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Title:
A1¿2?O¿3?/SiC NANOCOMPOSITE ABRASIVE GRAINS, METHOD FOR PRODUCING THEM AND THEIR USE
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2001/021547
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a method for producing A1¿2?O¿3?/SiC nanocomposite abrasive grains. SiC nanoparticles are added to a sol containing aluminium oxide and said sol is then gelatinized, dried, calcinated and sintered. The invention also relates to A1¿2?O¿3?/SiC nanocomposite abrasive grains.

Inventors:
Möltgen, Paul (Steigmattstrasse 2 Laufenburg, 79725, DE)
Wilhelm, Pirmin (Fridolin-Lauber-Str. 18 Laufenburg-Binzgen, 79725, DE)
Leriche, Anne Louise Ghislaine (17 rue Ferrer 7060 Soignies, BE)
Kermel-kim, Christine Marie Renée (13 rue Park ar C'hra Saint Quay Perros, 22700, FR)
Gottschamel, Georg (Mallnerweg 11 9334 Guttaring, AT)
Application Number:
PCT/EP2000/009230
Publication Date:
March 29, 2001
Filing Date:
September 21, 2000
Export Citation:
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Assignee:
TREIBACHER SCHLEIFMITTEL GMBH (Ferroweg 1 Laufenburg, 79725, DE)
Möltgen, Paul (Steigmattstrasse 2 Laufenburg, 79725, DE)
Wilhelm, Pirmin (Fridolin-Lauber-Str. 18 Laufenburg-Binzgen, 79725, DE)
Leriche, Anne Louise Ghislaine (17 rue Ferrer 7060 Soignies, BE)
Kermel-kim, Christine Marie Renée (13 rue Park ar C'hra Saint Quay Perros, 22700, FR)
Gottschamel, Georg (Mallnerweg 11 9334 Guttaring, AT)
International Classes:
B24B37/00; C01F7/02; C04B35/117; C04B35/624; C09K3/14; (IPC1-7): C04B35/117; C04B35/624; C09K3/14
Attorney, Agent or Firm:
Neunert, Peter (Westphal, Mussgnug & Partner Waldstr. 33 VS-Villingen, 78048, DE)
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Claims:
Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von AlzOs/SiC NanokompositSchleifkörnern, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass ein aluminiumoxidhaltiges Sol mit SiCNanopartikeln versetzt, anschließend geliert, getrocknet, kalzi niert und gesintert wird.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass das aluminiumoxidhaltige Sol als Feststoffkomponen te feinstdisperses Aluminiumoxidmonohydrat vom Typ des Boehmits, Aluminiumalkoxide, Aluminiumhalogeni de und/oder Aluminiumnitrat enthält.
3. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der Zusatz der SiCNanoteilchen in einer Menge zwi schen 0,1 und < 5 Mol%, bevorzugt im Bereich 0, 3 und 2,5 Mol%, bezogen auf den Aluminiumgehalt der Mischung, gerechnet als A1203, vorgenommen wird.
4. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprü che 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass vor dem Gelieren Sinteradditive in Form von Kri stallisationskeimen, Kristallwachstumsinhibitoren und/oder anderen modifizierenden Komponenten, die den Sinterprozeß beeinflussen, zugesetzt werden.
5. Verfahren gemäß Anspruch 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass als Kristallisationskeim feinteiliges a Aluminiumoxid eingesetzt wird.
6. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprü che 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Gelierung der Suspension durch pHWertErhöhung oder Erniedrigung, Alterung, Elektrolytzugabe, Tem peraturerhöhung und/oder Einengen der Lösung er folgt.
7. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprü che 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Trocknung des Gels in einem Temperaturbereich zwischen 50 °C und 120 °C, die Kalzination an schließend zwischen 500 °C und 800 °C und die Sin terung in einem Temperaturbereich zwischen 1300 °C und 1600 °C durchgeführt wird.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Sinterung in einem Temperaturbereich zwischen 1380 °C und 1500 °C vorgenommen wird.
9. Verfahren gemäß 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Sinterung unter Inertbedingungen durchgeführt wird.
10. Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprü che 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass eine Zerkleinerung zur gewünschten Korngröße vor oder nach der Sinterung vorgenommen wird.
11. A1203/SiCNanokompositSchleifkorn mit einer Härte > 16 GPa, einer Dichte > 95 % der Theorie und einem SiCAnteil zwischen 0,1 und < 5 Mol%, bezo gen auf die A1203Matrix, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die SiCPartikel in der A1203Matrix sowohl inter als auch intragranular vorliegen und das Schleif korn im Einkornritztest einen Leistungsfaktor LF25 > 75 % aufweist.
12. Al203/SiCNanokompositSchleifkorn gemäß An spruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass der SiCAnteil bevorzugt zwischen 0,3 und < 2, 5 Mol%, bezogen auf die A1203Matrix, beträgt.
13. Al203/SiCNanokompositSchleifkorn gemäß einem der Ansprüche 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die SiCPartikel überwiegend intragranular in der A1203Matrix vorliegen.
14. Al2O3/SiCNanokompositSchleifkorn gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die Al2O3Kristalle der Matrix mittlere Durchmesser zwischen 0,2 µm und 20 µm aufweisen.
15. A1203/SiCNanokompositSchleifkorn gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 11 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die A1203Matrix submikron aufgebaut ist und eine mittlere Teilchengröße < lpm, bevorzugt < 0,5 µm, aufweist.
16. Al2O3/SiCNanokompositSchleifkorn gemäß An spruch 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass in der submikronen A1203Matrix grobe Al2O3 Kristalle ausgebildet sind.
17. A1203/SiCNanokompositSchleifkorn gemäß An spruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die groben A1203Kristalle einen mittleren Durch messer > 2 um, bevorzugt > 5 µm, aufweisen.
18. A1203/SiCNanokompositSchleifkorn gemäß einem der Ansprüche 16 oder 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die groben Al203Kristalle eine längliche Form auf weisen.
19. Al2O3/SiCnanokompositSchleifkorn gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 16 bis 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass die groben Al203Kristalle ein Verhältnis Lange zu Breite zwischen 2 : 1 und 10 : 1, bevorzugt zwischen 4 : 1 und 6 : 1, aufweisen.
20. Verwendung von A1203/SiCNanokomposit Schleifkörnern gemäß einem oder mehreren der An sprüche 1119 zur Herstellung von Schleifbändern und Schleifscheiben.
Description:
Beschreibung

A1203/SiC-Nanokomposit-Schleifkörner, Verfahren zu ihrer Herstellung sowie ihre Verwendung Die vorliegende Erfindung betrifft gesinterte A1203/SiC-Nanokomposit-Schleifkörner nach dem Ober- begriff des Anspruchs 11, ein Verfahren zu ihrer Herstellung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ihre Verwendung als Schleifmittel.

