Die Erfindung betrifft Schleifwerkzeuge, insbesondere glasartig gebundene Schleifwerkzeuge, die mit einer Niedertemperaturbindung und gesintertem Sol-Gel-Aluminiumoxidschleifkorn hergestellt sind.

Die Schleifwerkzeuge sind durch eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegenüber Schädigung der Körner durch das Brennen der Bindung während der Herstellung der Werkzeuge charakterisiert. Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Zusammensetzung für eine glasartige Bindung, die zum Brennen bei relative niedrigen Temperaturen wie 600–875°C geeignet ist.

Schleifwerkzeuge, die beimpftes oder unbeimpftes, gesintertes Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifkorn, auch mikrokristallines alpha-Aluminiumoxid (MCA) genannt, enthalten, sind bekannt dafür, dass sie ein verbessertes Leistungsverhalten beim Schleifen einer Vielzahl von Materialien bereitstellen. Die Herstellung und die Eigenschaften dieser MCA-Körner und das Leistungsverhalten dieser MCA-Körner in unterschiedlichen Anwendungen sind z. B. in den US-Patenten mit den Nummern U.S.-A-4,623,364, 4,314,827, 4,744,802, 4,898,597 und 4,543,107 beschrieben, deren Inhalt durch Bezugnahme hier aufgenommen wird.

Glasartig- oder glasgebundene, MCA-Korn enthaltene Schleifwerkzeuge sind zum Schleifen von Präzisionsmetallteilen und anderen industriellen Komponenten kommerziell einsetzbar, die ein gleichmäßiges und verbessertes Leistungsverhalten beim Schleifen erfordern. Um diese Art Schleifwerkzeuge in gleichbleibender Qualität herzustellen, müssen Reaktionen zwischen den Komponenten der Glasbindung und den MCA-Körnern bei den typischerweise beim Brennen der Bindung herrschenden Temperaturen, z. B. 1100–1400°C, vermieden werden. Durch das Kontrollieren dieser Reaktionsbedingungen wird die Schädigung der entscheidenden, mikrokristallinen Struktur des Korns minimiert.

Um das Ausmaß der Reaktion zwischen MCA-Korn und glasartiger Bindung zu verringern, beschreibt U.S.-A-4,543,107 eine Zusammensetzung für eine Bindung, die dazu geeignet ist, bei so niedrigen Temperaturen wie etwa 900°C gebrannt zu werden. In einer alternativen Herangehensweise beschreibt U.S.-A-4,898,597 eine Zusammensetzung für eine Bindung, die zumindest 40% gefrittete Materialien, die zum Brennen bei so niedrigen Temperaturen wie etwa 900°C geeignet sind, enthält. In bestimmten Schleifanwendungen haben diese Niedertemperaturbindungen eine unzureichende mechanische Festigkeit zur Erreichung kommerzieller Zielvorgaben gezeigt, wodurch die Entwicklung stärkerer Bindungen ausgelöst wurde.

Glasartige Bindungen, die sich durch verbesserte mechanische Festigkeit auszeichnen, wurden entweder zur Verwendung mit Aluminiumoxid- oder MCA- (das auch als Sol-Gelalpha-Aluminiumoxid bezeichnet wird) Schleifkörnern bei der Herstellung von Schleifrädern mit verbesserten formerhaltenden Eigenschaften beschrieben. Solche Bindungen sind in der U.S.-A-5,203,886, U.S.-A-5,401,284 und U.S.-A-5,536,283 beschrieben, die durch Bezugnahme hier aufgenommen werden. Diese glasartigen Bindungen können bei relativ niedrigen Temperaturen (z. B. bei etwa 900–1100°C) gebrannt werden, um eine Reaktion mit dem gesinterten, Hochleistungs-Sol-Gel-alpha-Aluminiumoxidkorn zu vermeiden. Die Schleifscheiben, die mit diesen Bindungen und MCA-Körnern hergestellt wurden, zeigten exzellentes Leistungsverhalten bei der Endbearbeitung von beweglichen Präzisionsteilen, insbesondere eisenhaltigen Teilen.

Insbesondere beschreibt U.S.-A-5,203,886 zwei spezielle Bindungen für glasartig gebundene Schleifkörper. Die Bindung A ist eine ungebrannte Bindung, die nach dem Brennen eine Zusammensetzung aus 43,6 Gew-% SiO₂, 18,6 Gew.-% B₂O₃, 17,8 Gew.-% Al₂O₃, 1,5 Gew.-% CaO, 9,4. Gew.-% Na₂O, 2,9 Gew.-% K₂O, 1,8 Gew.-% Li₂O, 1,0 Gew.-% CoO und 0,7 Gew.-% Fe₂O₃, TiO und MgO aufweist. Die Bindung B ist eine gefrittete Bindung, die nach dem Brennen eine Zusammensetzung aus 56,6 Gew.-% SiO₂, 26,1 Gew.-% B₂O₃, 7,5 Gew.-% Al₂O₃,2,2 Gew.-%CaO, 5,3 Gew.-% Na₂O, 0,1 Gew.-% K₂O, kein Li₂O, 1,2 Gew.-% CoO und 1,0 Gew.-% Fe₂O₃, TiO und MgO aufweist. Die Brenntemperatur für die Schleifprodukte gemäß US-A-5,203,886 beträgt im Allgemeinen mehr als etwa 600°C und weniger als etwa 1050°C, vorzugsweise liegt sie im Bereich von etwa 800 bis etwa 1000°C. In den Beispielen wird es betont, dass die Schleifscheiben bei 900°C gebrannt wurden.

EP-A-0 636 457 (entsprechend der oben genannten US-A-5,401,284) beschreibt eine glasartige Bindung für eine Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifmittel enthaltende Schleifscheibe. Die glasartige Bindung umfasst nach dem Brennen mehr als 47 Gew.-% SiO₂, weniger als etwa 16 Gew.-% Al₂O₃, weniger als etwa 2,5 Gew.-% K₂O, mehr als etwa 2,0 Gew.-% Li₂O und weniger als etwa 18 Gew.-% B₂O₃. Die einzige in EP-A-0 636 457 erwähnte Brenntemperatur für die Schleifscheiben ist 1000°C.

