AT411764B

AT411764B - Mikroporöse tonerde - schleifkörner

Info

Publication number: AT411764B
Application number: AT0071801A
Authority: AT
Original assignee: Saint Gobain Ceramics
Priority date: 2000-05-04
Filing date: 2001-05-04
Publication date: 2004-05-25
Also published as: ATA7182001A; JP2002038132A; JP3878433B2; FR2808521B1; DE10121656A1; CA2344980C; BR0101695B1; US6391072B1; DE10121656B4; FR2808521A1; BR0101695A; CA2344980A1

Description

EMI1.1
unter Verwendung eines Sol-Gel-Verfahrens hergestellt sind.

Bei einem derartigen Verfahren wird ein Alpha-Tonerdevorläufer, u. zw. üblicherweise Boehmit, n ein wässriges Sol übergeführt, gegebenenfalls in Anwesenheit eines Keimmaterials, das die Temperatur, bei der Alpha-Tonerde nach Erhitzen gebildet wird, senken kann, oder von Modifi- iermitteln. Das Sol wird dann üblicherweise unter Zugabe einer Säure gelieren gelassen, und das Gel wird dann zur Bildung von Alpha-Tonerde getrocknet und gebrannt. Vor dem Brennen kann jas getrocknete Gel auf Schleifteilchengrösse zerkleinert werden, da dieser Prozess weniger auf- wendig ist als nach Beendigung der Alpha-Umwandlung. Gewünschtenfalls können Modifizierzu- sätze wie Yttererde und Metalloxide von seltenen Erden vor dem Brennen in das Sol oder in das getrocknete Gel eingearbeitet werden.

Mit solchen Verfahren werden Schleifkörner mit feinsten Kristallstrukturen hergestellt, und dies erweist sich als deutlicher Vorteil gegenüber Tonerde-Schleifkörnern, die durch ein Schmelzverfah- rein erzeugt werden. Es scheint, dass die Schleifkörner bei der Verwendung zerbrechen und feine Kristalle absplittern, wodurch eine frische Schneidfläche freigelegt wird. Im Gegensatz dazu sind < örner, die durch ein Schmelzverfahren hergestellt werden, von viel grösseren Kristallen aufgebaut, und wenn ein solches Schleifkorn mit einem Werkstück in Kontakt kommt, werden die Schneidkan- en auf dem Korn allmählich abgenützt, und seine Schneidleistung nimmt mit dem Abschleifvor- ang ab.

Dieses weniger wirksame Schleifen geht einher mit einem Reibungsanstieg und Wärme- aufbau, was schliesslich zu einer Zerstörung der Oberfläche des Werkstücks führen kann. Die -ebensdauer des betreffenden Korns endet, wenn der Druck so gross ist, dass das Korn zur Gänze aus dem Verbund gerissen wird. Durch die Entfernung von Tonerde-Mikrokristallen aus dem Korn wird dieses Schleifproblem bei Sol-Gel-Tonerdeschleifkörnern erheblich verringert.

Dieser Erneuerungsprozess durch Mikrobruch setzt jedoch nur dann ein, wenn ein Schleif- werkzeug mit den Sol-Gel-Tonerde-Schleifkörnern unter mässigen bis hohen Druckbedingungen bei einem Schleifvorgang verwendet wird. Bei niedrigeren Drücken kann es sein, dass diese für einen Vlikrobruch nicht ausreichen und ein gewisses Abschleifen beobachtet wird. Es besteht daher der Bedarf, Schleifkörner bereitzustellen, mit denen bei mässigen bis niedrigen Drücken ohne übermä- &num;igen Kornverlust während des Vorgangs effizient geschliffen werden kann. Die vorliegende Erfin- dung sieht solche Schleifkörner vor, die sich bei jedem Schleifdruck mit Ausnahme von ganz hohen Drücken als zweckmässig erwiesen haben.

Das Verfahren zur Herstellung derselben ist einfach, wirtschaftlich und insofern äusserst vielseitig, als es auf sämtliche Schleifbedingungen, die in Frage < ommen, abgestimmt werden kann.

