CH644339A5

CH644339A5 - Pressling fuer schleifzwecke und verfahren zu seiner herstellung.

Info

Publication number: CH644339A5
Application number: CH187880A
Authority: CH
Inventors: William Ian Wilson
Original assignee: De Beers Ind Diamond
Priority date: 1979-03-19
Filing date: 1980-03-11
Publication date: 1984-07-31
Also published as: GB2048927A; NL183091B; IE49294B1; IL59519A0; BR8001612A; FR2451802A1; AU523512B2; FR2451802B1; US4666466A; IL59519A; CA1136429A; NL183091C; SE445451B; AU5639080A; DE3008765C2; SE8002070L; JPS6320792B2; NL8001630A; IT8067403A0; DE3008765A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Pressling für Schleifzwecke, umfassend eine Masse aus Teilchen von kubischem Bornitrid und eine damit zu einem harten Konglomerat verbundene, zweite Phase, wobei der Gehalt des Presslings an kubischem Bornitrid wenigstens 80 Gew.% beträgt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Presslings.

Presslinge mit einem Gehalt an kubischem Bornitrid (im folgenden mit CBN abgekürzt) enthalten eine Masse von CBN-Teilchen, die zu einem harten Konglomerat zusammengebunden sind. Derartige Presslinge weisen im allgemeinen auch noch eine zweite Bindungs- oder Sekundärphase auf, wenn der CBN-Gehalt im allgemeinen wenigstens 70 Vol.% beträgt.

In der US-PS 3 743 489 ist ein Pressling aus kubischem Bornitrid beschrieben, welcher an einer gehärteten Karbidunterlage befestigt ist. Der Pressling enthält eine Masse aus Kristallen von kubischem Bornitrid und eine zweite, metallische Phase, welche ihrerseits Aluminiumatome sowie Atome wenigstens eines Legierungselemenes enthält, wobei das letztere Nickel, Kobalt, Mangan, Eisen, Vanadium und Chrom sein kann. Die Gesamtmenge an Aluminium und

Legierungselement liegt dabei oberhalb 1 Gew.% bezogen auf das vorhandene CBN.

In der US-PS 3 944 398 ist ein Pressling aus kubischem Bornitrid beschrieben, in welchem die zweite oder Bindungsphase Aluminium oder eine Aluminiumlegierung und eine keramische Substanz, beispielsweise Siliziumnitrid enthält. Während der Herstellung des Presslings erfolgt eine Wechselwirkung zwischen dem Aluminium oder der Aluminiumlegierung und der keramischen Substanz, so dass ein Hartmetall erzeugt wird.

In der US-PS 4110 084 ist ein Verfahren zur Herstellung eine für Schleifzwecke geeigneten Zusammensetzung beschrieben, welche CBN-Kristalle, Aluminium oder Aluminiumlegierung und eine keamische Siliziumkarbid-Unterlage enthält. Die Zusammensetzung wird unter relativ milden Druckbedingungen hergestellt, die derart sind, dass ein gegenseitiges Verwachsen benachbarter CBN-Kristalle nicht möglich ist.

InderGB-PS 1513990istdie Herstellung eines superharten Materials beschrieben, welches eine feste Lösung eines legierenden Zusatzes in dicht gepackter Anordnung mit Bornitrid enthält, wobei der legierende Zusatz wenigstens ein Element der dritten Gruppe des Periodensystems oder ein Borid eines solchen Elementes ist, das in der Lage ist, tetra-edrische Bindungen auszubilden. Diese Zusammensetzung hat, in Atomprozent ausgedrückt, folgende Bestandteile: Bor: 42 bis 61 Stickstoff: 39 bis 50 legierender Zusatz: 0,04 bis 30 Verunreinigungen: von 0,01 bis 2