Schließlich beschreiben US-A-5,536,283 und US-A-5,573,561 (die „continuation-in-parts"-Anmeldungen der US-A-5,401,284 sind) glasartige Bindungen für Schleifscheiben, wobei die Bindungen nach dem Brennen mehr als 47 Gew.-% SiO₂, weniger als etwa 16 Gew.-% Al₂O₃, von etwa 0,5 bis etwa 2,5 Gew.-% K₂O, von etwa 7 bis etwa 11 Gew.-% Na₂O, von etwa 2,0 bis etwa 10,0 Gew.-% Li₂O und von etwa 9 bis etwa 16 Gew.-% B₂O₃. Die Temperaturen, bei denen diese Bindungen gebrannt werden, betragen gemäß den Ausführungsbeispielen in diesen Dokumenten 1000°C.

Es wurde nun entdeckt, dass durch die Auswahl geeigneter Materialkomponenten geeignete Bindungen hergestellt und bei etwa 600–875°C , vorzugsweise 700–800°C, gebrannt werden können. Insbesondere durch die Auswahl geeigneter Anteile an Boroxid, Alkalimetalloxiden und Erdalkalimetalloxiden sowie durch die Einhaltung der korrekten Verhältnisse von Boroxid zu Alkalimetalloxiden, Natriumoxid zu Lithiumoxid und Siliziumoxid zu der Kombinationen aus Alkalimetalloxiden und Erdalkalimetalloxiden in diesen Bindungen und die anschließende Formulierung einer Scheibe, die diese neue Bindung und MCA-Korn enthält, können Schleifwerkzeuge mit verbessertem G-Faktor und verbessertem Leistungsverhalten beim Schleifen bei verringerter Leistungsaufnahme und bei akzeptabler Oberflächengüte des Werkstückes hergestellt werden. Diese Werkzeuge stellen eine Verbesserung gegenüber den bisher aus dem Stand der Technik bekannten, bei niedrigen Temperaturen gebrannten, glasartig gebundenen und MCA-Korn enthaltenden Werkzeugen dar.

Die Erfindung ist ein Schleifwerkzeug umfassend MCA-Korn und eine neue, glasartige Bindung, wobei die glasartige Bindung nach dem Brennen weniger als etwa 45 Mol-% SiO₂, maximal etwa 15 Mol-% Al₂O₃, von etwa 24 bis etwa 35 Mol-% B₂O₃, von etwa 15 bis etwa 30 Mol% Alkalimetalloxiden, die zumindest 5 Mol-%, bezogen auf die Bindung, Lithiumoxid umfasst, und das Molverhältnis von B₂O₃ zu Alkalimetalloxiden von 0,8 : 1 bis 1,7 : 1 beträgt. Die Bindung kann Erdalkalimetalloxide enthalten. Eine bevorzugte Bindung umfasst nach dem Brennen maximal 40-Mol% SiO₂ und das Molverhältnis von SiO₂ zu den kombinierten Anteilen aus Alkalimetalloxiden und Erdalkalimetalloxiden, falls letztere in der Bindung enthalten sind, beträgt zumindest 1,15 : 1,0.

In dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die neue Bindungen bei 600–875°C, vorzugsweise 700–800°C, gebrannt werden, um ein Schleifwerkzeug zu bilden, dass geeignete mechanische Eigenschaften zur Durchführung von Schleifarbeiten aufweist. Die Schleifscheibe umfasst 3 bis 25 Vol.-% glasartige Bindung, 10 bis 56 Vol.-% MCA-Schleifkorn und, optional, etwa 0,1 bis etwa 60 Vol.-% sekundäre Schleifkörner, Füllstoffe und Zusätze. Des Weiteren umfasst die Erfindung ein Schleifwerkzeug mit verbessertem Leistungsverhalten beim Schleifen, insbesondere beim Schleifen von beweglichen, eisenhaltigen Präzisionsteilen.

Die glasartig gebundenen Schleifwerkzeuge der vorliegenden Erfindung umfassen MCA-Schleifkorn. Die MCA- oder Sol-Gel-Aluminiumoxid-Körner werden entweder durch ein Sol-Gel-Verfahren mit Beimpfung oder ohne Beimpfung hergestellt. Wie der Begriff hier verwendet wird, beschreibt „Sol-Gel-Aluminiumoxid-Körner" Aluminiumoxid-Körner, die durch ein Verfahren umfassend das Peptisieren eines Sols aus einem Aluminiumoxid-Monohydrat, um so ein Gel zu bilden, das Trocknen und Brennen des Gels, um es zu sintern, und dem anschließenden Zerkleinern, Sieben und Klassieren des gesinterten Gels, um polykristalline Körner aus alpha-Aluminiumoxid-Mikrokristallen (z. B. zumindest etwa 95% Aluminiumoxid) zu bilden, hergestellt werden.

Zusätzlich zu den alpha-Aluminiumoxid-Mikrokristallen kann das anfängliche Sol des Weiteren bis zu 15 Gew.-% an Spinell, Mullit, Mangandioxin, Titandioxid, Magnesiumoxid, Seltenerdmetalloxide, Zirkoniumdioxid-Pulver oder einen Zirkoniumdioxid-Vorläufer (der in größeren Mengen, z. B. 40 Gew.-% oder mehr, zugegeben werden kann) oder andere kompatible Additive oder deren Vorläufer enthalten. Diese Additive sind oftmals enthalten, um solche Eigenschaften wie Bruchzähigkeit, Härte, Sprödigkeit, Bruchmechanik oder Trockenverhalten zu modifizieren.

Über viele Modifikationen von alpha-Aluminiumoxid-Sol-Gel-Korn wurde berichtet. Alle Körner innerhalb dieser Klasse sind hier zur Verwendung geeignet und der Begriff „MCA-Korn" ist so definiert, dass der jedes Korn einschließt, dass zumindest 60 Prozent alpha-Aluminiumoxid-Mikrokristallen mit einer zumindest 95-%igen theoretischen Dichte und einer Vickers-Härte (500 Gramm) von mindestens 18 GPa bei 500 Gramm. Die Mikrokristallen können bezüglich ihrer Größe typischerweise im Bereich von etwa 0,2 bis zu etwa 1,0 &mgr;m für beimpfte Körner und von mehr als etwa 1,0 bis etwa 5,0 &mgr;m für unbeimpfte Körner liegen.

