DE112006002881T5

DE112006002881T5 - Kubisches Bornitrid aufweisender Presskörper

Info

Publication number: DE112006002881T5
Application number: DE112006002881T
Authority: DE
Inventors: Iain Patrick Goudemond; Nedret Can; Stig Ake Andersin
Original assignee: Element Six Production Pty Ltd
Current assignee: Element Six Abrasives SA
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2006-10-27
Publication date: 2008-10-30
Also published as: KR20080066057A; CN101341268B; EP1948837B1; JP2009513471A; EP1948837A2; US8382868B2; CN101341268A; BRPI0619322A2; KR101395479B1; JP5226522B2; ZA200803807B; WO2007049140A3; WO2007049140A2; AU2006307587A1; US20090293370A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer pulverförmigen Zusammensetzung, die für die Herstellung eines polykristallinen CBN-Presskörpers geeignet ist, umfassend den Schritt, dass ein Gemisch von CBN, das in einer Menge von zumindest 80 Vol.-% des Gemischs vorliegt, und eine pulverförmige Bindemittelphase einer Reibungsmahlung unterzogen werden.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft die Herstellung von Schleifpresskörpern mit polykristallinem kubischem Bornitrid.
Bornitrid liegt typischerweise in drei kristallinen Formen vor, nämlich als kubisches Bornitrid (CBN), hexagonales Bornitrid (hBN) und kubisches Wurtzit-Bornitrid (wBN). Kubisches Bornitrid ist eine harte Zinkblendenform von Bornitrid, die eine ähnliche Struktur wie Diamant aufweist. In der CBN-Struktur sind die sich zwischen den Atomen ausbildenden Bindungen starke, hauptsächlich kovalente tetraedrische Bindungen. Verfahren für die Herstellung von CBN sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt. Ein solches Verfahren besteht darin, hBN in Anwesenheit eines spezifischen katalytischen Zusatzmaterials, welches die Alkalimetalle, Erdalkalimetalle, Blei, Zinn sowie Nitride dieser Metalle einschließen kann, sehr hohen Drücken und Temperaturen auszusetzen. Wenn die Temperatur und der Druck gesenkt werden, kann CBN gewonnen werden.
CBN findet verbreitete kommerzielle Anwendung in Werkzeugen zur maschinellen Bearbeitung und dergleichen. Es kann als abrasives Partikel in Schneidscheiben, Schneidwerkzeugen und dergleichen verwendet werden oder unter Verwendung herkömmlicher Galvanisiertechniken mit einem Werkzeugkörper verbunden werden, um einen Werkzeugeinsatz zu bilden.
CBN kann auch in gebundener Form als ein CBN-Presskörper, auch bekannt als PCBN, verwendet werden. CBN-Presskörper zeigen üblicherweise gute Abriebfestigkeit, sind thermisch stabil, haben eine hohe Wärmeleitfähigkeit sowie gute Schlagfestigkeit und weisen ei nen niedrigen Reibungskoeffizienten auf, wenn sie mit einem Werkstück in Kontakt stehen.
Das einzige bekannte Material, das härter als CBN ist, ist Diamant. Da Diamant jedoch dazu neigt, mit bestimmten Materialien wie etwa Eisen zu reagieren, kann es nicht bei der Bearbeitung von eisenhaltigen Metallen verwendet werden, und daher ist in diesen Fällen die Verwendung von CBN zu bevorzugen.
CBN-Presskörper umfassen gesinterte, polykristalline Massen aus CBN-Partikeln. Übersteigt der CBN-Gehalt 75 Vol.-% des Presskörpers, liegt ein beträchtliches Maß an Kontakt und Bindung zwischen den einzelnen CNB-Partikeln vor. Ist der CBN-Gehalt geringer, z. B. im Bereich von 40 bis 60 Vol.-% des Presskörpers, ist das Maß an direktem Kontakt und Bindung zwischen den einzelnen CBN-Partikeln geringer.
CBN-Presskörper enthalten im Allgemeinen auch ein Bindemittel, das eine oder mehrere, Aluminium, Silizium, Kobalt, Nickel, Titan, Chrom, Wolfram und Eisen enthaltende Phase(n) enthält.
Eine weitere sekundäre Hartphase, die keramischer Natur sein kann, kann ebenfalls vorhanden sein. Beispiele geeigneter keramischer Hartphasen sind Karbide, Nitride, Boride und Carbonitride eines Übergangsmetalls aus Gruppe 4, 5 oder 6, Aluminiumoxid, oder Gemische davon.
Die Matrix ist so definiert, dass sie alle Bestandteile in der Zusammensetzung mit Ausnahme von CBN enthält.
CBN-Presskörper können bei der Bildung eines Werkzeugeinsatzes oder Werkzeugs direkt mit einem Werkzeugkörper verbunden werden. Für viele Anwendungen wird jedoch bevorzugt, dass der Presskörper mit einem Substrat-/Träger-Material unter Bildung einer Träger-Presskörper-Struktur verbunden und anschließend die Träger- Presskörper-Struktur mit einem Werkzeugkörper verbunden wird. Das Substrat-/Träger-Material ist typischerweise ein Zement-Metallkarbid, das mit einem Bindemittel wie etwa Kobalt, Nickel, Eisen oder einem Gemisch bzw. einer Legierung daraus aneinander gebunden wird. Die Metallkarbidpartikel können Wolfram-, Titan- oder Tantalkarbidpartikel oder ein Gemisch davon umfassen.