Schleifkörner auf Al203-Basis werden aufgrund ihrer hohen Härte, chemischen Inertheit und hohen Tempe- raturbeständigkeit industriell in großen Mengen zu Schleifmitteln verarbeitet. Neben dem Schmelzkor- und, der relativ kostengünstig im elektrischen Lichtbogenofen hergestellt werden kann, werden in der neueren Zeit für bestimmte Einsatzgebiete ver- stärkt Sinterkorunde eingesetzt, die über einen ke- ramischen bzw. chemischen Weg gewonnen werden. Der schleiftechnische Vorteil der Sinterkorunde ist be- dingt durch ihren mikrokristallinen Aufbau, der wiederum zu einem besonderen Verschleißmechanismus des Schleifkorns beim Schleifprozeß führt. Vor al- lem bei Anwendungen, die hohe Anpreßdrücke erfor- dern, wie z. B. die Bearbeitung von Spezialstählen, gehärteten Stählen oder schwer zerspanbaren Legie- rungen, können die Abtragsleistungen mit dem Ein- satz von Sinterkorunden deutlich gesteigert werden.

Das mikrokristallin aufgebaute Sinterkorund-Korn ist für diese Anwendungen wesentlich verschleißfe- ster als der makrokristallin aufgebaute Schmelzkor- und. Hinzu kommt, dass beim Schleifen mit mikrokri- stallinen Korunden kleinere Bereiche aus dem Korn herausbrechen, wodurch neue Schneidkanten gebildet werden, die wiederum in den Schleifprozeß eingrei- fen. Eine solche Selbstschärfung des Korns findet bei den makrokristallinen Schmelzkorunden nicht statt, da hier die Risse, die beim Schleifprozeß durch die mechanische Beanspruchung des Korns ent- stehen, nicht mehr abgelenkt werden können, sondern sich entlang der Kristallebenen durch das gesamte Korn fortsetzen und damit zu einer Zerstörung des Schleifkornes führen.

Beim Einsatz von mikrokristallinen Sinterschleif- körnern ist bei vielen Anwendungen der Trend fest- zustellen, daß sich das Schleifkorn bei vergleich- barer Härte und Dichte umso günstiger im Schleif- prozeß verhält, je feiner das Gefüge ausgebildet ist. Besonders feine Gefüge können über Sol-Gel- Verfahren erhalten werden, bei dem z. B. als Aus- gangsstoff feinstdisperses Aluminiumoxidmonohydrat vom Typ Boehmit eingesetzt wird, das-nachdem es kolloidal gelöst wurde-zum Gel verarbeitet wird, welches dann über einen Trocknungs-, Kalzinations- und Sinterschritt zu einem kompakten und dichten a- Al203-Sinterkörper weiterverarbeitet wird. An- schließend erfolgt die Aufbereitung zum Schleif- korn. Der Vorteil des Sol-Gel-Verfahrens zur Her- stellung von mikrokristallin aufgebauten Korunden besteht darin, daß sehr feinteilige und reaktive Ausgangsstoffe eingesetzt und die entstehenden Grünkörper bei relativ tiefen Sintertemperaturen

verdichtet werden können, was die Ausbildung eines feinen Gefüges begünstigt.

In der EP-B-0 152 768 werden mikrokristalline Kor- unde beschrieben, die über die Sol-Gel-Technik un- ter Zusatz von arteigenen Kristallisationskeimen bei Sintertemperaturen von ca. 1400 °C hergestellt werden und deren Primärkristallite einen Durchmes- ser von überwiegend bzw. vollständig kleiner 1 pm aufweisen.

Aufgrund der tiefen Sintertemperaturen und durch den Zusatz von Kristallisationskeimen kann das Kri- stallwachstum während des Sinterprozesses stark eingeschränkt werden. Noch feinere Gefüge bei gleichzeitig hoher Dichte und Härte werden in der EP-B-0 408 771 beschrieben. Nach der EP-B-0 408 771 werden Korundschleifkörner mit einer mittleren Kri- stallitgröße < 0,2 pm ebenfalls über die Sol-Gel- Technik unter Zusatz von besonders feinteiligen Kristallisationskeimen und unter Einhaltung eines speziellen Temperatur-und Sinterprogramms gewon- nen, bei dem der Temperaturbereich zwischen 900 und 1100 °C in weniger als 90 Sekunden durchlaufen, das Material dann nur kurzzeitig auf eine Maximaltempe- ratur, die 1300 °C nicht überschreiten sollte, ge- bracht und anschließend unterhalb dieser Maximal- temperatur im Bereich zwischen 1000 und 1300 °C dicht gesintert wird. Das Temperaturprogramm ist so gewählt, dass eine hohe Verdichtung ermöglicht wird, ohne dass der entstehende Sinterkörper bzw. dessen Vorstufe zu lange Temperaturen ausgesetzt ist, die ein Kristallwachstum begünstigen würden.

Will man ein möglichst feinkristallines Refuge er- halten, so bietet sich neben dem Einsatz von Kri- stallisationskeimen auch die Verwendung von Sin- teradditiven an, die das Kristallwachstum behindern oder den Sintervorgang beschleunigen, und damit in- direkt die Ausbildung größerer Kristalle einschrän- ken. Der Einfluß einzelner Additive für den Sin- terprozeß und das Kristallwachstum beim Sintern von A1203 ist im"Journal of the American Ceramic So- ciety Vol. 39, No. 10, 1956"zusammengefaßt. Von den zahlreichen Patenten, die den Einsatz von Sin- teradditiven oder auch Kombinationen von Sinterad- ditiven mit Kristallisationskeimen für die Herstel- lung von Schleifkörnern über den Sol-Gel-Weg be- schreiben, werden im folgenden nur einige Beispiele genannt. Die EP-B-0 024 099 beschreibt den Zusatz von Spinellen bzw. Vorstoffen, die im Laufe des Herstellungsprozesses zu Spinellen umgewandelt wer- den. Die EP-B-0 200 487 beschreibt den Einsatz von a-Fe203 Kristallisationskeimen in Kombination mit mindestens einer modifizierenden Komponente aus der Gruppe der Oxide des Magnesiums, Zinks, Kobalts, Nickels, Zirkons, Hafniums, Chroms und/oder Titans.

Die EP-B-0 373 765 beschreibt-ebenfalls in Kombi- nation mit a-Fe203-Keimen-Yttrium-und Neodym- Verbindungen neben den oben genannten Oxiden als weitere modifizierende Komponenten. Die nach den o. g. Verfahren hergestellten Schleifkörner haben für bestimmte Anwendungen Vorteile gegenüber dem Stand der Technik.

Die Vielfalt der unterschiedlichen A1203- Sinterschleifkörner erklärt sich auch daraus, dass das Schleifen selbst ein äußerst vielfältiger Pro- zeß ist, bei dem sowohl der Werkstoff, der bearbei-

tet wird, als auch die Bearbeitungsbedingungen (An- preßdruck, Kühlung o. a.) weitgehend variiert wer- den können. So werden die verschiedensten Werkstof- fe (unterschiedliche Stahlsorten, Legierungen und Metalle, Kunststoffe, Holz, Gestein, Keramik u. v. a. m.) je nach Zielsetzung (Oberflächengüte, Ma- terialabtrag o. a.) unter den unterschiedlichsten Bedingungen bearbeitet. Entsprechend unterschied- lich sind die Anforderungen, die an das einzuset- zende Schleifkorn gestellt werden, so dass Brauch- barkeit und Leistungsfähigkeit eines Schleifkorns für einen bestimmten Schleifprozeß nicht allein durch Größen wie Härte, Dichte und Kristallitgefüge charakterisiert werden können. Weitere Kriterien, wie chemische Inerheit, Wärmeleitfähigkeit, Oxida- tions-und Temperatur-beständigkeit, Zähigkeit u. a., spielen je nach Anwendung ebenfalls eine gro- ße Rolle.

