DE112010002170T5

DE112010002170T5 - Verfahren und vorrichtung zum herstellen eines schleifsteins mit metallbindung

Info

Publication number: DE112010002170T5
Application number: DE112010002170T
Authority: DE
Inventors: Hiroshi Yamazoe; Masahiro Itoi; Taro Sonobe; Tomohiko Mitani
Original assignee: Nissin Manufacturing Co Ltd; Kyoto University NUC
Current assignee: Nissin Manufacturing Co Ltd; Kyoto University NUC
Priority date: 2009-05-29
Filing date: 2010-05-26
Publication date: 2012-09-20
Also published as: WO2010137623A1; US20120055100A1; CN102448671A; JP2010274383A

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Herstellen eines Schleifsteins mit Metallbindung angegeben, bei dem der elektrische Stromverbrauch vermindert ist. Bei dem Verfahren zum Herstellen eines Schleifsteins mit Metallbindung wird ein gesinterter Schleifstein mit Metallbindung durch einen Sintervorgang gebildet, bei dem ein Metallbindungs-Schleifsteinmaterial gesintert wird, das eine Mischung aus einem Metallbinder in Pulverform und Schleifkörnern ist. Bei dem Sintervorgang wird das Metallbindungs-Schleifsteinmaterial, das den Metallbinder in Pulverform enthält, mittels Mikrowellen erwärmt, um den gesinterten Schleifstein mit Metallbindung herzustellen. Bei dem Sintervorgang kann es sich um einen Druck-Sintervorgang mit Mikrowellen-Erwärmung bei Druckbeaufschlagung des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials handeln.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen eines Schleifsteins mit Metallbindung.
STAND DER TECHNIK
Schleifsteine mit Metallbindung werden durch Sintern eines Schleifsteinmaterials (Pulvergemisch) hergestellt, bei dem Schleifkörner in einem Metallbindungs-Pulvermaterial, wie zum Beispiel Kupfer, Zinn und Silber, verteilt sind (vgl. Patentliteratur 1). Zum Sintern von solchen Schleifsteinen mit Metallbindung werden herkömmlicherweise ein Heißpreßverfahren und ein Plasmaentladungsverfahren verwendet.
LISTE DES STANDES DER TECHNIK
PATENTLITERATUR
Patentliteratur 1

Japanische Patentanmeldungs-Offenlegungsschrift JP-A-2008-044 070

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG TECHNISCHE AUFGABE
Bei dem Heißpreßverfahren und dem Plasmaentladungsverfahren beläuft sich der elektrische Stromverbrauch für die Erwärmung zum Beispiel auf etwa 16 kW und ist somit hoch.
Als Erwärmungsverfahren, bei dem der elektrische Stromverbrauch niedrig ist, haben sich die Erfinder der vorliegenden Erfindung im vorliegenden Fall auf die Erwärmung mittels Mikrowellen konzentriert. Metall hat jedoch die Eigenschaft, daß es Mikrowellen reflektiert, und es ist in der Technik allgemein bekannt, daß Metall nicht mittels Mikrowellen erwärmt werden kann.
Aus diesem Grund ist man herkömmlicherweise der Ansicht, daß eine Mikrowellenerwärmung zum Sintern von Schleifsteinen mit Metallbindung ungeeignet ist, und es gibt bisher kein Beispiel, bei dem eine Mikrowellenerwärmung zum Sintern von Schleifsteinen mit Metallbindung verwendet wird.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben nun ein Experiment auf der Basis einer Idee durchgeführt, bei der sie Mikrowellen zum Sintern von Schleifsteinen mit Metallbindung verwendet haben und die somit den herkömmlichen Vorstellungen trotzt. Infolgedessen gelang es den Erfindern, einen Schleifstein mit Metallbindung mittels Mikrowellenerwärmung zu sintern, und sie haben somit die vorliegende Erfindung getätigt.
Mit anderen Worten, die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines neuartigen Verfahrens sowie einer neuartigen Vorrichtung zum Herstellen eines Schleifsteins mit Metallbindung unter Reduzierung des elektrischen Stromverbrauchs.
LÖSUNG DER AUFGABE
Als Ergebnis eines Experiments haben die Erfinder der vorliegenden Erfindung festgestellt, daß bei der Erwärmung eines Schleifsteinmaterials mit Metallbindung, das einen Metallbinder in Pulverform enthält, unter Verwendung von Mikrowellen das Sintern ausgeführt werden kann, wenn der Binder zwar Metall ist, jedoch in Pulverform vorliegt.
Mit anderen Worten, bei der vorliegenden Erfindung handelt es sich um ein Verfahren zum Herstellen eines Schleifsteins mit Metallbindung zum Schaffen eines gesinterten Schleifsteins mit Metallbindung durch einen Sintervorgang, bei dem ein Metallbindungs-Schleifsteinmaterial gesintert wird, bei dem es sich um eine Mischung aus einem Metallbinder in Pulverform und Schleifkörnern handelt. Bei dem Sintervorgang wird das Metallbindungs-Schleifsteinmaterial, das den Metallbinder in Pulverform enthält, mittels Mikrowellen erwärmt, um den gesinterten Schleifstein mit Metallbindung zu bilden.
Weiterhin handelt es sich bei dem Sintervorgang vorzugsweise um einen Druck-Sintervorgang mit Mikrowellenerwärmung bei Druckbeaufschlagung des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials, wobei in dem Druck-Sintervorgang die Erwärmung mit Mikrowellen unter einem Druck begonnen wird, der niedriger ist als ein abschließender Druckbeaufschlagungsdruck in dem Druck-Sintervorgang, und wobei ein Druckbeaufschlagungsdruck während des Anstiegs einer Temperatur durch die Mikrowellenerwärmung derart erhöht wird, daß der Druckbeaufschlagungsdruck den abschließenden Druckbeaufschlagungsdruck erreicht.
Vorzugsweise erfolgt die Erhöhung des Druckbeaufschlagungsdrucks auf den abschließenden Druckbeaufschlagungsdruck, wenn eine Temperatur des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials eine mittlere Temperatur erreicht, wobei die mittlere Temperatur gleich oder nahe einem Schmelzpunkt eines Metallbinder-Pulvermaterials ist, das unter einer Vielzahl von Arten von in dem Metallbindungs-Schleifsteinmaterial enthaltenen Metallbinder-Pulvermaterialien aus einem Metall mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als eine Zieltemperatur für die Mikrowellenerwärmung gebildet ist.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Sintervorgang um einen Druck-Sintervorgang mit Mikrowellenerwärmung bei Druckbeaufschlagung des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials, wobei ein Druckbeaufschlagungsdruck in dem Druck-Sintervorgang zu Beginn der Mikrowellenerwärmung ein anfänglicher Druckbeaufschlagungsdruck ist, der niedriger ist als ein abschließender Druckbeaufschlagungsdruck, dieser vor Erreichen einer Zieltemperatur für die Mikrowellenerwärmung auf einen mittleren Druckbeaufschlagungsdruck erhöht wird, der zwischen dem anfänglichen Druckbeaufschlagungsdruck und dem abschließenden Druckbeaufschlagungsdruck liegt, und der Druckbeaufschlagungsdruck anschließend auf den abschließenden Druckbeaufschlagungsdruck weiter erhöht wird.
Vorzugsweise wird die Erhöhung des Druckbeaufschlagungsdrucks auf den mittleren Druckbeaufschlagungsdruck vorgenommen, wenn eine Temperatur des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials eine mittlere Temperatur erreicht, und es ist die mittlere Temperatur gleich oder nahe einem Schmelzpunkt eines Metallbinder-Pulvermaterials, das unter einer Vielzahl von Arten von in dem Metallbindungs-Schleifsteinmaterial enthaltenen Metallbinder-Pulvermaterialien aus einem Metall mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als eine Zieltemperatur für die Mikrowellenerwärmung gebildet ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt gibt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung an zum Herstellen eines Schleifsteins mit Metallbindung, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: eine Form zum Aufnehmen eines Metallbindungs-Schleifsteinmaterials, bei dem es sich um eine Mischung aus einem Metallbinder in Pulverform und Schleifkörnern handelt, sowie eine Mikrowellen-Erzeugungseinheit zum Erwärmen des in der Form aufgenommenen Metallbindungs-Schleifsteinmaterials mit Mikrowellen, die von der Außenseite der Form emittiert werden.