Ein bekanntes Verfahren zur Herstellung der polykristallinen CBN-Presskörper und Träger-Presskörper-Strukturen umfasst den Schritt, dass eine ungesinterte Masse von CBN-Partikeln für eine geeignete Zeitperiode Hochtemperatur- und Hochdruckbedingungen unterworfen wird, d. h. bei Bedingungen, bei welchen das CBN kristallographisch stabil ist. Eine Bindemittelphase kann verwendet werden, um die Bindung der Partikel zu verbessern. Typische Bedingungen mit Hochtemperatur und Hochdruck (HTHP), die verwendet werden, sind Temperaturen im Bereich von 1100°C oder höher, sowie Drücke in der Größenordnung von 2 GPa oder höher. Die Zeitperiode für die Beibehaltung dieser Bedingungen beträgt typischerweise etwa 3 bis 120 Minuten.
Der gesinterte CBN-Presskörper mit oder ohne Substrat wird oft in die gewünschte Größe und/oder Gestalt des jeweils verwendeten Schneid- oder Bohrwerkzeugs geschnitten und dann unter Verwendung von Löttechniken auf einem Werkzeugkörper befestigt.
Materialien mit hohem CBN-Gehalt (auch als PCBN bekannt) werden in erster Linie bei Bearbeitungsanwendungen wie Graugusseisen, Pulvermetallurgiestählen (PM), Hochchrom-Gusseisen, Weißgusseisen und Hochmanganstählen verwendet. Materialien mit hohem CBN-Gehalt werden normalerweise bei der Rohbearbeitung und bei schweren diskontinuierlichen Bearbeitungsvorgängen verwendet. In bestimmten Fällen werden sie auch bei der Fein- bzw. Fertigbearbeitung, wie etwa der Fein- bzw. Fertigbearbeitung von Graugusseisen oder Pulvermetallurgie- bzw. PM-Eisen verwendet.
Ein derart breites Anwendungsgebiet für PCBN verlangt nach einem Material, das hohe Abriebfestigkeit, hohe Kantenstabilität, hohe Festigkeit, hohe Zähigkeit und hohe Hitzebeständigkeit aufweist. Diese Kombinationen von Eigenschaften können nur durch ein Material, das einen hohen CBN-Gehalt von zumindest 75 Vol.-% aufweist, und eine Bindemittelphase, die eine hochfeste Bindung mit CBN eingeht, erreicht werden.
Da CBN die kritischste Komponente des Materials mit hohem CBN-Gehalt ist, welche für Härte, Festigkeit, Zähigkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Abriebfestigkeit und einen niedrigen Reibungskoeffizienten im Kontakt mit eisenhaltigen Materialien sorgt, besteht die Hauptfunktion der Bindemittelphase darin, die CBN-Körner in der Struktur zu zementieren und die Eigenschaften des CBN in dem Verbundstoff zu ergänzen. Daher ist im Vergleich mit CBN die Bindemittelphase das schwächere Glied bei der Konstruktion von Verbundmaterialien mit hohem CBN-Gehalt.
Die beiden Patente US 6,316,094 und EP 1,043,410 beschreiben Verfahren zur Herstellung polykristalliner CBN-Presskörper, welche einen niedrigen CBN-Gehalt, d. h., weniger als 70 Vol.-%, aufweisen. Diese CBN-Presskörper unterscheiden sich wesentlich von den Presskörpern dieser Erfindung, sowohl was den gesamten cBN-Gehalt, als auch die Funktion oder Rolle der Nicht-cBN-Matrix betrifft. Es ist im Stand der Technik wohlbekannt, dass sich Materialien mit hohem bzw. niedrigem CBN-Gehalt fundamental voneinander unterscheiden – was durch ihre stark unterschiedlichen Anwendungen bezeugt wird.
Presskörper-Matrixmaterial mit niedrigem CBN-Gehalt schließt sowohl eine sekundäre Hartphase als auch eine Bindemittelphase ein, wobei die sekundäre Hartphase das dominante Material in der Matrix ist. Bei diesen Presskörpern spielt die Matrixphase (insbesondere die sekundäre Hartphase) per se eine wichtige Rolle für die Bestim mung der Leistungsfähigkeit des Presskörpers in der Anwendung. Diese Matrixphase liegt in ausreichender Menge (mehr als 30 Vol.-%) vor, um in zwei Dimensionen ununterbrochen vorzuliegen. In einigen Beispielen in den oben angeführten Patenten werden die sekundäre Hartphase, die Bindemittelphase und das CBN einer Reibungsmahlung unterzogen. Der Zweck dieser Mahlung besteht in der Verringerung der Größe des spröden Materials der sekundären Hartphase und in der homogenen Dispersion des Bindemittels, der Partikel der sekundären Hartphase und der CBN-Partikel.
