Die vorliegende Erfindung betrifft Schleifwerkzeuge zum Präzisionsschleifen. Insbesondere betrifft sie keramisch gebundene Schleifwerkzeuge, die mit einer Schmiermittelkomponente imprägniert sind, um die Schleifleistung, insbesondere bei Trockenschleifverfahren, zu verbessern.

Durch Präzisionsschleifvorgänge wird Metall von einem Artikel mit einer moderat hohen Rate zur Erlangung eines präzis geformten Fertigerzeugnisses mit einer bestimmten Größe und Oberflächenqualität entfernt. Zu typischen Beispielen des Präzisionsschleifens zählen die Fertigbearbeitung von Lagerkomponenten und die spanabhebende Bearbeitung von Motorteilen mit feinen Toleranzen. Kühlmittel und Schmiermittel werden häufig verwendet, um die Effizienz des Präzisionsschleifens von Metallteilen zu verbessern.

Ein „Nass"-Verfahren der Kühlung und Schmierung umfasst ein kontinuierliches Baden der Schleifzone während des Schneidens mit großen Mengen von Niedrigtemperatur-, frischer oder rezirkulierender Flüssigkeit. Typischerweise handelt es sich bei der Flüssigkeit um eine wässrige Zusammensetzung mit kleineren Konzentrationen von Prozesshilfsmitteln. Die Flüssigkeit senkt die Schleifzonentemperatur, um das Werkzeug und das Werkstück vor thermischer Degradation zu schützen. Außerdem spült sie das Werkzeug, um Schleifabfall zu entfernen, welcher das Schleifmittel sonst abstumpfen könnte, falls dadurch Lücken zwischen Schleifpartikeln gefüllt werden könnten, oder auf die Partikeloberflächen aufgeschweißt werden könnte.

Nassschleifen weist zahlreiche Nachteile auf. Um einige davon zu nennen: Die Durchführung des Verfahrens ist unsauber; die Flüssigkeit muss zur Wiederverwendung rückgewonnen oder auf umweltverträgliche Weise entsorgt werden; die Gegenwart von Prozesshilfsmitteln trägt zur Schwierigkeit der Rückgewinnung bei und steigert die Betriebskosten; die wässrige Flüssigkeit kann Teile der Schleifmaschineneinrichtung korrodieren; und es ist unangenehm, in einer sehr kalten Umgebung mit der Flüssigkeit zu arbeiten.

Präzisionsschleifen ist auch durch ein „Trocken"-Verfahren erreichbar. Es wird kein spülender Flüssigkeitsfluss extern auf die Schleifzone angewendet. Zum Trockenschleifen thermisch empfindlicher oder schwer zu schleifender Metalle, wie beispielsweise rostfreien Stahls, ist es nach wie vor wünschenswert, die Schleifzone zu schmieren. Zur Erreichung dieser Schmierung wurde Schmiermittel herkömmlicherweise zur lokalen Schleifstelle durch periodische Anwendung von festem Schmiermittel auf die Fläche des Schleifwerkzeugs oder durch Füllen der Poren eines geeigneten Schleifmittels wie beispielsweise jenen in glasartigen Schleifwerkzeugen mit ausgewählten Additiven zugeführt. Chemikalien wie beispielsweise Schwefel und andere Schmierfüllstoffe wurden verwendet. Diese Additive verringern die Beladung und ein Zusetzen des Schleifmittels, machen das Werkzeug in höherem Maße freischneidend und reduzieren Brandvorkommnisse. Die Zusätze werden dem Schleifmittel gewöhnlich nach dem Brennen der Bindung zugegeben, um eine thermische Degradation der Zusätze zu verhindern und eine zweckmäßige Bildung des Schleifmittels bei der Werkzeugfertigung zu ermöglichen.

Trockenschleifen stellt das vorteilhafte Merkmal, dass sehr wenig Schmiermittel verbraucht wird, bereit, da das Schmiermittel direkt in der Schleifzone abgelagert wird.

Außerdem muss das Schmiermittel nicht wasserlöslich sein, da es der Schleifzone nicht im Kühlwasser zugeführt wird. Leider werden Additive, die in die Poren gegeben werden, insbesondere niedrigviskose Flüssigkeiten, nicht über längere Zeitdauer in dem Schleifwerkzeug gehalten. Sie neigen dazu, sich nach langen Standzeiten ungleichmäßig in der Scheibe zu verteilen, und über die Zeit hinweg können sie teilweise oder vollständig aus der Scheibe heraussickern. Bei der wichtigen Anwendung von Trockenpräzisionsschleifen unter Verwendung von Schleifscheiben, welche bei hoher Geschwindigkeit betrieben werden, neigt die Zentrifugalkraft dazu, in den Poren vorhandene niedrigviskose flüssige Additive auszustoßen. Die ausgestoßenen Additive verteilen sich auf den Arbeitsbereich und führen zu einer Erschöpfung der Menge an Additiven, welche an der Schleifstelle zur Unterstützung des Schleifens vorhanden sind. Es ist wünschenswert, glasartige Bindung aufweisende Schleifscheiben bereitzustellen, welche mit einheitlich verteilten Konzentrationen von vorwiegend niedrigviskosen Schmiermitteln beladen sind, und welche solche Schmiermittel über die gesamte Lebensdauer des Schleifmittels hinweg der Schleifstelle zuführen können.

Verschiedene Materialen wurden als Additive für poröse Schleifwerkzeuge zur Verbesserung der Schleifleistung vorgeschlagen. Paraffinwachs ist ein Beispiel eines derartigen Materials. Siehe zum Beispiel US-A-1,325,503 an Katzenstein. Paraffinwachs wird bei einer relativ niedrigen Temperatur klebrig und neigt dazu, eine Beladung der Fläche der Schleifscheibe zu bewirken, was eine unerwünschte Eigenschaft bei Präzisionsschleifverfahren darstellt. In A. Kobayashi, et al, Annals of the C.I.R.P., Band XIII, Seiten 425–432, 1966, wurde ein Stearinsäurematerial erwähnt, welches Paraffinwachs überlegen ist.

US-A-4,190,986 an Kunimasa lehrt eine Verbesserung bezüglich der Schleifeffizienz und eine Reduzierung bezüglich des Werkzeugsbrands, die durch die Zugabe einer erhitzten Mischung höherer aliphatischer Säuren und höherer Alkohole zu den Poren harzgebundener Schleifsteine erreichbar sind. Das Patent offenbart, dass, im Gegensatz zu harzgebundenen Werkzeugen, keramisch gebundene Werkzeuge keine Verbesserung der Schleifeffizienz zeigen. Es wird berichtet, dass bei keramisch gebundenen Werkzeugen das Additiv nur als Schmiermittel dient und den Beobachtungen zufolge die Schleifeffizienz nicht verbesserte.

US-A-3,502,453 an Baratto offenbart harzgebundene Schleifwerkzeuge mit hohlen Kügelchen, welche mit Schmiermittel gefüllt sind, beispielsweise SAE 20-Öl, eingeschlossen in eine Harnstoff-Formaldehyd-Kapsel. Graphit wird in den harzgebundenen Superschleifwerkzeugen verwendet, die in US-A-3,664,819 an Sioui offenbart sind. Graphit verbessert die Schleifeffizienz und schmiert das Werkstück bei Trockenschleifvorgängen.

US-A-4,239,501 an Wirth lehrt die Anwendung auf die Schneidoberfläche eines Schneidwerkzeugs von einer Kombination aus Natriumnitrit und einem Wachs, wie beispielsweise Paraffin, Cerate und Stearinsäure oder mikrokristallinen Wachsen.

Schwefel ist als exzellentes Schmiermittel zum Präzisionsschleifen von Metallteilen geeignet. In M. A. Younis, et al, Transactions of the CSME, Band 9, Nr. 1, Seiten 39– 44, 1985 wurde Schwefel gegenüber Wachsen und Lacken als Schleifhilfsmittel imprägniert in Schleifwerkzeuge als überlegen bezeichnet. Vorherige Versuche zur Verwendung schwefelbeladener Werkzeuge, insbesondere Schleifscheiben mit hoher Rotationsgeschwindigkeit, erwiesen sich jedoch als problematisch. Auf Grund der Verbrennung bei den Schleiftemperaturen werden Schwefel enthaltende Schleifwerkzeuge nur in Nassschleifverfahren verwendet. Oftmals neigt die Zentrifugalkraft nach nur kurzem Betrieb zur Wiederverteilung von Schwefel innerhalb einer Schleifscheibe. Da Schwefel eine relativ hohe Dichte aufweist, kann die Scheibe unausgeglichen werden, zu rattern beginnen und zum Präzisionsschleifen unbrauchbar werden.

Schwefelbehandelte Schneidöle wurden als Alternative zu mit Schwefel imprägnierten Schleifscheiben verwendet, um Ausgleichsprobleme zu verhindern, doch die Öle weisen im Allgemeinen eine niedrige Viskosität auf. Daher leiden mit derartigen Ölen beladene Schleifscheiben unter den oben ausgeführten Nachteilen.

