DE10297124T5

DE10297124T5 - Verglastes Werkzeug mit Superschleifmittel und Verfahren zur Herstellung

Info

Publication number: DE10297124T5
Application number: DE10297124T
Authority: DE
Inventors: Rounan Shrewsbury Li; Leonard G. West Boylston Pukaite
Original assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 2001-08-21
Filing date: 2002-07-24
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2022-07-25
Also published as: GB2395200B; PL368304A1; US20030236062A1; ES2258395B2; SE0400335D0; CA2683100C; MXPA04001601A; JP4119366B2; WO2003018261A8; US6609963B2; JP2006247837A; AT500868A1; CA2454829C; JP2005500177A; AU2002319683A1; FR2828886A1; NL1021276C2; JP2011067947A; BR0211862A; CA2683100A1

Abstract

Schleifwerkzeug mit
a) einem Metallkern; und
b) einem Schleifrand am äußeren Umfang des Kerns, wobei der Rand einen Superschleifkornbestandteil, einen Füllmittelbestandteil enthaltend Hohlkörper und einen Glasbindungsbestandteil, der bei einer Temperatur von weniger als 850°C gebrannt wird, enthält, wobei die Glasbindung Zinkoxid und mindestens zwei Alkalimetalloxide enthält.

Description

Materialien, wie mittels Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren erhaltener Diamantfilm (CVD Diamant), polykristalliner Diamant, (PCD), kristallines Bornitrid (CBN) und polykristallines Bornitrid (PCBN) gehören zu den härtesten bekannten Materialien. Schneidwerkzeuge, die mit Einsätzen einer Spitze aus PCD oder anderen harten Materialien hergestellt sind, sind schwierig herzustellen. Übliche Schneidwerkzeugverfahren benötigen zwei Schleifoperationen, einen Grobschliff und einen Feinschliff, die mit verschiedenen Schleifrädern durchgeführt werden. Viele der herkömmlichen Schleifwerkzeuge, die zum Grob- und Feinschleifen dieser Materialien eingesetzt werden, enthalten metallgebundenes Superschleifmittel. Metallgebundene Schleifwerkzeuge schleifen im allgemeinen weniger Teile pro Stunde als glasgebundene Werkzeuge.
Glasgebundene Werkzeuge mit Superschleifmittel haben attraktive Temperatureigenschaften, neigen jedoch dazu, spröde zu sein, und nutzen sich schneller ab als metallgebundene Werkzeuge. Des weiteren können glasgebundene Diamantwerkzeuge Nutzleistungsnachteile aufweisen, die durch eine schlechte Bindung von Diamant mit Glas verursacht werden. Außerdem erfordern bestehende Verfahren zur Herstellung glasgebundener Diamantwerkzeuge üblicherweise hohe Temperaturen, lange Zyklen und nicht-oxidierende oder reduzierende Atmosphären.
Es besteht daher ein Bedarf an Schleifwerkzeugen, die zum Grob- und Feinschleifen harter Werkstücke in der Lage sind, sowie an Verfahren zur Herstellung solcher Werkzeuge, welche die oben genannten Schwierigkeiten vermindern oder eliminieren.
Die Erfindung betrifft allgemein ein Schleifwerkzeug und ein Verfahren zur Herstellung eines Schleifwerkzeugs.
Das Schleifwerkzeug enthält einen Kornbestandteil aus Superschleifmittel, einen Füllmittelbestandteil, der Hohlkörper enthält, und einen Glasbindungsbestandteil. Der Glasbindungsbestandteil enthält Zinkoxid und mindestens zwei Alkalimetalloxide. Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Schleifwerkzeug einen Kern und einen Schleifrand an der äußeren Begrenzung des Kerns. Nach einer anderen Ausführungsform enthält das Schleifwerkzeug einen Glasbindungsbestandteil, der bei einer Temperatur von weniger als etwa 850°C gebrannt wird.
Das Verfahren zur Herstellung eines Schleifwerkzeugs beinhaltet das Vereinen eines Kornbestandteils aus Superschleifmittel, eines Füllmittelbestandteils und eines Glasbindungsbestandteils, der Zinkoxid und mindestens zwei Alkalimetalloxide enthält. Die vereinten Bestandteile werden bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen etwa 600°C und etwa 850°C gebrannt. Die erhaltenen gebrannten Bestandteile können an einem Kern befestigt werden.
Das erfindungsgemäße Schleifwerkzeug kann dazu verwendet werden, Schneidwerkzeugeinsätze zu schleifen. Ein Verfahren zum Schleifen eines Schneidwerkzeugeinsatzes auf Diamantbasis umfaßt die Auswahl eines wie oben beschriebenen Schleifwerkzeugs, das Inkontaktbringen des Schleifwerkzeugs mit dem Einsatz und das Schleifen der Kante des Einsatzes. Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltene Kante des Einsatzes ist im wesentlichen frei von Splittern und/oder Unregelmäßigkeiten.