Vorzugsweise ist die Form aus einem dielektrischen Material mit Mikrowellendurchlässigkeit gebildet.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung zum Herstellen eines Schleifsteins mit Metallbindung ferner eine an der Form vorgesehene Temperaturmeßeinheit zum Messen einer Temperatur des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials im Inneren der Form auf, und es enthält die Form ein Material mit Mikrowellendurchlässigkeit und derartiger Wärmeleitfähigkeit, daß die Temperatur des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials an einer Stelle wiedergegeben werden kann, an der die Temperaturmeßeinheit vorgesehen ist.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung zum Herstellen eines Schleifsteins mit Metallbindung ferner eine Temperaturmeßeinheit zum Messen einer Temperatur des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials im Inneren der Form auf, wobei die Form einen ersten Formbereich, der aus einem dielektrischen Material mit Mikrowellendurchlässigkeit gebildet ist, sowie einen zweiten Formbereich, der aus einem Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit als der erste Formbereich gebildet ist, zum Übertragen von Wärme des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials zu der Temperaturmeßeinheit aufweist, wobei die Temperaturmeßeinheit die Temperatur des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials über den zweiten Formbereich mißt.
VORTEILHAFTE WIRKUNGEN DER ERFINDUNG
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann ein Schleifstein mit Metallbindung mittels Mikrowellenerwärmung gesintert werden, so daß elektrische Energie eingespart werden kann und die Herstellungskosten für den Schleifstein reduziert werden können.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Konfigurationsdarstellung einer Schleifstein-Herstellungsvorrichtung unter Verwendung einer Mikrowellenerwärmung;
2 eine Perspektivansicht einer Form zum Aufnehmen eines Schleifsteinmaterials, wobei die Form in der Schleifstein-Herstellungsvorrichtung verwendet wird;
3 eine vergrößerte Ansicht zur Erläuterung einer Bearbeitungseinheit der Schleifstein-Herstellungsvorrichtung;
4 eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A in 3;
5 eine graphische Darstellung zur Erläuterung eines ersten Beispiels eines Mikrowellenerwärmungs-Steuerverfahrens;
6 eine graphische Darstellung zur Erläuterung eines zweiten Beispiels des Mikrowellenerwärmungs-Steuerverfahrens;
7 eine graphische Darstellung zur Erläuterung eines dritten Beispiels des Mikrowellenerwärmungs-Steuerverfahrens;
8 eine graphische Darstellung zur Erläuterung eines vierten Beispiels des Mikrowellenerwärmungs-Steuerverfahrens;
9 eine graphische Darstellung zur Erläuterung eines Mikrowellenerwärmungs-Steuerverfahrens (Temperatur/Druck-Steuerung) gemäß Beispiel 2; und
10 eine graphische Darstellung zur Erläuterung eines Mikrowellenerwärmungs-Steuerverfahrens (Temperatur/Druck-Steuerung) gemäß Beispiel 3.
BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Begleitzeichnungen beschrieben.
1. Schleifstein-Herstellungsvorrichtung
1 zeigt eine Schleifstein-Herstellungsvorrichtung 1 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Herstellungsvorrichtung 1 ist als Mikrowellenerwärmungsvorrichtung mit einer Druckbeaufschlagungsfunktion ausgebildet. Bei der Mikrowellenerwärmungsvorrichtung handelt es sich um eine Einzelmoden-Vorrichtung, die die Erwärmung mittels stehender Wellen (Kombinationen aus einfallenden Wellen und reflektierten Wellen) ausführt. Wenn ein Schleifsteinmaterial (eine Form 10) an einer Stelle angeordnet wird, an der ein elektrisches Feld oder ein Magnetfeld sein Maximum hat, kann somit die Erwärmung in effizienter Weise ausgeführt werden. Es ist darauf hinzuweisen, daß als Mikrowellenerwärmungsvorrichtung auch eine Multimoden-Vorrichtung verwendet werden kann.
Die Herstellungsvorrichtung 1 weist folgendes auf: eine Mikrowellen-Erzeugungseinheit (Schwingungseinheit) 2, eine Bearbeitungseinheit 3 zum Erwärmen eines Schleifsteinmaterials, bei dem es sich um ein zu erwärmendes Objekt handelt, mittels Mikrowellen, sowie einen Wellenleiter 4 zum Übertragen von Mikrowellen in Richtung auf die Seite der Bearbeitungseinheit 3. Es ist darauf hinzuweisen, daß der Wellenleiter 4 an seinem Ende eine Kurzschlußplatte 4a aufweist.
Die Mikrowellen-Erzeugungseinheit 2 ist zum Beispiel aus einem Magnetron gebildet und kann zum Beispiel Mikrowellen mit 2,45 GHz erzeugen. Die Frequenz ist jedoch nicht darauf beschränkt und kann zum Beispiel auch 915 MHz oder 5,8 GHz betragen. Alternativ hierzu kann ein Halbleiterverstärker als Mikrowellen-Erzeugungseinheit 2 verwendet werden.
Dabei kann der elektrische Stromverbrauch der Mikrowellen-Erzeugungseinheit 2 beispielsweise nur etwa 400 W betragen, und auf diese Weise kann der elektrische Stromverbrauch im Vergleich zu dem elektrischen Stromverbrauch von 16 kW bei dem herkömmlichen Schleifstein-Herstellungsverfahren (zum Beispiel einem Heißpreßverfahren) in signifikanter Weise vermindert werden.
In der Herstellungsvorrichtung 1 sind in einem mittleren Bereich des Wellenleiters 4 in der Bearbeitungseinheit 3 ein Isolator 5 und ein Stab-Tuner 6 vorgesehen.
Der Isolator 5 ist aus einem Zirkulator 5a und einer Blindlast 5b gebildet. In dem Zirkulator 5a laufen die von der Mikrowellen-Erzeugungseinheit 2 erzeugten Mikrowellen in Richtung auf die Seite der Bearbeitungseinheit 3, jedoch kehren von der Seite der Bearbeitungseinheit 3 reflektierte Mikrowellen nicht zu der Mikrowellen-Erzeugungseinheit 2 zurück, sondern werden in Richtung auf die Seite der Blindlast 5b geschickt.
Ferner beinhaltet die Vorrichtung 1 einen Leistungsmesser 7 zum Messen der elektrischen Leistung der Mikrowellen (einfallende Wellen), die von der Mikrowellen-Erzeugungseinheit 2 abgegeben werden, sowie der elektrischen Leistung der Mikrowellen (reflektierte Wellen), die von der Seite der Bearbeitungseinheit 3 reflektiert werden, um dadurch die an der Bearbeitungseinheit 3 absorbierte elektrische Leistung zu berechnen.
Es ist darauf hinzuweisen, daß der Stab-Tuner (Impedanzanpassungsvorrichtung) 6 die Resonanzlänge der Mikrowellen einstellen kann.
Die 2 bis 4 veranschaulichen die Konfiguration der Vorrichtung 1 im Hinblick auf die Bearbeitungseinheit 3. Die Bearbeitungseinheit 3 ist im Inneren des Wellenleiters 4 vorgesehen und wird zum Erzeugen eines Schleifsteins (zum Beispiel eines Hon-Schleifsteins) verwendet, der durch Drucksintern eines Schleifsteinmaterials gebildet wird. In der Bearbeitungseinheit 3 erfolgt das Sintern durch Mikrowellenerwärmung mittels Mikrowellen, die von der Mikrowellen-Erzeugungseinheit 2 emittiert werden und den Wellenleiter 4 durchlaufen.
Insbesondere befindet sich die Form 10 zum Aufnehmen eines ungesinterten Schleifsteinmaterials an einer vorbestimmten Stelle im Inneren des Wellenleiters 4, an der ein elektrisches Feld oder ein Magnetfeld sein Maximum hat, und Mikrowellen, die die Form 10 durchlaufen haben, erwärmen das Schleifsteinmaterial im Inneren der Form 10.
Wie in 2 gezeigt ist, beinhaltet die Form 10 einen zylindrischen Formkörper 11 (erster Formbereich), ein inneres Formteil 13 (erster Formbereich) zum Aufnehmen eines Schleifsteinmaterials, obere und untere Druckbeaufschlagungs-Formteile 14 und 15 (zweiter Formbereich) zum Eintreten in das innere Formteil 13 von oben und von unten, um ein Schleifsteinmaterial M von oben und von unten mit Druck zu beaufschlagen, sowie Druckplatten 12a und 12b (zweiter Formbereich) für die Druckbeaufschlagung der oberen und der unteren Druckbeaufschlagungs-Formteile 14 und 15.
Wie in den 3 und 4 gezeigt ist, werden die oberen und unteren Druckbeaufschlagungs-Formteile 14 und 15 mittels Druckstangen 21 und 22 einer Druckbeaufschlagungsvorrichtung 20 über die Druckplatten 12a und 12b mit Druck beaufschlagt, um dadurch das Schleifsteinmaterial M mit Druck zu beaufschlagen.
Die Form 10 ist aus einem dielektrischen Material gebildet, das weniger Mikrowellen absorbiert und weniger Wärme aus den Mikrowellen erzeugt, wie zum Beispiel ein Keramikmaterial. Da die Form 10 weniger Mikrowellen absorbiert, selbst wenn die Mikrowellen von der Außenseite der Form 10 auf diese aufgebracht werden, werden die Mikrowellen in erster Linie von dem Schleifsteinmaterial M absorbiert, während das Ausmaß der von der Form 10 absorbierten Mikrowellen gering ist. Auf diese Weise ist die Leistungseffizienz gut.
