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 Ibs/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 allen 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.
Beispiel 1
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. Tabelle 1-1 Kennzeichen agglomerierter Granula
a Die Angaben zu Vol.-% Bindematerial geben einen Prozentanteil des
Festmaterials innerhalb des Granulums (d.h. Bindematerial und Korn) nach dem Brennen
an und berücksichtigen nicht die Vol.-% an Porosität.
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 Gesenkesleicht 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. Tabelle 2 In den Agglomeraten verwendetes Bindematerial
a. Die in Klammern aufgeführte Variation A-1 des Bindematerials wurde
für die Proben von Beispiel 2 verwendet.
b. Unreinheiten (z.B. Fe2O3 und TiO2)
sind vorhanden in etwa 0,1-2%.
Beispiel 2
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.
Tabelle 2-1
a. Temperatur der Steuereinheit des Drehkalzinierers (für alle 3
Zonen).
b. "n/a" bedeutet, dass keine Messung vorgenommen wurde.
Tabelle 2-2: Partikelgrößenverteilung für gebrannte AgglomerateBeispiel 3
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. Tabelle 3: Bindungsbehandlungen im ungesinterten Zustand
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.
Beispiel 4
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-ProcessorTM,
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 GranulatorTM (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.
Tabelle 4-1 AgglomeratkennzeichenTabelle 4-2: Partikelgrößenverteilung der Agglomerate
Beispiel 5
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. Tabelle 5
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).
Beispiel 6
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. Tabelle 6
a. Vol.-% auf der Basis der Gesamtfeststoffe (Korn, Bindematerial
und Porenauslöser) ohne Berücksichtigung der Porosität des Agglomerats.
Beispiel 7
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. Tabelle 7-1 Schleifscheibeneigenschaften
a) Bei 37,50 Vol.-% Schleifkorn enthielten die Vergleichsscheiben einen größeren
Vol.-Prozentanteil Schleifkorn (d.h. 1-3 Vol.-% mehr) als die Prüfscheiben, die
aus 37,50 Vol.-% Kornagglomerat, Bindematerial und Intra-Agglomerat-Porosität hergestellt
waren.
b) Die Durchlässigkeit für Fluida (Luft) wurde nach den in US Pat. Nr. 5,738,696
und 5,738,697, erteilt an Norton Company, offenbarten Verfahren gemessen. Die Werte
der relativen Luftdurchlässigkeit sind ausgedrückt als cc/Sekunde/Inch von Wassereinheiten.
c) Die Vergleichsscheibenproben waren kommerzielle Produkte, die von Saint-Gobain
Abrasives, Inc., Worcester, MA, USA, bezogen wurden und jeweils mit den in Tabelle
7-1 angezeigten Scheibenbezeichnungen gekennzeichnet wurden.
d) Die Werte für Vol.-% Bindungsmaterial der Prüfscheiben berücksichtigen nicht
die auf den Körnern zur Herstellung der Agglomerate verwendeten Vol.% an Glas-Bindematerial.
Der Wert Vol.-% Bindungsmaterial gibt nur die Materialien wieder, die zur Herstellung
der Schleifscheiben zugegeben 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.
Schleifbedingungen:
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)
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).
Tabelle 7-2 Schleiftestergebnisse
a) Bei 37,50 Vol.-% Schleifkorn enthielten die Vergleichsscheiben einen größeren
Vol.-Prozentanteil Schleifkorn (d.h. 1-3 Vol.-% mehr) als die Prüfscheiben, die
aus 37,50 Vol.-% Kornagglomerat, Bindematerial und Intra-Agglomerat-Porosität hergestellt
waren.
Beispiel 8
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.
Tabelle 8-1 Schleifscheiben
a) Bei 37,50 Vol.-% Schleifkornbestandteil enthielten die Vergleichsscheiben
einen größeren Vol.-Prozentanteil Schleifkorn (d.h. 1-3 Vol.-% mehr) als die Prüfscheiben,
die aus 37,50 Vol.-% Kornagglomerat, Bindematerial und Intra-Agglomerat-Porosität
hergestellt waren.
b) Die Durchlässigkeit für Fluida (Luft) wurde nach den in US Pat. Nr. 5,738,696
und 5,738,697, erteilt an Norton Company, offenbarten Verfahren gemessen. Die Werte
der relativen Luftdurchlässigkeit sind ausgedrückt als cc/Sekunde/Inch von Wassereinheiten.
c) Die Werte der Vol.-% Bindungsmaterial berücksichtigen nicht die auf den Körnern
zur Herstellung der Agglomerate verwendeten Vol.-% an Glas-Bindematerial. Der Wert
Vol.-% Bindungsmaterial gibt nur die Materialien wieder, die zur Herstellung der
Schleifscheiben zugegeben wurden.
