DD260936A5

DD260936A5 - Verfahren zur herstellung keramischer schleifmittel sowie danach hergestellter schleifmittel

Info

Publication number: DD260936A5
Application number: DD87304335A
Authority: DD
Inventors: Marc S Newkirk
Original assignee: ��@��@��Kk��
Priority date: 1986-08-07
Filing date: 1987-06-30
Publication date: 1988-10-12
Also published as: YU46759B; IN167653B; JPS6343990A; MX165367B; CN1027175C; ATE79105T1; IE871456L; BG48568A3; HUT46617A; PT85356A; AU7410487A; EP0259238B1; FI91271B; AU592874B2; FI872663A0; NO872548L; YU115887A; TR24756A; PT85356B; EP0259238A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Herstellungsverfahren fuer Schleifmittel aus Keramik und Verbundkeramik mit Schleifkoernern sowie ein Schleifmittel als Zerkleinerungsform eines polykristallinen keramischen Materials. Die Schleifkoerper gemaess vorliegender Erfindung bestehen im wesentlichen aus dem Reaktionsprodukt der Oxydation eines Ausgangsmetalls als Vorstufe mit einem Dampfphasen-Oxydationsmittel, und wahlweise aus einem oder mehr metallischen Bestandteilen wie nichtoxydierten Anteilen des Ausgangsmetalls. Eingeschlossen ist ein Verfahren zur Herstellung von Schleifkoernern, die ausserdem noch aus einem oder mehr reaktionstraegen Fuellstoffen bestehen.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung von Schleifmitteln sowie danach hergestellte Schleifmittel als Produkt der Oxydationsreaktion eines Ausgangsmetalls und eines Dampfphasen-Oxydationsmittels, die nach Zerkleinerung als keramisches Schleifkorn oder keramisches Verbundkorn vorliegen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es sind eine Reihe von Schleifmitteln bekannt, die aus natürlichen oder synthetisch hergestellten Materialien bestehen, wie Schleifmittel aus Diamant, Korund und diverser keramischer Materialien. Diese Schleifmittel haben Nachteile vor allem durch hohe Kosten, die mit ihrem Einsatz verbunden sind, oder sie weisen nicht immer die notwendigen technischen Parameter auf, so daß die Schleifmittel in größeren Mengen benötigt werden.

Ziel der Erfindung

Ziel derHrfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Schleifmitteln sowie danach hergestellte Schleifmittel darzulegen, die hohen Qualitätsansprüchen genügen und in ökonomisch vertretbarer Weise hergestellt werden können.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung von Schleifmitteln sowie danach hergestelltes Schleifmittel zu offenbaren, das es ermöglicht, ein neuartiges und verbessertes Schleifmittel von geringer Brüchigkeit, das durch Zerkleinern eines Scherbens oder speziell hergestellten Blocks aus Keramik oder Verbundkeramik zu Teilchen in Kiesgröße entsteht, herzustellen.

Mit dem Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Schleifmittel als Schleifkorn durch Zerkleinerung eines polykristallinen Keramikmaterials hergestellt. Es besteht im wesentlichen aus dem Reaktionsprodukt der Oxydation eines Ausgangsmetalls als Vorstufe mit einem Dampfphasen-Oxydationsmittel und wahlweise einem oder mehr metallischen Anteilen wie z. B. nichtoxydierten Bestandteilen des Ausgangsmetalls. Bei Bedarf kann ein keramisches Verbundmaterial aus dem polykristallinen keramischen Reaktionsprodukt und einem oder mehreren Füllstoffen entstehen, die z. B. zur besseren Schleifwirkung oder zur Senkung der Herstellungskosten beigegeben werden, wie im folgenden näher beschrieben. Gemäß dem Verfahren zur Herstellung eines keramischen Schleifmittels nach vorliegender Erfindung wird im allgemeinen ein Ausgangsmetall als Vorstufe in Gegenwart eines Dampf phasen-Oxydationsmittels auf eine Temperatur erwärmt, die höher liegt als sein Schmelzpunkt und niedriger als der Schmelzpunkt des Produkts der Oxydation, so daß man ein geschmolzenes Ausgangsmetall erhält. Dieses wird mit dem Dampfphasen-Oxydationsmittel zur Reaktion gebracht, und es entsteht ein Reaktionsprodukt, das zu mindest teilweise in Kontakt mit der Ausgangsmetallschmelze verbleibt und sich zwischen ihr und dem Dampfphasen-Oxydationsmittel befindet. In diesem Temperaturbereich wandert geschmolzenes Ausgangsmetall durch das vorher gebildete Reaktionsprodukt der Oxydation hindurch in Richtung des Dampfphasen-Oxydationsmittels und kommt mit diesem an der Grenzfläche zwischen Oxydationsmittel und Reaktionsprodukt in Berührung. Dabei wird es vom Oxydationsmittel oxydiert und bildet eine ständig wachsende Schicht aus dem Reaktionsprodukt. Das Verfahren wird so lange fortgesetzt, daß sich ein keramischer Scherben bildet. Im Bedarfsfall kann die Oxydationsreaktion je nach dem Verwendungszweck des Schleifmittels so lange fortgesetzt werden, bis das Ausgangsmetall im wesentlichen erschöpft und im Keramikscherben so wenig Metall wie möglich durchgehend vorhanden ist. Der Keramikscherben wird z. B. durch eine Prallmühle, Walzenmühle, einen Kreiselbrecher oder andere herkömmliche Verfahren je nach.Endverwendungszweck des Schleifmittels zerkleinert, das entstehende keramische Material wird aufgetragen. Es besteht aus Schleifkörnern und diese im wesentlichen aus dem Produkt der Oxydationsreaktion und wahlweise aus metallischen Anteilen wie nichtoxydierten Bestandteilen des Ausgangsmetalls.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht vorzugsweise im Herstellen eines keramischen Verbundes dadurch, daß eine durchlässige Masse oder ein Füllstoff als Zuschlag, die als Rohling vorgeformt sein können, sich in der Nähe oder im Kontakt mit dem Ausgangsmetall als Vorstufe befinden und das wachsende Reaktionsprodukt aus der Oxydatiqn des Ausgangsmetalls wenigstens einen Teil des Füllstoffes durchdringt und sich in diesem einlagert. Das Ausgangsmetall wird, wie schon beschrieben, erwärmt und die Oxydationsreaktion mit dem Dampfphasen-Oxydationsmittel so lange fortgesetzt, bis.das Reaktionsprodukt zumindest einen Teil des Füllstoffs durchdringt, so daß ein Verbund mit einer keramischen Matrix aus dem Reaktionsprodukt der Oxydation im Füllstoff entsteht, wobei die Matrix wahlweise auch einen oder mehr metallische Bestandteile enthalten kann. Diese keramische Verbundmasse wird wie schon beschrieben herkömmlich auf die gewünschte Größe zerkleinert, das entstehende Material wird aufgefangen. Es besteht aus Schleifkörnem im Mikroverbund und diese wiederum im wesentlichen aus dem ReaktiOnsprodukt der Oxydation des Ausgangsmetalls und des Dampfphasen-Oxydationsmittels, dem Füllstoff und wahlweise einem oder mehr metallischen Anteilen.

