Die Erfindung betrifft gebundene Schleifgegenstände oder Schleifwerkzeuge, die durch die Verwendung bestimmter Schleifkornagglomerate porös gemacht sind, und Verfahren zum Herstellen der Schleifkornagglomerate.

Schleifwerkzeuge werden in unterschiedlichen Härtegraden oder Strukturen hergestellt, was durch die relativen Volumenanteile von Schleifkorn, Bindemittel und Porosität innerhalb einer Schleifkornmatrixzusammensetzung bestimmt wird. Bei vielen Schleifvorgängen verbessert die Porosität des Schleifwerkzeugs, insbesondere Porosität einer durchlässigen oder einer miteinander verbundenen Art, die Wirksamkeit des Schleifvorgangs und die Qualität des geschliffenen Werkstücks. Mischungen von Schleifmittelzusammensetzungen können Porositätsauslöser wie beispielsweise Blasen-Aluminiumoxid und Naphthalin zugegeben werden, um das Druckpressen und die Handhabung eines porösen, nicht ausgehärteten Schleifgegenstands zu erlauben und einen angemessenen Volumenanteil an Porosität in dem Endwerkzeug zu ergeben.

Natürliche Porosität, die sich aus der Dichte der Schleifkörner und der Bindemittelpartikel während des Druckpressens ergibt, ist nicht ausreichend, um eine Porositätseigenschaft zu erreichen, die für bestimmte Schleifvorgänge wünschenswert ist. Es wurden Porenauslöser zugegeben, um hohe Porositätsanteile zu ergeben, aber offene Kanäle oder miteinander verbundene Porosität können mit den aus dem Stand der Technik bekannten Auslösern nicht erreicht werden (z.B. Hohlkeramik oder Glaskugeln). Einige Porenauslöser müssen aus der Schleifmatrix ausgebrannt werden (z.B. Walnussschalen und Naphthalin), was verschiedene Herstellungsprobleme verursacht. Des Weiteren unterscheidet sich die Dichte der Porenauslöser, Bindungsmaterialien und Schleifkörner signifikant, was häufig eine Stratifizierung der Schleifmischung während der Handhabung und dem Pressformen und dadurch wiederum einen Verlust der Homogenität in der dreidimensionalen Struktur des fertigen Schleifgegenstandes verursacht.

Der Volumenanteil an miteinander verbundener Porosität oder Durchlässigkeit für Fluida hat sich als wesentlichere Determinante der Schleifleistung von Schleifgegenständen erwiesen, als die Porosität nach bloßem Volumenanteil. U.S. Pat. Nr.-A-5,738,696 an Wu offenbart ein Verfahren zum Herstellen von gebundenen Schleifmitteln unter Verwendung von länglichen Schleifkörnern mit einem Längenverhältnis von mindestens 5:1. Die gebundenen Schleifscheiben haben eine durchlässige Struktur mit einer miteinander verbundenen Porosität von 55 – 80 Vol.-%. Die miteinander verbundene Porosität ermöglicht die Entfernung von Schleifabfall (Span) und den Durchtritt von Kühlflüssigkeit in der Scheibe während des Schleifens. Das Vorhandensein von miteinander verbundener Porosität wird bestätigt, indem die Durchlässigkeit der Scheibe für den Luftstrom unter kontrollierten Bedingungen gemessen wird. Die faserförmigen Schleifkörner sind vor der Montage der Scheibe nicht agglomeriert oder anderweitig mit Bindemittel beschichtet. U.S. Pat. Nr.-A-5,738,697 an Wu offenbart Schleifscheiben mit hoher Durchlässigkeit mit einer signifikanten Menge an miteinander verbundener Porosität (40-80% nach Volumen). Diese Scheiben bestehen aus einer Matrix von fibrösen Partikeln mit einem Längenverhältnis von mindestens 5:1. Bei den fibrösen Partikeln kann es sich um Schleifkörner aus gesintertem Sol-Gel-Aluminiumoxid oder um gewöhnliche, nicht-faserförmige Schleifkörner gemischt mit unterschiedlichen faserförmigen Füllmaterialien wie beispielsweise Keramikfaser, Polyesterfaser und Glasfaser und -vlies und mit den Faserpartikeln konstruierte Agglomerate handeln. Die faserförmigen Schleifkörner sind vor der Montage der Scheibe nicht agglomeriert oder anderweitig mit Bindemittel beschichtet.

Schleifkorn ist zu verschiedenen Zwecken agglomeriert worden, hauptsächlich, um die Verwendung einer kleineren Partikelgröße (Korngröße) zu ermöglichen, um dieselbe Schleifeffizienz zu erhalten wie bei einer größeren Korngröße. In vielen Fällen wurden Schleifkörner mit Bindungsmaterialien agglomeriert, um eine weniger poröse Struktur und ein dichteres Schleifwerkzeug mit stärker gebundenen Schleifkörnern zu erreichen. Es wurde berichtet, dass Schleifkornagglomerate durch Mechanismen, die nicht mit der Menge oder der Eigenschaft der Porosität des Schleifgegenstands in Verbindung stehen, die Schleifwirkung verbessern.

U.S. Pat. Nr.-A-2,194,472 an Jackson offenbart beschichtete Schleifwerkzeuge, die aus Agglomeraten einer Mehrzahl von relativ feinen Schleifkörnern und einer der Bindungen, die normalerweise bei beschichteten oder gebundenen Schleifwerkzeugen verwendet werden, bestehen. Es werden organische Bindemittel verwendet, damit sich die Agglomerate an die Unterschicht der beschichteten Schleifmittel anlagern. Die Agglomerate verleihen beschichteten Schleifmitteln, die aus relativ feinem Korn hergestellt sind, eine Fläche mit freiliegender Beschichtung. Die beschichteten Schleifmittel, die aus den Agglomeraten anstatt aus individuellen Schleifkörnern hergestellt sind, sind dadurch gekennzeichnet, dass sie relativ schnell schleifend, langlebig und für die Herstellung eines feinen Oberflächenzustandes des Werkstücks geeignet sind.

U.S. Pat. Nr.-A-2,216,728 an Benner offenbart Schleifkorn/Bindungs-Aggregate, die aus einer beliebigen Art von Bindung hergestellt sind. Die Aufgabe der Aggregate ist es, während Schleifvorgängen sehr dichte Scheibenstrukturen zur Rückhaltung von Diamant- oder CBN-Korn zu erreichen. Wenn die Aggregate aus einer porösen Struktur bestehen, dient es dem Zweck, die Bindungsmaterialien zwischen den Aggregaten in die Poren der Aggregate fließen zu lassen und die Struktur während des Brennens völlig zu verdichten. Die Aggregate erlauben die Verwendung von Schleifkornfeinanteilen, die sonst bei der Herstellung verloren gehen.

U.S. Pat. Nr.-A-3,048,482 an Hurst offenbart geformte Mikroschleifsegmente von Schleifkornagglomeraten und organischen Bindungsmaterialien in Form von Pyramiden oder anderen konischen Formen. Die geformten Mikroschleifsegmente sind an einer faserförmigen Unterschicht angebracht und werden verwendet, um beschichtete Schleifmittel herzustellen und die Oberfläche dünner Schleifscheiben zu belegen. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie gegenüber den Werkzeugen, die ohne Schleifkornagglomat-Mikrosegmente hergestellt sind, eine längere Erhaltung der Schleiffähigkeit, eine kontrollierte Flexibilität des Werkzeugs, hohe Stärke und Sicherheit bei Umdrehungsgeschwindigkeiten, Widerstandswirkung und hocheffiziente Schleifleistung erbringt.

U.S. Pat. Nr.-A-3,982,359 an Elbel lehrt die Bildung von Harzbindungen und Schleifkornaggregaten mit einer Härte, die größer ist, als die der zur Bindung der Aggregate in einem Schleifwerkzeug verwendeten Harzbindung. Bei kautschukgebundenen Scheiben, welche die Aggregate enthalten, werden schnellere Schleifraten und eine längere Lebensdauer des Werkzeugs erzielt.

U.S. Pat. Nr.-A-4,355,489 an Heyer offenbart einen Schleifgegenstand (Scheibe, Platte, Riemen, Blatt, Block und dergleichen), der aus einer Matrix von wellenförmigen Filamenten, die an Stellen des manuellen Kontaktes aneinander gebunden sind, und aus Schleifagglomeraten mit einem Hohlraumvolumen von etwa 70-97%, besteht. Die Agglomerate können aus glasartigen Bindungen oder Harzbindungen und beliebigen Schleifkörnern bestehen.

U.S. Pat. Nr.-A-4,364,746 an Bitzer offenbart Schleifwerkzeuge umfassend unterschiedliche Schleifagglomerate mit unterschiedlicher Stärke. Die Agglomerate bestehen aus Schleifkorn und Harzbindungen und können zur Steigerung der Stärke oder Härte andere Materialien, wie beispielsweise zerhackte Fasern, enthalten.

U.S. Pat. Nr.-A-4,393,021 an Eisenberg, et al, offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Schleifagglomeraten aus Schleifkorn und einem Harzbindungs unter Verwendung eines Siebnetzes und Rollen einer Paste aus dem Korn und dem Bindemittel durch das Netz, um wurmähnliche Extrusionen herzustellen. Die Extrusionen werden durch Erhitzen gehärtet und dann zerdrückt, um Agglomerate zu bilden.

U.S. Pat. Nr.-A-4,799,939 an Bloecher lehrt erodierbare Agglomerate aus Schleifkorn, Hohlkörpern und organischem Bindemittel und die Verwendung dieser Agglomerate in beschichteten Schleifmitteln und gebundenen Schleifmitteln. Für Schleifgegenstände, die die Agglomerate umfassen, werden höherer Abschliff, längere Lebensdauer und Nutzbarkeit unter nassen Schleifbedingungen beansprucht. Die Agglomerate haben in ihrer größten Abmessung eine Größe von vorzugsweise 150-3.000 Mikron.

Zur Herstellung der Agglomerate werden Hohlkörper, Korn, Bindemittel und Wasser als eine Schlämme vermischt, die Schlämme wird durch Hitze oder Bestrahlung verfestigt, um das Wasser zu entfernen, und die feste Mischung wird in einer Zange oder einer Zerreibwalze zerdrückt und gesiebt.

U.S. Pat. Nr.-A-5,129,189 an Wetscher offenbart Schleifwerkzeuge mit einer Harzbindungsmatrix, enthaltend Konglomerate aus Schleifkorn und Harz und Füllmaterial, wie beispielsweise Cryolit.

U.S. Pat. Nr.-A-5,651,729 an Benguerel lehrt eine Schleifscheibe mit einem Kern und einem Schleifrand, hergestellt aus einer Harzbindung und zerdrückten Agglomeraten aus Diamant- oder CBN-Schleifkorn mit einer metallischen oder keramischen Bindung. Die angegebenen Vorteile der mit den Agglomeraten hergestellten Scheiben umfassen einen hohen Spänedurchlass, hohen Abnutzungswiderstand, selbst-schärfende Eigenschaften, hohen mechanischen Widerstand der Scheibe und die Fähigkeit, den Schleifrand direkt auf den Kern der Scheibe zu binden. In einer Ausführungsform werden benutzte Diamant- oder CBN-gebundene Schleifränder zu einer Größe von 0,2 bis 3 mm zerdrückt, um die Agglomerate zu bilden.

U.S. Pat. Nr-A-4,311,489 an Kressner offenbart Agglomerate von feinem (≤ 200 Mikron) Schleifkorn und Cryolit, wahlweise mit einem Silikatbindungs, und deren Verwendung bei der Herstellung beschichteter Schleifwerkzeuge.

U.S. Pat. Nr.-A-4,541,842 an Rostoker offenbart beschichtete Schleifmittel und Schleifscheiben mit Aggregaten aus Schleifkorn und einem Schaum, der aus einer Mischung aus glasartigem Bindungsmaterial und anderen Rohmaterialien besteht, wie beispielsweise Ruß oder Carbonate, die sich für ein Aufschäumen während dem Brennen der Aggregate eignen. Die Aggregat-"Pellets" enthalten einen höheren Prozentanteil an Bindung als an Korn auf der Basis des Volumenanteils. Zur Herstellung von Schleifscheiben verwendete Pellets werden bei 900° C gesintert (auf eine Dichte von 70 lbs/Kubikfuß; 1,134 g/cc) und das zur Herstellung der Scheibe verwendete glasartige Bindemittel wird bei 880° C gebrannt. Bei Scheiben, die mit 16 Vol.-% Pellets hergestellt sind, war die Effizienz der Schleifleistung ähnlich wie bei Vergleichsscheiben mit 46 Vol.-% an Schleifkorn. Die Pellets enthalten offene Zellen in der glasartigen Bindungsmatrix, wobei die relativ kleineren Schleifkörner um die offenen Zellen herum angeordnet waren. Ein Drehofen wird zum Brennen der voragglomerierten, ungesinterten Aggregate erwähnt, die später aufgeschäumt und gesintert werden, um die Pellets herzustellen.

US-5,975,988 an Christianson offenbart beschichtete Schleifgegenstände, umfassend eine Unterschicht und eine organisch gebundene Schleifschicht, wobei das Schleifmittel als geformte Agglomerate in Form einer gestutzten, vierseitigen Pyramide oder eines Würfels vorhanden ist. Die Agglomerate bestehen aus Superschleifkörnern, die in einem anorganischen Bindemittel gebunden sind und den gleichen oder einen im Wesentlichen gleichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie die Schleifkörner haben.

WO 00/51788 an Stoetzel, et al. offenbart Schleifgegenstände mit einer Unterschicht, einer organischen Bindung, enthaltend harte, anorganische Partikel, die darin dispergiert sind, und Schleifpartikelagglomerate, die an die Unterschicht gebunden sind. Die Schleifpartikel in den Agglomeraten und die harten anorganischen Partikel in der organischen Bindung haben im Wesentlichen dieselbe Größe. Agglomerate können zufällig oder genau geformt sein und mit einer organischen Bindung hergestellt sein. Die harten, anorganischen Partikel können Beliebige aus einer Anzahl von Schleifkornpartikeln sein.

US-6,086,467 an Imai, et al. offenbart Schleifscheiben, die Schleifkorn und Korncluster von Füllkorn mit einer kleineren Größe als das Schleifkorn enthalten. Glasartige Bindung kann verwendet werden und das Füllkorn kann Chromoxid sein. Die Größe der Korncluster ist 1/3, oder mehr, der Größe des Schleifkorns. Zu den Vorteilen gehören kontrollierte Erosion der Bindung und die Rückhaltung des Schleifkorns bei Schleifanwendungen mit geringer Kraft unter Verwendung von Superschleifkorn, wobei das Superschleifkorn verdünnt werden muss, um die Schleifkräfte zu minimieren. Füllkorncluster können mit Wachs geformt sein. Es ist kein Sintern der Cluster offenbart.

WO 01/04227 A2 an Adefris, et al. offenbart einen Schleifgegenstand umfassend eine steife Unterschicht und keramische Schleifzusammensetzungen, die aus Schleifpartikeln in einer porösen Keramikmatrix bestehen. Die Zusammensetzungen werden durch eine Metallbeschichtung, wie beispielsweise ein galvanisch belegtes Metall, an der Unterschicht gehalten.

Keine der Entwicklungen aus dem Stand der Technik schlägt die Herstellung von Schleifgegenständen unter Verwendung poröser Schleifkornaggregate und Bindungspartikeln vor, um den Prozentanteil und die Eigenschaft der Porosität zu kontrollieren und die Porosität in der Form einer durchlässigen, miteinander verbundenen Porosität in gebundenen Schleifgegenständen zu erhalten. Es wird nicht vorgeschlagen, ein Drehkalzinierungsverfahren zur Herstellung unterschiedlicher Schleifkornaggregate zur Verwendung in den Schleifgegenständen zu verwenden. Die Verfahren und Werkzeuge der Erfindung ergeben neue Strukturen aus Agglomeratmischungen bestehender Kombinationen aus Schleifkorn und Bindung und sind so durchdacht, dass sie die kontrollierte Ausführung und Herstellung einer breiten Vielfalt von Schleifgegenstandstrukturen mit vorteilhaften, bimodalen, miteinander verbundenen Porositätseigenschaften erlauben. Solche bimodale, miteinander verbundene Porosität verstärkt die Leistung des Schleifwerkzeugs, insbesondere in großen Kontaktbereichen, beim Präzisionsschleifen, wie beispielsweise beim Kriechgang-Flachschleifen, beim Schleifen von Innendurchmessern und beim Schleifen im Werkzeugbau.

Die Erfindung ist ein gebundenes Schleifwerkzeug mit einer für den Fluss von Fluida durchlässigen Struktur, wobei das Werkzeug umfasst:

• a) etwa 5-75 Vol.-% gesinterte Agglomerate, umfassend eine Mehrzahl von Schleifkörnern, die mit einem Bindematerial gehalten werden, wobei das Bindematerial durch eine Schmelztemperatur zwischen 500 und 1400° C gekennzeichnet ist und die gesinterten Agglomerate vor der Herstellung des Werkzeugs eine dreidimensionale Form und eine Anfangsgrößenverteilung haben;
• b) eine Bindung; und
• c) etwa 35-80 Vol.-% Gesamtporosität, wobei die Porosität mindestens 30 Vol.-% miteinander verbundene Porosität umfasst;
  
  wobei mindestens 50 Gew.-% der gesinterten Agglomerate in dem gebundenen Schleifwerkzeug eine Mehrzahl von Schleifkörnern zurückbehalten, die nach der Herstellung des Werkzeugs in einer dreidimensionalen Form gehalten werden.

In einer anderen Ausführungsform umfasst die Erfindung ein glasartig gebundenes Schleifwerkzeug mit einer für den Fluss von Fluida durchlässigen Struktur, wobei das Werkzeug umfasst:

• a) etwa 5-75 Vol.-% gesinterte Agglomerate einer Mehrzahl von Schleifkörnern mit einem Bindematerial, wobei das Bindematerial bei der Schmelztemperatur des Bindematerials von einer Viskosität A gekennzeichnet ist;
• b) eine glasartige Bindung, die bei der Schmelztemperatur des Bindematerials von einer Viskosität gekennzeichnet ist, wobei die Viskosität B mindestens 33% geringer als Viskosität A ist; und
• c) etwa 35-80 Vol.-% Porosität, einschließlich mindestens 30 Vol.-% miteinander verbundene Porosität.