In Anbetracht des vorstehend geschilderten Aspekts kann die Form 10 vollständig aus einem einzigen Materialtyp (z. B. Aluminiumoxid) gebildet sein. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist jedoch zum einfacheren Überwachen der Temperatur eines Schleifsteinmaterials die Form 10 aus mehreren Materialtypen (zwei Materialtypen) gebildet.
Insbesondere sind der zylindrische Formkörper (erster Formbereich) 11 sowie das innere Formteil (erster Formbereich) 13 aus Aluminiumoxid (Al₂O₃) gebildet, und die oberen und unteren Druckbeaufschlagungs-Formteile (zweiter Formbereich) 14 und 15 sowie die Druckplatten (zweiter Formbereich) 12a und 12b sind aus einem Aluminiumnitrid-Bornitrid-Verbundmaterial (AlN-BN) gebildet.
Bei dem vorstehend genannten Aluminiumoxid handelt es sich um eine Art Keramikmaterial mit Mikrowellendurchlässigkeit, so daß es unwahrscheinlich ist, daß dieses Material durch Mikrowellen erwärmt wird, und das Material somit zum Unterdrücken einer Mikrowellenabsorption der Form 10 geeignet ist.
Im allgemeinen ist jedoch die Wärmeleitfähigkeit von Keramikmaterial, wie zum Beispiel Aluminiumoxid, nicht notwendigerweise hoch. Wenn die Wärmeleitfähigkeit der Form 10 niedrig ist, wird beim Messen der Temperatur des Schleifsteinmaterials M über die Form 10 während des Sintervorgangs die Temperaturdifferenz zwischen der Form 10 und dem Schleifsteinmaterial M hoch, und es ist schwierig, eine exakte Temperatur des Schleifsteinmaterials M zu messen.
Dagegen handelt es sich bei Aluminiumnitrid und Bornitrid um Keramikmaterialien mit Aluminiumoxid ähnlicher Mikrowellendurchlässigkeit, jedoch handelt es sich bei diesen um Materialien mit für Keramik hoher Wärmeleitfähigkeit (Dielektrika).
Somit wird bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel als Material für die Form 10 Aluminiumoxid verwendet, und ein Aluminiumnitrid-Bornitrid-Verbundmaterial, bei dem es sich um ein Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit als Aluminiumoxid handelt, wird für einen Bereich verwendet, in dem die Sicherstellung einer ausgezeichneten Wärmeleitung für die Temperaturmessung erwünscht ist.
Mit anderen Worten, bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, wie es vorstehend beschrieben worden ist, sind der Formkörper 11 und das innere Formteil 13, die den ersten Formbereich bilden, aus Aluminiumoxid gebildet, und die oberen und unteren Druckbeaufschlagungs-Formteile 14 und 15 sowie die Druckplatten 12a und 12b, die den zweiten Formbereich bilden, sind aus dem Aluminiumnitrid-Bornitrid-Verbundmaterial gebildet. Es ist darauf hinzuweisen, daß der zweite Formbereich auch aus Aluminiumnitrid oder Bornitrid gebildet werden kann.
Die Druckbeaufschlagungs-Formteile 14 und 15 treten mit dem Schleifsteinmaterial M in Berührung, und ein Thermoelement, bei dem es sich um eine Temperaturerfassungseinheit 23a handelt, ist an der äußeren Oberfläche der Druckplatte 12 vorgesehen, die mit den Druckbeaufschlagungs-Formteilen 14 in Berührung tritt. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Temperaturerfassungseinheit 23a auch in dem zweiten Formbereich versenkt und somit in einem Zustand vorgesehen werden kann, in dem sie nicht mit dem Schleifsteinmaterial M in Berührung tritt.
Auf diese Weise bilden die Druckbeaufschlagungs-Formteile und die Druckplatte (die oberen Druckbeaufschlagungs-Formteile 14 und die Druckplatte 12a in 3) einen Hauptweg für die Wärmeleitung von dem Schleifsteinmaterial M zu der Wärmeerfassungseinheit 23a. Da bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit als Material zum Bilden des Wärmeleitungsweges verwendet wird, spiegelt sich die Temperatur des Schleifsteinmaterials M während der Erwärmung in der Temperaturerfassungseinheit 23a wieder, und es wird eine genauere Messung der Temperatur des Schleifsteinmaterials M möglich.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die Gesamtformgebung der Form 10, des ersten Formbereichs und des zweiten Formbereichs nicht auf die dargestellten Formgebungen beschränkt sind, sondern daß verschiedene Modifikationen möglich sind. Außerdem sind auch das Material für den ersten Formbereich und das Material für den zweiten Formbereich nicht auf die vorstehend genannten Materialien beschränkt. Darüber hinaus besteht auch keine Notwendigkeit, daß die Form 10 aus mehreren Materialien gebildet ist, sondern diese kann auch aus einem einzigen Material gebildet sein.
Als Material zum Bilden der Form 10 kann im Hinblick auf die Mikrowellendurchlässigkeit (niedriger dielektrischer Verlust) auch Siliziumnitrid, Siliziumoxid oder dergleichen zusätzlich zu den vorstehend exemplarisch genannten Materialien Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid-Bornitrid-Verbundmaterial, Aluminiumnitrid oder Bornitrid verwendet werden. Darüber hinaus können auch Verbundmaterialien dieser Materialien oder Verbundmaterialien aus diesen Materialien und anderen Materialien verwendet werden. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Form 10 partiell ein Material mit hohem dielektrischen Verlust (z. B. SiC oder Kohlenstoff) enthalten kann.
Da in der vorstehend beschriebenen Weise die Form 10 in erster Linie aus Material gebildet ist, das einen niedrigeren dielektrischen Verlust hinsichtlich der Frequenz der für die Erwärmung verwendeten Mikrowellen als das Schleifsteinmaterial aufweist, bei dem es sich um das zu erwärmende Objekt handelt, kann eine Mikrowellenerwärmung unter Reduzierung des Leistungsverlusts ausgeführt werden.
Da ferner in der vorstehend beschriebenen Weise das Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit, wie zum Beispiel ein Aluminiumnitrid-Bornitrid-Verbundmaterial oder Aluminiumnitrid unter den vorstehend genannten Materialien verwendet wird, ist ferner die Messung der Temperatur des Schleifsteinmaterials einfach. Außerdem wird bei einem Material mit niedriger Wärmeleitfähigkeit die Temperaturdifferenz zwischen einem Bereich der Form 10 nahe dem Schleifsteinmaterial und einem von dem Schleifsteinmaterial abgelegenen Bereich der Form 10 groß, und es besteht die Wahrscheinlichkeit, daß Spannungen in der Form 10 auftreten. Im Hinblick darauf, daß eine verringerte Lebensdauer aufgrund von Spannungen verhindert werden soll, sind daher Materialien mit hoher Wärmeleitfähigkeit bevorzugt.
Es ist darauf hinzuweisen, daß hinsichtlich weiterer Bedingungen für die Auswahl der Materialien für die Form 10 aufgrund der Ausführung einer Druckbeaufschlagung Materialien mit ausgezeichneter Härte oder ausgezeichnetem Stoßwiderstand bevorzugt sind.
Die Temperaturerfassungseinheit (Thermoelement) 23a ist mit einer Temperaturmeßeinheit 23 verbunden, und die Temperaturmeßeinheit 23 führt ein gemessenes Temperatursignal einer Steuereinheit 24 zu. Die Steuereinheit 24 dient zum Steuern eines Brennvorgangs der Vorrichtung 1 und kann zum Beispiel den Druckbeaufschlagungsdruck der Druckbeaufschlagungsvorrichtung 20 auf der Basis der gemessenen Temperatur steuern.
Die Druckbeaufschlagungsvorrichtung 20 dient dazu, eine Last auf die Druckbeaufschlagungs-Formteile 14 und 15 von oben und unten aufzubringen, und zwar mittels eines Paares aus der oberen und der unteren Druckstange 21 und 22 über die Druckplatten 12a und 12b, um das Schleifsteinmaterial M mit Druck zu beaufschlagen. Bei der Druckbeaufschlagungsvorrichtung 20 handelt es sich um einen hydraulischen Typ, und diese beinhaltet einen Hydraulikzylinder als Druckerzeugungseinheit 25 zum Erzeugen eines gewünschten Druckbeaufschlagungsdrucks, der einem von der Steuereinheit 24 bereitgestellten Drucksteuersignal entspricht.