Nachdem das Gel einmal gebildet wurde, kann es durch jede geeignete Methode wie Pressen, Formen oder Extrusion geformt und dann vorsichtig getrocknet werden, um einen Körper mit gewünschter Form ohne Sprünge herzustellen.

Das Gel kann in für das Brennen geeignete Größen geformt oder geschnitten oder einfach nur in jede geeignete Form ausgebreitet und getrocknet werden, üblicherweise bei einer Temperatur unterhalb der Schaumbildungstemperatur des Gels. Jedes mehrerer Entwässerungsverfahren, einschließlich Lösemittelextraktion, kann dazu verwendet werden, das freie Wasser des Gels zu entfernen, um einen Feststoff zu bilden.

Nachdem der Feststoff getrocknet wurde, kann er geschnitten oder maschinell bearbeitet werden, um eine gewünschte Form zu bilden, oder durch jedes geeignete Mittel, wie einer Hammer- oder Kugelmühle, zermahlen oder zerbrochen werden, um Partikel oder Körner zu bilden. Jedes Verfahren zur Verkleinerung des Feststoffes kann angewendet werden.

Nach dem Formen kann das getrocknete Gel dann calziniert werden, um im Wesentlichen alle flüchtigen Bestandteile zu entfernen und die unterschiedlichen Komponenten der Körner in keramische Materialien (Metalloxiden) umzuwandeln. Das getrocknete Gel wird im Allgemeinen solange erhitzt, bis das freie Wasser und das meiste des gebundenen Wassers entfernt ist. Das calzinierte Material wird dann durch Erhitzen gesintert und innerhalb eines geeigneten Temperaturbereichs gehalten, bis im Wesentlichen das gesamte Aluminiumoxid-Monohydrat in alpha-Aluminiumoxid-Mikrokristalle umgewandelt ist.

Wie vorher bereits erwähnt wurde, kann das Sol-Gel-Aluminiumoxid entweder beimpft oder unbeimpft sein. Bei beimpften Sol-Gel-Aluminiumoxiden werden absichtlich Keimbildungsstellen eingearbeitet oder in situ in der Aluminiumoxid-Monohydrat-Dispersion erzeugt. Die Gegenwart der Keimbildungsstellen in der Dispersion erniedrigt die Temperatur, bei der alpha-Aluminiumoxid gebildet wird, und ergibt eine extrem feine, kristalline Struktur.

Geeignete Keimbildner sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt. Im Allgemeinen haben sie eine Kristallstruktur und Gitterparameter, die der oder denen des alpha-Aluminiumoxids so ähnlich wie möglich sind. Geeignete Keimbildner schließen z. B. partikelförmiges alpha-Aluminiumoxid, alpha-Eisen(III)-oxid (Fe₂O₃), Vorläufer von alpha-Aluminiumoxid oder alpha-Eisen(III)-oxid, die sich bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur, bei der sich Aluminiumoxid-Monohydrat in alpha-Aluminiumoxid umwandeln würde, jeweils in alpha-Aluminiumoxid oder alpha-Eisen(III)-oxid umwandeln, ein. Diese Arten von Keimbildner sind allerdings nur zur Verdeutlichung genannt, und als nicht Einschränkung zu betrachten. Um wirksam zu sein, sollten die Keimbildner-Partikel vorzugsweise eine Größe im Submikrometer-Bereich aufweisen.

Wenn ein beimpftes Sol-Gel-Aluminiumoxid verwendet wird, sollte die Menge an Keimbildnermaterial vorzugsweise nicht 10 Gew.-% des hydratisierten Aluminiumoxids überschreiten, und normalerweise bietet die Verwendung von Mengen von mehr als 5 Gew.-% keinen Vorteil. Wenn der Keimbildner entsprechend fein ist (mit einer Oberfläche von etwa 60 m²/g oder mehr) können vorzugsweise Mengen von etwa 0,5 bis 10 Gew.-%, besonders bevorzugt von etwa 1 bis 5 Gew.-%, verwendet werden. Die Keimbildner können auch in der Form eines Vorläufers, der sich bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur, bei der alpha-Aluminiumoxid gebildet wird, in die wirksame Form des Keimbildner es umgewandelt, zugegeben werden.

In einigen Fällen kann auch unbeimpftes Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifmittel verwendet werden. Dieses Schleifmittel kann mittels der gleichen, oben beschriebenen Verfahren hergestellt werden, bis auf die Zugabe der Keimbildner-Partikel; Seltenerdmetalloxide oder deren Vorläufer können in ausreichendem Maße zu dem Sol oder dem Gel zugegeben werden, um zumindest etwa 0,5 Gew.-% und vorzugsweise etwa 1 bis 30 Gew.-% Seltenerdmetalloxide nach dem Brennen bereitzustellen.

Die erfindungsgemäßen Schleifwerkzeuge umfassen MCA-Schleifkorn, eine glasartige Bindung, üblicherweise mit 35 bis 65 Vol.-% Porosität in dem Werkzeug, und, optional, ein oder mehrere sekundäre Schleifkörner, Füllstoffe und/oder Additive. Die Schleifwerkzeuge umfassen vorzugsweise 10 bis 56 Vol.-% MCA-Schleifkorn. Die Menge an in dem Werkzeug verwendeten Schleifkorn und der prozentuale Anteil an sekundären Schleifmittel können über einen weiten Bereich variieren. Die Zusammensetzungen der erfindungsgemäßen Schleifwerkzeuge enthalten vorzugsweise einen Gesamtanteil an Schleifkorn von etwa 34 bis etwa 56 Vol.-%, besonders vorzugsweise von etwa 40 bis etwa 54 Vol.-% und insbesondere bevorzugt von etwa 44 bis etwa 52 Vol.-% Korn.