Die Erfindung umfasst des Weiteren ein glasartig gebundenes Schleifwerkzeug mit einer für den Fluss von Fluida durchlässigen Struktur, wobei das Werkzeug umfasst:

• a) etwa 5-60 Vol.-% gesinterte Agglomerate einer Mehrzahl von Schleifkörnern mit einem Bindematerial, wobei das Bindematerial von einer Schmelztemperatur A gekennzeichnet ist;
• b) einer von einer Schmelztemperatur B gekennzeichneten glasartigen Bindung, wobei Schmelztemperatur B mindestens 150° C niedriger ist als Schmelztemperatur A; und
• c) etwa 35-80 Vol.-% Porosität, umfassend mindestens 30 Vol.-% miteinander verbundene Porosität.

In einem anderen Aspekt der Erfindung ist das Werkzeug ein gebundenes Schleifwerkzeug mit einer für den Fluss von Fluida durchlässigen Struktur, wobei das Werkzeug umfasst:

• a) etwa 34-56 Vol.-% Schleifkorn;
• b) etwa 3-25 Vol.-% Bindung; und
• c) etwa 35-80 Vol.-% Gesamtporosität, umfassend mindestens 30 Vol.-% miteinander verbundene Porosität;
  
  wobei die miteinander verbundene Porosität ohne porositätsauslösende Medien und länglich geformte Materialien mit einem Längenverhältnis von Länge zu Querschnitt von mindestens 5:1 erzeugt wurde.

Die Erfindung umfasst des Weiteren Verfahren zum Herstellen der Agglomerate und die Werkzeuge der Erfindung.

Die Erfindung umfasst ein Verfahren zum Agglomerieren von Schleifkorn, umfassend die Schritte:

• a) Einspeisen von Korn und einem Bindematerial, ausgewählt aus der Gruppe im Wesentlichen bestehend aus glasartigen Bindungsmaterialien, vitrifizierten Materialien, keramischen Materialien, anorganischen Bindemitteln, organischen Bindemitteln, Wasser, Lösungsmittel und Kombinationen davon in einen Drehkalzinierungsofen mit einer kontrollierten Einspeisungsrate;
• b) Drehen des Ofens bei einer kontrollierten Geschwindigkeit;
• c) Erhitzen der Mischung bei einer Heizrate, die von der Einspeisungsrate und der Geschwindigkeit des Ofens bestimmt wird, auf Temperaturen von etwa 145 bis 1.300° C;
• d) Rollen des Korns und des Bindematerials in dem Ofen, bis sich das Bindematerial an das Korn anlagert und sich eine Mehrzahl von Körnern aneinander lagert, um eine Mehrzahl an gesinterten Agglomeraten zu erzeugen; und
• e) Wiedergewinnen der gesinterten Agglomerate aus dem Ofen, wobei die gesinterten Agglomerate eine dreidimensionale Anfangsform, eine lose Packdichte von ≤ 1,6 g/cc besitzen und eine Mehrzahl von Schleifkörnern umfassen.

Die Erfindung umfasst außerdem gesinterte Schleifkornagglomerate, hergestellt durch ein Verfahren umfassend die Schritte:

• a) Einspeisen von Schleifkorn mit einem Bindematerial in einen Drehkalzinierungsofen mit einer kontrollierten Einspeisungsrate;
• b) Drehen des Ofens bei einer kontrollierten Geschwindigkeit;
• c) Erhitzen der Mischung bei einer Heizrate, die von der Einspeisungsrate und der Geschwindigkeit des Ofens bestimmt wird, auf Temperaturen von etwa 145 bis 1.300° C,
• d) Rollen des Korns und des Bindematerials in dem Ofen, bis sich das Bindematerial an das Korn anlagert und sich eine Mehrzahl von Körner aneinander lagert, um eine Mehrzahl an gesinterten Agglomeraten zu erzeugen; und
• e) Wiedergewinnen der gesinterten Agglomerate aus dem Ofen, wobei die gesinterten Agglomerate eine dreidimensionale Anfangsform, eine lose Packdichte von ≤ 1,6 g/cc besitzen und eine Mehrzahl von Schleifkörnern umfassen.

Unter Anwendung dieser Verfahrensweise wird ein Schleifwerkzeug umfassend 5 bis 75 Vol.-% Schleifkornagglomerate durch ein Verfahren umfassend die folgenden Schritte hergestellt:

• a) Einspeisen von Schleifkorn und einem Bindematerial, ausgewählt aus der Gruppe im Wesentlichen bestehend aus glasartigen Bindungsmaterialien, vitrifizierten Materialien, keramischen Materialien, anorganischen Bindemitteln, organischen Bindemitteln und Kombinationen davon, in einen Drehkalzinierungsofen mit einer kontrollierten Einspeisungsrate;
• b) Drehen des Ofens bei einer kontrollierten Geschwindigkeit;
• c) Erhitzen der Mischung bei einer Heizrate, die von der Einspeisungsrate und der Geschwindigkeit des Ofens bestimmt wird, auf Temperaturen von etwa 145 bis 1.300° C,
• d) Rollen der Mischung in dem Ofen, bis sich das Bindematerial an das Korn anlagert und sich eine Mehrzahl von Körnern aneinander lagert, um eine Mehrzahl an gesinterten Agglomeraten zu erzeugen;
• e) Wiedergewinnen der gesinterten Agglomerate aus dem Ofen, wobei die gesinterten Agglomerate aus einer Mehrzahl von Schleifkörnern bestehen, die durch das Bindematerial aneinander gebunden sind, und eine dreidimensionale Anfangsform und eine lose Packdichte von ≤ 1,6 g/cc haben;
• f) Formen der gesinterten Agglomerate in einen geformten Verbundkörper; und
• g) thermisches Behandeln des geformten Verbundkörpers zum Formen des Schleifwerkzeugs.

Verfahren zum Schleifen unter Verwendung der Schleifwerkzeuge der Erfindung, insbesondere Verfahren zum Flachschleifen, sind ebenfalls offenbart.

1 ist eine Schemazeichnung eines Drehofens zum Durchführen des Verfahrens zur Herstellung der Schleifkornagglomerate der Erfindung.

2 ist eine Mikrofotografie eines Querschnitts einer Schleifscheibe der Erfindung, die mit Kornagglomeraten (hellere Bereiche der Fotografien) hergestellt ist und eine Porosität innerhalb der Agglomerate (kleinere, dunklere Bereiche der Fotografien) und eine miteinander verbundene Porosität (dunklere Bereiche der Fotografie) zwischen den Agglomeraten besitzt.

3 ist eine Mikrofotografie eines Querschnitts einer Vergleichsscheibe aus dem Stand der Technik, die das Nichtvorhandensein von Kornagglomeraten und das Nichtvorhandensein großer miteinander verbundener Porosität in der Struktur der Scheibe zeigt.

Schleifkornagglomerate der Erfindung sind dreidimensionale Strukturen oder Granula, einschließlich gesinterte, poröse Zusammensetzungen von Schleifkorn und Bindematerial. Die Agglomerate haben eine lose Packdichte (LPD) von ≤ 1,6 g/cc, eine etwa 2 bis 20 Mal größere mittlere Abmessung als die mittlere Korngröße und eine Porosität von etwa 30 bis 88 Vol.-%. Die Schleifkornagglomerate haben vorzugsweise eine Quetschfestigkeit von mindestens 0,2 MPa.

Das Schleifkorn kann eines oder mehrere der Schleifkörner enthalten, die zur Verwendung in Schleifwerkzeugen bekannt sind, wie beispielsweise Aluminiumoxidkörner, einschließlich Elektrokorund, Sinterkorund und Sol-Gel-Sinterkorund, Sinterbauxit und dergleichen, Siliciumkarbid, Aluminiumoxid-Zirkonoxid, Alumina-Oxynitrid, Ceriterde, Borsuboxid, Granat, Flint, Diamant, einschließlich natürlicher und synthetischer Diamant, kubisches Bornitrid (CBN) und Kombinationen davon. Es kann jede Größe oder Form von Schleifkorn verwendet werden. Beispielsweise kann das Korn längliche Sol-Gel-Sinterkorundkörner mit einem Höhen-Längenverhältnis des in US Pat. Nr. 5,129,919 offenbarten Typs umfassen.

Zur diesbezüglichen Verwendung geeignete Korngröße reicht von herkömmlichen Schleifkörnern (z.B. größer als 60 und bis zu 7.000 Mikron) bis hin zu Mikroschleifkörnern (z.B. 0,5 bis 60 Mikron) und Mischungen dieser Größen. Für einen beliebigen Schleifvorgang kann es wünschenswert sein, Schleifkorn zu agglomerieren, dessen Korngröße kleiner ist als eine normalerweise für diesen Schleifvorgang ausgewählte Korngröße bei nicht agglomeriertem Schleifkorn. Beispielsweise können Schleifmittel der Korngröße 54 durch Schleifagglomerate der Korngröße 80, Schleifmittel der Korngröße 60 durch Schleifagglomerate der Korngröße 100 und Schleifmittel der Korngröße 80 durch Schleifagglomerate der Korngröße 120 ersetzt werden.

Die bevorzugte Größe von gesinterten Agglomeraten für typische Schleifkörner reicht von etwa 200 bis 3.000, mehr bevorzugt von 350 bis 2.000, am meisten bevorzugt von 425 bis 1.000 Mikrometer im mittleren Durchmesser. Für Mikroschleifkorn reicht die bevorzugte Größe der gesinterten Agglomerate von 5 bis 180, mehr bevorzugt von 20 bis 150, am meisten bevorzugt von 70 bis 120 Mikrometer im mittleren Durchmesser.

Das Schleifkorn ist in einer Menge von etwa 10 bis 65 Vol.-%, mehr bevorzugt von 35 to 55 Vol.-% und am meisten bevorzugt von 48 bis 52 Vol.-% des Agglomerats vorhanden.

Zur Herstellung der Agglomerate verwendbare Bindematerialien umfassen vorzugsweise keramische und vitrifizierte Materialien, vorzugsweise der Sorte, die als Bindungssystem für glasartig gebundene Schleifwerkzeuge verwendet wird. Diese glasartigen Bindungsmaterialien können ein vorgebranntes Glas sein, das zu einem Pulver zermahlen ist (eine Fritte), oder eine Mischung aus verschiedenen Rohmaterialien wie beispielsweise Ton, Feldspan, Kalk, Borax und Soda oder eine Kombination aus gefritteten Materialien und Rohmaterialien. Bei Temperaturen von etwa 500 bis 1400° C verbinden sich solche Materialien und bilden eine flüssige Glasphase und benetzten die Oberfläche des Schleifkorns, um beim Abkühlen Bindungsstützen zu erzeugen, wodurch das Schleifkorn innerhalb einer Verbundstruktur gehalten wird. Beispiele geeigneter Bindematerialien zur Verwendung in den Agglomeraten sind in Tabelle 2 unten gegeben. Bevorzugte Bindematerialien sind durch eine Viskosität von etwa 345 bis 55.300 Poise bei 1180° C und eine Schmelztemperatur von etwa 800 bis 1.300° C gekennzeichnet.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Bindematerial eine glasartige Bindungszusammensetzung umfassend eine gebrannte Oxidzusammensetzung von 71 Gew.-% SiO₂ und B₂O₃, 14 Gew.-% Al₂O₃, weniger als 0,5 Gew.-% Erdalkalioxiden und 13 Gew.-% Alkalioxiden.

Das Bindematerial kann auch ein Keramikmaterial sein, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf Silica, Alkali-, Erdalkali-, gemischte Alkali- und Erdalkalisilikate, Aluminiumsilikate, Zirkoniumsilikate, hydrierte Silikate, Aluminate, Oxide, Nitride, Oxynitride, Karbide, Oxykarbide und Kombinationen und Derivate davon. Im Allgemeinen unterscheiden sich Keramikmaterialien von Glasmaterialien oder gesinterten Materialien insofern, als die Keramikmaterialien kristalline Strukturen umfassen. Manche Glasphasen können in Kombination mit den kristallinen Strukturen vorhanden sein, insbesondere bei Keramikmaterialien in einem nicht veredelten Zustand. Keramikmaterialien in einem Rohzustand, wie beispielsweise Töne, Zemente und Mineralien, können hierin verwendet werden. Beispiele bestimmter, zur diesbezüglichen Verwendung geeigneter keramischer Materialen umfassen Silica, Natriumsilikate, Mullit und andere Aluminosilikate, Zirkon-Mullit, Magnesiumaluminat, Magnesiumsilikat, Zirkoniumsilikate, Feldspan und andere Alkali-Aluminosilikate, Spinelle, Calciumaluminat, Magnesiumaluminat und andere Alkalialuminate, Zirkon, mit Yttrium stabilisiertes Zirkon, Magnesiumoxid, Calciumoxid, Ceriumoxid, Titan oder andere Zusätze aus seltenen Erden, Talk, Eisenoxid, Aluminiumoxid, Bohemit, Boroxid, Ceriumoxid, Alumina-Oxynitrid, Bornitrid, Siliciumnitrid, Graphit und Kombinationen dieser Keramikmaterialien, sind jedoch nicht darauf beschränkt.

Das Bindematerial wird in gepulverter Form verwendet und kann zu einem flüssigen Vehikel gegeben werden, um während der Herstellung der Agglomerate eine einheitliche, homogene Mischung von Bindematerial mit Schleifkorn sicherzustellen.

Zu dem pulverisierten Bindematerial wird als Press- oder Verarbeitungshilfe vorzugsweise eine Dispersion organischer Bindemittel gegeben. Diese Bindemittel können Dextrine, Stärke, tierischen Eiweißkleber und andere Arten von Kleber enthalten; einen flüssigen Bestandteil wie beispielsweise Wasser, Lösungsmittel, Viskositäts- oder pH-Modifikatoren und Mischhilfen. Die Verwendung organischer Bindemittel verbessert die Einheitlichkeit des Agglomerates, besonders die Einheitlichkeit der Dispersion des Bindematerials auf dem Korn und die Strukturqualität der vorgebrannten oder ungesinterten Agglomerate sowie die des gebrannten Schleifwerkzeugs, das die Agglomerate enthält. Da die Bindemittel während des Brennens der Agglomerate ausgebrannt werden, werden sie nicht Teil des fertigen Agglomerats oder des fertigen Schleifwerkzeugs.

Zu der Mischung kann ein anorganisches Adhäsionsfördermittel gegeben werden, um gegebenenfalls zur Verbesserung der Mischqualität die Adhäsion des Bindematerials an das Schleifkorn zu verbessern. Das anorganische Adhäsionsfördermittel kann bei der Herstellung der Agglomerate mit oder ohne einen organischen Bindemittel verwendet werden.

Obgleich bei den Agglomeraten der Erfindung Bindematerialien bevorzugt sind, die sich bei hohen Temperaturen verbinden, kann das Bindematerial auch andere anorganische Bindemittel, organische Bindemittel, organische Bindungsmaterialien, Metallbindungsmaterialien und Kombinationen davon umfassen. Bindematerialien, die in der Schleifwerkzeugbranche als Bindung für organisch gebundene Schleifmittel, beschichtete Schleifmittel, metallgebundene Schleifmittel und dergleichen verwendet werden, sind bevorzugt.

Das Bindematerial ist in etwa 0,5 bis 15 Vol.-%, mehr bevorzugt in 1 bis 10 Vol.-% und am meisten bevorzugt in 2 bis 8 Vol.-% des Agglomerats vorhanden.

Die bevorzugten Vol.-% an Porosität in dem Agglomerat sind so hoch, wie es technisch innerhalb der Grenzen der mechanischen Stärke möglich ist, die erforderlich sind, um ein Schleifwerkzeug herzustellen und mit ihm zu schleifen. Die Porosität kann im Bereich von 30 bis 88 Vol.-%, vorzugsweise von 40 bis 80 Vol.-% und am meisten bevorzugt von 50-75 Vol.-% liegen. Ein Anteil (z.B. bis zu etwa 75 Vol.-%) der Porosität in den Agglomeraten ist vorzugsweise als miteinander verbundene Porosität vorhanden oder als Porosität, die gegenüber dem Fluss von Fluida, einschließlich Flüssigkeiten (z.B. Schleifkühlmittel und Span) und Luft durchlässig ist.

Die Dichte der Agglomerate kann unterschiedlich ausgedrückt werden. Die Raumdichte der Agglomerate kann als die LPD ausgedrückt werden. Die relative Dichte der Agglomerate kann als Prozentanteil der relativen Anfangsdichte oder als ein Verhältnis der relativen Dichte der Agglomerate zu den zur Herstellung der Agglomerate verwendeten Bestandteilen ausgedrückt werden, wobei das Volumen an miteinander verbundener Porosität in den Agglomeraten berücksichtigt wird.

Die mittlere relative Anfangsdichte, ausgedrückt als Prozentanteil, kann berechnet werden, indem die LPD (&rgr;) unter Annahme von null Porosität durch eine theoretische Dichte der Agglomerate (&rgr;₀) dividiert wird. Die theoretische Dichte kann nach dem Verfahren der volumetrischen Mischungsregel aus dem Prozentanteil des Gewichts und der spezifischen Dichte des in dem Agglomerat vorhandenen Bindematerials und des Schleifkorns berechnet werden. Für die gesinterten Agglomerate der Erfindung beträgt der maximale Prozentanteil der relativen Dichte 50 Vol.-%, wobei ein maximaler Prozentanteil der relativen Dichte von 30 Vol.-% mehr bevorzugt ist.

Die relative Dichte kann durch eine Flüssigkeitsverdrängungsvolumentechnik gemessen werden, um die miteinander verbundene Porosität einzuschließen und die Porosität in den geschlossenen Zellen auszuschließen. Die relative Dichte ist das Verhältnis des Volumens der durch Flüssigkeitsverdrängung gemessenen, gesinterten Agglomerate zu dem Volumen der zur Herstellung des gesinterten Agglomerats verwendeten Materialien. Das Volumen der zur Herstellung des Agglomerats verwendeten Materialien ist ein Maß des sichtbaren Volumens auf der Basis der Mengen und Packdichten des Schleifkorns und des Bindemittelmaterials, die zur Herstellung der Agglomerate verwendet werden.

Für die gesinterten Agglomerate der Erfindung beträgt eine maximale relative Dichte der gesinterten Agglomerate vorzugsweise 0,7, wobei eine maximale relative Dichte von 0,5 mehr bevorzugt ist.

