**WARNUNG** Anfang DESC Feld konnte Ende CLMS uberlappen **.
PATENTANSPRÜCHE
1. Alkalifreies Bleiborosilikatglas mit SiO2, B203, Al203, CaO, BaO, ZnO, PbO, MgO und TiO2, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich MnO und P2O5 bei folgenden Gehalten in Masse-% enthält: SiO2 - 36,0 bis 42,0 82 3 - 9,0bis11,5 A1203 - 13,0 bis 14,0 PbO - 24,5 bis 30,0 ZnO - 3,0 bis 5,0 MgO - 1,5 bis 2,5 CaO - 0,5 bis 4,0 BaO - 0,1 bis 2,0 TiO2 - 0,1 bis 0,5 P2O5 - 0,1 bis 1,0 MnO - 0,1 bis 2,0
2.
Mischung zur Herstellung eines Schleifwerkzeuges, mit kubischem Bornitrid, Schleiffüllstoff und Glasbinder, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Glasbinder das alkalifreie Bleiborosilikatglas nach Anspruch 1 bei folgenden Gehalten in Masse-% enthält: kubisches Bornitrid - 37 bis 51 Schleiffüllstoff - 33 bis 48 Glasbinder - 13 bis 23
Die Erfindung bezieht sich auf ein alkalifreies Bleiborosilikatglas und auf eine Mischung zur Herstellung eines Schleifwerkzeuges mit diesem Glas als Glasbinder.
Am vorteilhaftesten kann die vorliegende Erfindung in verschiedenen Zweigen des Maschinenbaus, in denen Metalle durch Schleifen verarbeitet werden, sowie in der Mikroelektronik zur Herstellung von Lötstellen und elektrisch isolierenden Überzügen bei der Behandlung von Stoffen verwendet werden, die einen niedrigen thermischen linearen Ausdehnungskoeffizienten haben.
Es ist aus der SU PS 325 242 vom 10.06.70 eine Mischung zur Herstellung eines Schleifwerkzeuges bekannt, enthaltend Schleifmittel, Graphit und Glasbinder mit den folgenden Gehalten in Masse-%: Schleifmittel - 10 bis 40 Graphit - 12 bis 30 Glasbinder - 30 bis 78
Dabei verwendet man als Glasbinder ein Glas mit der folgenden Zusammensetzung in Masse%:
: PbO - 50 bis 75 B,03 - 10 bis 22 ZnO - 10 bis 20 SiO2 - 5bis 8
Ein Glas mit der angegebenen Zusammensetzung ist durch einen hohen thermischen linearen Ausdehnungskoeffizienten (70 80.10-7 Grad-') gekennzeichnet und dies bewirkt infolge der Abweichung vom thermischen linearen Ausdehnungskoeffizienten des kubischen Bornitrids (35-40 10-' Grad-') eine niedrige mechanische Festigkeit des Schleifwerkzeuges auf dessen Grundlage.
Der hohe thermische lineare Ausdehnungskoeffizient dieses Glases lässt dessen Anwendung in der Mikroelektronik zur Herstellung von elektrisch isolierenden Überzügen und Lötstellen bei der Arbeit mit Stoffen, die einen niedrigen thermischen linearen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, zum Beispiel mit dem metallischen Silizium nicht zu. Ausserdem kann die Einführung von Graphit in die besagte Mischung zur Herstellung des Schleifwerkzeuges im Laufe des Sinterns eine Reduktion des im Glas enthaltenen Bleioxids herbeiführen und dies bewirkt wiederum eine Entfestigung des Schleifwerkzeuges. In Verbindung damit ist die Herstellung solcher Schleifwerkzeuge mit der besagten Mischung kompliziert und erfordert eine genaue Einhaltung des Solltemperaturverlaufes beim Sintern.
Es ist auch eine Mischung zur Herstellung eines Schleifwerkzeuges bekannt, enthaltend kubisches Bornitrid, Schleiffüllstoff und ein Alkaliboralumosilikatglas als Glasbinder bei folgenden Gehalten in Masse-%: kubisches Bornitrid - 36,0 bis 51,0 Schleiffüllstoff - 39,5 bis 44,0 Glasbinder - 9,0bis 16,0 [s. Sammelwerk Elbor v Mashinostroenii ( Elbor im Maschinenbau ), L., Mashinostroenie , 1976, S. 78-98.]
Das in dieser Mischung verwendete Alkaliboralumosilikatglas hat einen thermischen linearen Ausdehnungskoeffizienten von 53-63 10-7 Grad-, und bietet keine ausreichend feste Haftung an den Körnern des kubischen Bornitrids, was daher zu einem gesteigerten Verschleiss der Werk zeugschnittfläche führt.
Als Schleiffüllstoff verwendet man in dieser Mischung Elektrokorund - ein Stoff, dessen thermischer linearer Ausdehnungskoeffizient seiner Grösse nach jenem des in dieser Mischung verwendeten Glases ähnlich ist, aber in bezug auf diesen Parameter von der entsprechenden Grösse des kubischen Bornitrids abweicht. Infolge eines Unterschieds der Haftfestigkeit dieses Glasbinders mit den anderen Komponenten der Mischung ist eine Erneuerung der Schnittflächen des aus dieser Mischung hergestellten Werkzeuges erschwert.