Die Erfindung weist zahlreiche Vorteile auf. Beispielsweise gewährleistet die Glasbindung üblicherweise eine gute Bindung zwischen Glas und Diamant, was zu einem Schleifwerkzeug führt, das zur Grobbehandlung und zum Präzisionsschleifen harter Materialien, wie polykristallinem Diamant, Diamantfilm, Bornitrid, Keramikmaterialien und gehärteten Metallen, gut geeignet ist. Für den Gebrauch kann das Schleifwerkzeug an einem Metallkern befestigt werden und es bietet im allgemeinen verbesserte Produktivität, gute Kantenqualität und verminderte Radabnutzung. Das selbe Schleifwerkzeug kann zum Grobschleifen und für Feinschliffverfahren eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei relativ niedrigen Temperaturen durchgeführt werden und es kann relativ kurze Durchwärmzeiten (oder Brennzeiten) einsetzen. Außerdem kann die Notwendigkeit für nicht-oxiderende Atmosphären, wie Stickstoffgas oder eine Quelle reduzierenden Kohlenstoffs, beim Herstellungsprozeß erheblich vermindert oder eliminiert werden.
Die Erfindung betrifft allgemein Schleifwerkzeuge. Beispiele für Schleifwerkzeuge sind Räder, Scheiben, Radsegmente, Steine und Abziehsteine. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von Schleifwerkzeugen.
Das erfindungsgemäße Schleifwerkzeug enthält einen Superschleifkornbestandteil, einen Füllmittelbestandteil, der Hohlkörper enthält, und einen Glasbindungsbestandteil, der Zinkoxid und mindestens zwei Alkalimetalloxide enthält. Im allgemeinen ist das Schleifwerkzeug ein gebundenes Schleifwerkzeug, im Gegensatz beispielsweise zu einem beschichteten Schleifwerkzeug.
„Superschleifmittel", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet ein Schleifmittel mit einer Härte, gemessen auf der Knoop Härteskala, von mindestens der von kubischem Bornitrid (CBN), d.h. einem K₁₀₀-wert von mindestens 4700. Neben kubischem Bornitrid sind andere Beispiele für Superschleifmittelmaterialien natürlicher und synthetischer Diamant. Geeignete Diamant- oder kubische Bornitridmaterialien können kristallin oder polykristallin sein. Vorzugsweise ist das Superschleifmittelmaterial Diamant.
Das Superschleifinittelmaterial liegt in Form von Körnern, auch als „Grit" bekannt, vor. Der erfindungsgemäße Kornbestandteil aus Superschleifmittel kann kommerziell erhalten oder kundenspezifisch angefertigt werden. Im allgemeinen weist das bei der vorliegenden Erfindung eingesetzte Superschleifmittel eine durchschnittliche Partikelgröße in einem Bereich von zwischen etwa 0,5 Mikrometern (Mikron, μm) und etwa 500 μm auf. Vorzugsweise liegt die Partikelgröße in einem Bereich von zwischen etwa 2 μm und etwa 200 μm.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Superschleifkornbestandteil in einer Menge von mindestens etwa 5 Volumen-% des Superschleifmittelwerkzeugs vorhanden. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der Kornbestandteil aus Superschleifmittel in einer Menge in einem Bereich von zwischen etwa 5 und etwa 50 Volumen-% des Superschleifmittelwerkzeugs, mehr bevorzugt zwischen etwa 20 und etwa 50 Volumen-% des Superschleifmittelwerkzeugs, vorhanden.
Der Glasbindemittelbestandteil enthält Zinkoxid (ZnO) und mindestens zwei Alkalimetalloxide. Glasbindungen werden üblicherweise durch Schmelzen von Rohmaterialien, wie Siliciumoxid (SiO-), Ton, Feldspat und anderen Materialien, die kombiniert und verarbeitet werden können, hergestellt, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist. Sobald ein Glas hergestellt worden ist, kann es zu einem Pulver vermahlen werden, das im allgemeinen als „Fritte" bekannt ist. Siliciumoxid-Aluminiumoxid-Glasbindungen werden im allgemeinen in glasgebundenen Schleifwerkzeugen verwendet.
Gemäß einer Ausführungsform ist der Glasbindemittelbestandteil in einer Menge von nicht mehr als etwa 28 Volumen-% des Schleifwerkzeugs vorhanden. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der Glasbindemittelbestandteil in einem Bereich von zwischen etwa 14 und etwa 28 Volumen-% des Schleifwerkzeugs vorhanden, mehr bevorzugt etwa 15 bis etwa 22 Volumen-% des Superschleifmittelwerkzeugs.
Die hier verwendete Glasbindung enthält ZnO in einer Menge von etwa 1–6 Gewichts-% des Glasbindungsbestandteils. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das ZnO in einer Menge von etwa 2–4 Gewichts-% des Glasbindungsbestandteils vorhanden.