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:
Schleifbedingungen:
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.).
Tabelle 8-2 Schleiftestergebnisse
Beispiel 9
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.
Tabelle 9-1 Schleifscheiben
a) Bei 40,0 Vol.-% Schleifkornbestandteil enthielten die Vergleichsscheiben
einen größeren Vol.-Prozentanteil Schleifkorn (siehe Tabelle 9-2 unten) als die
Prüfscheiben, die aus 40,0 Vol.-% Kornagglomerat (einschließlich Bindematerial und
Intra-Agglomerat-Porosität) hergestellt waren.
b) Die Luftdurchlässigkeit wurde nach den in US Pat. Nr. 5,738,696 und 5,738,697,
erteilt an Norton Company, offenbarten Verfahren gemessen.
c) Die Werte für Vol.-% Bindungsmaterial berücksichtigen nicht die auf den Körnern
zur Herstellung der Agglomerate verwendeten Vol.-% an Glas-Bindematerial. Der Wert
Vol.-% Bindungsmaterial gibt nur die Materialien wieder, die zur Herstellung der
Schleifscheiben zugegeben wurden.
Der Volumenprozentanteil an Schleifkorn und Glas-Bindematerial der
in den Prüfscheiben verwendeten Agglomerate ist in Tabelle 9-2 unten ausgeführt. Tabelle 9-2 Scheibenzusammensetzung je nach Agglomeratbestandteilen
a) Bei 40,0 Vol.-% Schleifkorn enthielten die Vergleichsscheiben einen größeren
Vol.-Prozentanteil Schleifkorn (d.h. 1-3 Vol.-% mehr) als die Prüfscheiben, die
aus 40,0 Vol.-% Kornagglomerat, Bindematerial und Intra-Agglomerat-Porosität hergestellt
waren.
Schleifbedingungen:
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
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. Tabelle 9-3 SchleiftestergebnisseTabelle 9-4 Schleiftestergebnisse – Messungen der Scheibenabnutzunga
a) Die Scheibenabnutzung wurde durch eine Variation des in US-Patent Nr. 5,401,284,
erteilt an Norton Company, beschriebenen Verfahrens („Eckhaltetest") gemessen.
Für die Daten in dieser Tabelle wurden die Werte A und D am Umfang der Scheibe,
entlang der Schleiffläche der Scheibe, gemessen und die Werte B und C wurden an
Stellen gleichen Abstands in der Nähe der Mitte der Schleiffläche der Scheibe gemessen.
Mit fortschreitendem Schleifen ist die relative Stabilität der Werte A und D im
Vergleich zu den Werten B und C ein Indikator der Scheibenabnutzungsresistenz der
Scheibe. Der „Bereich" ist die Menge an Material, die von der Scheibe entfernt
wird. Die prozentuale Scheibenflächenabnutzung spiegelt die Breite der Scheibenabnutzung
in der Mitte der Schleiffläche der Scheibe in der Nähe der Punkte wider, an denen
die Werte B und C gemessen werden.
Beispiel 10
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 x 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.
Tabelle 10-1 Schleifscheiben
a) Bei 52 Vol.-% Schleifkornbestandteil enthielten die Vergleichsscheiben einen
größeren Vol.-Prozentanteil an Korn als die Scheiben der Erfindung, die 48 Vol.-%
einer Mischung aus Kornagglomerat mit Bindematerial enthielten. Nach Abzug des Prozentanteils
an Bindematerial, enthielt die Prüfscheibe nur 43,4 Vol.-% Korn, 8,6 Vol.-% weniger
Korn als die Standard-Vergleichsscheibe derselben Härte.
b) Eine Schleifkorn-Korngröße von 120 entspricht 142 Mikron.
c) Die Werte für Vol.-% Bindungsmaterial berücksichtigen nicht die auf den Körnern
zur Herstellung der Agglomerate verwendeten Vol.-% an Bindematerial. Der Wert Vol.-%
Bindungsmaterial gibt nur die Materialien wieder, die zur Herstellung der Schleifscheiben
zugegeben wurden 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.
Schleifbedingungen:
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.
Tabelle 10-2 Schleiftestergebnisse
a. Der in Klammern für die Prüfscheibe angegebene G-Quotient ist
ein Wert, der an den kleineren, prozentualen Volumenanteil an Schleifkorn in der
Prüfscheibe angepasst wurde. Anders ausgedrückt beträgt der prozentuale Volumenanteil
an Korn in den Prüfscheiben nur 83,46 % des prozentualen Volumenanteils an Korn
in den Vergleichsscheiben. Die in Klammern gezeigten Werte für den G-Quotienten
der Prüfscheibe wurden daher gegenüber den Vol.-% an Korn der Vergleichsscheiben
normalisiert, um ein Maß für die Leistung zu erhalten, das auf dem gesamtem Verbrauch
an Schleifkorn beruht.