In polykristallinen Presskörpern mit hohem CBN-Gehalt spielt das CBN die dominante Rolle bei der Bestimmung des Leistungsvermögens in der Anwendung. Die Rolle der Matrix besteht hauptsächlich darin, die Reaktionsbindung zwischen den CBN-Partikeln zu erleichtern, also diese zusammen zu zementieren. Der höhere CBN-Gehalt und die erforderliche Bildung einer starken Zementbindung machen es nötig, dass das Matrixgemisch in Presskörpern mit hohem CBN-Gehalt viel höhere relative Mengen von duktilem Bindemittelphasenmaterial enthält. Der Presskörper kann dennoch eine bestimmte Menge an sekundärem Hartphasenmaterial enthalten.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer für die Herstellung eines polykristallinen CBN-Presskörpers geeigneten pulverförmigen Zusammensetzung den Schritt, dass ein Gemisch von CBN, das in einer Menge von zumindest 80 Vol.-% des Gemischs vorliegt, und einer pulverförmigen Bindemittelphase einer Reibungsmahlung unterzogen wird.
Das pulverförmige Gemisch wird nach der Reibungsmahlung, und nach dem gegebenenfalls erforderlichen Trocknen, vorzugsweise einer Vakuum-Wärmebehandlung unterzogen, um einige der Verunreinigungen zu entfernen/verringern, bevor die Zusammensetzung erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen unterworfen wird, die zur Herstellung eines polykristallinen CBN-Presskörpers notwendig sind.
Die Zusammensetzung umfasst typischerweise etwa 80 Vol.-% bis etwa 95 Vol.-% CBN. Das CBN kann aus Partikeln mit mehr als einer durchschnittlichen Partikelgröße bestehen.
Die Bindemittelphase schließt typischerweise eine oder mehrere Phase(n) ein, die Aluminium, Silizium, Kobalt, Molybdän, Tantal, Niob, Nickel, Titan, Chrom, Wolfram, Yttrium, Kohlenstoff und Eisen enthalten. Die Bindemittelphase kann Pulver mit gleichmäßiger Feststofflösung mit mehr als einem Bestandteil aus Aluminium, Silizium, Kobalt, Nickel, Titan, Chrom, Wolfram, Yttrium, Molybdän, Niob, Tantal, Kohlenstoff oder Eisen.
Die Bindemittelphase kann eine geringere Menge an Karbid, im Allgemeinen Wolframkarbid enthalten, welches vom Abrieb der Mahlkörper stammt.
Die durchschnittliche Partikelgröße des CBN beträgt üblicherweise nicht mehr als 12 μm und vorzugsweise nicht mehr als 10 μm.
In einer Ausführungsform der Erfindung sind die CBN-Partikel fein, mit einer Größe von typischerweise nicht mehr als etwa 2 μm. Für derart feine Partikel wird bevorzugt, dass nur eine Partikelgröße (unimodal) verwendet wird. Das Gemisch besteht vorzugsweise nur aus der Bindemittelphase und den CBN-Partikeln, wobei jegliche andere Komponenten wie etwa Wolframkarbid aus dem Mahlvorgang nur in geringeren Mengen vorliegen, welche das Leistungsvermögen des aus dem Gemisch hergestellten CBN-Presskörpers nicht beeinträchtigen. Insbesondere ist das Gemisch im Wesentlichen frei von jeglicher sekundärer Hartphase.
Umfasst das CBN Partikel mit mehr als einer durchschnittlichen Partikelgröße, ist das CBN vorzugsweise bimodal, d. h., es besteht aus Partikeln mit zwei durchschnittlichen Größen. Der Bereich der durchschnittlichen Partikelgröße der feineren Partikel liegt üblicherweise bei etwa 0,1 bis etwa 2 μm und der Bereich der durchschnittlichen Partikelgröße der gröberen Partikel liegt üblicherweise bei etwa 2 bis etwa 12 μm, vorzugsweise 2 bis 10 μm. Das Verhältnis des Gehalts an gröberen CBN-Partikeln zu jenem an feineren Partikeln beträgt typischerweise 50:50 bis 90:10. Die gröberen Partikel sind vorzugsweise größer als 2 μm. Für solche bimodalen CBN-Partikel wird bevorzugt, dass das Gemisch auch eine sekundäre Hartphase enthält. Die sekundäre Hartphase liegt vorzugsweise in einer Menge von nicht mehr als 75 Gew.-%, und noch bevorzugter nicht mehr als 70 Gew.-% der Kombination aus Bindemittelphase und sekundärer Hartphase vor. In dieser Ausführungsform der Erfindung wird bevorzugt, dass die Bindemittelphase und die sekundäre Hartphase zusammen mit den feinen CBN-Partikeln einer Reibungsmahlung unterzogen werden, die gröberen CBN-Partikel dann diesem Gemisch zugegeben und dieses anschließend unter Verwendung eines Verfahrens, dass die Reibungsmahlung nicht einschließt, z. B. Hochenergiemischen, wie etwa mechanisches Rühren oder Ultraschall-Rühren, gemischt wird. Die Bindemittelphase und die sekundäre Hartphase können vor der Zugabe der feinen CBN-Partikel gemischt und einer Reibungsmahlung unterzogen werden.