Beispiele für geeignete Alkalimetalloxide und geeignete Menge an Alkalimetalloxiden des Glasbindungsbestandteils schließen Natriumoxid (Na₂O, etwa 3–6 Gewichts-%), Kaliumoxid (K₂O, etwa 4–7 Gewichts-%) und Lithiumoxid (Li₂O, etwa 1–5 Gewichts-%) mit ein. Gemäß einer Ausführungsform enthalten die Alkalimetalloxide des Glasbindungsbestandteils Natriumoxid und Kaliumoxid. Gemäß einer anderen Ausführungsform enthält das Alkalimetalloxid des Glasbindungsbestandteils des weiteren Lithiumoxid.
Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Menge der kombinierten Alkalimetalloxide etwa 5–15 Gewichts-%, vorzugsweise 8–12 Gewichts-% des Glasbindungsbestandteils. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Menge der kombinierten Alkalimetalloxide größer als etwa 9 Gewichts-% des Glasbindungsbestandteils.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält der Glasbindungsbestandteil weiterhin Bariumoxid (BaO) in einer Menge von 1–6 Gewichts-%. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist Bariumoxid in einer Menge von etwa 2–4 Gewichts-% des Glasbindungsbestandteils vorhanden. Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt die gemeinsame Menge an Zinkoxid und Bariumoxid mindestens etwa 5 Gewichts-% des Glasbindungsbestandteils.
Der Glasbindungsbestandteil kann auch Siliciumoxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Boroxid (B₂O₃), Calciumoxid (CaO), Magnesiumoxid (MgO) und Nickeloxid (NiO) sowie andere üblicherweise in geringen Mengen in Glaszusammensetzungen vorhandene Oxide enthalten.
Gemäß einer Ausführungsform enthält der Glasbestandteil eine Fritte eines bei niedriger Temperatur gebrannt werdenden Glases auf Siliciumoxid-Aluminiumoxid-Basis. Das Aluminiumoxid kann in dem Glasbestandteil in einer Menge in einem Bereich von zwischen etwa 1 und etwa 10 Gewichtsprozent vorhanden sein. Die Gesamtmenge an Siliciumoxid und Aluminiumoxid reicht im allgemeinen von etwa 51 bis etwa 80 Gewichtsprozent.
In einem Beispiel enthält der Glasbindemittelbestandteil zwischen etwa 50 und 70 Gewichtsprozent, vorzugsweise zwischen etwa 55 und etwa 65 Gewichtsprozent, an SiO₂; zwischen etwa 16 und etwa 25, vorzugsweise zwischen etwa 18 und 22 Gewichtsprozent an B₂O₃; zwischen etwa 5 und etwa 15 Prozent, vorzugsweise zwischen etwa 8 und etwa 12 Prozent, an Alkalimetalloxiden; zwischen etwa 1 und etwa 6 Gewichtsprozent, vorzugsweise zwischen etwa 2 und etwa 4 Gewichtsprozent, BaO; und zwischen etwa 1 und etwa 6 Gewichtsprozent, vorzugsweise zwischen etwa 2 und etwa 4 Gewichtsprozent, ZnO. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Glasbindung mit dem Schleifkorn bei einer Temperatur von unterhalb 850°C schmelzend verbunden. Unter schmelzend verbunden ist gemeint, daß der Glasbindemittelbestandteil geschmolzen wird, um das Schleifkorn zu bedecken und an diesem zu haften, was, nach Abkühlung, zu einem gebundenen Schleifartikel führt.
Der Füllmittelbestandteil des erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs umfaßt Hohlkörper. Wie er vorliegend verwendet wird, bedeutet der Begriff „hohl", daß ein leerer Raum oder ein Hohlraum innerhalb einer Wand vorliegt, die für Flüssigkeiten im wesentlichen undurchlässig ist. Hohlkörper können jede Form aufweisen. Ein Beispiel für eine geeignete Form ist eine kugelförmige Gestalt. Gemäß einer Ausführungsform weisen Hohlkörper des Füllmittelbestandteils ein Hohlraumvolumen in einem Bereich von etwa 30 und etwa 75 % auf. Gemäß einer Ausführungsform liegt die Druckfestigkeit der Hohlkörper in einem Bereich zwischen etwa 2000 psi und etwa 5000 psi.
Beispiele für geeignete Materialien der Hohlkörper schließen Glaskeramik-Mullit, Aluminiumoxid, Glas, keramische Blasen und Kugeln mit ein. Hohlkörper, die dem Zerdrücken während des Formvorgangs und des Brennens des Schleifwerkzeugs widerstehen, sind bevorzugt. Geeignete Hohlkörper werden von Environsphere Co. Zeeland Industries, 3-M Speciality Materials und von der PQ Corp. geliefert. In einem Beispiel sind die Hohlkörper Z-Light Spheres^TM Ceramic Microspheres, hergestellt von 3-M Speciality Materials.
Gemäß einer Ausführungsform haben die Hohlkörper einen durchschnittlichen Durchmesser in einem Bereich von zwischen etwa 10 μm und etwa 150 μm. Vorzugsweise weisen mindestens etwa 90 % der Hohlkörper eine Partikelgröße in einem Bereich von zwischen etwa 20 μm und etwa 120 μm auf.