Nassschleifen stellt die bevorzugte Art und Weise des Präzisionsschleifens bei hoher Geschwindigkeit beim Einsatz von Prozesshilfsmitteln auf Schwefelbasis dar. Der Schwefel wird normalerweise in Form eines wasserlöslichen oder -dispergierbaren, niedrigviskosen Metallschneidöls, welches mit dem Kühlmittel vermischt wird, verwendet. Dies stellt eine ineffiziente Verwendung des Schwefels dar, da eine übermäßige Menge an schwefelbehandeltem Öl dem großen Volumen an flüssigem Kühlmittel zugegeben werden muss. Außerdem verschmutzt Schwefel die Umwelt, und gebrauchtes Kühlmittel muss behandelt werden, um schwefelbehandelte Materialien vor der Entsorgung zu entfernen.

Somit war keines der Schleifadditive des Standes der Technik vollständig zufriedenstellend für die Verwendung in keramisch gebundenen Schleifwerkzeugen für Präzisionsschleifvorgänge, insbesondere daher, weil die Wirkungen von Schwefel und anderen aktiven Schleifhilfsmitteln auf die Umwelt immer schwieriger zu handhaben sind.

Der Bedarf an verbesserten Schleifhilfsmitteln für Präzisionsschleifvorgänge erlangte mit Einführung der gesinterten Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifkörner während der 80er Jahre sogar noch eine höhere Wichtigkeit. Schleifwerkzeuge mit beimpftem oder unbeimpftem gesinterten Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifkorn, auch als mikrokristallines alpha-Aluminiumoxid-(MCA)-Schleifkorn bezeichnet, stellen bekannterweise eine überlegene Schleifleistung auf einer Vielzahl von Materialien bereit. Die Herstellung, die Eigenschaften und die Leistung dieser MCA-Körner bei verschiedenen Anwendungen werden zum Beispiel in den Patenten Nr. U.S.-A-4,623,364, U.S-A-4,314,827, U.S.-A-4,744,802, US-A-4,898,597 und US-A-4,543,107 beschrieben.

Die MCA-Korn-Morphologie ist darauf ausgerichtet, eine Mikrofraktur der Kornpartikel während des Schleifens zu bewirken. Die Mikrofrakturfähigkeit verlängert die Lebensdauer des Schleifkorns, indem an Stelle der Entfernung eines ganzen Partikels bei jedem Partikel jedes Mal ein Teil abgenützt wird. Außerdem werden dadurch frische Schleifoberflächen freigelegt, was tatsächlich zu einer Selbstschärfung des Schleifmittels während des Schleifens führt. Auf Grund seiner ausgezeichneten Schärfe relativ zu anderen Schleifkörnern ist das MCA-Korn durch die Fähigkeit gekennzeichnet, mit einer minimalen Menge von Schleifenergie bei Verwendung für Trockenschleifverfahren unter Einsatz eines keramisch gebundenen Werkzeugs zu schneiden. Die zur Initiierung von Trockenschleifen mit MCA-Korn benötigte Schwellenleistung liegt im Wesentlichen bei Null. Bei Nassschleifbedingungen unter Verwendung eines Kühlmittels auf Wasserbasis zeigt das MCA-Korn keine so gute Leistung in Bezug auf die Menge an Leistung, welche zur Initiierung notwendig ist. Da viele Präzisionsschleifvorgänge Trockenschleifverfahren, selbst mit MCA-Korn, nicht akzeptieren können, war es notwendig, eine Schmiermittelkomponente zu entwickeln, die als Kühlmittel und Schleifhilfsmittel für keramisch gebundene Schleifwerkzeuge mit MCA-Korn wirksam ist. Die Schleifmittelkomponente der Erfindung ist mit MCA-Körnern in sowohl Nass- als auch Trockenschleifverfahren wirksam.

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schleifartikel zum Präzisionsschleifen, umfassend 3 bis 25 Volumen-% glasartige Bindung, 3 bis 56 Volumen-% MCA-Schleifkorn und 28 bis 68 Volumen-% Poren, wobei im Wesentlichen die gesamte offene Porosität in dem Schleifartikel mit einer Schmiermittelkomponente imprägniert wurde, die aus einer einheitlichen Mischung aus Öl und Wachs mit einem Öl : Wachs-Gewichts-Verhältnis von etwa 3 : 1 bis etwa 1 : 4 besteht.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst der Schleifartikel zum Präzisionsschleifen 3 bis 25 Volumen-% glasartige Bindung 3 bis 56 Volumen-% MCA-Schleifkorn und 28 bis 63 Volumen-% offene Porosität, wobei im Wesentlichen die gesamte offene Porosität in dem Schleifartikel mit einer Schmiermittelkomponente imprägniert wurde, die aus einer einheitlichen Mischung aus Öl und Wachs mit einem Öl : Wachs-Gewichts-Verhältnis von etwa 3 : 1 bis etwa 1 : 4 besteht.

Die Schleifartikel zum Präzisionsschleifen werden durch ein Verfahren hergestellt, welches folgende Schritte umfasst:

• (a) Mischen von etwa 20–75 Gewicht-% Öl und 25–80 Gewicht-% Wachs bei einer Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes des Wachses, um eine einheitlich vermischte Schmiermittelkomponente zu bilden;
• (b) Bereitstellen eines Schleifartikels umfassend etwa 3 bis 25 Volumen-% glasartige Bindung, 3 bis 56 Volumen-% MCA-Korn und 28 bis 68 Volumen-% Poren;
• (c) Erhitzen der Schmiermittelkomponente auf eine Temperatur, bei der die Schmiermittelkomponente in einem flüssigen Zustand ist, und Halten der Schmiermittelkomponente in einem flüssigen Zustand;
• (d) Erhitzen des Schleifartikels auf eine Temperatur, die 20 bis 30°C oberhalb der Temperatur der Schmiermittelkomponente liegt;
• (e) In-Kontakt-Bringen des Schleifartikels mit der flüssigen Schmiermittelkomponente, ohne dabei den Schleifartikel in der flüssigen Schmiermittelkomponente unterzutauchen;
• (f) Drehen des Schleifartikels mit einer Geschwindigkeit, bei der die Mitführung von Gas vermieden wird, wobei der Kontakt mit der Schmiermittelkomponente aufrechterhalten wird, um so den Schleifartikel einheitlich mit Schmiermittelkomponente zu imprägnieren;
• (g) Entfernen des Schleifartikels aus dem Kontakt mit der Schmiermittelkomponente, nachdem der Schleifartikel eine ausreichende Menge der Schmiermittelkomponente absorbiert hat, um im Wesentlichen alle offenen Poren zu füllen; und
• (h) Fortsetzen des Drehens des Schleifartikels, während der Schleifartikel abgekühlt wird, um die imprägnierte flüssige Schmiermittelkomponente in den Poren einheitlich erstarren zu lassen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Schleifartikels zum Präzisionsschleifen folgende Schritte:

• (a) Mischen von etwa 20–75 Gewicht-% Öl und 25–80 Gewicht-% Wachs bei einer Temperatur oberhalb des Erweichungspunktes des Wachses, um eine einheitlich vermischte Schmiermittelkomponente zu bilden;
• (b) Bereitstellen eines Schleifartikels umfassend etwa 3 bis 25 Volumen-% glasartige Bindung, 3 bis 56 Volumen-% MCA-Korn und 28 bis 63 Volumen-% offene Poren;
• (c) Erhitzen der Schmiermittelkomponente auf eine Temperatur, bei der die Schmiermittelkomponente in einem flüssigen Zustand ist, und Halten der Schmiermittelkomponente in dem flüssigen Zustand;
• (d) Erhitzen des Schleifartikels auf eine Temperatur, die 20 bis 30°C oberhalb der Temperatur der Schmiermittelkomponente liegt;
• (e) In-Kontakt-Bringen des Schleifartikels mit der flüssigen Schmiermittelkomponente, ohne dabei den Schleifartikel in der flüssigen Schmiermittelkomponente unterzutauchen;
• (f) Drehen des Schleifartikels mit einer Geschwindigkeit, bei der die Mitführung von Gas vermieden wird, wobei der Kontakt mit der flüssigen Schmiermittelkomponente aufrechterhalten wird, um so den Schleifartikel einheitlich mit Schmiermittelkomponente zu imprägnieren;
• (g) Entfernen des Schleifartikels aus dem Kontakt mit der Schmiermittelkomponente, nachdem der Schleifartikel eine ausreichende Menge der Schmiermittelkomponente absorbiert hat, um im Wesentlichen alle offenen Poren zu füllen; und
• (h) Fortsetzen des Drehens des Schleifartikels während der Schleifartikel abgekühlt wird, um die imprägnierte flüssige Schmiermittelkomponente in den Poren einheitlich erstarren zu lassen.

Zusätzlich stellt die Erfindung ein Verfahren zum Präzisionsschleifen bereit, umfassend die Schritte:

• (a) Bereitstellen eines Schleifartikels umfassend 3 bis 25 Volumen-% glasartige Bindung, 3 bis 56 Volumen-% MCA-Schleifkorn und 28 bis 68 Volumen-% offene Porosität, vorzugsweise 28 bis 63 Volumen-% offene Porosität, wobei im Wesentlichen die gesamte offene Porosität mit einer Schmiermittelkomponente imprägniert wurde, die aus einer einheitlichen Mischung aus im Wesentlichen etwa 20–75 Gewicht-% Öl und 25–80 Gewicht-% Wachs besteht; und wobei das Öl etwa 10 bis 40 Gewicht-% eines schwefelbehandelten Scheidöl-Additivs enthält, und,
• (b) während kontinuierlich eine Oberfläche eines Metallwerkstücks in einem schwefelfreien, flüssigen Kühlmittel gebadet wird, Positionieren des Schleifartikels in Bewegungsschleifkontakt mit dem Werkstück, bis die Oberfläche eine Präzisionsschliffoberflächengüte erlangt.

