Schleifmittel

Als Scheifmittel bezeichnet man Hartstoffkörner, welche in einer ‎Matrix‎ gebettet sind oder Zusammenhalt durch chemische Bindung erfahren. Während des Schleifens wird die Materialzerspanung über das Eingreifen und Abtragen der Hartstoffkörner in den Werkstoff realisiert. Für diesen Prozess muss der Kornwerkstoff härter sein als der zu schleifende Werkstoff. Ebenfalls sollte das Schleifmittel hohen thermischen Belastungen stand halten können und chemisch belastbar sein.

Kornwerkstoffe

Kornwerkstoffe können ihrem Ursprung nach in natürliche und synthetische Stoffe eingeteilt werden:

Natürlich

Zu den natürlichen Kornwerkstoffen zählen (Natur-)Diamant, Korund, Quarz, Garant und Schmirgel. Da bis auf Diamant alle anderen vier Stoffe unzureichende Festigkeiten besitzen finden diese in der Industriellen Anwendung so gut wie keine Anwendung mehr. Lediglich für Handschleifarbeiten, wie das Schärfen von Messern oder Schleifscheiben für den Allzweckeinsatz in Werkstätten, kommen diese noch zum Einsatz. Die fehlende Reproduzierbarkeit ist ebenfalls ein Grund für ihre Verdrängung. Da sie, vor allem im Handwerk, aber immer noch eine gewisse Daseinsberechtigung besitzen sollen sie hier dennoch näher beschrieben werden:

• Quarz

- Zu den Quarzen zählen als Schleifmittel vor allem Flint und Tripel. Sie bestehen zum Großteil aus SiO₂, genannt Silizuimdioxid, und Verunreinigungen wie Titandioxid (TiO₂) und Rost (FeO). Da Flint mit 820 HK ein relativ weicher Stoff ist, findet er vor allem in der Holz- und Lederindustrie Anwendung als Schleifmittel für Werkzeuge. Tripel kommt in Pasten beim Polierschleifen von Metallen zum Einsatz.

• Korund und Schmirgel

- Korund und Schmirgel bestehen zum größten Teil aus Aluminiumoxid (Al₂O₃). Bei Korund beträgt der Anteil 80-95% und bei Schmirgel bis zu 60%. Da Schmirgel zum anderen einen hohen Anteil an dem Eisenoxid Fe₂O₃ besteht ist es wesentlich weicher als Korund. Da allerdings beide Stoffe blockig und glatt brechen bilden sie kaum scharfkantige Schneiden und sich nur bedingt einsetzbar.

• Garant

- Garant wird hauptsächlich auf Schleifpapieren eingesetzt. Er besitzt eine hohe Härte von 1360 HK und bricht "muschelförmig" und bildet dabei zahlreiche neue Kanten.

• Naturdiamant

- Naturdiamant besitzt eine Sonderstellung unter den natürlichen Schleifmitteln, da es der härteste natürliche, uns bekannte Stoff ist. Diamant ist chemisch reiner Kohlenstoff (C), welcher unter besonders hoher Hitze- und Druckeinwirkung über lange Zeit kristallisiert. Da 80 % der gefundenen natürlichen Diamanten zu klein sind für eine Verwendung als Schmuckdiamant werden sie in der Industrie eingesetzt. Ihre Eigenschaften sind nahezu identisch mit der synthetischer Diamanten (LEIC75), können allerdings Verunreinigungen aufweisen.
Größere Industriediamanten mit hoher Reinheit werden in Geräten zur Härteprüfung, Abrichtwerkzeugen, Ziehsteinen und Abdrehdiamanten eingesetzt. Mittelgroße Diamanten werden in Tunnelvortriebsmaschinen und Bohrkronen für die Erdölindustrie eingesetzt. Kleinere, unreine Diamanten werden Boart genannt und kommen in gebundener Form beim Schleifen in den verschiedensten Diamantwerkzeugen und in loser Form beim Polieren zum Einsatz. Naturdiamant wird in der Schleifmittelindustrie in den Körnungen 1 bis 1100 μm Korndurchmesser verarbeitet. Der Naturdiamant wird hauptsächlich zum Schleifen und Trennen von Glas, Keramikprodukten, Hartmetallen, Kunststoffen sowie von Beton, Natur- und Kunststeinen als auch in stehenden und rotierenden Abrichtwerkzeugen eingesetzt. Für Stahl ist Diamant aus zweierlei Gründen als Schleifmittel ungeeignet. Zum einen kann der Kohlenstoff bei den hohen beim Schleifen entstehenden Temperaturen in den Stahl diffundieren und zum anderen graphisiert Diamant bei den hohen Temperaturen im Randbereich. Dieser ist wiederum gut im Eisen löslich.