Gemäß einer Ausführungsform sind die Hohlkörper in dem Schleifwerkzeug in einer Menge von mindestens etwa 10 Volumen-% vorhanden. Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die Hohlkörper in dem Schleifwerkzeug in einer Menge in einem Beriech von zwischen etwa 10 und etwa 30 Volumen-% vorhanden. Schleifwerkzeuge, die mindestens 90 Gewichtsprozent intakter Hohlkörper enthalten, sind bevorzugt.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält das Schleifwerkzeug mindestens etwa 15 Volumen-% Hohlraum, wobei der Hohlraum der Hohlkörper darin nicht enthalten ist. Der Hohlraum kann beispielsweise offene Porosität des Schleifwerkzeugs sein.
Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt das Kombinieren eines Kornbestandteils aus Superschleifinittel, eines Füllmittelbestandteils mit Hohlkörpern sowie eines Frittenbindungsbestandteils, der Zinkoxid und mindestens zwei Alkalimetalloxide enthält. Die Hohlkörper können sortiert werden, um zerbrochene Stücke zu entfernen.
Die vereinigten Bestandteile werden bei einer Maximaltemperatur in einem Bereich von zwischen etwa 600°C und etwa 850°C gebrannt. Gemäß einer Ausführungsform werden die kombinierten Bestandteile für eine Zeitdauer in einem Bereich von zwischen etwa 2 und etwa 7 Stunden gebrannt. Der gesamte Brennzyklus dauert etwa 12 Stunden. Bei solch relativ niedrigen Glasbrenntemperaturen beträgt die für einen Glasbindungsbestandteil enthaltend Siliciumoxid, Zinkoxid, gemischte Alkalimetalloxide und BaO benötigte Brennzykluszeit ziemlich unerwarteterweise die Hälfte der Zeit, die für kommerzielle Glasbindungen benötigt werden, die für Schleifwerkzeuge verwendet wird, die Diamantkorn enthalten.
Gemäß einer spezifischen Ausführungsform werden die kombinierten Bestandteile in einer Umgebungsluftatmosphäre gebrannt. Wie er hier verwendet wird bedeutet der Ausdruck „Umgebungsluftatmosphäre" Luft aus der Umgebung ohne Behandlung.
Gemäß einer Ausführungsform werden die Bestandteile durch mechanisches Mischen kombiniert. Zusätzliche Inhaltsstoffe, wie beispielsweise organische Bindemittel, können zugegeben werden, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist. Die Bestandteile können schrittweise oder in einem einzelnen Schritt zugegeben werden. Wahlweise kann die erhaltene Mischung gesiebt werden, um Agglomerate zu entfernen, die sich während des Mischens gebildet haben können.
Die Mischung wird zum Pressen in eine geeignete Form gegeben. Üblicherweise werden geformte Stempel verwendet um die Mischung abzudichten. In einem Beispiel werden die kombinierten Bestandteile in eine Gestalt geformt und gepreßt, die für einen Schleifradrand geeignet ist. Das Pressen kann durch jedes Mittel, wie durch Kaltpressen oder durch Warmpressen, erfolgen. Form- und Preßverfahren, welche ein Zerbrechen der Hohlkörper vermeiden, sind bevorzugt.
Kaltpressen ist bevorzugt und beinhaltet im allgemeinen die Anwendung eines Anfangsdrucks bei Raumtemperatur, der ausreicht, um den Formausbau zusammen zu halten. Der eingesetzte Anfangsdruck ist im allgemeinen in dem Bereich von etwa 50 bis etwa 150 Tonnen. Der erhaltene Grünling des Schleifwerkzeugs wird dann gebrannt. Wie er hier verwendet wird bedeutet der Begriff „Grünling" einen Körper, der während des nächsten Verfahrensschritts seine Gestalt beibehält, aber nicht genügend Festigkeit aufweist, um seine Gestalt dauernd beizubehalten. Das Brennen kann beispielsweise für eine Dauer von weniger als 15 Stunden in Luft erfolgen sowie bei einer Temperatur, die weniger als etwa 850°C beträgt, vorzugsweise in einem Bereich von zwischen etwa 600°C und etwa 750°C.
Warmpressen ist beispielsweise in den US-Patenten Nr. 4,157,897 und 2,986,455 beschrieben, deren Lehren hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme mit aufgenommen werden. Warmpressen ist auch in Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, 3^rd Ed., 1979, S. 263 und in der Encyclopedia of Materials Science and Engineering, Band 3, Pergamon Press Ltd., 1986, S. 2205–2208 beschrieben. Gemäß einer Ausführungsform wird Druck sowohl vor als auch während des Brennens ausgeübt. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird Druck nur während des Brennens ausgeübt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die als „Warmprägen" bezeichnet wird, wird Druck auf die Formanordnung ausgeübt, nachdem der Artikel aus dem Brennofen entfernt wurde. Soweit er hier verwendet wird schließt der Ausdruck „Warmpressen" „Warmpräge"-Verfahren mit ein. Brennen erfordert keine nicht-oxidierenden Atmosphären.