Nachdem die Keramik oder Verbundkeramik wie beschrieben hergestellt wurde, läßt man sie abkühlen. Sie wird dann zu Schleifkorn gebrochen oder vermählen. Die Feinheit des Korns richtet sich nach dem Verwendungszweck des Produkts, daher wird die Zerkleinerungseinrichtung je nach der gewünschten Teilchengröße und derZusammensetzung der keramischen Masse gewählt. Verfahren und Anlagen zur Zerkleinerung und Klassierung sind nach dem gegenwärtigen Stand der Technik bekannt und nicht Teil der Erfindung an sich. Es kann wünschenswert sein, die keramische Masse zuerst in große Stücke von Viertel- bis Halbzollgröße z. B. mit einem Backenbrecher oder einer Hammermühle zu zerkleinern, und dann in kleinere Teilchen der Maschenzahl 8-100 oder feiner, z. B. in einer Prallmühle. Der Kies wird normalerweise gesiebt, um Kornfraktionen der gewünschten Größe zu erhalten.

Es entsteht ein Schleifkorn, das gekennzeichnet ist durch Zähigkeit und geringe Brüchigkeit₍bzw. hohe Standzeit. Schleifkorn nach dem Verfahren gemäß vorliegender Erfindung ist vorzugsweise gekennzeichnet durch einen Mikroverbund aus dem Produkt einer Oxydationsreaktion in inniger Bindung mit einem Füllmittel als Zerkleinerungsform einer erzeugten keramischen Masse. Die beim Mahlen oder Brechen der erzeugten Verbundkeramik entstehenden Teilchen enthalten also trotz der beträchtlichen Zerkleinerung sowohl eine keramische Matrix als auch Füllstoffanteile in einer unlösbaren Verbindung. Das körnige Schleifmittel gemäß der vorliegenden Erfindung eignet sich für viele Zwecke, z. B. bei der losen Anwendung zum Polieren, Mahlen oder Strahlputzen. Bei Bedarf kann es in Schleifpapier und -leinen oder gebunden eingesetzt werden, im letzteren Fall mit einem geeigneten Bindemittel wie Harz, Glas, Metall oder einem anderen keramischen Stoff und in Form z. B. einer Schleifscheibe vorliegen. Im erstgenannten Fall geschieht dies in Verbindung mit einem geeigneten Kleber und der

Aufbringung auf eine Unterlage wie Filzzellulose, Leinen oder Pappe. Das Schleifmittel gemäß vorliegender Erfindung kann allein das Endprodukt bilden oder in Verbindung mit anderen schleifenden oder nichtschleifenden Stoffen eingesetzt sein, um bestimmte Eigenschaften oder eine Kostensenkung zu erzielen. ·

Es wurden einige Schleifmittel gemäß vorliegender Erfindung hergestellt und im Vergleich mit einigen herkömmlich produzierten Schleifmitteln auf Brüchigkeit geprüft. Die Prüfung fand in jedem Fall mit einer herkömmlichen Kugelmühle statt. Von dem jeweiligen Schleifmittel wurden 10g genau auf eine spezielle Maschenweite gesiebt und in ein Stahlgefäß (Abbe Co., Größe Mijit) mit 7 zollgroßen gehärteten Stahlkugeln gegeben (200 g, Abbe Co.). Das Gefäß wurde verschlossen und rotierte auf einer Drehvorrichtung 1 Stunde lang bei 92 U/min. Danach wurde das Material wieder durch das gleiche Sieb gegeben und der Anteil gewogen, der nicht hindurch ging. Das Verhalten der Schleifmittel bei dieser Prüfung wurde als Brüchigkeitsindex quantifiziert. Die Ergebnisse zeigt die Tabelle I unten. Der Brüchigkeitsindex bezeichnet den Prozentsatz an Schleifmittel, der nach Prüfung in der Kugelmühle übrigblieb (d. h. die Masse an Schleifmittel, die auf dem Sieb verblieb in g geteilt durch die Ausgangsmasse der Probe — 10g — mal 100). Je höher der Index, desto weniger brüchig ist das Material. Es wurden neun Schleifmittel geprüft, drei davon waren konventionell hergestellt — Schmelztonerde (38 Alundum, Norton Ca., Maschenweite 46), Kaborund (37 Crystolon, Norton Co., Maschenweite 14), ein Sol-Gel-Tonerde-Magnesium-Aluminatmaterial (Cubitron, 3 M Co., Maschenweite 20 und 40, beide geprüft) sowie sechs Produkte, die gemäß der vorliegenden Erfindung und speziell wie im folgenden beschrieben hergestellt waren (bezeichnet als Schleifmittel A-F).