Beispiel 11
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.
Tabelle 11-1 Schleifscheiben
a) Bei 36,0 Vol.-% Schleifkornbestandteil enthielten die Vergleichsscheiben
einen größeren Vol.-Prozentanteil Schleifkorn (d.h. etwa 1-2 Vol.-% mehr) als die
Scheiben der Erfindung, die eine Mischung aus 36,0 Vol.-% einer Kombination aus
Kornagglomerat und Bindematerial enthielten.
b) Die Durchlässigkeit für Fluida (Luft) wurde nach den in US Pat. Nr. 5,738,696
und 5,738,697, erteilt an Norton Company, offenbarten Verfahren gemessen. Die relativen
Luftdurchlässigkeitswerte sind ausgedrückt in cc/Sekunde/Inch an Wassereinheiten.
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.
Tabelle 11-2 Schleiftestergebnisse
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.
Beispiel 12
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. Tabelle 12-1 Agglomeratzusammensetzungen
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.
Tabelle 12-2 Größenverteilung von Agglomeraten nach dem Pressen der
Scheiben
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.
Tabelle 12-2a: Partikelgrößenverteilung für Probe 12-1
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. Tabelle 12-2b: Partikelgrößenverteilung für Probe 12-2
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. Tabelle 12-2c: Partikelgrößenverteilung für Probe 12-3
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.
Beispiel 13
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: Intea-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 Intea-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
Intea-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 Intea-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 Intea-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.
Beispiel 14
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.
Tabelle 14-1. Gesinterte Agglomeratzusammensetzung
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.
Tabelle 14-2. Nach Größe abgemessene, gesinterte Agglomerate
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.
Schleifscheiben
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. Tabelle 14-3. Schleifscheiben
a. Agglomerate enthielten 97 Gew.-% 100er Korngröße 38A Aluminiumoxidkorn
und 3 Gew.-% Bindematerial A und wurden auf eine Partikelgröße von –40/+60
Mesh (250 bis 425 &mgr;m) gesiebt.
b. Die Durchlässigkeit für Fluida (Luft) wurde nach den in US Pat.
Nr. 5,738,696 und 5,738,697, erteilt an Norton Company, offenbarten Testverfahren
gemessen. Die relativen Luftdurchlässigkeitswerte sind ausgedrückt in cc/Sekunde/Inch
Wassereinheiten (auf dem Apparat wurde eine Düse der Größe 2,2 verwendet).
c. Bei 36,0 Vol.-% Schleifkornbestandteil enthielten die Vergleichsscheiben
einen größeren Vol.-Prozentanteil Schleifkorn (d.h. etwa 1-3 Vol.-% mehr) als die
Prüfscheiben, die eine Mischung aus 36-40 Vol.-% Kornagglomerat, Bindematerial und
Intra-Agglomerat-Porosität enthielten.
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.
Schleiftest 14-A
Die Scheiben der Erfindung und die Vergleichsscheiben wurden in einem
Innendurchmesser-Kriechgangschleiftest unter den folgenden Bedingungen geprüft:
Schleifbedingungen:
Maschine: Heald CF, 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) ID × 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.
Tabelle 14-4. Schleiftestergebnisse
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.
Schleiftest 14-B
Mit derselben Gruppe von Probescheiben wurde unter den folgenden Flachschliffbedingungen
eine zweite Reihe von Schleifdurchgängen unter Verwendung von 4340er Stahl als Werkstück
durchgeführt.
Schleifbedingungen:
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.
Tabelle 14-5 Schleiftestergebnisse (Durchschnitt aus mehreren Durchläufen)
* G-Quotient und Schleifbarkeit konnten für diesen Durchlauf nicht gemessen
werden.
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.
Beispiel 15
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. Tabelle 15-1. Agglomerate und Schleifscheiben
a. Bei 40 Vol.-% Schleifkorn enthielten die Vergleichsscheiben einen größeren
Vol.-Prozentanteil Schleifkorn (d.h. etwa 2-3 Vol.-% mehr) als die Prüfscheiben,
die mit 40 Vol.-% Kornagglomerat, Bindematerial und Intra-Agglomerat-Porosität
hergestellt waren.
b. Die Durchlässigkeit für Fluida (Luft) wurde nach den in US Pat. Nr. 5,738,696
und 5,738,697, erteilt an Norton Company, offenbarten Testverfahren gemessen. Die
relativen Luftdurchlässigkeitswerte sind ausgedrückt in cc/Sekunde/Inch an Wassereinheiten
(es wurde eine Düse der Größe 2,2 verwendet).
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.