Synthetisch

Aufgrund ihrer Reproduzierbarkeit und hohen Reinheit haben synthetische Hartkornstoffe ihre natürlichen Vertreter weitestgehend aus den industriellen Prozessen verdrängt. Die wichtigsten synthetischen Schleifstoffe sind: synthetischer Korund, Siliziumcarbid, kubisches Bornitrid und synthetischer Diamant. Da diese die wesentlich bedeutenderen Vertreter sind werden sie auch ausführlicher beschrieben als die natürlichen Schleifmittel:

Korunde

Korund besteht wie bereits oben beschrieben aus kristallinem Aluminiumoxid (AL₂O₃). Synthetisches Korund lässt sich allerdings ohne Verunreinigungen herstellen. Korunde lassen sich auf verschiedene Arten Herstellen und nach diesen Unterteilen:

• Schmelz- bzw. Elektrokorunde

  - Als Ausgangsstoff für Schmelzkorunde dient das natürlich vorkommende Bauxit, aus welchem auch unter anderem reines Aluminium gewonnen werden kann. Je nach Anforderung wird Rohbauxit oder reine Tonerde in Elektroöfen verschmolzen. Das Rohbauxit wird zunächst kalziniert (geröstet) wohingegen die reine Tonerde aus Rohbauxit mit dem Bayer-Verfahren gewonnen wird. Das Rohbauxit wird weiterhin mit 16% Eisen und 4% Koks und die Tonerde alleinig bei 2000°C verschmlozen. nach dem Abkühlen, während dessen die Schmelze kristallisiert, werden beide Schmelzen gebrochen bzw. gemahlen, magnetgeschnitten und nach Körnung gesiebt.

  • Edel-, Halbedel und Normalkorunde aus Rohbauxit
  • Einkristall- und Zirkonkorund aus reiner Tonerde
• Sinterkorund

  - Durch Sintern von gemahlenem Rohbauxit lässt sich Sinterbauxitkorund und durch das Sintern eines Aluminiumhydroxidgels ein Sol-Gel-Korund herstellen. Für Sinterbauxitkorund wird gemahlener Rohbauxit mit Wasser, Bindestoffen und Presshilfsmitteln gemischt. Die pastöse Masse wird dann extrudiert, auf Länge geschnitten und anschließend gesintert. Bedingt durch den Herstellprozess bildet sich eine gleichmäßige, feinkristalline Kornstruktur aus. Beim Sol-Gel-Verfahren wird in einem ersten Schritt aus einem Feststoff durch Zugabe von Wasser eine kolloide Lösung hergestellt. Die in dem Medium gelösten Feststoffteilchen weisen eine Größe auf, die in der Regel zwischen 1 nm und 1 μm liegt. Damit erfüllen sie die Forderung einer kolloiden Lösung, in der die dispersen Teilchen größere Abmessungen als die von einfachen Molekülen haben sollen. Kolloiddisperse Stoffe in Flüssigkeiten werden als kolloide Lösungen oder allgemein auch als Sole bezeichnet. Ist das Dispersionsmittel Wasser, so spricht man auch von Hydrosolen. Zur Stabilisierung und zur Auflösung von Agglomeraten und damit zur Erhöhung des Dispersionsgrades wird dem Gemisch ein sog. Peptisator beigemischt. Aluminiumhydroxid wird z. B. durch Salzsäure oder Salpetersäure peptisiert [N.N.82]. In den meisten Fällen ergibt sich in dem Hydrosol ein pH-Wert zwischen 2 und 3. Durch weitere Zugabe von Elektrolyten wird das Sol dehydriert, d. h., die dispersen Teilchen polymerisieren und es entsteht eine gallertartige Masse, das Gel. Hierdurch wird die Erzeugung einer homogenen Masse mit orientierter Ausrichtung der einzelnen Kristalle erreicht. Der Vorgang der Gelbildung kann daher als kontrollierte und gleichzeitig orientierte Ausflockung beschrieben werden [HERM73].