Bei der Herstellung eines Schleifwerkzeuges mit kubischem Bornitrid ist es zweckmässig, als Schleiffüllstoff Siliziumkarbid zu verwenden, dessen thermischer linearer Ausdehnungskoeffizient mit der entsprechenden Grösse des kubischen Bornitrids ausreichend gut übereinstimmt; dabei weist Siliziumkarbid bessere Schleifeigenschaften als Elektrokorund auf. Die Verwendung von Siliziumkarbid als Schleiffüllstoff ist aber in Verbindung mit Alkaliboralumosilikatglas unmöglich, weil die in der Glaszusammensetzung enthaltenen Alkalimetalloxide eine Oxydation und eine darauffolgende Zerstörung des Siliziumkarbids bewirken.
Es ist ein alkalifreies Bleiborosilikatglas bekannt, enthaltend (Masse-%): SiO2 - 4045 Al203 - 10 16 CaO - 2-10 BaO - 3-15 ZnO - 3-15 B203 - 2-8 SnO2 - 0,1-2 PbO - 2-10 So203 - 0,1-10 MgO - 2-5 TiO2 - 0,1-2 CeO2 - 0,1-2 (s. SU-PS 647 269).
Dieses Glas hat einen niedrigen thermischen linearen Ausdehnungskoeffizienten (44-46 - 10-7 Grad- l), der mit dem entsprechenden Parameter des kubischen Bornitrids ausreichend gut übereinstimmt. Ausserdem sind in der Zusammensetzung dieses Glases keine Alkalimetalloxide enthalten, so
dass man es in Verbindung mit Siliziumkarbid als Schleiffüllstoff verwenden kann. Dank der vorstehend angegebenen Eigenschaften wird dieses Glas in der Mikroelektronik zur Herstellung von Lötstellen mit dem metallischen Silizium verwendet. Doch ein Pulver aus diesem Glas kristallisiert in einem Temperaturbereich von 800 bis 1100 C, d.h. bei Temperaturen, bei denen Schleifwerkzeuge gesintert werden, intensiv aus. Ausserdem hat dieses Glas eine solche Viskosität, dass sein Fliessvermögen beim Sintern nur 110 bis 120% beträgt, während eine gute Benetzung der Körner des kubischen Bornitrids und eine feste Haftung an diesen ein Fliessvermögen des Glases nicht unter 140% voraussetzt. All dies macht die Verwendung dieses Glases in Mischungen zur Herstellung eines Schleifwerkzeuges mit kubischem Bornitrid unzweckmässig.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein bei den Sintertemperaturen des Schleifwerkzeuges nicht auskristallisierendes alkalifreies Bleiborosilikatglas zu schaffen, das eine Viskosität aufweist, die ein ausreichendes Fliessvermögen des Glases bei den angegebenen Temperaturen sicherstellt, und einen niedrigen thermischen linearen Ausdehnungskoeffizienten, der nahe bei den entsprechenden Parametern von kubischem Bornitrid und metallischem Silizium liegt, sowie eine Mischung zur Herstellung von Schleifwerkzeugen zu schaffen, die als Glasbinder dieses Glas aufweist, so dass eine hohe mechanische Festigkeit und Verschleissfestigkeit des Schleifwerkzeuges gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass das alkalifreie Bleiborosilikatglas mit SiO2, B203. Al203, CaO, BaO, ZnO, PbO, MgO und TiO2 erfindungsgemäss zusätzlich MnO und P2O5 bei folgenden Gehalten in Masse-% enthält: SiO2 - 36,0 bis 42,0 B,03 - 9,0bis11,5 Al203 - 13,0 bis 14,0 PbO - 24,5 bis 30,0 ZnO - 3,0 bis 5,0 MgO - 1,5 bis 2,5 CaO - 0,5 bis 4,0 BaO - 0,1 bis 2,0 TiO2 - 0,1 bis 0,5 P205 - 0,1 bis 1,0 MnO - 0,1 bis 2,0
Die Mischung zur Herstellung eines Schleifwerkzeuges mit kubischem Bornitrid, Schleiffüllstoff und als Glasbinder das vorstehend angegebene alkalifreie Bleiborosilikatglas weist folgende Gehalte in Masse-% auf:
kubische Bornitrid - 37 bis 51 Schleiffüllstoff - 33 bis 48 Glasbinder - 13 bis 23
Die vorgeschlagenen Glaskomponenten führen zu einem
Glas mit einem thermischen linearen Ausdehnungskoeffizien ten von 33-40 - 10-7 Grad-', und das durch eine gesteigerte
Stabilität seines Pulvers gegen Kristallisation bei den Tempe raturen des Schleifwerkzeugsintern und eine Viskosität ge kennzeichnet ist, die ein Fliessvermögen von 140 bis 150% bei den angegebenen Temperaturen sicherstellt.
Die erfindungsgemässe MnO-Einführung in die Glaszu sammensetzung steigert die Stabilität gegen Kristallisation und senkt den thermischen linearen Ausdehnungskoeffizien ten des Glases.