Dieses Material ist somit eine feste Lösung und keine Masse aus CBN-Teilchen mit einer zweiten oder Bindungsphase. Das Material wird dadurch hergestellt, dass man eine passende Mischung aus hexagonalem oder wurzit-ähnlichem Bornitrid und dem Legierungszusatz Bedingungen erhöhter Temperatur und erhöhten Druckes unterwirft. Obwohl in der Patentschrift festgestellt ist, dass niedrige Temperaturen von etwa 1500°C und niedrige Drücke von etwa 50 Kilobar ausreichen, um das gewünschte Hartmaterial zu erhalten,

werden in sämtlichen Beispielen erheblich strengere Bedingungen angewandt. Die Tatsache, dass höhere Temperaturen und höhere Drücke erforderlich sind, ist aus der praktischen Erfahrung heraus nicht überraschend, da diese Bedingungen notwendig sind, um im wesentlichen alles hexagonale Bornitrid oder wurzit ähnliche Bornitrid in die kubische Form umzuwandeln.

Darüber hinaus kann das nach der Lehre der britischen Patentschriften hergestellte Hartmaterial dem Volumen nach nicht grösser als wenige Kubikmillimeter sein, und zwar aufgrund der erforderlichen, sehr strengen Herstellungsbedingungen. Daher kann dieses Material zwar eine begrenzte Brauchbarkeit als partikelförmiges Schleifmaterial haben, es ist jedoch für einen Pressling zu Schleifzwecken ungeeignet. Presslinge für Schleifzwecke sind grosse Körper mit Schleifwirkung, die zum Schleifen, Drehen, Schneiden und zur Durchführung anderer abreibender oder spanabhebender Arbeitsvorgänge eingesetzt werden.

Gemäss der Erfindung wird ein für Schleifzwecke geeigneter Pressling vorgeschlagen, der eine Masse aus Teilchen von kubischem Bornitrid und eine zweite Phase enthält, die mit dem Bornitrid zu einem harten kompakten Konglomerat verbunden ist. Benachbarte Teilchen aus kubischem Bornitrid sind sämtlich miteinander verbunden und bilden eine zusammengewachsene Masse. Der Gehalt des Presslings an kubischem Bornitrid beträgt wenigstens 80 Gew.%. Die zweite Phase besteht im wesentlichen aus Aluminiumnitrid und/oder -diborid.

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Durch die erfindungsgemässe Lehre wird die Aufgabe gelöst, einen gattungsgemässen Pressling für Schleifzwecke mit erheblich besserem Schleifverhalten zu schaffen.

Die zweite Phase - häufig auch Bindungsmatrix genannt -besteht im wesentlichen aus Aluminiumnitrid und/oder Alu-miniumdiborid. Dies heisst, dass abgesehen von Aluminiumnitrid und/oder Aluminiumdiborid, wobei es sich um Reaktionsprodukte zwischen Aluminium und CBN handelt, im wesentlichen keine weiteren Elemente anwesend sind. Sollten andere Elemente vorhanden sein, so liegen diese höchstens in Form von Spuren vor.

Der CBN-Gehalt des Presslings liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 85 und 95 Gew.%.

Weiterhin wird gemäss der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines für Schleifzwecke geeigneten Presslings mit einem Gehalt an kubischem Bornitrid vorgeschlagen, bei dem folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden: man bringt zur Ausbildung einer Reaktionsmenge eine Masse von Teilchen aus kubischem Bornitrid in Berührung mit einer Masse aus Aluminium; man bringt die Reaktionsmenge in eine Reaktionszone und erhöht dort den Druck auf 50 bis 65 Kilobar und die Temperatur auf 1400-1500°C; man hält diesen hohen Druck und diese hohe Temperatur so lange aufrecht, bis sich aus der Reaktionsmenge ein kompakter Pressling für Schleifzwecke bildet, und entnimmt diesen schliesslich der Reaktionszone.