Beispiele geeigneter Hartphasenmaterialien sind keramische Hartphasen wie etwa Karbide, Nitride, Boride und Carbonitride eines Übergangsmetalls aus Gruppe 4, 5 oder 6, Aluminiumoxid, und Gemische davon.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein polykristalliner CBN-Presskörper hergestellt, indem eine wie oben beschrieben hergestellte pulverförmige Zusammensetzung erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen, die zur Herstellung eines solchen Presskörpers geeignet sind, unterworfen wird.
Die pulverförmige Zusammensetzung kann vor der Anwendung der erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen auf einer Oberfläche eines Substrats angeordnet werden. Das Substrat ist im Allgemeinen ein Zement-Metallkarbid-Substrat.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung von Schleifpresskörpern mit hohem CBN-Gehalt. Die Zusammensetzung oder das Ausgangsmaterial, das zur Herstellung des polykristallinen CBN-Presskörpers verwendet wird, umfasst CBN sowie eine Bindemittelphase in Pulver- oder Partikelform. Die Bindemittelphase sollte während eines Hochdruck- und Hochtemperatursinterns zumindest zum Teil schmelzen und mit CBN reagieren und durch Reaktionssintern eine Bindung ausbilden. Der CBN-Gehalt der pulverförmigen Zusammensetzung beträgt zumindest 80 Vol.-%. Der CBN-Gehalt des aus der pulverförmigen Zusammensetzung hergestellten polykristallinen CBN-Presskörpers ist geringer als jener der Zusammensetzung. Somit beträgt der CBN-Gehalt des aus der pulverförmigen Zusammensetzung der Erfindung hergestellten polykristallinen CBN-Presskörpers zumindest 75 Vol.-%.
Typischerweise liegt in einem polykristallinen CBN-Presskörper, bei welchem das CNB 75 Vol.-% des Presskörpers übersteigt, ein beträchtliches Ausmaß an Kontakt und Bindung zwischen den einzelnen CBN-Partikeln vor. Der CBN-Presskörper, der einen CBN-Gehalt von mehr als 75 Vol.-% aufweist, ist typischerweise durch isolierte kleine Bindemittelphasen zwischen den CBN-Körnern gekennzeichnet. Die Bindemittelphase in einem gesinterten Presskörper ist typischerweise keramischer Natur und durch Reaktionssintern zwischen CBN und verschiedenen Metallen, die stabile Nitride und Boride bilden können, gebildet. Zumindest ein Teil des Bindemittelphasenmaterials sollte während des Sinterns flüssig oder zum Teil flüssig sein und die CBN-Körner benetzen, um eine gute Bindung zwischen den CBN-Körnern zu erreichen.
Die Größenverteilung der Bestandteile der Bindemittelphase wird vorzugsweise sorgfältig ausgewählt, um eine höchstmögliche Homogenität der Bindemittelphase zu erreichen, so dass eine gleichmäßige Verteilung der Bindemittelphase zwischen den CBN-Körnern vorliegt. Dies verleiht dem fertigen Material Eigenschaftsisotropie und erhöhte Zähigkeit. Eine gleichmäßige Dispersion der Bindemittelphase sorgt tendenziell für eine starke Bindung, was auch bewirkt, dass die CBN-Körner bei der Bearbeitung von abrasiven Werkstückmaterialien tendenziell weniger leicht entfernt werden können.
In der durch die Erfindung hergestellten pulverförmigen Zusammensetzung kann das CBN multimodale Partikel enthalten, d. h., zumindest zwei Typen von CBN-Partikeln, die sich in ihrer durchschnittlichen Partikelgröße von einander unterscheiden. "Durchschnittliche Partikelgröße" bedeutet, dass der größte Teil der Partikel nahe an der angegebenen Größe liegt, obwohl eine begrenzte Anzahl von Partikeln vorhanden ist, die stärker von der angegebenen Größe abweichen. Die Spitze in der Verteilung der Partikel hat eine definierte Größe. Wenn also zum Beispiel die durchschnittliche Partikelgröße 2 μm beträgt, liegen per definitionem auch einige Partikel vor, die größer als 2 μm sind, doch der größte Teil der Partikel wird ungefähr 2 μm groß sein, und die Spitze in der Verteilung der Partikel liegt nahe bei 2 μm.
Die Verwendung von multimodalem, vorzugsweise bimodalem, CBN in der Zusammensetzung für größere CBN-Partikelgrößen gewährleistet, dass die Matrix fein unterteilt ist, um die Wahrscheinlichkeit von Fehlerstellen kritischer Größe in der Zusammensetzung vor dem Sintern zu verringern. Dies ist sowohl für die Zähigkeit als auch für die Festigkeit in dem aus der Zusammensetzung hergestellten Presskörper von Nutzen.
Das Mahlen als Mittel zur Zerkleinerung und Dispersion ist im Allgemeinen im Stand der Technik wohlbekannt. Verbreitet eingesetzte Mahltechniken, die zum Zerkleinern von keramischen Pulvern verwendet werden, schließen herkömmliche Kugelmühlen und Trommelkugelmühlen, Planetenkugelmühlen und Reibungskugelmühlen sowie Rührwerks- bzw. Rührkugelmühlen ein.