Ebenso wird ein Verfahren zum Trockenpräzisionsschleifen bereitgestellt, enthaltend die Schritte:

• (a) Bereitstellen eines Schleifartikels, umfassend 3 bis 25 Volumen-% glasartige Bindung, 3 bis 56 Volumen-% MCA-Schleifkorn und 28 bis 68 Volumen-% Poren, wobei im Wesentlichen die gesamte offene Porosität in dem Schleifartikel mit einer wirksamen Menge einer Schmiermittelkomponente imprägniert wurde, die aus einer Öl/Wachs-Mischung mit einem Öl : Wachs-Gewichtsverhältnis von etwa 3 : 1 bis etwa 1 : 4 besteht;
• (b) Positionieren des Schleifartikels in Bewegungsschleifkontakt mit einem trockenem Werkstück, bis die Oberfläche eine Präzisionsschliffoberflächengüte aufweist; wodurch die Oberfläche des Werkstücks im Wesentlichen frei von thermischer Schädigung ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält das Verfahren zum Trockenpräzisionsschleifen die Schritte:

• (a) Bereitstellen eines Schleifartikels, umfassend 3 bis 25 Volumen-% glasartige Bindung, 3 bis 56 Volumen-% MCA-Schleifkorn und 28 bis 63 Volumen-% offene Porosität, wobei im Wesentlichen die gesamte offene Porosität in dem Schleifartikel mit einer wirksamen Menge einer Schmiermittelkomponente imprägniert wurde, die aus einer einheitlichen Öl/Wachs-Mischung mit einem Öl:Wachs-Gewichtsverhältnis von etwa 3 : 1 bis etwa 1 : 4 besteht;
• (b) Positionieren des Schleifartikels in Bewegungsschleifkontakt mit einem trockenem Werkstück, bis die Oberfläche eine Präzisionsschliffoberflächengüte aufweist;
  
  wodurch die Oberfläche des Werkstücks im Wesentlichen frei von thermischer Schädigung ist.

Die Schleifartikel der Erfindung umfassen glasartige Bindung aufweisende Schleifwerkzeuge. Jegliches glasartige Bindung aufweisende Schleifwerkzeug mit 28 bis 68 Volumen-% Porosität, das durch Brennen von Schleifkorn in einer glasartigen Bindungsmatrix bei erhöhten Temperaturen gebildet werden kann, ist geeignet. Die gebrannte Schleifmittel-Struktur muss Poren enthalten, welche mit einer Schmiermittelkomponente gefüllt werden können.

Das Schleifkorn ist ein mikrokristallines alpha-Aluminiumoxid (MCA)-Schleifkorn. Der Begriff „MCA-Schleifkorn" bezieht sich auf Aluminiumoxid-Korn mit einer bestimmten Art von dichter, mikrokristalliner alpha-Aluminiumoxid-Morphologie, hergestellt durch eines aus einer Anzahl von Verfahren mit oder ohne Impfen zur Herstellung von Sinter-Sol-Gel-Keramik-Materialien. Ein bevorzugtes Schleifkorn zur Verwendung hierin kann von Saint-Gobain Industrial Ceramics Corporation, Worcester, MA und von 3M Corporation, Minneapolis, MN erhalten werden.

Wie hierin verwendet, bezieht sich der Begriff „gesinterte Sol-Gel-Aluminiumoxid-Körner" auf Aluminiumoxid-Körner hergestellt durch ein Verfahren umfassend ein Peptisieren eines Sols eines Aluminiumoxidmonohydrats zur Bildung eines Gels, Trocknen und Brennen des Gels zur Sinterung hiervon und anschließendes Brechen, Sieben und Klassifizieren des gesinterten Gels zur Bildung polykristalliner Körner aus alpha-Aluminiumoxid-Mikrokristallen (beispielsweise mindestens etwa 95% Aluminiumoxid).

Zusätzlich zu den alpha-Aluminiumoxid-Mirkokristallen kann das anfängliche Sol des weiteren bis zu 15 Gewichts-% Spinell, Mullit, Mangandioxid, Titanoxid beziehungsweise Titandioxid, Magnesia, Seltenerdmetalloxide, Zirkonoxidpulver oder einen Zirkonoxidvorläufer (welcher in großen Mengen, beispielsweise 40 Gewichts-% oder mehr, zugegeben werden kann) oder andere kompatible Zusätze oder Vorläufer hiervon enthalten. Diese Zusätze sind oft enthalten, um derartige Eigenschaften wie Bruchzähigkeit, Härte, Bröckeligkeit, Bruchmechanik oder Trocknungsverhalten zu modifizieren.

Es liegen Berichte über viele Modifizierungen von gesintertem alpha-Aluminiumoxid-Sol-Gel-Schleifkorn vor. Alle Körner in dieser Klasse sind zur Verwendung hierin geeignet, und der Begriff MCA-Korn ist so definiert, dass er jegliches Korn mit mindestens 60% alpha-Aluminiumoxid-Mikrokristallen mit mindestens 95% theoretischer Dichte und einer Vickers-Härte (500 Gramm) von mindestens 18 GPa umfasst. Die Mikrokristalle können bezüglich der Größe typischerweise in einem Bereich von etwa 0,2 bis etwa 1,0 Mikron, vorzugsweise weniger als 0,4 Mikron, was beimpftes Korn betrifft, und von mehr als 1,0 bis etwa 5,0 Mikron im Falle von unbeimpftem Korn liegen.

Sobald das Gel gebildet ist, kann es durch jegliches herkömmliche Verfahren, wie beispielsweise Pressen, Formen oder Extrudieren geformt werden und anschließend sorgfältig getrocknet werden, um einen rissfreien Körper der gewünschten Form herzustellen. Es ist ein Formen und Schneiden des Gels in zum Brennen geeignete Größen oder ein einfaches Ausbreiten des Gels auf jegliche geeignete Form und Trocknung des Gels, typischerweise bei einer Temperatur unterhalb der Schaumbildungstemperatur des Gels, möglich. Jegliches aus verschiedenen Entwässerungsverfahren, einschließlich Lösemittelextraktion, kann zur Entfernung des freien Wassers des Gels zur Bildung eines Feststoffs verwendet werden. Nachdem der Feststoff getrocknet ist, kann er geschnitten oder spanabhebend bearbeitet werden, um eine gewünschte Form zu bilden, oder durch jedes geeignete Mittel, wie beispielsweise eine Hammer- oder Kugelmühle, zerkleinert oder gebrochen werden, um Partikel oder Körner zu bilden. Es kann jegliches Verfahren zur Zerkleinerung des Feststoffs eingesetzt werden. Nach der Formung kann das getrocknete Gel dann kalziniert werden, um im Wesentlichen alles Flüchtige zu entfernen und die verschiedenen Komponenten der Körner zu Keramik (Metalloxide) umzuwandeln. Das getrocknete Gel wird im Allgemeinen erhitzt, bis das freie Wasser und das meiste des gebundenen Wassers entfernt ist. Das kalzinierte Material wird dann durch Erhitzen gesintert und wird innerhalb eines geeigneten Temperaturbereichs gehalten, bis im Wesentlichen das gesamte Aluminiumoxidmonohydrat zu alpha-Aluminiumoxid-Mikrokristallen umgewandelt ist.

Bei beimpften Sol-Gel-Aluminiumoxiden werden Nukleierungsorte absichtlich in die Aluminiumoxidmonohydratdispersion eingegeben oder in situ darin erzeugt. Die Gegenwart der Nukleierungsorte in der Dispersion senkt die Temperatur, bei welcher alpha-Aluminiumoxid gebildet wird, und schafft eine extrem feine kristalline Struktur. Geeignete Impfpartikel sind in der Technik wohlbekannt. Im Allgemeinen weisen sie eine Kristallstruktur und Gitterparameter, welche denen von alpha-Aluminiumoxid so nahe wie möglich kommen, auf. Zu Impfpartikeln, welche verwendet werden können, zählen zum Beispiel partikuläres alpha-Aluminiumoxid, alpha-Eisenoxid (Fe₂O₃) und Vorläufer von alpha-Aluminiumoxid oder alpha-Eisenoxid, welche zu alpha-Aluminiumoxid beziehungsweise alpha-Eisenoxid bei einer Temperatur unterhalb der Temperatur, bei welcher Aluminiumoxidmonohydrat zu alpha-Aluminiumoxid umgewandelt werden würde, umgewandelt werden. Diese Impfpartikelarten werden jedoch als Erläuterung und nicht als Beschränkung angegeben. Die Impfpartikel, die wirksam sein sollen, sollten vorzugsweise eine Submikrongröße aufweisen.

Vorzugsweise sollte bei Verwendung eines beimpften Sol-Gel-Aluminiumoxids die Menge des Impfmaterials nicht größer als etwa 10 Gewichts-% des hydratisierten Aluminiumoxids betragen, und es gibt normalerweise bei Mengen über etwa 5 Gewichts-% keinen Vorteil. Falls die Impfpartikel angemessen fein sind (ein Oberflächenbereich von etwa 60 m² pro Gramm oder mehr), können vorzugsweise Mengen von etwa 0,5 bis 10 Gewichts-%, noch bevorzugter etwa 1 bis 5 Gewichts-%, verwendet werden. Die Impfpartikel können auch in Form eines Vorläufers zugegeben werden, welcher bei einer Temperatur unter jener, bei welcher alpha-Aluminiumoxid gebildet wird, in die aktive Impfpartikelform umgewandelt wird.