Die P2O5-Einführung in die Glaszusammensetzung bewirkt eine Senkung der Viskosität und folglich eine Steige rung des Fliessvermögens des Glases, bei Sintertemperaturen von 800 bis 1100 "C.
Die Wahl der Grenzwerte der Gehalte der Glasbestand teile ist dadurch bedingt, dass bei einer Änderung des B203
Gehaltes über 11,5% und unter 9% sowie des Al2O3-Gehaltes unter 13% und des ZnO-Gehaltes über 5% das Kristallisationsvermögen des Glases steigt. Bei einer Steigerung des Al2O3-Gehaltes über 14% wird die Schmelztemperatur der
Glasmischung erhöht. Bei einem ZnO-Gehalt unter 3% sowie bei einer Erhöhung des MgO-, CaO-, BaO und PbO-Gehaltes über 2,5% bzw. 4,0%, 2,0% und 30,0% vergrössert sich der thermische lineare Ausdehnungskoeffizient des Glases.
Bei einer Verringerung des MgO-, CaO- und BaO-Gehaltes unter
1,5% bzw. 0,5% und 0,1% sowie bei einer Erhöhung des
MnO-Gehaltes über 2,0% kristallisiert das Glas im Temperaturbereich des Sinterns aus. Bei einer Verminderung des PbO
Gehaltes unter 24,5% erhöht sich die Erweichungstemperatur des Glases. Bei einem MnO-, TiOr und P2O5-Gehalt unter 0,1 % ergäbe das Glas keine ausreichende Adhäsionswirkung bei seiner Verwendung als Glasbinder in Schleifwerkzeugen mit kubischem Bornitrid. Eine Steigerung des TiO2-Gehaltes über 0,5% und des P2O5-Gehaltes über 1,0% bewirkt eine
Verschlechterung der technologischen Glaseigenschaften.
Eine Steigerung des SiO2-Gehaltes über 42,0% führt zu einer
Erhöhung der Temperatur der Glassynthese herbei. Eine Verminderung des SiO2-Gehaltes unter 36,0% bewirkt eine Stei gerung der Neigung zum Auskristallisieren des Glases im Temperaturbereich des Sinterns sowie eine Erhöhung des thermischen linearen Ausdehnungskoeffizienten des Glases.
Dank der angegebenen Eigenschaften kann das Glas mit der erfindungsgemässen Zusammensetzung sowohl als Glas binder in Mischungen zur Herstellung von Schleifwerkzeugen mit kubischem Bornitrid, als auch zur Herstellung von Löt stellen und elektrisch isolierenden Überzügen auf Stoffen, die einen niedrigen thermischen linearen Ausdehnungskoeffizien ten haben, zum Beispiel auf metallischem Silizium, mit Erfolg verwendet werden.
Die Verwendung des erfindungsgemässen alkalifreien
Bleiborosilikatglases in einer Mischung zur Herstellung eines
Schleifwerkzeuges, das einen thermischen linearen Ausdeh nungskoeffizienten von 3340 - 10-7 Grad-' hat, gewährlei stet eine hohe Festigkeit der Verbindung zwischen Körnern des kubischen Bornitrids und dem Glasbinder dadurch, dass ihre wärmebedingten Ausdehnungseigenschaften überein stimmen, was zu einer hohen Festigkeit des Schleifwerkzeugs führt und dessen Verschleissfestigkeit steigert.
Das Glas mit der erfindungsgemässen Zusammensetzung weist ein optimales Verhältnis des thermischen linearen Ausdehnungskoeffizienten und der Viskosität auf und ermöglicht die Herstellung eines festen Schleifwerkzeuges.
Die Biegefestigkeit der Mischung zur Herstellung eines
Schleifwerkzeuges beträgt 430450 kp/cm2 für mittelharte und 400 kp/cm2 für weiche Werkzeuge.
Die mechanische Festigkeit der Körner des kubischen
Bornitrids, die mit einer Schicht des erfindungsgemässen Gla ses überzogen sind, steigert sich um das 1,5-1,7-fache im Ver gleich zur Festigkeit von kubischem Bornitrid ohne Überzug.
Die Körnerverfestigung des kubischen Bornitrids verbessert dessen Schleifeigenschaften und trägt daher zu einer Steigerung der Verschleissfestigkeit des Schleifwerkzeuges bei.
Die Verwendung des vorgeschlagenen Glases in der Mi schung zur Herstellung des Schleifwerkzeuges gibt die Möglichkeit, als Schleiffüllstoff nicht nur Elektrokorund, sondern auch Siliziumkarbid zu verwenden, wodurch das Anwendungsgebiet des Schleifwerkzeuges wesentlich erweitert wird.
Die komponenten Gehalte in der Mischung in den angegebenen Bereichen ermöglicht, Schleifwerkzeuge mit einem weiten Härtebereich herzustellen.