Bei der herkömmlichen Kugelmahlung wird der Energieeinsatz durch die Größe und Dichte der Mahlkörper, den Durchmesser des Mahlbechers und die Drehgeschwindigkeit bestimmt. Da das Verfahren erfordert, dass die Kugeln durcheinander fallen, sind die Drehgeschwindigkeiten und damit die Energie begrenzt. Die herkömmliche Kugelmahlung ist gut zum Mahlen von Pulvern niedriger bis mittlerer Partikelstärke geeignet. Typischerweise wird dort die herkömmliche Kugelmahlung verwendet, wo Pulver mit Endgrößen von etwa 1 μm oder mehr gemahlen werden sollen.
Bei der Planetenkugelmahlung erlaubt die Planetenbewegung der Mahlbecher Beschleunigungen von bis zu 20 g, was dort, wo dichte Mahlkörper verwendet werden, im Vergleich zur herkömmlichen Kugelmahlung wesentlich mehr Energie beim Mahlen ermöglicht. Diese Technik ist für die Zerkleinerung in Partikel moderater Stärke mit Partikelendgrößen von etwa 1 μm gut geeignet.
Reibungsmühlen bestehen aus einer umschlossenen Mahlkammer mit einem Rührwerk, das mit hohen Geschwindigkeiten in entweder einer vertikalen oder horizontalen Konfiguration rotiert. Die verwendeten Mahlkörper liegen typischerweise in dem Größenbereich von 0,2 bis 15 mm, und wenn die Zerkleinerung das Ziel ist, bestehen die Mahlkörper typischerweise aus Zementkarbiden mit hoher Dichte.
Die hohen Drehgeschwindigkeiten des Rührwerks sorgen in Kombination mit den Mahlkörpern kleinen Durchmessers und hoher Dichte für extrem hohe Energie. Darüber hinaus resultiert die hohe Energie bei der Reibungsmahlung in einer hohen Scherung in der Aufschlämmung, was für eine sehr erfolgreiche Kodispersion oder Durchmischung der Pulver sorgt. Durch Reibungsmahlung werden feinere Partikel und eine bessere Homogenität als mit den anderen angeführten Verfahren erzielt.
Besteht das CBN aus feinen Partikeln, typischerweise 2 μm oder weniger, dann werden das CBN und die Bindemittelphase durch Reibungsmahlung bei einem kontrollierten Ausmaß an Abrieb der Mahlkörper gemahlen und gemischt. Die Bindemittelphase kann vor der Zugabe der CBN-Partikel einer Reibungsmahlung unterzogen werden.
Besteht das CBN aus Partikeln unterschiedlicher Größen, wobei die groben Bruchstücke typischerweise in dem Bereich von mehr als 2 μm und 12 μm liegt, besteht das Verfahren üblicherweise aus mehr als einem Schritt. Der erste Schritt ist dabei das Mahlen der pulverförmigen Bindemittelphase und der sekundären Hartphase, sofern vorhanden, mit den feinen Bruchstücken aus CBN, um ein feines Gemisch herzustellen, und der zweite Schritt beinhaltet die Zugabe einer gröberen CBN-Bruchstücken. Das Gemisch, zu welchem die groben CBN-Partikel zugegeben wurden, wird dann unter Einsatz eines Hochenergie-Mischverfahrens, wie etwa mechanisches oder Ultraschall-Mischen, gemischt. Es findet keine weitere Reibungsmahlung statt, und somit wird die übermäßige Einbringung von Karbid, das von den Mahlkörpern stammt, minimiert. Die Bindemittelphase mit der sekundären Hartphase, sofern vorhanden, kann vor der Zugabe der feinen CBN-Partikel einer Reibungsmahlung unterzogen werden.
In dem Verfahren der Erfindung werden die Partikel der Bindemittelphase einer Reibungsmahlung unterzogen, um die Oberflächen mechanisch zu aktivieren und optional um die Partikelgröße der Materialien der Bindemittelphase zu verringern. Wenn die Bindemittelphase aus mehr als einer metallischen Phase besteht, kann die Reibungsmahlung auch für ein begrenztes Ausmaß an Legierungsbildung sorgen, was die Chemie der Bindemittelphase weiter homogenisiert. Die Reibungsmahlung der Bindemittelphase wird so angelegt, dass der Abrieb der Mahlkörper, typischerweise aus Wolframkarbid, minimiert wird.
Typische erhöhte Druck- und Temperaturbedingungen, die zur Herstellung polykristalliner CBN-Presskörper notwendig sind, sind im Stand der Technik wohlbekannt. Diese Bedingungen sind Drücke in dem Bereich von etwa 2 bis etwa 6 GPa und Temperaturen in dem Bereich von etwa 1100°C bis etwa 2000°C. Bedingungen, die sich für die vorliegende Erfindung als besonders günstig erwiesen haben, fallen in den Bereich von etwa 4 bis 6 GPa und 1200 bis 1600°C.
Durch das Verfahren der Erfindung hergestellte Presskörper finden insbesondere Anwendung bei der Bearbeitung von Graugusseisen, Pulvermetallurgiestählen (PM), Hochchrom-Gusseisen, Weißgusseisen und Hochmanganstählen. Materialien mit hohem CBN-Gehalt werden normalerweise bei der Rohbearbeitung und bei schweren nichtkontinuierlichen Bearbeitungsvorgängen verwendet. In bestimmten Fällen werden sie auch bei der Fein- bzw. Fertigbearbeitung, wie etwa der Fein- bzw. Fertigbearbeitung von Graugusseisen oder Pulvermetallurgie- bzw. PM-Eisen verwendet.