Das MCA-Schleifmittel stellt vorzugsweise von etwa 5 bis etwa 100 Vol.-% des gesamten Schleifkorns des Werkzeuges bereit, besonders bevorzugt von etwa 30 bis etwa 70 Vol.-% des gesamten Schleifmittels in dem Werkzeug.

Wenn sekundäre Schleifkörner verwendet werden, stellen solche Schleifkörner vorzugsweise von etwa 0,1 bis etwa 95 Vol.-% des gesamten Schleifkorns des Werkzeugs bereit, besonders bevorzugt von etwa 30 bis etwa 70 Vol.-%. Die sekundären Schleifkörner, die verwendet werden können, schließen, ohne darauf eingeschränkt zu sein, Körner aus Aluminiumoxid, Siliziumcarbid, kubischem Bornitrid, Diamant, Flint und Granat sowie deren Kombinationen ein.

Die Zusammensetzungen der Schleifwerkzeuge enthalten optional Porosität. Die Zusammensetzungen der erfindungsgemäßen Schleifwerkzeuge enthalten vorzugsweise von etwa 0,1 bis etwa 68 Vol.-% Porosität, besonders bevorzugt enthalten sie von etwa 28 bis etwa 56 Vol.-% und insbesondere bevorzugt enthalten sie von 30 bis etwa 53 Vol.-%. Die Porosität wird sowohl durch die natürliche Beabstandung, die durch die natürliche Packungsdichte der Materialien bereitgestellt wird, als auch durch herkömmliche porenbildende Medien, einschließlich, ohne darauf eingeschränkt zu sein, hohle Glaskügelchen, gemahlene Walnußschalen, Kügelchen aus Plastikmaterial oder organischen Verbindungen, geschäumte Glaspartikel und geschäumtes Aluminiumoxid sowie deren Kombinationen gebildet.

Die erfindungsgemäßen Schleifwerkzeuge sind mit einer glasartigen Bindung gebunden. Die verwendete glasartige Bindung trägt wesentlich zu dem verbesserten Leistungsverhalten beim Schleifen der erfindungsgemäßen Schleifwerkzeuge bei. Die Rohmaterialien für die Bindung schließen vorzugsweise Kentucky Ball Clay No. 6, Kaolin, Aluminiumoxid, Lithiumcarbonat, Borax-Pentahydrat oder Borsäure und Soda-Asche, Flint und Wollastonit ein. Fritten können zusammen mit den Rohmaterialien oder an Stelle der Rohmaterialien verwendet werden.

Diese Bindungsmaterialien enthalten in Kombination vorzugsweise die folgenden Oxide: SiO₂, Al₂O3, Na₂O, Li₂O und B₂O₃. Zusätzlich liegen häufig auch Erdalkalimetalloxide wie CaO, MgO und BaO vor.

Die Zusammensetzung der Schleifscheibe enthält vorzugsweise von etwa 3 bis etwa 25 Vol.-% Bindung, besonders bevorzugt von etwa 4 bis etwa 20 Vol.-% und insbesondere bevorzugt von etwa 5 bis etwa 18,5 Vol.-% Bindung.

Die Bindung enthält nach dem Brennen weniger als etwa 40 Gew.-% SiO₂, vorzugsweise von etwa 31 bis etwa 38 Gew.-% SiO₂ und insbesondere bevorzugt von etwa 32 bis etwa 37 Gew.-% SiO₂; weniger als etwa 17 Gew.-% Al₂O₃, besonders bevorzugt von etwa 13 bis etwa 16 Gew.-% Al₂O₃ und insbesondere bevorzugt von etwa 14 bis etwa 16 Gew.-% Al₂O₃; mehr als etwa 2,5 Gew.-% Li₂O, vorzugsweise von etwa 3,5 bis etwa 10,0 Gew.-% Li₂O, besonders vorzugsweise von etwa 3,5 bis etwa 5,0 Gew.-% Li₂O und insbesondere bevorzugt von etwa 3,5 bis etwa 4,7 Gew.-% Li₂O; mehr als etwa 20 Gew.-% B₂O₃, vorzugsweise von etwa 22 bis etwa 35 Gew.-% B₂O₃ und insbesondere bevorzugt von etwa 24 bis etwa 33 Gew.-% B₂O₃. In den meisten Bindungen der Erfindung enthalten die Alkalimetalloxide, auf Basis von Gew.-% der Bindung, von etwa 10 bis etwa 16 Gew.-% Na₂O und vorzugsweise von etwa 11 bis etwa 15 Gew.-% Na₂O; sowie geringen Mengen, z. B. etwa 0,06 bis 0,15 Gew.-%, an K₂O.

Cobaltoxid (CoO) und andere Farbquellen sind nicht notwendig für die Erfindung, können aber enthalten sein, wo eine farbige Bindungen wünschenswert ist. Andere Oxide, wie Fe₂O₃, TiO₂ und P₂O₅, und Erdalkalimetalloxiden, einschließlich CaO, MgO und BaO, existieren als Verunreinigungen in den Rohmaterialien und können in der erfindungsgemäßen Bindung anwesend sein oder ihr zugegeben werden, sie sind aber nicht wesentlich zur Herstellung der Bindung.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind die Rohmaterialien so ausgesucht, dass sie bis zu etwa 5 Gew.-% CaO, vorzugsweise von etwa 0,1 bis etwa 4,5 Gew.-% CaO und insbesondere bevorzugt etwa 0,15 Gew.-% CaO in der gebrannten Bindung ergeben. Andere Erdalkalimetalloxide als CaO sind ebenfalls nützlich. Allerdings dürfen Erdalkalimetalloxide in der erfindungsgemäßen Bindung nur verwendet werden, wenn die glasartige Bindung nach dem Brennen ein Molverhältnis von SiO₂ zu den kombinierten Anteilen von Erdalkalimetalloxiden und Alkalimetalloxiden von zumindest 1,15 : 1,0 aufweist, wenn die Bindung maximal 40 Mol-% SiO₂ umfasst. Größere Anteile dieser kombinierten Oxide im Verhältnis zu dem SiO₂ bewirken, dass die erfindungsgemäße Bindung für viele Schleifarbeiten zu weich ist. Bevorzugte Mengen an Erdalkalimetalloxiden werden nur für Schleifwerkzeuge ausgewählt, die zur Verwendung in Schleifverfahren mit relativ hohen Werkzeug- oder Schleifrad-Verschleißraten ausgelegt sind, die gewünscht sind, um einen geringen Energieverbrauch oder verbesserte Oberflächengüte oder bessere Entfernung von Schleifkörper oder andere damit verbundene Vorteile zu erhalten.