Schleifmittel A wurde hergestellt, indem mehrere Barren Aluminiumlegierung 380.1 (von Belmont Metals, nominell angegebene Massezusammensetzung 0,6% Si, 1,0% Mg und 0,25% Cu und Cr) in eine Schicht aus den gleichen Tonerdepartikeln mit Maschenweite 90 wie oben in einem Feuerfestgefäß so eingebracht wurden, daß eine Oberfläche jedes Barrens der atmosphärischen Luft ausgesetzt war. Auf die freiliegenden Metalloberflächen wurde eine dünne Schicht SiO₂-Dotiermittel aufgebracht. Die Anordnung wurde in einem Industrieofen in 6 Stunden auf 1325⁰C erwärmt. Auch unter diesen Bedingungen wuchs die Keramikmasse nur in die Luft und nicht in das Schichtmaterial. Die Ofentemperatur wurde etwa 160 Stunden lang auf 1325⁰C gehalten, so daß das nichtoxydierte Aluminium im entstandenen Keramikscherben im wesentlichen erschöpft war. Das entstandene keramische Material wurde wie schon beschrieben zerkleinert und auf Masehenweite 12 gesiebt. Schleifmittel C wurde hergestellt, indem einige Barren Aluminiumlegierung mit 10Ma.-%Si und 3Ma.-%Mg vollständig mit einer Schicht Aluminiumoxidpartikel (38.Alundum, Norton Co., Masehenweite 220) in einem Feuerfestgefäß bedeckt wurden. Die Anordnung wurde in einem Industrieofen in 6 Stunden auf 1250°C erwärmt. In diesem Fall war das Wachstum von den Metalloberflächen in das umgebende Schichtmaterial gerichet, und es bildete sich ein keramischer Verbund unter Einschluß der Teilchen des 38-Alundum-Materials. Die Ofentemperatur wurde 120 Stunden lang auf 1250⁰C gehalten und dann in 6 Stunden auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Die Anordnung wurde entnommen, ebenso der entstandene Verbundscherben mit dem Produkt der Oxydationsreaktion und eingeschlossenen Füllstoffteilchen, und die Zerkleinerung geschah mit dem gleichen Brechverfahren wie bereits beschrieben. Das Zerkleinerungsmaterial wurde aufgefangen und auf Masehenweite 12 gesiebt. Schleifmittel D wurde hergestellt, indem einige Barren aus der gleichen Legierung wie zur Herstellung von Material C mit einer Schicht tafelförmigem Aluminiumoxid (Alcoa Co., Masehenweite 60) als Füllstoff in einem Feuerfestgefäß bedeckt wurden. Die Anordnung wurde in einem Industrieofen 6 Stunden lang auf 1250°C erwärmt, dann wuchs das Reaktionsprodukt in die Füllstoffpartikel hinein, die das Metall umgaben. Der Ofen wurde 144 Stunden lang bei einer Temperatur von 1250⁰C gehalten und dann in 6 Stunden auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Der entstandene Verbundscherben aus dem Reaktionsprodukt der Tonerdeoxydation mit dem eingeschlossenen tafelförmigen Aluminiumoxidfüllstoff wurde wie beschrieben zerkleinert und auf Masehenweite 12 gesiebt. '

Schleifmittel E wurde hergestellt, indem einige Barren Aluminiumlegierung 380.1 wie zur Herstellung von Material A mit einer Schicht Sol-Gel-Tonerde-Magnesium-Aluminat-Füllstoff (Cubitron, 3M Co., Masehenweite80) in einem Feuerfestgefäß bedeckt wurden. Die Anordnung wurde in einem Industrieofen 5 Stunden lang auf 1000°C erwärmt. Der Ofen wurde 4 Stunden lang auf 10OOX gehalten und dann in 5 Stunden auf Umgebungstemperatur abgekühlt. Der entstandene Verbundkeramikscherben aus dem Reaktionsprodukt der Tonerdeoxydation mit dem eingeschlossenen Sol-Gel-Füllstoff wurde wie beschrieben zerkleinert und auf Masehenweite 12 gesiebt. \

Schleifmittel F wurde durch getrennte Erwärmung einer Schicht aus Siliziumkarbidteilchen (37 Crystolon, Norton Co., Masehenweite 22Ö) und von etwa 100g der oben eingesetzten Legierung 380.1 auf 1000⁰C hergestellt. Die Schmelze aus der Aluminiumlegierung wurde dann auf die Schicht Siliziumkarbidfüllstoff gegossen und mit weiterem Füllstoff dergleichen Art abgedeckt. Die Anordnung wurde 48 Stunden lang auf 1000⁰C gehalten und dann dem Ofen entnommen. Der entstandene Keramikverbund aus dem Reaktionsprodukt der Tonerdeoxydation miteingeschlossenem Siliziumkarbidfüllstoff wurde wie beschrieben zerkleinert und auf Masehenweite 12 gesiebt.

Die Schleifmittel wurden, wie beschrieben, auf Brüchigkeit geprüft, die Ergebnisse zeigt Tabelle I unten. Daraus geht hervor, daß fünf der sechs gemäß vorliegender Erfindung hergestellten Schleifmittel unter den Prüfbedingungen eine geringere Brüehigkeit aufwiesen als ebenfalls geprüfte konventionell hergestellte. Das Schleifmittel A wurde zwar nach der vorliegenden Erfindung hergestellt und war weniger brüchig als die geprüften herkömmlichen Mittel, jedoch zeigt das Ergebnis ein erwünschtes Merkmal der Erfindung, nämlich die Möglichkeit zur Herstellung von Schleifmitteln mitsehr unterschiedlichen Brüchigkeitseigenschaften für evtl. recht unterschiedliche Schleifanforderungen.

Im Sinne dieser Beschreibung und der beigefügten Ansprüche haben die folgenden Bezeichnungen die angegebene Bedeutung: „Keramik" ist nicht aufzufassen als Beschränkung auf einen keramischen Scherben im herkömmlichen Sinn, dervollständig aus nichtmetallischen und anorganischen Stoffen bestehen würde, sondern bezieht sich auf einen vorwiegend keramischen Scherben bezüglich der Zusammensetzung oder wesentlichen Eigenschaften, der kleine oder beträchtliche Anteile eines oder mehrerer metallischer Bestandteile.aus dem Ausgangsmetall oder reduziertes Dotiermittel enthalten kann, typischerweise von ca. 1-40 Vol.-%, wobei der Metallgehalt noch höher liegen kann.