Die Erfindung wird nun durch die folgenden, nicht einschränkenden Beispiele veranschaulicht:
BEISPIELE
Beispiel 1: Reibungsmahlung
Kobalt-, Aluminium- und Wolframpulver mit den durchschnittlichen Partikelgrößen von jeweils 1,5 bzw. 1 μm wurden mit CBN einer Reibungsmahlung unterzogen. Kobalt, 33 Gew.-%, Aluminium, 11 Gew.-% und Wolfram, 56 Gew.-% bilden das Bindemittelgemisch. Kubisches Bornitrid-Pulver (CBN) von etwa 1,2 μm durchschnittlicher Partikelgröße wurde zu dem Bindemittelgemisch in einer Menge zugegeben, um 92 Vol.-% CBN zu erreichen. Das Pulvergemisch wurde für 2 Stunden einer Reibungsmahlung mit Hexan unter Verwendung von Zementkarbid-Mahlkörpern unterzogen. Nach der Reibungsmahlung wurde die Aufschlämmung unter Vakuum getrocknet und zu einem von einem Zementkarbidsubstrat getragenen Presskörpergrünling geformt. Nach Ausgasen unter Vakuum wurde das Material bei etwa 5,5 GPa und bei etwa 1480°C gesintert, um einen polykristallinen CBN-Presskörper herzustellen. Dieser CBN-Presskörper (im Folgenden als Material A bezeichnet) wurde analysiert und anschließend einem Bearbeitungstest unterzogen.
Beispiel 2: Reibungsmahlung
Aluminium- und Wolframpulver mit den durchschnittlichen Partikelgrößen von etwa 5 bzw. 1 μm wurden mit CBN einer Reibungsmahlung unterzogen. Aluminium, 30 Gew.-%, und Wolfram, 70 Gew.-% bilden das Bindemittelgemisch. Kubisches Bornitrid-Pulver (CBN) von etwa 2 μm durchschnittlicher Partikelgröße wurde zu dem Bindemittelgemisch in einer Menge zugegeben, um 94,5 Vol.-% CBN zu erreichen. Das Pulvergemisch wurde für 2 Stunden einer Reibungsmahlung mit Hexan unter Verwendung von Zementkarbid-Mahlkörpern unterzogen. Nach der Reibungsmahlung wurde die Aufschlämmung unter Vakuum getrocknet und zu einem von einem Zementkarbidsubstrat getragenen Presskörpergrünling geformt.
Nach Ausgasen unter Vakuum wurde das Material bei etwa 5,5 GPa und bei etwa 1480°C gesintert, um einen polykristallinen CBN-Presskörper herzustellen. Dieser CBN-Presskörper (im Folgenden als Material B bezeichnet) wurde analysiert und anschließend einem Bearbeitungstest unterzogen.
Beispiel 3: Reibungsmahlung
Aluminium- und Kobaltpulver mit den durchschnittlichen Partikelgrößen von jeweils etwa 5 bzw. 1 μm wurden mit CBN einer Reibungsmahlung unterzogen. Aluminium, 30 Gew.-%, und Kobalt, 70 Gew.-%, bilden das Bindemittelgemisch. Kubisches Bornitrid-Pulver (CBN) von etwa 2 μm durchschnittlicher Partikelgröße wurde zu dem Bindemittelgemisch in einer Menge zugegeben, um 93 Vol.-% CBN zu erreichen. Das Pulvergemisch wurde für 2 Stunden einer Reibungsmahlung mit Hexan unter Verwendung von Zementkarbid-Mahlkörpern unterzogen. Nach der Reibungsmahlung wurde die Aufschlämmung unter Vakuum getrocknet und zu einem von einem Zementkarbidsubstrat getragenen Presskörpergrünling geformt. Nach Ausgasen unter Vakuum wurde das Material bei etwa 5,5 GPa und bei etwa 1480°C gesintert, um einen polykristallinen CBN-Presskörper herzustellen. Dieser CBN-Presskörper (im Folgenden als Material C bezeichnet) wurde analysiert und anschließend einem Bearbeitungstest unterzogen.
Beispiel 4: Kugelmahlung
Kobalt-, Aluminium- und Wolframpulver mit den durchschnittlichen Partikelgrößen von jeweils 1,5 bzw. 1 μm wurden mit CBN einer Kugelmahlung unterzogen. Kobalt, 33 Gew.-%, Aluminium, 11 Gew.-% und Wolfram, 56 Gew.-% bilden das Bindemittelgemisch. Kubisches Bornitrid-Pulver (CBN) von etwa 1,2 μm durchschnittlicher Partikelgröße wurde zu dem Bindemittelgemisch in einer Menge zugegeben, um 92 Vol.-% CBN zu erreichen. Das Pulvergemisch wurde für 10 Stunden einer Kugelmahlung mit Hexan unter Verwendung von Zementkarbid-Mahlkörpern unterzogen. Nach der Kugelmahlung wurde die Aufschlämmung unter Vakuum getrocknet und zu einem von einem Zementkarbidsubstrat getragenen Presskörpergrünling geformt. Nach Ausgasen unter Vakuum wurde das Material bei etwa 5,5 GPa und bei etwa 1480°C gesintert, um einen polykristallinen CBN-Presskörper herzustellen. Dieser CBN-Presskörper (im Folgenden als Material D bezeichnet) wurde analysiert und anschließend einem Bearbeitungstest unterzogen.