  • Sinterbauxitkorund aus gemahlenem Rohbauxit
  • Sol-Gel-Korund aus Aluminiumhydroxidgel

Siliziumkarbide

Im Widerstandsofen lässt sich Quarzsand zu Siliziumcarbiden erschmelzen. Vergleichbar zu den Korunden lassen sich dabei durch Anpassung der Prozessparameter Reinheit, Festigkeit und Farbe einstellen. Man unterscheidet die Güte der Siliziumkarbide ausgehend von der Farbe in grün und ‎schwarz‎.

• Herstellung

-Für die Herstellung wird ein Gemisch aus 53% Quarzsand, 40% Kohle, 5% Sägemehl und 2% Kochsalz angesetzt. Die wesentliche Reaktion während der Schmelze lautet
SiO₂ + 3C -> ‎SiC‎ + 2CO. Das zugegebene Sägemehl dient der Auflockerung des Gemisches und der damit verbundenen Abführung des CO-Gases. Das Kochsalz NaCl^- fördert die Reinigung und Abscheidung von Verunreinigungen, wie Eisen oder Aluminium. Insgesamt dauert der Prozess ca. 36 Stunden und erfolgt bei 2000-2400 °C ind 5 bis 20 Meter langen Öfen. Nachdem die Schmelze abgekühlt ist wird die SiC-Kruste ausgeschält. Umgeben ist sie von einer Schicht des Gemisches, welche nicht reagiert und lediglich der Wärmeisolation dient, und einer Zone nur teilweise umgesetzten Materiales aus SiO2, Si, C und ‎SiC‎. Selbst umgibt die eigentliche Siliziumkarbid-Schicht schalenartig einen Graphitkern. Die aus kleineren und größeren SiC-Kristallen zusammengebackene, röhrenförmige Kruste wird im Anschluss gebrochen, geputzt und sortiert in die Qualitäten 1+2, sowie 3-5. Die Qualitäten 3-5 sind an diesem Punkt fertig für den weiteren Einsatz in der metallurgischen Industrie. Die Qualitäten 1+2 werden weiter gebrochen und gemahlen, um daraufhin säurebehandelt, gewaschen und über Magnete weiter gereinigt zu werden. Abschließend wird das Siliziumkarbid gesiebt, geschlämmt und in die Körnungen 8 bis 800 als SiC-grün und in die Körnung 1200 als ‎SiC‎-‎schwarz‎ sortiert.

• Eigenschaften

- Je nach dem Anteil der Verunreinigungen und Lage im Ofen beim Schmelzen verändern sich die Eigenschaften und Zusammensetzungen der Siliziumkarbide. Die Grünfärbung des 98 %-igen ‎SiC‎ lässt sich auf Stickstoffanteile von 10^-4 bis 10^-3 % zurückführen. Das schwarze, 97%-ige ‎SiC‎ wird durch kleine Mengen Aluminium bzw. Aluminiumoxid hervorgerufen. In der Literatur ist die Härte unabhängig von der Kristallorientierung und den vorhandenen Verunreinigungen in einem Bereich von 2450 bis 3000 HK angegeben. Siliziumkarbid besitzt damit von den konventionellen Schleifmitteln die größte Härte. Siliziumkarbid ist vergleichsweise spröde, kann Wärme allerdings wesentlich besser innerhalb des Korns ausgleichen als beispielsweise Korund. Es ist weiterhin eine chemisch sehr stabile Verbindung und ist auch bei hohen Temperaturen säurebeständig. Einzig Phosphorsäure schaffte es bei 200-300°C das Siliziumkarbid anzugreifen.