Die Reaktionszone befindet sich in an sich bekannter Weise in einem üblichen Hochtemperatur/Hochdruck-Apparat. Normalerweise wird die Reaktionsmenge in eine Kapsel eingebracht, die ihrerseits dann in die Reaktionszone überführt wird. Anschliessend werden hierauf die Bedingungen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Druckes angewandt.

Die erhöhte Temperatur und der erhöhte Druck werden gewöhnlich wenigstens 5 Minuten lang aufrechterhalten, um den Pressling zu erzeugen. Im allgemeinen werden diese Bedingungen nicht länger als 60 Minuten aufrechterhalten, um den Apparat nicht zu beschädigen. Gewöhnlich findet eine Zeitdauer von weniger als 30 Minuten Anwendung.

Übliche Techniken werden dazu benutzt, um die Presslinge nach ihrer Erzeugung in der Reaktionszone zu gewinnen. Wenn beispielsweise mehrere Presslinge in einer zylindrischen Kapsel hergestellt werden, wird die Kapsel abgeschliffen oder abgeschält, worauf die einzelnen Presslinge herausgenommen werden können. Zwischen benachbarten Presslingen wird ein geeignetes Abschirmungsmaterial vorgesehen, um ein Zusammenbinden dieser einzelnen Presslinge zu verhüten.

Die Reaktionsmenge besteht ausschliesslich aus CBN-Par-tikeln und Aluminium, abgesehen natürlich von spurenför-migen Verunreinigungen. Die Reaktionsmenge enthält die Masse der CBN-Teilchen vorzugsweise in Berührung mit einer Aluminiumschicht, die beispielsweise in Gestalt einer Aluminiumfolie oder als Aluminiumpulver vorliegen kann. In diesem Falle infiltriert das Aluminium in die CBN-Masse während der Herstellung des Presslings. Die Reaktionsmenge kann auch eine Mischung aus CBN-Partikeln und pulverför-migem Aluminium enthalten.

Es wurde gefunden, dass ein erfindungsgemässer CBN-Pressling hervorragende Schleifeigenschaften besitzt und im Handel verfügbare CBN-Presslinge übertrifft. Die überragenden Eigenschaften des erfindungsgemässen Presslings gehen vermutlich auf eine Reihe von Faktoren zurück:

Die CBN-Teilchen unterliegen während der Herstellung des Presslings einer plastischen Deformierung, die zu einer Verdichtung der Teilchen führt. Wie oben erwähnt, beträgt der CBN-Gehalt des Presslings wenigstens 80 Gew.%.

Bei den angewandten Temperatur- und Druckbedingungen findet zwischen benachbarten CBN-Teilchen ein gegenseitiges Verwachsen statt. Als Ergebnis hiervon werden diese Teilchen zusammengeschmolzen oder mit ihren Nach-5 barn verbunden. Dabei entwickelt sich eine kontinuierliche, mosaikartige oder verwachsene Masse. Das Zusammenwachsen ist dabei, wie Versuche ergeben haben, so wirksam, dass der Bruchweg durch einen Pressling transgranular, also durch die Teilchen hindurch verläuft und nicht zwischen den io Teilchen (intergranular). .

Die aus Aluminium bestehende, zweite Phase spielt ebenfalls eine wichtige Rolle. Indem sie während der Herstellung die Zwischenräume zwischen den Partikeln ausfüllt, überträgt die Aluminiumphase den angelegten Druck auf dieje-is nigen CBN-Flächen, die nicht miteinander in Kontakt sind. Hierdurch wird eine Umwandlung in hexagonales Bornitrid verhindert. Eine derartige Umwandlung würde den Pressling ganz erheblich schwächen. Durch Röntgenanalyse wurde gefunden, dass die erfindungsgemässen Presslinge keine fest-20 stellbare Menge, d.h.weniger als 0,5 Gew.%, an hexagonalem Bornitrid enthalten. Das Aluminium erfüllt auch die wichtige Rolle eines Mediums, in dem eine Diffusion von Bor und Stickstoff stattfinden kann. Dabei verbessert das Aluminium das gegenseitige Verwachsen benachbarter Teilchen. 25 Schliesslich reagiert das Aluminium mit CBN und bildet Aluminiumdiborid und Aluminiumnitrid, wodurch ebenfalls das Zusammenbinden des zusammengesetzten Presslings unterstützt wird.