„Reaktionsprodukt der Oxydation" bezeichnet allgemein ein oder mehrere Metalle in einem beliebigen oxydierten Zustand, gekennzeichnet dadurch, daß ein Metall an ein anderes Element, eine Verbindung oder eine Kombination beider Elektronen abgegeben oder mit ihnen geteilt hat. Dementsprechend umfaßt ein „Reaktionsprodukt der Oxydation " gemäß dieser Definition das Produkt der Reaktion eines oder mehrerer Metalle mit einem Oxydationsmittel wie in dieser Anmeldung beschrieben. „Oxydationsmittel" bezeichnet einen oder mehrere geeignete Elektronenakzeptoren oder -teiler und ist ein Gas (Dampf) oder Bestandteil eines Gases unter den Verfahrensbedingungen.

„Ausgangsmetall" bezeichnet das Metall, z. B. Aluminium, das Vorstufe für das Produkt der polykristallinen Oxydationsreaktion ist, und umfaßt dieses als relativ reines Metall, ein handelsübliches Metall mit Verunreinigungen und/oder Legierungsbestandteilen, oder eine Legierung, in der diese Metallvorstufe Hauptbestandteil ist. Wird ein Metall speziell als Ausgangsmetall genannt, z. B. Aluminium, dann gilt diese Definition, wenn im Zusammenhang nicht anders angegeben. „Verbund" bezeichnet ein heterogenes Material, einen Scherben oder einen Artikel aus zwei oder mehr verschiedenen Stoffen in inniger Verbindung zur Erzielung bestimmter erwünschter Eigenschaften. Beispielsweise können zwei unterschiedliche Stoffe innig verbunden sein, wenn einer in die Matrix des anderen eingelagert ist. Ein keramisches Verbundgefüge besteht typischerweise aus einer keramischen Matrix unter Einschluß eines oder mehrerer verschiedener Füllstoffe wie Teilchen, Fasern, Stäbe usw.

Gemäß vorliegender Erfindung entsteht ein Schleifmittel als Zerkleinerungsform eines Scherbens aus Keramik oder Verbundkeramik nach Oxydation einer Metallvorstufe. Zur Bildung des Scherbens liegt ein Ausgangsmetall als Vorstufe des Reaktionsproduktes der Oxydation in geeigneter Form vor, so als Barren, Block, Platte usw., und befindet sich in einer Schicht aus reaktionsträgem und/oder Füllmaterial in einem Schmelztiegel oder anderen Feuerfestgefäß. Als reaktionsträge gilt ein Stoff, der im wesentlichen für ein Wachstum des Reaktionsprodukts der Oxydation unter den Verfahrensbedingungen nicht durchlässig ist. Diese reaktionsträge Schicht steht im Gegensatz zu einer durchlässigen Füllstoffschicht zur Herstellung eines Verbundgefüges, durch das hindurch das Produkt der Oxydationsreaktion wächst und dabei den Füllstoff in der entstehenden keramischen Matrix einbettet. Das reaktionsträge Material, das in Teilchenform vorliegen kann, dient als Rückhaltemittel für das geschmolzene Ausgangsmetall, das dann oxydiert und sich in die umgebende Atmosphäre oder einen durchlässigen Füllstoff ausbreitet.

Die entsprechende Anordnung aus dem Ausgangsmetall und der Schicht reaktionsträges Material und/oder Füllstoff in einem geeigneten Schmelztiegel oder anderen Gefäß wird auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt des Ausgangsmetalls, aber unter dem des Reaktionsprodukts der Oxydation erwärmt. Allerdings ist zu berücksichtigen, daß der praktikable oder bevorzugte Temperaturbereich nicht unbedingt den gesamten Bereich zwischen dem Schmelzpunkt des Ausgangsmetalls und dem des Reaktionsprodukts der Oxydation umfaßt. Dementsprechend schmilzt das Ausgangsmetall bei dieser Temperatur oder.in diesem Bereich, und die Schmelze reagiert im Kontakt mit dem Oxydationsmittel durch Bildung einer Schicht aus dem Reaktionsprodukt der Oxydation. Bei fortgesetzter Einwirkung der oxydierenden Umgebung wird die verbleibende Schmelze nach und nach in das Reaktionsprodukt der Oxydation hineingezogen und durch dieses hindurch in Richtung des Oxydationsmittels. Damit verbunden ist ein ständiges Wachstum des polykristallinen Materials an der Grenzfläche zwischen Keramik und Oxydationsmittel oder in deren Nähe, und die Bildung eines Produkts aus Keramik oder Verbundkeramik. Das Reaktionsprodukt der polykristallinen Oxydation wächst im wesentlichen konstant (d. h. seine Stärke wächst im wesentlichen gleichmäßig pro Zeiteinheit), wenn ein ausreichender oxydierender Austausch stattfindet. Bei Luft kann der Austausch der oxydierenden Atmosphäre auf einfache Weise durch Luftöffnungen im Industrieofen stattfinden. Das Wachstum des Reaktionsprodukts setzt sich fort, bis mindestens einer der folgenden Faktoren eintritt: 1) das Ausgangsmetall ist im wesentlichen verbraucht; 2) das Oxydationsmittel ist erschöpft oder verbraucht oder die oxydierende Atmosphäre durch eine nichtoxydierende ersetzt oder evakuiert; oder 3) die Reaktionstemperatur liegt deutlich außerhalb des Reaktiönstemperaturbereichs, d. h. unter dem Schmelzpunkt des Ausgangsmetalls. Normalerweise erfolgt die Temperaturabsenkung durch Verringerung der Ofentemperatur, und das Material wird dann entnommen. Das entstandene keramische Produkt besteht jm wesentlichen aus dem Reaktionsprodukt der Oxydation des Ausgangsmetalls mit dem Oxydationsmittel und wahlweise aus einem oder mehr Metallbestandteilen wie z. B. nichtoxydierten Anteilen des Ausgangsmetalls. Es ist zu berücksichtigen, daß der entstandene polykristalline Stoff porös sein kann, da die Metallphase teilweise oderfast ganz ersetzt wurde, jedoch hängt der Anteil der Hohlräume im Produkt in Vol.-% wesentlich von Bedingungen wie Temperatur, Zeit und Art des Ausgangsmetalls ab. Das polykristalline Reaktionsprodukt der Oxydation liegt in Form von Kristalliten vor, die zumindest teilweise miteinander verbunden sind. Wenn auch die vorliegende Erfindung im folgenden unter besonderer Berücksichtigung von Aluminium und seinen speziellen Anwendungsfällen beschrieben wird, geschieht dies nur im Sinne eines Beispiels, und es können auch andere Metalle wie Silizium, Titan, Hafnium, Zirkon usw. eingesetzt werden, den Anforderungen der Erfindung genügen oder entsprechend dotiert werden können.

