der vorliegenden Erfindung einlagern, umfassen typischerweise eine offene, poröse, hochragende Polymerendlosfaserstruktur (Trägerunterlage), wobei die Schleifkörner der Erfindung überall in der Faserstruktur verteilt sind und darin durch ein organisches Bindemittel gebunden sind. Typische faserartige Endlosfaserstrukturen, die in derartigen Konstruktionen verwendbar sind, umfassen Polyamide, Polyester und Polypropylene. Abb. 3 stellt eine vergrößerte schematische Ansicht eines typischen Faservlies-Schleifgegenstands bei ungefähr 100facher Vergrößerung dar. Der Gegenstand umfaßt ein Faservlies 50 als die Trägerunterlage, auf der die Schleilkörner 52 durch das Bindemittel 54 gebunden sind. Wegen weiterer Einzelheiten hinsichtlich Faservlies- Schleifprodukten siehe die US-Patentschrift 2,958,593 (Hoover et al.).
Wie vorstehend allgemein angegeben, umfassen Schleifprodukte gemäß der vorliegenden Erfindung im allgemeinen ein Bindemittel und Schleifkörner oder -teilchen darin. Eine breite Vielfalt von Bindemitteln, einschließlich der herkömmlichen, kann in Schleifprodukten gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Zu verwendbaren Bindemitteln gehören Phenolharze, Harnstoff/Formaldehyd, Melamin/Formaldehyd, Polyesterharze, Leim, Aminoplasiharze, Epoxyharze, Acrylatharze, Urethanharze und Kombinationen davon. Das Bindemittel kann auch anorganische Teilchen einschließen. Derartige Teilchen können Mahlhilfen oder Füllstoffe sein. Zu Beispielen derartiger Mahlhilfen gehören Kryolith, Ammoniumkryolith, Kaliumtetrafluoroborat, Polyvinylchlorid, Schwefel und Natriumchlorid. Zu Beispielen von Füllstoffen gehören Calciumcarbonat, Siliciumdioxid und Calciummetasilicat.
Schleifprodukte oder -gegenstände gemäß der vorliegenden Erfindung können als teilchenförmiges Material darin 100% Schleifkörner enthalten, die gemäß den Beschreibungen hier verbessert worden sind. Außerdem oder in einer anderen Ausführungsform können die Schleifgegenstände ein Gemisch von Schleifkörnern gemäß der vorliegenden Erfindung mit herkömmlichen Schleifkörnern oder Verschnittkörnern enthalten. Zu herkömmlichen Schleifkörnern, die in dieser Weise verwendbar sind, gehören geschmolzenes Aluminiumoxid, Siliciumcarbid, Granat, geschmolzenes Aluminiumoxid-Zirconiumoxid, Diamant, kubisches Bornitrid und andere aus Sol-Gel erhaltene Schleifkörner. Zu Verschnittkörnern gehören Marmor, Gips und Glas.
Schleifkörner gemäß der vorliegenden Erfindung können mit Schleifagglomeraten kombiniert werden. Ein Beispiel eines Schleifagglomerats wird in der US-Patentschrift 4,652,275 bereitgestellt. Im allgemeinen bestehen mindestens 15 Gew.-%, vorzugsweise 50 Gew.-% bis 100 Gew.-%, der Körner eines Schleifprodukts gemäß der vorliegenden Erfindung aus verbesserten Schleifkörnern, wie sie hier beschrieben sind.

BEISPIELE

Die folgenden nichtbegrenzenden Beispiele sollen die Erfindung weiter veranschaulichen. Alle Teile, Prozentangaben, Verhältnisse usw. in den Beispielen beziehen sich, wenn nicht anders angegeben, auf das Gewicht. Die Schleifkornzusammensetzungen beziehen sich auf das Gewicht, wie es auf einer Oxidbasis berechnet wird.
Für alle Beispiele wurden die Schleifkörner gemäß den nachstehend skizzierten Verfahrensweisen hergestellt. Nachdem die Schleifkörner hergestellt worden waren, wurden sie in einer beschichteten Faserschleifscheibe, die gemäß der nachstehend im einzelnen dargelegten Verfahrensweise hergestellt wurde, verwendet. Dann wurde die so erhaltene beschichtete Schleifscheibe gemäß einem nachstehend beschriebenen Testverfahren getestet.