Die vorliegende Erfindung schafft Tonerdeschleifkörner mit einer Kristallgrösse von weniger als 5 um, bei denen im Wesentlichen die gesamte Tonerde in der Alpha-Form vorliegt und die eine Dichte von 3,6 bis 3,9 g/cm3 aufweisen, wobei die Schleifkörner willkürlich verteilte, im Wesentli- chen kugelförmige Hohlräume mit Durchmessern von 0,1 bis 5 um aufweisen.

Auch wenn im Wesentlichen die gesamte Tonerde in der Alpha-Form vorliegt, schliesst dies licht aus, dass Tonerde auch in einer Form vorliegen kann, in der sie mit anderen Elementen < ombiniert ist, wie einer Spinell- oder Magnetoplumbit-Struktur. Mit dieser Einschränkung soll ausgedrückt werden, dass im Wesentlichen keine Übergangsphasen-Tonerde im Korn vorhanden st.

Die verhältnismässig niedrige Dichte wird durch den Einschluss einer Mehrzahl von einheitlich verteilten Mikrohohlräumen in den Körnern erzielt, worunter Hohlräume verstanden werden, die einen Durchmesser von 0,1 bis 5, vorzugsweise 0,5 bis 2 um aufweisen und willkürlich über das Korn verstreut sind. Solche Mikrohohlräume befinden sich weitgehend im Inneren des Korns (auch wenn natürlich einige an der Oberfläche aufscheinen können) und ergeben daher eine Korn- Fülldichte von typischerweise nur 85 bis 95 % der theoretischen Dichte von Alpha-Tonerde 3,98 g/cm3). Diese Mikrohohlräume bilden einen eingebauten Bruchweg, der das Korn brechen ässt, wenn niedrigere Drücke angewendet werden, sodass die Schneidflächen rascher regeneriert werden, ohne dass dies gleichzeitig zu einem unakzeptablen Kornverlust während des Schleifens führt.

Die Mikrohohlräume sind willkürlich über das Korn verstreut, und das bedeutet, dass sie nicht n irgendeinem regelmässigen Muster verteilt sind, sondern im Allgemeinen in relativ gleicher An- zahl überall in den Körnern zu finden sind. Die Mikrohohlräume sind üblicherweise einzeln und im

Wesentlichen kugelförmig, doch kann es vorkommen, dass zwei oder mehr Mikrohohlräume nahe genug beieinander sind, um einen einzigen Hohlraum zu bilden. Die Anwesenheit solcher Mehr- fachstrukturen fällt unter die Definition der vorliegenden Erfindung.

Die Hohlräume können durch Zugabe eines Materials zu einem Tonerdevorläufer-Sol in die Körner eingearbeitet werden, welches Material in dem aus dem Sol gebildeten getrockneten Gel einheitlich verteilt wird, das aber nach dem Brennen zur Bildung von Alpha-Tonerde-Schleifkörnern Hohlräume übrig lässt.

Bei einem bevorzugten Verfahren zur Herstellung von Alpha-Tonerde-Schleifkörnern mit Mikro- hohlräumen wird ein wässriger Polymerlatex enthaltend Polymerteilchen mit einem Durchmesser von 0,1 bis 5 um zu einem Boehmit-Sol in einer Menge von 0,03 bis 0,3 Gew. -%, bezogen auf das Gewicht der als Alpha-Tonerde gemessenen im Sol vorhandenen Tonerde, gegeben und das Sol dann zur Erzeugung der Alpha-Tonerde-Schleifkörner weiterverarbeitet. Wie oben ausgeführt, umfasst dieses Verfahren typischerweise zuerst die Gelatinierung des Sols, um die Verteilung der verschiedenen darin dispergierten Bestandteile wie Modifiziermittel und Keime zur Förderung der Umwandlung in die Alpha-Form zu fixieren.

Das Gel wird dann getrocknet und gegebenenfalls durch die Einarbeitung weiterer Modifiziermittel mittels Imprägnierung weiter verändert und dann zur Herstellung der Alpha-Tonerde-Schleifkörner gebrannt.