Anspruch[de]
Gebundenes Schleifwerkzeug mit einer für den Fluss von Fluida durchlässigen
Struktur, wobei das Werkzeug umfasst:
a) etwa 5 bis 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;
b) eine Bindung; und
c) etwa 35 bis 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.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die gesinterten Agglomerate
vor der Herstellung des Werkzeugs eine lose Packdichte von < 1,6 g/cc haben.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 2, wobei die Bindung eine
glasartige Bindung ist.
Mit glasartiger Bindung gebundenes Schleifwerkzeug von Anspruch 3,
wobei das Werkzeug eine bimodale Porositätsverteilung von Intra-Agglomeratporen
und miteinander verbundener Porosität umfasst.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, wobei mindestens 50 Gew.-%
der gesinterten Agglomerate nach der Herstellung des Werkzeugs eine Größe innerhalb
der Anfangsgrößenverteilung haben.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Bindematerial
ein aus der Gruppe im Wesentlichen bestehend aus keramischen Materialien, vitrifizierten
Materialien, glasartigen Bindungszusammensetzungen und Kombinationen davon bestehendes
Material umfasst.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 6, wobei die Schmelztemperatur
des Bindematerials bei etwa 800 bis 1.300°C liegt.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 6, wobei das Bindematerial
eine glasartige Bindungszusammensetzung, umfassend eine gebrannte Oxidzusammensetzung
aus 71 Gew.-% SiO2 und B2O3, 14 Gew.-% Al2O3,
weniger als 0,5 Gew.-% Erdalkalioxiden und 13 Gew.-% Alkalioxiden, ist.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 5, wobei das Bindematerial
ein keramisches Material ausgewählt aus Silica, Alkali-, Erdalkali-, gemischten
Alkali- und Erdalkalisilikaten, Aluminiumsilikaten, Zirkonsilikaten, hydrierten
Silikaten, Aluminaten, Oxiden, Nitriden, Oxynitriden, Karbiden, Oxykarbiden und
Kombinationen und Derivaten davon ist.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die miteinander
verbundene Porosität ohne Verwendung von Poren auslösenden Medien während der Herstellung
des Werkzeugs erhalten wird.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das gebundene Schleifwerkzeug
eine maximale Dichte von 2,2 g/cc hat.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die miteinander
verbundene Porosität des Werkzeugs gekennzeichnet ist von einem relativen Luftdurchlässigkeitswert
(Q/P) in cc/Sekunde/Inch von Wasser, der mindestens 10% höher ist als der Q/P eines
vergleichbaren, gebundenen Schleifwerkzeugs, das ohne die gesinterten Agglomerate
hergestellt ist.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die gesinterten
Agglomerate eine durchschnittliche Größenabmessung haben, die zwei bis zwanzig Mal
größer ist als die durchschnittliche Größe des Schleifkorns.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 13, wobei der Anfangsgrößenbereich
der gesinterten Agglomerate bei 200 bis 3.000 Mikrometer im mittleren Durchmesser
liegt.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 13, wobei die Schleifkörner
Mikroschleifkörner sind und der Anfangsgrößenbereich der gesinterten Agglomerate
bei 5 bis 180 Mikrometer im mittleren Durchmesser liegt.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, wobei der mittlere Durchmesser
der gesinterten Agglomerate nicht größer ist als eine mittlere Abmessung der miteinander
verbundenen Porosität, wenn die miteinander verbundene Porosität an einer Stelle
einer maximalen Öffnung gemessen wird.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 2, wobei das Werkzeug 35
bis 52 Vol.-% gesinterte Agglomerate, 3 bis 13 Vol.-% glasartige Bindung und 35
bis 70 Vol.-% Porosität umfasst.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 17, wobei die Bindung aus
der Gruppe bestehend aus organischen Bindungen und Metallbindungen ausgewählt ist.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, wobei das Werkzeug des
Weiteren mindestens einen aus der Gruppe bestehend aus sekundärem Schleifkorn, Füllmaterialien,
Schleifhilfen, Poren auslösenden Medien und Kombinationen davon ausgewählten Bestandteil
umfasst.
Glasartig gebundenes Schleifwerkzeug mit einer für den Fluss von Fluida
durchlässigen Struktur, wobei das Werkzeug umfasst:
a) etwa 5 bis 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 B gekennzeichnet ist, wobei die Viskosität B mindestens 33 % geringer
als Viskosität A ist; und
c) etwa 35 bis 80 Vol.-% Porosität, einschließlich mindestens 30 Vol.-% miteinander
verbundene Porosität.
Glasartig gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 20, wobei die Viskosität
A des Bindematerials bei 1180°C 345 bis 55.300 Poise beträgt.
Glasartig gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 20, wobei die Viskosität
B des glasartigen Bindungsmaterials bei 1180°C 30 bis 37.000 Poise beträgt.