Vorzugsweise werden organischen Bindemittel als Formgebungs- oder Verarbeitungshilfsmittel zu den pulverförmigen, gefritteten oder ungebrannten Bindungskomponenten gegeben. Diese Bindemittel können Dextrine oder andere Arten Kleber, eine flüssige Komponente, wie Wasser oder Ethylenglycol, Viskositäts- oder pH-Modifikatoren oder Mischhilfsmittel umfassend. Die Verwendung von Bindemitteln verbessert die Gleichmäßigkeit der Schleifscheibe und die strukturelle Qualität der vorgebrannten oder grüngepressten Schleifscheibe oder der gebrannten Schleifscheibe. Da die Bindemittel während des Brennvorgangs ausgebrannt werden, werden sie nicht Bestandteil der fertigen Bindung oder des fertigen Schleifwerkzeugs.

Die Schleifscheiben können bei den hier aufgezeigten, relativ geringen Temperaturen mittels dem Fachmann bekannten Verfahren gebrannt werden. Die Brennbedingungen werden in erster Linie durch die tatsächlich verwendete Bindung und das Schleifmittel festgelegt. Die Bindung wird bei 600 bis 875°C, vorzugsweise bei 700 bis 800°C, gebrannt, um die mechanischen Eigenschaften, die zum Schleifen von Metall oder anderen Werkstücken notwendig sind, zu ergeben.

Der glasartige gebundene Körper kann des Weiteren nach dem Brennen auf herkömmliche Art und Weise mit einem Schleifhilfsmittel, wie Schwefel, oder einem Vehikel, wie ein Epoxidharz, impregniert werden, um ein Schleifhilfsmittel in die Poren der Schleifscheibe zu tragen. Die resultierenden Schleifwerkzeuge weisen unerwarteter Weise im Vergleich mit Werkzeugen, die mit kommerziell erhältlichen Bindungen hergestellt sind und die bei höheren Temperaturen gebrannt werden, ein verbessertes Leistungsverhalten beim Schleifen auf.

Die nachfolgenden Beispiele sind zum Zwecke der Verdeutlichung der Erfindung, nicht aber zum Zwecke der Einschränkungen, enthalten.

Probeschleifscheiben wurden hergestellt, um die Eigenschaften der Schleifscheiben der experimentellen Bindungen zu testen und mit denen von Schleifscheiben, die mit einer Bindungen der Norton Company, die kommerziell mit MCA-Schleifkörnern verwendet wird, zu vergleichen. Die experimentellen Bindungen hatten die in Tabelle 3 gezeigten vorgebrannten Zusammensetzungen. Die pulverförmigen Glasfritten (A oder B), erhalten von der Ferro Corporation, Cleveland, Ohio, die in den Bindungen verwendet wurden, haben die Zusammensetzungen, wie sie in der Tabelle 1 und nachfolgend gezeigt sind. Die chemischen Zusammensetzungen von Kentucky No. 6 Ball Clay, Natriumsilikat, Lithiumcarbonat und Wollastonit, die in den Bindungen verwendet wurden, sind in Tabelle 2 angegeben.

Die Bindung wurde durch trockenes Vermischen von 1000 g Mengen der Rohmaterialien in einem Plastikcontainer mit 10 l-inch (2,54 cm) Kugeln auf einem Farbenmischer für 15 Minuten (30 Minuten für Bindungen 3–6) hergestellt. Vorbrennversuche an Pellets, die aus diesen Bindungen hergestellt wurden, bestätigten, dass die experimentellen Bindungen bei einer Temperatur zwischen 600 und 800°C zu einer wirksamen Bindung reiften.

Die prozentualen Molanteile der Zusammensetzungen der gebrannten, experimentellen Bindungen und einer kommerziell mit MCA-Korn verwendeten Bindung sind nachfolgend in Tabelle 4 gezeigt.

Die Bindungen wurden mit einem MCA-Schleifkorn, Norton Company Targa^® 120 Grit beimpftes Sol-Gel-Aluminiumoxid Schleiflkorn (filamentförmige Partikel mit einem Aspektverhältnis von etwa 4 : 1, hergestellt gemäß US-Patent Nr. 5,009,676A von Rue et al.) zusammengegeben. Die Bindungsbestandteile wurden vorgemischt. Das Korn, Dextrin und eine organische Bindemittelkomponente, enthaltend eine Mischung bestehend aus 40 Gew.-% flüssigem Tierleim, 30 Gew.-% gepulverter Äpfelsäure und 30 Gew.-% Wasser, und Ethylenglycol wurden in einem Hobart N-50 Kneter (mit einer Kapazität von 2 kg Mixtur) bei geringer Geschwindigkeit gemischt. Die Korn-Vormischung wurde dann dazugegeben und mit dem Korn gemischt.

Die Mischung wurde durch ein 18 mesh Sieb gesiebt, um jegliche Brocken aufzubrechen. Die Mischung wurde dann in einem Formgebungsaufbau mit drei Hohlräumen in Barren mit den Abmessungen 10,16 cm × 2,54 cm × 1,77 cm (4'' × 1" × 1/2'') gepresst. Verluste beim Glühen wurden berechnet und das spezifische Gewicht des Glases für jede Bindung wurden bei der Anpassung der prozentualen Gewichtsanteile der für jede Probe verwendeten Bindungskomponenten berücksichtigt, um experimentelle Schleifwerkzeuge zu erhalten, die nach dem Brennen ungefähr die gleiche Härte aufweisen, d. h. etwa 9 Volumenprozent der Zusammensetzung der Glasbindung. Gewichtsanteile der Komponenten der Mischungen der Testbarren vor dem Brennen und Preßkörperdichten (nach dem Pressen, Vorbrennen) sind in Tabelle 5 gezeigt.