Die erfindungsgemässen Presslinge können kleiner oder 3o grösser sein, haben jedoch im allgemeinen ein Volumen von wenigstens 40 Kubikmillimetern. Ein besonders bevorzugtes Volumen liegt im Bereich zwischen 100 und 1500 Kubikmillimetern. Die Presslinge können als solche eingesetzt werden oder sie können auf geeigneten Trägern befestigt werden, bei-35 spielsweise auf einem Träger aus Wolframkarbid.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Beispiele weiter erläutert.

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Beispiel 1

Ein Häufchen von CBN-Teilchen mit einer Grösse von 8 bis 20 Mikron wurde zur Ausbildung einer Ausgangsmasse auf eine Aluminiumfolie aufgebracht. Die Masse wurde in 4s eine Reaktionskapsel für einen üblichen Hochtemperatur/ Hochdruck-Apparat eingebracht. Die beschickte Kapsel wurde in die Reaktionszone des Apparates eingesetzt. Der Druck in der Reaktionszone wurde auf 55 Kilobar und die Temperatur der Reaktionszone wurde auf etwa 1500°C so erhöht. Diese Bedingungen hoher Temperatur und hohen Druckes wurden während einer Zeitdauer von 15 Minuten aufrechterhalten. Anschliessend liess man Druck und Temperatur zu Umgebungsbedingungen zurückkehren. Der Kapsel wurde in konventioneller Weise ein CBN-Pressling in Gestalt ss einer Scheibe entnommen. Nach einer entsprechenden Analyse ergab sich, dass der Pressling einen CBN-Gehalt von 93 Gew.% aufwies. Die verbleibenden 7 Gew.% bestanden aus Aluminiumnitrid und Aluminiumdiborid. Bei einer Röntgenanalyse konnte kein hexagonales Bornitrid oder metallisches 60 Aluminium festgestellt werden. Das Volumen des Presslings betrug etwa 750 mm3.

Der Pressling wurde gebrochen und poliert, worauf die polierten Flächen einer Untersuchung unterzogen wurden. Es wurde eine Verbindung zwischen benachbarten Teilchen 65 festgestellt, wodurch sich eine ineinander verwachsene Masse gebildet hatte.

Es wurde gefunden, dass dieser Pressling ausgezeichnete Schleifeigenschaften besass, und zwar selbst ohne Abstüt

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zung, wie dies im nachstehenden noch angegeben werden wird.

Beispiel 2

Das Verfahren nach Beispiel 1 wird wiederholt mit der Ausnahme, dass als Startmasse eine Mischung aus CBN-Par-tikeln und gepulvertem Aluminium verwendet wird.

Beispiel 3

Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass die Bedingungen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Druckes während einer Zeit von nur 10 Minuten aufrechterhalten wurden.

Beispiel 4

Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, dass auf eine Temperatur von etwa 1450°C erwärmt und ein erhöhter Druck von 60 Kilobar angewandt wurde.

Beispiel 5

Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme wiederholt, dass die erhöhte Temperatur 1550°C und der angewandte, erhöhte Druck 55 Kilobar betrug.

Beispiel 6

Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme wiederholt, dass die Menge an CBN-Teilchen und Aluminium, wie sie in der Ausgangsmasse verwendet wurden, derart gewählt waren, dass sich ein Pressling mit einem CBN-Gehalt von 90 Gew.% ergab. Der Rest auf 100 Gew.% bestand aus Aluminiumnitrid, Aluminiumdiborid und spurenhaften Verunreinigungen.