Unbeimpfte Sol-Gel-Aluminiumoxidschleifmittel können ebenso verwendet werden. Dieses Schleifmittel kann durch das selbe Verfahren, welches oben beschrieben ist, hergestellt werden, mit Ausnahme der Einführung von Impfpartikeln. Ausreichende Seltenerdmetalloxide oder deren Vorläufer können dem Sol oder Gel zugegeben werden, um mindestens etwa 0,5 Gewichts-% und vorzugsweise etwa 1 bis 30 Gewichts-% Seltenerdmetalloxid nach dem Brennen bereitzustellen. Andere Kristallmodifizierer wie beispielsweise MgO können zur Herstellung von Sol-Gel-Aluminiumoxidschleifmittel zur Verwendung hierin verwendet werden.

Das bevorzugte MCA-Korn zur Verwendung gemäß der vorliegenden Erfindung ist aus beimpftem und unbeimpftem Sol-Gel-Aluminiumoxid-Korn ausgewählt, wie durch Leitheiser et al., (U.S.-A-4,314,827); Schwabel (U.S.-A-4,744,802); Cottringer et al. (U.S.-A-4,623,364), Bartels et al. (U.S.-A-5,034,360), Hiraiwa, et al. (U.S.-A-5,387,268), Hasegawa, et al. (U.S.-A-5,192,339), und Winkler, et al. (U.S.-A-5,302,564) beschrieben.

Die Schleifwerkzeuge der Erfindung umfassen MCA-Schleifkorn, eine glasartige Bindung, typischerweise mit 28 bis 68 Volumen-% Porosität im Werkzeug, und wahlweise ein oder mehrere sekundäre Schleifkörner, Füllstoffe und/oder Additive. Die Schleifwerkzeuge umfassen 3 bis 56 Volumen-% MCA-Schleifkorn, vorzugsweise 10 bis 56 Volumen-%. Die Menge des in dem Werkzeug verwendeten Schleifkorns und der Prozentsatz des sekundären Schleifmittels kann stark variieren. Die Zusammensetzungen der Schleifwerkzeuge der Erfindung enthalten vorzugsweise einen gesamten Schleifkorngehalt von etwa 34 bis etwa 56 Volumen-%, noch bevorzugter von etwa 40 bis etwa 54 Volumen-%, und am meisten bevorzugt von etwa 44 bis etwa 52 Volumen-% Korn.

Das MCA-Schleifmittel stellt vorzugsweise von etwa 5 bis etwa 100 Volumen-% des gesamten Schleifkorns des Werkzeugs und noch bevorzugter von etwa 30 bis etwa 70 Volumen-% des gesamten Schleifmittels im Werkzeug bereit. Wenn sekundäre Schleifkörner verwendet werden, stellen derartige Schleifkörner vorzugsweise von etwa 0,1 bis etwa 80 Volumen-% des gesamten Schleifmittelkorns des Werkzeugs und noch bevorzugter von etwa 30 bis etwa 70 Volumen-% bereit. Die sekundären Schleifkörner, die verwendet werden können, umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Aluminiumoxid, Aluminiumoxid-Zirkonoxid, Siliciumcarbid, kubisches Bornitrid, Diamant, Flint- und Granatkörner sowie Kombinationen hiervon.

Die Zusammensetzungen der Schleifwerkzeuge enthalten Porosität, um die Schmiermittelkomponente des Werkzeugs zu tragen. Die Zusammensetzungen der Schleifwerkzeuge der Erfindung enthalten von etwa 28 bis etwa 63 Volumen-% offene Porosität, noch bevorzugter enthalten sie von etwa 28 bis etwa 56 Volumen-%, und am meisten bevorzugt enthalten sie von etwa 30 bis etwa 53 Volumen-%. Die Porosität kann durch die inhärente Beabstandung, die durch die natürliche Packungsdichte der Materialien geschaffen wird, welche zur Herstellung des Schleifwerkzeugs verwendet werden, oder durch eine Kombination aus inhärenter Beabstandung und der Zugabe zu dem Schleifwerkzeug von herkömmlichen porenerzeugenden Mitteln umfassend, jedoch nicht beschränkt auf, hohle Glaskügelchen, zerkleinerte Walnussschalen, Kügelchen aus Kunststoffmaterial oder organischen Verbindungen, geschäumte Glaspartikel und Blasen-Aluminiumoxid und Kombinationen hiervon gebildet werden. Die Porosität besteht aus zwei Arten: offene Porosität und geschlossene Porosität. Geschlossene Porosität wird beispielsweise durch die Zugabe von Blasen-Aluminiumoxid und anderen geschlossenwandigen Hohlkörper-Abstandsmaterialien, welche den Schleifwerkzeugen beigegeben werden, gebildet. Die offene Porosität bezieht sich auf die verbleibenden Hohlraumbereiche in dem Werkzeug, die den Fluss von Luft und anderen Fluida in den und aus dem Werkzeugkörper ermöglichen. Die offene Porosität wird entweder durch kontrollierte Beabstandung von Komponenten während des Formens, Pressens und Brennens und/oder durch die Verwendung von porenbildenden Materialien wie beispielsweise Partikeln organischer Materialien, welche während des Brennens der glasartigen Bindung ausgebrannt werden, wobei Hohlräume in der Bindung hinterlassen werden, erzeugt. Wie hierin verwendet ist die „offene Porosität" eine miteinander verbundene Porosität, welche zur Imprägnierung mit der Schmiermittelkomponente der Erfindung verfügbar ist.

Die Schleifwerkzeuge der vorliegenden Erfindung sind mit einer glasartigen oder gläsernen Bindung gebunden. Die verwendete glasartige Bindung trägt in bedeutender Weise zur Präzisionsschleifleistung von Schleifwerkzeugen der vorliegenden Erfindung bei. Bei MCA-Korn werden Bindungen mit niedriger Brenntemperatur bevorzugt, um eine thermische Schädigung der Kornoberfläche, die einen Verlust der MCA-Schleifleistung zur Folge hat, zu verhindern. Beispiele geeigneter Bindungen für MCA-Korn sind in US-A-4,543,107; US-A-4,898,597; US-A-5,203,886; US-A-5,401,284; US-A-5,536,283; und U.S. Ser. Nr. 08/962,482, eingereicht am 31. Oktober 1997, offenbart. Zu Rohstoffen, die zur Verwendung in diesen Bindungen geeignet sind, zählen Kentucky Ball Clay Nr. 6, Kaolin, Lithiumkarbonat, Boraxpenthahydrat oder Borsäure und Soda-Asche, Flint und Wollastonit. Fritten können zusätzlich zu den Rohstoffen oder anstelle der Rohstoffe verwendet werden. Diese Bindungsmaterialien in Kombination enthalten vorzugsweise mindestens die folgenden Oxide: SiO₂, Al₂O₃, Na₂O, Li₂O, und B₂O₃.

Bei der Schmiermittelkomponente handelt es sich um ein wachshaltiges Material, das auf Grund seiner Eignung zum Imprägnieren keramisch gebundener Schleifwerkzeuge und Wirksamkeit bei der Verbesserung der Schleifleistung von MCA-Schleifkorn beim Nass- und Trockenschleifen ausgewählt wird. Die Schmiermittelkomponente ist eine Mischung aus Öl und Wachs. Das Öl ist im Allgemeinen eine niedrigviskose, nichtpolare, hydrophobe Flüssigkeit. Das Öl wird primär wegen seiner Fähigkeit zur Schmierung oder sonstigen Behandlung der Oberflächen des Werkzeugs und Werkstücks während des Schleifens ausgewählt. Das Öl kann ebenso die Schleifzone kühlen. Es können zahlreiche der Schmier- und Metallbearbeitungsöle, die in der Technik bekannt sind, verwendet werden. Repräsentative Öle zur Verwendung bei der vorliegenden Erfindung umfassen langkettige Kohlenwasserstofföle auf Erdöl- oder Mineralölbasis, wie beispielsweise naphthenische Öle und Paraffinöle; natürlich vorkommende Tri-, Di- und Monoglyceride, welche bei Raumtemperatur flüssig sind, umfassend Pflanzenöle, wie beispielsweise Rapsöl, Kokosnussöl und Castoröl; und tierische Öle, wie beispielsweise Spermöl. Synthetische Öle und Mischungen von Ölen können verwendet werden.

Das Öl kann des weiteren als inneres Vehikel zur Lieferung zur Schleifzone bestimmter chemisch aktiver Substanzen, Reibungsmodifizierer und Extremdruckschmiermittel, wie beispielsweise schwefelbehandelter Fettöle, Fettsäuren und Fettester; chlorierter Ester und Fettsäuren; chlorschwefelbehandelter Additive; und Mischungen hiervon, dienen. Trim^® OM-300 Metallbearbeitungsfluid ist ein bevorzugtes handelsübliches Öl, das von Master Chemical Corporation, Perrysburg, Ohio erhältlich ist. Annahmen zufolge enthält es eine Mischung aus Öl auf Erdölbasis, schwefelbehandeltem Lardöl, Chloralkenpolymer und chlorierten Fettsäuren.

