DE2126000A1

DE2126000A1 - Diamantenpartikel und Verfahren zur Herstellung eines Schleifwerkzeuges dar aus

Info

Publication number: DE2126000A1
Application number: DE19712126000
Authority: DE
Inventors: Robert John Caveney
Original assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Current assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Priority date: 1970-05-29
Filing date: 1971-05-26
Publication date: 1971-12-02
Also published as: IE35297B1; DE2126000C3; DE2126000B2; JPS5214874B1; GB1307153A; BE767587A; FR2093865A5; ZA703653B; IE35297L

Description

Die Erfindung betrifft einen Diamantenpartikel des MD-Typs oder des SD-Typs mit einer zusammengesetzten Beschichtung, bestehend aus einer dünnen Titanschicht angrenzend an die Diamantenoberfläche und einer äußeren, mit dem Titan kompatiblen Metallschicht. Des v/eiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines metallgebundenen Schleifwerkzeugs unter Verwendung solcher Diamantenpartikel.

Es gibt drei Kauptarten von Diamantenpartikeln, die üblicherweise in den Schleifflächen von Schleifwerkzeugen, wie Sägen oder Schleifrädern verwendet werden. Bei der ersten Art handelt es sich um den sogenannten RD-Diamanten, der als kunstharzgebundener Diamant (resin bond diamond) bekannt ist, die zweite Art. ist als sogenannter MD-Diamant, d.h. als metallgebundener

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Diamant (metal bond diamond) und die dritte Art ist als sogenannter SD-Diamant, d.h. als Sägendiamant (saw diamond) bekanntgeworden. Sämtliche drei Arten von Diamantenpartikel können aufgrund natürlicher Vorkommen gewonnen werden, sie können jedoch auch synthetisch hergestellt v/erden. Die KD-Partikelart wird in Schleifwerkzeugen verwendet, die eine Bindungsmatrix aus Kunststoff- bzw. Kunstharzmaterial, wie beispielsweise Phenol-Formaldehydharze aufweisen, während die MD- und SD-Diamantenpartikel in Schleifwerkzeugen verwendet werden, die als Bindungsmatrix ein Metall, wie beispielsweise Bronze verwendet.

MD- und SD-Diamantenpartikel weisen eine größere Schlagfestigkeit als die RD-Partikel auf, die zum Zerbrechen und Bröckligwerden neigen. MD- und SD-Partikel stellen im allgemeinen einen kompakten Kristall dar, obwohl auch unregelmäßig geformte Partikel dieser Art bekannt sind. Demgegenüber sind RD-Partikel meist von unregelmäßiger Form und neigen dazu, während der Schleifvorgänge zu zerbrechen. Ein wichtiges Merkmal der MD- und SD-Diamantenpartikel ist darin zu sehen, daß aufgrund ihrer größeren Schlagfestigkeit die Möglichkeit eines Zerbrechens während der Schleif- bzw. Sägevorgänge sehr gering ist und eine Abnutzung im wesentlichen auf Abschleifvorgänge zurückzuführen ist. Für praktische Anwendungsfälle haben die SD- und MD-Diamantenpartikel die gleichen Eigenschaften und Merkmale. Eine Schwierigkeit in Verbindung mit den MD- und SD-Diamantenpartikeln ist jedoch darin zu sehen, daß es in der Vergangenheit bisher nicht möglich gewesen ist, für diese Partikel eine Metallbeschichtung vorzusehen, die auch unter den in Frage stehenden ^schleif- und Bearbeitungsvorgängen ausreichend gut an der Diamantenoberfläche haftet; es ergibt sich so ein frühzeitiges Lockern und Lösen der Diamantenpartikel aus der Metallmatrix.

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Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zurgrunde, die Nachteile der bekannten MD- bzw. SD-Diamantenpartikel zu vermeiden und einen neuen beschichteten Diamantenpartikel zu schaffen, der auch bei Schleifbedingungen hervorragende Eigenschaften aufweist. In Verbindung damit ist die der Erfindung weiterhin noch zugrundeliegende Teilaufgabe zu sehen, ein Verfahren zur Herstellung eines metallgebundenen Schleifwerkzeugs unter Verwendung dieser Diamanten zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einem Diamantenpartikel der eingangs geschilderten Art und besteht darin, daß die Grenzschicht zwischen Diamant und Titan im wesentlichen frei von der Bildung einer chemischen Bindung ist.

Die dünne Titanschicht muß so beschaffen sein, daß sie um das Diamantenpartikel eine kontinuierliche Schicht bildet. Bei einer praktischen Durchführung beträgt der Anteil von Titan in der Schicht weniger als 3 Gew.% des nichtbeschichteten Diamanten. Dabei kann das Titan aufgrund an sich bekannter Verfahren auf den Diamanten aufgebracht werden, insbesondere durch Vakuumbedämpfung. Es hat sich dabei herausgestellt, daß das in der Veröffentlichung "Vacuum Deposition of Thin Films" von L. Holland, Chapman und Hall, 1. Ausgabe 1956, beschriebene Verfahren beson~ "ders geeignete Titanfilme erzeugt.