Die Agglomerate können durch unterschiedliche Techniken zu zahlreichen Größen und Formen geformt werden. Diese Techniken können vor, während oder nach dem Brennen der Mischung aus Korn und Bindematerial im Anfangsstadium (dem „ungesinterten" Stadium) durchgeführt werden. Der Schritt des Erhitzens der Mischung, damit das Bindematerial schmilzt und fließt, wodurch sich das Bindematerial an das Korn anlagert und das Korn in einer agglomerierten Form fixiert, wird als Brennen, Kalzinieren oder Sintern bezeichnet. Jedes aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zum Agglomerieren von Partikelmischungen kann zur Herstellung der Schleifagglomerate verwendet werden.

In einer ersten Ausführungsform des hierin verwendeten Verfahrens zur Herstellung von Agglomeraten wird die Anfangsmischung aus Korn und Bindematerial agglomeriert, bevor die Mischung gebrannt wird, um eine relativ schwache mechanische Struktur zu erzeugen, die als „ungesintertes Agglomerat" oder „vorgebranntes Agglomerat" bezeichnet wird.

Zur Durchführung der ersten Ausführungsform können Schleifkorn und Bindematerialien durch eine Reihe von unterschiedlichen Techniken im ungesinterten Stadium agglomeriert werden, z.B. in einem Wannen-Granulierer (Pan Pelletizer), und dann zum Sintern in einen Drehkalzinierungsapparat eingespeist werden. Die ungesinterten Agglomerate können in eine Wanne oder auf ein Gestell gegeben und im Ofen ohne Rollen in einem kontinuierlichen oder schubweisen Prozess gebrannt werden.

Das Schleifkorn kann in ein verflüssigtes Bett überführt werden, dann mit einer das Bindematerial enthaltenden Flüssigkeit benetzt werden, damit sich das Bindematerial an das Korn anlagert, hinsichtlich der Agglomeratgröße gesiebt und dann in einem Ofen oder Kalzinierungsapparat gebrannt werden.

Wannengranulierung kann durchgeführt werden, indem Korn zu einer Mischschale gegeben wird und ein das Bindematerial enthaltender Flüssigbestandteil (z.B. Wasser oder organische Bindemittel und Wasser) unter Mischen auf das Korn dosiert wird, um diese zusammen zu agglomerieren. Eine Flüssigdispersion des Bindematerials, wahlweise mit einem organischen Bindemittel, kann auf das Korn gesprüht werden, und dann kann das beschichtete Korn gemischt werden, um Agglomerate zu formen.

Eine Niedrigdruck-Extrusionsvorrichtung kann verwendet werden, um eine Paste aus dem Korn und dem Bindematerial in Größen und Formen zu extrudieren, die getrocknet werden, um Agglomerate zu bilden. Mit dem in U.S.-A-4,393,021 offenbarten Apparat und Verfahren kann eine Paste aus den Bindematerialien und dem Korn mit einer organischen Bindemittellösung hergestellt werden und in längliche Partikel stranggepresst werden.

In einem Trockengranulierungsprozess kann ein Blatt oder ein Block aus Schleifkorn, das in einer Dispersion oder Paste des Bindematerials eingebettet ist, getrocknet werden, und dann kann eine Rollpresse verwendet werden, um den Verbund aus Korn und Bindematerial zu brechen.

In einem anderen Verfahren der Herstellung von ungesinterten Agglomeraten oder Vorläuferagglomeraten kann die Mischung aus dem Bindematerial und dem Korn zu einer Pressformvorrichtung gegeben und die Mischung formgepresst werden, um genaue Formen und Größen zu bilden, beispielsweise auf die in U.S. Pat. Nr. 6,217,413 B1 offenbarte Art und Weise.

In einer zweiten Ausführungsform des diesbezüglich zur Herstellung von Agglomeraten nützlichen Verfahrens wird eine einfache Mischung aus Korn und Bindematerial (wahlweise mit einem organischen Bindemittel) in einen Drehkalzinierungsapparat des in 1 gezeigten Typs gespeist. Die Mischung wird bei einer voreingestellten Umdrehungsgeschwindigkeit entlang einer voreingestellten Neigung unter Anwendung von Hitze gerollt. Während sich die Bindematerialmischung erhitzt, schmilzt, fließt und sich an das Korn anlagert, bilden sich Agglomerate. Die Brenn- und Agglomerationsschritte werden bei kontrollierten Raten und Volumina der Einspeisung und Hitzeanwendung gleichzeitig durchgeführt. Die Einspeisungsrate wird im Allgemeinen eingestellt, um einen Fluss zu ergeben, der in etwa 8-12 Vol.-% der Röhre (d.h. des Ofenanteils) des Drehkalzinierungsapparates einnimmt. Die maximale Temperaturexposition in dem Apparat ist ausgewählt, um die Viskosität des Bindematerials in einem flüssigen Stadium zu halten, d.h. bei einer Viskosität von mindestens etwa 1.000 Poise. Dies vermeidet zu starken Fluss des Bindematerials auf die Oberfläche der Röhre und den Verlust von Bindematerial von der Oberfläche des Schleifkorns.

Um den Agglomerationsprozess zum Agglomerieren und Brennen der Agglomerate in einem einzigen Verfahrensschritt durchzuführen, kann ein Drehkalzinierungsapparat des in 1 veranschaulichten Typs verwendet werden. Wie in 1 gezeigt, wird ein Füllschacht (10) enthaltend die Rohmaterial(11)-Mischung des Bindematerials und des Schleifkorns in ein Mittel (12) zum Dosieren der Mischung in eine hohle Heizröhre (13) eingespeist. Die Röhre (13) ist mit einem Neigungswinkel (14) von etwa 0,5 – 5,0 Grad angebracht, so dass das Rohmaterial (11) per Schwerkraft durch die Hohlröhre (13) gespeist wird. Gleichzeitig wird die Hohlröhre (13) bei einer kontrollierten Geschwindigkeitsrate in der Richtung des Pfeils (a) gedreht, um das Rohmaterial (11) und die erhitzte Mischung (18) zu rollen, während sie entlang der Länge der Hohlröhre passieren.

Ein Abschnitt der Hohlröhre (13) wird erhitzt. In einer Ausführungsform kann der erhitzte Abschnitt drei Heizzonen (15, 16, 17) mit einer Längenabmessung (d1) von 60 Inch (152 mm) entlang der Länge (d2) von 120 Inch (305 mm) der Hohlröhre (13) umfassen. Die Heizzonen erlauben dem Bediener, die Verfahrenstemperatur zu kontrollieren und so zu variieren, wie es für das Sintern der Agglomerate erforderlich ist. In anderen Modellen des Apparats kann die Hohlröhre nur eine oder zwei Heizzonen umfassen oder sie kann mehr als drei Heizzonen umfassen. Obgleich nicht in 1 dargestellt, ist der Apparat mit einer Heizvorrichtung und mechanischen, elektronischen und Temperaturkontroll- und -messvorrichtungen ausgestattet, die wirksam sind, um den Heizvorgang durchzuführen. Wie in der Querschnittsansicht der Hohlröhre (13) zu sehen ist, kann das Rohmaterial (11) in der Röhre in eine erhitzte Mischung (18) ungewandelt werden und verlässt die Röhre als Agglomeratgranula (19) und wird als solche aufgefangen. Die Wand der Hohlröhre hat je nach Modell und Typ des zur Konstruktion der Hohlröhre verwendeten Materials (z.B. feuerfeste Metalllegierung, feuerfester Ziegel, Siliciumkarbid, Mullit) eine Innendurchmesserabmessung (d3) im Bereich von 5,5 bis 30 Inch (14 – 76 mm) und einen Durchmesser (d4) im Bereich von 6 bis 36 Inch (15 – 91 mm).

Der Neigungswinkel der Röhre kann im Bereich von 0,5 bis 5,0 Grad liegen und die Drehung der Röhre kann bei 0,5 bis 10 Umdrehungen pro Minute betrieben werden. Die Einspeisungsrate für einen Drehkalzinierer im kleinen Maßstab kann im Bereich von etwa 5 bis 10 kg/Stunde liegen, und eine Einspeisungsrate für Produktion im Industriemaßstab kann im Bereich von etwa 227 bis 910 kg/Stunde liegen. Der Drehkalzinierer kann auf eine Sintertemperatur von 800 bis 1400° C erhitzt werden, und das Einspeisungsmaterial kann mit einer Rate von 200° C/Minute erhitzt werden, wenn das Rohmaterial in die erhitzte Zone gelangt. Die Kühlung findet im letzten Abschnitt der Röhre statt, wenn das Rohmaterial sich von einer erhitzten Zone in eine nicht erhitzte Zone bewegt. Das Produkt wird z.B. mit einem Wasserkühlsystem auf Raumtemperatur abgekühlt und aufgefangen.

Geeignete Drehkalzinierungsmaschinen sind erhältlich von Harper International, Buffalo, New York, USA oder von Alstom Power, Inc., Applied Test Systems, Inc. und anderen Geräteherstellern. Der Apparat kann wahlweise mit elektronischen Vorrichtungen, Vorrichtungen zur Zwischenkontrolle und Nachweisvorrichtungen, einem Kühlsystem, unterschiedlichen Ausführungen des Einspeisungsapparats und anderen wahlweisen Vorrichtungen ausgestattet sein.

Beim Agglomerieren von Schleifkorn mit Bindematerialien, die bei niedrigeren Temperaturen aushärten (z.B. bei etwa 145 bis 500° C) kann eine alternative Ausführungsform dieses Drehofenapparates verwendet werden. Die alternative Ausführungsform, ein Drehtrockner, ist ausgerüstet, um erhitzte Luft an das Austragsende der Röhre zu liefern, um die Schleifkornmischung zu erhitzen, das Bindematerial auszuhärten, es an das Korn zu binden und dadurch das Schleifkorn zu agglomerieren, während es aus dem Apparat aufgefangen wird. Wie hierin verwendet umfasst der Begriff „Drehkalzinierungsofen" solche Drehtrocknervorrichtungen.

In einer dritten Ausführungsform des hierin zur Herstellung von Agglomeraten verwendeten Verfahrens wird eine Mischung aus Schleifkorn, Bindematerialien und einem anorganischen Bindungssystem ohne Voragglomeration in einen Ofen eingespeist und erhitzt. Die Mischung wird auf eine Temperatur erhitzt, die hoch genug ist, um das Bindematerial zu veranlassen, zu schmelzen, fließen und sich an das Korn anzulagern, dann abgekühlt, um einen Verbund herzustellen. Der Verbund wird zerdrückt und gesiebt, um das gesinterte Agglomerat herzustellen.

In der vierten Ausführungsform werden die Agglomerate nicht gesintert, bevor das Schleifwerkzeug hergestellt wird, sondern die ungesinterten Agglomerate werden mit Bindungsmaterial gepresst, um einen Werkzeugkörper zu formen und der Körper wird gebrannt, um das Schleifwerkzeug zu formen. In einem bevorzugten Verfahren der Durchführung dieses Vorgangs werden glasartige Bindematerialien mit hoher Viskosität (wenn sie geschmolzen werden, um eine Flüssigkeit zu bilden) verwendet, um Korn im ungesinterten Stadium zu agglomerieren. Die ungesinterten Agglomerate werden ofengetrocknet und mit einer zweiten, glasartigen Bindungszusammensetzung, vorzugsweise mit geringerer Viskosität, gemischt und in die Form eines ungesinterten Schleifwerkzeugs gepresst. Dieses ungesinterte Werkzeug wird bei einer Temperatur gebrannt, die wirksam ist, um das glasartige Bindematerial mit hoher Viskosität zu verschmelzen, aber dessen Fluss zu verhindern. Die Brenntemperatur ist ausgewählt, um ausreichend hoch zu sein, um die Bindematerialzusammensetzung zu einem Glas zu verschmelzen, dadurch das Korn zu agglomerieren und die Bindungszusammensetzung zu veranlassen, zu fließen, die Agglomerate zu binden und das Werkzeug zu bilden. Es ist nicht wichtig, Materialien mit unterschiedlicher Viskosität und Materialien mit unterschiedlichen Verschmelzungs- oder Schmelztemperaturen auszuwählen, um diesen Vorgang durchzuführen. Es können andere Kombinationen von Bindematerialien und bindende Materialien, die aus dem Stand der Technik bekannt sind, in dieser Technik zum Herstellen von Schleifwerkzeugen aus ungesinterten Agglomeraten verwendet werden.

Die gebundenen Schleifwerkzeuge der Erfindung umfassen Schleifscheiben, segmentierte Scheiben, Platten, Wetzsteine, Schleifsteine und andere monolithische oder segmentierte, geformte Schleifzusammensetzungen. Die Schleifwerkzeuge der Erfindung umfassen etwa 5 bis 75 Vol.-%, vorzugsweise 10 bis 60 Vol.-%, am meisten bevorzugt 20 bis 52 Vol.-% Schleifkornagglomerate.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfassen Schleifwerkzeuge mit glasartiger Bindung etwa 3 bis 25 Vol.-%, mehr bevorzugt 4 bis 20 Vol.-% und am meisten bevorzugt 5 bis 19 Vol.-% Bindung. Zusammen mit den Schleifkornagglomeraten und der Bindung umfassen diese Werkzeuge etwa 35 bis 80 Vol.-% Porosität, wobei diese Porosität mindestens 30 Vol.-% an miteinander verbundener Porosität umfasst, vorzugsweise 55 bis 80 Vol.-% Porosität, wobei diese Porosität mindestens 50 Vol.-% an miteinander miteinander verbundener Porosität umfasst. Die Schleifwerkzeuge mit glasartiger Bindung können 35 bis 52 Vol.-% gesinterte Agglomerate, 3 bis 13 Vol.-% glasartige Bindung und 35 to 70 Vol.-% Porosität umfassen.

Die Menge an miteinander verbundener Porosität wird bestimmt durch das Messen der Durchlässigkeit des Werkzeugs für Fluida entsprechend dem Verfahren aus U.S. Pat. Nr.-A-5,738,696. Wie hierin verwendet, gilt Q/P = die Durchlässigkeit eines Schleifwerkzeugs für Fluida, wobei Q die Flussrate, ausgedrückt als cc des Luftstroms, ist und P der Differentialdruck ist. Der Begriff Q/P gibt das Druckdifferenzial wieder, das zwischen der Struktur des Schleifwerkzeugs und der Atmosphäre bei einer gegebenen Flussrate eines Fluidums (z.B. Luft) gemessen wird. Diese relative Durchlässigkeit Q/P ist proportional zu dem Produkt des Porenvolumens und dem Quadrat der Porengröße. Größere Porengrößen sind bevorzugt. Porengeometrie und Schleifkorngröße sind weitere, den Q/P-Wert beeinflussende Faktoren, wobei eine größere Korngröße eine höhere relative Durchlässigkeit ergibt.

Die Schleifwerkzeuge der Erfindung sind charakterisiert von höheren Werten der Durchlässigkeit für Fluida als vergleichbare Werkzeuge aus dem Stand der Technik. Wie hierin verwendet, sind „vergleichbare Werkzeuge aus dem Stand der Technik" solche Werkzeuge, die mit denselben Schleifkorn- und Bindungsmaterialien mit denselben Volumenanteilen von Porosität und Bindungsanteilen wie die der Erfindung hergestellt sind. Im Allgemeinen sind die Werte für die Durchlässigkeit für Fluida der Schleifwerkzeuge der Erfindung etwa 30 bis 100% höher als die Werte von vergleichbaren Werkzeugen aus dem Stand der Technik. Die Schleifwerkzeuge sind vorzugsweise gekennzeichnet von Werten für die Durchlässigkeit für Fluida, die mindestens 10 % höher, mehr bevorzugt mindestens 30 % höher als die von vergleichbaren Werkzeugen aus dem Stand der Technik sind.

Exakte Parameter der relativen Durchlässigkeit für Fluida für bestimmte Agglomeratgrößen und -formen, Bindungstypen und Porositätsstufen können vom Anwender unter Anwendung des Gesetzes nach D'Arcy auf empirische Daten für einen gegebenen Typ von Schleifwerkzeug bestimmt werden.

Die Porosität in der Schleifscheibe entsteht durch die offenen Abstände, die von der natürlichen Packdichte der Werkzeugbestandteile, insbesondere der Schleifagglomerate, und wahlweise durch Hinzufügen von herkömmlichen Poren auslösenden Medien entsteht. Geeignete Poren auslösende Medien umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, hohle Glaskugeln, zermahlene Walnussschalen, Hohlkugeln oder Kugeln aus Plastikmaterial oder organischen Verbindungen, geschäumte Glaspartikel, Blasen-Mullit und Blasen-Aluminiumoxid und Kombinationen davon. Die Werkzeuge können mit Auslösern offenzelliger Porosität hergestellt sein, wie beispielsweise Kugeln aus Naphthalin oder anderen organischen Granula, die während des Brennens des Werkzeugs ausgebrannt werden, um leere Abstände innerhalb der Werkzeugmatrix zu hinterlassen, oder sie können mit Medien hergestellt sein, die geschlossenzellige, hohle Poren auslösen (z.B. hohle Glaskugeln). Bevorzugte Schleifwerkzeuge der Erfindung enthalten entweder keine zugefügten Poren auslösenden Medien oder enthalten eine geringfügige Menge von zugefügten Poren auslösenden Medien, um ein Schleifwerkzeug mit einem Porositätsgehalt zu ergeben, von dem mindestens 30 Vol.-% aus miteinander verbundener Porosität besteht.

Die gebundenen Schleifwerkzeuge der Erfindung haben eine poröse Struktur. In dieser Struktur ist der mittlere Durchmesser der gesinterten Agglomerate nicht größer als eine mittlere Abmessung der miteinander verbundenen Porosität, wenn die miteinander verbundene Porosität an einem Punkt einer maximalen Öffnung gemessen wird.

Die fertigen Werkzeuge enthalten wahlweise zugefügte sekundäre Schleifkörner, Füllmittel, Schleifhilfen und Poren auslösende Medien und Kombinationen dieser Materialien. Der gesamte Anteil an Schleifkorn in den Werkzeugen in Vol.-% (agglomeriertes und nicht agglomeriertes Korn) kann im Bereich von etwa 34 bis etwa 56 Vol.-%, mehr bevorzugt von etwa 36 bis etwa 54 Vol.-% und am meisten bevorzugt von etwa 36 bis etwa 46 Vol.-% des Werkzeugs liegen. Die gebundenen Schleifwerkzeuge haben vorzugsweise eine Dichte von unter 2,2 g/cc.