Allgemeines Verfahren I zur Herstellung der Schleifkörner

Teil A

Die folgenden Materialien wurden zur Erzeugung einer Dispersion kontinuierlich unter Verwendung eines Mixers mit hoher Scherung gemischt, 1000 Teile deionisiertes Wasser von Raumtemperatur, 16,5 Teile analysenreine 16 N Salpetersäure, 35 Teile einer 4%igen wäßrigen Goethitdispersion als keimbildendes Mittel mit einer Oberfläche von 200 m²/g und 350 Teile eines alpha-Aluminiumoxidmonohydrat-Pulvers, das unter der Handelsbezeichnung "DISPERAL" verkauft wird. Das so erhaltene Gemisch wurde 3 bis 4 Minuten lang unter Verwendung eines Giford-Wood Homogenizer Mixer (Greeco Corp., Hudson, NH) bei hoher Geschwindigkeit dispergiert. Danach wurden 12,5 Teile Magnesiumnitrat zu der Dispersion hinzugegeben, was zum Gelieren der Dispersion führte. Die wäßrige Magnesiumnitratlösung enthielt annähernd 11% Feststoffe, berechnet auf Oxidbasis. Die so erhaltene gelierte Dispersion wurde kontinuierlich getrocknet, um die Feststoffe zu vermehren, und dann chargenweise 24 Stunden lang in einem Gebläseluftofen bei 100ºC zu einem bröckligen Feststoff getrocknet. Das so erhaltene getrocknete Material wurde zerkleinert, um Teilchen zu erzeugen, die eine Größe zwischen 0,125 und 1 mm hatten.

Teil B

Die Teilchen wurden dann mit einer Beschichtungslösung, die ein Metallalkoxid enthielt, beschichtet. Das verwendete Beschichtungsverfahren ist in jedem Beispiel beschrieben.

Teil C

Die so erhaltenen Teilchen wurden in einen Drehbrennofen eingeführt, um calcinierte Teilchen zu erzeugen. Der Drehbrennofen war ein 1, 2 Meter langes Edelstahlrohr mit einem Durchmesser von 15 cm, das eine heiße Zone von 0,6 Metern aufwies. Das Rohr war um einen Winkel von 2,4 Grad bezüglich der Horizontale geneigt. Das Rohr drehte sich mit etwa 50 U/min. um eine Verweilzeit in dem Rohr von etwa 4 bis 5 Minuten zu schaffen. Der Drehbrennofen hatte in der heißen Zone eine Temperatur von 650ºC. Danach wurden die calcinierten Teilchen in einen zweiten Drehbrennofen mit einer heißen Zone von etwa 1400ºC geführt. Der 1400ºC-Drehbrennofen war ein 1,32 Meter langes Siliciumcarbidrohr mit einem Durchmesser von 8,0 cm, das in einem Winkel von 4,4 Grad bezüglich der Horizontale geneigt war und eine heiße Zone von 76 cm aufwies. Der Brennofen drehte sich mit 6 U/min, um eine Verweilzeit in dem Brennofen von etwa 5 Minuten zu schaffen. Das Produkt trat aus dem Brennofen in Luft von Raumtemperatur aus, wo es in einem Metallbehälter gesammelt wurde und man es auf Raumtemperatur abkühlen ließ.

Allgemeines Verfahren zur Herstellung der beschichteten Schleifscheibe

Die Schleifkörner wurden unter Verwendung herkömmlicher Verfahren zur Erzeugung beschichteter Schleifmittel in beschichtete Schleifprodukte eingelagert. Die Schleifkörner wurden so ausgesiebt, daß 50 Gew.-% der Schleifkörner durch ein 25-mesh-US-Standardsieb hindurchgingen, aber auf einem 30-mesh-US-Standardsieb verblieben. Die verbleibenden 50% waren Schleifkörner, die durch ein 30-mesh-US-Standardsieb hindurchgingen, aber auf einem 35-mesh-US-Standardsieb zurückgehalten wurden. Die Schleifkörner wurden an eine vulkanisierte Faserunterlage geklebt, indem ein herkömmliches, mit Calciumcarbonat gefülltes Phenolharz für Bindemittelschichten und herkömmliche, mit Kryolith gefüllte Phenolharze für Deckschichten verwendet wurden. Das Harz der Bindemittelschicht wurde 90 Minuten lang bei 88ºC vorgehärtet, und das Harz der Deckschicht wurde 90 Minuten lang bei 88ºC vorgehärtet, gefolgt von einer Endhärtung von 10 Stunden bei 100ºC. Die Schleifkörner wurden elektrostatisch auf die mit Harz beschichtete Unterlage aufgebracht.