Weitere Variable beim Schleifprozeß sind die Bin- dung und die Spezifikation des Schleifmittels, das darüber hinaus durch die Zugabe von Zusatzstoffen (Schleifhilfsmittel, Porenbildner u. a.) weiter va- riiert werden kann.

So wurde auch bei den Schleifkörnern, die über den Sol-Gel-Weg hergestellt werden, in der Vergangen- heit versucht, die Leistungsfähigkeit nicht nur über die Feinheit des Kristallitgefüges zu stei- gern, sondern auch über Dotierungen spezielle gün- stige Eigenschaften für bestimmte Anwendungen zu erhalten. Die EP-A-0 228 856 beschreibt den Zusatz von Yttrium, das-z. B. in Form eines Yttrium- Salzes mit einem leicht flüchtigen Anion (Nitrat,

Acetat, u. a.)-im Sol-Gel-Prozess der a- Aluminiummonohydrat-Dispersion zugegeben wird und beim Sintern mit dem Aluminiumoxid zum Yttrium- Aluminium-Granat (3Y203-5Al203) reagiert. Besondere Vorteile hat dieses Material bei der Bearbeitung von Rostfrei Stahl, Titan, Nickel-Legierungen, Aluminium und anderen schwer zerspanbaren Legierun- gen, aber auch bei einfachem Baustahl. Offensicht- lich verleihen die Einlagerungen von Granat- Kristallen dem Schleifkorn für diese Anwendungen eine besondere Verschleißfestigkeit, die sich dann in einer hohen Abtragsleistung widerspiegelt. Zu- sätzlich zum Y203 bzw. seinen Vorstoffen wird die Zugabe von Kristallisationskeimen und/oder anderen Sinteradditiven beschrieben. In der EP-B-0 293 164 werden darüber hinaus der Zusatz von Seltenen Erden aus der Gruppe Praseodym, Samarium, Ytterbium, Neo- dym, Lanthan, Gadolinium, Cer, Dysprosium, Erbium und/oder Kombinationen von mehreren aus dieser Gruppe beschrieben. Die Seltenen Erden bilden dabei mit A1203 hexagonale Aluminate, die als Einlagerun- gen in der Al203-Matrix offensichtlich die Ver- schleißfestigkeit des Schleifkorns zusatzlich erhö- hen. Die EP-B-0 368 837 beschreibt Schleifkörner, deren Zähigkeit durch die Ausbildung von whis- kerähnlichen Kristallen, die durch die Zugabe von Cer-Verbindungen erhalten werden, erhöht wird. Auch hier wird die erhöhte Zähigkeit durch eine Verstär- kung der Struktur erreicht. Ebenfalls über das Sol- Gel-Verfahren werden Komposite erhalten, die in der DE-A-196 07 709 beschrieben sind und sich von den vorgenannten Verbindungen dadurch unterscheiden, dass neben der A1203-Matrix mindestens zwei zusatz- liche diskontinuierliche Gefügebestandteile vorlie- gen, die sich voneinander in der mittleren Parti- kelgröße um wenigstens den Faktor 10 unterscheiden.

In der EP-B-0 4 91 184 werden Komposite auf Basis

von Al203 beschrieben, die Einlagerungen von isome- trischen Hartstoffen aufweisen, die mindestens um den Faktor 10 größer sind als die Primarkristalle aus der die Matrix aufgebaut ist.

Alle vorgenannten Verfahren und Stoffe basieren auf der Sol-Gel-Technologie, mit der es-bei gleich- zeitigem Einsatz von Sinteradditiven-gelingt, ein sehr feines, bevorzugt submikrones, Kristallitgefü- ge zu verwirklichen. Hinzu kommt, dass die Schleif- körner häufig durch zusätzliche Dotierungen für be- stimmte Einsatzgebiete maßgeschneidert und opti- miert werden.

Allgemein lassen sich die Schleifmittel bzw.

Schleifkörner vereinfacht in zwei große Gruppen einteilen. Korund gehört neben SiC zu den sogenann- ten konventionellen Schleifmitteln, die schon rela- tiv lange bekannt sind und kostengünstig in großen Mengen hergestellt und eingesetzt werden. Daneben findet man in der neueren Zeit immer häufiger die sogenannten Superabrasives, wie Diamant und kubi- sches Bornitrid, deren Herstellungskosten zwar beim eintausend-bis zehntausendfachen im Vergleich zu den Herstellungskosten für konventionelle Schleif- körner liegen, die aber aufgrund ihrer Leistungs- stärke, der damit verbundenen reduzierten Maschi- nenstillstandszeiten und des geringen Verbrauchs an Schleifmittel selber bzw. der Erhöhung der Stück- zahlen pro Zeiteinheit und Schleifkörper für viele Schleifoperationen ein äußerst günstiges Preis/Leistungs-Verhältnis bieten.

Der Einsatz von Superabrasives erfordert allerdings auch spezielle maschinelle Ausrüstungen, was ent-

sprechende Investitionen voraussetzt, wodurch die Anwendungsbreite der Hochleistungsschleifmittel noch eingeschränkt wird.

Eine der Hauptzielsetzungen bei der Entwicklung neuer Schleifkörner ist es daher, ein Schleifkorn zu erhalten, das auf konventionellen Maschinen ein- gesetzt werden kann, aber im Leistungsniveau zwi- schen den konventionellen Schleifmitteln und den Superabrasives liegt. Dies ist teilweise mit den oben genannten Sol-Gel-Korunden gelungen, die bei vielen Schleifoperationen zu einem sehr günstigen Preis/Leistungs-Verhältnis eingesetzt werden kön- nen. Allerdings sind die Sol-Gel-Korunde nicht nur aufgrund der Herstellkosten, sondern auch im Lei- stungsvermögen eindeutig näher bei den konventio- nellen Schleifkornsorten einzuordnen und sind daher eher geeignet, die konventionellen Korundsorten bei Schleifoperationen, die den Einsatz von Superabra- sives nicht rechtfertigen, zu ersetzen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, Schleifkörner mit-im Vergleich zum oben genannten Stand der Technik-noch besserem Leistungspotenti- al sowie ein Verfahren zu deren Herstellung zur Verfügung zu stellen. Diese Aufgabe wird erfin- dungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 11 bzw. des Anspruchs 1. Die Unteransprüche betref- fen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung. An- spruch 20 betrifft eine zweckmäßige Verwendung der erfindungsgemäßen Schleifkörner.

Unter dem Begriff Nanokomposit, der in der Keramik vor ca. 10 Jahren Eingang gefunden hat, versteht man Systeme, die aus mindestens zwei verschiedenen

festen Phasen bestehen, von denen mindestens eine Phase Teilchengrößen im Nanometer-Bereich aufweist.

Al203/SiC-Komposite, bei denen SiC-Partikel zur Verstärkung in eine A1203-Matrix eingebaut werden, sind in der EP-B-0 311 289 beschrieben und z. B. als Strukturkeramik für den Einsatz im Motoren-oder Turbinenbau vorgesehen. Dabei sollte der Durchmes- ser der SiC-Teilchen, deren Anteil im Komposit zwi- schen 2 und 10 Mol-% ausmacht, unter 0, 5 nm liegen, während die A1203-Partikel 5 pm nicht überschreiten sollten. Diese Materialien, bei denen die SiC- Partikel in den A1203-Partikeln dispergiert sind, zeichnen sich durch eine außerordentlich hohe Bie- gebruchfestigkeit und Zähigkeit aus und können auf- grund ihrer guten Hochtemperatureigenschaften als Strukturkeramik im Motorenbau eingesetzt werden.