Glasartig gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 20, wobei die gesinterten
Agglomerate eine dreidimensionale Anfangsform und eine Anfangsgrößenverteilung haben
und nach der Herstellung des Werkzeugs mit den gesinterten Agglomeraten mindestens
50 Gew.-% der gesinterten Agglomerate in dem Werkzeug eine Mehrzahl von Schleifkörnern
zurückbehalten, die in einer dreidimensionalen Form gehalten werden, und mindestens
50 Gew.-% der gesinterten Agglomerate eine Größe innerhalb der Anfangsgrößenverteilung
haben.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 20 wobei das Werkzeug eine
maximale Dichte von 2,2 g/cc besitzt.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 20, wobei das Bindematerial
ein aus der Gruppe im Wesentlichen bestehend aus keramischen Materialien, vitrifizierten
Materialien, glasartigen Bindungszusammensetzungen und Kombinationen davon ausgewähltes
Material umfasst.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 20, wobei die
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 20, wobei die miteinander
verbundene Porosität ohne Verwendung von Poren auslösenden Medien während der Herstellung
des Werkzeugs erhalten wird.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 20, wobei die miteinander
verbundene Porosität des Werkzeugs gekennzeichnet ist von einem relativen Luftdurchlässigkeitswert
(Q/P) in cc/Sekunde/Inch von Wasser, der mindestens 10% höher ist als der Q/P eines
vergleichbaren, gebundenen Schleifwerkzeugs, das ohne die gesinterten Agglomerate
hergestellt ist.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 20, wobei die gesinterten
Agglomerate vor der Herstellung des Werkzeugs eine lose Anfangspackdichte von ≤
1,6 g/cc haben.
Glasartig gebundenes Schleifwerkzeug mit einer für den Fluss von Fluida
durchlässigen Struktur, wobei das Werkzeug umfasst:
a) etwa 5 bis 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 bis 80 Vol.-% Porosität, umfassend mindestens 30 Vol.-% miteinander verbundene
Porosität.
Glasartig gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 30, wobei die gesinterten
Agglomerate eine dreidimensionale Anfangsform und eine Anfangsgrößenverteilung haben
und nach der Herstellung des Werkzeugs mit den gesinterten Agglomeraten mindestens
50 Gew.-% der gesinterten Agglomerate in dem Werkzeug eine Mehrzahl von Schleifkörnern
zurückbehalten, die in einer dreidimensionalen Form gehalten werden, und mindestens
50 Gew.-% der gesinterten Agglomerate eine Größe innerhalb der Anfangsgrößenverteilung
haben.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 30, wobei das Werkzeug eine
maximale Dichte von 2,2 g/cc besitzt.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 30, wobei das Bindematerial
ein aus der Gruppe im Wesentlichen bestehend aus keramischen Materialien, vitrifizierten
Materialien, glasartigen Bindungszusammensetzungen und Kombinationen davon ausgewähltes
Material umfasst.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 30, wobei die Schmelztemperatur
A des Bindematerials bei 950 bis 1.300°C liegt.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 30, wobei die miteinander
verbundene Porosität ohne Verwendung von Poren auslösenden Medien während der Herstellung
des Werkzeugs erhalten wird.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 30, wobei die miteinander
verbundene Porosität des Werkzeugs gekennzeichnet ist von einem relativen Luftdurchlässigkeitswert
(Q/P) in cc/Sekunde/Inch von Wasser, der mindestens 10% höher ist als der Q/P eines
vergleichbaren, gebundenen Schleifwerkzeugs, das ohne die gesinterten Agglomerate
hergestellt ist.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 30, wobei die gesinterten
Agglomerate vor der Herstellung des Werkzeugs eine lose Anfangspackdichte von <
1,6 g/cc haben.