Testverfahren I

Das Testverfahren I war darauf angelegt, die Zeit zu messen, die ein Schleifkorn brauchte, um von der beschichten Schleifscheibe abzublättern. Die Testausrüstung schloß eine beschichtete Testschleifscheibe mit einem Durchmesser von 17,8 cm mit einem Befestigungsloch von 2,2 cm ein, die an einer 1,57 mm dicken Verstärkungsunterlage aus Hartphenolharz mit einem Durchmesser von 16,5 cm befestigt war, die ihrerseits auf einem Stahlflansch mit einem Durchmesser von 15,2 cm angebracht war. Die so getragene Testscheibe wurde mit 3550 U/min entgegen dem Uhrzeigersinn gedreht. Die periphere 1,8-mm-Kante eines scheibenförmigen Werkstücks aus 1018-Kohlenstoffstahl mit einem Durchmesser von 25 cm, das in einem Winkel von 18,5º von der Position senkrecht zu der Schleifscheibe angebracht war und sich mit 2 U/min entgegen dem Uhrzeigersinn drehte, wurde unter einer Belastung von 2,9 kg mit der Schleifmittelseite der Schleifscheibe in Berührung gebracht. Der Endpunkt des Tests waren 20 Minuten oder, wenn die Scheibe abzublättern begann, d. h. ein wesentlicher Anteil ihres Schleifkorns von der Scheibe herausgedrückt wurde, je nachdem, was zuerst eintrat. Am Ende des Tests wurde das Werkstück gewogen, um die Menge des von dem Werkstück (abgeschliffenen) Metallschnitts zu bestimmen.

Testverfahren II

Die beschichtete Schleifscheibe wurde auf einer abgeschrägten Verstärkungsunterlage aus Aluminium befestigt und verwendet, um die Vorderseite eines Werkstücks von 1,25 cm mal 18 cm aus Edelstahl 304 zu schleifen. Die Scheibe wurde mit 5500 U/min angetrieben, während der Teil der Scheibe, der die abgeschrägte Kante der Verstärkungsunterlage überragte, das Werkstück mit einer Belastung von etwa 6 kg berührte. Jede Scheibe wurde verwendet, um ein einzelnes Werkstück in einem Intervall von einer Minute bei einer Gesamtzeit von 12 Minuten zu schleifen. Der Anfangsschnitt war die Menge an Metall, die in der ersten Minute des Schleifens entfernt wurde. Ebenso war der Endschnitt die Menge an Metall, die in den letzten Minuten des Schleifens entfernt wurde, und der Gesamtschnitt war die Summe der Menge, die während des Tests entfernt wurde. Es wurden ungefähr vier Scheiben pro Beispiel getestet.

Beispiel 1 und Vergleichsbeispiel A

Diese Gruppe von Beispielen verglich die Schleifleistung einer beschichteten Faserschleifscheibe, die ein Schleifkorn mit einer Zirconiumdioxidbeschichtung enthielt, und einer ohne eine Zirconiumdioxidbeschichtung. Die beschichteten Schleifscheiben wurden nach dem Testverfahren I getestet, und die Testergebnisse sind nachstehend in Tabelle 1 angegeben. Die Faserscheiben wurden vor dem Testen eine Woche lang bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 30% befeuchtet. Das Ausgangsteilchen für beide Beispiele bestand aus 99 Gew-% alpha-Aluminiumoxid, 0,5% Eisenoxid und 0,5% Magnesiumoxid.
Das Schleifkorn für Beispiel 1 wurde nach dem Allgemeinen Verfahren I zur Herstellung des Schleifkorns, Teile A bis C, hergestellt. Die Beschichtungslösung bestand aus 20 Gramm Zirconyl-n-propoxid und 250 Gramm Ethanol. Ein Aerosol dieser Beschichtungslösung wurde durch ein Detergenssprühgerät erzeugt und auf 0,45 Kilogramm der getrockneten Teilchen von Teil A aufgesprüht.
Das Schleifkorn für Vergleichsbeispiel A wurde nach dem Allgemeinen Verfahren I zur Herstellung des Schleifkorns, nur Teile A und C, hergestellt.

Tabelle 1 Testverfahren I

Beispiel Gesamtschnitt (Gramm)
1 272
Vergleichsbeispiel A 167

Beispiele 2 bis 4 und Vergleichsbeispiel B

Diese Gruppe von Beispielen verglich die Schleifleistung einer beschichteten Faserschleifscheibe, die ein Schleifkorn mit Zirconiumdioxidbeschichtung enthielt, und einer ohne Zirconiumdioxidbeschichtung. Die beschichteten Schleifscheiben wurden nach dem Testverfahren II getestet, und die Testergebnisse können nachstehend in Tabelle 2 gefunden werden. Das Ausgangsteilchen für beide Beispiele bestand aus 99 Gew.-% alpha-Aluminiumoxid, 0,5% Eisenoxid und 0,5% Magnesiumoxid.
Das Schleifkorn für die Beispiele 2 bis 4 wurde nach dem Allgemeinen Verfahren I zur Herstellung des Schleifkorns, Teile A bis C, hergestellt. Ein Aerosol dieser Beschichtungslösung wurde unter Verwendung eines Detergenssprühgeräts erzeugt und auf ein Kilogramm der getrockneten Teilchen von Teil A aufgesprüht. Für Beispiel 2 bestand die Beschichtungslösung aus 25 Gramm Zirconyl-n-propoxid, gemischt mit genügend Heptan, um eine molare Lösung von 250 Gramm herzustellen. Für Beispiel 3 bestand die Beschichtungslösung aus 50 Gramm Zirconyl-n-propoxid, gemischt mit genügend Heptan, um eine molare Lösung von 250 Gramm herzustellen. Für Beispiel 4 bestand die Beschichtungslösung aus 75 Gramm Zirconyl-n-propoxid, gemischt mit genügend Heptan, um eine molare Lösung von 250 Gramm herzustellen. Vergleichsbeispiel B wurde hergestellt, wie vorstehend in Beispiel 1 für Vergleichsbeispiel A beschrieben wurde. Tabelle 2 Testverfahren II