Die Druckerzeugungseinheit 25 ist außerhalb des Wellenleiters 4 vorgesehen, jedoch erstrecken sich die Druckstangen 21 und 22 in den Wellenleiter 4 hinein, so daß die Druckerzeugungseinheit 25 eine Last auf die Form 10 im Inneren des Wellenleiters 4 aufbringen kann. Wenn die Druckerzeugungseinheit 25 innerhalb des Wellenleiters 4 vorgesehen wird, kommt es zur Entstehung von Einschränkungen, wobei es beispielsweise notwendig ist, die Größe der Druckerzeugungseinheit 25 auf eine Größe zu reduzieren, die ein Unterbringen der Druckerzeugungseinheit 25 in dem Wellenleiter 4 ermöglicht, oder es kann keine Mikrowellen reflektierende Metallkomponente als Komponente der Druckerzeugungseinheit 25 verwendet werden. Wird die Druckerzeugungseinheit 25 außerhalb des Wellenleiters 4 vorgesehen, entstehen keine derartigen Einschränkungen für die Druckerzeugungseinheit 25.
Die Druckerzeugungseinheit 25 ist von einer Halterung 26 außerhalb des Wellenleiters 4 abgestützt. Die Halterung 26 beinhaltet einen oberen Halterungsbereich 26a, einen unteren Halterungsbereich 26b und einen Verbindungsbereich 26c, der den oberen Halterungsbereich 26a und den unteren Halterungsbereich 26b miteinander verbindet.
Die Druckerzeugungseinheit 25 ist von dem oberen Halterungsbereich 26a abgestützt, und die obere Druckstange (bewegliche Stange) 21 ist an der Druckerzeugungseinheit 25 angebracht. Außerdem ist die untere Druckstange (feststehende Stange) 22 an dem unteren Halterungsbereich 26b festgelegt. Es ist darauf hinzuweisen, daß es sich bei der unteren Druckstange 22 auch um eine bewegliche Stange handeln kann.
Beide Druckstangen 21 und 22 befinden sich teilweise im Inneren des Wellenleiters 4 und sind daher aus einem dielektrischen Material mit geringer Mikrowellen-Reflektivität oder -Absorptivität gebildet, wie zum Beispiel Keramik. Insbesondere sind die Druckstangen 21 und 22 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Aluminiumoxid gebildet. Es ist darauf hinzuweisen, daß die Druckstangen 21 und 22 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel vollständig aus Aluminiumoxid gebildet sind, jedoch reicht es aus, daß nur die innerhalb des Wellenleiters 4 angeordneten Bereiche aus Aluminiumoxid gebildet sind (einem dielektrischen Material, wie z. B. Keramik).
Ferner sind Durchgangsöffnungen 4b zum Hindurchführen der Druckstangen 21 und 22 in dem Wellenleiter 4 gebildet. Die Durchgangsöffnungen 4b müssen hinsichtlich ihrer Größe derart reduziert sein, daß es zu keiner Leckage von Mikrowellen im Inneren des Wellenleiters 4 durch die Durchgangsöffnungen 4b hindurch kommt, und aus diesem Grund können die Durchgangsöffnungen 4b nicht sehr groß sein. Aus diesem Grund können auch die Druckstangen 21 und 22, die durch die Durchgangsöffnungen 4b eingeführt sind, nicht sehr dick sein.
Die dargestellten Druckstangen 21 und 22 sind nur als eine obere Druckstange und eine untere Druckstange vorgesehen, jedoch kann auch eine Vielzahl von oberen Druckstangen und eine Vielzahl von unteren Druckstangen vorgesehen sein. Mit anderen Worten, es kann eine Vielzahl von oberen Durchgangsöffnungen 4b und eine Vielzahl von unteren Durchgangsöffnung 4b in dem Wellenleiter 4 vorgesehen sein, und die Form 10 kann mit einer Vielzahl von Druckstangen 21 und einer Vielzahl von Druckstangen 22 mit Druck beaufschlagt werden. Dadurch kann bei Reduzierung der Größe jeder einzelnen Durchgangsöffnung 4b, um eine Leckage der Mikrowellen zu verhindern, die auf die jeweiligen Druckstangen 21 und 22 aufgebrachte Last verteilt werden.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die Druckbeaufschlagungsrichtung nicht auf die vertikale Richtung beschränkt ist und es sich zum Beispiel auch um eine horizontale Richtung handeln kann.
2. Schleifsteinmaterial und Erwärmung desselben
Bei dem von der Vorrichtung 1 zu verarbeitenden Schleifsteinmaterial handelt es sich um ein Material eines Schleifsteins mit Metallbindung, insbesondere um eine Mischung aus einem Metallbinder in Pulverform und Schleifkörnern. Je nach Bedarf wird dem Schleifsteinmaterial ein Füllmaterial zugesetzt.
Bei dem Metallbinder in Pulverform (Bindungsmaterial) handelt es sich vorzugsweise um Pulvermaterialien aus einem oder mehreren Metallbindern, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Kupfer, Zinn, Silber, Nickel, Zink, Kobalt, Eisen und Aluminium besteht. Diese Metallbinder in Pulverform bilden eine Binderphase eines Schleifsteins, indem sie gesintert werden. Die durchschnittliche Partikelgröße des Metallbinder-Pulvermaterials beträgt etwa 2 μm bis 65 μm.
Es ist darauf hinzuweisen, daß der Schmelzpunkt jedes Materials, das als Metallbinder-Pulvermaterial zu verwenden ist, folgendermaßen ist. Insbesondere beträgt der Schmelzpunkt von Kupfer 1084°C, der Schmelzpunkt von Zinn ist 232°C, der Schmelzpunkt von Silber ist 962°C, der Schmelzpunkt von Nickel ist 1455°C, der Schmelzpunkt von Zink ist 420°C, der Schmelzpunkt von Kobalt ist 1495°C, der Schmelzpunkt von Eisen ist 1535°C, und der Schmelzpunkt von Aluminium ist 660°C.
Bei den Schleifkörnern handelt es sich um Körner aus einem oder mehreren Elementen, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus Diamant (C), CBN (kubischem Bornitrid; BN), GC (grünem Siliziumcarbid; SiC) C (schwarzem Siliziumcarbid; SiC), WA (weißem Aluminiumoxid; Al₂O₃) und A (grauem Aluminiumoxid; Al₂O₃) besteht. Bei Verwendung von Diamant oder CBN in Form von Schleifkörnern beträgt deren Konzentration vorzugsweise etwa 20 bis 150.
Bei dem Füllmaterial handelt es sich um ein oder mehrere Elemente, die aus der Gruppe ausgewählt werden, die aus GC (grünem Siliziumcarbid; SiC), C (schwarzem Siliziumcarbid; SiC), WA (weißem Aluminiumoxid; Al₂O₃), A (grauem Aluminiumoxid; Al₂O₃), Zirkonoxid (ZrO₂), Molybdändisulfid (MoS₂), Bornitrid (BN), Kohlenstoff (C) sowie hohlem keramischen Blähmaterial besteht.
Es ist darauf hinzuweisen, daß der Schmelzpunkt von jedem Material, das als Füllmaterial zu verwenden ist, folgendermaßen ist. Insbesondere betragen die Schmelzpunkte von GC und C 2730°C, die Schmelzpunkte von WA und A betragen 2045°C, der Schmelzpunkt von Zirkonoxid beträgt 2715°C, der Schmelzpunkt von Molybdändisulfid beträgt 1085°C, und der Schmelzpunkt des hohlen keramischen Blähmaterials beträgt 1600°C.
Das Schleifsteinmaterial mit Metallbindung enthält Metall (das Metallbinder-Pulvermaterial), wie dies vorstehend beschrieben worden ist. Im allgemeinen reflektiert Metall (Leiter) Funkwellen und wird somit nicht durch Mikrowellen erwärmt. Durch ein Experiment konnten die Erfinder der vorliegenden Erfindung jedoch feststellen, daß das vorstehend beschriebene Metallbindungs-Schleifsteinmaterial unter Verwendung von Mikrowellen erwärmt werden kann.
Der Grund dafür, daß das Metallbindungs-Schleifsteinmaterial, das den Metallbinder in Pulverform enthält, erwärmt werden kann, wird darin gesehen, daß elektromagnetische Wellen, die durch das Metallbinder-Pulvermaterial gestreut werden, sich in dem Metallbinder-Pulvermaterial fortpflanzen, so daß in dem Metallbinder-Pulvermaterial Wirbelströme auftreten und das Metallbindungs-Schleifsteinmaterial durch die Joulesche Wärme erwärmt wird, die durch den Wirbelstromverlust erzeugt wird.
Die von dem Schleifsteinmaterial mit Metallbindung absorbierte Mikrowellenleistung ist von der Partikelgröße des Metallbinder-Pulvermaterials abhängig. Wenn die durchschnittliche Teilchengröße des Metallbinder-Pulvermaterials in der vorstehend beschriebenen Weise etwa 2 μm bis 65 μm betragen hat, war eine Erwärmung mit Mikrowellen mit 2,45 GHz möglich. Ist die Partikelgröße des Metallbinder-Pulvermaterials übermäßig groß oder klein, kann keine Erwärmung mit Mikrowellen ausgeführt werden.