Die Barren wurden unter den folgenden Bedingungen gebrannt: In einem periodischen Ofen bei 50°C pro Stunde ab Raumtemperatur bis 350°C, gehalten für 4 Stunden, dann mit 50°C auf 725°C (Verfahren #1) oder auf 750°C (Verfahren #2) oder auf 800°C (Verfahren #3), gehalten für 8 Stunden bei dieser Höchsttemperatur und dann auf Raumtemperatur abgekühlt. Die Vergleichsprobebarren wurden in dem periodischen Ofen mit einer kommerziellen Bindung der Norton Company (Ungebrannte Komponenten, gebrannt bei 900°C für 8 Stunden) unter Verwendung der oben aufgelisteten Misch- und Formgebungsverfahren hergestellt.

Die Barren wurden auf ihr Bruchmodul hin auf einer Instron Modell 1125 mechanischen Testmaschine mit einer 4-Punkt Biege-Aufspannvorrichtung mit einer Unterstützungsspanne von 7,62 cm (3''), eine Belastungsspanne von 2,54 cm (1'') und bei einer Belastungsrate von 0,127 cm (0,050'') pro Minute Kreuzkopfgeschwindigkeit. Sandstrahl-Eindringtiefen-Daten wurden durch das Testen von Probebarren bei 103,5 kPa (15 p. s. i.) für 10 Sekunden in einer Sandstrahl-Klassifizierungsmaschine (#2 Kammer) der Norton Co. generiert. Das Elastizitätsmodul wurde unter Verwendung eines Grindo-Sonic MK3S Tester ermittelt. Die Ergebnisse (Durchschnitt aus 6 Proben) sind in Tabelle 6 gezeigt.

Die Testergebnisse zeigten, dass alle experimentellen Bindungen bei Temperaturen nicht über 800°C reiften, um eine Bindung mit ausreichender Festigkeit und ausreichenden mechanischen Eigenschaften zur Verwendung in zum Schleifen von Metall-Werkstücken geeigneten mechanischen Schleifwerkzeugen zu erzeugen.

Für die Bindungen 1, 2, 5 und 6 wurde Verfahren #1 und ein anderes Verfahren, für Bindungen 3 und 4 (gebrannt bei 800°C für 8 Stunden) Verfahren #3 angewandt, um aus den experimentellen Bindungen 1–6 und der Kontrollbindung Scheiben mit Endabmessungen von 5 × 0,5 × 0,88 Inch (12,7 × 1,27 × 2,24 cm) herzustellen. Die Kontrollscheiben wurden unter Verwendung einer kommerziellen, für MCA-Schleifkörner verwendeten Bindung (eine Bindung aus ungebranntem Material, die in dem US-Patent Nr. -A-4,543,107 beschrieben wird und für 8 Stunden bei 900°C gebrannt wird) wie oben für die Probebarren beschrieben hergestellt. Das gleiche MCA-Korn, das in den Probebarren verwendet wurde, wurde als 48% des Volumens in allen Scheiben verwendet.

Schleiftest wurden unter der Anwendung der folgenden Testbedingungen mit diesen Scheiben durchgeführt:

Schleifmaschine: Heald CF#1 Schleifer Nasses Außendurchmesser Profilschleifen: 5% Trim E200 wasserlösliches Ölkühlmittel mit Leitungswasser Geschliffenes Werkstückmaterial: 52100 Stahl, Rc60

Größe des Werkstückteils: 4, 25 Inch (10,80 cm) Außendurchmesser

Geschwindigkeit des Stücks: 150 U/min; 167 sfpm (51 smpm)

Zustellrate in das Stück: 0,00016 Inch/Sekunde (0,0004 cm/s)

0,0032 Inch/Sekunde (0,00081 cm/s)

Abgerichtete Scheibenoberfläche: Drehscheibe CDP #6766, Abrichten bei einer Abrichtrate von 0,004 Inch (0,01 cm) / Führung pro Umdrehung, 0,0005 Inch (0,0013 cm)

Durchmessertiefe der Abrichtung pro Schleifvorgang

Scheibengeschwindigkeit: 6,25 U/min, 8180 sfpm (2495 smpm)

Anzahl der Schleifvorgänge pro Test: 2

Metall-Abtragsrate : 0,6 Inch³/min.Inch MRR, 0,240 auf Stückdurchmesser,

(3,87 cm³/min cm MRR, 0,61 cm auf Stückdurchmesser)

1,2 Inch³/min Inch MMR, 0,240 Inch auf Durchmesser

(7,74 cm³/min cm MRR, 0,61 cm auf Stückdurchmesser)

Ausfunkzeit: 5,2 Sekunden nach jedem Schleifen.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 gezeigt. Unter den experimentellen Bindungen war das Leistungsverhalten beim Schleifen, d.h. G-Faktor, aufgenommene Leistung, Schleifbarkeit und Oberflächengüte-Parameter bei einer konstanten Metallabtragsrate (MRR), für die Bindungen 1, 2 und 5 den kommerziellen, gebundenen Kontrollscheiben überlegen. Die experimentellen Bindungen 3, 4 und 6 zeigten im Ganzen gegenüber der Kontrollbindung keine Vorteile bei dem Leistungsverhalten beim Schleifen.

Diese Ergebnisse zeigen, dass das Leistungsverhalten beim Schleifen, das bei Verwendung von Schleifscheiben, welche die erfindungsgemäßen experimentellen Bindungen mit Sol-Gel-Aluminiumoxid-Korn enthalten, erzielt wurde, im Vergleich mit einer bei 900°C gebrannten kommerziellen Bindung verbessert war. Die Auswahl einer Bindungsformulierung mit einem Molverhältnis von B₂O₃ zu Alkalimetalloxiden von etwa 1 : 1 bis 1,5 : 1 verbessert das Leistungsverhalten und ist bevorzugt. Eine Erhöhung des Al₂O₃-Gehalts der Bindung von 10 auf 19 Mol-% bewirkt keine Verbesserung beim Schleifen.