Gebundenes Schleifwerkzeug mit einer für den Fluss von Fluida durchlässigen
Struktur, wobei das Werkzeug umfasst:
a) etwa 34 bis 56 Vol.-% Schleifkorn;
b) etwa 3 bis 25 Vol.-% Bindung; und
c) etwa 35 bis 80 Vol.-% Gesamtporosität, umfassend mindestens 30 Vol.-% miteinander
verbundene Porosität;
wobei die miteinander verbundene Porosität im Wesentlichen ohne porositätsauslösende
Medien und länglich geformte Materialien mit einem Längenverhältnis von Länge zu
Querschnitt von mindestens 5:1 erzeugt wurde.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 38, wobei 5 bis 100 Vol.-%
des Schleifkorns aus Schleifkorn besteht, das in dreidimensionalen, gesinterten
Agglomeraten gehalten wird, und die gesinterten Agglomerate eine Mehrzahl von Schleifkörnern
mit einem Bindematerial umfassen, wobei das Bindematerial von einer
Schmelztemperatur zwischen 500 und 1400°C gekennzeichnet ist.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 38, wobei die Bindung eine
glasartige Bindung ist.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 39, wobei das Bindematerial
ein aus der Gruppe im Wesentlichen bestehend aus keramischen Materialien, vitrifizierten
Materialien, glasartigen Bindungszusammensetzungen und Kombinationen davon ausgewähltes
Material umfasst.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 38, wobei die miteinander
verbundene Porosität des Werkzeugs gekennzeichnet ist von einem relativen Luftdurchlässigkeitswert
(Q/P) in cc/Sekunde/Inch von Wasser, der mindestens 10% höher ist als der Q/P eines
vergleichbaren, gebundenen Schleifwerkzeugs, das ohne die gesinterten Agglomerate
hergestellt ist.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 39, wobei die gesinterten
Agglomerate vor der Herstellung des Werkzeugs eine lose Packdichte von ≤ 1,6
g/cc besitzen.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 39, wobei das gebundene Schleifwerkzeug
eine bimodale Porositätsverteilung von Intra-Agglomeratporen und miteinander verbundene
Porosität besitzt.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 39, wobei das Werkzeug mindestens
einen aus der Gruppe bestehend aus sekundärem Schleifkorn, Füllmaterialien, Schleifhilfen
und Kombinationen davon ausgewählten Bestandteil umfasst.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 39, wobei der Anfangsgrößenbereich
der gesinterten Agglomerate bei 200 bis 3.000 Mikrometer im mittleren Durchmesser
liegt.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 39, wobei die Schleifkörner
Mikroschleifkörner sind und der Anfangsgrößenbereich der gesinterten Agglomerate
bei 5 bis 180 Mikrometer im mittleren Durchmesser liegt.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 39, wobei der mittlere Durchmesser
der gesinterten Agglomerate nicht größer ist als eine mittlere Abmessung der miteinander
verbundenen Porosität, wenn die miteinander verbundene Porosität an einer Stelle
einer maximalen Öffnung gemessen wird.
Gebundenes Schleifwerkzeug nach Anspruch 40, wobei das Werkzeug eine
maximale Dichte von 2,2 g/cc besitzt.
Verfahren zur Herstellung eines Schleifwerkzeugs umfassend 5 bis 75
Vol.-% Schleifkornagglomerate, die nach einem Verfahren hergestellt sind, welches
die Schritte umfasst:
a) Einspeisen von Schleifkorn und einem Bindematerial, ausgewählt aus der Gruppe
im Wesentlichen bestehend aus keramischen Bindungsmaterialien, vitrifizierten Materialien,
glasartigen Materialien, anorganischen Bindemitteln, organischen Bindemitteln und
Kombinationen davon in einen Drehkalzinierungsofen bei 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 das Bindematerial sich 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 besteht, die von dem Bindematerial
aneinander gebunden sind und eine dreidimensionale Anfangsform und eine lose Packdichte
von < 1,6 g/cc besitzen;
f) Formen der gesinterten Agglomerate in einen geformten Verbundkörper; und
g) thermisches Behandeln des geformten Verbundkörpers, um das Schleifwerkzeug zu
formen.
Verfahren nach Anspruch 50, des Weiteren umfassend den Schritt des
Mischens der gesinterten Agglomerate mit einem Bindungsmaterial, um eine Agglomeratmischung
zu bilden.
Verfahren nach Anspruch 51, wobei das Bindungsmaterial ein glasartiges
Bindungsmaterial ist.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei die glasartige Bindung eine Bindungsbrenntemperatur
hat, die mindestens 150°C niedriger ist als die Schmelztemperatur
des Bindematerials.
Verfahren nach Anspruch 50, wobei das Bindematerial ein aus der Gruppe
im Wesentlichen bestehend aus keramischen Materialien, vitrifizierten Materialien,
glasartigen Bindungszusammensetzungen und Kombinationen davon ausgewähltes Material
umfasst.
Verfahren nach Anspruch 54, wobei die Schmelztemperatur des Bindematerials
etwa 800 bis 1.300°C beträgt.
Verfahren nach Anspruch 55, wobei das Bindematerial bei der Schmelztemperatur
des Bindematerials von einer Viskosität von etwa 30 bis 55.300 Poise gekennzeichnet
ist.
Verfahren nach Anspruch 55, wobei 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, ist.
Verfahren nach Anspruch 54, wobei das Bindematerial ein keramisches
Material ausgewählt aus Silica, Alkali-, Erdalkali-, gemischten Alkali- und Erdalkalisilikaten,
Aluminiumsilikaten, Zirkonsilikaten, hydrierten Silikaten, Aluminaten, Oxiden, Nitriden,
Oxynitriden, Karbiden, Oxykarbiden und Kombinationen und Derivaten davon ist.