Ähnliche Al203/SiC-Nanokomposite, die sich durch ihre guten Hochtemperatureigenschaften und ihre Oxidationsbeständigkeit von den bekannten whisker-, faser-oder platelet-verstärkten Kompositmateriali- en abheben, werden von Niihara im Journal of the Ceramic Society of Japan 99 [10] 974-982 (1991) beschrieben. Der Einfluß von feinteiligen SiC- Partikeln auf das Kornwachstum und das Sinterver- halten der Al203-Matrix wird von Stearns, Zhao und Harmer im Journal of the European Ceramic Society 10 (1992) 473-477 beschrieben. Die mechanischen Eigenschaften von Al203/SiC-Nanokompositen werden von Zhao, Stearns, Harmer, Chan, Miller und Cook im Journal of the American Ceramic Society 76 [2] 503- 510 1993) untersucht. Nanokomposite, die aber den Sol-Gel-Weg hergestellt werden, beschreiben die Au-

toren Xu, Nakahira und Niihara im Journal of the Ceramic Society of Japan, 1994,102, 312-315.

Während die oben zitierten Literaturstellen sich meist auf Komposite mit SiC-Anteilen > 2 Mol-% be- ziehen, werden die mechanischen Eigenschaften von heißgepressten A1203/SiC-Kompositen mit geringen Anteilen an SiC in einem Artikel der Autoren Wil- helm und Wruss in der cfi/Ber. DGK 75, 40-44 (1998) aufgeführt. Neben den oben zitierten Litera- turstellen sind Al203/SiC-Nanokomposite in zahlrei- chen weiteren Veröffentlichungen beschrieben, die weitgehend in einer Obersicht von Sternizke im Journal of the European Ceramic Society 17 (1997) 1061-1082 zusammengefaßt sind. In dem Artikel wird auch die Vermutung geäußert, dass A1203/SiC- Nanokomposite als Schleifkörner die Lücke zwischen den konventionellen Schleifmitteln und den Superab- rasives schließen könnten. Im Gegensatz zu dieser Mutmaßung beziehen sich jedoch fast alle in dem Ar- tikel erwähnten Veröffentlichungen und die daraus zitierten Stoffeigenschaften ausdrücklich auf den Einsatz als Strukturkeramik. So werden die Mi- krostrukturen, thermodynamische Stabilität, Dichte, Härte, Bruchfestigkeit, Bruchzähigkeit, das Ver- schleißverhalten und die Kriechgeschwindigkeit er- wähnt. Alle diese Größen spielen sicherlich auch für den Schleifprozeß eine wichtige Rolle, ohne je- doch alleine für sich eine gültige Aussage über die Brauchbarkeit eines Stoffes als Schleifkorn zu er- lauben. So ist z. B. eine hohe Härte sicherlich ei- ne Grundvoraussetzung für die Verwendung eines Stoffes als Schleifkorn. Wie jedoch das in Fach- kreisen häufig zitierte Beispiel B4C zeigt, das als Schleifkorn trotz seiner hohen Härte, wegen seiner

mangelhaften chemischen und thermischen Beständig- keit und seiner hohen Sprödigkeit nie eine nennens- werte Anwendung als Schleifmittel gefunden hat, muß eine Summe von Eigenschaften betrachtet werden, um die Eignung als Schleifmittel zu erkennen. Weitere Hartstoffe, die im Härtewert zwischen den konven- tionellen Schleifmitteln und den Superabrasives rangieren, haben sich als Schleifkorn ebenfalls nicht durchsetzen können, weil ihnen zusätzliche Eigenschaften wie Zähigkeit, thermische und chemi- sche Stabilität oder andere für den Schleifprozeß wichtige Voraussetzungen fehlen. So konnten auch die in der Literatur beschriebenen Nanokompositma- terialien, die zwar bestimmte, für den Schleifpro- zeß erforderliche Eigenschaften aufweisen, als Schleifkorn bisher nicht erfolgreich eingesetzt werden. Sie verhalten sich vielmehr ähnlich wie die Schneidkeramiken auf A1203-Basis, die z. B. zum Frä- sen oder Drehen mit großem Erfolg eingesetzt wer- den, aber-zur Körnung verarbeitet-beim Schlei- fen nur eine unbefriedigende Abtragsleistung zei- gen, die auf dem Niveau der konventionellen Schmelzkorunde oder sogar darunter liegt.

Es stellt sich nun in der Praxis als äußerst schwierig heraus, die Einsetzbarkeit bzw. das zu erwartende Schleifverhalten eines Schleifkorns al- lein aufgrund bestimmter Stoffeigenschaften, von denen man weiß, dass sie sich-jeweils für sich betrachtet-günstig auf das Schleifverhalten aus- wirken, zu charakterisieren. Theorien zu den Mecha- nismen, die beim Materialabtrag durch ein Schleif- werkzeug tatsächlich ablaufen, konnten bisher nur nach dem Prozeß selber anhand des bearbeiteten Werkstückes und aufgrund der Veränderungen am Schleifwerkzeug entwickelt werden. Einfluß auf das

Schleifverhalten hat neben sämtlichen Stoffeigen- schaften des Schleifkorns natürlich die Beschaffen- heit des Schleifwerkzeugs (Bindung, Porosität, Zu- satzstoffe u. a.) und das Werkstück selber, so dass es oftmals selbst im nachhinein schwierig ist, be- stimmte Schleifresultate mit bestimmten Stoffeigen- schaften des Schleifkorns in Korrelation zu setzen.

Eine endgültige Aussage erhält man erst durch an- wendungstechnische Tests von Schleifmitteln oder sogar erst durch Praxis-und Feldtests, die mit er- heblichem finanziellen und zeitlichem Aufwand ver- bunden sind.

Es ist daher erstrebenswert, eine unabhängige Meß- methode und-große zu finden, die eine direkte Aus- sage über die Brauchbarkeit eines Stoffes als Schleifkorn zuläßt. In der Praxis hat sich in den letzten Jahren immer mehr der sogenannte Einzel- korntest (Abb. 1 : Einzelkornritztest) durchgesetzt, bei dem ein einzelnes Schleifkorn unter möglichst realistischen, dem Schleifprozeß nachempfundenen, Bedingungen untersucht wird. Die Testeinrichtung ist eine umgerüstete Flachschleifmaschine, bei der auf der Schleifspindel anstelle der Schleifscheibe eine Ritzscheibe montiert ist. Die Ritzscheibe, die aus praktischen Gründen aus einem relativ leichten und leicht zu bearbeitenden Werkstoff (z. B. Alumi- nium) gefertigt ist, besitzt auf dem Umfang eine Halterung, in die ein Träger mit einem aufgelöteten Schleifkorn eingesetzt wird. Beim Ritzen selber fährt der Maschinentisch mit dem darauf aufge- spannnten Werkstück in x-Richtung gegen die Dreh- richtung unter der rotierenden Ritzscheibe hin- durch. Aufgrund einer vorgegebenen Zustellung in y- Richtung generiert das Schleifkorn, das über den Umfang der Scheibe herausragt, mit jeder Umdrehung

eine Ritzspur im Werkstück. Mit zunehmender Ritz- lange bzw. Ritzzeit verringert sich wegen des Korn- verschleißes die Ritztiefe und der Ritzquerschnitt, bis die Kornspitze um den Zustellungsbetrag in y- Richtung verschlissen ist und keine Spur mehr hin- terläßt. Die Ritzspuren können mit einem Oberflä- chenmeßgerät abgetastet und anschließend ausgewer- tet werden. Das Meßprinzip ist in den Abbildungen 1 und 2 wiedergegeben und wird im folgenden anhand der Bezugszahlen erläutert.