Im allgemeinen wird, wenn Warmpressen angewandt wird, das Brennen bei einer Temperatur von etwa 500°C bis etwa 750°C durchgeführt, und der endgültige Formdruck liegt in einem Bereich von zwischen etwa 0,7 Tonnen pro Quadratinch (tsi) und etwa 1,5 tsi. Die Haltezeit in der Form unter den endgültigen Temperatur- und Druckbedingungen ist im allgemeinen weniger als etwa 10 Minuten, und vorzugsweise in einem Bereich von zwischen etwa 4 und etwa 8 Minuten.
Formgebungs- und Druckverfahren, welche ein Zerbrechen der Hohlkörper vermeiden, sind wesentlich. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bleiben mindestens 90 Gewichtsprozent der Hohlkörper nach der Formgebung und der Pressen intakt.
Der Schleifartikel wird aus der Form entfernt und luftgekühlt. In einem späteren Schritt kann das gebrannte Werkzeug nach herkömmlicher Praxis geschärft und endbehandelt und dann vor der Verwendung auf Geschwindigkeit getestet werden.
Im Einsatz umfaßt das erfindungsgemäße Schleifwerkzeug im allgemeinen einen Schleifrand, der am äußeren Umfang eines Kerns angebracht ist. Erfindungsgemäße Werkzeuge schließen Typ 6A2H, 1A1, 6A1, 4A2 und andere Radformen mit ein. Der Schleifrand enthält das Schleifkorn, die Glasbindung und Füllstoffbestandteile, wie oben beschrieben. Verfahren zum Befestigen von Schleifkorn in einem Bindemittel, z.B. geformte Schleifsegmente, an einem Kern; sind auf dem Fachgebiet bekannt und schließen, z.B., Löten, Laserschweißen, Kleben oder Zementieren mit ein. Zementieren ist bevorzugt.
Metall-, Keramik-, Harz- und Kombinationskerne sind auf dem Fachgebiet bekannt. Ein Beispiel für ein geeignetes Kernmaterial für ein erfindungsgemäßes Schleifwerkzeug ist ein Aluminium-Harz-Verbundmaterial, das im allgemeinen eine gute Werkzeugvibrationsdämpfung gewährleistet. Gemäß einer Ausführungsform hat der Aluminium-Harz-Kern in Gewichtsprozent die folgende Zusammensetzung: etwa 8,3 % Phenolharz, etwa 90 % Aluminiumpulver und etwa 1,7 % Kalk. Der Kern kann, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist, hergestellt werden, indem Kernvorstufen in die Gestalt des Kerns geformt und bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Aluminiums gesintert werden. Aluminiumkerne sind ebenfalls gut geeignet für die erfindungsgemäßen Schleifwerkzeuge und deren Verwendungen.
Gemäß einer Ausführungsform werden die erfindungsgemäßen Werkzeuge verwendet, um Schneidwerkzeugeinsätze, hergestellt aus PCD, CDV oder anderen superharten Materialien, zu schleifen. Sowohl Grobschleifen als auch Oberflächenendbehandlung kann mit dem selben Werkzeug durchgeführt werden. Während die Vorteile des Schleifens mit den erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugen bei Schleifen der Kanten von PCD-Einsätzen am ausgeprägtesten sind, kann auch die Oberfläche des Schleifwerkzeugeinsatzes mit diesen Werkzeugen geschliffen werden. Der Schleifvorgang führt im allgemeinen zu Oberflächen und Kanten der Einsätze, die im wesentlichen frei von Splittern und Unregelmäßigkeiten sind.
Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele, die als nicht einschränkend anzusehen sind, weiter beschrieben.
Beispiel 1
Glasprobenstäbe wurden unter Verwendung der Zusammensetzungen A und B für Vergleichstests hergestellt. Die Zusammensetzung A war ein Fritten-Bindungsmaterial, das als Glasbindemittel in einem kommerziell erhältlichen Diamantrad eingesetzt wurde, das zum Schleifen von PCD- und PCBN-Materialien verwendet wurde, insbesondere Schneidwerkzeugeinsätze auf Diamantbasis, z.B. PCD, CVD und andere. Zusammensetzung A enthielt 59–72 Gewichts-% SiO₂/Al₂O₃; 20–23 Gewichts-% B₂O₃, 1–2 Gewichts-% CaO und etwa 5,0 Gewichts-% Na₂O. Zusammensetzung A enthielt weder ZnO, gemischte Alkalimetalloxide noch BaO. Zusammensetzung B war eine erfindungsgemäße Glasbindung und ist, in Gewichtsprozent, in Tabelle 1 gezeigt.
Tabelle 1
Die Zusammensetzung des Probenstabs (Volumen-%) betrug vor dem Brennen: 28 % Diamant, 15 % keramische Hohlkugeln, 24,5 % Glasbindung und 32,5 % Porosität. Die verwendeten keramischen Hohlkugeln waren vom Typ SL150 (60–100 Mikron), bezogen von Environsphere. Diamant (15/25 Mikron) wurde von Saint-Gobain Ceramics & Plastics, Inc., Worcester, MA, bezogen.