Der zweite wichtige Bestandteil der Schmiermittelkomponente ist ein ölkompatibles Wachs. Wie hierin verwendet, bezieht sich „Wachs" auf hydrophobe Materialien mit einem festen Zustand bei Raumtemperatur (das heißt, einem Schmelzpunkt und einem Erweichungspunkt über 30°C, vorzugsweise über 40°C, noch bevorzugter über 50°C), wie beispielsweise bestimmte Kohlenwasserstoffmaterialen mit langkettigen aliphatischen (Fett-) sauerstoffhaltigen Anteilen und, wahlweise, Fettester-, Alkohol-, Säure-, Amid- oder Amin- oder Alkylsäurephosphatgruppen.

Wachse wurden als eine chemische Klasse enthaltend Ester von Fettsäuren mit Alkoholen, wobei es sich nicht um Glycerol handelt, definiert und dadurch von Ölen und Fetten, wobei es sich um Ester von Fettsäuren mit Glycerol handelt, unterschieden. Gesättigte Kohlenwasserstoffe höheren Molekulargewichts (zum Beispiel mindestens C12 aliphatische Kette) und Fettalkohole (zum Beispiel mindestens C12 aliphatische Kette) sind bevorzugte Wachse zur Verwendung hierin. Die bei der Erfindung verwendeten Wachse umfassen einen Großteil C12–C30 aliphatischer Gruppen. Zur Erleichterung der Herstellung weisen bevorzugte Wachse eine Erweichungspunkttemperatur von etwa 35 bis 115°C auf (Ringand-Ball Apparatus Softening Point Test Method; ASTM E 28–67, 1982), so dass sie beim Erhitzen zur Mischung mit dem Öl fluid werden, jedoch bei Raumtemperatur ein festes oder viskoses Gel bleiben. Das Wachs ist bis zu einem gewissen Grad für Kühlung und Schmierung verantwortlich, seine primäre Funktion besteht jedoch in dem Einschließen des Öls zur Verhinderung eines Heraussickerns des Öls aus dem Schleifmittel oder einer Wiederverteilung in dem Schleifmittel vor dem Schleifen, und der Verbesserung der Ölfilmstärke am Schleifort. Zahlreiche natürliche und synthetische Wachse, wie beispielsweise Carnaubawachs, Polyethylenwachs, Accu-lube-Wachs (in Gel- oder fester Form, eine handelsübliche Mischung umfassend langkettige Fettalkohole, die von ITW Fluid Products Group, Norcross, Georgia, erhältlich ist) und Micro-Drop-Wachs (ein langkettige Fettsäure enthaltendes Produkt, erhältlich von Trico Mfg. Corp., Pewaukee, WI) sowie Mischungen dieser Wachse können verwendet werden.

Zur Imprägnierung des eine glasartige Bindung aufweisenden Schleifartikels wird das Wachs bis zum Schmelzen erhitzt und erhitztes Öl wird dem Wachs unter leichtem Rühren beigegeben, bis eine einheitliche Mischung erreicht wird. Die flüssige Öl/Wachs-Mischung kann direkt in das Schleifmittel imprägniert werden, oder die Mischung kann zu einem Feststoff abgekühlt werden, damit anschlieißend ein erneutes Schmelzen und eine Imprägnierung erfolgen. Das Verhältnis des Öls zum Wachs in dem Schmiermittel wird von dem Wunsch bestimmt, soviel Öl wie möglich zum Kühlen und Schmieren bereitzustellen, ohne ein Sickern des Öls aus dem Schleifmittel zuzulassen. Die Accu-Lube- und Mikro-Drop-Wachse weisen relativ niedrige Schmelzpunkte (zum Beispiel weniger als 50°C) auf, und es wird angenommen, dass sie eine Ölkomponente in einem Öl-zuwachs-Gewicht-Verhältnis von mindestens 1 : 4 umfassen. Somit können diese Wachse als Schmiermittelkomponente zum Imprägnieren von Scheiben entweder mit oder ohne Vermischung in einer zusätzlichen Menge eines Öls verwendet werden.

Die Schmiermittelkomponente der Erfindung enthält vorzugsweise mindestens 50 Gewichts-% Öl. Es wurde herausgefunden, dass bis zu etwa 80 Gewichts-% Öl mit Carnaubawachs oder Polyethylenwachs vermischt werden können, um eine starke, feste Mischung bei Raumtemperatur bereitzustellen. Paraffinwachs bildet keine geeignete Mischung mit dem Öl. Daher sind Carnaubawachs (auch „Brazil Wachs" genannt, eine Mischung mit Estern von hydroxylierten ungesättigten Fettsäuren mit etwa 12 Kohlenstoffatomen in der Fettsäurekette und Alkoholen und Kohlenwasserstoffen, mit einem Erweichungspunkt von über 85°C) und Polyethylenwachs (Kohlenwasserstoff mit hohem Molekulargewicht mit einem Erweichungspunkt von über 110,5°C) bevorzugte Wachse zum Mischen mit Öl zur Herstellung der Schmiermittelkomponente. Carnaubawachs ist am meisten bevorzugt.

Es ist leicht feststellbar, ob ein Wachs zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet ist, indem eine geschmolzene Mischung von mindestens etwa 50 Gewichts-% Öl in dem Wachs hergestellt wird. Anschließend lässt man die Mischung abkühlen. Falls die abgekühlte Mischung zu einer einheitlichen Konsistenz erstarrt (das heißt nicht klumpig ist, wie durch Sichtprüfung bestimmt) und das erstarrte Produkt bei Raumtemperatur spröde, nicht plastisch ist, sondern beim Biegen bricht, so sind die ausgewählten Bestandteile akzeptabel.

Wachse mit thixotropen Viskositätseigenschaften bei der Imprägnierungstemperatur werden zur Verwendung bei der Erfindung bevorzugt. Diese Scherentzähungseigenschaft ist während der Herstellung des Schleifwerkzeugs sowie während des Schleifvorgangs vorteilhaft. Bevorzugte Wachse, zum Beispiel Carnauba- und Polyethylenwachse sowie Accu-Lube- und Mikro-Drop-Produkte haben geeignete Viskositätseigenschaften bei den kritischen Temperaturbereichen zur Herstellung und Verwendung.

Das glasartige Bindung aufweisende Schleifwerkzeug wird durch herkömmliche Verfahren gebildet. Beispielsweise werden MCA-Korn und eine Bindungsmischung zu einer Scheibenvorform in einer Form gepackt, um eine ungehärtete Schleifscheibe herzustellen. Die ungehärtete Scheibe wird anschließend erhitzt, um die Bindung zu brennen. Das ungehärtete MCA-Korn und die ungehärtete Bindungsmischung können ebenso vermischt und geformt oder gestaltet werden, um Schleifsegmente zu bilden. Nach dem Brennen können die Segmente mit einem Kern eines Schneidwerkzeugs verbunden oder daran angeschweißt werden.

Zur Vorbereitung der Imprägnierung der Scheibe wird die Öl/Wachs-Mischung über dem Schmelzpunkt des Höchst-Schmelz-Wachs-Bestandteils erhitzt. Dies kann beispielsweise geschehen, indem die Mischung in einen Trog, welcher in ein flüssiges Wärmeübertragungsmittelbad eingetaucht ist, welches auf eine geeignete Temperatur eingestellt ist, gegeben wird. Silikonöl ist ein akzeptables Mittel. Das Schleifwerkzeug wird ebenso auf eine Temperatur über dem Schmelzpunkt des Wachses vor der Imprägnierung erhitzt. Unter Aufrechterhaltung einer erhöhten Temperatur wird das Werkzeug über eine Zeitdauer, welche für die Mischung ausreicht, um in die Poren des Schleifmittels einzudringen, in die flüssige Öl/Wachs-Mischung eingetaucht. Eine vorher erhitzte Scheibe wird auf einer horizontalen Achse angebracht und bei einer moderat langsamen Umfangsgeschwindigkeit von etwa 10–15 cm/s linearer Geschwindigkeit gedreht. Die sich drehende Scheibe wird dann langsam in eine geschmolzene Öl/Wachs-Mischung herabgelassen, oder es kann die Mischung heraufbewegt werden, um den Schleifteil der Scheibe einzutauchen. Es sollte beachtet werden, dass die Mitführung von Luft in die Öl/Wachs-Mischung, wodurch eine gründliche Imprägnierung der Poren verhindert werden könnte, verhindert wird. Der Pegel der geschmolzenen Öl/Wachs-Mischung sollte unterhalb des Imprägnierungspegels gehalten werden, um das Entweichen von Luft zu ermöglichen und Luftlöcher zu verhindern. Das Gewicht des Werkzeugs kann überwacht werden, um zu bestimmen, wann ausreichend Öl/Wachs vom Schleifwerkzeug aufgenommen worden ist. Alternativ dazu zeigt eine Sichtprüfung des Werkzeugs eine leichte Farbänderung der Scheibe, wenn die Öl/Wachs-Mischung in die Poren eintritt, und der Vorgang ist abgeschlossen, wenn die gesamte Scheibe ihre Farbe verändert hat. Wenn die Imprägnierung vollständig ist, wird die Scheibe langsam aus der Mischung entfernt, und man lässt sie abkühlen. Die Drehung der Scheibe sollte fortgesetzt werden, bis die Kühlung beendet ist, um die Möglichkeit einer Entstehung einer unausgeglichenen Verteilung von Schmiermittelkomponente in der Scheibe zu reduzieren.