Die Abbildung 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Prüfstandes mit der Ritzscheibe (1) und dem Ritz- korn (2), den verfahrbaren Achsen (3,4,5) in x-, y-und z-Richtung, dem Werkstück (6), dem Maschi- nentisch (7) und dem Schleifspindelstock (8). Zur Messung selber müssen Standardbedingungen für die Schnittgeschwindigkeit vc, die Werkstückgeschwin- digkeit vw und die Zustellung ae, die nach Möglich- keit der Schleifoperation angepaßt sind, für die man das Schleifkorn später einsetzen will, defi- niert werden. Zusatzlich müssen Werkstückstoff und der Einsatz von Kühlschmierstoff (9) festgelegt werden.

Das Auswertungsprinzip ist anhand der beispielhaft aufgeführten Kurven für verschiedenen Schleifkorn- sorten (Abb. 2) zu erkennen, bei dem die Änderung des Ritzquerschnittes ARn/ARO gegen die Ritzlänge IR aufgetragen ist. Dabei ist ARO der Ritzquerschnitt beim ersten Eingriff und ARn der Ritzquerschnitt nach n mm Ritzlänge.

Der Leistungsfaktor LF2s für das Einzelkorn ergibt sich aus dem Schnittpunkt der charakteristischen Kurve für die einzelne Kornsorte mit der Ordinate nach 25 mm Ritzlänge und entspricht der Änderung des Ritzquerschnittes ARO/AR25 Ausgedrückt wird der Leistungsfaktor in %, bezogen auf den theoretischen Fall, dass kein Verschleiß des Kornes stattfindet und AR25 = ARO ist. Die Auswertung nach 25 mm Ritz- lange wurde deshalb gewählt, weil bei dem typischen Kurvenverlauf der entscheidende erste, steile Be- reich der Kurve, bei dem das Korn am stärksten be- lastet wird, abgeschlossen ist. Dieser Bereich, der auch in Bezug auf die Zustellung ae dem tatsächli- chen Schleifprozeß relativ nahekommt, erlaubt eine sehr gute Aussage über die Leistungsfähigkeit eines Schleifkorns. Im weiteren Verlauf flachen die Kur- ven ab, da die Körner aufgrund der sich verringern- den Zustellung nun weniger stark beansprucht werden und auch weniger schnell verschleißen. Um ein re- präsentatives Ergebnis für eine Schleifkörnung zu erhalten, sollten mindestens 20 Körner einer Korn- sorte vermessen und die Verschleißkurve aus den Mittelwerten der einzelnen Meßpunkte gebildet wer- den.

Der Einkornritztest erlaubt somit-in guter Über- einstimmung mit den Ergebnissen in der Praxis-ei- ne Bewertung der Tauglichkeit eines Schleifkorns, bei der sämtliche für den Schleifprozeß relevanten Größen wie Härte, Zähigkeit, Dichte, Festigkeit, Kriechgeschwindigkeit, thermische und chemische Be- ständigkeit, Kristallitgefüge u. a. indirekt in Sum- me einfließen, ohne dass dabei bestimmte Eigen- schaften bzw. bestimmte Eigenschaftskombinationen explizit bekannt sein oder erkannt und entsprechend berücksichtigt werden müssen. Für alle Eigenschaf-

ten müssen allerdings gewisse Mindestvoraussetzun- gen erfüllt werden, damit ein Stoff überhaupt als Schleifkorn in Betracht kommt. So wurde sich z. B. ein Material, das in seiner Härte deutlich unter der üblichen Härte für Schleifmitteln liegt, nie zum Schleifen eignen, selbst wenn sämtliche anderen Eigenschaften hervorragend wären.

Oberraschenderweise wurden für Al203/SiC- Nanokomposite mit SiC-Anteilen unter 5 Mol-%, die über einen direkten Sol-Gel-Weg unter Zusatz von Kristallisationskeimen hergestellt wurden, nach der oben beschriebenen Methode Leistungsfaktoren gefun- den, die deutlich über den bisher bei A1203/SiC- Nanokompositen gefundenen Leistungsfaktoren liegen.

Die Leistungswerte der erfindungsgemäßen Nanokompo- site liegen auch über den Werten der bekannten rei- nen oder dotierten Sol-Gel-Korunde und damit im an- gestrebten Bereich zwischen den konventionellen Schleifkörnern und den Superabrasives.

Im Gegensatz zu den bekannten Al203/SiC- Nanokomposits, die über die Pulvertechnologie durch Vermischen der Ausgangssubstanzen, anschließendes Verdichten (z. B. durch Heißpressen, druckloses Sin- tern oder heiß isostatisches Pressen) und Sintern hergestellt werden, verläuft die Herstellung der erfindungsgemäßen Schleifkörner naßchemisch über einen direkten Sol-Gel-Weg unter Einsatz von Kri- stallisationskeimen. Xu, Nakahira und Niihara be- schreiben in ihrem Artikel im Journal of the Cera- mic Society of Japan, 1994,102,312-315 den Ein- satz der Sol-Gel-Technologie bei der Herstellung von Al203/SiC-Nanokomposits. Sie nutzen die Techno-

logie jedoch nur, um eine möglichst homogene Mi- schung der Nanopulver über eine vorgeschaltete kol- loidale Lösung der Teilchen zu erreichen. Anschlie- ßend wird das Sol durch Trocknung und Kalzination zu einer homogenen Mischung aus ultrafeinen A1203- und SiC-Pulvern weiterverarbeitet, die dann-in Analogie zur konventionellen Pulvertechnologie- unter Stickstoff bei einem Druck von 30 MPa und ei- ner Temperatur von 1600 °C heißgepresst werden.

Durch die Isolierung des Pulvers als Zwischenpro- dukt und anschließende konventionelle pulvertechni- sche Weiterverarbeitung gehen bestimmte, für die Herstellung eines Schleifkorns wichtige, Vorteile des Sol-Gel-Verfahrens verloren. Die schleiftechni- schen Eigenschaften eines über das o. g. Verfahren hergestellten Komposits entsprechen daher denen der vorher erwähnten Nanokomposits. Hinzu kommen ökono- mische Aspekte, da eine kostengünstige großtechni- sche Massenproduktion von Schleifkörnern über ein Heißpressverfahren nicht zu realisieren ist.