Wenn ein Schleifkorn in Kombination mit den Schleifagglomeraten verwendet wird, liefern die Agglomerate vorzugsweise etwa 5 bis etwa 100 Vol.-% des gesamten Schleifkorns des Werkzeugs und mehr bevorzugt von etwa 30 bis etwa 70 Vol.-% des gesamten Schleifmittels in dem Werkzeug. Wenn solche sekundären Schleifkörner verwendet werden, liefern diese Schleifkörner vorzugsweise von etwa 0,1 bis etwa 95 Vol.-% des gesamten Schleifkorns des Werkzeugs und mehr bevorzugt von etwa 30 bis etwa 70 Vol.-%. Geeignete sekundäre Schleifkörner umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, verschiedene Aluminiumoxide, Sol-Gel-Aluminiumoxid, Sinterbauxit, Siliciumkarbid, Aluminiumoxid-Zirkonoxid, Alumina-Oxynitrid, Ceriterde, Borsuboxid, kubisches Bornitrid, Diamant, Flint und Granatkörner und Kombinationen davon.

Die Schleifwerkzeuge der vorliegenden Erfindung sind vorzugsweise mit einer glasartigen Bindung gebunden. Alle der aus dem Stand der Technik zur Herstellung von Schleifwerkzeugen bekannten verschiedenen Bindungen können zum diesbezüglichen Gebrauch verwendet werden. Beispiele geeigneter Bindungen können in U.S. Pat. Nr. 4,543,107; 4,898,597; 5,203,886; 5,401,284; 5,536,283; 5,095,665; 5,863,308; and 5,094,672 gefunden werden, welche hierin durch Bezugnahme enthalten sind.

Nach dem Brennen umfassen diese glasartigen Bindungszusammensetzungen vorzugsweise, jedoch nicht ausschließlich, eine Kombination folgender Oxide: SiO₂, Al₂O₃, Na₂O, Li₂O und B₂O₃. Andere Oxide wie beispielsweise K₂O, ZnO, ZrO₂ und Erdalkalioxide wie beispielsweise CaO, MgO und BaO können vorhanden sein. Kobaltoxid (CoO) und andere Farbquellen können enthalten sein, wenn Bindungsfarbe erwünscht ist. Andere Oxide wie beispielsweise Fe₂O₃, TiO₂ und P₂O₅, und andere Verbindungen, die als Verunreinigungen in den Rohmaterialien enthalten sind, können in der Bindung enthalten sein. Außer rohen (oder nicht gebrannten) Bindungsmaterialien oder anstelle von Bindungsrohmaterialien können auch Fritten verwendet werden. Die Rohmaterialien für die Bindung können Ton, Kaolin, Aluminiumoxid, Lithiumcarbonat, Boraxpentahydrat oder Borsäure, Soda-Asche, Flint und Wollanstonit enthalten und die anderen Bindungsmaterialien, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt sind. Die glasartige Bindung kann ein glasförmiges Material oder ein keramisches Material mit oder ohne amorphe Bereiche sein.

Vorzugsweise werden organische Bindemittel zu pulverisierten Bindungsbestandteilen, gefrittet oder roh, als Press- oder Verarbeitungshilfen zugegeben. Diese Bindemittel können Dextrine, Stärke, tierischen Eiweißkleber und andere Arten von Kleber, einen flüssigen Bestandteil wie beispielsweise Wasser, Viskositäts- oder pH-Modifikatoren und Mischhilfen enthalten. Die Verwendung von Bindemittel verbessert die Einheitlichkeit der Scheibe und die strukturelle Qualität der vorgebrannten bzw. ungesinterten gepressten Scheibe und der gebrannten Scheibe. Da die Bindemittel während des Brennens ausgebrannt werden, werden sie kein Teil der fertigen Bindung oder des Schleifwerkzeugs.

Der Mischung kann ein anorganisches Adhäsionsfördermittel zugegeben werden, um gegebenenfalls während der Misch- und Pressformvorgänge die Adhäsion von Glasbindungen an die Schleifkornagglomerate zu verbessern. Das anorganische Adhäsionsfördermittel kann mit oder ohne organischen Bindemittel bei der Herstellung der Agglomerate verwendet werden.

Bei einigen der Agglomerate kann das Schleifwerkzeug ohne zugegebenes Bindungsmaterial hergestellt sein, vorausgesetzt, in dem Werkzeug ist ausreichend Bindemittelmaterial vorhanden, um entsprechende mechanische Festigkeitseigenschaften in dem Schleifwerkzeug während der Herstellung des Werkzeugs und Verwendung des Werkzeugs bei Schleifvorgängen zu ergeben. Beispielsweise kann ein Schleifwerkzeug aus mindestens 70 Vol.-% Agglomeraten konstruiert sein, wobei es einen Bindematerialgehalt von mindestens 5 Vol.-% des Agglomerats besitzt.

Dichte und Härte der Schleifwerkzeuge werden bestimmt durch die Auswahl der Agglomerate, der Art der Bindung und anderer Werkzeugbestandteile, des Porositätsgehalts, und der Größe und Art der Pressform und des ausgewählten Pressvorgangs.

Schleifscheiben können durch jedes aus dem Stand der Technik bekannte Mittel geformt und gepresst werden, einschließlich Heiß-, Warm- und Kaltpresstechniken. Bei der Auswahl eines Pressdrucks zum Formen der ungesinterten Scheiben ist Sorgfalt angebracht, um zu vermeiden, dass eine übermäßige Menge der Schleifkornagglomerate zerdrückt wird, (z. B. mehr als 50 Gew.-% der Agglomerate) und um die dreidimensionale Struktur der Agglomerate zu erhalten. Der entsprechende, maximale angewandte Druck zur Herstellung der Scheiben der Erfindung richtet sich nach Form, Größe, Dicke und Bindungsbestandteil der Schleifscheibe und nach der Presstemperatur. Bei den üblichen Herstellungsvorgängen kann der Maximaldruck im Bereich von etwa 3.100 bis 20.000 Lbs/Quadratinch (218 bis 1,406 kg/cm²) liegen. Formen und Pressen werden vorzugsweise bei etwa 775 bis 1.550 kg/cm² durchgeführt, bevorzugt bei 465 bis 1,085 kg/cm². Die Agglomerate der Erfindung haben ausreichende mechanische Festigkeit, um den bei den typischen, kommerziellen Fertigungsvorgängen bei der Herstellung von Schleifwerkzeugen durchgeführten Form- und Pressschritten zu widerstehen.

Die Schleifscheiben können mit einem dem Fachmann bekannten Verfahren gebrannt werden. Die Brennbedingungen werden in der Hauptsache durch die aktuell verwendete Bindung und Schleifmittel und von der Art des in dem Schleifkornagglomerat vorhandenen Bindematerials bestimmt. Je nach der chemischen Zusammensetzung der ausgewählten Bindung kann eine glasartige Bindung bei 600 bis 1250° C, vorzugsweise bei 850 bis 1200° C gebrannt werden, um die zum Schleifen von Metallen, Keramiken oder anderen Materialien erforderlichen mechanischen Eigenschaften zu liefern. Der glasartig gebundene Körper kann des Weiteren nach dem Brennen auf herkömmliche Weise mit einem Schleifhilfsmittel, wie beispielsweise Schwefel, oder mit einem Vehikel wie beispielsweise Epoxidharz imprägniert werden, um ein Schleifhilfsmittel in die Poren der Scheibe hinein zu bringen.

Die Auswahl einer geeigneten, glasartigen Bindung richtet sich danach, welcher Agglomerationsvorgang verwendet wird, und ob ein Schmelz- oder Verschmelzungstemperatur- oder ein Viskositätsdifferenzial zwischen der Bindung und dem Bindematerial des Agglomerats aufrechterhalten werden muss.

Bei der Herstellung einer glasartig gebundenen Schleifscheibe oder eines anderen Schleifwerkzeugs aus den Schleifagglomeraten kann eine von mehreren, allgemeinen Techniken verwendet werden. Bei einer Ersten wird ein glasartiges Bindematerial mit einer relativ höheren Brenntemperatur (z.B. eines, das bei über etwa 1.000° C schmilzt) aufgetragen, um das Korn zu agglomerieren. Dann wird eine zweite, pulverisierte, glasartige Bindungszusammensetzung mit niedrigerer Brenntemperatur (z.B. eine, die bei etwa 650 bis 975° C schmilzt) mit den Kornagglomeraten gemischt und in die Form eines Schleifwerkzeugs gepresst. Das Werkzeug im ungesinterten Zustand wird bei der geringeren Schmelztemperatur auf das zweite Bindungsmaterial gebrannt, um ein fertiges Schleifwerkzeug zu schaffen. In einer bevorzugten Ausführungsform hat die glasartige Bindung eine Bindungsbrenntemperatur von mindestens 150° C unter der Schmelz- oder Verschmelzungstemperatur des Bindematerials.

Bei der zweiten Technik werden Viskositätsdifferenziale zwischen den geschmolzenen oder verschmolzenen Glasarten in ihrem flüssigen Zustand genutzt, um zum Herstellen der Agglomerate und zum Brennen der Schleifscheibe dieselbe Brenntemperatur zu verwenden. In einem ersten Brennschritt wird ein glasartiges Bindematerial mit hoher Viskosität verwendet, um Korn zu agglomerieren. Dann werden die gebrannten Agglomerate mit einer zweiten glasartigen Bindungszusammensetzung mit geringerer Viskosität gemischt und in die Form eines ungesinterten Schleifwerkzeugs gepresst. Das gepresste Werkzeug kann bei einer Temperatur gebrannt werden, die der bei dem ersten Brennschritt zur Herstellung der Agglomerate verwendeten Temperatur entspricht, da das Bindematerial sich in einem heißen, flüssigen Zustand nicht zu stark verdünnt und vom Korn abfließt. Die ursprüngliche, dreidimensionale Konfiguration des Agglomerats kann so beibehalten werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform dieser Technik ist die Viskosität der glasartigen Bindung bei der Schmelztemperatur des Bindematerials mindestens 33% geringer als die Viskosität des Bindematerials bei seiner Schmelztemperatur. Wenn daher die Viskosität des Bindematerials bei 1180° C etwa 345 bis 55.300 Poise beträgt, ist das bevorzugte glasartige Bindungsmaterial bei 1180° C von einer Viskosität von etwa 30 bis 37.000 Poise gekennzeichnet.

Bei einer dritten Technik wird ein Bindematerial mit einer mittleren Brenntemperatur (z.B. etwa 850-975° C) verwendet, um Korn zu agglomerieren, aber die Agglomeration findet bei einer Temperatur statt, die höher ist als die Verschmelzungs- oder Schmelztemperatur des Bindematerials (z.B. 1000-1200° C). Die Agglomerate werden mit demselben Bindematerial gemischt, das verwendet wird, wenn die glasartige Bindungszusammensetzung und die Mischung in die Form eines ungesinterten Schleifwerkzeugs gepresst werden. Das ungesinterte Werkzeug wird bei einer Temperatur (z.B. etwa 850-975° C) gebrannt, die niedriger ist als die Temperatur, die zum Schmelzen des Bindematerials verwendet wird, um das Korn zu agglomerieren. Die niedrigere Temperatur ist wirksam, um die Agglomerate zusammen zu binden. Dieser Vorgang erhält die dreidimensionale Struktur der Agglomerate aufrecht, da die erste Schicht des Bindematerials bei der Brenntemperatur des Schleifwerkzeugs nicht fließt.

Bei einer vierten Technik wird dieselbe Zusammensetzung als Bindematerial und Bindung für die Scheibe verwendet, und die Agglomeration und das Brennen der Scheibe werden bei derselben Temperatur durchgeführt. Es besteht die Theorie, dass die Eigenschaften des Bindematerials aufgrund der Verschmelzung des Bindematerials, um ein sich während der Agglomeration an das Schleifkorn anlagerndes Glas zu bilden, verändert wurden. Deshalb fließt das verschmolzene Bindematerial in den gesinterten Agglomeraten bei einer höheren Temperatur als das nicht verschmolzene Bindungsmaterial, und die Agglomerate behalten ihre Form, wenn die Scheibe gebrannt wird. In einer bevorzugten Ausführungsform enthält die für das Bindematerial und die Bindung verwendete Zusammensetzung einige Rohmaterialien und besteht nicht aus einer gefritteten Glaszusammensetzung.

Bei einer fünften Technik zum Herstellen glasartig gebundener Schleifwerkzeuge wird das Werkzeug ohne zugegebenes Bindungsmaterial hergestellt. Die Agglomerate werden in eine Werkzeugform gepackt, gepresst und bei einer Temperatur im Bereich von etwa 500 bis 1400° C gebrannt, um das Werkzeug zu formen. Die Bindematerialien, die zur Herstellung der Agglomerate verwendet werden, umfassen eine glasartige Bindungszusammensetzung, und das Bindematerial ist in einer ausreichenden Menge in den Agglomeraten vorhanden (z.B. etwa 5 bis 15 Vol.-% des Agglomerats), um die Agglomerate in dem fertigen, glasartig gebundenen Schleifwerkzeug zusammen zu binden.

Die Agglomerate können mit alten bekannten Arten von Bindungen gebunden sein, wie beispielsweise organische Bindungen oder Harzbindungen und Metallbindungen, die aus dem Stand der Technik der Herstellung gebundener Schleifwerkzeuge bekannt sind. Der Volumenprozentanteilbereich für Agglomerate, die zur Verwendung in glasartig gebundenen Schleifwerkzeugen geeignet sind, ist auch für metallgebundene und organisch gebundene Werkzeuge zufrieden stellend. Die metallgebundenen und organisch gebundenen Werkzeuge umfassen in der Regel höhere Volumenprozentanteile an Bindung und geringere Volumenprozentanteile an Porosität als glasartig gebundene Werkzeuge, und der Schleifkorngehalt kann höher sein. Die organisch gebundenen und metallgebundenen Werkzeuge können gemäß verschiedenen Verarbeitungsverfahren und mit verschiedenen Anteilen von Schleifkorn oder Agglomerat, Bindungs- und Porositätsbestandteilen, wie aus dem Stand der Technik bekannt, gemischt, formgepresst und gehärtet oder gesintert werden. Die Agglomerate der Erfindung können in einschichtig metallgebundenen Werkzeugen sowie in mehrschichtigen, dreidimensionalen Strukturen, monolithischen Werkzeugen und Schleifwerkzeugen mit segmentierter Matrix, wie aus dem Stand der Technik bekannt, verwendet werden.

Die Schleifwerkzeuge der Erfindung umfassen Schleifscheiben, -platten, Wetzsteine und Schleifsteine und -stäbe und sie sind besonders wirksam bei Schleifanwendungen mit einem großen Bereich von Oberflächenkontakt zwischen dem Schleifwerkzeug und dem Werkstück. Solche Anwendungen oder Schleifvorgänge umfassen, sind jedoch nicht beschränkt auf, Kriechgangschleifen und andere Präzisionsflachschliffverfahren, Schleifvorgänge von porösen Gegenständen im Werkzeugbau, Schleifvorgänge von Innendurchmessern und feiner Flachschliff von Keramiken und anderen brüchigen Werkstücken.

Feinschliff- oder Poliervorgänge unter Verwendung von Schleifkorn in Mikron- oder Submikrongröße profitieren von der Verwendung von Werkzeugen, die mit den Agglomeraten der Erfindung hergestellt sind. Die Werkzeuge der Erfindung, die mit Schleifkornagglomeraten einer solch feinen Korngröße hergestellt sind, erodieren relativ zu herkömmlichen Superfinishing- oder Polierwerkzeugen und -systemen mit geringeren Schleifkräften mit wenig bzw. ohne Oberflächenbeschädigung des Werkstücks während der Präzisionsschleifvorgänge (z.B. um Spiegelbeschichtungen auf Glas- oder Keramikbestandteilen zu ergeben). Die Lebensdauer der Werkzeuge bleibt aufgrund der agglomerierten Strukturen zufrieden stellend, vor allem bei einschichtigen Werkzeugen, aber auch bei Werkzeugen mit dreidimensionaler Matrix und Schlämmwerkzeugen.

Beim Präzisionsschleifen von Formprofilen trägt die Brüchigkeit der Agglomerate zu der geringeren Anzahl von Schleifzyklen bei. Aufgrund der miteinander verbundenen Porosität der Werkzeuge sind die Zuführung von Kühlmittel und die Entfernung von Abfall verstärkt, was kühlere Schleifvorgänge, weniger thermische Beschädigung des Werkstücks und geringere Abnutzung der Schleifmaschine ergibt. Da Schleifkörner in agglomerierter Form mit kleinerer Korngröße die Schleifwirkung einer größeren Korngröße vermitteln, aber eine glattere Oberflächenbeschaffenheit hinterlassen, verbessert sich die Qualität des geschliffenen Werkteils oft wesentlich.

Die folgenden Beispiele sind als Veranschaulichung der Erfindung und nicht als Einschränkung vorgesehen.

Eine Reihe von agglomerierten Schleifkornproben wurden in einem Drehkalzinierungsapparat (elektrisch befeuertes Modell # HOU-5D34-RT-28, 1.200° C Höchsttemperatur, Eingabe 30 KW, ausgestattet mit einer 72 Inch (183 cm) langen Röhre aus feuerfestem Metall mit einem Innendurchmesser von 5,5 Inch (14 cm), hergestellt von Harper International, Buffalo, New York, USA) hergestellt. Die Röhre aus feuerfestem Metall wurde durch eine Siliciumkarbidröhre mit den gleichen Abmessungen ersetzt und der Apparat wurde modifiziert, um bei einer Höchsttemperatur von 1.550° C zu arbeiten. Der Agglomerationsvorgang wurde unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt, mit einem Sollwert der Temperaturkontrolle in der Heißzone von 1.180° C, einer Umdrehungsrate der Apparatröhre von 9 Umdrehungen pro Minute, einem Neigungswinkel der Röhre von 2,5 bis 3 Grad und einer Materialeinspeisungsrate von 6-10 kg/Stunde. Der verwendete Apparat war im Wesentlichen identisch zu dem in 1 veranschaulichten Apparat. Der Ertrag verwendbarer, frei fließender Granula (definiert als Siebgröße -12 Mesh) war 60 bis 90 % des Gesamtgewichtes des Rohmaterials vor der Kalzinierung.

