Hohle Korundmikrokugeln in Schleifwerkzeugen

Ein wichtiger Parameter für ein Schleifwerkzeug ist das Vorhandensein einer Pore (eines leeren Raums zwischen den benachbarten

Schleifpartikeln) von vorgegebener Größe. Dank der vorgegebenen Porengröße werden die Struktur und die Schneideigenschaften des Schleifwerkzeugs gebildet. Die offene Porosität im Schleifwerkzeug kann auf mehrere Weisen entstehen – alle offenen Poren in den Schleifmitteln entstehen aus der Zuordnung der Schleifmittelkörner zueinander und durch die Verwendung von ausbrennenden Zusätzen wie gebrochenen Fruchtkernen (Aprikosenkernschale, Walnussschale usw.), Naphthalin und ähnlichen Stoffen. Die Sackporen entstehen mit Hilfe von nicht ausbrennenden Zusätzen – Glas- und Alumosilikatmikrokugeln.

Die Verwendung von hohlen Korundmikrokugeln (Engl. Hollow Corundum Microspheres, nachfolgend HCM) von vorgegebener Größe im Schleifwerkzeug ermöglicht es, gleich mehrere Aufgaben zu lösen:

den Pressdruck bei der Formung der Mischung, die die Korundmikrokugeln enthält, zu reduzieren;
die räumliche Deformation des Erzeugnisses nach dem Brennvorgang 2- bis 3fach zu reduzieren (im Vergleich zu herkömmlichen Werkstoffen);
die Zeit der Durchmengung von keramischen Komponenten in Mengmaschinen durch die Kugelform der Mikrokugeln zu verkürzen;
die hohlen Korundmikrokugeln brennen bei dem Brennen nicht aus und belasten nicht die Umwelt (im Vergleich zu Naphthalin und Stearin);
dank der hohen Stoffreinheit reagieren die hohlen Korundmikrokugeln bei dem Brennen nicht mit dem keramischen Bindemittel und werden nicht zerstört;
die niedrige Wärmeleitfähigkeit der Korundmikrokugeln reduziert das Risiko von Brennspurenbildung;
die vorgegebenen Eigenschaften (Härtegrad) der Schleifscheibe im Vergleich zu der Alumosilikat- und Glasmikrokugel zu gewährleisten;
die Zeit des Werkzeugschleifens durch den Selbstschärfungseffekt 1,3fach zu verkürzen (im Vergleich zu der Glasmikrokugel);
den Schleifmittelverbrauch pro Werkstück durch verringerte Verschmierung und dementsprechend reduziertes Nachschärfen des Schleifwerkzeugs 1,25fach zu reduzieren;
Reduzierung von Fehlern (Brennspuren) beim Schleifen durch verbesserte Abkühlung und verringerte Verschmierung der Schleifwerkzeugoberfläche.

Sehen wir uns die grundlegenden Effekte bei der Verwendung der hohlen Korundmikrokugeln genauer an.

Mechanische Festigkeit und Kugelförmigkeit von HCM

Die Kugelform und die relativ hohe Festigkeit der Korundmikrokugel (40-120 MPa) gewährleisten ausgezeichnetes Fließverhalten der rohen Keramikmasse bei Rüttelformung, und bei der Formung in der Hydraulikpresse wird der Pressdruck 1,5- bis 2-fach reduziert. Die Pressdruckreduzierung ist durch Minderung der inneren Reibung der Keramikmassekomponenten bei deren Umverteilung und Verdichtung in der Pressform bedingt. Dank der reduzierten Energieintensität dieser Operation ist eine wesentliche Stromeinsparung in der Schleifwerkzeugproduktionsstufe möglich.

Räumliche Verformung und Wärmeausdehnungskoeffizient von НСМ

Bei dem Brennvorgang des Schleifwerkzeugs mit НСМ-Beigabe wird die räumliche Verformung 2- bis 3-fach reduziert. Das geschieht dank dem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Korundmikrokugel bei Erwärmung und Abkühlung. Die Abnahme der räumlichen Verformung des finalen Schleiferzeugnisses ermöglicht es, den Umfang der rohen Keramikmasse zu reduzieren, welche etwas überbemessen wird, damit das gebrannte Schleifwerkzeug später auf das zeichnungsgemäße Maß mechanisch bearbeitet werden kann. Bei der Massenherstellung von Schleifwerkzeugen können Dutzenden Tonnen Rohmasse jährlich eingespart werden.