In der Mischung zur Herstellung des Schleifwerkzeuges stellen die Gehalte an kubischem Bornitrid und Schleiffüll stoff die Herstellung eines Schleifwerkzeuges mit einer erforderlichen Härte und Porosität sicher. Eine Steigerung des Gehaltes an kubischem Bornitrid über 51% bewirkt eine Verteuerung des Schleifwerkzeuges, ohne dass dabei eine merkliche Steigerung der Schleifwirkung erzielt wird; eine Verminderung dessen Gehaltes unter 37% sowie eine Steigerung des Gehaltes an Schleiffüllstoff über 48% setzt die Arbeitsfähigkeit des Werkzeuges herab. Bei einer Verkleinerung des Gehaltes an Schleiffüllstoff unter 33% hat man, damit ein Schleifwerkzeug mit den erforderlichen Kennzahlen hergestellt werden kann, den Gehalt an kubischem Bornitrid zu steigern und dies bringt eine Werkzeugverteuerung mit sich.
Eine Vergrösserung des Gehaltes an Glasbinder in der Mischung über 23% bewirkt eine Verkleinerung der Werkzeugporosität und eine Verschlechterung der Wärmeableitung beim Schleifen; eine Verminderung des Glasbindergehaltes unter 13% reicht nicht für eine feste Einbettung der Schleifkörner im Glasbinder aus.
Nachstehend folgt eine beispielsweise Beschreibung der Erfindung.
Das erfindungsgemässe Glas synthesierte man aus herkömmlichen Gemengekomponenten nach einer normalen Technologie in Quarztiegeln bei einer Temperatur von 1380 bis 1400 C.
Den thermischen linearen Ausdehnungskoeffizienten des Glases ermittelte man nach einer Standardmethodik.
Das Fliessvermögen des Glases ermittelte man als Durchmesserverhältnis einer aus dem Glaspulver hergestellten Tablette vor und nach dem Sintern der Tabletten in %.
Schleifwerkzeuge stellte man aus der erfindungsgemässen Mischung nach einer herkömmlichen Technologie her. Pulver aus kubischem Bornitrid und Schleiffüllstoff wurden vermischt, mit flüssigem Phenolformaldehydharz benetzt, danach mit Glasbinder vermischt, gepresst und bei Temperaturen von 800-1100 C gesintert.
Betriebsversuche der so hergestellten Schleifwerkzeuge führte man durch Innenschleifen von Teilen aus Kugellagerstahl in zwei Betriebszuständen aus (s. Tabelle 1).
Tabellen
Betriebszustand I Betriebszustand II Umfangsgeschwindigkeit der Schleifscheibe (m/s) 17,0-17,5 62,0 Umfangsgeschwindigkeit des Werkstücks (imin) 20,0-23,0 93,0 Längsvorschub, (m/min) 1,0 0,5 Zustellung (mm/Hub) 0,01 0,0025.
Der Härtegrad des Schleifwerkzeuges wurde mit einem Rockwell-Härteprüfgerät bei der Belastung von 60 kp/cm2 mit einer Kugel von 3,175 mm Durchmesser bestimmt.
Nachstehend ist die Erfindung anhand von Beispielen weiter erläutert.
Beispiel I
Das Gemenge zur Glasherstellung stellte man aus herkömmlichen Ausgangsstoffen - Quarz, Borsäure, Tonerde, Blei-, Magnesium-, Zink-, Titan- und Manganoxide, Kalzium- und Bariumnitrate sowie Ammoniumphosphat ausgehend von den folgenden Gehalten in Masse-% zusammen: SiO2 - 40,9 Al203 - 13,7 B203 - 9,8 ZnO - 4,5 MgO - 2,2 CaO - 1,7 BaO - 0,5 PbO - 24,5 MnO - 2,0 TiO2 - 0,1 P205 - 0,1.
Die Glassynthese führte man in einem Quarztiegel in einem Gasfiammofen bei einer Temperatur von 1380 bis 1390 C im Laufe von 2 Stunden durch. Die Glasschmelze wurde gefrittet. Die Fritte liess man bei einer Temperatur von 100 bis 110 "C trocknen. Die trockene Fritte zerkleinerte man in einer Porzellantrommel bei einem Fritte- und Kugelverhältnis von 1:2.
Beispiel 2
Zur Herstellung eines Schleifwerkzeuges bereitete man die folgende Mischung zu: kubisches Bornitrid (1251100) - 44 Masse-% Siliziumkarbid (80,um) - 33 Masse-% Glasbinder (nach Beispiel 1) - 23 Masse-%.
Eine Einwaage kubisches Bornitrid vermischte man mit Siliziumkarbid und fügte flüssiges Phenolformaldehydharz in einer Menge von 5% der Masse der beiden Schleifkomponenten hinzu. In die erhaltene Mischung gab man eine Einwaage Glasbinderpulver und vermischte gewissenhaft. Die erhaltene Masse siebte man über ein Sieb mit einer Maschenweite von 400 llm. Die gesiebte Masse schüttete man in eine Metallform und verpresste. Das nasse Erzeugnis holte man aus der Pressform heraus und liess es bei 180 C trocknen. Danach liess man das Erzeugnis sintern. Die Anstiegsgeschwindigkeit der Ofentemperatur betrug 200 Gradih, die Temperatur beim Sintern 1000 C, und die Dauer 3 Stunden.