Um die Probenstäbe herzustellen wurden die Materialien gewogen und durch Rühren in einer Schüssel gemischt und dann zweimal durch ein 105 mesh Sieb (U.S. standard size) gesiebt. Sie wurden dann in eine Stahlform von geeigneter Gestaltung gegeben, um Testproben mit den folgenden Dimensionen zu erhalten: 0,24'' × 0,254'' × 2,625''. Die Grünkörper wurden dann in einen Ofen überführt und bei einem Brennzyklus von 100°C/Stunde von Raumtemperatur auf die gewünschte Temperatur gebrannt und bei dieser Temperatur 4 Stunden lang gehalten. Die Brenntemperaturen und die Atmosphären sind in Tabelle 2 gezeigt. Die Proben wurden in dem Ofen abgekühlt.
Der Bruchmodul (MOR) wurde an einer mechanischen Testvorrichtung Instron Model 4204 mit einer Dreipunkt-Biegeaufspanneinrichtung mit einer äußeren Spannweite von 2'' und einer Belastungsrate von 0,050'' pro Minute Querkopfgeschwindigkeit bestimmt.
Die Biegesteifigkeit der getesteten Proben ist in Tabelle 2 zusammen mit den Verfahrensbedingungen bei deren Herstellung gezeigt.
Tabelle 2
Die in Tabelle 2 beschriebenen Ergebnisse zeigen, daß die erfindungsgemäßen Glasräder niedrigere Brenntemperaturen benötigten, ohne nicht-oxidierende Atmosphären verarbeitet werden konnten und eine ausgezeichnete Biegesteifigkeit aufwiesen.
Beispiel 2
Schleifräder des Typs 6A2HA, welche die in Tabelle 1 gezeigte Glasbindungszusammensetzung aufwiesen, wurden wie folgt hergestellt. 162 g Mengen an Rohmaterialien wurden unter Verwendung eines Röhrenmischers in einem abgedeckten Kunststoffbehälter 10 Minuten lang gemischt, um ein Bindungsgemisch herzustellen. Die Mischung wurde mit Diamantschleifkorn und Glas-/Keramikkugeln des Grads SL 150 vereinigt. Das Diamantschleifkorn wurde von S-G Ceramics & Plastics, Inc. bezogen und wies eine nominelle Mikrometer-Größe von 15/25 auf. Die Glas-/Keramikkugeln wurden von Environsphere Co., Australien, bezogen und hatten einen durchschnittlichen Durchmesser von 60–100 μm. Die Mischung wurde durch ein 24 mesh Sieb (U.S. standard size) gesiebt, um jegliche Klumpen aufzubrechen. Die Mischung wurde dann in einen Formring gepreßt und der Ring wurde in Luft gebrannt, indem die Temperatur mit 100°C/Stunde bis auf ein Maximum von 800°C anstieg und der Ring 4 Stunden lang bei 800°C gehalten wurde. Nach dem Brennen wurde der Schleifring (oder Rand) abgekühlt, von der Form befreit und an einen Kern geklebt.
Entweder wurden Aluminiumkerne oder Aluminium-Harz-Verbundkerne (90 Gewichts-% Al-Pulver, 8,3 Gewichts-% Phenolharz und 1,7 Gewichts-% Kalk) verwendet. Die Zusammensetzung des gebrannten Schleifrandes des Rads waren 30 % Diamant, 20 % Hohlkörper, 17,5 % Glasbindung und 32,5 % Porosität, jeweils auf das Volumen bezogen.
Erfindungsgemäße Schleifräder auf Verbund- oder Aluminiumkernen wurden mit einem kommerziell erhältlichen Rad, Vergleichsrad-1, verglichen, das für das Kantenschleifen von PCD-Einsätzen für Maschinenwerkzeuge vorgesehen war. Das Vergleichsrad-1 enthielt zwischen 30–40 Volumenprozent Diamantkorn in einer unbekannten Glasbindung. Die Räder wurden auf einer automatischen Coborn RG6 Schleifmaschine befestigt. Alle Räder waren 6'' × 1½'' × 40 mm Räder vom 6A2HA Typ. Jedes Rad wurde verwendet, um vier mit polykristalliner Diamantspitze versehene Schneidwerkzeuge zu schleifen, die als GE 1500 PCD bezeichnetes PCD-Material enthielten. Bei allen Tests wurde eine eingestellte Radgeschwindigkeit von 2000 Umdrehungen pro Minute (RPM), ein eingestellter Schleifdruck von 5 und ein von der Nonon Company, Worcester, MA, zur Verfügung gestellter 3/4'' × 3/4'' × 6'' NMVC600J8VCA Abrichtstab eingesetzt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 3 gezeigt. Wie aus Tabelle 3 ersichtlich ist, leisteten sowohl die erfindungsgemäßen Räder mit Verbundkern als auch die mit Aluminiumkern das Gleiche wie das untersuchte kommerziell erhältliche Rad.