Der Austausch von 5 Mol-% SiO₂ gegen 5 Mol-% CaO (Exp. 6 Probe) hatte eine gemischte Wirkung auf das Leistungsverhalten beim Schleifen. Obwohl die Scheibe gemäß Exp. 6 zu weich war, um damit Außendurchmesserschleifen von Stahl durchzuführen, wies sie geeignete mechanische Eigenschaften und ein geeignetes Leistungsverhalten auf, um kommerziell zum Schleifen von weicheren Werkstücken oder Werkstücken, die eine weniger aggressive Metallabtragsrate erfordern, verwendet zu werden. Somit zeigt Exp. 6, dass ein Molverhältnis von Siliziumdioxid zu dem kombinierten Anteilen aus Erdalkalimetalloxiden und Alkalimetalloxiden von mindestens 1,15 : 1,0 für typische Schleifbearbeitungsverfahren von harten Metallen bevorzugt ist.

Verfahren #1 und #2 wurden zur Herstellung von Scheiben (5 × 0,5 × 0,88 Inch) (12,7 × 1,27 × 2,24 cm) verwendet, welche die gleichen Volumen-% Scheibenkomponenten wie in Beispiel 1 verwendeten, aber eine andere Korn-Komponente verwenden. Die Scheiben enthielten 48 Volumen-% Schleifkorn, enthaltend eine 1 : 1-Mischung aus filamentförmigen, beimpften Sol-Gel-Aluminiumoxid : 38A weißes Alundum Korn (120 Grit Tagra^®-Korn und 80 Grit 38A Korn, hergestellt durch Norton Co.). Der prozentuale Anteil der Bindung (eingestellt auf etwa 9 Vol.-%, wie in Beispiel 1) war für alle Scheiben gleich und ergab für alle Scheiben den gleichen Härtegad. Die gleiche kommerzielle Formulierung, wie sie in Beispiel 1 verwendet wurde, wurde als Kontrollprobe getestet. Die Scheiben wurden unter Verwendung der oben für die Probebarren beschriebenen Testverfahren getestet. Die Dichte nach dem Brennen, Sandstrahl-Eindringtiefe und das Elastizitätsmodul wurden für diese Scheiben gemessen und die Ergebnisse sind in Tabelle 8 gezeigt.

Mit diesen Scheiben wurden unter Anwendung der Testbedingungen des Beispiels 1 Schleiftests durchgeführt, außer dass die folgenden Parameter geändert wurden:

Metallabtragsraten:

0,3 Inch³/min·Inch MRR, 0,240 Inch auf Stückdurchmesser

(1,94 cm³/min cm MRR, 0,61 cm auf Stückdurchmesser)

0,6 Inch³/min·Inch MRR 0,240 Inch auf Stückdurchmesser

(3,87 cm³ /min cm MRR, 0,61 cm auf Stückdurchmesser)

1,0 Inch³/min·Inch MRR 0,240 auf Stückdurchmesser,

(6,45 cm³ /min cm MRR, 0,61 cm auf Stückdurchmesser).

Die Ergebnisse sind in Tabelle 9 gezeigt. Das Leistungsverhalten beim Schleifen, d. h. G-Faktor (Metallabtragsrate (MRR)/Scheibenabnutzungsrate (WWR), aufgenommene Leistung, Schleifbarkeit (G-Faktor/Leistung × MRR) und Oberflächengüte, das mit den experimentellen Bindungen bei konstanter MRR erzielt wurde, war den die kommerzielle Bindung verwendenden Kontrollscheiben überlegen.

Weitere Scheiben wurden wie in Beispiel 2 beschrieben hergestellt, außer dass ein anderes Sol-Gel-Aluminiumoxid-Korn (beimpftes alpha-Aluminiumoxid-MCA-Korn, 80 Grit, bezogen von der Norton Company) anstelle der in Beispiel 2 verwendeten Kornmischung verwendet wurde. Die experimentelle Bindung 1 (hergestellt gemäß Verfahren #1, 725°C) wurde in Schleiftests mit der in den Beispielen 1 und 2 getesten, kommerziellen Kontrollbindung (Kontrolle 1) und einer zweiten Kontrollbindung (Kontrolle 2), die in den US-Patenten mit den Nummern US-A-5,401,284 und US-A-5,573,561 beschrieben wird, verglichen, und verwendete kommerziell erhältliches Sol-Gel-Aluminiumoxid. Die Scheiben wurden wie oben beschreiben getestet und wiesen die in Tabelle 10 gezeigten Eigenschaften auf.

Die Testbedingungen beim Schleifen waren die gleichen, wie die in Beispiel 2 verwendeten, außer dass die Metallabtragsrate an dem Durchmesser des Werkstücks 0,180 Inch (0,46 cm) betrug.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 11 gezeigt. Die experimentelle Bindung war den kommerziellen Bindungen bezüglich G-Faktor, aufgenommene Leistung, Schleifbarkeit ((G-Faktor × MRR)/Leistung), Welligkeit und Oberflächengüte überlegen.

Weitere Scheiben wurden wie in Beispiel 1 beschrieben hergestellt, außer einer Veränderung der experimentellen Bindungen 1 und 5, die vollständig aus einer Fritte hergestellt wurden und in Schleiftests mit den kommerziellen Kontrollbindungen, die in den Beispielen 1, 2 und 3 getestet wurden, und mit experimentellen Bindungen 1 und 5, die, wie in den Beispielen 1 und 2 beschrieben, aus ungebrannten Materialien hergestellt wurden, verglichen wurden. Die Scheiben hatten die in Tabelle 12 gezeigten Eigenschaften.

Die Schleiftestbingungen waren die gleichen, wie sie in Beispiel 2 verwendet wurden, außer dass ein Metallabtrag von 0,120 Inch (0,31 cm) am Stückdurchmesser angestrebt war, und das tatsächlich abgetragene Metall ist in Tabelle 13 gezeigt.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 13 gezeigt. Die experimentellen Bindungen waren den kommerziellen Bindungen bezüglich G-Faktor, aufgenommene Leistung, Schleifbarkeit, Welligkeit und Oberflächengüte überlegen oder zumindest gleichwertig.