In der Tabelle 2 sind die Zusammensetzungen der erfindungsgemäss hergestellten Gläser, wie es ausführlich im Beispiel 1 beschrieben ist. sowie die Eigenschaften der synthesierten Proben angegeben. In der Tabelle 3 sind die Beispiele der erfindungsgemässen Mischungen zur Herstellung der Schleifwerkzeuge angegeben, in denen als Glasbinder die in der Tabelle 2 beschriebenen Gläser verwendet sind. In der Tabelle 3 ist auch eine Festigkeitscharakteristik der aus diesen Mischungen hergestellten Schleifwerkzeuge dargestellt. Das Herstellungsverfahren der Schleifwerkzeuge entspricht jenem, das im Beispiel 2 beschrieben ist.
Der spezifische Verbrauch an kubischem Bornitrid zum Innenschleifen von Werkstücken aus Kugellagerstahl mit den Schleifwerkzeugen, die aus Mischungen nach den Beispielen 3 und 4 (Tabelle 3) hergestellt worden sind, beträgt 2,3-2,6 mg/g beim Betriebszustand 1 und 0,7-1,0 mglg beim Betriebszustand 2 (Tabelle 1).
Tabelle 2 Probe Oxydgehalt (Masse-%) Nr. SiO2 Al203 B203 ZnO MgO CaO BaO PbO MnO TiO2 P205 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 40,9 13,7 9,8 4,5 2,2 1,7 0,5 24,5 2,0 0,1 0,1 2 38,7 13,5 9,0 4,5 1,5 0,5 0,3 30,0 0,9 0,5 0,6 3 42,0 13,0 9,2 3,7 1,8 2,5 2,0 24,9 0,6 0,2 0,1 4 38,8 14,0 11,1 5,0 1,5 0,6 0,1 28,3 0,1 0,3 0,2 5 36,0 13,4 11,5 3,0 2,5 4,0 0,4 26,1 1,9 0,2 1,0 Tabelle 2 (Forts.) Probe linearer Ausdehnungs- Fliessvermögen Nr. koeffizient a20-300 C l0-7 Grad-' 1 13 14 1 33,5 140 2 35,6 150 3 33,0 145 4 36,5 140 5 40,0 140 Tabelle 3 Bei- Gehalt an Komponenten (Masse-%) spiel kubisches Schleiffüll- Glasbinder (Glas Nr.
Bornitrid stoff probe Nr. in
Tabelle 2) 1 2 3 4 1 39,0 48,0 13,0 (2) 2 51,0 36,0 13,0 (1) 3 51,0 34,0 15,0(2) 4 42,0 40,0 18,0(5) 5 41,0 39,0 20,0 (3) 6 37,0 40,0 23,0 (4) Tabelle 3 (Forts.) Beispiel Nr. Härtestufe des Schleifwerkzeugs 1 5 1 sehr weich 2 mittelweich 3 mittlere 4 mittelhart 5 hart 6 sehr hart
Das erfindungsgemässe Bleiborosilikatglas, das einen thermischen linearen Ausdehnungskoeffizienten von 3340 10-7 Grad-' hat, kann als Glasbinder in der Mischung zur Herstellung von Schleifwerkzeugen verwendet werden, wobei es eine feste Verbindung zwischen Körnern des kubischen Bornitrids und dem Glasbinder gewährleistet, und auch in der Mikroelektronik zur Herstellung von Verbindungen mit dem metallischen Silizium und von elektrisch isolierenden Überzügen auf diesem Stoff.
Die erfindungsgemässe Mischung zur Herstellung eines Schleifwerkzeuges, bei der das erfindungsgemässe alkalifreie Bleiborosilikatglas als Glasbinder verwendet werden, ge währleistet eine hohe Festigkeit und Verschleissfestigkeit des Schleifwerkzeuges auf Grundlage von Bornitrid.
** WARNING ** beginning of DESC field could overlap end of CLMS **.
PATENT CLAIMS
1. Alkali-free lead borosilicate glass with SiO2, B203, Al203, CaO, BaO, ZnO, PbO, MgO and TiO2, characterized in that it additionally contains MnO and P2O5 with the following contents in mass%: SiO2 - 36.0 to 42.0 82 3 - 9.0 to 11.5 A1203 - 13.0 to 14.0 PbO - 24.5 to 30.0 ZnO - 3.0 to 5.0 MgO - 1.5 to 2.5 CaO - 0.5 to 4.0 BaO - 0.1 to 2.0 TiO2 - 0.1 to 0.5 P2O5 - 0.1 to 1.0 MnO - 0.1 to 2.0
2nd
Mixture for producing an abrasive tool, with cubic boron nitride, abrasive filler and glass binder, characterized in that it contains the alkali-free lead borosilicate glass as claimed in claim 1 with the following contents in% by mass: cubic boron nitride - 37 to 51 abrasive filler - 33 to 48 glass binders - 13 until 23
The invention relates to an alkali-free lead borosilicate glass and to a mixture for producing a grinding tool with this glass as a glass binder.
Most advantageously, the present invention can be used in various branches of engineering in which metals are processed by grinding, as well as in microelectronics for the manufacture of solder joints and electrically insulating coatings in the treatment of substances which have a low coefficient of thermal linear expansion.