Durch den Brennprozess werden die Latexteilchen ausgebrannt, wodurch Mikrohohlräume ent- stehen, die etwas kleiner sein können als die ursprünglichen Latexteilchen, u.zw. in Folge des Sinterns während des Brennens, durch das Hohlräume in den Zwischenräumen innerhalb der Kristallstruktur eher vermieden werden. Es ist daher wichtig, dann mit dem Sintern aufzuhören, wenn die gewünschte Dichte erreicht ist.

Im Prinzip können die Mikrohohlräume auch durch Einarbeitung von Hohlkugeln wie Flug- ascheteilchen oder auch natürlich vorkommenden Organismen wie Hefen oder Lykopodiumpulver gebildet werden. Dabei ist es jedoch wesentlich, dass diese innerhalb des oben spezifizierten Grössenbereichs liegen und ohne weiteres im Sol fein verteilt werden können, ohne zu klumpen. Es können zwar mineralische Hohlteilchen wie beispielsweise Flugascheteilchen verwendet werden, doch ist es im Allgemeinen schwierig, Teilchen mit dem entsprechend feinen Durchmesser zu erhalten.

Die bevorzugte Form der Ausbildung der Mikrohohlräume besteht, wie oben angeführt, in der Einarbeitung eines Polymerlatex. Das Polymer kann zur Gänze polymerisiert oder ein flüssiges Oligomer sein, mit der Massgabe, dass dieses Oligomer seine Teilchengestalt nicht verliert, wenn es mit der Dispersion des Alpha-Tonerdevorläufers vermischt wird. In Frage kommende Polymere sind im Allgemeinen Thermoplasten (auch wenn stattdessen geeignete in Wärme aushärtende Harze verwendet werden können) und schliessen beispielsweise Polystyrol, Polybutadien, Fluorpo- lymere, Polyvinylchlorid und Acrylatpolymere und -Copolymere mit ein.

Es ist auch möglich, ein pulverförmiges Material wie ein Carbonat einzuarbeiten, das sich bei Erhitzen zersetzt und ein Gas liefert, das den Hohlraum in der Struktur erzeugt. Ein Beispiel für eine derartige Verbindung ist Magnesiumcarbonat, das sich zersetzt und dabei Kohlendioxid mit 350 C abgibt, was höher ist als die Temperatur, bei der das Gel getrocknet wird. Es ist auch wasserunlöslich und dispergiert ohne weiteres in einem wässrigen Medium wie einem Boehmit-Sol.

Beim Brennen kann das restliche MgO durch die Ausbildung eines Spinells mit Tonerde als Pin- ning-Mittel wirken, das die Aufrechterhaltung der niedrigen Kristalldimensionen unterstützt. Andere Salze, die nicht auf Carbonate beschränkt sein müssen, sondern auch organische Säuresalze und wasserunlösliche zersetzbare Salze mit umfassen können, sind beispielsweise Nitrate und Acetate.

Die Alpha-Tonerdevorläufer-Dispersion kann auch Teilchen aus einem Material enthalten, das als Keimbildner bei der Umwandlung der Intermediärverbindung in die Alpha-Form von Tonerde wirkt. Typischerweise umfasst dieser Keimbildner Alpha-Tonerdeteilchen mit einer Teilchengrösse von 0,01 bis 1,0 um. Es können jedoch auch andere kristalline Materialien verwendet werden, die die gleiche Struktur wie Alpha-Tonerde haben und Gitterparameter aufweisen, die nahe an jene von Alpha-Tonerde herankommen (wie Alpha-Eisen(III)-oxid oder eine Substanz, die beim Brennen eine solche Verbindung bildet). Diese bewirken, dass die Temperatur bei der Umwandlung in die Alpha-Form abgesenkt und die Grösse der gebildeten Tonerdekristalle reduziert wird.