Es wurde festgestellt, dass die nach den Beispielen 2 bis 6

hergestellten Presslinge ausgezeichnete Schleifeigenschaften hatten.

Beispiel 7

Die Schleifeigenschaften des entsprechend Beispiel 1 her-s gestellten Presslings wurden mit denjenigen eines im Handel erhältlichen CBN-Presslings und mit einem weiteren Pressling verglichen, der nach der Lehre der'US-PS 3 944 398 hergestellt war. Der im Handel verfügbare Pressling wurde auf einem Träger aus gehärtetem Karbid befestigt. Dieser CBN-lo Pressling enthielt eine zweite Phase aus Kobalt/Aluminium. Dieser Pressling wurde bei der Firma General Electric Company gekauft. Vermutliefe wurde dieser zusammengesetzte Pressling nach der Lehre der US-PS 3 743 489 hergestellt.

Die drei Presslinge wurden dazu verwendet, einen gehär-i5 teten D3-Stahl mit einer Rockwell-Härte von 54 bis 56 zu bearbeiten. Die Bearbeitung wurde in jedem Fall so lange fortgesetzt, bis an dem Pressling eine Fläche von 0,2 mm abgenutzt war. Die zur Erzeugung dieser Fläche jeweils benötigte Zeit betrug:

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Pressling Zeit in Minuten

9,6 1,6

3 743 489 4,0

Die Ergebnisse zeigen, dass der gemäss Beispiel 1 herge-30 stellte Pressling bei der Bearbeitung des gehärteten D3-Stahls sehr viel wirksamer als die beiden anderen Presslinge war.

Bei der Bearbeitung eines gehärteten D3-Stahls mit einer Rockwell-Härte von 58 ergab sich, dass ein erfindungsge-mässer Pressling eine Lebensdauer hatte, die zweieinhalb 3s Mal so gross wie diejenige eines Presslings nach der US-PS 3 743 489 war.

Beispiel 1 25 3 944398

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Pressling für Schleifzwecke umfassend eine Masse aus Teilchen von kubischem Bornitrid und eine damit zu einem harten Konglomerat verbundene, zweite Phase, wobei der Gehalt des Presslings an kubischem Bornitrid wenigstens 80 Gew.°/o beträgt, dadurch gekennzeichnet, dass benachbarte Teilchen von kubischem Bornitrid zu einer verwachsenen Masse miteinander verbunden sind und die zweite Phase im wesentlichen aus Aluminiumnitrid und/oder -diborid besteht.
2. Pressling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt des Presslings an kubischem Bornitrid im Bereich von 85 bis 95 Gew.% liegt.
3. Pressling nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Volumen von wenigstens 40 mm3.
4. Pressling nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Volumen zwischen 100 und 1500 mm3.
5. Verfahren zum Herstellen eines Presslings nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

man bringt zur Ausbildung einer Reaktionsmenge eine Masse von Teilchen aus kubischem Bornitrid in Kontakt mit einer Masse aus Aluminium;

man bringt die Reaktionsmenge in eine Reaktionszone und erhöht dort den Druck auf 50 bis 65 Kilobar und die Temperatur auf 1400-1500°C;

man hält diesen hohen Druck und diese hohe Temperatur so lange aufrecht, bis sich aus der Reaktionsmenge ein kompakter Pressling bildet, und entnimmt diesen schliesslich der Reaktionszone.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsmenge eine Masse von zu Schleifzwecken geeigneten Teilchen aus kubischem Bornitrid enthält, die sich mit einer Schicht aus Aluminium in Berührung befinden.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Aluminiumschicht eine Aluminium-Folie ist.
8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Reaktionsmenge eine Mischung aus Teilchen von kubischem Bornitrid und Aluminiumpulver umfasst.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass Bedingungen des hohen Drucks und der hohen Temperatur 5 bis 60 Minuten lang aufrecht erhalten werden.