Beim erfindungsgemäßen direkten Sol-Gel-Verfahren zur Herstellung von Al203/SiC-Nanokomposits dagegen wird zunächst auf die übliche Weise ein Al203-Sol hergestellt. Als Feststoffkomponente für das alumi- niumoxidhaltige Sol kommen dabei vorteilhaft feinstdisperses Aluminiumoxidmonohydrat vom Boeh- mit-Typ, Aluminiumalkoxide, Aluminiumhalogenide und/oder Aluminiumnitrat in Frage, die mit Hilfe eines Dispergators, eines starken Rührers oder un- ter Einsatz von Ultraschall dispergiert werden. Der Feststoffgehalt der Suspension liegt vorzugsweise zwischen 5 und 60 Gew.-%. Zu dieser Suspension wird

dann, ebenfalls vorzugsweise in Form einer Suspen- sion, um eine möglichst homogene Verteilung zu er- reichen, zwischen 0,1 und < 5 Mol-%, bevorzugt im Bereich 0,3 und 2,5 Mol-%, bezogen auf den Alumini- umgehalt der Mischung, gerechnet als A1203, nanoskaliges SiC zugegeben. Es ist natürlich auch möglich, SiC als Feststoff in die vorgegebene Sus- pension einzurühren. Wie die Beispiele in Tabelle 3 zeigen, werden besonders gute Ergebnisse mit ver- gleichsweise geringen Mengen an SiC erzielt. Als SiC-Basis kommen feinstvermahlenes SiC-Pulver, das über den Acheson-Prozess gewonnen wurde, oder auch Nanopulver, die in der Gasphase durch thermische oder lasergestützte Gasphasenreaktionen oder ver- schiedene Plasmaverfahren hergestellt werden, in Frage.

Um den späteren Sinterprozess günstig zu beeinflus- sen, können vorteilhaft vor dem Gelieren zusätzlich Sinteradditive in Form von Kristallisationskeimen Kristallwachstumsinhibitoren und/oder anderen modi- fizierenden Komponenten zugesetzt werden. Dafür kommen insbesondere alle bekannten Sinteradditive für A1203 in Frage, z. B. die spinellbildenden Oxide des Co, Mg, Ni, und Zn, die Oxide des Ce, Cu, B, Ba, Hf, K, Li, Nb, Si, Sr, Ti, Y, Zr oder der Sel- tenen Erden bzw. deren Vorläufer und die Oxide mit einer korundähnlichen Struktur wie Fe203, Cr203, A1203 o. a., die als Kristallisationskeime wirken.

Um bestimmte Eigenschaften des Schleifkorns zu er- reichen, können natürlich auch Kombinationen daraus eingesetzt werden.

Bevorzugt wird das Al203-Sol vor der SiC-Zugabe mit einer wässrigen Suspension von feinstvermahlenem a- A1203 versetzt. Die maximale Partikelgröße der a- Al203-Teilchen, die als Kristallisationskeime die- nen, liegt unter 1 m, vorzugsweise unter 0,2 m.

Die Menge des einzusetzenden Keimmaterials hängt von der Partikelgröße ab und liegt zwischen 0,5 und 10 Gew.-%, bezogen auf den Gehalt an A1203 im End- produkt. Da es neben der Feinheit auf die Anzahl der Keime ankommt, reichen bei sehr großer Feinheit schon geringe Gewichtsmengen an Keimen aus, um den Sinterprozeß zu fördern.

Die fertige Suspension wird anschließend zum Sieden erhitzt und vorteilhaft unter Säurezugabe geliert.

Auch hier ist es wieder möglich, alternativ jede andere bekannte Art der Gelierung (Alterung, Elek- trolytzugabe, Temperaturerhöhung, Einengen der Sus- pension o. a.) anzuwenden. Die Trocknung des Gels wird (nach dem Abkühlen) in einem Temperaturbereich zwischen 50 °C und 120 °C durchgeführt. Anschlie- ßend erfolgt in einem Temperaturbereich zwischen 500 °C und 800 °C eine Kalzination, um das restli- che Wasser und die Saure zu verdampfen. Nach der Kalzination liegen die Komposite als Grünkörper mit Durchmessern bis zu mehreren Millimetern vor, die dann gesintert werden. Die Vorteile der direkten Verdichtung liegen in der besonders hohen Sinterak- tivität der getrockneten und kalzinierten Grünkör- per, in denen die Ausgangsstoffe bereits chemisch miteinander verbunden sind und somit die Verdich- tung und Verfestigung zum fertigen Komposit wesent- lich effektiver und günstiger verläuft.

Durch den zusätzlichen Einsatz von Sinteradditiven bzw. Kristallisationskeimen kann der Prozeß und da- mit die Produktqualität weiter verbessert werden.

Die Sinterung des kalzinierten Gels erfolgt bevor- zugt bei Temperaturen zwischen 1300 °C und 1600 °C, vorzugsweise unter Inertbedingungen (z. B. Stick- stoffatmosphäre) und besonders vorteilhaft in einem gasdichten Drehrohrofen, um eine möglichst schnelle Aufheizung des Produktes und eine kurze Sinterzeit zu verwirklichen, was sich besonders günstig auf die Struktur und damit auf die Leistungsfähigkeit des Schleifkorns auswirkt. Alternativ kann jeder andere bekannte Ofentyp eingesetzt werden, der schnelle Aufheizraten und hohe Temperaturen zuläßt.

Da die Sinterung sehr rasch erfolgt, ist selbst ei- ne Verarbeitung unter Vakuum oder in oxidierender Atmosphäre möglich, da der größte Teil der SiC- Nanoteilchen in der Matrix eingelagert und somit vor einer Oxidation geschützt ist.

Die Zerkleinerung zur gewünschten Körnung kann vor oder nach der Sinterung mit den üblichen Zerkleine- rungsaggregaten erfolgen. Vorteilhaft ist eine Auf- bereitung des kalzinierten Gels im Grünzustand, da nach der Sinterung wesentlich mehr Energie zur Zer- kleinerung des dann dichten und harten Kompositma- terials aufgewendet werden muß.

Bei der Sinterung wirkt das nanoskalige SiC als Kristallwachstumsinhibitor für die A1203-Matrix, verzögert aber gleichzeitig die Verdichtung des Grünkörpers, so dass vergleichsweise-zu einem Sol-Gel-Material auf reiner Aluminiumoxidbasis- hohe Sintertemperaturen eingesetzt werden müssen,

um eine genügende Verdichtung des Materials zu er- reichen, wobei es dann zu einem nicht unerheblichen Kristallwachstum kommen kann. So treten bereits bei ca. 1400 °C verstärkt große Kristallite auf. Dieses Phänomen wird schon im US-Patent 4,623,364 be- schrieben. Dort führt man das unerwünschte Auftre- ten von groben Kristallen in einer ansonsten feinen Matrix auf Verunreinigungen zurück. Angestrebt wird dort eine feinkristalline Matrix mit möglichst we- nig groben Anteilen, wie sie auch in den eingangs zitierten Patenten offenbart wird und dem Stand der Technik entspricht.

Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass die Schleifleistung des erfindungsgemäßen Nanokomposit- Schleifkorns dann besonders hoch ist, wenn ein be- stimmter Anteil an groben Kristallen mit Längen bis zu 20 pm und einem mittleren Durchmesser > 2 pm, bevorzugt > 5 µm, in der Matrix vorhanden ist. Die Abtragsleistung liegt deutlich über den feinstruk- turierten reinen Sol-Gel-Al203-Schleifkörnern, de- ren mittlere Kristallitgröße üblicherweise 0, 2- 0, 3 pm beträgt und bei dem sämtliche Kristalle im Submikronbereich, bevorzugt im Bereich unter 0, 4 m, vorliegen. Dies ist um so überraschender, da in Fachkreisen allgemein bekannt ist, dass sich die Schleifleistung von Sinterkorunden mit feiner wer- dender Struktur-besonders im d50-Bereich unter 0,5 pm-drastisch erhöht.