It is known from SU PS 325 242 from 06/10/70 a mixture for the manufacture of an abrasive tool containing abrasives, graphite and glass binders with the following contents in mass%: abrasives - 10 to 40 graphite - 12 to 30 glass binders - 30 to 78
A glass with the following composition in mass% is used as the glass binder:
: PbO - 50 to 75 B, 03 - 10 to 22 ZnO - 10 to 20 SiO2 - 5 to 8
A glass with the specified composition is characterized by a high thermal linear expansion coefficient (70 80.10-7 degrees- ') and this causes a low mechanical due to the deviation from the thermal linear expansion coefficient of the cubic boron nitride (35-40 10-' degrees- ') Strength of the grinding tool based on it.
The high thermal linear expansion coefficient of this glass does not allow its use in microelectronics for the production of electrically insulating coatings and solder joints when working with materials that have a low thermal linear expansion coefficient, for example with metallic silicon. In addition, the introduction of graphite into said mixture for producing the grinding tool in the course of sintering can bring about a reduction in the lead oxide contained in the glass, and this in turn causes the grinding tool to be softened. In connection with this, the production of such grinding tools with the said mixture is complicated and requires exact observance of the target temperature profile during sintering.
A mixture for the production of an abrasive tool is also known, containing cubic boron nitride, abrasive filler and an alkali borum aluminosilicate glass as a glass binder with the following contents in mass%: cubic boron nitride - 36.0 to 51.0 abrasive filler - 39.5 to 44.0 glass binder - 9.0 to 16.0 [s. Elbor v Mashinostroenii (Elbor in Mechanical Engineering), L., Mashinostroenie, 1976, pp. 78-98.]
The alkali boralumosilicate glass used in this mixture has a thermal coefficient of linear expansion of 53-63 10-7 degrees, and does not offer sufficiently firm adhesion to the grains of the cubic boron nitride, which therefore leads to increased wear on the tool cutting surface.
Electro-corundum is used as an abrasive filler in this mixture - a substance whose coefficient of thermal linear expansion is similar in size to that of the glass used in this mixture, but differs in relation to this parameter from the corresponding size of the cubic boron nitride. Due to a difference in the adhesive strength of this glass binder with the other components of the mixture, it is difficult to renew the cut surfaces of the tool made from this mixture.
When producing a grinding tool with cubic boron nitride, it is expedient to use silicon carbide as the grinding filler, the coefficient of thermal expansion of which corresponds sufficiently well with the corresponding size of the cubic boron nitride; silicon carbide has better grinding properties than electric corundum. However, the use of silicon carbide as an abrasive filler is impossible in connection with alkali boroaluminosilicate glass because the alkali metal oxides contained in the glass composition cause oxidation and subsequent destruction of the silicon carbide.
An alkali-free lead borosilicate glass is known, containing (mass%): SiO2 - 4045 Al203 - 10 16 CaO - 2-10 BaO - 3-15 ZnO - 3-15 B203 - 2-8 SnO2 - 0.1-2 PbO - 2-10 So203 - 0.1-10 MgO - 2-5 TiO2 - 0.1-2 CeO2 - 0.1-2 (see SU-PS 647 269).
This glass has a low thermal coefficient of linear expansion (44-46 - 10-7 degrees -1), which corresponds sufficiently well with the corresponding parameter of the cubic boron nitride. In addition, the composition of this glass contains no alkali metal oxides, so
that it can be used in conjunction with silicon carbide as an abrasive filler. Thanks to the properties specified above, this glass is used in microelectronics for the production of solder joints with the metallic silicon. However, a powder from this glass crystallizes in a temperature range of 800 to 1100 C, i.e. intensively at temperatures at which grinding tools are sintered. In addition, this glass has such a viscosity that its fluidity during sintering is only 110 to 120%, while good wetting of the grains of the cubic boron nitride and firm adhesion to them do not require a fluidity of the glass of less than 140%. All of this makes the use of this glass in mixtures for the manufacture of a grinding tool with cubic boron nitride impractical.
The object of the invention is to create an alkali-free lead borosilicate glass which does not crystallize at the sintering temperatures of the grinding tool, which has a viscosity which ensures sufficient flowability of the glass at the temperatures indicated, and a low thermal linear expansion coefficient which is close to the corresponding parameters of cubic boron nitride and metallic silicon, as well as to create a mixture for the production of grinding tools, which has this glass as a glass binder, so that a high mechanical strength and wear resistance of the grinding tool is ensured.