Kubisches Bornitrid

Kubisches Bornitrid (cBN) konnte erstmals im Jahre 1957 synthetisiert werden und wird seit 1968 industriell hergestellt. Unter dem Handelsnamen Borazon wurde es von der Firma General Electric Company USA auf den Martk gebracht. Anders als die meisten anderen Schleifmittel wird cBN in Form eines Schleifbelages auf einen Grundkörper aufgebracht. Zu den wesentlichen Vorteilen des cBN gegenüber Diamant zählt die höhere thermische Stabilität und die Eignung zum Schleifen eisenhaltiger Werkstoffe.

• Herstellung

- Mittels Pyrolyse von Borchlorammoniak unter Temperatur (1800-2700°C) und hohem Druck (50.000-90.000 bar) wird cBN unter Verwendung eines Katalysators gewonnen. Die chemische Gleichung zu dieser Reaktion lautet: BCl³•NH³ -> (c)BN + 3HCl. Nach der Pressung werden die Presslinge weiter chemisch durch Reinigung in Säurebädern aufbereitet und zur Körnungsaufbereitung gegeben. Dabei werden die die Körner durch Oberflächenbehandlung oder Beschichtungen auf das jeweilige Einsatzgebiete vorbereitet. Die Klassierung der Körnung erfolgt wie bei Korund durch Sieben und Schlämmen.

• Eigenschaften und Vorteile

- Bornitrid zeigt im Vergleich zum synthetischen und natürlichen Diamanten technologische und wirtschaftliche Vorteile bei der Schleifbearbeitung eisenhaltiger Werkstoffe. Im Vergleich zu den konventionellen Schleifmitteln bietet es vor allem beim Schleifen schwerzerspanbarer Stähle mit hohen Legierungsanteilen und Härten über 55 HRC Vorteile.
In Laborversuchen konnte festgestellt werden, dass sich eine Schicht Boroxid auf der Oberfläche der Körner bildet, wenn diese bei warmer, trockener Luft bei 1200°C geglüht werden. Diese Schicht wirkt stark verschleißhemmend. Das bedeutet, dass je heißer cBN wird (bis zu einem bestimmten Grad), desto höher wird dessen Standzeit.

Synthetischer Diamant

Da das Mienen von natürlichen Diamanten teuer ist und die Vorkommen begrenzt sind wird der überwiegende Teil der Industriediamanten synthetisch hergestellt.

• Herstellung

- Aus reinem Graphit wird unter Drücken von bis zu 120.000 bar und Temperaturen um 2.000 °C unter Anwesenheit metallischer Katalysatoren Diamant synthetisiert. Durch die Optimierung der Synthesebedingungen, also dem Zusammenspiel von Temperatur, Druck und Katalysatoren, lässt sich die Wachstumsrate der Kristalle in einem Bereich von mehreren Prozenten regeln. Durch die optimierten Prozessparameter reduziert sich die Zeit bei der Synthese auf wenige Sekunden. Natürliche Kristalle sind wahrscheinlich vor 70 bis 150 Millionen Jahren in Tiefen unter 150 km unter einem Druck von ca. 67.000 bar und Temperaturen von 2000° Celsius entstanden. Sich auf die natürliche Entstehung neuer Diamanten zu verlassen war daher unmöglich.