Laut Röntgenbeugungsanalyse enthielten die gesinterten Materialien, d. h., die Materialien A, B, C, und D, Phasen von CBN, WC, CoWB, Co₂₁W₂B₆ sowie geringe Mengen von AlN und Al₂O₃.
Diese Materialien wurden beim Endlos-Oberflächendrehen von K190^TM gesintertem PM-Werkzeugstahl getestet. Das Werkstückmaterial enthielt feine Cr-Karbide und verhielt sich an PCBN-Schneidwerkzeugen hochabrasiv. Die Tests wurden unter Trockenschnittbedingungen mit den folgenden Schnittparametern durchgeführt:

Schnittgeschwindigkeit, vc (m/Min): 150

Schnitttiefe (mm): 0,2

Vorschub, f (mm): 0,1

Einsatzgeometrie: SNMN 090308 T0202

(Kantenradius, r0 = 10 – 15 j – im)

Alle Schneidwerkzeuge aus den Materialien A, B, C, D wurden bis zum Versagen als Resultat eines übermäßigen Freiflächenverschleißes getestet. Der Freiflächenverschleiß wurde (als Vb – max) an zu mindest drei unterschiedlichen Schnittstrecken gemessen, und es zeigte sich, dass die Beziehung zwischen Freiflächenverschleiß und Schnittstrecke im Allgemeinen linear ist. Für jeden Satz Datenpunkte für jedes der PCBN-Materialien wurden Geraden entsprechend der Methode der kleinsten Quadrate gezogen. Für jedes der Beispielmaterialien wurden die Freiflächenverschleißraten in μm pro Meter Vorschubstrecke berechnet, und die Ergebnisse sind in Tabelle 1 zusammengefasst.

Materialien	Freiflächenverschleißrate [μm/m Vorschubstrecke]
Material A: Reibungsmahlung	0,230
Material B: Reibungsmahlung	0,214
Material C: Reibungsmahlung	0,230
Material D: Kugelmahlung	0,238

Tabelle 1. Freiflächenverschleißraten der PCBN-Schneidwerkzeuge

Die drei aus einer Zusammensetzung, welche einer Reibungsmahlung unterzogen worden war, hergestellten polykristallinen CBN-Presskörper wiesen alle niedrigere Freiflächenverschleißraten auf, was auf ein besseres Leistungsvermögen auf Grund der längeren Schnittstrecke für einen gegebenen Gesamt-Freiflächenverschleiß als bei den aus dem kugelgemahlenen Material, Material D, hergestellten polykristallinen CBN-Presskörper hinweist.
Beispiel 5
Ti(C_0,5N_0,5)_0,8-Pulver wurde mit Al- und Ti-Pulvern unter Verwendung eines Rohrmischers gemischt, wobei der Gewichtsprozentsatz von Ti(C_0,5N_0,5)_0,8, Al- und Ti-Pulver jeweils 59%, 15% bzw. 26% betrug. Das Pulvergemisch wurde für vier Stunden einer Reibungsmahlung mit Hexan unterzogen. Kubisches Bornitrid-Pulver (CBN) von etwa 1,2 μm durchschnittlicher Partikelgröße wurde in einer Menge zugegeben, um im Gesamtgemisch 24 Vol.-% zu erreichen, und das Gemisch wurde weiter für eine Stunde einer Reibungsmahlung unterzogen. Kubisches Bornitrid-Pulver (CBN) von etwa 8 μm durchschnittlicher Partikelgröße wurde in einem Verhältnis zugegeben, um im Gesamtgemisch 56 Vol.-% zu erreichen. Der gesamte CBN-Gehalt dieses Gemischs betrug daher 80 Vol.-%. Das Gemisch in Form einer Pulveraufschlämmung wurde getrocknet und unter Vakuum bei etwa 450°C ausgegast. Das getrocknete Pulvergemisch wurde für 30 Minuten mit einem Hochenergie-Schermischer gemischt und gefriergetrocknet. Das granulierte Pulver wurde dann zu einem Presskörpergrünling geformt, und nach weiterer Ausgasung unter Vakuum wurde das Material bei etwa 5,5 GPa und etwa 1350°C gesintert, um einen polykristallinen CBN-Presskörper herzustellen. Dieser CBN-Presskörper (im Folgenden als Material E bezeichnet) wurde anschließend analysiert.