Das Dampfphasen-Oxydationsmittel liegt normalerweise bei der Verfahrensbedingungen gas- oder dampfförmig vor und schafft eine oxydierende Atmosphäre. Zu den typischen Oxydationsmitteln dieser Art gehören z. B. Sauerstoff oder ein sauerstoffhaltig es Gas, Stickstoff oder ein stickstoffhaltiges Gas, ein Halogen, Schwefel, Phosphor, Arsen, Kohlenstoff, Bor, Selen, Tellur sowie ihre Verbindungen und Kombinationen wie Methan, Sauerstoff, Ethan, Propan, Azetylen, Ethylen, Propylen (Kohlenwasserstoff als Kohlenstoffquelle), und Mischungen wie Luft-H₂/H₂O und CO/CO₂, letztere zur Senkung der Sauerstoffaktivität der Umgebung. Wird für ein Dampfphasen-Oxydationsmittel angegeben, daß es ein besonderes Gas oder einen Dampf enthält, dann sind dies die einzig oxydierenden Faktoren für das Ausgangsmetall unter den Bedingungen in der eingesetzten oxydierenden Umgebung. Das heißt, daß Luft als Oxydationsmittel definiert ist als „sauerstoffhaltiges Gas" und nicht als „stickstoffhaltiges Gas". Ein Beispiel für „stickstoffhaltiges Gas" als Oxydationsmittel gemäß den Patentansprüchen ist „Formiergas" mit einem charakteristischen Gehalt von etwa 96 Vol.-% Stickstoff und etwa 4 Vol.-% Wasserstoff. Es gibt Ausgangsmetalle, die unter besonderen Bedingungen im Hinblick auf Temperatur und oxydierende Atmosphäre die Anforderungen an das Oxydationsregime der vorliegenden Erfindung ohne besondere Zusätze oder Modifikationen erfüllen. Jedoch können Dotiermittel zusammen mit dem Ausgangsmetall die Oxydationsreaktion günstig beeinflussen oder fördern. Ohne Festlegung auf eine spezielle Theorie oder Erklärung der Funktion von Dotiermitteln ist offensichtlich, daß einige in den Fällen von Nutzen sind, wo die erwünschten Beziehungen zwischen Ausgangsmetall und dem Reaktionsprodukt der Oxydation hinsichtlich der Oberflächenenergie nicht von vornherein gegeben sind. So fördern oder beschleunigen bestimmte Dotiermittel einzeln oder zusammen durch Herabsetzung der Grenzflächenenergie zwischen Feststoffen und Flüssigkeiten die Entwicklung des polykristallinen Gefüges bei der Oxydation des Metalls zu einer Struktur, die Kanäle für den Fluß der Metallschmelze enthält, wie sie für das neue Verfahren benötigt werden. Die Dotiermittel könnten weiterhin, entweder als Keimbildner für stabile Kristallite aus dem Oxydationsprodukt oder durch Zerstörung einer anfänglich passiven Schicht an Oxydationsprodukt, oder durch beide Wirkungen, das keramische Wachstum in Gang bringen. Die letztere Gruppe von Dotiermitteln ist vielleicht für das

keramische Wachstum nicht erforderlich, kann aber eine Rolle spielen bei der Verkürzung einer eventuellen Inkubationszeit vor Beginn des Wachstums bis zur kommerziellen Nutzung bei bestimmten Systemen von Ausgangsmetallen. Welche Funktion oder Funktionen ein Dotiermittel ausübt, kann von mehreren Faktoren abhängen, die nicht im Material selbst begründet sind. Dazu gehören z. B. die Art des Ausgangsmaterials, das erwünschte Endprodukt, die spezielle Kombination von zwei oder mehr Dotiermitteln, die Verwendung eines von außen wirkenden Dotiermittels zusammen mit einem legierten, die Konzentration des Dotiermittels, die oxydierende Umgebung und die Verfahrensbedingungen.

Für Aluminium als Ausgangsmetall und besonders mit Luft als Oxydationsmittel eignen sich z.B. metallisches Magnesium und Zink einzeln oder zusammen, oder in Kombination mit weiteren im folgenden beschriebenen Dotiermitteln. Diese Metalle oder ein geeigneter Spender können mit dem Ausgangsmetall auf Aluminiumgrundlage bei einer jeweiligen Konzentration zwischen 0,1 bis 10Ma.-%zur Gesamtmasse des erhaltenen dotierten Metalls legiert werden. Der Konzentrationsbereich für jedes einzelne Dotiermittel hängt von solchen Faktoren ab wie der Kombination mit anderen Dotiermitteln und der Verfahrenstemperatur. Konzentrationen in diesem Bereich leiten offensichtlich das keramische Wachstum ein, verstärken den Metallfluß und haben einen günstigen Einfluß auf die Wachstumsformen des Oxydationsprodukts.

Weitere Dotiermittel für Ausgangsmetallsysteme auf Aluminiumgrundlage zur Förderung des Wachstums an Reaktionsprodukt aus der polykristallinen Oxydation sind z. B. Silizium, Germanium, Zinn und Blei, besonders in Verbindung mit Magnesium oder Zink. Sie werden einzeln oder zusammen bzw. in Form eines Spenders mit einer jeweiligen Konzentration.von etwa 1-10Ma.-% der gesamten Ausgangsmetallegierung beigegeben. Blei als Dotiermittel wird allgemein mit dem Ausgangsmetall auf Aluminiumgrundlage bei einer Mindesttemperatur von 100OX legiert. Damit wird seine geringe Löslichkeit in Aluminium berücksichtigt, jedoch steigt diese normalerweise durch Zugabe von anderen Legierungsbestandteilen wie Zinn, die damit bei niedrigeren Temperaturen zugegeben werden können. _t

Es kann je nach den Umständen und wie beschrieben ein Dotiermittel oder mehrere eingesetzt werden. Beim Ausgangsmetall Aluminium mit Luft als Oxydationsmittel sind z. B. besonders geeignete Zusammenstellungen a) Magnesium und Silicium oder b) Magnesium, Zink und Silizium. Die bevorzugte Magnesiumkonzentration in diesen Fällen liegt zwischen ca. 0,1 und ca. 3Ma.-%und beträgt für Zink etwa 1-6Ma.-% und für Silizium etwa 1-10Ma.-%.