Aus diesem Grund liegt die durchschnittliche Partikelgröße des Metallbinder-Pulvermaterials vorzugsweise in dem vorstehend beschriebenen Bereich. Es ist darauf hinzuweisen, daß die durchschnittliche Partikelgröße des Metallbinder-Pulvermaterials in weiter bevorzugter Weise etwa 5 μm bis 10 μm beträgt.
Wenn die Mikrowellenerwärmung an dem Schleifsteinmaterial mit Metallbindung ausgeführt wird, erzeugt das Metallbindungs-Schleifsteinmaterial an sich Wärme, und eine Erwärmung kann im Inneren des Schleifsteinmaterials stattfinden.
Dagegen wird bei dem herkömmlichen Verfahren zum Herstellen eines Schleifsteins mit Metallbindung (z. B. einem Heißpreßverfahren) die Erwärmung von der Außenseite des Schleifsteinmaterials ausgeführt. Somit wird ein äußerer Bereich des Schleifsteinmaterials anfangs gehärtet, und Gas, das während der Erwärmung im Inneren des Schleifsteinmaterials erzeugt wird, kann nicht nach außen entweichen, so daß die Wahrscheinlichkeit besteht, daß ein Zustand auftritt, in dem das Innere flexibel ist.
Beim Auftreten eines solchen Zustands wird beim Einsatz als Schleifstein die Schleifkraft ungleichmäßig, die Nutzungsdauer des Schleifsteins wird verkürzt und das während des Schleifvorgangs entstehende Ausmaß an Wärme nimmt zu, und die Qualität des Schleifsteins verschlechtert sich.
Bei der Mikrowellenerwärmung ist die Ungleichmäßigkeit bei der Erwärmung gering, und das gesamte Schleifsteinmaterial kann im wesentlichen gleichmäßig gehärtet werden. Somit ist das Auftreten der vorstehend geschilderten Probleme weniger wahrscheinlich, und ein Schleifstein mit guter Qualität kann im Vergleich zu dem herkömmlichen Herstellungsverfahren in einfacher Weise erzielt werden.
Darüber hinaus kann bei der Mikrowellenerwärmung die Temperatur im Vergleich zu dem herkömmlichen Herstellungsverfahren innerhalb kurzer Zeit erhöht werden. Dadurch kann die Erwärmungszeit verkürzt werden, und eine Beeinträchtigung (Oxidation) der Schleifkörner kann unterdrückt werden.
3. Verfahren zum Steuern der Vorrichtung bei einem Sintervorgang (Steuerung der Erwärmung und Druckbeaufschlagung)
Im folgenden werden Variationen eines Verfahrens zum Steuern eines Sintervorgangs durch die Steuereinheit 24 beschrieben.
3.1. Nur Mikrowellenerwärmung
5 zeigt ein Beispiel einer Temperaturänderung bei Ausführung einer Mikrowellenerwärmung an dem Schleifsteinmaterial ohne Druckbeaufschlagung. Bei Beginn des Sintervorgangs veranlaßt die Steuereinheit 24 die Mikrowellen-Erzeugungseinheit 2 zum Erzeugen von Mikrowellen. Die Ausgangsleistung der Mikrowellen-Erzeugungseinheit 2 beträgt zum Beispiel 400 W, und die Periode vom Beginn des Sintervorgangs bis zum Ende des Sintervorgangs beträgt etwa 20 bis 30 Minuten.
Wenn die von der Temperaturmeßeinheit 23 gemessene Temperatur des Schleifsteinmaterials eine Zieltemperatur (Sintertemperatur) Tt für die Mikrowellenerwärmung erreicht, stoppt die Steuereinheit 4 die Erzeugung von Mikrowellen durch die Mikrowellen-Erzeugungseinheit 2, und nach einer kurzen Zeit endet der Sintervorgang, und die gesinterten Schleifsteine werden entnommen.
3.2. Mikrowellenerwärmung unter konstantem Druckbeaufschlagungsdruck
6 veranschaulicht ein Beispiel der Temperatur und des Drucks bei der Ausführung einer Mikrowellenerwärmung an dem Schleifsteinmaterial bei Druckbeaufschlagung mit einem konstanten Druck vom Beginn bis zum Ende des Sintervorgangs. Vor dem Beginn des Sintervorgangs veranlaßt die Steuereinheit 24 die Druckbeaufschlagungsvorrichtung 20 zur Druckbeaufschlagung der Form 10, die im Inneren des Wellenleiters 4 plaziert ist, um dadurch das Schleifsteinmaterial mit Druck zu beaufschlagen.
Bei dem Druckbeaufschlagungsdruck handelt es sich um einen vorbestimmten Sinterdruck Pt. Der Sinterdruck Pt wird auf der Basis der Komponenten des Schleifsteinmaterials und der gewünschten Schleifstein-Leistungseigenschaften geeignet vorgegeben und beträgt zum Beispiel Pt = 35 MPa.
Die Steuereinheit 24 veranlaßt die Mikrowellen-Erzeugungseinheit 2 zum Erzeugen von Mikrowellen unter Beibehaltung des Sinterdrucks Pt, um dadurch einen Druck-Sintervorgang auszuführen. Auch in diesem Fall beträgt die Ausgangsleistung der Mikrowellen-Erzeugungseinheit 2 zum Beispiel 400 W, und die Zeitdauer vom Beginn des Sintervorgangs bis zum Ende des Sintervorgangs beträgt etwa 20 bis 30 Minuten.
Wenn die von der Temperaturmeßeinheit 23 gemessene Temperatur des Schleifsteinmaterials eine Zieltemperatur (Sintertemperatur) Tt für die Mikrowellenerwärmung erreicht, stoppt die Steuereinheit 24 das Erzeugen von Mikrowellen durch die Mikrowellen-Erzeugungseinheit 2, und nach einer kurzen Zeitdauer endet der Druck-Sintervorgang, und die gesinterten Schleifsteine werden entnommen.
Im Fall des Schleifsteinmaterials mit Metallbindung ist das Metallbinder-Pulvermaterial aus einer Vielzahl von Metallpulverarten gebildet, wobei die durchschnittliche Partikelgröße innerhalb der Metalltypen unterschiedlich sein kann. In diesem Fall ist die einfache Erwärmung mittels Mikrowellen bei den verschiedenen Arten von Metallpulvermaterialien unterschiedlich, und es kann ein lokaler Temperaturanstieg in dem Schleifsteinmaterial mit Metallbindung auftreten, wenn keine Druckbeaufschlagung ausgeführt wird, wie sie in 5 gezeigt ist.
Auch in einem solchen Fall besteht bei Ausführung der Druckbeaufschlagung in der in 6 (oder den 7 und 8) dargestellten Weise die Wahrscheinlichkeit, daß die Temperatur des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials insgesamt gleichmäßig ansteigt.
Ferner erfolgt das Sintern im allgemeinen bei einer Temperatur, die gleich oder niedriger ist als der Schmelzpunkt eines zu sinternden Objekts. Beim Sintern eines Schleifsteins beträgt die Sintertemperatur Tt im allgemeinen etwa 500°C. Im Fall des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials enthält jedoch das Metallbinder-Pulvermaterial, bei dem eine Vielzahl von Metallpulver-Typen gemischt sind, ein Material mit einem Schmelzpunkt, der niedriger ist als die Sintertemperatur Tt (zum Beispiel Zinn, dessen Schmelzpunkt 232°C beträgt).
Während des Sintervorgangs kann somit das Material mit niedrigem Schmelzpunkt (wie zum Beispiel Zinn), das einen niedrigeren Schmelzpunkt als die Sintertemperatur Tt aufweist, schmelzen. Darüber hinaus wird bei der Mikrowellenerwärmung das Schleifsteinmaterial von Innen her erwärmt. Das Material mit niedrigem Schmelzpunkt, das im Inneren des Schleifsteinmaterials schmilzt, sickert somit nach außen auf die Oberfläche des Schleifsteinmaterials, und es besteht die Wahrscheinlichkeit, daß eine glatte, glänzende Metalloberfläche an der Oberfläche des Schleifsteinmaterials gebildet wird. Wenn ein solcher Zustand eintritt, reflektiert das Material mit niedrigem Schmelzpunkt, das auf die Oberfläche des Schleifsteinmaterials sickert, Mikrowellen, so daß die Mikrowellenerwärmung schwierig wird.