Verfahren nach Anspruch 50, wobei die miteinander verbundene Porosität
ohne Zugabe Poren auslösender Medien erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 50, wobei das Werkzeug des Weiteren mindestens
etwa 35 bis 80 Vol.-% Gesamtporosität, einschließlich mindestens 30 Vol.-% miteinander
verbundene Porosität, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 52, wobei das Werkzeug eine maximale Dichte
von 2,2 g/cc besitzt.
Verfahren nach Anspruch 50, wobei die gesinterten Agglomerate eine
durchschnittliche Größenabmessung haben, die zwei bis zwanzig Mal größer ist als
die durchschnittliche Größe des Schleifkorns.
Verfahren nach Anspruch 50, wobei der Anfangsgrößenbereich der gesinterten
Agglomerate bei 200 bis 3.000 Mikrometer im mittleren Durchmesser liegt
Verfahren nach Anspruch 50, wobei die Schleifkörner Mikroschleifkörner
sind und der Anfangsgrößenbereich der gesinterten Agglomerate bei 5 bis 180 Mikrometer
im mittleren Durchmesser liegt.
Verfahren nach Anspruch 60, wobei die miteinander verbundene Porosität
des Werkzeugs gekennzeichnet ist von einem relativen Luftdurchlässigkeitswert (Q/P)
in cc/Sekunde/Inch von Wasser, der mindestens 10% höher ist als der Q/P eines vergleichbaren,
gebundenen Schleifwerkzeugs, das ohne die gesinterten Agglomerate hergestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 51, wobei das Werkzeug weiterhin 35 bis 52
Vol.-% gesinterte Agglomerate, 3 bis 13 Vol.-% glasartige Bindung und 35 bis 70
Vol.-% Porosität umfasst.
Verfahren nach Anspruch 50, wobei das Werkzeug weiterhin mindestens
einen aus der Gruppe bestehend aus sekundärem Schleifkorn, Füllmaterialien, Schleifhilfen,
Poren auslösenden Medien und Kombinationen davon ausgewählten Bestandteil umfasst.
Schleifverfahren, umfassend die Schritte:
a) Bereitstellen eines gebundenen Schleifwerkzeugs mit einer für den Fluss von Fluida
durchlässigen Struktur, wobei das Werkzeug umfasst:
1) 5 bis 75 Vol.-% gesinterte Agglomerate, umfassend eine Mehrzahl von Schleifkörnern,
die mit einem Bindemittelmaterial gehalten werden, wobei das Bindemittelmaterial
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;
2) eine Bindung; und
3) etwa 35 bis 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;
b) In Berührung bringen des gebundenen Schleifwerkzeugs mit einem Werkstück; und
c) Abschleifen der Oberfläche des Werkstücks mit dem gebundenen Schleifwerkzeug.
Schleifverfahren, umfassend die Schritte:
a) Bereitstellen eines gebundenen Schleifwerkzeugs mit einer für den Fluss von Fluida
durchlässigen Struktur, wobei das Werkzeug umfasst:
1) etwa 34 bis 56 Vol.-% Schleifkorn;
2) etwa 3 bis 25 Vol.-% Bindung; und
3) etwa 35 bis 80 Vol.-% Gesamtporosität, umfassend mindestens 30 Vol.-% miteinander
verbundene Porosität; wobei die miteinander verbundene Porosität im Wesentlichen
ohne porositätsauslösendes Füllmaterial und länglich geformte Materialien mit einem
Längenverhältnis von mindestens 5:1 erzeugt wurde;
b) In Berührung bringen des gebundenen Schleifwerkzeugs mit einem Werkstück; und
c) Abschleifen der Oberfläche des Werkstücks mit dem gebundenen Schleifwerkzeug.
Verfahren zum Agglomerieren von Schleifkorn, umfassend die Schritte:
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, Wasser,
Lösungsmittel und Kombinationen davon in einen Drehkalzinierungsofen bei 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.
Verfahren nach Anspruch 70, des Weiteren umfassend den Schritt des
Herstellens einer einheitlichen Mischung aus dem Schleifkorn und dem Bindematerial
und dann Einspeisen der Mischung in den Drehkalzinierungsofen.
Verfahren nach Anspruch 70, wobei die Mischung in dem Heizofen etwa
0,25 bis 2,0 Stunden gerollt wird.
Verfahren nach Anspruch 70, wobei die gesinterten Agglomerate eine
Größe haben, die zwei bis zwanzig Mal größer ist als das Schleifkorn.
Verfahren nach Anspruch 70, wobei der Ofen auf einen Neigungswinkel
von etwa 0,5 bis 5 Grad geneigt wird.