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von keramischem Schleifkorn, umfassend die Schritte:

a) Bereitstellen einer Masse von Teilchen, umfassend alpha-Aluminiumoxid- Vorstufenmaterial;

b) Beschichten der Teilchen mit einer Metallalkoxid umfassenden Beschichtungszusammensetzung, um beschichtete Teilchen bereitzustellen; und

c) Erhitzen der beschichteten Teilchen auf eine Temperatur zwischen 400 und 1000ºC unter Bedingungen, die die Beschichtung in eine Metalloxidbeschichtung umwandeln, die autogen an die Oberfläche jedes der Teilchen gebunden ist, und Umwandeln und Sintern der Teilchen bei einer Temperatur zwischen 1200 und 1650ºC unter Bedingungen, die auf alpha-Aluminiumoxid basierende Teilchen bereitstellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Beschichtungszusammensetzung außerdem die Vorstufe eines Metalloxidmodifizierungsmittels einschließt, ausgewählt aus Salzen von: Magnesium; Zink; Cobalt; Eisen; Nickel; Zirconium; Mangan; Silicium; Hafnium; Chrom; Yttrium; Praseodym; Samarium; Ytterbium; Neodym; Lanthan; Gadolinium; Cer; Dysprosium; Erbium; Titan und Gemischen von zwei oder mehreren davon.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Metallalkoxid aus einem oder mehreren Alkoxiden von: Zirconium; Titan; Aluminium; Magnesium; Zink; Cobalt; Nickel; Silicium; Hafnium; Eisen; Mangan; Chrom; Yttrium; Praseodym; Samarium; Ytterbium; Neodym; Lanthan; Gadolinium; Cer; Dysprosium; Erbium und Gemischen von zwei oder mehreren davon ausgewählt ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Metallalkoxid, wie folgt, eine allgemeine Formel I hat:

Formel I

YxM(OR)n-x

wobei:

M ein mehrwertiges Metallkation ist;

n die Oxidationsstufe von M ist;

x eine ganze Zahl mit einem Wert von 0 bis n-1 ist;

O Sauerstoff ist;

OR ein Alkoxyrest ist, in dem jeder R-Rest unabhängig ein Alkylrest ist; und jeder Y-Rest unabhängig ein organischer Rest oder anorganischer Rest ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei:

(a) das Metallalkoxid Material umfaßt, bei dem n-x im Bereich von 2-6 liegt;

(b) jeder R-Rest unabhängig ein linearer oder verzweigter Alkylrest mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen ist; und

(c) M ein Metallkation ist, ausgewählt aus Kationen der Metalle: Zirconium; Titan; Aluminium; Magnesium; Zink; Cobalt; Nickel; Silicium; Hafnium; Eisen; Mangan; Chrom; Yttrium; Praseodym; Samarium; Ytterbium; Neodym; Lanthan; Gadolinium; Cer; Dysprosium; Erbium; und Gemischen von zwei oder mehreren davon.

6. Keramisches Schleifkorn, hergestellt nach dem Verfahren eines vorhergehenden Anspruchs.

7. Keramisches Schleifkorn, umfassend:

(a) eine Vielzahl gesinterter Teilchen, jedes Teilchen umfassend:

(i) einen auf alpha-Aluminiumoxid basierenden Kern; und

(ii) eine Metalloxidbeschichtung, die autogen an den auf alpha-Aluminiumoxid basierenden Kern gebunden ist; wobei die Metalloxidbeschichtung unregelmäßig geformte Metalloxidinseln mit einer Länge von 10-50 um (größte Ausdehnung), die weniger als 5 um dick sind, umfaßt.

8. Keramisches Schleifkorn nach Anspruch 7 mit einer Vielzahl von Metalloxidkugeln, die autogen an den auf alpha-Aluminiumoxid basierenden Kern gebunden sind.

9. Keramisches Schleifkorn nach Anspruch 7 oder 8 mit einer Vielzahl von Metalloxidkugeln, die an die Metalloxidinseln gebunden sind.

10. Schleifprodukt, umfassend:

(a) ein Bindemittel; und

(b) das Schleifkorn nach Anpruch 6, 7, 8 oder 9.