Die die Fritte verwendenden Schleifräder waren bezüglich dem Gesamtleistungsverhalten den kommerziellen Kontrollbindungen gleichwertig, zeigten in diesem Schleiftest aber keine so gute Leistungen wie die Schleifräder, die die ungebrannten Bindungen verwendeten.

Dies kann möglicherweise auf den Verlust flüchtiger Lithium- und Borbestandteile aus der Zusammensetzung beim Herstellen der Fritten zurückzuführen sein (die Fritten wurden bei Temperaturen von mindestens 1100°C hergestellt), so dass sich die Chemie der gefritteten Bindung von der der ungebrannten Bindung unterschied. Ausgleich für den Verlust relativ flüchtiger Bestandteile kann durch Anpassung des prozentualen Gewichtsanteils der zur Herstellung der Glasfritte verwendeten ungebrannten Materialien erreicht werden, um so die gewünschte chemische Endzusammensetzung der Bindung zu erhalten.

Bindungen, die aus den ungebrannten Komponenten hergestellt wurden, waren erneut bezüglich des Leistungsverhaltens beim Schleifen einer Kontrollbindung, die bei einer höheren Temperatur gebrannt wurde, überlegen.

Schleifscheiben (29 mm × 20 mm × 9,525 mm) wurden wie in Beispiel 1 beschrieben unter Verwendung jeweils der bei 735°C gebrannten experimentellen Bindung 1 und der bei 1000 °C gebrannten, kommerziellen Kontrollbindung 2 hergestellt, außer dass ein unbeimpftes Sol-Gel-MCA-Schleifkorn (100 Grit), hergestellt durch die 3M Corporation, Minneapolis, MN und verkauft unter dem 321 Handelsnamen, anstelle des beimpften MCA-Schleifkorns hergestellt wurde.

Die verwendeten Schleifscheibenzusammensetzungen und die Eigenschaften dieser Scheiben sind in den Tabellen 14 und 15 aufgelistet. Diese Scheiben wurden mit einer kommerziell hergestellten Scheibe (29 mm × 20 mm × 10 mm), die mit 100 Grit-Größe 321 Schleifkorn in einer glasartigen Bindung (Kontrolle 3) hergestellt wurde, verglichen.

Zwei Sätze dieser Scheiben wurden in einer Innendurchmesser/Bohrungsschleifmaschine unter Verwendung der unten aufgelisteten Testbedingungen getestet. Die Ergebnisse aus dem ersten Test und aus dem Wiederholungstest sind in der Tabelle 16 gezeigt.

Schleifmaschine: Bryant Schleifmaschine

Nasses Innendurchmesser-Schleifen: 3% Trim E210 wasserlösliches Ölkühlmittel mit Leitungswasser

Material des geschliffenen Werkstücks: 52100 Stahl, Rc60

Werkstückteil-Breite: 9,525 mm

Werkstückteil-Durchmesser: 32 mm (erster Test), 35 mm (zweiter Test)

Geschwindigkeit des Teils: 1000 U/min

Gesamt-Zustellung in das Teil: 1,499 mm

Abgerichtete Scheibenoberfläche: Einzelne Diamantspitze, Abrichten bei Abrichtrate von 20 mm/s Abrichtführung, 0,0127 mm Abricht-Comp (dress comp)

Scheibengeschwindigkeit: 29,200 U/min; 42,7 m/s

Anzahl der Schleifdurchgänge pro Test: 2

Zustellung pro Schleifdurchgang: 0,025 mm/s; 0,049 mm/s.

Diese Ergebnisse demonstrieren, dass die erfindungsgemäße Bindung in Verbindung mit einem unbeimpfen MCA-Schleifkorn ein vergleichbares Gesamtleistungsverhalten wie das der bei 1000°C gebrannten Kontrollbindung 2 und der Kontrollbindung 3 ergibt.

Des Weiteren waren die Scheiben, die die experimentelle Bindung enthielten, schärfer als die Kontrollen. Dies geht aus den Daten hervor, die zeigen, dass die die tangentiale Kraft, die benötigt wurde, um vergleichbare Abtragraten zu erreichen, für die erfindungsgemäßen, experimentellen Bindungen in allen außer einer Probe geringer waren als die der Kontrollbindungen. Die Ausnahme war die Kontrollbindung 2, die in einem Durchgang bei einer MRR von 0,049 mit der experimentellen Bindung vergleichbar war. Ein anderes Maß der Scheibenschärfe, die spezifische Energie (Leistung/MRR), die benötigt wurde, um vergleichbare Metallabtragraten zu erreichen, war im Durchschnitt geringer für die erfindungsgemäßen, experimentellen Bindungen als für die Kontrollbindungen. Für den Anwender eines Schleifverfahrens stellen die verringerte tangentiale Kraft und die verringerte spezifische Energie einen geringeren Verschleiß der Schleifmaschine und eine geringere Beschädigung des Werkstücks dar und können somit als im Sinne einer verbesserten Schleifbarkeit als vorteilhaft angesehen werden.

Diese Ergebnisse demonstrieren, dass die erfindungsgemäßen Niedertemperaturbindungen das Leistungsverhalten von unbeimpftem als auch beimpftem Sol-Gel-MCA-Schliefkorn verbessert.

Es ist klar, dass sich dem Fachmann verschiedene andere Abwandlungen erschließen und durch diesen umgesetzt werden können, ohne den Schutzbereich und Gedanken der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Somit ist es nicht beabsichtigt, dass der Schutzumfang der Patentansprüche durch die oben dargelegte Beschreibung eingeschränkt wird. Die Ansprüche sollen so verstanden werden, dass sie alle patentfähigen, neuen Merkmale, die in der vorliegenden Erfindung enthalten sind, umfassen, einschließlich aller Merkmale, die von dem Fachmann als äquivalent angesehen werden.