Bei einem alternativen Verfahren zur Imprägnierung der Scheiben der Erfindung, wobei dieses Verfahren kein Teil der Erfindung ist, wird eine flache Seite der Scheibe auf einer Erhitzungsplatte positioniert, ein Block der Öl/Wachs-Mischung wird auf der entgegengesetzten, oberen Seite der Scheibe positioniert, und die Platte unter der Scheibe wird auf eine Temperatur erhitzt, welche mindestens so hoch wie die Schmelztemperatur der Öl/Wachs-Mischung ist. Bei Erwärmung der Scheibe schmilzt die Öl/Wachs-Mischung und diffundiert in die Poren der Scheibe, unterstützt durch die Schwerkraft. Bei einem Beispiel dieses Verfahrens wird eine Imprägnierung einer Scheibe von 5 Inch (127 mm) mit Accu-lube-Schmiermittelkomponente durch Erhitzen der Scheibe auf 100°C ausgeführt. Die Imprägnierung ist in etwa 10 Minuten beendet, wenn das Accu-lube-Material blauer Farbe um den Umfang und am Boden der Scheibe sichtbar wird. Diese Technik verhindert eine Mitführung von Luft und bringt eine einheitlich imprägnierte Scheibe hervor. Andere Methoden können zur Herstellung der Scheiben der Erfindung verwendet werden, vorausgesetzt, dass eine einheitliche Dispersion der Schmiermittelkomponente in im Wesentlichen alle Poren der Scheibe erreicht wird.

Diese Erfindung wird nun durch Beispiele bestimmter repräsentativer Ausführungsformen hiervon veranschaulicht, wobei alle Teile, Verhältnisse und Prozentsätze, falls nicht anders angegeben, auf das Gewicht bezogen sind. Alle Gewichtsund Maßeinheiten, welche ursprünglich nicht in SI-Einheiten erhalten wurden, wurden in SI-Einheiten umgewandelt.

Die folgenden Materialen wurden in den Beispielen verwendet: P. E.-Wachs Polyethylenwachs vom Typ Polyset 22015 von The International Group, Inc., Wayne, PA Carnaubawachs Flocken, von Aldrich, Milwaukee, WI (enthält eine größere Menge von C24 Fettsäuren) Paraffinwachs Vollständig raffinierter Typ 1633 (699157 H), von Boler Petroleum Co, Ardmore, PA Accu-lube-Gel von ITW Fluid Products Group, Norcross, GA (GC-MS-Analyse zeigte eine größere Menge einer Mischung aus Cetylalkohol und 9-Octadecan-1-ol) Mikro-Drop-Wachs von Trico Mfg. Corp., Pewaukee, WI (GC-MS-Analyse zeigte eine größere Menge langkettiger (≥ 12 C) Fettsäuren) Schwefel Kristalliner Schwefel von H. M. Royal, Inc. Trenton, N. J. OM-300 Trim^® OM-300 Metallbearbeitsfluid aus Öl auf Erdölbasis mit schwefelbehandeltem Öl, chloriertem Alkenpolymer und chlorierten Fettsäuren von Master Chemical Corporation, Perrysburg, Ohio OA-770 10 Gewichts-% Schwefel/11,0 Gewichts-% chlorhaltiges chlorschwefelbehandeltes Metallschneidadditiv in einem Öl, von Witco Chemical, Greenwich, Connecticut OA-377 36 Gewicht-% schwefelhaltiges schwefelbehandeltes Metallschneidadditiv in einem Öl, von Witco Chemical Co. OA-702 34,0 Gewichts-% chlorhaltiges Metallschneidadditiv aus chloriertem Ester in einem Öl, von Witco Chemical Co.

Eine Probe P. E.-Wachs (9 g) wurde bei etwa 100°C geschmolzen, und 1 g festen Schwefels wurde dem geschmolzenen Wachs unter Handrühren zugegeben. Der Schwefel dispergierte nicht in das Wachs, sondern blieb stattdessen als einzelner Tropfen in dem Wachs eingetaucht. Dieser Versuch wurde mit Carnaubawachs, Paraffinwachs, Accu-lube-Gel und Mikro-Drop-Wachs anstelle des P. E.-Wachses wiederholt. Carnaubawachs wurde bis auf etwa 80 °C erhitzt, und die anderen Wachse wurden auf etwa 50°C erhitzt. In jedem Fall vermischte sich der Schwefel nicht mit dem Wachs. Daher waren diese Proben der Schwefel/Wachs-Kombinationen zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung nicht akzeptabel.

Eine ausreichende Menge von OM-300-Öl wurde dem Paraffinwachs, welches wie im Vergleichsbeispiel 1 geschmolzen wurde, unter Rühren zugegeben, um eine Konzentration von 10 Gewichts-% von OM-300-Öl herzustellen. Man ließ die Lösung bei Raumtemperatur abkühlen. Die visuelle Beobachtung zeigte, dass sich das Öl und das Wachs nicht gut vermischten. Die Produktmischung war weich und wurde deshalb als „schwach" und nicht akzeptabel für die Verwendung bei der Erfindung befunden.

Der Vorgang von Vergleichsbeispiel 2 wurde mit P. E.-Wachs anstelle von Paraffinwachs wiederholt. Das OM-300-Öl vermischte sich gut mit dem P. E.-Wachs, und das Produkt war stark, das heißt, bei Raumtemperatur war es spröde und es brach beim Biegen. Der Versuch wurde mit 25, 40 beziehungsweise 50 Gewichts-% OM-300-Öl in der Mischung wiederholt. In jedem Fall vermischten sich die Bestandteile gut, auch wenn bei 50 Gewichts-% das Produkt dem Anschein nach eine unebene Oberfläche aufwies. Die Produktmischung wurde bei allen Konzentrationen als stark erachtet und war zur Verwendung bei der Erfindung akzeptabel.

Der Vorgang von Vergleichsbeispiel 2 wurde mit Carnaubawachs bei Konzentrationen von 25, 40, 50, 60 beziehungsweise 75 Gewichts-% OM-300-Öl wiederholt. Alle Mischungen waren zur Verwendung bei der Erfindung akzeptabel. Mischungen mit mindestens 25 Gewichts-% waren bevorzugt.

Der Vorgang von Vergleichsbeispiel 2 wurde mit Accu-Lube-Gel wiederholt. Produktmischungen mit 25 Gewichts-% OM-300-Öl wurden als akzeptabel zur Verwendung bei der Erfindung erachtet.

Der Vorgang von Vergleichsbeispiel 2 wurde mit Mikro-Drop-Wachs wiederholt. Produktmischungen mit 20 Gewichts-% OM-300-Öl wurden zur Verwendung bei der Erfindung als akzeptabel erachtet.

Eine Mischung mit 50/50 Gewichts-% OM-300-Öl/P.E.Wachs wurde wie in Vergleichsbeispiel 1 hergestellt. Die Produktmischung war stark und akzeptabel, schien jedoch klumpig.

Eine Mischung mit 50/50 Gewichts-% OA-770-Öl/Carnaubawachs wurde wie in Vergleichsbeispiel 1 hergestellt. Die Produktmischung war stark und schien glatt und gut gemischt und war akzeptabel. Das Produkt einer Mischung aus 75/25 Gewichts-% OA-770-Öl/Carnaubawachs lieferte Ergebnisse ähnlich der 75 Gewichts-% OM-300-Öl/Wachs-Mischung und war akzeptabel.

Eine Mischung mit 50/50 Gewichts-% OA-770-Öl/P.E.-Wachs wurde wie in Vergleichsbeispiel 1 hergestellt. Die Produktmischung war stark und schien glatt und gut gemischt und war akzeptabel. Die gleichen Ergebnisse wurden mit Mischungen mit 50/50 Gewichts-% von P.E.-Wachs mit OA 377-Öl bzw. OA 702-Öl erzielt.

Eine Mischung mit 50/50 Gewichts-% OA-770-Öl/Accu-Lube-Wachs wurde wie in Vergleichsbeispiel 1 hergestellt. Die Produktmischung war ziemlich stark und schien glatt und gut gemischt und war zur Verwendung bei der Erfindung akzeptabel. Die gleichen Ergebnisse wurden mit Mischungen mit 50/50 Gewichts-% von Accu-lube mit OA 377-Öl beziehungsweise OA 702-Öl erzielt. Die Accu-Lube enthaltenden Schmiermittelkomponenten waren bei Raumtemperatur weicher als die P. E.- oder Carnaubawachskomponenten und zur Verwendung in den Schleifartikeln der Erfindung weniger wünschenswert.

Kokosnussöl- und Carnaubawachs-Mischungen mit 25/75, 50/50 und 75/25 Gewichts-% wurden wie in Vergleichsbeispiel 2 hergestellt und als gut vermischt und zur Verwendung bei der Erfindung als akzeptabel befunden. Die gleichen Ergebnisse wurden mit Mischungen mit 25/75, 50/50 und 75/25 Gewichts-% von Kokosnussöl mit Accu-Lube-Gel beziehungsweise Mikro-Drop-Wachs erhalten. Im Falle von 50 und 75 Gewichts-% Kokosnussöl in entweder Accu-lube oder Mikro-Drop waren die Mischungen ziemlich weich bei Raumtemperatur und daher zur Verwendung als Behandlung für Schleifartikel weniger wünschenswert als die Mischungen mit weniger als 50% Kokosnussöl.