• Eigenschaften

- Die wichtigste Eigenschaft von Diamant ist wie bereits oben beschrieben seine enorme Härte. Mit 7.000-8.000 HK ist er ungefähr doppelt so hart wie herkömmliche Schleifmittel, wie Korund und Siliziumkarbid. Während die Härte bei diesen Kornarten von der Kristallorientierung weitgehend unabhängig ist, kann man beim synthetischen Diamanten eine ausgeprägte Abhängigkeit feststellen [HOWE75]. Danach beträgt die Härte in der (110)-Ebene 123 % und in der (100)-Ebene 138 % der Härte in der (111)-Ebene. Über die Zähigkeit von Diamantkörnern ist aus dem Schrifttum wenig bekannt. In begrenztem Maße kann das Syntheseverfahren und eine Nachbehandlung die Zähigkeit beeinflussen. Diamant hat im Vergleich zum Korund oder Siliziumkarbid eine sehr große Wärmeleitfähigkeit. Das Diamantkorn gibt daher die in der Zerspanungszone entstehende Wärme schnell an die Bindung weiter. Das kann z. B. unter extremen Bedingungen beim Einsatz einer Kunstharzbindung zu ihrer Zerstörung an der Schnittstelle Korn/Bindung und somit zu frühzeitigem Kornausbruch führen. Beschichtungen der Diamantkörner mit Nickel, Kobalt oder Verbundmetallen wirken daher als Wärmebremse. Sie können darüber hinaus den Haftschluss zwischen Korn und Bindung erhöhen. Unter Einwirkung kleiner Drücke setzt beim Diamanten bei Temperaturen ab ca. 900°C unter der Voraussetzung, dass genügend Sauerstoff vorhanden ist, eine Graphitisierung ein [GULB50].

Bindung

Alle Schleifwerkzeuge nach DIN 69 111, ausgenommen lose, ungebundene Schleifkörner, werden in einer ‎Matrix‎ gebunden. Diese hält die Hartkörner zusammen und verbindet diese ebenfalls mir einer Unterlage. Alle Komponenten mit Ausnahme der Körner werden zusammengefasst als Bindung bezeichnet. Die Bindung soll die Schleifkörner dabei allerdings nur so lange halten, bis diese abgenutzt sind. Dann soll die Bindung diese freigeben, um Platz für die darunterliegenden, noch scharfkantigen Körner zu machen. Dies nennt man auch abrasive Abnutzung. Ebenfalls sollen die Schleifkörner nicht aufgrund von Scherkräften freigegeben werden, die beim Schleifen entstehen. Billig verarbeitete Schleifmittel erfüllen vor allem den letzten Punkt oft nicht. Man unterteilt die verschiedenen Bindungen meist in Kunstharz-, Keramik- und Metallbindungen. Diese müssen auf die jeweilige Anwendung angepasst werden und liegen in zahlreichen Variationen vor.

Kunstharzbindung

Kunstharzbindungen kommen in unterschiedlichen Ausführungen vor:

• Kunstharz oder Kunstharzkombination
• mit Füllstoff oder
• ohne Füllstoff.

Meist werden die Kunstharze in Trockenmischverfahren mit den Schleifkörnern verbunden. Phenolresol wird dabei zur Kornbenetzung eingesetzt, sowie ein Phenol-Pulverharz auf der Basis Novolak-Hexamethylentetramin verwendet wird. Obwohl heute eine enorme Vielfalt an verschiedensten Kunstharzen besteht sind die Phenolharze oder Phenolplaste immer noch unbestritten die am häufigsten eingesetzten Bindungskomponenten der Kunstharzbindungen.

Um eine Einstellung der Bindungseigenschaften zu ermöglichen greift man auf eine chemische Modifikation der Phenol-Pulverharze zurück. Durch die Zugabe von Elastomer-Verbindungen lassen sich Härte und Sprödheit der Bindungen beeinflussen. Mit Hilfe der Epoxidharzmodifizierung lassen sich auch Glasfasernetze in die Schleifscheiben einarbeiten, welche die Vorteile eines Faserverbundstoffes mit sich bringen.

Vorteile von Kunstharzbindungen sind:

• Unempfindlichkeit gegen Schlag oder Stoß sowie seitlichen Druck
• das Erlauben von hohen Umfangsgeschwindigkeiten und Zerspanungsvolumina beim Trenn- und Schruppschleifen
• das Ermöglichen von hohen Oberflächengüten durch eine hohe Elastizität bei Polier- und Feinschleifscheiben

Daraus ergeben sich für kunstharzgebundene Schleifscheiben die Hauptanwendungsgebiete im Bereich des Trenn- und Schruppschleifens.