Beispiel 6
Ti(C_0,5N_0,5)_0,8-Pulver wurde mit Al- und Ti-Pulvern unter Verwendung eines Rohrmischers gemischt, wobei der Gewichtsprozentsatz von Ti(C_0,5N_0,5)_0,8, Al- und Ti-Pulver jeweils 59%, 15% bzw. 26% betrug. Das Pulvergemisch wurde für vier Stunden einer Reibungsmahlung mit Hexan unterzogen. Kubisches Bornitrid-Pulver (CBN) von etwa 1,2 μm durchschnittlicher Partikelgröße wurde in einer Menge zugegeben, um im Gesamtgemisch 24 Vol.-% zu erreichen, und das Gemisch wurde weiter für eine Stunde einer Reibungsmahlung unterzogen. Kubisches Bornitrid-Pulver (CBN) von etwa 4,5 μm durchschnittlicher Partikelgröße wurde in einem Verhältnis zugegeben, um im Gesamtgemisch 56 Vol.-% zu erreichen. Der gesamte CBN-Gehalt dieses Gemischs betrug daher 80 Vol.-%. Das Gemisch in Form einer Pulveraufschlämmung wurde getrocknet und unter Vakuum bei etwa 450°C ausgegast, und das getrocknete Pulvergemisch wurde für 30 Minuten mit einem Hochenergie-Schermischer gemischt und gefriergetrocknet. Das granulierte Pulver wurde dann zu einem Presskörpergrünling geformt, und nach weiterer Ausgasung unter Vakuum wurde das Material bei etwa 5,5 GPa und etwa 1350°C gesintert, um einen polykristallinen CBN-Presskörper herzustellen. Dieser CBN-Presskörper (im Folgenden als Material F bezeichnet) wurde anschließend analysiert.
Laut Röntgenbeugungsanalyse enthielten die gesinterten Materialien, d. h., die Materialien E und F, Phasen von CBN, TiCN, WC und Al₂O₃.
Zusammenfassung
Es wird ein Verfahren zur Herstellung polykristalliner CBN-Presskörper mit hohem CBN-Gehalt bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Herstellung einer pulverförmigen Zusammensetzung, indem ein Gemisch von CBN, das in einer Menge von zumindest 80 Vol.-% des Gemischs vorliegt, und eine pulverförmige Bindemittelphase einer Reibungsmahlung unterzogen werden. Dieses pulverförmige Gemisch wird dann erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen unterworfen, welche zur Herstellung von CBN-Presskörpern geeignet sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 6316094 [0016]
- EP 1043410 [0016]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer pulverförmigen Zusammensetzung, die für die Herstellung eines polykristallinen CBN-Presskörpers geeignet ist, umfassend den Schritt, dass ein Gemisch von CBN, das in einer Menge von zumindest 80 Vol.-% des Gemischs vorliegt, und eine pulverförmige Bindemittelphase einer Reibungsmahlung unterzogen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der CBN-Gehalt der Zusammensetzung im Bereich von 80 Vol.-% bis 95 Vol.-% liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die durchschnittliche Partikelgröße des CBN nicht mehr als 12 μm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die durchschnittliche Größe des CBN nicht mehr als 10 μm beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die CBN-Partikel feine Partikel sind und die Zusammensetzung aus einer Bindemittelphase und CBN-Partikeln besteht, wobei jegliche andere Komponenten nur in geringeren Mengen vorliegen.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei die CBN-Partikel eine Größe von nicht mehr als 2 μm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei die CBN-Partikel unimodal sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die CBN-Partikel bimodal sind.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die durchschnittliche Partikelgröße der feineren Partikel von etwa 0,1 bis etwa 2 μm, und die durchschnittliche Partikelgröße der gröberen Partikel von etwa 2 μm bis etwa 12 μm beträgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder Anspruch 9, wobei das Verhältnis des Gehalts an gröberen Partikeln zu jenem an feineren Partikeln 50:50 bis 90:10 beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Gemisch auch eine sekundäre Hartphase enthält.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die sekundäre Hartphase in einer Menge von nicht mehr als 75 Gew.-% der Kombination aus Bindemittelphase und sekundärer Hartphase vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die sekundäre Hartphase in einer Menge von nicht mehr als 70 Gew.-% der Kombination aus Bindemittelphase und sekundärer Hartphase vorliegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei die feineren Partikel mit der Bindemittelphase sowie der sekundären Phase, sofern vorhanden, einer Reibungsmahlung unterzogen werden, die gröberen Partikel zu dem einer Reibungsmahlung unterzogenen Gemisch zugegeben werden, und das einer Reibungsmahlung unterzogene Gemisch und die gröberen Partikel anschließend durch ein Hochenergie-Mischverfahren gemischt werden.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Hochenergie-Mischverfahren mechanisches Rühren oder Ultraschall-Rühren ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bindemittelphase eine oder mehrere Phase(n) enthaltend Aluminium, Silizium, Kobalt, Molybdän, Tantal, Niob, Nickel, Titan, Chrom, Wolfram, Yttrium, Kohlenstoff oder Eisen einschließt.
Verfahren nach Anspruch 1, im Wesentlichen wie es hierin unter Bezugnahme auf eines der Beispiele beschrieben wurde.
Verfahren zur Herstellung eines polykristallinen CBN-Presskörpers, welches den Schritt einschließt, dass eine nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellte Zusammensetzung bereitgestellt und die Zusammensetzung Temperatur- und Druckbedingungen, die zur Herstellung des Presskörpers geeignet sind, unterworfen wird.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Temperatur- und Druckbedingungen aus einer Temperatur in dem Bereich von 1100 bis 2000°C und einem Druck in dem Bereich von 2 bis 6 GPa bestehen.