Die Agglomeratproben wurden aus einer einfachen Mischung von Schleifkorn, Bindematerial und Wassermischungen, beschrieben in Tabelle 1-1, hergestellt. Die zur Herstellung der Proben verwendeten, glasartig gebundenen Bindematerialzusammensetzungen sind in Tabelle 2 aufgeführt. Aus drei Arten von Schleifkörnern wurden Proben hergestellt: Elektrokorund 38A, Elektrokorund 32A und gesintertem Sol-Gel-Alpha-Aluminiumoxid Norton SG-Korn, bezogen von Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA, USA, in den in Tabelle 1 aufgeführten Korngrößen.

Nach der Agglomeration im Drehkalzinierungsapparat wurden die agglomerierten Schleifkornproben gesiebt und hinsichtlich ihrer losen Packdichte (LPD), Größenverteilung und Agglomeratstärke getestet. Diese Ergebnisse sind gezeigt in Tabelle 1.

Die Vol.-% des Bindematerials der gebrannten Agglomerate wurden anhand des mittleren Ausbrands (Loss on Ignition, LOI) des Rohmaterials des Bindematerials berechnet.

Die gesinterten Agglomerate wurden mit US-Standardtestsieben, die auf einem Vibrationssiebapparat (Ro-Tap; Modell RX-29; W.S. Tyler Inc. Mentor, OH, USA) angebracht waren, nach Größe gesiebt. Die Meshgrößen des Siebs lagen, entsprechend den unterschiedlichen Proben, im Bereich von 18 bis 140. Die lose Packdichte der gesinterten Agglomerate (LPD) wurde nach dem American-National-Standard-Verfahren zur Ermittlung der Raumdichte von Schleifkörnern gemessen.

Die anfängliche mittlere relative Dichte, ausgedrückt in Prozentanteilen, wurde berechnet, indem die LPD (&rgr;) durch eine theoretische Dichte der Agglomerate (&rgr;₀) unter Annahme von null Porosität dividiert wurde. Die theoretische Dichte wurde entsprechend der volumetrischen Mischungsregel aus dem prozentualen Gewichtsanteil und der spezifischen Dichte des in den Agglomeraten vorhandenen Bindematerials und Schleifkorns berechnet.

Die Stärke der Agglomerate wurde in einem Verdichtungstest gemessen. Die Verdichtungstests wurden unter Verwendung eines geschmierten Gesenkes mit einem Durchmesser von einem Inch (2,54 cm) auf einer Instron^®-Universalprüfmaschine (Modell MTS 1125, 20.000 Lbs (9072 kg)) mit einer Agglomeratprobe von 5 Gramm durchgeführt. Die Agglomeratprobe wurde in das Gesenk gegossen und durch Klopfen auf die Außenseite des Gesenkes leicht geebnet. Es wurde von oben ein Stempel eingesetzt und ein Kreuzkopf abgesenkt, bis auf dem Aufzeichnungsgerät eine Kraft ("Ausgangsposition") beobachtet wurde. Auf die Probe wurde Druck mit einer konstanten Steigerungsrate (2 mm/Min.) bis maximal 180 MPa Druck ausgeübt. Das Volumen der Agglomeratprobe (die verdichtete LPD der Probe), beobachtet als eine Verdrängung des Kreuzkopfs (die einwirkende Kraft), wurde aufgezeichnet als die relative Dichte als eine Funktion des Logarithmus des angewandten Drucks. Das verbliebene Material wurde dann gesiebt, um den Prozentanteil des zerdrückten Anteils zu bestimmen. Es wurden unterschiedliche Drücke gemessen, um den Zusammenhang zwischen dem Logarithmus des angewandten Drucks und dem prozentualen zerdrückten Anteil als Kurve darzustellen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 als Logarithmus des Drucks an dem Punkt gezeigt, an dem der zerdrückte Anteil 50 Gew.-% der Agglomeratprobe entspricht. Der zerdrückte Anteil ist das Verhältnis des Gewichts der zerdrückten Partikel, die das kleinere Sieb passieren, zum Anfangsgewicht der Probe.

Die Kennzeichen hinsichtlich LPD, Größenverteilung und Pressfestigkeit und Erhaltung der Granulagröße dieser Agglomerate sind geeignet zur Verwendung bei der kommerziellen Herstellung von Schleifscheiben. Die fertigen, gesinterten Agglomerate haben dreidimensionale Formen, die unter dreieckigen, runden, kubischen, rechteckigen und anderen geometrischen Formen variieren. Agglomerate bestanden aus einer Mehrzahl einzelner Schleifkörner (z.B. 2 bis 20 Körner), die an Korn-zu-Korn-Berührungspunkten durch GlasBindematerial zusammengebunden wurden.

Die Agglomeratgranulagröße erhöhte sich mit einer Steigerung der Menge an Bindematerial in den Agglomeratgranula über den Bereich von 3 bis 20 Gew.-% des Bindematerials.

Für alle Proben 1-9 wurde eine angemessene Verdichtungsfestigkeit beobachtet, wodurch angezeigt wird, dass das GlasBindematerial gereift und geflossen war, um eine wirksame Bindung unter den Schleifkörnern innerhalb der Agglomerate zu erzeugen. Agglomerate, die mit 10 Gew.-% Bindematerial hergestellt waren, hatten eine wesentlich höhere Verdichtungsfestigkeit als die, die aus 2 bis 6 Gew.-% Bindematerial hergestellt waren.

Niedrigere LPD-Werte waren ein Anzeichen eines höheren Agglomerationsgrades. Die LPD der Agglomerate nahm mit einem Anstieg der Gew.-% an Bindematerial und mit einer Abnahme der Schleifkorngröße ab. Relativ große Unterschiede zwischen 2 und 6 Gew.-% Bindematerial im Vergleich zu relativ kleinen Unterschieden zwischen 6 und 10 Gew.-% Bindematerial zeigen an, dass ein prozentualer Gewichtsanteil von Bindematerial von unter 2 Gew.-% zur Bildung von Agglomeraten nicht ausreichend sein dürfte. Bei höheren prozentualen Gewichtsanteilen über etwa 6 Gew.-% könnte die Zugabe von mehr Bindematerial für die Herstellung von wesentlich größeren oder stärkeren Agglomeraten nicht günstig sein.

Wie durch die Ergebnisse in Bezug auf die Agglomeratgranulagröße angedeutet, hatten die Proben mit Bindematerial C, welche die geringste Schmelzglasviskosität bei der Agglomerationstemperatur hatten, die niedrigste LPD von den drei Bindematerialien. Der Schleifmitteltyp hatte keinen wesentlichen Effekt auf die LPD.

Weitere Proben von Agglomeraten wurden unter Verwendung verschiedener anderer Verfahrensausführungen und Rohmaterialien hergestellt.

Eine Reihe von Agglomeraten (Proben Nr. 10-13) wurde bei unterschiedlichen Sintertemperaturen von 1100 bis 1250° C unter Verwendung eines Drehkalzinierungsapparates (Modell Nr. HOU-6D60-RTA-28, ausgestattet mit einer Mullitröhre mit einer Länge von 120 Inch (305 cm), einem Innendurchmesser von 5,75 Inch (15,6 cm), einer Dicke von 3/8 Inch (0,95 cm) und erhitzt über eine Länge von 60 Inch (152 cm) mit drei Temperaturkontrollzonen hergestellt. Der Apparat wurde hergestellt von Harper International, Buffalo, New York). Eine Brabender-Einspeisungseinheit mit einer einstellbar kontrollierbaren, volumetrischen Einspeisungsrate wurde verwendet, um die Schleifkorn- und Bindematerialmischung in die Heizröhre des Drekalzinierungsapparates zu dosieren. Der Agglomerationsvorgang wurde unter atmosphärischen Bedingungen mit einer Rotationsrate der Apparatröhre von 4 Umdrehungen pro Minute, einem Neigungswinkel der Röhre von 2,5 Grad und einer Einspeisungsrate von 8 kg/Stunde durchgeführt. Der verwendete Apparat war im Wesentlichen identisch zu dem in 1 veranschaulichten Apparat. Die Temperaturauswahl und andere zur Herstellung dieser Agglomerate verwendeten Variablen sind in Tabelle 2-1 ausgeführt.

Alle Proben enthielten eine Mischung von 89,86 Gew.-% Schleifkorn (60er Korngröße 38A Aluminiumoxidkorn, bezogen von Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc.), 10,16 % Bindemittelmischung (6,3 Gew.-% AR30 flüssiges Proteinbindemittel, 1,0 % Carbowax^® 3350 PEG und 2,86 % Bindematerial A). Diese Mischung ergab 4,77 Vol.-% Bindematerial und 95,23 Vol.-% Korn in dem gesinterten Agglomeratgranulum. Die berechnete theoretische Dichte der Agglomeratgranula (unter der Annahme, dass keine Porosität vorhanden ist), war 3,852 g/cc.

Bevor die Mischung in die Einspeisungseinheit gegeben wurde, wurden durch simulierte Strangpressung Agglomerate im ungesinterten Stadium hergestellt. Um stranggepresste Agglomerate herzustellen, wurde der flüssige EiweißBindungs erhitzt, um das Carbowax® 3350 PEG aufzulösen. Dann wurde das Bindematerial langsam unter Rühren der Mischung zugegeben. Zu einer Mischvorrichtung mit starker Scherung (Durchmesser 44 Inch (112 cm) wurden Schleifkörner gegeben und die hergestellte Bindematerial-Bindemittelmischung wurde langsam zu dem Korn in der Mischvorrichtung gegeben. Die Kombination wurde 3 Minuten lang gemischt. Die gemischte Kombination wurde durch ein Kastensieb mit 12 Mesh (US-amerikanische Standardsiebgröße) auf Wannen in eine Schicht mit einer maximalen Tiefe von einem Inch (2,5 cm) nassgesiebt, um nasse, ungebrannte, stranggepresste Agglomerate zu bilden. Die Schicht von stranggepressten Agglomeraten wurde bei 90° C 24 Stunden lang ofengetrocknet. Nach dem Trocknen wurden die Agglomerate erneut mit einem Kastensieb mit 12 bis 16 Mesh (US-amerikanische Standardsiebgröße) gesiebt.

Während der Drehkalzinierung wurde beobachtet, dass die im ungebrannten Zustand hergestellten Agglomerate beim Erhitzen auseinanderzubrechen schienen und sich dann erneut bildeten, wenn sie aus dem Austragsende des erhitzten Abschnitts der Drehkalzinierungsröhre herausrollten. Die relativ zu der Größe der agglomerierten Granula nach dem Brennen größere Größe der im ungebrannten Zustand hergestellten agglomerierten Granula war bei optischer Inspektion der Proben leicht zu erkennen.

Nach dem Brennen wurde beobachtet, dass die agglomerierten Partikelgrößen für kommerzielle Zwecke ausreichend einheitlich waren und eine Größenverteilung über einen Bereich von etwa 500 bis 1200 Mikron hatten. Die Größenverteilungsmessungen sind in Tabelle 2-2 unten ausgeführt. Ertrag, Größe, Quetschfestigkeit und LPD waren für die kommerzielle Verwendung bei der Herstellung von Schleifscheiben annehmbar.

Es wurden Agglomerate (Proben Nr. 14-23) wie in Beispiel 2 beschrieben hergestellt, außer, dass die Temperatur bei 1000° C konstant gehalten und ein Drehkalzinierungsapparat, Modell Nr. KOU-8D48-RTA-20, ausgestattet mit einer Quarzglasröhre mit einer Länge von 108 Inch (274 cm), einem Innendurchmesser von 8 Inch (20 cm) und erhitzt über eine Länge von 48 Inch (122 cm) mit drei Temperaturkontrollzonen, verwendet wurde. Der Apparat wurde von Harper International, Buffalo, New York, USA, hergestellt. Es wurden verschiedene Verfahren zur Herstellung der vorgebrannten Mischung aus Korn und Bindematerial untersucht. Der Agglomerationsvorgang wurde unter atmosphärischen Bedingungen mit einer Umdrehungsrate der Apparatröhre von 3 bis 4 Umdrehungen pro Minute, einem Neigungswinkel der Röhre von 2,5 Grad und einer Einspeisungsrate von 8 bis 10 kg/Stunde durchgeführt. Der verwendete Apparat war im Wesentlichen identisch mit dem in 1 veranschaulichten Apparat.

Alle Proben enthielten 30 Lbs (13,6 kg) Schleifkorn (dasselbe Korn wie in Beispiel 2 verwendet, außer dass Probe 16 25 Lbs (11,3 kg) Norton SG^® Sol-Gel-Aluminiumoxid mit 70er Korngröße, bezogen von Saint-Gobain Ceramics and Plastics, Inc., enthielt) und 0,9 Lbs (0,41 kg) Bindematerial A (was 4,89 Vol.-% Bindematerial in dem gesinterten Agglomerat ergab). Das Bindematerial war vor der Zugabe zu dem Korn in unterschiedlichen Bindungssystemen dispergiert. Für einige Proben wurde das Bindungssystem von Beispiel 2 („Bindemittel 2") verwendet, und andere Proben wurden unter Verwendung des flüssigen EiweißBindungss AR30 („Bindemittel 3") in den in Tabelle 3 aufgeführten prozentualen Gewichtsanteilen hergestellt. Probe 20 wurde verwendet, um Agglomerate im ungesinterten, ungebrannten Zustand nach dem simulierten Strangpressverfahren von Beispiel 2 herzustellen.

Die geprüften Variablen und die Prüfergebnisse der Prüfungen sind unten in Tabelle 3 zusammengefasst.

Diese Ergebnisse bestätigen, dass eine Agglomeration im ungesinterten Zustand nicht erforderlich ist, um eine annehmbare Qualität und einen annehmbaren Ertrag gesinterter, agglomerierter Granula zu bilden (siehe zum Vergleich Proben 18 und 20). Da sich die in der Anfangsmischung verwendeten Gew.-% von Bindemittel 3 von 1 auf 8 % erhöhten, zeigte die LPD einen Trend in Richtung eines mäßig starken Rückgangs, was darauf hindeutet, dass die Verwendung eines Bindemittels einen günstigen, aber nicht wesentlichen Einfluss auf den Agglomerationsvorgang hat. Unerwarteterweise erschien es daher nicht erforderlich, eine gewünschte Form oder Größe der Agglomeratgranula vor dem Sintern in einem Drehkalzinierer vorzuformen. Dieselbe LPD wurde erreicht, indem eine nasse Mischung der Agglomeratbestandteile lediglich in den Drehkalzinierer eingespeist und die Mischung bei der Passage durch den erhitzten Abschnitt des Apparats gerollt wurde.

Es wurden Agglomerate (Proben Nr. 24-29) wie in Beispiel 2 beschrieben hergestellt, außer, dass die Temperatur konstant bei 1200° C gehalten wurde und verschiedene Verfahren zur Herstellung der vorgebrannten Mischung aus Korn und Bindematerial untersucht wurden. Alle Proben (außer Proben 28-29) enthielten eine Mischung von 300 Lbs (136,4 kg) Schleifkorn (dasselbe Korn wie in Beispiel 2: 60er Korngröße 38A Aluminiumoxid) und 9,0 Lbs (4,1 kg) Bindematerial A (was 4,89 Vol.-% Bindematerial in den gesinterten Agglomeraten ergibt).

Probe 28 (dieselbe Zusammensetzung wie Beispiel 2) enthielt 44,9 Lbs (20,4 kg) Korn und 1,43 Lbs (0,6 kg) Bindematerial A. Das Bindematerial wurde mit der flüssigen Bindungsmischung (37,8 Gew.-% (3,1 Lbs) AR30-Bindemittel in Wasser) kombiniert, und 4,98 Lbs dieser Kombination wurden dem Korn zugegeben. Die Viskosität der flüssigen Kombination war 784 CP bei 22° C (Brookfield LVF Viscometer).

Probe 29 (dieselbe Zusammensetzung wie Beispiel 2) enthielt 28,6 Lbs (13 kg) Korn und 0,92 Lbs (0,4 kg) Bindematerial A (was 4,89 Vol.-% Bindematerial in dem gesinterten Agglomerat ergab). Das Bindematerial wurde mit der flüssigen Bindungsmischung (54,7 Gew.-% (0,48 Lbs) Duramax^® Harz B1052 und 30,1 Gew.-% (1.456 Lbs) Duramax Harz B1051 Harz in Wasser) kombiniert und diese Kombination wurde dem Schleifkorn zugegeben. Die Duramax Harze wurden von Rohm and Haas, Philadelphia, PA, USA, bezogen.

Der Agglomerationsvorgang wurde unter atmosphärischen Bedingungen mit einer Umdrehungsrate der Apparatröhre von 4 Umdrehungen pro Minute, einem Neigungswinkel der Röhre von 2,5 Grad und einer Einspeisungsrate von 8 bis 12 kg/Stunde durchgeführt. Der verwendete Apparat war im Wesentlichen identisch zu dem in 1 veranschaulichten Apparat.

Probe 28 wurde vor der Kalzinierung in einem Apparat mit einem Fließbett, hergestellt von Niro, Inc., Columbia, Maryland, USA (Modell MP-2/3 Multi-Processor^TM, ausgestattet mit einem Konus der Größe MP-1 (3 Fuß (0,9 Meter) im Durchmesser an der breitesten Stelle) voragglomeriert. Für die Probendurchläufe in dem Fließbettverfahren wurden folgende Verfahrensvariablen ausgewählt:

Lufttemperatur am Einlass 64-70° C

Luftstrom am Einlass 100-300 Kubikmeter/Stunde

Flussrate der Granulationsflüssigkeit 440 g/Min

Betttiefe (Anfangsbeladung 3-4 kg) etwa 10 cm

Luftdruck 1 Bar

Zwei externe Mischdüsen für Fluida mit einer Öffnung von 800 Mikron

Das Schleifkorn wurde in den unteren Apparat geladen, und Luft wurde durch den Fließbettplattendiffuser nach oben und in das Korn geleitet. Gleichzeitig wurde die Flüssigmischung aus Bindematerial und Bindemittel in die externe Mischdüse gepumpt und dann aus den Düsen durch den Plattendiffusor und in das Korn gesprüht, wodurch einzelne Schleifkörner beschichtet wurden. Während des Trocknens der Mischung aus Bindematerials und Bindemittel wurden ungesinterte Agglomerate gebildet.