Selbstschärfungseffekt von НСМ

Eine hohle Korundmikrokugel hat einen inneren geschlossenen Hohlraum von einer bestimmten Größe; die Größe des Hohlraums hängt von der Größe der Mikrokugel und der Wandstärke ab. Wenn HCM in die Keramikmasse zugegeben werden, geraten sie zwischen die scharfen facettierten Schleifmittelpartikeln und bilden Poren um sich. Ein Schleifkornpartikel (geschmolzenes Elektrokorund, Siliciumkarbid) ist viel fester, als die HCM Mikrokugel, deswegen wird das Metall hauptsächlich von den Schleifmittelkörnern geschnitten, und der dabei entstandene kleine Grat wird „sanft“ von den aufgedeckten Mikrokugeln abgeschnitten, die dann zerstört werden und neue scharfe Kanten bilden. Somit ist die aufgedeckte Mikrokugel selbstschärfend, und dank diesem Effekt weist die Oberfläche des bearbeiteten Werkstücks folgende Eigenschaften auf:

Niedrigere Rauigkeit des bearbeiteten Werkstücks pro Gang des Schleifwerkzeugs;
Niedrigere Verschmierung dank der Reinigung des Hohlraums der Korundmikrokugel und der benachbarten Poren durch den Kühlwasserstrahl und durch die Selbstschärfung, somit darf das Schleifwerkzeug seltener nachgeschärft werden und mehr Werkstücke werden von einem Schleifwerkzeug bearbeitet;
Bessere Abkühlung des Schleifwerkzeugs dank der vorgegebenen Porosität reduziert die Überhitzung der Schleifkörner und des bearbeiteten Werkstoffs. Dadurch wird der Ausschuss in Form von Brennspurenbildung auf funktionswichtigen Teilen gesenkt.

Größe und chemische Trägheit der НСМ Mikrokugeln

Da die НСМ aus Aluminiumoxid hergestellt sind, sind sie in ihrer chemischen Zusammensetzung gleichartig mit den grundlegenden Schleifmittelkörnern (in der Regel aus geschmolzenem Aluminiumoxid) und inert gegenüber den chemisch aggressiven Zusätzen (Bindemitteln) im Schleifwerkzeug, im Gegensatz zu anderen Füllstoffen wie Glas- oder Alumosilikatmikrokugeln, die in dem chemisch aktiven Bindemittel auflösen und damit die Härte des Schleifwerkzeugs erhöhen.

Dank der vergrößerten Oberfläche der hohlen Korundmikrokugeln sowie der Möglichkeit, die Mikrokugeln von verschiedenen Durchmessern (5-125 µm) mit Standardschleifmittelkörnern (Elektrokorund, Siliciumkarbid SiC oder Borazon (CBN)) zu vermischen, können einzigartige Eigenschaften zur Herstellung von hochporigem Schleifwerkzeug erzielt werden.

Durch die Kombination der F180 Körner, z. B. chromhaltigen Elektrokorunds, und der hohlen Korundmikrokugeln mit dem Raumverhältnis 70/30% oder der chromhaltigen Elektrokorundkörner F80 und der hohlen Korundmikrokugeln mit dem Raumverhältnis 85/15% können vorgegebene Porosität und gute mechanische Eigenschaften in den hochporigen Schleifscheiben erzielt werden.


Verteilung der Partikeln aus chromhaltigen Elektrokorund und der hohlen Korundmikrokugeln: links – Elektrokorund F80 (85%) Mikrokugeln HCM-180 (15%), rechts – Elektrokorund F180 (70%) Mikrokugeln HCM-180 (30%).

Hohe Brenntemperatur und Umweltfreundlichkeit der Verwendung von HCM