Wenn jedoch eine Mikrowellenerwärmung ausgeführt wird, während eine Druckbeaufschlagung gemäß den Darstellungen in 6 (oder 7 und 8) ausgeführt wird, kann durch die Druckbeaufschlagung ein Zustand aufrecht erhalten werden, in dem die mehreren Arten von Metallpulver gemischt sind, und selbst wenn ein Material mit niedrigem Schmelzpunkt, wie zum Beispiel Zinn, darin enthalten ist, kann ein Heraussickern des Materials mit niedrigem Schmelzpunkt verhindert werden.
3.3. Mikrowellenerwärmung mit Zweistufen-Druckbeaufschlagung
7 veranschaulicht ein Beispiel der Temperatur und des Drucks bei der Ausführung einer Mikrowellenerwärmung an dem Schleifsteinmaterial bei Änderung eines Druckbeaufschlagungsdrucks in zwei Stufen vom Beginn bis zum Ende des Sintervorgangs. Vor dem Beginn des Sintervorgangs veranlaßt die Steuereinheit 24 die Druckbeaufschlagungsvorrichtung 20, die im Inneren des Wellenleiters 4 plazierte Form mit Druck zu beaufschlagen, um dadurch das Schleifsteinmaterial mit einem anfänglichen Druckbeaufschlagungsdruck (erster Druck) Pi zu beaufschlagen.
Die Steuereinheit 24 veranlaßt die Mikrowellen-Erzeugungseinheit 2 zum Erzeugen von Mikrowellen in dem Zustand des vorstehend genannten anfänglichen Druckbeaufschlagungsdrucks Pi, um dadurch einen Druck-Sintervorgang zu starten. Wenn die von der Temperaturmeßeinheit 23 gemessene Temperatur des Schleifsteinmaterials eine mittlere Temperatur Tm (Tm < Tt) erreicht, erhöht die Steuereinheit 24 den von der Druckerzeugungseinheit 25 erzeugten Druck auf einen abschließenden Druckbeaufschlagungsdruck (Sinterdruck; zweiter Druck) Pt.
Der Anstieg von dem anfänglichen Druckbeaufschlagungsdruck Pi auf den abschließenden Druckbeaufschlagungsdruck Pt kann unmittelbar stattfinden, wird jedoch vorzugsweise allmählich ausgeführt (z. B. über einen Zeitraum von etwa 1 Minute), wie dies in 7 gezeigt ist.
Danach setzt die Steuereinheit 24 die Mikrowellenerwärmung unter Beibehaltung des abschließenden Druckbeaufschlagungsdrucks Pt fort. Wenn die von der Temperaturmeßeinheit 23 gemessene Temperatur des Schleifsteinmaterials eine Zieltemperatur (Sintertemperatur) Tt für die Mikrowellenerwärmung erreicht, stoppt die Steuereinheit 24 das Erzeugen von Mikrowellen durch die Mikrowellen-Erzeugungseinheit 2, und nach einer kurzen Zeitdauer endet der Druck-Sintervorgang, und die gesinterten Schleifsteine werden entnommen.
Es ist darauf hinzuweisen, daß auch in diesem Fall die elektrische Leistung der Mikrowellen-Erzeugungseinheit 2 zum Beispiel 400 W beträgt und die Zeitdauer vom Beginn des Sintervorgangs bis zum Ende des Sintervorgangs etwa 20 bis 30 Minuten beträgt.
Wenn die Druckbeaufschlagung in zwei Stufen erfolgt, wie dies in 7 gezeigt ist, kann die auf die Form 10 und die Druckstangen 21 und 22 aufgebrachte Last bei dem Sintervorgang insgesamt vermindert werden. Im Fall der Mikrowellenerwärmung, wie sie vorstehend beschrieben worden ist, sind die Form 10 und die Druckstangen 21 und 22, die sich im Inneren des Wellenleiters 4 befinden, vorzugsweise aus Keramikmaterial gebildet, das von Mikrowellen weniger beeinflußt wird. Das Keramikmaterial besitzt jedoch eine geringere Stoßbeständigkeit im Vergleich zu metallischem Material, und aus diesem Grund ist es bevorzugt, daß die Last durch die zweistufige Druckbeaufschlagung, wie sie in 7 gezeigt ist, vermindert wird.
Ferner wird bei der Mikrowellenerwärmung das Schleifsteinmaterial rasch von seinem Inneren her erwärmt. Wenn die Entstehung von Gas auch von dem zentralen Bereich des Schleifsteinmaterials während der Erwärmung berücksichtigt wird, ist es zum Beschleunigen eines Entweichens des Gases von dem Schleifsteinmaterial nach außen wünschenswert, daß kein hoher Druck (Pt) im Anfangsstadium des Sintervorgangs aufgebracht wird, wie dies in 6 gezeigt ist, sondern daß der Druckbeaufschlagungsdruck (Pi) im Anfangsstadium des Sintervorgangs relativ niedrig vorgegeben wird und der Druckbeaufschlagungsdruck anschließend auf den abschließenden Druckbeaufschlagungsdruck (Sinterdruck) Pt erhöht wird.
Es genügt, daß es sich bei dem anfänglichen Druckbeaufschlagungsdruck Pi um einen relativ niedrigen Druck handelt, der die gleichmäßige Erwärmung des aus einer Vielzahl von Metallmaterialtypen bestehenden Metallbinder-Pulvermaterials gewährleisten muß, wobei dieser vorzugsweise zum Beispiel gleich oder geringer ist als die Hälfte des abschließenden Druckbeaufschlagungsdrucks Pt. Wenn zum Beispiel der abschließende Druckbeaufschlagungsdruck Pt einen Wert von 36 MPa besitzt, kann der anfängliche Druckbeaufschlagungsdruck Pi mit etwa 18 MPa vorgegeben werden.
Die mittlere Temperatur Tm, die zum Bestimmen des Zeitpunkts der Erhöhung von dem anfänglichen Druckbeaufschlagungsdruck Pi auf den anschließenden Druckbeaufschlagungsdruck Pt verwendet wird, ist vorzugsweise als Temperatur vorgegeben, die gleich oder ähnlich dem Schmelzpunkt des vorstehend genannten Materials mit niedrigem Schmelzpunkt ist (wobei es sich in weiter bevorzugter Weise um eine Temperatur handelt, die in der Nähe des Schmelzpunkts des Materials mit niedrigem Schmelzpunkt ist, jedoch höher als der Schmelzpunkt ist).
Wenn zum Beispiel das in dem Metallbinder-Pulvermaterial enthaltene Material mit niedrigem Schmelzpunkt Zinn ist (Schmelzpunkt: 232°C), kann die mittlere Temperatur Tm beispielsweise mit etwa 250 bis 300°C vorgegeben werden. In diesem Fall wird das Schleifsteinmaterial im Anfangsstadium des Sintervorgangs mit dem relativ niedrigen Druck Pi beaufschlagt, und der Druckbeaufschlagungsdruck kann zu dem Zeitpunkt, zu dem das Zinn zu schmelzen beginnt, auf den höheren Druck Pt geändert werden.
3.4. Mikrowellenerwärmung mit Dreistufen-Druckbeaufschlagung
8 veranschaulicht ein Beispiel der Temperatur und des Drucks bei Ausführung einer Mikrowellenerwärmung an dem Schleifsteinmaterial bei Änderung eines Druckbeaufschlagungsdrucks in drei Stufen vom Beginn bis zum Ende des Sintervorgangs. Vor dem Beginn des Sintervorgangs veranlaßt die Steuereinheit 24 die Druckbeaufschlagungsvorrichtung 20, die in dem Wellenleiter 4 plazierte Form 10 mit Druck zu beaufschlagen, um dadurch das Schleifsteinmaterial mit einem anfänglichen Druckbeaufschlagungsdruck (erster Druck) Pi zu beaufschlagen.
Die Steuereinheit 24 veranlaßt die Mikrowellen-Erzeugungseinheit 2 zum Erzeugen von Mikrowellen in dem Zustand des vorstehend genannten anfänglichen Druckbeaufschlagungsdrucks Pi, um einen Druck-Sintervorgang zu beginnen. Wenn die von der Temperaturmeßeinheit 23 gemessene Temperatur des Schleifsteinmaterials eine erste mittlere Temperatur Tm1 (Tm1 < Tt) erreicht, erhöht die Steuereinheit 24 dem von der Druckerzeugungseinheit 25 erzeugten Druck auf einen mittleren Druckbeaufschlagungsdruck Pm (Pi < Pm < Pt).
Wenn die von der Temperaturmeßeinheit 23 gemessene Temperatur des Schleifsteinmaterials eine zweite mittlere Temperatur Tm2 (Tm1 < Tm2 < Tt) erreicht, erhöht die Steuereinheit 24 den von der Druckerzeugungseinheit 25 erzeugten Druck weiter auf einen abschließenden Druckbeaufschlagungsdruck Pt.