Castoröl- und Carnaubawachs-Mischungen mit 25/75, 50/50 und 75/25 Gewichts-% wurden wie in Vergleichsbeispiel 2 hergestellt und als gut vermischt und zur Verwendung bei der Erfindung als akzeptabel befunden. Die gleichen Ergebnisse wurden mit Mischungen mit 25/75, 50/50 und 75/25 Gewichts-% von Castoröl mit Accu-Lube-Gel beziehungsweise Mikro-Drop-Wachs erhalten. Im Falle von 50 und 75 Gewichts-% Castoröl in entweder Accu-Lube oder Mikro-Drop waren die Mischungen ziemlich weich bei Raumtemperatur und daher zur Verwendung als Behandlung für Schleifartikel weniger wünschenswert als die Mischungen mit weniger als 50% Castoröl.

Rapsöl- und Carnaubawachs-Mischungen mit 40/60, 50/50, 60/40, 70/30 und 80/20 Gewichts-% wurden wie in Vergleichsbeispiel 2 hergestellt und als gut vermischt und zur Verwendung bei der Erfindung als akzeptabel befunden. Die gleichen Ergebnisse wurden bei den gleichen Gewichtsprozentsätzen mit Mischungen von Rapsöl mit Accu-Lube-Gel beziehungsweise Mikro-Drop-Wachs erhalten. Bei 50 Gewichts-% und höheren Mengen von Rapsöl in entweder Accu-Lube oder Mikro-Drop waren die Mischungen ziemlich weich bei Raumtemperatur und daher zur Verwendung als Behandlung für Schleifartikel weniger wünschenswert als die Mischungen mit weniger als 50% Rapsöl.

Diese Mischungstests zeigen, dass eine zur Imprägnierung der Schleifwerkzeuge der Erfindung geeignete Schmiermittelkomponente als einfache erhitzte Mischung aus ausgewählten Wachsen und Öl herstellbar ist. Carnaubawachs und P. E.-Wachs waren die besten Wachsträger für große Mengen an Öl und daher die bevorzugten Wachse zur Verwendung in der Öl/Wachs-Mischungs-Schmiermittelkomponente der Erfindung.

Die Schmiermittelkomponente konnte nicht durch Mischen von Wachs mit elementarem Schwefel hergestellt werden. Falls Schwefel verwendet wurde, musste er dem Wachs als Additiv in einem Schneidölvehikel zugegeben werden, um eine Verteilung des Schwefels zu gewährleisten.

Paraffinwachs war zur Verwendung in der Schmiermittelkomponente der Erfindung nicht geeignet. Im Gegensatz zu Carnaubawachs ist Paraffinwachs klebrig und verursacht eine Beladung der Schleifscheibenfläche. Außerdem konnte Paraffinwachs nicht mit Ölen zur Bildung einer Öl/Wachs-Mischung vermischt werden.

Wachse (Paraffin-, Carnauba-, Polyethylen-, Mikro-Drop- und Accu-lube-Wachse) wurden auf Viskositätsänderungen hin über einen Bereich von Scherraten bei 5 Temperaturpunkten zwischen 25°C und dem Schmelzpunkt jedes Wachses getestet. Die Tests wurden an einem Kayeness Galaxy IV Capillary Rheometer, erhalten von Kayeness, Inc., Honey Brook, PA, welches bei den Kraftwerten, Rammgeschwindigkeiten und Scherraten, welche in der Tabelle unten gezeigt sind, betrieben wurde, ausgeführt. Das Rheometer war mit einem 8,00 mm langen Probenkapillarrohr mit einem Öffnungsdurchmesser von 1,05 mm ausgestattet. Die Viskosität der Wachse wurde aus der Scherbeanspruchung und den Scherraten durch die Formel: &eegr; = &tgr;/&ggr; errechnet; wobei &eegr; die Viskosität in Poise ist, &tgr; die Scherbeanspruchung in Kilodyn/cm² ist, und &ggr; die Scherrate in Sek.^–1 ist. Bei jedem Wachs existierte eine lineare Beziehung zwischen der aufgezeichneten Scherrate und den aufgezeichneten Viskositätswerten über die getesteten Temperaturen.

Zur Verwendung in der Schmiermittelkomponente der Erfindung geeignete Wachse waren durch ein Scherentzähungs- (oder thixotropes) Viskositätsverhalten bei einer Zunahme der Scherrate über alle getesteten Temperaturen gekennzeichnet.

Die folgenden Verfahren dienten zur Imprägnierung von Schleifscheiben mit der Öl/Wachs-Mischung und illustrieren einige Prinzipien eines bevorzugten Verfahrens der Scheibenbehandlung gemäß der Erfindung.

Eine handelsüblich hergestellte Schleifscheibe (5,1 × 0,52 × 0,875 Inch) (127,0 × 12,7 × 22,2 mm) umfassend 9,12 Volumen-% glasartige Bindung, 48 Volumen-% Schleifkorn und 42,88 Volumen-% Poren wurde ausgewählt. Die Scheibe wog 556,88 g einschließlich eines Dorns. Die Scheibe wurde auf 150°C erhitzt, anschließend bei 17 Umdrehungen/Min. gedreht und teilweise in eine Mischung aus 60 Gewichts-% OM-300-Öl und 40 Gewichts-% Carnaubawachs, welche über etwa 2 bis 5 Minuten bei 110°C gehalten wurde, eingetaucht. Die Rotation der Scheibe in der Öl/Wachs-Mischung wurde fortgesetzt, bis die Imprägnierung visuell beendet war. Die Scheibe wurde aus dem Wachs entfernt, und man ließ sie bei Raumtemperatur abkühlen, während sie sich mit der selben Geschwindigkeit drehte. Das Gewicht der imprägnierten Scheibe und des Dorns betrug 605,90 g. Die Scheibe hatte etwa 15 Gewichts-% der Schmiermittelkomponente absorbiert, und die Poren waren im Wesentlichen mit Schmiermittelkomponente gefüllt.

Eine Schleifscheibe (5,1 × 0,523 × 0,875 Inch) (127,0 × 12,7 × 22,2 mm) umfassend 9,12 Volumen-% glasartige Bindung, 48 Volumen-% Schleifkorn und 42,88 Volumen-% Poren, wurde ausgewählt. Die Scheibe wog 323,50 g ohne Dorn. Die Scheibe wurde auf 150°C erhitzt, anschließend bei 17 Umdrehungen/Min. gedreht und teilweise in eine Mischung aus 50 Gewichts-% OA-770-Öl und 50 Gewichts-% Carnaubawachs eingetaucht, welche über etwa 2 bis 5 Minuten bei 106°C gehalten wurde, bis die Imprägnierung visuell beendet war. Die Scheibe wurde aus dem Wachs entfernt, und man ließ sie bei Raumtemperatur abkühlen, während sie sich mit der selben Geschwindigkeit drehte. Das Gewicht der imprägnierten Scheibe betrug 373,74 g. Die Scheibe hatte etwa 15 Gewichts-% der Schmiermittelkomponente absorbiert, und die offenen Poren waren im Wesentlichen mit Schmiermittelkomponente gefüllt.

Ein Querschnitt einer der Scheiben, welche durch das oben beschriebene Verfahren imprägniert wurde, wurde bereitgestellt, und es wurde beobachtet, dass keine radiale Variation der Schmiermittelkomponentenimprägnierung sichtbar war. Daher wurde durch Verwendung dieses Verfahrens der Scheibenbehandlung im Wesentlichen die gesamte offene Porosität in den Scheiben einheitlich mit der Schmiermittelkomponente imprägniert.

Weitere Scheiben wurden in ähnlicher Weise bereitgestellt, wobei jede der Öl/wachs-Komponenten dazu diente, die Erfindung zu kennzeichnen und zu definieren. Die Scheiben wurden auf eine Temperatur von 20 bis 30°C über der Temperatur der flüssigen Schmiermittelkomponente erhitzt, und jede Schmiermittelkomponente wurde erhitzt, bis das Wachs vollständig geschmolzen war (zum Beispiel P. E.-Wachs auf 110 °C; Carnaubawachs auf 85°C; und Accu-Lube- und Mikro-Drop-Wachse auf 50°C). Bei Scheibenzusammensetzungen, welche den oben beschriebenen ähnlich sind, ergab diese Technik auch behandelte Scheiben mit etwa 15 Gewichts-% Schmiermittelkomponente.

Schmiermittelbehandelte Schleifwerkzeuge wurden mit nicht behandelten Schleifwerkzeugen unter Trocken- und Nassschleifverfahren verglichen. Proben aus beimpftetes Sol-Gel-Aluminiumoxid-Korn aufweisenden keramisch gebundenen Schleifscheiben (Norton Companys handelsübliche SG80-K8-HA4-Scheiben) (5 × 0,5 × 0,875 Inch) (127,0 × 12,7 × 22,2 mm) mit einem Gewicht von etwa 356 g jeweils wurden für den Test ausgewählt.