Außerdem eignen sich als Dotiermittel für Aluminium als Ausgangsmetall noch Natrium, Lithium, Kalzium, Bor, Phosphor und Yttrium einzeln oder zusammen mit einem oder mehr weiteren Dotiermitteln je nach Oxydationsmitteln und Verfahrensbedingungen. Natrium und Lithium können in sehr kleinen Mengen im ppm-Bereich, typischerweise ca. 100-200 ppm, allein, zusammen oder kombiniert mit anderen Dotiermitteln eingesetzt werden. Gut geeignet als Dotiermittel sind auch Seltenerdmetalle wie Zer, Lanthan, Praseodym, Neodym und Samarium, wiederum besonders in Verbindung mit anderen Dotiermitteln.

Dotiermittel brauchen nicht mit dem Ausgangsmetall legiert zu werden, und das keramische Wachstum kann z. B. durch selektives Aufbringen eines oder mehrerer Dotiermittel in einer dünnen Schicht auf einen Teil oder die ganze Oberfläche des Ausgangsmetalls an diesen Stellen bewirkt werden, so daß sich das polykristalline Keramikmaterial in ausgewählten Bereichen in den durchlässigen Füllstoff ausbreitet. Dieses Wachstum kann also durch örtliches Aufbringen eines Dotiermittels auf die Oberfläche des Ausgangsmetalls gesteuert werden. Im Verhältnis zur Stärke des letzteren ist der Überzug oder die Schicht an Dotiermitteln dünn, und das Reaktionsprodukt der Oxydation wächst oder bildet sich weit über die Dotiermittelschicht bzw. ihre Stärke hinaus. Die Dotiermittelschicht kann durch Aufstreichen, Tauchen, Siebdruck, Aufdampfen, in flüssiger oder pastöser Form, durch Aufspritzen oder einfach in Form von Feststoffteilchen bzw. als dünne Schicht auf das Ausgangsmetall aufgebracht werden. In ihr können organische oder anorganische Bindemittel, Lösungsmittel und/oder Eindickmittel enthalten sein. Eine bevorzugte Form der Aufbringung auf die Oberfläche des Ausgangsmetalls besteht im Aufsprühen einer flüssigen Suspension von Dotiermitteln in einer Mischung von Wasser und organischen Bindemitteln. Es bildet sich ein anhaftender Überzug, der den Umgang mit dem dotierten Ausgangsmetall vor der Verarbeitung erleichtert.

Werden Dotiermittel äußerlich aufgebracht, dann normalerweise als gleichmäßiger Überzug auf einem Teil der Oberfläche des Ausgangsmetalls. Die wirksame Menge an Dotiermittel schwankt stark im Vergleich zur Menge des Ausgangsmetalls, und im Fall von Aluminium konnten die Ober- und Untergrenzen durch Versuche nicht bestimmt werden. Wenn z. B. Silizium als SiO₂ äußerlich als Dotiermittel auf ein Ausgangsmetall auf Aluminiumgrundlage aufgebracht wird und als Oxydationsmittel Luft oder Sauerstoff dient, dann bewirken schon Mengen von 0,00003g Silizium pro g Ausgangsmetall oder etwa 0,0001 g pro cm² freiliegender Oberfläche des Ausgangsmetalls ein polykristallines keramisches Wachstum in Verbindung mit einem zweiten Dotiermittel als Quelle für Magnesium und/oder Zink. Es wurde auch festgestellt, daß bei Luft oder Sauerstoff als Oxydationsmittel ein Ausgangsmetall auf Aluminiumgrundlage ein Keramikgefüge liefern kann, wenn MgO oder MgAI₂O₄ in Mengen über ca. 0,003g Mg pro cm² zu dotierender Ausgangsmetalloberfläche und über ca. 0,0008 g Mg pro g zu oxydierenden Ausgangsmetalls eingesetzt werden.

In bestimmten Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden das Ausgangsmetall, das Aluminium, Silizium, Zirkon, Hafnium oder Titan enthalten kann, und eine durchlässige Füllstoffmasse so zusammengebracht und zueinander ausgerichtet, daß das bereits beschriebene Produkt der Oxydationsreaktion in Richtung des Füllstoffs wächst, in diesen ganz oder teilweise eindringt und sich in ihm einlagert. Dieses Zusammenbringen und die Ausrichtung zueinander können einfach dadurch geschehen, daß das Ausgangsmetall in eine Schicht aus Füllstoffteilchen eingebracht wird bzw. eine oder mehr Portionen des Ausgangsmetalls sich in oder an einer als Schicht oder anders angeordneten Füllstoffmenge befinden. Diese kann z.B. aus Plättchen, Kugeln (voll oder hohl). Pulver oder anderen Feststoffteilchen sowie aus Zuschlagstoffen, feuerfesten Fasern, Röhrchen, Haarkristallen usw. oder Mischungen davon bestehen. Die Anordnung geschieht auf jeden Fall so, daß das Reaktionsprodukt der Oxydation in einer Richtung wächst, wobei es zumindest einen Teil des Füllstoffs durchdringt oder einschließt und mit seiner Matrix Hohlräume zwischen den Füllstoffteilchen schließt.