Der Alpha-Tonerdevorläufer selbst ist vorzugsweise Boehmit, da dieses gut bekannt dafür ist, ein beständiges Sol zu bilden, das leicht gelieren kann, beispielsweise bei Zugabe einer Säure,

sodass sich eine Dispersion von hohlraumbildenden Teilchen im Sol nach der Gelatinierung stabili- sieren kann, um die Einheitlichkeit der Dispersion über die gesamte Verfahrensbilanz beizubehal- ten.

Die Bildung von Schleifkörnern aus der Tonerdedispersion kann mittels jeder herkömmlichen Methode erfolgen. Das getrocknete Gel kann beispielsweise auf den gewünschten Korngrössenbe- reich zerkleinert werden, bevor das getrocknete Gel gebrannt wird. Das ist erheblich einfacher als die Zerkleinerung des gebrannten Materials nach Beginn der Umwandlung in die Alpha-Form und Sinterung, obzwar beide Optionen möglich sind. Es ist weiters möglich, dem Gel durch Extrudieren oder Formen Gestalt zu geben, in der es dann zur Umwandlung in die Alpha-Form gebrannt wird.

Das hat zur Folge, dass stabförmige Teilchen entstehen, die deutliche Vorteile bei mehreren An- wendungen bringen. Das teilweise getrocknete Gel kann auch sehr raschen Temperaturanstiegen ausgesetzt werden, damit sich das Wasser in den Körnern verflüchtigt, was eine explosionsartige Zerkleinerung bewirkt. Dieser Vorgang führt zu Körnern mit einer deutlich dünnen (oder länglichen) Gestalt, deren Eigenschaften recht vorteilhaft sind. Alle diese Kornbildungsvorgänge sollen von dem Ausdruck Schleifkörner "bilden" mit umfasst sein.

Die Erfindung wird nunmehr unter besondere Bezugnahme auf die folgenden Beispiele näher beschrieben, die zur Illustration angeführt sind und den Rahmen der Erfindung in keiner Weise einschränken sollen. Diese Beispiele zeigen die günstige Wirkung auf die Schleifleistung, die die Einarbeitung einer kleineren Menge eines Polymerlatex im Zuge eines Sol-Gel-Verfahrens zur Herstellung von Tonerde-Schleifkörnern zur Folge hat.

Beispiel 1
Durch Zugabe von 2. 400 g Boehmit, erhalten bei Condea unter dem Markennamen dispural#, zu 10 I entionisiertem Wasser wurde eine Stammgelzubereitung hergestellt. Die Mischung wurde 10 min lang unter Verwendung eines Labor-Blitzmischers gerührt, und dann wurden 286,82 g ionenausgetauschte Alpha-Tonerdekeime zugesetzt, danach wurde fünf Minuten weitergerührt. Die Mischung wurde durch Zugabe von 178,75 g 70 %iger Salpetersäure, verdünnt in 7142,57 g entio- nisiertem Wasser, gelieren gelassen und weitere 10 min gerührt, bevor sie 24 h stehen gelassen wurde. Das Gel wurde danach dekantiert und als "Stammgel" für die Verwendung in allen folgen- den Versuchen zur Seite gestellt.

Durch Zugabe von 1,5 g eines Polystyrollatex mit 10 % Feststoffanteil zu 99 g entionisiertem Wasser wurde eine Latexdispersion hergestellt. Der Polystyrollatex enthielt 0,6 um grosse Polysty- rolteilchen und wurde von Sigma Chemicals unter dem Handelsnamen "LB-6" erhalten. Diese Latexdispersion wurde zu 420 g Stammgel gegeben, und die Mischung wurde mit einem Labor- Blitzmischer vorsichtig gerührt, um den Einschluss von Luftblasen zu vermeiden. lonenaustausch- kugeln (40 g HCR-W2 H+ 16-40 Mesh der Firma DOWEX), die zuvor zweimal mit entionisiertem Wasser gewaschen worden waren, wurden 5 min lang in das Gel eingerührt, bevor sie mit Hilfe eines 80-Mesh-Siebs entfernt wurden. Dieser lonenaustauschvorgang wurde vor der Zugabe von 6 g 70 %iger Salpetersäure, verdünnt mit 20 g entionisiertem Wasser, zum Gel wiederholt, und es wurde 5 min lang gemischt.