Wie die Beispiele 1-6 und die Vergleichsbeispiele 7-11, die den Einfluß der Sinterbedingungen auf die Struktur und die Leistungsstärke von Sinterkor- unden beschreiben, zeigen, weist die Leistungskurve der A1203/SiC-Nanokomposits einen nicht linearen

Verlauf mit einem Maximum bei einer Sintertempera- tur zwischen 1400 °C-1450 °C auf. In diesem Tem- peraturbereich treten bei einer Haltezeit von 30 Minuten die ersten grobkristallinen und stengeligen Kristalle in der Matrix auf. Die groben A1203- Kristalle weisen bevorzugt eine längliche Form auf mit einem Verhältnis Lange zu Breite zwischen 2 : 1 und 10 : 1, besonders bevorzugt zwischen 4 : 1 und 6 : 1.

Typische Bilder der Matrix mit den grobkristallinen Einlagerungen sind als elektronenmikroskopische Aufnahmen in den Abbildungen 3 und 4 auf Seite 19 wiedergegeben. Unterhalb von 1400 °C tritt eine rein submikrone Struktur auf, wobei sämtliche Teil- chen im Bereich < lpm, bevorzugt < 0,5 m vorlie- gen. Die Leistungsstärke dieser Materialien liegt ebenfalls über der von reinen Sol-Gel-Korunden nach dem Stand der Technik, aber überraschenderweise un- ter den im o. g. Temperaturbereich gewonnen Stoffe mit grobkristallinen Einlagerungen. Bei noch höhe- ren Sintertemperaturen, die ein verstärktes Auftre- ten von groben Kristallen mit sich bringen, fällt die Leistungskurve dann wieder ab.

Jedoch selbst bei Sintertemperaturen von 1500 °C mit hohen Anteilen an groben Kristallen werden noch Schleifleistungen erreicht, die auf dem Niveau der besten reinen Sol-Gel-Korunde liegen. Bei den rei- nen Sol-Gel-Korunden ist dagegen ein nahezu linea- rer Verlauf des Leistungspotentials mit der Fein- heit der Struktur zu erkennen und erst im Submi- kronbereich bei einer mittleren Kristallitgröße d50 < 0,4 pm werden gute Leistungen erzielt.

Offensichtlich bewirken die groben Kristallite bei den Nanokomposits eine Art Gefügeverstärkung, die sich positiv auf das Verschleißverhalten des Korns auswirkt, und kompensieren nicht nur die-aufgrund des Kornwachstums-erwartete Leistungsminderung, sondern verhelfen-in Kombination mit den eingela- gerten Nano-SiC-Teilchen-dem Schleifkorn sogar zu einer deutlichen Leistungssteigerung.

Anhand der Beispiele in Tabelle 4 ist zu erkennen, dass sich die Produktverbesserung durch die Einla- gerung von SiC-Teilchen nicht nur auf Nano-SiC- Pulver beschränkt, sondern auch mit Körnern, die relativ grobe SiC-Einlagerungen aufweisen, hervor- ragende Schleifleistungen erzielt werden. Eindeutig ist jedoch der Trend, dass die Schleifleistungen um so besser sind, je feiner die eingesetzten SiC- Pulver sind. Aus kommerziellen Gründen und aus Gründen der Verfügbarkeit wurden bei der Herstel- lung des erfindungsgemäßen Schleifkorns zunächst ausschließlich die in den Beispielen aufgeführten Pulver eingesetzt, die durch Feinstmahlung von technischem SiC, das über das Acheson-Verfahren ge- wonnen wurden. Man kann jedoch davon ausgehen, dass sich beim Einsatz noch feinerer Pulver der o. g.

Trend weiter fortsetzt.

Die SiC-Teilchen beim erfindungsgemäßen Nanokompo- sit können sowohl intragranular, in den A1203- Matrix-Partikeln, als auch intergranular, an den Korngrenzen zwischen den Al203-Partikel, angeordnet sein, wobei zu beobachten ist, dass die kleineren Partikel bevorzugt intragranular einbaut sind. Wel- chen Einfluß die Art der Einlagerung der SiC-

Teilchen auf die Schleifleistung hat, ist Gegen- stand weitergehender Untersuchungen und kann zur Zeit nur spekulativ betrachtet werden.

Einige Theorien werden in den bereits zitierten Veröffentlichungen diskutiert, die sich jedoch wie- der ausschließlich auf einzelne Eigenschaften von Kompositmaterialien beziehen und nicht die Auswir- kung der Summe der Eigenschaften, die für die Schleifleistung entscheidend ist, berücksichtigen.

Allerdings zeigen die Beispiele 14-17 eindeutig den Trend, dass mit abnehmender Partikelgröße der Einlagerungen die Schleifleistung ansteigt. Woraus der Schluß gezogen werden kann, dass vor allem in- tragranular eingelagertes SiC für die Verbesserung der Schleifleistung verantwortlich ist.

Durch die Erfindung wird daher ein Nanokomposit- Schleifkorn auf A1203-Basis mit überwiegend intra- granular eingelagerten SiC-Nanoteilchen geschaffen, das eine Härte (HVo2) größer 18 GPa aufweist, des- sen Dichte über 95 % der theoretischen Dichte liegt und das einen Leistungsfaktor LF25 > 75 % besitzt (* = gemessen als Mittelwert aus 20 Einzelmessun- gen auf dem Werkstoff 100Cr6 (HRc = 62) mit einer Schnittgeschwindigkeit von 30 m/s, einer Zustellung von 20 m, einer Werkstückgeschwindigkeit von 0, 5 mm/s und unter Einsatz einer 3%-igen Emulsion als Kühlmittel).

Im folgenden wird die Erfindung beispielhaft erlau- tert, ohne dass darin eine Einschränkung zu sehen ist.

Beispiele 1-6 Suspension A (Böhmit-Sol) 10 kg Pseudoböhmit (Disperal, Fa. Condea) werden unter Einsatz eines Dispergators (Typ Megatron MT 1-90, Fa. Kinematica) in 50 1 destilliertem Wasser, dessen pH-Wert durch Zugabe von ca. 300 ml konz.

Salpetersäure auf 2,4 eingestellt wurde, disper- giert. Zu der Dispersion werden-ebenfalls unter Einsatz des Dispergators-ca. 300 ml einer 50 %- igen a-Al203-haltigen Keim-Slurry mit einer maxi- malen Partikelgröße dmax = 0,4 µm, die durch Naßver- mahlung und anchließendes Zentrifugieren eines feinteiligen a-Al203-Pulvers (CS400M, Fa. Martins- werk) gewonnen wurde, zugegeben. Im Sol befinden sich nach Zugabe der Keim-Slurry ca. 2 Gew.-% Al203-Kristallisationskeime.

Suspension B (SiC-Suspension) 1,5 g einer 50-% igen wassrigen Polyaethylenimin Su- pension (Fa. Fluka) werden unter starkem Rühren in 600 ml destilliertes Wasser gegeben. Anschließend werden in die verdünnte Suspension 30 g nanoskali- ges SiC (UF 45, Fa. H. C. Starck) eingerührt.