Sind zur Förderung oder Erleichterung der Ausbreitung des Oxydationsproduktes in der durchlässigen Füllstoffmasse ein oder mehr Dotiermittel erforderlich oder erwünscht, können sie auf bzw. im Ausgangsmetall eingesetzt oder mit dem Füllstoff bzw. zusätzlich durch diesen geliefert werden. So kann das Dotiermittel als Legierungsbestandteil des Ausgangsmetalls auftreten, es kann wie beschrieben zumindest auf einen Teil der Oberfläche des Ausgangsmetalls aufgetragen werden, es kann auf den Füllstoff aufgetragen oder in ihm oder einem Teil der Füllstoffschicht enthalten sein, und es können zwei oder mehrere der genannten Verfahren kombiniert sein. Der Auftrag eines oder mehrerer Dotiermittel auf den Füllstoff kann auf jede geeignete Art

-β-

geschehene. B. durch Dispersion des Dotiermittels im gesamten Füllstoff oder Teilen desselben als feine Tröpfchen oder feste Teilchen, und vorzugsweise in dem Teil der Füllstoffschicht, der an das Ausgangsmetall angrenzt. Es kann auch eine Schicht aus einem oder mehreren Dotiermitteln auf den Füllstoff und innerhalb desselben aufgebracht werden, einschließlich innerer Hohl- und Zwischenräume usw., die die Durchlässigkeit bewirken. Als Quelle für Dotiermittel kann auch ein starrer Körper dienen, der mit zumindest einem Teil der Oberfläche des Ausgangsmetalls und der Füllstoffschicht in Berührung steht. Ist z. B. ein Siliziumdotiermittel erforderlich, kann eine dünne Tafel siliziumhaltiges Glas oder eines anderen Materials auf eine Oberfläche des Ausgangsmetälls aufgelegt werden, nachdem ein zweites Dotiermittel aufgebracht wurde. Es kommt zur Ausbreitung des polykristallinen Keramikmaterials in den durchlässigen Füllstoff, wenn das Ausgangsmetall mit dem darüberliegenden siliziumhaltigen Material in einer oxydierenden Umgebung geschmolzen wird (z. B. Aluminium in Luft bei ca. 850-1450⁰C und vorzugsweise bei ca. 900-1350"C). Wenn das Dotiermittel äußerlich auf mindestens einen Teil der Oberfläche des Ausgangsmetalls aufgebracht wird, breitet sich das polykristalline Oxidgefüge normalerweise im durchlässigen Füllstoff weit über die Dotiermittelschicht hinaus aus (d.h. tiefer als die aufgebrachte Dotiermittelschicht). Auf jeden Fall kann ein Dotiermittel, oder auch mehrere, äußerlich an der Oberfläche des Ausgangsmaterials bzw. der durchlässigen Füllstoffschicht aufgebracht werden. Außerdem können im Ausgangsmetall legierte bzw. äußerlich an ihm aufgebrachte Dotiermittel durch solche in der Füllstoffschicht in ihrer Wirkung verstärkt werden, und eine zu schwache Konzentration derersteren kann durch größere Konzentration letzterer ausgeglichen werden bzw. umgekehrt.

Wenn bei der Herstellung eines keramischen Verbundgefüges das Ausgangsmetall Aluminium und das Oxydationsmittel ein sauerstoffhaltiges Gas ist, dann werden die entsprechenden Mengen Dotiermittel wie beschrieben mit dem Ausgangsmetall legiert oder auf ihm aufgetragen. Es wird dann in einen Schmelztiegel oder anderen feuerfesten Behälter gegeben, wo die Metalloberfläche sich in der Nachbarschaft eines durchlässigen Füllstoffs befindet oder von ihm sowie von einer oxydierten Atmosphäre umgeben ist (normalerweise Luft bei Umgebungsdruck). Diese Anordnung wird dann in einem Industrieofen normalerweise auf ca. 850-145O⁰C vorzugsweise auf ca. 900-1350⁰C erwärmt, je nach Füllstoff, Dotiermittel bzw. seiner Konzentration oder einer Kombination dieser Faktoren. Das führt dann zur Wanderung des Ausgangsmetalls durch die Oxidschicht, die normalerweise das Aluminium schützt.

Wenn auf das Ausgangsmetall bei hoher Temperatur fortgesetzt das Oxydationsmittel einwirkt, bildet sich das schon beschriebene polykristalline Reaktionsprodukt. Wird bei der Herstellung eines keramischen Verbundgefüges ein festes Oxydationsmittel eingesetzt, dann kann es im gesamten Füllstoff oder in dem Teil verteilt sein, der mit dem Ausgangsmaterial in Berührung steht. Ein flüssiges Oxydationsmittel kann auf den gesamten Füllstoff als Überzug aufgebracht sein oder ihn durchtränken. In jedem Fall breitet sich das iReaktionsprodükt der Oxydation fortlaufend in den angrenzenden durchlässigen Füllstoff mit seiner Matrix aus, die auch nichtoxydierte Anteile des Ausgangsmetalls oder metallische Bestandteile eines reduzierbaren Dotiermittels enthalten kann, und bildet einen zusammenhängenden Verbund. Die wachsende polykristalline Matrix tränkt oder durchdringt den Füllstoff.

Geeignete Beispiele für Füllstoff gemäß dieser Erfindung sind u. a., je nach Ausgangsmetall und dem gewählten Oxydationssystem, eine oder mehrere Arten von Oxiden, Nitriden, Boriden oder Karbiden. Dazu gehören z.-B. Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Silika, Silizium-Aluminium-Oxynitrid, Zirkoniumoxid, Zirkoniumborid, Titannitrid, Bariumtitanat, Bornitrid, Siliziumnitrid, Diamant, Titandiborid, Magnesiospinell und Mischungen daraus. Allerdings kann gemäß der Erfindung jeder geeignete Füllstoff eingesetzt werden. ,

Das folgende Beispiel veranschaulicht bestimmte Aspekte der Erfindung.

Ausführungsbeispiel

Ein Schleifmittel wurde gemäß vorliegender Erfindung hergestellt und hinsichtlich seiner Fähigkeit zum Abtragen einer handelsüblichen Stahlqualität mit einem herkömmlichen Aluminiumoxidschleifmittel verglichen (38 Alundum, Norton Co., auf Maschenweite 14 gesiebt).