Das Gel wurde dann bei 100 C in einem Trockenschrank getrocknet, auf-18 Mesh zerkleinert und in einem Drehofen bei 1250 C gebrannt, wobei die Verweilzeit in der heissen Zone 10 Minuten betrug.

Die so hergestellten Schleifkörner hatten eine Kristallgrösse von etwa 0,1 um, wie mit dem un- korrigierten Achsenabschnittsverfahren gemessen wurde. Die Körner wiesen eine Dichte von 3,85 g/cm3 auf, und ein Schliffbild, betrachtet unter dem Lichtmikroskop, zeigte Mikrohohlräume innerhalb des Korns.

Ein Kontrollkorn, das genau wie oben beschrieben, doch ohne Latexzugabe hergestellt wurde, hatte eine Dichte von 3,88 g/cm3und eine Kristallgrösse von etwa 0,1 um. Es waren keine Mikro- hohlräume zu sehen.

Aus der Kontrolle und dem erfindungsgemässen Produkt wurden Schleifkörner ausgewählt. Je- des Korn hatte eine Grösse von-30+35 Mesh. Diese wurden jeweils einem Einpunkt-Ritztest unter- zogen. Bei diesem Test wird das Korn unter Verwendung eines phenolischen Harzklebers auf einer Radnabe aus Stahl mit einem Durchmesser von 305 mm angebracht. Ein Teststück aus 52100-Stahl wurde mit dem Rad in Kontakt gebracht, als sich dieses mit etwa 1600 U/min drehte.

Die Einstechtiefe des Korns wurde mit 10 um festgesetzt und die Oberfläche wurde zur Tempera- tursteuerung mit einem wässrigen Kühlmittel benebelt. Nach jedem Durchlauf wurde das Werk- stück seitlich mit einem Index versehen, damit ein frisches Stück Stahl berührt wird. Pro Korn erfolgten insgesamt fünf Durchläufe. Nach dem Test wurde das Werkstück unter einem Zygo- Profiltastschnittgerät beobachtet, um die Querschnittsfläche jeder Ritze zu messen. Messungen wurden zu Beginn des Tests und in Schleifintervallen während des Tests durchgeführt. Das "Ab- nützungsverhältnis" wird bestimmt, indem die gemessene Querschnittsfläche der Ritze durch die entsprechende Querschnittsfläche beim ersten Durchlauf dividiert wird.

Die Ergebnisse sind in Fig. 1 gezeigt, woraus deutlich zu sehen ist, dass das erfindungsgemä- &num;e Korn ein beständig höheres Abnützungsverhältnis aufwies als das ohne Latexmodifikation hergestellte Korn.

Beispiel 2
Durch Mischen von 3. 200 g Disperal-Boehmit, erhältlich bei Condea, in 10. 571,43 g entioni- siertem Wasser wurde unter 10-minütigem Rühren und unter Verwendung eines Labor-Blitzmixers ein Stammgel hergestellt. Dieses wurde dann mit 228,57 g 70 %iger Salpetersäure, verdünnt in 18 I entionisiertem Wasser, unter Mischen während weiterer 10 Minuten vereinigt. Dieses Gel wurde mit 3000 U/min 1 Stunde lang zentnfugiert und der flüssige Überstand wurde mit 850 g einer ionenausgetauschten Dispersion von Alpha-Tonerde-Keimen mit 4 % Festsstoffgehalt vereinigt, und das Ganze wurde weitere 5 min lang gemischt.

Zu 5 kg der obigen Gelmischung wurden 15 g eines Polystyrollatex mit 10 % Feststoffanteil gegeben, der ähnlich dem in Beispiel 1 verwendeten war, was Herkunft und Gehalt betrifft, mit Ausnahme der Teilchengrösse von 1,1 um, verdünnt mit 200 g entionisiertem Wasser, und der Latex war 1 min lang mit Ultraschall behandelt worden. Die Mischung, die 0,3 % der Polymerteil- chen enthielt, wurde einem doppelten lonenaustauschverfahren wie in Beispiel 1 unterzogen.