Verfahren nach Anspruch 70, wobei der Ofen bei einer Geschwindigkeit
von 0,5 bis 10 Umdrehungen pro Minute gedreht wird.
Verfahren nach Anspruch 71, wobei die Mischung bei einer Einspeisungsrate
von etwa 5 bis 910 kg/Std in den Ofen gespeist wird.
Verfahren nach Anspruch 71, wobei die Einspeisungsrate der Mischung
so eingestellt ist, dass die Mischung 8 bis 12 Vol.-% des Ofenvolumens einnimmt.
Verfahren nach Anspruch 70, wobei die gesinterten Agglomerate in einem
Verdichtungstest eine Mindestquetschfestigkeit von 0,5 bei 50% zerdrücktem Anteil
haben.
Verfahren nach Anspruch 71, wobei die Mischung mindestens einen aus
der Gruppe bestehend aus sekundärem Schleifkorn, Füllmaterialien, Schleifhilfen,
Poren auslösenden Medien und Kombinationen davon ausgewählten Bestandteil umfasst.
Verfahren nach Anspruch 71, wobei die Mischung des Weiteren Poren
auslösende Medien ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus hohlen Glaskugeln, gemahlenen
Walnussschalen, Hohlkugeln oder Kugeln aus Plastikmaterial oder organischen Verbindungen,
geschäumte Glaspartikel, Blasen-Mullit und Blasen-Aluminiumoxid und Kombinationen
davon umfasst.
Verfahren nach Anspruch 70, wobei das Korn und das Bindematerial in
dem Ofen auf eine Temperatur von 800 bis 1200°C erhitzt werden.
Verfahren nach Anspruch 81, wobei die Temperatur wirksam ist, um zu
verursachen, dass das Bindematerial schmilzt und fließt und die Viskosität des geschmolzenen
Bindematerials mindestens 300 Poise beträgt.
Verfahren nach Anspruch 71, wobei die einheitliche Mischung agglomeriert
wird, um ungesinterte Agglomerate zu bilden und die ungesinterten Agglomerate dann
in den Drehkalzinierungsofen eingespeist werden.
Gesinterte Schleifkornagglomerate, hergestellt in einem Verfahren
umfassend die Schritte:
a) Einspeisen von Schleifkorn mit einem Bindematerial in einen Drehkalzinierungsofen
bei 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 enthalten.
Gesinterte Agglomerate nach Anspruch 84, des Weiteren mindestens einen
aus der Gruppe bestehend aus sekundärem Schleifkorn, Füllmaterialien, Schleifhilfen,
Poren auslösenden und Kombinationen davon ausgewählten Bestandteil umfassend.
Gesinterte Agglomerate nach Anspruch 84, wobei das Bindematerial ein
aus der Gruppe im Wesentlichen bestehend aus glasartigen Bindungsmaterialien, vitrifizierten
Materialien, keramischen Materialien, anorganischen Bindemitteln, organischen Bindemitteln,
organischen Bindungsmaterialien, Metallbindungsmaterialien Medien und Kombinationen
davon ausgewähltes Material umfasst.
Gesinterte Agglomerate nach Anspruch 84, des Weiteren umfassend den
Schritt des Herstellens einer einheitlichen Mischung aus dem Schleifkorn und dem
Bindematerial und dann Einspeisen der Mischung in den Drehkalzinierungsofen.
Gesinterte Agglomerate nach Anspruch 84, wobei die gesinterten Agglomerate
eine durchschnittliche Größe haben, die zwei bis zwanzig Mal größer ist als die
mittlere Größe des Schleifkorns.
Gesinterte Agglomerate nach Anspruch 84, wobei der Anfangsgrößenbereich
der gesinterten Agglomerate bei 200 bis 3.000 Mikrometer im mittleren Durchmesser
liegt.
Gesinterte Agglomerate nach Anspruch 84, wobei die Schleifkörner Mikroschleifkörner
sind und der Anfangsgrößenbereich der gesinterten Agglomerate bei 5 bis 180 Mikrometer
im mittleren Durchmesser liegt.
Gesinterte Agglomerate nach Anspruch 84, wobei das Granulum etwa 30
bis 88 Vol.-% Porosität enthält.
Gesinterte Agglomerate nach Anspruch 91, wobei bis zu 75 Vol.-% der
Porosität miteinander verbundene Porosität umfasst.
Gesinterte Agglomerate nach Anspruch 84, wobei die relative Dichte
der Agglomerate, gemessen durch eine Fluidverdrängungsvolumentechnik und ausgedrückt
als ein Verhältnis des Volumens der Agglomerate zu dem scheinbaren Volumen des Schleifkorns
und des zur Herstellung der Agglomerate verwendeten Bindematerials,
maximal bei 0,7 liegt.