Das Schleifmittel gemäß vorliegender Erfindung enthält Mikroverbundkörner, die im wesentlichen aus dem Reaktionsprodukt der Oxydation einer Aluminiumlegierung in Luft als Dampfphasen-Oxydationsmittel und aus einem Siliziumkarbid-Füllstoff bestanden. Es wurde nach dem für Schleifmittel F beschriebenen Verfahren hergestellt und dann auf Maschenweite 14 gesiebt. Es wurden 20g des beschriebenen herkömmlichen Aluminiumoxidschleifmittels 38 Alundum und 20g des Aluminiumoxid-Siliziumkar.bid-Verbundschleifmittels gemäß vorliegender Erfindung in getrennte Stahlgefäße gegeben (Abbe Co., Größe Mijit). Je ein Satz aus drei Stahl-Gewindestäben wurde genau gewogen und in das Gefäß gegeben. Dieses wurde verschlossen und rotierte auf einer Drehvorrichtung eineinhalb Stunden lang bei 92 U/min. Die Gewindestäbe wurden dann entnommen und durch Wiegen ihr Masseverlust bestimmt.

Beim herkömmlichen Schleifmittel betrug die Masse vor dem Versuch 36,37 g und 36,32 g danach, wobei der Verlust von 0,05g in eineinhalb Stunden 0,13% ausmacht. Bei dem Schleifmittel gemäß vorliegender Erfindung betrug die Masse 36,49g vorher und 36,44g danach, ein Verlust von 0,05g oder 0,14% in der gleichen Zeit.

Tabelle A

Schleifmittel	Siebmaschenweite	Brüchigkeitsindex
Aluminiumoxid
(38 Alundum, Norton Co.)	46 *	6,1
Siliziumkarbid
(37 Crystolon, Carbonrundum Co.)	14	9,1
Sol-Gel-Tonerde-Magnesium-Aluminat
(Cubitron,3MCo.)	20	13,1
Sol-Gel-Tonerde-Magnesium-Aluminat
(Cubitron,3MCo.)	40	18,5

Schleifmittel Siebmaschenweite Brüchigkeitsindex

Schleifmittel A 46 2,5

Schleifmittels 12 38,3

Schleifmittel C 12 25,5

Schleifmittel D 12 29,2

Schleifmittel E 12 40,4

Schleifmittel F 12 44,8

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Herstellung von Schleifmitteln mit Körnern im wesentlichen aus 1. dem Reaktionsprodukt der Oxydation eines Ausgangsmetalls mit einem Dampfphasen-Oxydationsmittel und 2. wahlweise einem oder mehr nichtoxydierten metallischen Bestandteilen des Ausgangsmetalls, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

(A) Erwärmung des Ausgangsmetalls auf eine Temperatur über seinen Schmelzpunkt und unter dem des Reaktionsproduktes der Oxydation zur Bildung einer Metallschmelze, die dann bei dieser Temperatur mit dem Dampfphasen-Oxydationsmittel reagiert und das Oxydationsprodukt bildet, welches zumindest teilweise in Berührung mit der Metallschmelze . und zwischen ihr und dem Oxydationsmittel verbleibt, so daß geschmolzenes Metall durch das Oxydationsprodukt in Richtung des Oxydationsmittels wandern und sich weiteres Oxydationsprodukt an der Grenzfläche zwischen dem Oxydationsmittel und bereits vorhandenem Oxydationsprodukt bilden kann bzw. nichtoxydierte Bestandteile des Ausgangsmetalls im Oxydationsprodukt verteilt bleiben, und diese Reaktion so lange fortgesetzt wird, bis ein keramischer Scherben erzeugt ist, gefolgt von

(B) der Zerkleinerung des Keramikscherbens und

(C) dem Auffangen des zerkleinerten keramischen Materials.
2. Verfahren zur Herstellung von Schleifmitteln mit Körnern im wesentlichen aus 1. dem Reaktionsprodukt aus der Oxydation eines Ausgangsmetalls mit einem Dampfphasen-Oxydationsmittel, 2. einem Füllstoff und wahlweise 3. einem oder mehr metallischen Bestandteilen, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren folgende Schritte umfaßt:

(A) Erwärmung des Ausgangsmetalls auf eine Temperatur über seinem Schmelzpunkt und unter dem des Reaktionsproduktes der Oxydation zur Bildung einer Metallschmelze, die mit der Zone einer Füllstoffmasse in Berührung gebracht wird und mit dem Dampfphasen-Oxydationsmittel reagiert und das Oxydationsprodukt bildet, welches zumindest teilweise in Berührung mit der Metallschmelze und zwischen ihr und dem Oxydationsmittel verbleibt, so daß ständig Metallschmelze durch das Oxydationsprodukt in Richtung des Oxydationsmittels und des Füllstoffs und in diesen hinein wandert und sich weiteres Oxydationsprodukt an der Grenzfläche zwischen dem Oxydationsmittel und bereits vorhandenem Oxydationsprodukt bilden kann, das in den Füllstoff eingedrungen ist, wobei die Oxydationsreaktion so lange fortgesetzt wird, bis das Oxydationsprodukt zumindest in einen Teil des Füllstoffs eingedrungen ist und einen keramischen Verbundscherben gebildet hat, wobei oxydierte Anteile des Ausgangsmetalls im Oxydationsprodukt verteilt bleiben,

(B) Zerkleinerung des Keramikscherbens, und

(C) Auffangen des zerkleinerten keramischen Verbundmaterials.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß das zerkleinerte Material mit einem Bindemittel gemischt und geformt wird, erhärtet und damit ein Schleifmittel erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß das zerkleinerte Material mit einem Kleber gemischt, auf eine Unterlage aufgebracht und damit ein Schleifmittel erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Auswahl des Füllstoffs aus einer Gruppe von Oxiden, Nitriden, Boriden und Karbiden.
6. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch Auswahl des Füllstoffs aus einer Gruppe bestehend aus Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Zirkonia, Diamant, Titandiborid, Bornitrid, Borkarbid und Magnesiumaluminatspinell.
7. Verfahren nach Anspruch 1,2,5 oder 6, gekennzeichnet dadurch, daßdas Ausgangsmetall Aluminium, das Oxydationsmittel Luft und das Reaktionsprodukt der Oxydation Aluminiumoxid ist.
8. Schleifmittel, welches gemäß Verfahren nach Anspruch 1 hergestellt wird.
9. Schleifmittel, welches gemäß Verfahren nach Anspruch 2 hergestellt wird.