Der Anstieg von dem anfänglichen Druckbeaufschlagungsdruck Pi zu dem mittleren Druckbeaufschlagungsdruck Pm sowie der Anstieg von dem mittleren Druckbeaufschlagungsdruck Pm auf den abschließenden Druckbeaufschlagungsdruck Pt können jeweils unmittelbar erfolgen, jedoch ist es bevorzugt, diese allmählich auszuführen (z. B. über etwa 1 Minute), wie dies in 8 gezeigt ist.
Anschließend setzt die Steuereinheit 24 die Mikrowellenerwärmung unter Beibehaltung des abschließenden Druckbeaufschlagungsdrucks Pt fort. Wenn die von der Temperaturmeßeinheit 23 gemessene Temperatur des Schleifsteinmaterials eine Zieltemperatur (Sintertemperatur) Tt für die Mikrowellenerwärmung erreicht, stoppt die Steuereinheit 24 das Erzeugen von Mikrowellen durch die Mikrowellen-Erzeugungseinheit 2, und nach einer kurzen Zeitdauer endet der Druck-Sintervorgang, und die gesinterten Schleifsteine werden entnommen.
Es ist darauf hinzuweisen, daß auch in diesem Fall die elektrische Leistung der Mikrowellen-Erzeugungseinheit 2 zum Beispiel 400 W beträgt und die Dauer vom Beginn des Sintervorgangs bis zum Ende des Sintervorgangs etwa 20 bis 30 Minuten beträgt.
Wenn eine Druckbeaufschlagung in drei Stufen ausgeführt wird, wie dies in 8 gezeigt ist, kann die auf die Form 10 und die Druckstangen 21 und 22 ausgeübte Last im Vergleich zu dem Fall mit zwei Stufen bei dem Sintervorgang noch weiter vermindert werden.
Ferner wird bei der Mikrowellenerwärmung das Schleifsteinmaterial rasch von seinem Inneren her erwärmt. Wenn die Entstehung von Gas auch aus dem zentralen Bereich des Schleifsteinmaterials während der Erwärmung berücksichtigt wird, ist es zur Beschleunigung des Entweichens des Gases zur Außenseite des Schleifsteinmaterials wünschenswert, daß im Anfangsstadium des Sintervorgangs kein hoher Druck (Pt) aufgebracht wird, wie dies in 6 gezeigt ist, sondern daß der Druckbeaufschlagungsdruck (Pi) im Anfangsstadium des Sintervorgangs relativ niedrig vorgegeben wird und der Druckbeaufschlagungsdruck dann auf den abschließenden Druckbeaufschlagungsdruck (Sinterdruck) Pt erhöht wird.
Es genügt, daß der anfängliche Druckbeaufschlagungsdruck Pi ein relativ niedriger Druck ist, der eine gleichmäßige Erwärmung des Metallbinder-Pulvermaterials sicherstellen muß, das aus einer Vielzahl von Typen von Metallmaterialien gebildet ist, wobei er zum Beispiel etwa gleich oder niedriger als 1/4 des abschließenden Druckbeaufschlagungsdrucks Pt ist. Wenn zum Beispiel der abschließende Druckbeaufschlagungsdrucks Pt einen Wert von 36 MPa hat, kann der anfängliche Druckbeaufschlagungsdrucks Pi mit etwa 9 MPa vorgegeben werden.
Die mittlere Temperatur Tm1, die zum Bestimmen des Zeitpunkts des Anstiegs von dem anfänglichen Druckbeaufschlagungsdruck Pi auf den mittleren Druckbeaufschlagungsdruck Pm verwendet wird, ist vorzugsweise als Temperatur vorgegeben, die gleich oder ähnlich dem Schmelzpunkt des vorstehend genannten Materials mit niedrigem Schmelzpunkt ist (wobei es sich in weiter bevorzugter Weise um eine Temperatur handelt, die in der Nähe des Schmelzpunkts des Materials mit niedrigen Schmelzpunkt ist und höher als der Schmelzpunkt ist).
Ferner ist die zweite mittlere Temperatur Tm2, die zum Bestimmen des Zeitpunkts des Anstiegs von dem mittleren Druckbeaufschlagungsdruck Pm auf den abschließenden Druckbeaufschlagungsdrucks Pt verwendet wird, vorzugsweise als Temperatur vorgegeben, die geringfügig niedriger ist als die Sintertemperatur (Zieltemperatur für das Sintern) Tt (um etwa 50°C).
Wenn die Sintertemperatur Tt = 500°C beträgt und es sich bei dem Material mit niedrigem Schmelzpunkt, das in dem Metallbinder-Pulvermaterial enthalten ist, um Zinn handelt (Schmelzpunkt: 232°C), kann die erste mittlere Temperatur Tm1 zum Beispiel mit etwa 250 bis 300°C vorgegeben werden. Wenn das Schleifsteinmaterial eine Temperatur von etwa 250 bis 300°C erreicht, schmilzt das Zinn, das Schleifsteinmaterial zieht sich zusammen, und die Druckstange 21 bewegt sich nach unten. Auf diese Weise wird das Schleifsteinmaterial (allmählich) bis zu dem mittleren Druckbeaufschlagungsdruck Pm mit Druck beaufschlagt.
Ferner kann die zweite mittlere Temperatur Tm2 beispielsweise mit etwa 450°C vorgegeben werden. Dadurch kann der Druck-Sintervorgang unter dem abschließenden Druckbeaufschlagungsdruck (Sinterdruck) Pt sowie bei der Zieltemperatur (Sintertemperatur) ausgeführt werden.
4. Beispiel
Im folgenden werden Resultate eines tatsächlichen Sintervorgangs eines Schleifsteins mit Metallbindung unter Verwendung einer Mikrowellenerwärmung dargestellt. Als Metallbindungs-Schleifsteinmaterial wurde dabei ein Material verwendet, das gebildet wird durch Mischen von CBN-Schleifkörnern mit einer Korngröße von #325 (JIS B4130) bei einer Konzentration von 75 mit einem Metallbinder-Pulvermaterial (Metallbindung), das durch Mischen von Kupfer (durchschnittliche Partikelgröße: 44 μm), Zinn (durchschnittliche Partikelgröße: 44 μm), Silber (durchschnittliche Partikelgröße: 44 μm) und Kobalt (durchschnittliche Partikelgröße: 2 μm) in Anteilen von 50 Vol-%, 20 Vol-%, 10 Vol-% bzw. 20 Vol-% gebildet wurde.
Bei jedem der im folgenden beschriebenen Beispiele wurde die Sintertemperatur Tt des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials mit 500°C vorgegeben.
Ferner wurde die Größe von einem Schleifstein folgendermaßen vorgegeben: 2,5 mm breit, 2,5 mm hoch und 25 mm lang, und das Gewicht des Schleifsteinmaterials für einen Schleifstein wurde mit 1,215 g vorgegeben.
4.1. Beispiel 1
In Beispiel 1 wurde ein Sintervorgang ausschließlich mittels Mikrowellenerwärmung an dem vorgenannten Metallbindungs-Schleifsteinmaterial ausgeführt (siehe 5). Die elektrische Leistung der Mikrowellen-Erzeugungseinheit 2 war mit 400 W vorgegeben, und die Zeitdauer vom Beginn des Sintervorgangs bis zum Ende des Sintervorgangs war mit 30 Minuten vorgegeben.
In diesem Fall konnte der Sintervorgang mittels Mikrowellenerwärmung ausgeführt werden. Da jedoch das Schleifsteinmaterial Zinn enthält, bei dem es sich um ein Material mit niedrigem Schmelzpunkt handelt, wurde festgestellt, daß sich nach dem Sintern Zinn auf den Oberflächen der Schleifsteine abgesetzt hatte und die Schleifsteine Kontraktionen zeigten.
4.2. Beispiel 2
Im Beispiel 2 wurde eine Zweistufen-Druckbeaufschlagung an dem vorstehend beschriebenen Metallbindungs-Schleifsteinmaterial ausgeführt. Änderungen in der Temperatur und dem Druck bei Beispiel 2 sind in 9 veranschaulicht. Hierbei waren der anfängliche Druckbeaufschlagungsdruck Pi = 18 MPa und der abschließende Druckbeaufschlagungsdruck (Sinterdruck) Pt = 36 MPa. Ferner war die mittlere Temperatur Tm = 300°C, und die Zeit zum Erhöhen des Drucks von dem anfänglichen Druckbeaufschlagungsdruck Pi auf den abschließenden Druckbeaufschlagungsdruck Pt beim Erreichen der mittleren Temperatur durch das Schleifsteinmaterial war mit einer Minute vorgegeben. Weiterhin war die Zeit vom Beginn bis zum Abschluß des Sintervorgangs mit 20 Minuten vorgegeben.