Die Suspension B wird unter Rühren dem Böhmit-Sol (Suspension A) zugegeben und der pH-Wert der Mi- schung wird mit Hilfe von Salpetersäure auf 1, 8 eingestellt. Anschließend wird die Mischung unter standigem Rühren auf 95 °C erhitzt und die Gelie-

rung wird durch tropfenweise Zugabe von weiterer Salpetersäure eingeleitet. Das Gel wird nach dem Abkühlen im Trockenschrank bei 85 °C getrocknet.

Das getrocknete Gel wird auf eine Partikelgröße kleiner 5 mm vorzerkleinert und anschließend bei ca. 500 °C kalziniert.

Bei den Beispielen 1-6 wurden lediglich die Sin- tertemperaturen variiert. In der Tabelle 1 sind die gemessenen Härtewerte, Leistungsfaktoren und Kri- stallitgefüge in Abhängigkeit von den Sinterbedin- gungen aufgeführt.

Tabelle 1 : Beispiele 1-6 Beispiel Sinterprogramm* Harte (HVo, 2) Kristallitgafüge (d50) LF25%) 1 1300/N2/60/30 11, 3 GPa < 0,4 µm 23 2 1350/N2/60/30 13, 3 GPa < 0,4 µm 29 3 1380/N2/60/30 19, 8 GPa < 0,4 µm 73 4 1400/N2/60/30 22, 9GPa 1 Wm 85 5 1450/N2/60/30 20, 7 GPa 5 - 10 µm 83 6 1500/N2/60/30 20, 1GPa 10-20 Wm 70 * Sinterprogramm = Sintertemperatur (°C)/Ofenatmosphäre/Aufheizra- te (°C/min)/Haltezeit (min) Vergleichsbeispiele 7-11 (ohne SiC-Einlagerungen) 10 kg Pseudoböhmit (Disperal, Fa. Condea) werden unter Einsatz eines Dispergators (Typ Megatron MT 1-90, Fa. Kinematica) in 50 1 destilliertem Wasser, dessen pH-Wert durch Zugabe von ca. 300 ml konz.

Salpetersäure auf 2,4 eingestellt wurde, disper- giert. Zu der Dispersion werden-ebenfalls unter Einsatz des Dispergators-ca. 300 ml einer 50 %- igen a-Al203-haltigen Keim-Slurry mit einer maxi-

malen Partikelgröße dmax = 0,4 m, die durch Naßver- mahlung und anchließendes Zentrifugieren eines feinteiligen a-Al203-Pulvers (CS400M, Fa. Martins- werk) gewonnen wurde, zugegeben. Im Sol befinden sich nach Zugabe der Keim-Slurry ca. 2 Gew.-% Al203-Kristallisationskeime.

Der pH-Wert der Mischung wird mit Hilfe von Salpe- tersäure auf 1,8 eingestellt. Anschließend wird die Mischung unter ständigem Rühren auf 95 °C erhitzt und die Gelierung wird durch tropfenweise Zugabe von weiterer Salpetersäure eingeleitet. Das Gel wird nach dem Abkühlen im Trockenschrank bei 85 °C getrocknet. Das getrocknete Gel wird auf eine Par- tikelgröße kleiner 5 mm vorzerkleinert und an- schließend bei ca. 500 °C kalziniert.

Auch bei den Vergleichsbeispielen 7-11 wurde le- diglich die Sintertemperatur variiert. Die Tabelle 2 zeigt die gemessenen Härtewerte, Leistungsfakto- ren und Kristallitgefüge in Abhängigkeit von den Sinterbedingungen.

Tabelle 2 : Vergleichsbeispiele 7-11 Beispiel Sinterprogramm* Härte(HV0,2) Kristallitgefüge (d50) LF25 (%) 7 1240/N2/60/30 19, 7GPa 0,2-0,3 75 8 1300/N2/60/30 22, 4GPa 1 Wm 63 9 1350/N2/60/30 23, 1 GPa 1 - 5 µm 60 10 1400/N2/60/30 21, 6 GPa 3 - 7 µm 49 11 1450/N2/60/30 20, 6 GPa 5 - 10 µm 40 * Sinterprogramm = Sintertemperatur (°C)/Ofenatmosphäre/Aufheizra- te °C/min)/Haltezeit (min) Beispiel 12 Die Herstellung von Beispiel 12 erfolgte analog zu den Beispielen 1-6. Es wurden jedoch 75 g nanoskaliges SiC UF45 eingesetzt.

Beispiel 13 Die Herstellung erfolgte analog zu Beispiel 12.

Statt 75 g wurden 150 g nanoskaliges SiC UF45 ein-

gesetzt. Die Tabelle 3 zeigt die Leistungsfaktoren in Abhängigkeit von der SiC-Konzentration.

Tabelle 3 : Beispiele 4,12 und 13 Beispiel Sinterprogramm Hãrte (HVo, 2) SiC-Anteil (Mol-%) Lof25 4 1400/N2/60/30 22, 9GPa 1,0 85 12 1400/N2/60/30 22, 4GPa 2,5 59 13 1400/N2/60/30 23, 1 GPa 5,0 37 Beispiel 14 Die Herstellung von Beispiel 14 erfolgte analog zu Beispiel 4. Statt SiC UF45 wurde das etwas gröbere SiC UF25 (Fa. H. C. Starck) eingesetzt. Gesintert wurde bei einer Temperatur von 1400 °C in Stick- stoffatmosphäre. Die Aufheizrate betrug 60 °C pro Minute und Haltezeit lag bei 30 Minuten.

Beispiel 15 Die Herstellung von Beispiel 15 erfolgte analog zu Beispiel 14. Statt SiC UF25 wurde das gröbere SiC UF15 (Fa. H. C. Starck) eingesetzt.

Vergleichsbeispiel 16 Die Herstellung von Beispiel 16 erfolgte analog zu Beispiel 15. Statt SiC UF15 wurde ein SiC P1000 (Fa. Elektroschmelzwerk Kempten) eingesetzt.

Vergleichsbeispiel 17 Die Herstellung von Beispiel 17 erfolgte analog zu Beispiel 16. Statt SiC P1000 wurde ein SiC P600 (Fa. Elektroschmelzwerk Kempten) eingesetzt.

Die Tabelle 4 zeigt den Leistungsfaktor der Nano- komposits in Abhängigkeit von der Partikelgröße des eingelagerten SiC's Tabelle 4 : Beispiele 4, 15-18 Beispiel SiC mittlere PartikelgroBe d5o Harte (HVa, 2) LFzS (%) 4 UF45 300 nm 19, 7 GPa 85 14 UF25 500 nm 22, 4 GPa 82 15 UF15 600 nm 23, 1 GPa 77 16 P1000 18 pm 21, 6 GPa 73 17 P600 26 pm 23, 3 GPa 58

Schleiftests Zusätzlich zum Ritztest wurden einige ausgewählte Beispiele in Schleifbändern einem Schleiftest un- terzogen. Die Ergebnisse der Test sind in der Ta- belle 5 zusammengefaßt.

Tabelle 5 : Schleiftests (Bandschleifen) Stahlsorte Schleifkorn Turbinenstahl Titanlegierung Abtrag (g) Leistung Abtrag (g) Leistung (95) Beispiel 4 1096 145 127 176 Beispiel 5 994 131 109 151 Beispiel 14 1023 135 112 155 Beispiel 15 843 111 85 118 Beispiel 7 781 103 68 94 handelsublicher 757 100 72 100 Sol-Gel-Korund Schmelzkorund 320 42 23 32