Schleifmittel

Als Scheifmittel bezeichnet man Hartstoffkörner, welche in eine ‎Matrix‎ gebettet werden. 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.

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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.