Diese Mischung wurde dann mit 28 g 70 %iger Salpetersäure, verdünnt mit 250 g entionisier- tem Wasser, behandelt und 5 min lang gemischt. Dieses Gel wurde dann bei 110 C getrocknet, in einem Braun-Walzenbrecher mit einem Spalt von 1,07 mm zerkleinert und in einem Drehofen gebrannt, wobei der heisseste Bereich 1210 C aufwies und sich die Körner 10 min lang in der heissen Zone aufhielten.

Die erhaltenen Körner hatten eine Dichte von 3,85 g/cm3 und eine Knstailgrösse von etwa 0,1 um. Körner, die auf genau die gleiche Weise, aber ohne Zugabe von Latex hergestellt worden waren, hatten eine ähnliche Kristallgrösse, aber eine Dichte von 3,89 g/cm3. Erfindungsgemässe Körner und konventionelle Körner, die auf die gleiche Weise ohne Zugabe von Latex hergestellt worden waren, wurden dem gleichen Test wie in Beispiel 1 unterzogen, mit der Ausnahme, dass 80 Kornproben für den Test ausgewählt wurden und das Werkstück M7-Stahl war. Die erzielten Ergebnisse zeigten, dass die erfindungsgemässen Körner nach Abschluss des Tests ein Abnüt- zungsverhältnis aufwiesen, das um 162 % höher als jenes von herkömmlichen Körnern war.

PATENTANSPRÜCHE:
1. Alpha-Tonerde-Schleifkörner mit einer Kristallgrösse von weniger als 5 um, dadurch ge- kennzeichnet, dass im Wesentlichen die gesamte Tonerde in der Alpha-Form vorliegt und dass die Schleifkörner eine Dichte von 3,6 bis 3,9 g/cm3 aufweisen, wobei die Schleifkör- ner willkürlich verteilte, im Wesentlichen kugelförmige Hohlräume mit Durchmessern von
0,1bis 5 um aufweisen.

Claims

2. Alpha-Tonerde-Schleifkörner nach Anspruch 1, worin die Mikrohohlräume Durchmesser von 0,5 bis 2 um aufweisen.

3. Verfahren zur Herstellung von Alpha-Tonerde-Schleifkörnern, welches folgende Schritte umfasst : a) Bilden einer wässrigen Dispersion eines Alpha-Tonerdevorläufers; b) einheitliches Verteilen von hohlraumbildenden Teilchen innerhalb der Dispersion; Trocknen und Brennen der einheitlichen Dispersion zwecks Ausbrennens jeglichen organi- schen Materials und Überführens des Alpha-Tonerdevorläufers in Alpha-Tonerde mit <Desc/Clms Page number 5> einheitlich verteilten Mikrohohlräumen, die Durchmesser von 0,1 bis 5 um aufweisen; und c) Bilden von Schleifkörnern im gewünschten Grössenbereich.

4. Verfahren nach Anspruch 3, worin die Kornbildung durchgeführt wird, bevor der Alpha- Tonerdevorläufer zur Bildung von Alphatonerde gebrannt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 3, worin die hohlraumbildenden Teilchen Teilchen aus einem Polymerlatex sind.

6. Verfahren nach Anspruch 5, worin das Polymer ein Kohlenwasserstoff-Polymer ist.

7. Verfahren nach Anspruch 4, worin die hohlraumbildenden Teilchen ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus organischen Feststoffen, anorganischen Hohlteilchen und fes- ten anorganischen Teilchen, die sich bei Erhitzen auf Temperaturen, bei denen Alpha- Tonerde gebildet wird, zersetzen, um Gase abzugeben.

8. Verfahren nach Anspruch 3, worin der Alpha-Tonerdevorläufer weiters Keimteilchen ent- hält, die bei der Umwandlung in die Alpha-Form unterstützend wirken.

9. Verfahren nach Anspruch 3, worin der Alpha-Tonerdevorläufer Boehmit ist.

HIEZU 1 BLATT ZEICHNUNGEN