4.3. Beispiel 3
Im Beispiel 3 wurde eine Dreistufen-Druckbeaufschlagung an dem vorstehend beschriebenen Metallbindungs-Schleifsteinmaterial ausgeführt. Änderungen bei der Temperatur und dem Druck in Beispiel 3 sind in 10 veranschaulicht. Dabei waren der anfängliche Druckbeaufschlagungsdruck Pi = 7,5 MPa, der mittlere Druckbeaufschlagungsdruck Pm = 15 MPa und der abschließende Druckbeaufschlagungsdruck (Sinterdruck) Pt = 30 MPa. Ferner waren die erste mittlere bzw. zwischengeordnete Temperatur Tm1 = 180°C und die zweite zwischengeordnete Temperatur Tm2 = 320°C. Die Zeit vom Beginn bis zum Abschluß des Sintervorgangs wurde mit 35 Minuten vorgegeben.
Es ist darauf hinzuweisen, daß in 10 der Druckbeaufschlagungsdruck als Gesamtlast [Tonnen] aufgebracht auf fünf Stücke des Schleifsteinmaterials dargestellt ist. Insbesondere beträgt die Druckbeaufschlagungsfläche pro Schleifsteinmaterialstück = 0,625 cm², und die gesamte Druckbeaufschlagungsfläche beträgt 0,625 cm² × 5 Stücke = 3,125 cm². Daher beträgt die Gesamtlast, die dem abschließenden Druckbeaufschlagungsdruck Pt = 30 MPa entspricht, 0,956 Tonnen.
In jedem der Beispiele 2 und 3 zeigen die gebildeten Schleifsteine mit Metallbindung ein gutes Erscheinungsbild, und sie besitzen eine gute Dichte und Härte, die mit denen vergleichbar sind, die durch andere Herstellungsverfahren hergestellt werden. Darüber hinaus ist die Lebensdauer der in den Beispielen 2 und 3 gebildeten Schleifsteine im Vergleich zu denen, die mit anderen Herstellungsverfahren hergestellt werden, verlängert. Man ist der Ansicht, daß der Grund dafür darin liegt, daß selbst bei fortschreitendem Schleifvorgang das Ausmaß an Abrieb gering ist, da die Gleichmäßigkeit der Härte im Inneren des Schleifsteins gut ist.
Es ist darauf hinzuweisen, daß die vorliegende Erfindung nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist, und daß verschiedene Modifikationen möglich sind. Darüber hinaus kann die Vorrichtung 1 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel nicht nur zum Herstellen eines Schleifsteins mit Metallbindung verwendet werden, sondern auch zum Sintern eines Schleifsteins mit Harzbindung oder eines Schleifsteins mit keramischer Bindung. Wenn die Vorrichtung 1 zum Sintern eines anderen Schleifsteins als einem Schleifstein mit Metallbindung verwendet wird, genügt es, daß die Steuerbedingungen in Abhängigkeit von dem Unterschied bei dem Schleifsteinmaterial vorgegeben werden.
Bezugszeichenliste

1: Schleifstein-Herstellungsvorrichtung
2: Mikrowellen-Erzeugungseinheit
3: Bearbeitungseinheit
10: Form
11, 13: erster Formbereich
12a, 12b, 14, 15: zweiter Formbereich
20: Druckbeaufschlagungsvorrichtung
23a: Temperaturerfassungseinheit
23: Temperaturmeßeinheit
24: Steuereinheit

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

JIS B4130 [0118]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Schleifsteins mit Metallbindung zum Schaffen eines gesinterten Schleifsteins mit Metallbindung durch einen Sintervorgang, bei dem ein Metallbindungs-Schleifsteinmaterial gesintert wird, bei dem es sich um eine Mischung aus einem Metallbinder in Pulverform und Schleifkörnern handelt, wobei in dem Sintervorgang das Metallbindungs-Schleifsteinmaterial, das den Metallbinder in Pulverform enthält, mittels Mikrowellen erwärmt wird, um dadurch den gesinterten Schleifstein mit Metallbindung zu bilden.
Verfahren zum Herstellen eines Schleifsteins mit Metallbindung nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Sintervorgang um einen Druck-Sintervorgang mit Mikrowellenerwärmung bei Druckbeaufschlagung des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials handelt, und wobei in dem Druck-Sintervorgang die Erwärmung mit Mikrowellen unter einem Druck gestartet wird, der niedriger ist als ein abschließender Druckbeaufschlagungsdruck in dem Druck-Sintervorgang, und wobei ein Druckbeaufschlagungsdruck während des Anstiegs einer Temperatur durch die Mikrowellenerwärmung gesteigert wird, so daß der Druckbeaufschlagungsdruck den abschließenden Druckbeaufschlagungsdruck erreicht.
Verfahren zum Herstellen eines Schleifsteins mit Metallbindung nach Anspruch 2, wobei die Erhöhung des Druckbeaufschlagungsdrucks auf den abschließenden Druckbeaufschlagungsdruck vorgenommen wird, wenn eine Temperatur des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials eine mittlere Temperatur erreicht, und wobei die mittlere Temperatur gleich oder nahe einem Schmelzpunkt eines Metallbinder-Pulvermaterials ist, das unter einer Vielzahl von Arten von in dem Metallbindungs-Schleifsteinmaterial enthaltenen Metallbinder-Pulvermaterialien aus einem Metall mit einem niedrigeren Schmelzpunkt als eine Zieltemperatur für die Mikrowellenerwärmung gebildet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Schleifsteins mit Metallbindung nach Anspruch 1, wobei es sich bei dem Sintervorgang um einen Drucksintervorgang mit Mikrowellenerwärmung bei Druckbeaufschlagung des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials handelt, und wobei ein Druckbeaufschlagungsdruck in dem Druck-Sintervorgang bei Beginn der Mikrowellenerwärmung ein anfänglicher Druckbeaufschlagungsdruck ist, der niedriger ist als ein abschließender Druckbeaufschlagungsdruck, dieser vor Erreichen einer Zieltemperatur für die Mikrowellenerwärmung auf einen mittleren Druckbeaufschlagungsdruck erhöht wird, der zwischen dem anfänglichen Druckbeaufschlagungsdruck und dem abschließenden Druckbeaufschlagungsdruck liegt, und der Druckbeaufschlagungsdruck dann auf den abschließenden Druckbeaufschlagungsdruck weiter erhöht wird.
Verfahren zum Herstellen eines Schleifsteins mit Metallbindung nach Anspruch 4, wobei die Erhöhung des Druckbeaufschlagungsdrucks auf den mittleren Druckbeaufschlagungsdruck ausgeführt wird, wenn die Temperatur des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials eine mittlere Temperatur erreicht, und wobei die mittlere Temperatur gleich oder nahe einem Schmelzpunkt eines Metallbinder-Pulvermaterials ist, das unter einer Vielzahl von Arten von in dem Metallbindungs-Schleifsteinmaterial enthaltenen Metallbinder-Pulvermaterialien aus einem Metall mit einem Schmelzpunkt gebildet ist, der niedriger ist als eine Zieltemperatur für die Mikrowellenerwärmung.
Vorrichtung zum Herstellen eines Schleifsteins mit Metallbindung, wobei die Vorrichtung folgendes aufweist: eine Form zum Aufnehmen eines Metallbindungs-Schleifsteinmaterials, bei dem es sich um eine Mischung aus einem Metallbinder in Pulverform und Schleifkörnern handelt, und eine Mikrowellen-Erzeugungseinheit zum Erwärmen des in der Form aufgenommenen Metallbindungs-Schleifsteinmaterials mit Mikrowellen, die von der Außenseite der Form emittiert werden.
Vorrichtung zum Herstellen eines Schleifsteins mit Metallbindung nach Anspruch 6, wobei die Form aus einem dielektrischen Material mit Mikrowellendurchlässigkeit gebildet ist.
Vorrichtung zum Herstellen eines Schleifsteins mit Metallbindung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Vorrichtung ferner eine an der Form vorgesehene Temperaturmeßeinheit zum Messen einer Temperatur des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials im Inneren der Form aufweist, wobei die Form ein Material mit Mikrowellendurchlässigkeit und derartiger Wärmeleitfähigkeit enthält, daß die Temperatur des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials an einer Stelle wiedergegeben werden kann, an der die Temperaturmeßeinheit vorgesehen ist.
Vorrichtung zum Herstellen eines Schleifsteins mit Metallbindung nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Vorrichtung ferner eine Temperaturmeßeinheit zum Messen einer Temperatur des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials im Inneren der Form aufweist, wobei die Form einen ersten Formbereich, der aus einem dielektrischen Material mit Mikrowellendurchlässigkeit gebildet ist, sowie einen zweiten Formbereich, der aus einem Material mit höherer Wärmeleitfähigkeit als der erste Formbereich gebildet ist, zum Übertragen von Wärme des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials zu der Temperaturmeßeinheit aufweist, und wobei die Temperaturmeßeinheit die Temperatur des Metallbindungs-Schleifsteinmaterials über den zweiten Formbereich mißt.