Proben der Schleifscheiben (Scheiben 9 und 10) wurden mit einer Schmiermittelkomponentenmischung aus 50 Gewichts-% OA-770 chlorschwefelbehandeltem Schneidöl-Additiv und 50 Gewichts-% Carnaubawachs, hergestellt wie in Beispiel 1 beschrieben, imprägniert. Die Schmiermittelkomponente wurde durch Imprägnieren im Wesentlichen so in das Schleifmittel eingebracht wie in Beispiel 2 für Scheibe 2 beschrieben. Das Gewicht der in die Scheiben 9 und 10 eingebrachten Schmiermittelkomponente betrug jeweils etwa 50 g. Die Scheibe 9 wurde verwendet, um den Trockenzylinderschleiftest, welcher unten beschrieben wird, auszuführen. Die Scheibe 10 wurde beim unten beschriebenen Nasszylinderschleiftest verwendet.

Eine andere Probe dieser Scheiben (Scheibe 11) wurde mit Acculube-Gel (etwa 50 g) gemäß dem Verfahren von Beispiel 2 (außer dass die Scheibe auf 120°C und das Wachs auf 88°C erhitzt wurde) imprägniert. Die behandelte Scheibe wurde zum Trockenschleifen des Werkstücks wie unten beschrieben verwendet. Nicht behandelte Proben dieser Scheiben (Kontrollprobe 3–1 und Kontrollprobe 3–2) wurden zum Schleifen des Stahlwerkstücks mit beziehungsweise ohne Kühlmittel verwendet.

Die Tests wurden über einen Bereich von Vorschubraten ausgeführt, welche zu ausgeübten Kräften im Bereich von 22 bis 133 N führten. Testeinzelheiten und Schleifergebnisse bei einer ausgeübten Kraft von 88,96 N sind in Tabelle 2 gezeigt.

Diese Ergebnisse zeigen, dass in Abwesenheit eines extern aufgebrachten Kühlmittels (das heißt, Trockenschleifen) die neuartige Schleifscheibe der Erfindung ein höheres G-Verhältnis und eine höhere Schleiffähigkeit (G-Verhältnis/spezifische Energie) bei niedrigerer spezifischer Energie als jegliche der nicht imprägnierten Schleifscheiben zeigte. In sowohl den Nass- als auch den Trockenschleiftests verbrauchte die neuartige Schleifscheibe im Wesentlichen weniger Leistung als jegliche der nicht imprägnierten Scheiben. Beim Nassschleiftest im Betrieb mit extern aufgebrachtem Kühlmittel war die Schleiffähigkeit der neuartigen Schleifscheibe jener der nicht imprägnierten Scheiben bei allen ausgeübten Kräften sehr ähnlich.

Die Scheiben der Erfindung bieten somit bedeutende Verbesserungen für Schleifvorgänge, bei denen eine Werkstückverbrennung verhindert werden muss und externes Kühlmittel aus Umweltschutz- oder anderen Gründen unerwünscht ist.

Dieses Beispiel zeigt die Vorteile relativ zu einer unbehandelten Kontrollprobe verschiedener schmiermittelkomponentenbehandelter Scheiben. Das Carnaubawachs wurde entweder mit 100 Gewichts-% der Schmiermittelkomponenten oder mit 20 Gewichts-% in Kombination mit entweder Castoröl, Kokosnussöl oder Rapsöl verwendet.

Testscheiben (Norton Companys handelsübliche SG80-K8-HA4 Scheiben) wurden durch das in Beispiel 2 beschriebene Verfahren imprägniert. Die Kontroll- und Testscheiben enthielten etwa 48 Volumen-% beimpftes Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifkorn, 9,12 Volumen-% glasartige Bindung und etwa 42,88 Volumen-% Porosität. Die Scheibengewichte nach der Imprägnierung sind unten aufgezeigt.

Die auf der Basis von Carnaubawachs behandelten Proben und Kontrollproben wurden in einem Trockenschleifauflendurchmesserschleiftest unter den folgenden Bedingungen beurteilt. Die Ergebnisse sind in Tabelle II gezeigt.

Alle behandelten Proben waren der unbehandelten Kontrollprobe bezüglich der Oberflächengüte überlegen. Bei höheren Niveaus der ausgeübten Kraft waren alle behandelten Proben der unbehandelten Kontrollprobe hinsichtlich der Schleifleistung und den Leistungsparametern überlegen. Die unbehandelte Kontrollprobe zeigte höhere G-Verhältnisse bei niedrigeren Niveaus ausgeübter Kraft, doch das G-Verhältnis und die Materialentfernungsrate nahmen schnell ab, wenn mehr Kraft ausgeübt wurde. Dies stellt bei Präzisionsschleifvorgängen eine höchst unerwünschte Eigenschaft dar, welche bei den Scheiben der Erfindung größtenteils eliminiert wurde. Höchst bemerkenswert ist die Tatsache, dass in diesem Trockenschleiftest die zum Schleifen benötigte spezifische Energie und der Schleiffähigkeitsindex (G-Verhältnis/spezifische Energie) bei den behandelten Scheiben bedeutend besser waren als bei den unbehandelten Scheiben.

Bei allen ausgeübten Kräften waren Leistungswert, G-Verhältnis, Oberflächengüte und Schleiffähigkeit der Öl/Wachs-Komponenten-Proben ähnlich wie oder etwas besser als die 100%-Carnaubawachs-Kontrollprobe. Es wurde beobachtet, dass die mit 100% Carnaubawachs behandelte Scheibe einen unerwünschten, schwer zu entfernenden Rückstand auf dem Werkstück nach dem Schleifen hinterließ. Die Wachs/Öl-Mischungen hinterließen auch einen Rückstand auf dem Werkstück, jedoch im Gegensatz zu dem Rückstand bei 100% Wachs wurde der Wachs/Öl-Rückstand mühelos von dem Werkstück weggewischt. Der Carnaubawachsrückstand kann eine Beladung der Scheibenfläche bei bestimmten Schleifvorgängen verursachen.

Dieses Beispiel zeigt die Vorteile relativ zu schwefelbehandelten Kontrollproben der schmiermittelbehandelten Scheiben mit einem Bereich von Gewichtsprozentsätzen von Carnaubawachs zu schwefelhaltigen Ölen. Diese Proben wurden ebenso mit einer Schmiermittelkomponente mit einem 1 : 3-Verhältnis von Carnaubawachs und Öl ohne Additive verglichen. Die behandelten Scheiben und Kontrollproben wurden in einem Innendurchmesserprofilschlifftest unter den Nassschleifbedingungen getestet, welche nötig sind, um eine Verbrennung der schwefelbehandelten Kontrollscheiben zu verhindern.

Testscheiben (Norton Companys handelsübliche SG80-J8-VS-Scheiben) (3,0 × 0,5 × 0,875 Inch) (76,0 × 12,7 × 22,2 mm) wurden durch das in Beispiel 2 beschriebene Verfahren imprägniert. Die Scheiben enthielten etwa 48 Volumen-% beimpftes Sol-Gel-Aluminiumoxid-Schleifkorn, 7,2 Volumen-% glasartige Bindung und etwa 44,8 Volumen-% Porosität. Die Scheibengewichte nach der Imprägnierung sind unten gezeigt.

Die Schwefelkontrollscheibe war eine handelsübliche Scheibe, imprägniert mit etwa 15 Gewichts-% elementarem Schwefel (SG80-J8-VS-TR22), erhalten von Norton Campany, Worcester, MA.

Unter Nassschleifbedingungen waren die Scheiben der Erfindung den schwefelbehandelten Scheiben in Bezug auf Schleiffähigkeit und spezifische Energie überlegen und zeigten ein wünschenswertes Gleichgewicht zwischen Wirksamkeits- bzw. Leistungsparametern, einschließlich der zum Schleifen benötigten Leistung und Materialentfernungsraten. Somit stellen die behandelten Scheiben der Erfindung einen akzeptablen Ersatz für schwefelimprägnierte Schleifscheiben dar.

Alle behandelten Scheiben (mit Ausnahme der mit OM-300-Öl behandelten Scheibe #22) waren der unbehandelten Kontrollscheibe bezüglich der Schleiffähigkeit überlegen, hatten jedoch einen äquivalenten Bedarf bezüglich der spezifischen Energie. Auch wenn die Leistung der mit OM-300-Öl behandelten Scheibe 22 etwas schlechter bei der höheren Vorschubrate war, war die Gesamtleistung akzeptabel. Da das OM-300-Öl nur eine kleinere Menge an Schwefel relativ zu dem OM-377-Öl enthält, würde die mit OM-300-Öl behandelte Scheibe zur Verwendung in Schleifvorgängen ausgewählt werden, bei welchen Schwefel ein Umweltproblem darstellt.

Wie in Beispiel 3 beschrieben zeigen beim Testen der behandelten und unbehandelten Scheiben unter Trockenschleifbedingungen alle mit Öl und Wachs imprägnierten Scheiben wahrscheinlich sogar höhere G-Verhältnisse und verbrauchen sogar weniger Leistung als unbehandelte Kontrollscheiben.

Auch wenn bestimmte Formen der Erfindung zur Darstellung in den Zeichnungen und Beispielen ausgewählt wurden und die vorangehende Beschreibung in bestimmten Bezeichnungen zum Zwecke der Beschreibung dieser Formen der Erfindung formuliert ist, ist es nicht beabsichtigt, durch die Beschreibung den Umfang der Erfindung, welcher in den Ansprüchen definiert ist, einzuschränken.