Probe 29 wurde vor der Kalzinierung in einem Niedrigdruck-Strangpressverfahren mithilfe eines von der LCI Corporation, Charlotte, North Carolina, USA hergestellten Benchtop Granulator^TM (ausgestattet mit einem perforierten Korb mit Öffnungen mit einem Durchmesser von 0,5 mm) voragglomeriert. Die Mischung aus Korn, Bindematerial und Bindemittel wurde manuell in den perforierten Korb (das Strangpresssieb) gegeben, mithilfe von Rotationsklingen durch das Sieb gedrückt und in einer Aufnahmewanne aufgefangen. Die stranggepressten Voragglomerate wurden bei 90° C 24 Stunden lang ofengetrocknet und als Rohmaterial für den Drehkalzinierungsvorgang verwendet.

Die geprüften Variablen und die Ergebnisse der Tests sind unten und in den Tabellen 4-1 und 4-2 zusammengefasst. Diese Tests bestätigen, dass die in Beispiel 3 ausgeführten Ergebnisse auch bei einer höheren Brenntemperatur (1200 gegenüber 1000° C) beobachtet werden. Diese Tests veranschaulichen außerdem, dass Niedrigdruck-Strangpressen und Flüssigbett-Voragglomeration zur Herstellung von agglomerierten Granula verwendet werden können, dass aber ein Agglomerationsschritt vor der Drehkalzinierung zur Herstellung der Agglomerate der Erfindung nicht erforderlich ist.

Weitere Agglomerate (Proben Nr. 30-37) wurden wie in Beispiel 3 beschrieben hergestellt, außer dass das Sintern bei 1180° C durchgeführt, andere Arten von Schleifkörnern getestet und 30 Lbs (13,6 kg) Schleifkorn mit 1,91 Lbs (0,9 kg) Bindematerial A gemischt wurden (um 8,94 Vol.-% Bindematerial in den gesinterten Agglomeratgranula zu ergeben). Bindemittel 3 von Beispiel 3 wurde mit Wasser als einem Bindemittel für die Agglomeration im ungesinterten Zustand verglichen. Proben 30-34 verwendeten 0,9 Lbs (0,4 kg) Wasser als Bindemittel. Proben 35-37 verwendeten 0,72 Lbs (0,3 kg) Bindemittel 3. Die geprüften Variablen sind unten in Tabelle 5 zusammengefasst.

Der Vorgang der Agglomeration wurde unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt, mit einer Umdrehungsrate der Apparatröhre von 8,5-9,5 Umdrehungen pro Minute, einem Neigungswinkel der Röhre von 2,5 Grad und einer Einspeisungsrate von 5-8 kg/Stunde. Der verwendete Apparat war im Wesentlichen identisch zu dem in 1 veranschaulichten Apparat.

Nach der Agglomeration wurden die agglomerierten Schleifkornproben gesiebt und hinsichtlich der losen Packdichte (LPD), Größenverteilung und Agglomeratfestigkeit geprüft. Diese Ergebnisse sind in Tabelle 5 gezeigt.

Diese Ergebnisse zeigen wiederum die Eignung von Wasser als vorübergehendem Bindemittel für die Agglomerate in dem Drehkalzinierungsvorgang. Des Weiteren können Mischungen von Korntypen, Korngrößen oder beiden nach dem Verfahren der Erfindung agglomeriert werden, und diese Agglomerate können bei einer Temperatur von 1180° C in dem Drehkalzinierer beschichtet werden. Eine signifikante Zunahme der Quetschfestigkeit wurde beobachtet, wenn ein längliches Schleifkorn mit einem hohen Längenverhältnis (d.h. ≥ 4:1) in den Agglomeraten verwendet wurde (Probe 33).

Eine weitere Reihe von Agglomeraten (Proben Nr. 38-45) wurde wie in Beispiel 3 beschrieben hergestellt, außer, dass andere Sintertemperaturen verwendet und unterschiedliche Arten von Schleifkornkorngrößenmischungen und unterschiedliche Bindematerialien getestet wurden. Bei manchen der Rohmaterialmischungen wurden Walnussschalen als organisches Porenauslöser-Füllmaterial verwendet (Walnussschalen wurden bezogen von Composition Materials Co., Inc., Fairfield, Connecticut, in US-Siebgröße 40/60). Die geprüften Variablen sind unten in Tabelle 6 zusammengefasst. Alle Proben enthielten eine Mischung aus 30 Lbs (13,6 kg) Schleifkorn und 2,5 Gew.-% Bindemittel 3 auf Korngewichtsbasis mit unterschiedlichen Mengen an Bindematerial, wie in Tabelle 6 gezeigt.

Der Vorgang der Agglomeration wurde unter atmosphärischen Bedingungen durchgeführt, mit einer Umdrehungsrate der Apparatröhre von 8,5-9,5 Umdrehungen pro Minute, einem Neigungswinkel der Röhre von 2,5 Grad und einer Einspeisungsrate von 5-8 kg/Stunde. Der verwendete Apparat war im Wesentlichen identisch zu dem in 1 veranschaulichten Apparat.

Nach der Agglomeration wurden die agglomerierten Schleifkornproben gesiebt und hinsichtlich der losen Packdichte (LPD), der mittleren Größe und Agglomeratquetschfestigkeit geprüft (siehe Tabelle 6). Die Eigenschaften aller Agglomerate waren zur Verwendung bei der Herstellung von Schleifscheiben annehmbar. Diese Daten scheinen anzudeuten, dass die Verwendung organischer Porenauslöser, d.h. Walnussschalen, keinen wesentlichen Einfluss auf die Agglomerateigenschaften hatte.

Nach Beispiel 2 hergestellte Agglomeratproben 10-13 und nach Beispiel 4 hergestellte Agglomeratproben 24-27 wurden verwendet, um Schleifscheiben (Endgröße: 20 × 1 × 8 Inch) (50,8 × 2,54 × 20,3 cm) herzustellen. Diese Scheiben wurden in einem Kriechgangschleifvorgang gegen Vergleichsscheiben geprüft, die ohne Agglomerate hergestellt wurden, aber Porenauslöser-Füllmaterial enthielten.

Um die Schleifscheiben herzustellen, wurden die Agglomerate zusammen mit einem flüssigen Bindemittel und einer pulverisierten glasartigen Bindungszusammensetzung entsprechend Bindematerial C aus Tabellen 1-2 in eine Mischvorrichtung gegeben. Die Scheiben wurden dann entsprechend den aus dem Stand der Technik bekannten kommerziellen Techniken zur Herstellung von Schleifscheiben formgepresst, getrocknet, bis zu einer maximalen Temperatur von 900° C gebrannt, sortiert, beschichtet, ausgewuchtet und inspiziert.

Die Zusammensetzung der Scheiben (einschließlich Vol.-% Schleifmittel, Bindungsmittel und Porosität in den gebrannten Scheiben), Dichte und Moduleigenschaften der Scheiben sind in Tabelle 7-1 beschrieben. Scheiben wurden so formuliert, dass sie einen Elastizitätsmodul entsprechend einer Standardscheibenhärte zwischen Grad D und E auf der Härtegradskala der Norton Company hatten. Vorläufige Tests hatten festgestellt, dass die Scheiben, die aus Kornagglomeraten mit einer Vol.-%-Struktur (d.h. Vol.-% Korn, Bindungsmittel und Poren bis auf insgesamt 100%) formuliert sind, die identisch ist zu einer ohne Kornagglomerate hergestellten Vergleichsscheibe, eine wesentlich geringere Dichte, einen geringeren Elastizitätsmodul hatten und weicher waren als die Vergleichsscheiben. Weniger die berechnete Vol.-%-Struktur, als vielmehr Dichte und Elastizitätsmodul wurden daher als die zentralen Scheibenhärteindikatoren für Scheiben ausgewählt, die mit Kornagglomeraten hergestellt und in diesen Schleifstudien geprüft wurden.

Diese Scheiben wurden in einem Kriechgangschleifverfahren gegen zur Verwendung in Kriechgangschleifverfahren empfohlene, kommerziell erhältliche Vergleichsscheiben geprüft (die Vergleichsscheiben sind in Tabelle 7-1 und 7-2 beschrieben). Die Vergleichsscheiben hatten dieselben Größenabmessungen, vergleichbare Härtegrade und waren ansonsten geeignete Vergleichsscheiben für die Prüfscheiben in einer Kriechgangschleifstudie, waren jedoch ohne Agglomerate hergestellt.

• Maschine: Hauni-Blohm Profimat 410
  
  Modus: Kerben-Kriechgangschliff
  
  Schleiftiefe: 0,125 Inch (0,318 cm)
  
  Scheibengeschwindigkeit: 5500 surface feet per minute (28 m/Sek.)
  
  Tischgeschwindigkeit: Variiert in Stufen von 2,5 Inch/Min (6,4 cm/Min.) von 5-17,5 Inch/Minute (12,7-44,4 cm/Minute) oder bis zum Auftreten von Fehlern (Brandspuren am Werkstück oder Maschinen- oder Scheibenausfall)
  
  Kühlmittel: Master Chemical Trim E210 200, bei Konzentration von 10% mit entionisiertem Wasser, 95 Gal/Min. (360 l/Min)
  
  Werkstückmaterial: AISI 4340 Stahl 48-50 Rc Härte
  
  Abrichtmodus: Drehdiamant, nicht kontinuierlich
  
  Abrichtkompensation: 40 Mikro-Inch/Umdrehung (1 Mikrometer/Umdrehung) Gesamte radiale Schleifkompensation: 0,02 Inch/Umdrehung (0,5 mm/Umdrehung)
  
  Geschwindigkeitsverhältnis: +0,8

Bei diesen Schleifdurchgängen wurde die Tischgeschwindigkeit erhöht, bis es zu einem Fehler kam. Der Fehler wurde angezeigt durch Brandspuren am Werkstück oder durch übermäßigen Verschleiß der Scheibe, wie angezeigt durch Stromdaten, Scheibenabnutzungsmessungen (wheel wear, WWR), Messungen der Oberflächengüte und der optischen Inspektion der geschliffenen Oberfläche. Das Zeitspanvolumen (material removal rate, MRR) (maximales Zeitspanvolumen), bei welchem der Fehler auftrat, wurde dokumentiert.

Wie in Tabelle 7-2 unten ausgeführt, zeigten diese Schleiftests, dass die agglomerathaltigen Prüfscheiben durchgehend in der Lage waren, höhere Zeitspanvolumina als die Vergleichsscheiben zu erreichen. Die Prüfscheiben zeigten außerdem annehmbare Werte für die anderen, weniger wichtigen Schleifparameter, wie sie bei Kriechgangschleifverfahren beobachtet werden (d.h. Scheibenabnutzung, Leistung und Oberflächengüte bei maximalem Zeitspanvolumen).

Eine Probe aus Schleifkornagglomerat (60) wurde in dem Drehkalzinierungsapparat mit einer Siliciumkarbidröhre, beschrieben in Beispiel 1 und veranschaulicht in 1, hergestellt. Der Agglomerationsvorgang wurde unter atmosphärischen Bedingungen bei 1.350° C mit einer Umdrehungsrate der Apparatröhre von 9 Umdrehungen pro Minute, einem Neigungswinkel der Röhre von 3 Grad und einer Einspeisungsrate von 6-10 kg/Stunde durchgeführt.

Die agglomerierte Probe war aus einer Mischung aus 38A Aluminiumoxid-Schleifkorn, 60er Korngröße (dasselbe Korn wie in Beispiel 1 und 6 verwendet), 5,0 Gew.-% Bindematerial F (auf der Basis des Gewichts des Schleifkorns) und 2,5 Gew.-% Bindemittel 3 in Wasser (Mischung 50/50 nach Gewicht des Schleifkorns) hergestellt.

Nach der Agglomeration in dem Drehkalzinierungsapparat wurde das agglomerierte Schleifkorn gesiebt und nach den oben beschriebenen Verfahren auf lose Packdichte (LPS) und andere Attribute geprüft. Der Ertrag der verwendbaren, frei fließenden Agglomerate (definiert als -12 Mesh) lag bei 72,6 % des Rohmaterials vor dem Sintern. Die LPD des Agglomerats war 1,11 g/cc und die relative Dichte war 28,9%. Diese gesinterten Agglomerate wurden verwendet, um Schleifscheiben mit einer fertigen Größe von 16,25 × 0,75 × 5,00 Inch (41,3 × 2,4 × 12,8 cm) herzustellen.

Um die Schleifscheiben herzustellen, wurden die Agglomerate zusammen mit einer pulverisierten glasartigen Bindungszusammensetzung (entsprechend Bindematerial C aus Tabelle 1-2) und FlüssigBindemittel 3 in ein Mischgerät gegeben, um eine Mischung herzustellen. Die Scheiben wurden dann entsprechend den aus dem Stand der Technik bekannten kommerziellen Techniken zur Herstellung von Schleifscheiben aus dieser Mischung gepresst, getrocknet, bis zu einer maximalen Temperatur von 900° C gebrannt, sortiert, beschichtet, ausgewuchtet und inspiziert. Die Scheiben wurden dann so abgestimmt, dass der Wert ihres Elastizitätsmoduls dem von Vergleichsscheiben mit einer Standardscheibenhärte im Bereich des Grades E auf der Härtegradskala der Norton Company entsprach.

Die Kennzeichen der gebrannten Schleifscheiben und einer kommerziell erhältlichen Vergleichsscheibe, bezogen von Saint-Gobain Abrasives, Inc., Worcester, MA, USA, sind in Tabelle 8-1 unten beschrieben.

Die in Tabelle 8-1 beschriebenen Schleifscheiben wurden in einem Kriechgangschleiftest geprüft. Die Parameter für den Kriechgangschleiftest wurden so eingestellt, dass sie die folgenden Schleifbedingungen ergaben:

• Maschine: Hauni-Blohm Profimat 410
  
  Modus: Kerben-Kriechgangschliff
  
  Schleiftiefe: 0,125 Inch (0,318 cm)
  
  Scheibengeschwindigkeit: 5500 surface feet pro Minute (28 m/Sek.)
  
  Tischgeschwindigkeit: Variierte in Stufen von 2,5 Inch/Min (6,4 cm/Min.) von 5-15 Inch/Minute (12,7-38,1 cm/Minute) oder bis zum Auftreten von Fehlern (Brandspuren am Werkstück oder Maschinen- oder Scheibenausfall)
  
  Kühlmittel: Master Chemical Trim E210 200, bei Konzentration von 10% mit entionisiertem Wasser, 95 Gal/Min. (360 l/Min)
  
  Werkstückmaterial: AISI 4340 Stahl 48-50 Rc Härte
  
  Abrichtmodus: Drehdiamant, nicht kontinuierlich
  
  Abrichtkompensation: 40 Mikro-Inch/Umdrehung (1 Mikrometer/Umdrehung)
  
  Gesamte radiale Schleifkompensation: 0,02 Inch
  
  Geschwindigkeitsverhältnis: +0,8

Bei diesen Schleifdurchgängen wurde die Tischgeschwindigkeit erhöht, bis es zu einem Fehler kam. Der Fehler wurde angezeigt durch Brandspuren am Werkstück oder durch übermäßigen Verschleiß der Scheibe, wie angezeigt durch Stromdaten, Scheibenabnutzungsmessungen (WWR) und der optischen Inspektion der geschliffenen Oberfläche. Das Zeitspanvolumen (material removal rate, MRR) (d.h. das maximale Zeitspanvolumen vor dem Fehler), bei welchem der Fehler auftrat, wurde dokumentiert. Auch die Oberflächengüte wurde gemessen.

Wie in Tabelle 8-2 unten ausgeführt, zeigten diese Schleiftests, dass die agglomerathaltigen Prüfscheiben durchgehend in der Lage waren, höhere Zeitspanvolumina als die Vergleichsscheiben zu erreichen, bevor das Werkstück verbrannte. Das maximale Zeitspanvolumen für die Vergleichsscheibe wurde bei einer Tischgeschwindigkeit von nur 12,5 Inch/Minute (5,29 mm/Sek.) erreicht, während das maximale Zeitspanvolumen der Prüfscheibe bei einer Tischgeschwindigkeit von 15 Inch/Minute (6,35 mm/Sek.) erreicht wurde.

Die Prüfscheiben zeigten außerdem vergleichbare und kommerziell annehmbare Werte für die anderen, bei dem höchsten Zeitspanvolumen beobachteten Schleifparameter, die von den Vergleichsscheiben in diesem Kriechgangschleifverfahren erreicht wurden (d.h. Leistung und Oberflächengüte bei der Tischgeschwindigkeit von 5,29 mm/Sek.).

Mit der Agglomeratprobe 35 aus Beispiel 5 hergestellte Schleifscheiben wurden in einem für Schleifverfahren im Werkzeugbau typischen, trockenen Flachschliffverfahren mit Quervorschub getestet. Eine kommerziell erhältliche Schleifscheibe wurde mit den erfindungsgemäßen Scheiben in diesem Test verglichen.

Die Schleifscheiben, welche die Agglomerate enthielten, wurden nach dem Verfahren von Beispiel 8 hergestellt und bei einer maximalen Temperatur von 900° C gebrannt, jedoch war die Größe der Scheiben 7 × 0,5 × 1,25 Inch (17,8 × 1,3 × 3,2 cm). Gebrannte Scheiben enthielten 40% Agglomerate, 11-12,1 % glasartige Bindung und 47,9-49 % Porosität auf Volumenprozentbasis. Die Brennbedingungen für die erfindungsgemäßen Scheiben und die Eigenschaften der gebrannten Schleifscheiben und der Vergleichsscheiben sind in Tabelle 9-1 beschrieben.

Der Volumenprozentanteil an Schleifkorn und Glas-Bindematerial der in den Prüfscheiben verwendeten Agglomerate ist in Tabelle 9-2 unten ausgeführt.

• Maschine: Brown & Sharpe Flachschleifer
  
  Modus: Trocken-Flachschliff
  
  Quervorschub: 0,508 mm
  
  Scheibengeschwindigkeit: 3500 Umdrehungen pro Minute; 6500 sfpm
  
  Tischgeschwindigkeit: 50 fpm (15.240 mm/Min)
  
  Kühlmittel: Keines
  
  Werkstückmaterial: D3 Stahl Rc 60 Härte 203,2 mm lang × 47,8 mm breit
  
  Abrichtmodus: Einpunktdiamant
  
  Abrichtkomp.: 0,025 Abrichtführung (Dress Lead): 254 mm/Min.