This problem is solved in that the alkali-free lead borosilicate glass with SiO2, B203. Al203, CaO, BaO, ZnO, PbO, MgO and TiO2 according to the invention additionally contains MnO and P2O5 at the following contents in mass%: SiO2 - 36.0 to 42.0 B, 03 - 9.0 to 11.5 Al203 - 13.0 up to 14.0 PbO - 24.5 to 30.0 ZnO - 3.0 to 5.0 MgO - 1.5 to 2.5 CaO - 0.5 to 4.0 BaO - 0.1 to 2.0 TiO2 - 0.1 to 0.5 P205 - 0.1 to 1.0 MnO - 0.1 to 2.0
The mixture for producing an abrasive tool with cubic boron nitride, abrasive filler and as a glass binder the above-mentioned alkali-free lead borosilicate glass has the following contents in% by mass:
cubic boron nitride - 37 to 51 abrasive filler - 33 to 48 glass binder - 13 to 23
The proposed glass components lead to a
Glass with a thermal linear expansion coefficient of 33-40 - 10-7 degrees- ', and that by an increased
Stability of its powder against crystallization at the temperatures of the grinding tool internally and a viscosity is marked, which ensures a fluidity of 140 to 150% at the specified temperatures.
The introduction of MnO into the glass composition according to the invention increases the stability against crystallization and lowers the thermal linear expansion coefficient of the glass.
Introducing P2O5 into the glass composition lowers the viscosity and consequently increases the fluidity of the glass at sintering temperatures of 800 to 1100 "C.
The choice of the limit values for the contents of the glass components is due to the fact that when the B203 is changed
Content of over 11.5% and below 9%, the Al2O3 content below 13% and the ZnO content above 5% the crystallization capacity of the glass increases. If the Al2O3 content increases by more than 14%, the melting temperature of the
Glass mixture increased. With a ZnO content below 3% and an increase in the MgO, CaO, BaO and PbO content over 2.5%, 4.0%, 2.0% and 30.0%, the thermal linear increases Coefficient of expansion of the glass.
With a reduction in the MgO, CaO and BaO content below
1.5% or 0.5% and 0.1% as well as an increase in
MnO content above 2.0% crystallizes the glass in the temperature range of the sintering. If the PbO is reduced
If the content is below 24.5%, the softening temperature of the glass increases. With a MnO, TiOr and P2O5 content of less than 0.1%, the glass would not give a sufficient adhesive effect when used as a glass binder in grinding tools with cubic boron nitride. An increase in the TiO2 content over 0.5% and the P2O5 content over 1.0% causes one
Deterioration of technological glass properties.
An increase in the SiO2 content of over 42.0% leads to a
Increase the temperature of the glass synthesis. A reduction in the SiO2 content below 36.0% causes an increase in the tendency to crystallize out of the glass in the temperature range of the sintering and an increase in the thermal linear expansion coefficient of the glass.
Thanks to the properties stated, the glass with the composition according to the invention can be used both as a glass binder in mixtures for the production of grinding tools with cubic boron nitride, and for the production of soldering and electrically insulating coatings on materials which have a low thermal linear expansion coefficient, for example on metallic silicon, can be used successfully.
The use of the alkali-free according to the invention
Lead borosilicate glass in a mixture to produce a
Grinding tool, which has a thermal linear expansion coefficient of 3340 - 10-7 degrees- ', ensures a high strength of the connection between grains of cubic boron nitride and the glass binder in that their thermal expansion properties match, which leads to a high strength of the grinding tool leads and increases its resistance to wear.
The glass with the composition according to the invention has an optimal ratio of the thermal linear expansion coefficient and the viscosity and enables the production of a fixed grinding tool.
The flexural strength of the mixture to produce a
The grinding tool is 430 450 kp / cm2 for medium-hard and 400 kp / cm2 for soft tools.
The mechanical strength of the grains of the cubic
Boron nitrides, which are coated with a layer of the glass according to the invention, increases by 1.5-1.7 times in comparison to the strength of cubic boron nitride without a coating.
The grain hardening of the cubic boron nitride improves its grinding properties and therefore contributes to an increase in the wear resistance of the grinding tool.
The use of the proposed glass in the mixture for the production of the grinding tool gives the possibility of using not only electro-corundum but also silicon carbide as a grinding filler, as a result of which the field of application of the grinding tool is considerably expanded.
The component content in the mixture in the specified ranges makes it possible to manufacture grinding tools with a wide range of hardness.
In the mixture for producing the grinding tool, the contents of cubic boron nitride and grinding filler ensure the production of a grinding tool with the required hardness and porosity. An increase in the content of cubic boron nitride by more than 51% increases the cost of the grinding tool without a noticeable increase in the grinding effect; a reduction in its content below 37% and an increase in the content of abrasive filler over 48% reduces the work ability of the tool. If the content of abrasive filler is reduced to less than 33%, in order to be able to manufacture a grinding tool with the required key figures, the cubic boron nitride content has to be increased and this increases the cost of the tool.
An increase in the glass binder content in the mixture above 23% causes a reduction in the tool porosity and a deterioration in the heat dissipation during grinding; a reduction in the glass binder content below 13% is not sufficient for the embedding of the abrasive grains in the glass binder.
The following is an example description of the invention.
The glass according to the invention was synthesized from conventional batch components using normal technology in quartz crucibles at a temperature of 1380 to 1400 C.
The thermal linear expansion coefficient of the glass was determined using a standard method.
The fluidity of the glass was determined as the ratio in diameter of a tablet made from the glass powder before and after sintering the tablets in%.
Grinding tools were produced from the mixture according to the invention using conventional technology. Cubic boron nitride powder and abrasive filler were mixed, wetted with liquid phenol formaldehyde resin, then mixed with glass binder, pressed and sintered at temperatures of 800-1100 ° C.