Tabelle 3
Erfindungsgemäße Schleifräder auf Verbund- oder Aluminiumkernen wurden auch mit Vergleichsrad-2 verglichen, einem kommerziell erhältlichen PCD Schleifrad, das auf einem Handschleifgerät Ewag RS 12 montiert war. Das Vergleichsrad-2 enthielt 30–40 Volumen-% Diamantkorn in einer unbekannten Glasbindungszusammensetzung und war speziell als für das Schleifen der Kanten von PCD-Einsätzen von maschinellen Werkzeugen geeignet bezeichnet. Alle Räder waren vom 6A2HA Typ. Jedes Rad wurde verwendet, um vier mit polykristalliner Diamantspitze versehene Schneidwerkzeuge zu schleifen, die als GE 1500 PCD bezeichnetes PCD-Material enthielten. Bei allen Tests wurde eine eingestellte Radgeschwindigkeit von 2400 RPM, ein konstanter Schleifdruck von 400 Newton und ein von der Norton Company zur Verfügung gestellter 1'' × 1'' × 6'' NSA800H2VM Abrichtstab eingesetzt. Die Ergebnisse sind in Tabelle 4 gezeigt.
Tabelle 4
Wie aus Tabelle 4 ersichtlich ist, zeigten sowohl die erfindungsgemäßen Räder auf Verbundkern als auch die auf Aluminiumkern ein verbessertes Leistungsvermögen verglichen mit dem kommerziell erhältlichen Rad. Etwa die Hälfte der Radabnutzung pro Werkzeug und etwa 30 % kürzere Schleifzeiten wurden beobachtet.
Äquivalente
Während diese Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf bevorzugte Ausführungsformen davon gezeigt und beschrieben worden ist, ist es für Fachleute klar, daß verschiedene Änderungen in der Form und in Details vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, der durch die beigefügten Ansprüche umfaßt wird.
Zusammenfassung
Ein Schleifwerkzeug enthält einen Superschleifkornbestandteil, einen Füllmittelbestandteil, der Hohlkörper enthält, und eine Glasbindung. Natürlicher und synthetischer Diamant, kubisches Bornitrid und Kombinationen davon können als der Superschleifkornbestandteil eingesetzt werden. Der Glasbindungsbestandteil enthält Zinkoxid und mindestens zwei Alkalimetalloxide. Der Glasbindungsbestandteil kann des weiteren Bariumoxid enthalten. Ein Verfahren zur Herstellung eines Schleifwerkzeugs umfaßt das Kombinieren eines Superschleifkornbestandteils, eines Füllmittelbestandteils, der Hohlkörper enthält, und eines Glasbidungsbestandteils, der Zinkoxid und mindestens zwei Alkalimetalloxide enthält. Die vereinigten Bestandteile werden bei einer Temperatur in einem Bereich von zwischen etwa 600°C und etwa 850°C gebrannt, vorzugsweise in einer Umgebungsluftatmosphäre.

Claims

Schleifwerkzeug mit a) einem Metallkern; und b) einem Schleifrand am äußeren Umfang des Kerns, wobei der Rand einen Superschleifkornbestandteil, einen Füllmittelbestandteil enthaltend Hohlkörper und einen Glasbindungsbestandteil, der bei einer Temperatur von weniger als 850°C gebrannt wird, enthält, wobei die Glasbindung Zinkoxid und mindestens zwei Alkalimetalloxide enthält.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, wobei der Metallkern aus Aluminium gebildet ist.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, wobei der Superschleifkornbestandteil ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Diamant, kubischem Bornitrid und Gemischen davon.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 3, wobei der Glasbindungsbestandteil des weiteren Bariumoxid enthält.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 4, wobei die Alkalimetalloxide des Glasbindungsbestandteils ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Natriumoxid, Kaliumoxid und Lithiumoxid.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 5, wobei die Alkalimetalloxide des Glasbindungsbestandteils Natriumoxid und Kaliumoxid enthalten.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Hohlkörper Hohlkugeln sind.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 7, wobei die Hohlkugeln aus einem keramischen Material hergestellt sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Hohlkörper gesiebt werden, um zerbrochene Partikel zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 9, wobei mindestens 90 Gewichtsprozent der Hohlkörper eine Partikelgröße in einem Bereich von zwischen etwa 20 μm und etwa 120 μm aufweisen.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, wobei der Superschleifkornbestandteil in einer Menge in einem Bereich von zwischen etwa 5 und etwa 50 Volumenprozent vorhanden ist.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 11, wobei der Glasbindungsbestandteil in einem Bereich von zwischen etwa 14 und etwa 28 Volumenprozent vorhanden ist.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 12, wobei die Hohlkörper in einer Menge von mindestens etwa 10 Volumenprozent vorhanden sind.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 13, wobei die Hohlkörper in einer Menge von zwischen etwa 10 und etwa 30 Volumenprozent vorhanden sind.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 14, wobei das Werkzeug des weiteren offene Porosität von mindestens 15 Volumenprozent enthält.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 15, wobei die Menge an kombinierten Alkalimetalloxiden in einem Bereich von zwischen etwa 5 und etwa 15 Gewichtsprozent des Glasbindungsbestandteils liegt.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 16, wobei die Menge an kombinierten Alkalimetalloxiden in einem Bereich von zwischen etwa 8 und etwa 12 Gewichtsprozent des Glasbindungsbestandteils liegt.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 1, wobei die Menge an Zinkoxid in einem Bereich zwischen etwa 1 und etwa 6 Gewichtsprozent des Glasbindungsbestandteils liegt.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 18, wobei die Menge an Zinkoxid in einem Bereich zwischen etwa 2 und etwa 4 Gewichtsprozent des Glasbindungsbestandteils liegt.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 19, wobei der Glasbindungsbestandteil des weiteren Bariumoxid enthält, und wobei die kombinierte Menge an Zinkoxid und Bariumoxid mindestens etwa 5 Prozent des Glasbindungsbestandteils beträgt.