Bei diesen Schleifdurchgängen wurde der Tiefenvorschub erhöht, bis ein Fehler beobachtet wurde. Bei Flachschliffverfahren im Werkzeugbau, wie beispielsweise bei Kriechgangschleifverfahren, ist die Leistung der Schleifscheibe in Bezug auf das maximale Zeitspanvolumen (MRR) der wichtigste Parameter. Daher wurde für jede Scheibe das maximale Zeitspanvolumen, bei dem ein Schleiffehler auftrat, dokumentiert, und ein Fehler war gekennzeichnet durch sichtbare Brandspuren am Werkstück, übermäßigen Energieaufwand oder durch eine übermäßige Abnutzungsrate der Scheibe (WWR). Auch die Oberflächengüte wurde gemessen.

Wie in Tabelle 9-3 und 9-4 unten aufgeführt, zeigte dieser Schleiftest, dass die die Agglomerate enthaltenden Prüfscheiben höhere maximale Zeitspanvolumina aufwiesen, bevor die Scheibe aufgrund von Abnutzung ausfiel. Des Weiteren wurden die höheren Zeitspanvolumina bei geringerem Energieaufwand erreicht, während gleichzeitig vergleichbare Werte in Bezug auf die Rauheit der Oberfläche aufrechterhalten wurden.

In einem Innendurchmesser (ID)-Schleiftest wurden Schleifscheiben getestet, die mit Schleifkornagglomeraten hergestellt wurden.

Es wurden Agglomerate (Probe 61 } wie in Beispiel 2 beschrieben hergestellt, außer, dass die Temperatur konstant bei 1170° C gehalten wurde (Probe 61 ). Außerdem wurde ein Drehkalzinierungsapparat, Modell KOU-8D48-RTA-20, ausgestattet mit einer Siliciumkarbidröhre der Länge 108 Inch (274 cm), einem Innendurchmesser von 8 Inch (20 cm), erhitzt über eine Länge von 48 Inch (122 cm) mit drei Temperaturkontrollzonen, verwendet. Dieser Apparat wurde hergestellt von Harper International, Buffalo, New York. Der Agglomerationsvorgang wurde unter atmosphärischen Bedingungen mit einer Rotationsrate der Apparatröhre von 6 Umdrehungen pro Minute, einem Neigungswinkel der Röhre von 2,5-3,0 Grad und einer Einspeisungsrate von 8-10 kg/Stunde durchgeführt. Der verwendete Apparat war im Wesentlichen identisch zu dem in 1 veranschaulichten Apparat.

Agglomeratprobe 61 wurde mit 30 Lbs (13,63 kg) Schleifkorn (120er Korngröße 32A Aluminiumoxid-Korn, bezogen von Saint-Gobain Ceramics and Plastics, Inc.) und 1,91 Lbs (0,87 kg) Bindematerial A hergestellt (was 6,36 Gew.-% Bindematerial in dem gesinterten Agglomerat ergab). Das Bindematerial wurde vor der Zugabe zu dem Korn in Wasser dispergiert (0,9 Lbs; 0,41 kg). Die Agglomerate hatten eine mittlere Größe von 260 Mikron und eine lose Packdichte (LPS) von 1,13 g/cc.

Eine kommerziell erhältliche Vergleichsschleifscheibe wurde in diesem Test mit den Scheiben der Erfindung verglichen. Die Vergleichsscheibe hatte dieselben Größenabmessungen und war aus demselben Schleifkorn hergestellt, aber ohne Agglomerate. Die Vergleichsscheibe war als 32A120-LVFL gekennzeichnet und bezogen von Saint-Gobain Abrasives, Inc., Worcester, MA, USA.

Zur Herstellung der Prüfschleifscheibe wurden die Agglomerate zusammen mit einer pulverisierten glasartigen Bindungszusammensetzung und FlüssigBindungs 3 in ein Mischgerät gegeben, um eine Mischung herzustellen. Die Scheiben wurden dann entsprechend den aus dem Stand der Technik bekannten, kommerziellen Techniken zur Herstellung von Schleifscheiben aus dieser Mischung gepresst, getrocknet, bis zu einer maximalen Temperatur von 900° C gebrannt, sortiert, beschichtet, ausgewuchtet und inspiziert.

Die Schleifscheiben waren Scheiben von Typ 1A mit einer fertigen Größe von 1,8 × 1,0 × 0,63 Inch (4,57 × 2,54 × 1,60 cm). Die Zusammensetzung und Kennzeichen der Prüf- und Vergleichsscheiben sind unten in Tabelle 10-1 aufgeführt.

Schleifscheiben, die in Tabelle 10-1 beschrieben sind, wurden in einem Innendurchmesser (ID)-Schleiftest geprüft. Die Parameter für den ID-Schleiftest wurden so eingestellt, dass sie die folgenden Schleifbedingungen ergaben.

• Maschine: Okuma ID-Schleifer
  
  Modus: Nasser-ID-Schliff, Schleifbewegung auf und ab
  
  Scheibengeschwindigkeit: 18000 Umdrehungen pro Minute
  
  Arbeitsgeschwindigkeit: 600 Umdrehungen pro Minute
  
  Kühlmittel: Master Chemical Trim E210, 5% in entionisiertem Quellwasser
  
  Werkstückmaterial: 52100 Stahl Rc 60 Härte
  
  Ringe: 2,225 × 0,50 Inch (5,65 × 1,28 cm)
  
  Abrichtmodus: Einpunktrotationsdiamant
  
  Abrichtverhältnis: 0,650
  
  Abrichtführung: 0,304 mm/Umdrehung

Bei diesen Tests wurden drei Reihen von Schleifvorgängen bei konstanter Vorschubrate und fünf Schleifdurchgängen pro Reihe durchgeführt. Die Vorschubrate legt ein Sollzeitspanvolumen für jeden Test fest. Bei ID-Schleifverfahren sind die wesentlichsten Parameter der G-Quotient (Zeitspanvolumen (MRR)/Scheibenabnutzungsrate (WWR)), die spezifische Energie, die erforderlich ist, um bei einer festgelegten Vorschubrate zu schleifen, und die resultierende Oberflächengüte. Die unten stehende Tabelle enthält Daten zu jedem Satz von Vorschubraten; die Daten zur Oberflächengüte repräsentieren den Wert nach dem fünften Schleifdurchgang einer jeden Reihe.

Wie in Tabelle 10-2 unten ausgeführt, zeigten die Schleiftests, dass die Leistung der agglomerathaltigen Prüfscheibe in Bezug auf den G-Quotienten (Zeitspanvolumen (MRR)/Scheibenabnutzungsrate (WWR)), die spezifische Schleifenergie und die Oberflächengüte vergleichbar mit der Vergleichsscheibe oder sogar besser als diese war. Diese Ergebnisse sind angesichts des wesentlich geringeren Volumenanteils an Schleifkorn in der Prüfscheibe erstaunlich. Bei normalen Scheibenstrukturen sind die Vol.-% an Schleifkorn die wichtigste Variable bei der Bestimmung des G-Quotienten. In Abwesenheit anderer Variablen ergibt ein höherer Korngehalt einen proportional höheren G-Quotienten. Eine Verringerung des prozentualen Volumenanteils an Korn, die erforderlich ist, um denselben oder einen besseren G-Quotienten zu erreichen, stellt eine signifikante, technische Verbesserung des Schleifwerkzeugs dar.

Das agglomerierte Schleifkorn der Erfindung wurde verwendet, um große Schleifscheiben herzustellen, um die Durchführbarkeit der Herstellung solcher Scheiben ohne die Verwendung zusätzlicher Porenauslöser und die Verwendung solcher Scheiben beim Kriechgangschleifen zu bestätigen.

Das agglomerierte Schleifkorn (Probe 62) wurde in dem Drehkalzinierungsapparat mit einer Siliciumkarbidröhre, beschrieben in Beispiel 1 und veranschaulicht in 1, hergestellt. Der Agglomerationsvorgang wurde unter atmosphärischen Bedingungen bei 1.350° C mit einer Rotationsrate der Apparatröhre von 9 Umdrehungen pro Minute, einem Neigungswinkel der Röhre von 3 Grad und einer Einspeisungsrate von 6-10 kg/Stunde durchgeführt.

Die Schleifkornagglomerat-Probe 62 wurde hergestellt aus einer 50/50-Mischung von 32A- und 38A-Aluminiumoxid-Schleifkorn, beide mit 60er Korngröße (dasselbe Korn wie in Beispiel 1 und 6), 5,0 Gew.-% Bindematerial E (auf der Basis des Gewichts des Schleifkorns) und 2,5 Gew.-% Bindemittel 3 (50/50-Mischung nach Gewicht in Wasser auf der Basis des Gewichts des Schleifkorns).

Nach der Agglomeration in dem Drehkalzinierungsapparat wurden die agglomerierten Schleifkornproben gesiebt und nach den oben beschriebenen Verfahren auf lose Packdichte (LPD) und andere Eigenschaften getestet. Der Ertrag an verwendbaren frei fließenden Granula (definiert als -12 Mesh) lag bei 74,1 % des Gesamtgewichts des Rohmaterials vor der Kalzinierung. Die LPD des Agglomerats war 1,14 g/cc und die relative Dichte war 30,0 %.

Diese gesinterten Agglomerate wurden verwendet, um relativ große (z.B. mit einem Durchmesser von 20 Inch (50,8 cm)) Schleifscheiben für Kriechgangschliff herzustellen. Vergleichsscheiben dieser Größe sind normalerweise aus Blasen-Aluminiumoxid oder anderen festen oder geschlossenzelligen Porenauslösern als Hilfsstoffe zur Versteifung der Struktur und Verhinderung einer Scheibenverformung durch Erweichung während des Brennens beim Schmelzen und Fließen der glasartigen Bindung hergestellt. Blasen-Aluminiumoxid ist zum Verhindern einer Erweichung besonders geeignet, aber seine Schleifleistung ist nicht wünschenswert, da es geschlossenzellige Porosität erzeugt.

Um die Prüfschleifscheiben herzustellen, wurden die Agglomerate zusammen mit einer pulverisierten, glasartigen Bindungszusammensetzung (entsprechend Bindematerial C aus Tabelle 2) und FlüssigBindungs 3 in ein Mischgerät gegeben, um eine Mischung herzustellen. Die Scheiben wurden dann, nach aus dem Stand der Technik bekannten Techniken zur Herstellung von kommerziellen Schleifscheiben, aus dieser Mischung gepresst, getrocknet, bis zu einer maximalen Temperatur von 900° C gebrannt, sortiert, beschichtet, ausgewuchtet und inspiziert. Die gebrannten Scheiben wurden dann mit einer Größe von 20 × 1 × 8 Inch (50,8 × 2,5 × 20,3 cm) fertig gestellt. Während des Brennens der Scheiben wurde ein mäßiger, aber kommerziell annehmbarer Grad an Erweichung der Prüfscheiben beobachtet.

Die Scheiben waren so konzipiert, dass ihre Zusammensetzung in Volumenprozent und Dichte denen kommerziell erhältlicher Schleifscheiben mit einem Standardscheibenhärtegrad zwischen Grad C und D der Härtegradskala der Norton Company entsprach.

Die Kennzeichen der fertigen Prüf- und Vergleichsschleifscheiben sind unten in Tabelle 11-1 beschrieben. Obgleich die Prozentanteile und Dichten der Scheibenzusammensetzung Scheiben mit gleichen Scheibenhärtewerten vorausgesagt hätte, bestätigte der Elastizitätsmodul, dass die Prüfscheiben einen weicheren Härtegrad hatten als die Vergleichsscheiben. Die Luftdurchlässigkeitswerte zeigen, dass die Porosität der Prüfscheibe gegenüber der der Vergleichsscheibe eine Porosität mit einer offenen Durchlässigkeit ist, welche den freien Fluss von Kühlmittel in die Scheibe und einfache Entfernung von Schleifabrieb von der Schleiffläche der Scheibe erlaubt.

Die Scheiben wurden in einem Kriechgangschleifverfahren, beschrieben in Beispiel 7, zusammen mit der in Tabelle 11-2 beschriebenen Vergleichsschleifscheibe für Kriechgangschliff getestet. Die Vergleichsscheibe war ein kommerziell von Saint-Gobain Abrasives, inc., Worcester, MA, USA erhältliches Standardprodukt. Sie hatte dieselben Größenabmessungen und war auch ansonsten vergleichbar mit den Prüfscheiben, war aber aus Blasen-Aluminiumoxid-Füllmittel und ohne Schleifkornagglomerate hergestellt worden.

Diese Ergebnisse zeigen die Durchführbarkeit der Herstellung und Verwendung einer Kriechgangschleifscheibe der getesteten Abmessungen ohne die Verwendung eines Füllmaterials mit geschlossener Porosität, wie beispielsweise Blasen-Aluminiumoxid.

Die Größenverteilung der Agglomerate wurde vor und nach dem Formen der Schleifscheiben der Erfindung verglichen, um die Integrität und Festigkeit der Agglomerate bei Schleifscheibenherstellungsprozessen zu untersuchen. Die Größenverteilung der Agglomerate wurde dann mit der Schleifkorngrößenverteilung des zur Herstellung der Agglomerate verwendeten Korns verglichen, um zu bestätigen, dass die Agglomerate nach dem Formen der Schleifscheiben immer noch eine Mehrzahl von Schleifkörnern umfassten.

Es wurden Agglomerate (Probe-Nr. 63, 64, 65) wie in Beispiel 2 beschrieben hergestellt, außer, dass die Temperatur konstant bei 1200° C (für Probe 63 und 64) oder bei 1300° C (Probe 65) gehalten wurde. Darüber hinaus wurde ein Drehkalzinierungsapparat (Modell Bartlett-SnowTM), hergestellt von Alstom Power, Naperville, IL, ausgestattet mit einer proprietären Metalllegierungsröhre für hohe Temperaturen mit einer Länge von 120 Inch (305 cm), einem Innendurchmesser von 6,5 Inch (16,5 cm), einer heizbaren Länge von 72 Inch (183 cm) mit vier Temperaturkontrollzonen verwendet. Der Agglomerationsvorgang wurde unter atmosphärischen Bedingungen mit einer Rotationsrate der Apparatröhre von 9 Umdrehungen pro Minute, einem Neigungswinkel der Röhre von 2,5 Grad und einer Einspeisungsrate von 10-14 kg/Stunde durchgeführt. Der verwendete Apparat war im Wesentlichen identisch zu dem in 1 dargestellten Apparat.

Agglomeratproben 63, 64 und 65 wurden mit Schleifkörnern, bezogen von Saint-Gobain Ceramics and Plastics, Inc., und verschiedenen Bindematerialien wie in Tabelle 12-1 unten beschrieben hergestellt.

Prüfscheiben wurden gemischt und zu der in Beispiel 10 beschriebenen Größe und Form gepresst, wobei eine pulverisierte glasartige Bindungszusammensetzung und Flüssigbindungs 3 verwendet wurden. Die für Agglomerate 63 und 64 enthaltenden Scheiben verwendete Bindungszusammensetzung entsprach Bindematerial C und für Agglomerat 65 enthaltende Scheiben entsprach sie dem in Tabelle 2 beschriebenen Bindematerial E. Die Vol.-% an Agglomeraten, Bindungsmittel und Porosität sind in Tabelle 12-2 unten beschrieben.

Nach dem Pressen der Scheiben unter Druck, um eine ungesinterte Scheibe zu erhalten, und vor dem Brennen dieser gepressten Scheiben wurden die Scheibenbindungsmaterialien aus der Struktur der ungesinterten Scheibe unter fließendem Wasser ausgewaschen und die Agglomerate und das Schleifkorn wiedergewonnen. Die Größe der wiedergewonnenen Agglomerate und des Korns wurde bestimmt, indem diese durch eine Reihe von Sieben mit US-Siebgröße gesiebt wurden und bei jedem Sieb der Gewichtsanteil gemessen wurde. Die Ergebnisse für Scheiben, die zu drei verschiedene Spezifikationen hergestellt wurden, sind in Tabelle 12-2 unten gezeigt.

Die Daten von Tabelle 12-2 zeigen durch die mittleren Abmessungen der gesinterten Agglomerate (vor und nach der Verarbeitung), dass eine Mehrzahl von Schleifkörnern in den gesinterten Agglomeraten zurückgehalten wurde, nachdem sie geformt wurden, um eine Schleifscheibe zu bilden. Während die Anfangsgröße der Agglomerate um einen geringen Prozentsatz verringert wurde (z.B. ein Abfall von 998 auf 824 &mgr;m bzw. eine 17%ige Verringerung für Probe 12-1 ), hat die Mehrzahl der Agglomerate ihre Anfangsgröße beibehalten.

Die Verteilung der Gewichtsanteile nach dem Sieben einer jeden Probe ist in den Tabellen 12-2a, 12-2b und 12-2c unten für Probe 12-1, 12-2 beziehungsweise 12-3 gezeigt.

Die Daten in Tabelle 12-2a zeigen, dass die größten Einzelkörner in der Anfangsgrößenverteilung der Kornprobe eine Größe von 425 &mgr;m haben. Die Daten zur Agglomeratprobengrößenverteilung zu Beginn zeigen, dass alle Agglomerate größer sind als 425 &mgr;m. Nach dem Pressen und Waschen sind die zurückgehaltenen, gepressten Agglomerate alle größer als 300 &mgr;m, und 91,4 Gew.-% der Agglomerate sind größer als das größte Einzelkorn (425 &mgr;m), was den Rückhalt einer Mehrzahl von Körnern in den gesinterten Agglomeraten nach dem Pressen einer Schleifscheibe (umfassend .....) bestätigt.

Die Daten in Tabelle 12-2b zeigen, dass die größten Einzelkörner in der Anfangsgrößenverteilung der Kornprobe eine Größe von 425 &mgr;m haben. Die Daten zur Agglomeratprobengrößenverteilung zu Beginn zeigen, dass 99,8 Gew.-% der Agglomerate größer sind als 425 &mgr;m. Nach dem Pressen und Waschen sind die zurückgehaltenen, gepressten Agglomerate alle größer als 300 &mgr;m, und 91,4 Gew.-% der Agglomerate sind größer als das größte Einzelkorn (425 &mgr;m), was den Rückhalt einer Mehrzahl von Körnern nach dem Pressen bestätigt.