Operational tests of the grinding tools produced in this way were carried out by internal grinding of parts made of ball bearing steel in two operating states (see Table 1).
Tables
Operating state I Operating state II Circumferential speed of the grinding wheel (m / s) 17.0-17.5 62.0 Circumferential speed of the workpiece (imin) 20.0-23.0 93.0 Longitudinal feed, (m / min) 1.0 0, 5 infeed (mm / stroke) 0.01 0.0025.
The hardness of the grinding tool was determined using a Rockwell hardness tester at a load of 60 kp / cm2 with a ball of 3.175 mm in diameter.
The invention is further explained below using examples.
Example I
The batch for glass production was composed of conventional starting materials - quartz, boric acid, alumina, lead, magnesium, zinc, titanium and manganese oxides, calcium and barium nitrates and ammonium phosphate based on the following contents in mass%: SiO2 - 40 , 9 Al203 - 13.7 B203 - 9.8 ZnO - 4.5 MgO - 2.2 CaO - 1.7 BaO - 0.5 PbO - 24.5 MnO - 2.0 TiO2 - 0.1 P205 - 0 ,1.
The glass synthesis was carried out in a quartz crucible in a gas furnace at a temperature of 1380 to 1390 C over a period of 2 hours. The glass melt was fritted. The frit was allowed to dry at a temperature of 100 to 110 ° C. The dry frit was comminuted in a porcelain drum with a frit and ball ratio of 1: 2.
Example 2
The following mixture was prepared to produce an abrasive tool: cubic boron nitride (1251100) - 44% by mass silicon carbide (80 μm) - 33% by weight glass binder (according to Example 1) - 23% by mass.
A weight of cubic boron nitride was mixed with silicon carbide and liquid phenol formaldehyde resin was added in an amount of 5% of the mass of the two grinding components. A weight of glass binder powder was added to the mixture obtained and mixed thoroughly. The mass obtained was sieved through a sieve with a mesh size of 400 llm. The sieved mass was poured into a metal mold and pressed. The wet product was taken out of the press mold and allowed to dry at 180 ° C. Then the product was allowed to sinter. The rate of rise of the furnace temperature was 200 degrees, the temperature during sintering was 1000 ° C. and the duration was 3 hours.
Table 2 shows the compositions of the glasses produced according to the invention, as described in detail in Example 1. as well as the properties of the synthesized samples. Table 3 shows the examples of the mixtures according to the invention for producing the grinding tools, in which the glasses described in Table 2 are used as glass binders. Table 3 also shows a strength characteristic of the grinding tools made from these mixtures. The manufacturing process of the grinding tools corresponds to that described in Example 2.
The specific consumption of cubic boron nitride for the internal grinding of workpieces made of ball bearing steel with the grinding tools, which were produced from mixtures according to Examples 3 and 4 (Table 3), is 2.3-2.6 mg / g in the operating states 1 and 0, 7-1.0 mglg in operating state 2 (table 1).
Table 2 Sample oxide content (mass%) No.SiO2 Al203 B203 ZnO MgO CaO BaO PbO MnO TiO2 P205 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 40.9 13.7 9.8 4.5 2.2 1.7 0.5 24.5 2.0 0.1 0.1 2 38.7 13.5 9.0 4.5 1.5 0.5 0.3 30.0 0.9 0.5 0 . 6 3 42.0 13.0 9.2 3.7 1.8 2.5 2.0 24.9 0.6 0.2 0.1 4 38.8 14.0 11.1 5.0 1 .5 0.6 0.1 28.3 0.1 0.3 0.2 5 36.0 13.4 11.5 3.0 2.5 4.0 0.4 26.1 1.9 0, 2 1.0 Table 2 (cont.) Sample of linear expansion fluidity no.coefficient a20-300 C 10-7 degrees- '1 13 14 1 33.5 140 2 35.6 150 3 33.0 145 4 36.5 140 5 40.0 140 Table 3 Content of components (mass%) play cubic abrasive fill glass binder (glass no.
Boron nitride fabric sample no. In
Table 2) 1 2 3 4 1 39.0 48.0 13.0 (2) 2 51.0 36.0 13.0 (1) 3 51.0 34.0 15.0 (2) 4 42.0 40.0 18.0 (5) 5 41.0 39.0 20.0 (3) 6 37.0 40.0 23.0 (4) Table 3 (cont'd) Example No. Hardness level of the grinding tool 1 5 1 very soft 2 medium soft 3 medium 4 medium hard 5 hard 6 very hard
The lead borosilicate glass according to the invention, which has a thermal linear expansion coefficient of 3340 10-7 degrees - ', can be used as a glass binder in the mixture for the production of grinding tools, whereby it ensures a firm connection between grains of cubic boron nitride and the glass binder, and also in microelectronics for the production of connections with the metallic silicon and of electrically insulating coatings on this material.
The mixture according to the invention for producing a grinding tool, in which the alkali-free lead borosilicate glass according to the invention is used as a glass binder, ensures a high strength and wear resistance of the grinding tool based on boron nitride.