Verfahren zur Herstellung eines gebundenen Schleifwerkzeugs mit den Schritten: a) Auswählen einer gefritteten Glasbindungszusammensetzung, die Zinkoxid und mindestens zwei Alkalimetalloxide enthält; b) Kombinieren eines Superschleifmittelbestandteils, eines Füllmittelbestandteils mit Hohlkörpern und der Glasbindungszusammensetzung; und c) Brennen der vereinigten Bestandteile bei einer Temperatur in einem Bereich von zwischen etwa 600°C und etwa 850°C.
Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die vereinigten Bestandteile bei Maximaltemperatur für eine Zeitdauer in einem Bereich von zwischen etwa 2 Stunden und etwa 7 Stunden gebrannt werden.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei die kombinierten Bestandteile in einer Umgebungsluftatmosphäre gebrannt werden.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei der Superschleifkornbestandteil in einer Menge von zwischen etwa 5 und etwa 50 Volumenprozent vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Glasbindungsbestandteil in einem Bereich von zwischen etwa 14 und etwa 28 Volumenprozent vorhanden ist.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Hohlkörper in einer Menge von zwischen etwa 10 und etwa 30 Volumenprozent vorhanden sind.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei das Werkzeug des weiteren offene Porosität von mindestens 15 Volumenprozent enthält.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 21, wobei die Menge an kombinierten Alkalimetalloxiden in einem Bereich von zwischen etwa 5 und etwa 15 Gewichtsprozent des Glasbindungsbestandteils liegt.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Menge an kombinierten Alkalimetalloxiden in einem Bereich von zwischen etwa 8 und etwa 12 Gewichtsprozent des Glasbindungsbestandteils liegt.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei die Menge an Zinkoxid in einem Bereich zwischen etwa 1 und etwa 6 Gewichtsprozent des Glasbindungsbestandteils liegt.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 30, wobei die Menge an Zinkoxid in einem Bereich zwischen etwa 2 und etwa 4 Gewichtsprozent des Glasbindungsbestandteils liegt.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der Glasbindungsbestandteil des weiteren Bariumoxid enthält, und wobei die kombinierte Menge an Zinkoxid und Bariumoxid mindestens etwa 5 Prozent des Glasbindungsbestandteils beträgt.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die Hohlkörper gesiebt werden, um zerbrochene Partikel zu entfernen.
Verfahren nach Anspruch 21 mit dem weiteren Schritt des Warmpressens oder Kaltpressens, wobei mindestens etwa 90 Gewichtsprozent der Hohlkörper nach dem Pressen intakt sind.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei die gebrannten Bestandteile an einen Metallkern zementiert werden.
Verfahren zur Herstellung eines gebundenen Schleifwerkzeugs mit den Schritten: a) Kombinieren eines Superschleifkornbestandteils, vorhanden in einer Menge von mindestens etwa 5 Volumenprozent, eines Füllstoffbestandteils mit Hohlkörpern und vorhanden in einer Menge von mindestens etwa 10 Volumenprozent, sowie eines Glasbindemittelbestandteils, der Zinkoxid und mindestens zwei Alkalimetalloxide enthält, wobei der Keramikbindemittelbestandteil in einer Menge von weniger als etwa 28 Volumenprozent vorhanden ist; b) Formen der kombinierten Bestandteile bei einem Druck, der vermeidet, daß mehr als etwa 10 Gewichtsprozent der Hohlkörper zerbrechen; und c) Brennen der kombinierten Bestandteile bei einer Temperatur in einem Bereich von zwischen etwa 600°C und etwa 850°C für einen Zeitraum, der ausreicht, um ein gebundenes Schleifwerkzeug mit einer Porosität von mindestens etwa 15 Prozent zu bilden.
Schleifwerkzeug nach Anspruch 39, wobei das gebundene Schleifwerkzeug geformt wird, um einen Rand zu bilden und der Rand an einem Kern befestigt wird.