Die Daten in Tabelle 12-2c zeigen, dass die größten Einzelkörner in der Anfangsgrößenverteilung der Kornprobe eine Größe von 425 &mgr;m haben. Die Daten zur Agglomeratprobengröße zu Beginn zeigen, dass 97,5 Gew.-% der Agglomerate größer sind als 425 &mgr;m. Nach dem Pressen und Waschen sind die zurückgehaltenen, gepressten Agglomerate alle größer als 300 &mgr;m, und 89,9 Gew.-% der Agglomerate sind größer als das größte Einzelkorn (425 &mgr;m), was den Rückhalt einer Mehrzahl von Körnern nach dem Pressen bestätigt.

Diese Ergebnisse zeigen, dass erfindungsgemäß hergestellte Agglomerate ausreichende Festigkeit haben, um Press- und Verarbeitungsverfahren mit kommerziell erhältlichen Schleifmitteln zu widerstehen. Die in der gepressten Scheibe vorhandenen Schleifkörner behalten eine dreidimensionale Struktur bei, die kennzeichnend für die Anfangsschleifkornagglomerate ist. Ein großer Prozentanteil (d.h. mindestens 85 Gew.-%) der Agglomerate behalten eine Mehrzahl von in einer dreidimensionalen Form gehaltenen Schleifkörnern von etwa derselben Größe wie die Anfangsgröße der gesinterten Agglomerate nach der Verarbeitung und dem Pressen bei.

Die Strukturen der Schleifscheiben, die mit den Agglomeraten der Erfindung hergestellt sind, wurden unter einem Rasterelektronenmikroskop mit den Strukturen von Vergleichsschleifscheiben verglichen. Die Vergleichsscheiben waren ohne die Agglomerate hergestellt, umfassten aber dasselbe Schleifkorn- und Bindungsmaterial in denselben prozentualen Volumenanteilen von Korn, Bindung und Porosität wie die Schleifscheiben der Erfindung.

Es wurden Agglomerate (Probe-Nr. 66) wie in Beispiel 10 beschrieben hergestellt, außer, dass die Temperatur konstant bei 1150° C gehalten wurde. Agglomeratprobe 66 wurde mit 150 Lbs (68,04 kg) Schleifkorn (80er Korngröße 32A Aluminiumoxid-Korn, bezogen von Saint-Gobain Ceramics and Plastics, Inc.) und 10,23 Lbs (4,64 kg) Bindematerial C hergestellt (was 6,82 Gew.-% Bindematerial in dem gesinterten Agglomerat ergab). Das Bindematerial wurde vor der Zugabe zu dem Korn in Bindemittel 3 (3,75 Lbs; 1,701 kg) dispergiert.

Aus Agglomeratprobe 66 wurden wie in Beispiel 10 beschrieben Prüfscheiben hergestellt. Als Vergleich wurden kommerziell erhältliche Vergleichsscheiben der Kennzeichnung 32A80L8VFL, bezogen von Saint-Gobain Abrasives, Inc., ausgewählt.

Mit einer 40-fachen Vergrößerung wurde eine Fotografie eines Querschnitts einer jeden Scheibe gemacht. Diese Fotografien sind in 2 (Prüfscheibe mit Agglomeraten) und 3 (Vergleichsscheibe ohne Agglomerate) gezeigt. Es ist zu sehen, dass die Agglomerate und die Poren unregelmäßig und zufällig geformt sind und eine zufällige Größe haben. Die Vergleichsscheibe hat eine viel geordnetere und regelmäßigere Struktur. In den mit den Agglomeraten hergestellten Scheiben sind zwei Typen von Poren zu beobachten: Intra-Agglomeratporen und größere Inter-Agglomeratporen, die als einzelne Kanäle zwischen Agglomeraten erscheinen. In Durchlässigkeitstests der Prüfscheiben wurde festgestellt, dass die Inter-Agglomeratporen vernetzt sind und die gesamte Scheibe gegenüber Fluida durchlässig machen. Die Schleifscheiben der Erfindung zeigen daher eine Porosität, die einen großen Anteil an miteinander verbundener Porosität (d.h. mindestens 30 Vol.-% miteinander verbundene Porosität) und vorzugsweise eine bimodale Porositätsverteilung umfasst. Die Schleifscheiben der Erfindung sind durch eine viel offenere Verbundstruktur als herkömmliche Schleifscheiben gekennzeichnet.

Wie aus 2 und 3 beobachtet werden kann, ist die maximale Abmessung der Inter-Agglomeratporen etwa 2-20 Mal größer als die maximale Abmessung der Intra-Agglomeratporen. Das genaue Verhältnis der Porengröße richtet sich nach der Zusammensetzung der Scheiben. Das Verhältnis von 2-20 gilt für solche Scheiben, die mit einem Bereich von etwa 8-10 Volumenprozent Bindung und einer mittleren Schleifkorngröße von etwa 260 Mikron hergestellt sind. Im Allgemeinen werden bei den Schleifscheiben der Erfindung die Intra-Agglomeratporen kleiner, wenn der prozentuale Volumenanteil der Bindung aus diesem Bereich steigt, aber die Inter-Agglomeratporen behalten eine maximale Abmessung bei, die ungefähr äquivalent ist zu der maximalen Abmessung des in den Agglomeraten verwendeten Schleifkorns. Mit Abnahme des prozentualen Volumenanteils der Bindung aus diesem Bereich werden die Intra-Agglomeratporen relativ dazu größer, aber die Inter-Agglomeratporen behalten eine maximale Abmessung bei, die ungefähr äquivalent ist zu der maximalen Abmessung des in den Agglomeraten verwendeten Schleifkorns.

Bei weiteren mikroskopischen Untersuchungen der mit Agglomeraten, besonders mit Agglomeraten mit mindestens 6 Gew.-% Bindematerial hergestellten Scheiben, wurde beobachtet, dass eine Erhöhung des prozentualen Gewichtsanteils von zugefügtem Bindungsmaterial zu einer Scheibenstruktur mit viel kleineren Intra-Agglomeratporen führt. Beispielsweise kann bei einem höheren prozentualen Gewichtsanteil an Bindematerial und einem höheren Vol.-% an Bindung das Größenverhältnis bei den Inter-Agglomeratporen etwa 20-200 Mal größer sein als bei den Intra-Agglomeratporen. Es wird angenommen, dass das den Agglomeraten hinzugefügte Bindungsmaterial während des Mischens, des Formens und der thermalen Verarbeitung der Scheiben in den interstitiellen Bereich der Agglomerate gezogen wird, wodurch es zu einer Verengung oder einem Abschluss eines Teils der Intra-Agglomerat-Porosität kommt, was möglicherweise einen Verlust der Verteilung von bimodalen Poren verursacht.

Gesinterte Agglomerate wurden durch ein Batch-Ofen-Verfahren aus den in Tabelle 14-1 beschriebenen Materialien hergestellt. Das Schleifkorn war 38A Aluminiumoxid-Schleifkorn mit einer Korngröße von 100 (0,173 mm), das von Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA, bezogen wurde.

Im ersten Schritt der Bildung der Agglomeratpartikel wurden das Schleifkorn und die Walnussschalenpartikel in einem Hobart^® Mischgerät (Labormodell N-50) gemischt. Diese Mischung wurde dann mit einer wirksamen Menge an organischem Flüssigbindungs (einer Mischung aus 40 Gew.-% flüssigem Tierkleber, 30 Gew.-% pulverisierter Maleinsäure und 30 Gew.-% Wasser) benässt, damit sich das Bindematerialpulver an das Korn anlagert. Nach dem Benässen dieser Partikel wurde eine Pulvermischung mit den Bindematerialbestandteilen (eine glasartige Bindungszusammensetzung mit der oben als „Bindematerial A" gezeigten gebrannten Zusammensetzung) zugegeben und gemischt. Das an die benässten Partikel angelagerte Bindematerial und diese Mischung wurden dann lose über eine keramische Brennplatte gesprüht.

Die Mischung wurde vier Stunden lang in einem elektrischen Ofen bei 1230° C gebrannt. Nach dem Brennen wurden die gesinterten Agglomerate aus der gebrannten Mischung erhalten, indem die Mischung in einem Mörser mit einem Stößel zerdrückt wurde. Die gesinterten Agglomerate wurden mit US-Standardtestsieben, die auf einem Vibrationssiebapparat (Ro-Tap; Modell RX-29; W.S. Tyler Inc. Mentor, OH) angebracht waren, in drei Größen abgemessen. Die lose Packdichte (LPD) der gesinterten Agglomerate wurde mit dem American-National-Standard-Verfahren für die Raumdichte von Schleifkörnern gemessen.

Nach dem Größenabmessungsprozess hatten die gesinterten Agglomerate dreidimensionale Formen (die zwischen dreieckigen, kubischen, rechteckigen und verschiedenen anderen geometrischen Formen variierten) und hatten die in Tabelle 14-2 gezeigte Größe und LPD.

Durch leichte Abwandlung dieses Prozesses wurden weitere Agglomerate hergestellt. Die Variationen umfassten die Folgenden. Die vorbereitete Mischung wurde nass durch Kastensiebe (Siebmaß 8 bis 12 Mesh) auf Wannen gesiebt. Das gesiebte Material wurde dann luft- oder ofengetrocknet. Das Material wurde in Keramikplatten geladen. Die das Material enthaltenden Keramikplatten wurden in periodisch arbeitenden Öfen oder Tunnelöfen unter Brennbedingungen im Bereich von 1225 bis 1280 Grad Celsius für eine Dauer im Bereich von 30 bis 360 Minuten gebrannt. Das gebrannte Material wurde aus den Keramikplatten herausgenommen und durch eine Rollquetschvorrichtung verarbeitet, um das Material in Agglomerate aufzuteilen.

Das zerdrückte Material wurde mithilfe eines Ro-Tap-Apparates in den gewünschten Größenbereich abgemessen.

Die fertigen Scheiben hatten eine Größe von 3,0 × 0,525 × 1,25 Inch (7,6 × 1,34 × 3,2 cm). Die Zusammensetzung der Scheiben (Vol.-% der gebrannten Scheiben), Dichte, Luftdurchlässigkeit und Moduleigenschaften der Scheiben sind in Tabelle 14-3 beschrieben.

Die für die Probescheiben 1, 2 und 3 der Erfindung verwendete Bindung war ein glasartiges Bindungsmaterial mit der gebrannten molaren Zusammensetzung von Bindematerial B aus Tabelle 2 oben. Die in der Vergleichsprobenscheibe verwendete Bindung hatte die gebrannte molare Zusammensetzung von Bindematerial A aus Tabelle 2.

Die gesinterten Agglomerate und die Bindungsmischung von Probe 1, 2 und 3 der Erfindung wurden in einem Hobart-Mischgerät trocken vermischt, in Formen gefüllt, kalt gepresst und bei einer maximalen Temperatur von 735°C 4 Stunden lang gebrannt, um die Schleifscheibe zu formen.

Die Vergleichsprobenscheibe wurde hergestellt, indem die glasartigen Bindungsbestandteile mit dem Schleifkorn in einem Hobart Mischgerät gemischt wurden. Das in der Vergleichsprobe verwendete Schleifkorn war ein 38A Aluminiumoxidkorn, 100er Korngröße (125 &mgr;m), bezogen von Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA. Nach dem Mischen wurde die Mischung formgepresst, gepresst und bei 1230°C 4 Stunden lang gebrannt, um die Schleifscheibe zu formen.

Die Scheiben der Erfindung und die Vergleichsscheiben wurden in einem Innendurchmesser-Kriechgangschleiftest unter den folgenden Bedingungen geprüft:

• Maschine: Heald GF, AD/ID Schleifer
  
  Modus: Innendurchmesser (ID)-Kriechgangschliff
  
  Scheibengeschwindigkeit: 6.319 Umdrehungen pro Minute; 4.968 Oberflächenfuß pro Minute (25 M/Sek.)
  
  Arbeitsgeschwindigkeit: 20 Umdrehungen pro Minute
  
  Schleifmodus: ID-Schleifbewegung auf und ab
  
  Vorschubrate: 0,025 Inch (0,64 mm)/0,050 Inch (1,27 mm) im Durchmesser
  
  Kühlmittel: Trim E210, 5 % Verhältnis mit entionisiertem Quellwasser, 9 Gal/Min (34 l/Min)
  
  Werkstückmaterial: 52100 Stahl 4 Inch (10,2 cm) (D × 0,250 Inch (1 cm), Rc-62,0 Härte
  
  Drehabrichtung: AX1440, Komp. 0,0005 Inch, 0,005 Inch Führung, 2600 Umdrehungen pro Minute

In diesen Schleifdurchgängen wurden die maximalen Zeitspanvolumina (MRR) bei Beginn des Auftretens einer Brandspur des Werkstücks (oder bei Beginn eines Fehlers der Scheibe) gemessen und die Ergebnisse beobachtet. Die Ergebnisse dieser Schleiftests sind in Tabelle 14-4 gezeigt.

Die Ergebnisse zeigen, dass die erfindungsgemäß hergestellten Schleifscheiben gegenüber den am besten vergleichbaren Schleifscheiben in Bezug auf das Zeitspanvolumen überlegen waren und die überlegene Leistung keinen übermäßigen Energieverbrauch (spezifische Energie W.s/mm³) und keine Beschädigung der Oberfläche des Werkstücks verursachte. Prüfscheiben zeigten auch Verbesserungen des G-Quotienten und des Schleifbarkeitsindex. Darüber hinaus war die Korngröße des in den gesinterten Agglomeraten der Scheiben der Erfindung verwendeten Korns kleiner als die Korngröße des in der Vergleichsscheibe verwendeten Korns. Die kleinere Korngröße ergibt einen schlechteren G-Quotienten und Schleifbarkeitsindex, wobei alle anderen Variablen gleich waren. Die überlegene Leistung der erfindungsgemäßen Scheiben ist daher signifikant und unerwartet.

Mit derselben Gruppe von Probescheiben wurde unter den folgenden , Flachschliffbedingungen eine zweite Reihe von Schleifdurchgängen unter Verwendung von 4340er Stahl als Werkstück durchgeführt.

• Maschine: Brown & Sharp Micr-a-size-Schleifer
  
  Modus: Kriechgang-Flachschliff
  
  Scheibengeschwindigkeit: 6.000 Umdrehungen pro Minute
  
  Tischgeschwindigkeit: 0
  
  Tiefenvorschub: 1.270 mm
  
  Vorschub: 1.270 mm
  
  Kühlmittel: Trim VHPE 210, 1:20-Verhältnis mit entionisiertem Quellwasser, 9 Gal/Min. (34 l/Min.)
  
  Werkstückmaterial: 4340er Stahl; 51 Rc Härte; 95,4 mm Länge; 203,2 mm Breite
  
  Abrichtung: Einpunktdiamantwerkzeug, Komp. 0,025 mm, Geschwindigkeit 254 mm/Min.

Die Ergebnisse zeigen, dass die erfindungsgemäß hergestellten Schleifscheiben gegenüber den am besten vergleichbaren Schleifscheiben in Bezug auf den G-Quotienten und den Schleifbarkeitsindex überlegen waren, und die überlegene Leistung hatte keinen übermäßigen Energieverbrauch und keine Beschädigung der Oberfläche des Werkstücks zur Folge.

Aus den nach dem Verfahren von Beispiel 14 hergestellten gesinterten Agglomeraten wurden weitere Schleifscheiben hergestellt, außer, dass in den gesinterten Agglomeratproben unterschiedliche Typen von Schleifkörnern und Bindematerial verwendet wurden. Die Zusammensetzungen der Agglomerate und der Schleifscheiben sind in Tabelle 15-1 ausgeführt. In den Scheiben der Erfindung waren die glasartigen Bindungsmaterialien ausgewählt, dass sie eine um mindestens 150° C höhere Schmelztemperatur als die Schmelztemperatur der Bindematerialien in den zur Herstellung der Scheiben verwendeten Agglomeraten hatten.

Alle gesinterten Agglomerate enthielten 3 Gew.-% Bindematerial und 97 Gew.-% Korn und wurden auf eine Partikelgröße von -20/+45 Mesh (US Standardsiebgröße) (355 bis 850 &mgr;m) gesiebt.

Die fertigen Scheiben hatten eine Größe von 7,0 × 0,50 × 1,25 Inch (17,8 × 1,27 × 3,2 cm). Die Zusammensetzung der Scheiben (Vol.-% der gebrannten Scheiben), Dichte und Moduleigenschaften der Scheiben sind in Tabelle 15-1 beschrieben.

Die Bindung für die Prüfscheiben hatte die molare Zusammensetzung von Bindematerial B aus Tabelle 2 und die mit dieser Bindung hergestellten Scheiben wurden 4 Stunden lang bei 735° C gebrannt. Die Vergleichsscheiben waren aus einer glasartigen Bindung mit der molaren Zusammensetzung von Bindematerial C aus Tabelle 2 hergestellt und diese Scheiben wurden 8 Stunden lang bei 900° C gebrannt. Ohne gesinterte Agglomerate hergestellte Vergleichsscheiben enthielten 40 Vol.-% Schleifkorn und entweder 10,26 Vol.-% (Härtegrad H) oder 6,41 Vol.-% (Härtegrad F) glasartige Bindung.

Die Eigenschaften dieser Scheiben, vor allem die Luftdurchlässigkeitswerte innerhalb eines einzelnen Härtegrads einer Scheibe, zeigten in den Strukturen der Prüfscheiben, die aus Schleifkornagglomeraten hergestellt waren, ein höheres Maß an miteinander verbundener Porosität als in Vergleichsscheiben, welche denselben prozentualen Volumenanteil an Porosität enthielten und dieselbe Härte mit demselben Korn und denselben Bindungsmaterialien aufwiesen. Dieser strukturelle Unterschied wurde bei unterschiedlichen Härtegraden der Scheiben, bei unterschiedlichen Korntypen und Bindungen und bei unterschiedlichen Volumenanteilen von Schleifscheibenbestandteilen beobachtet.

Ein gebundenes Schleifwerkzeug mit einer für den Fluss von Fluida durchlässigen Struktur umfasst gesinterte Agglomerate einer Mehrzahl von Schleifkörnern und ein Bindematerial, wobei das Bindematerial von einer Schmelztemperatur zwischen 500 und 1400° C gekennzeichnet ist und die gesinterten Agglomerate eine lose Packdichte von ≤ 1,6 g/cc und eine dreidimensionale Form haben; ein Bindungsmaterial und etwa 35-80 Vol.-% Gesamtporosität, einschließlich mindestens 30 Vol.-% miteinander verbundene Porosität. Es sind Verfahren zum Herstellen der gesinterten Agglomerate und von Schleifwerkzeugen, welche die gesinterten Agglomerate enthalten, beschrieben.

(1)