Keramikbindung

Als ‎Matrix‎ für keramische Bindungen kommen Mischungen aus den natürlichen Silikaten roter und weißer Ton, Kaolin und Feldspat, weiterhin Quarz und als Zusatzmittel Fritten (Fritten: Mehrzahl von Fritte; pulverförmige oder körnige Materialien, die bis zum losen Aneinanderhaften der Teilchen erhitzt werden) zum Einsatz. Die Fritten dienen in diesem Zusammenhang als Flussmittel und verleihen der Keramik bestimmte Eigenschaften. Sie senken ebenfalls die Brenntemperatur des Gemisches. Vor allem bei den borhaltigen Fritten haben sich die besonderen Eigenschaften des Borax bemerkbar. Dieser erstarrt nach dem Erkalten glasartig, nachdem er mit Metalloxiden bei niedriger Temperatur eine Schmelze gebildet hat.

Die übrigen Bestandteile und ihre Volumenanteile bestimmen die Festigkeit der Bindungsbrücken. Alle Bestandteile werden nach einer Rohstoffprüfung durch Brechen, Mahlen, Sieben und Windsichten aufbereitet. Je nach den gewünschten Eigenschaften sind unterschiedliche Mischungsverhältnisse einzustellen. Die Bindungen müssen auf die jeweiligen Bearbeitungsbedingungen und das verwendete Schleifkornmaterial abgestimmt sein. Dabei unterscheidet man je nach Anteil der Glasphase an der Bindungsmischung:

• Schmelzbindungen mit hohem Glasphasenanteil,
• Bindungen mit mittlerem Glasphasenanteil und
• Sinterbindungen mit niedrigem Glasphasenanteil.

Die Eigenschaften der keramischen Bindungen lassen sich allgemein wie folgt zusammenfassen:

• spröde und daher vergleichsweise stoßempfindlich
• großer Elastizitätsmodul
• temperaturbeständig, aber empfindlich gegen Temperaturwechsel
• chemisch widerstandsfähig gegen Öle und Wasser

Metallbindungen

Es gibt eine Vielzahl an metallischen Bindungen. Alle weisen gegenüber den anderen beiden Bindungsarten eine erhöhte thermische Leitfähigkeit auf. Oft werden diese zusammen mit den Hartkörnern vermischt und gesintert. Weitere Eigenschaften im Überblick sind:

• hoher Verschleißwiderstand
• schwierig, oder bei einschichtig belegten Schleifscheiben nicht abrichtbar
• hohe Wärmeleitfähigkeit
• erhöhte Entstehung von Reibungswärme.

Füll- und Zusatzstoffe

Nebst den beschriebenen Stoffen enthalten Bindungen Zusatzstoffe und/oder Füllstoffe zum Einstellen der Eigenschaften.

• Füllstoffe bei Kunstharzbindungen

- Wichtige Eigenschaften die durch die Füllstoffe eingestellt werden können sind: Festigkeit, Hitzebeständigkeit, Zähigkeit und Bruchsicherheit. Verschiedene Materialen, wie Kalziumoxid in Form von Kreidemehl, Magnesiumoxid, Zinksulfid und Bariumsulfat, kommen dazu zum Einsatz. In Trennschleifscheiben mit Kunstharzbindung sind Bleichlorid und Antimontrisulfid, die zur Schmierung verwendet werden, wichtige Füllstoffe.

• Füllstoffe bei Keramikbindungen

- So genannte Ausbrennstoffe, wie gekörnter Koks oder Paraffin, kommen bei keramischen Bindungen zum Einsatz. Mit ihrer Hilfe kann eine Veränderung des Schleifkörpergefüges erreicht werden, ohne die mengenmäßige Zusammensetzung zu verändern. Man bezeichnet diese Art der Füllstoffe als effektive Verfüllung. Für erhöhte Umfangsgeschwindigkeiten sind besonders sichere und feste Bindungen einzusetzen. Erreicht werden diese Sprengfestigkeiten bei keramischen Schleifkörpern u. a. durch Zusatz von Lithium- und Borverbindungen.

Weiterführende Suche

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Hersteller

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Literatur und Quellen

• Fertigungsverfahren 2 - Band 2: Schleifen, Honen, Läppen; Professor Dr. Fritz Klocke; ISBN: 3-540-23496-9; Springer Verlag; 2005
• Grinding Process; Fritz Klocke; Springer Verlag; 2017