Das Metall der äußeren Schicht muß mit dem Titan kompatibel sein. Dabei werden unter dem Begriff "kompatibel!¹ solche Metalle verstanden, die unter dem Einfluß von Hitze leicht Verbindungen mit dem Titan eingehen bzw. Legierungen ausbilden. Als Beispiel seien die Metalle Eisen, Nickel, Kobalt, Kupfer und Legierungen aus diesen Metallen, beispielsweise Eisen-Nickellegierungen genannt.

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Auch die äußere Metallbeschichtung kann auf den mit Titan beschichteten Diamanten mittels bekannter Verfahren aufgebracht werden. Als geeignete Verfahren haben sich dabei das Elektroplattieren/ die elektrofreie Plattierung und die Vakuumbedämpfung erwiesen. Als Beispiel s^ei hier hingewiesen auf ein geeignetes Verfahren einer elektrofreien Plattierung von Nickel und Kobalt auf Diamanten, wie es in dem britischen Patent No. 1 198 479 beschrieben ist. Ein geeignetes Verfahren zur Elektroplattierung von Metallen kann der Veröffentlichung "Electroplating Engineering Handbook" von H.K. Graham, 1955, Rheinhold, und ein geeignetes Verfahren zur Elektroplattierung von Legierungen kann der Veröffentlichung "Electrodeposition of Alloys Principles and Practics" Band II, Abner Brenner, Academic Press, New York und London, auf den Seiten 265 - 314 entnommen werden.

Nickel ist das bevorzugte Metall für die äußere Beschichtung. Vorzugsweise wird dabei das Nickel auf die titanbeschichtete Diamantenoberfläche durch Elektroplattierung aufgebracht,und zwar unter Verwendung von Nickel-Sulfamat als Quelle der Nickelionen. Es wird darauf hingewiesen, daß das Verfahren, unter Verwendung von Nickelsulfamat als Quelle für iJickelionen, Nickel auf Diamanten elektrozuplattieren, in einer weiteren, auf die Anmelderin zurückgehenden Anmeldung, nämlich der deutschen Patentanmeldung ... beschrieben ist.

Der Anteil der äußeren Metallbeschichtung beträgt dabei vorzugsweise zwischen 10 - 100 Gew.% des unbeschichteten Diamanten.

Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung bezieht sich diese noch auf die Herstellung eines metallgebundenen Schleifkörpers, wobei ein weiter oben schon beschriebener Diamantpartikel in ein geeignetes tragendes Matrixmaterial eingelagert wird und die Matrix einer Wärmebehandlung von mehr als

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5OO°C unterworfen wird. Eine solche Hitzebehandlung der Matrix auf die erwähnte Tempaatur führt zur gleichzeitigen Bildung von Bindungen zwischen dem Metall und dem Titan aufgrund eines Difusionsvorganges der beiden Metalle ineinander und zu der Bildung einer chemischen Titan-Kohlenstoffbildung (Ti-C-Bindung) an der Titan/Diamantgrenzfläche, vorzugsweise ist weiterhin das Material der Matrix, des Basismaterials, in das der beschichtete Diamant eingesetzt wird, kompatibel mit dem Metall der äußeren Schicht der Beschichtung, so daß bei Erhitzung der' die beschichteten Diamanten enthaltenden Matrix auf eine Temperatur von mehr als 5OO°C auch die Bildung einer Bindung zwischen dem Metall der äußeren Schicht und dem Matrixmaterial auftritt.

Der metallgebundene Schleifkörper kann ein Teilausschnitt bzw. ein Segment sein, welches an eine Säge bzw. an ein metallgebundenes Schleifrad angebracht wird. Im letzteren Fall sind die Diamanten in dem peripheren Schleifgebiet des Rades eingelagert, welches in der beschriebenen Art wärmebehandelt wird.

Die Temperatur, auf welche die die Diamanten enthaltende Matrix erhitzt wird, hängt Weitgehend von der Art der verwendeten Matrix ab, obwohl es in allen Fällen von Bedeutung ist, daß die Hitzebehandlung auf eine Temperatur von mehr als 50O⁰C durchgeführt wird, um sicherzustellen, daß sich eine Ti-C-Bindung bildet. Wird als Matrixmaterial Bronze verwendet, dann liegt die Temperatur der Wärmebehandlung vorzugsweise zwischen 700 und 85O°C, etwa 72O°C.

Die weiteren Verfahren zur Herstellung von Sägenabschnitten bzw. Segmenten und von metallgebundenen Schleifrädern unter Verwendung von erfindungsgemäß beschichteter Diamanten können an sich bekannter Art sein, jedoch abgesehen bis auf den Umstand, daß die

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die beschichteten Diamanten aufweisende Matrix während der Herstellung auf eine Temperatur von mehr als 50O⁰C wärmebehandelt v/erden muß.

Im folgenden werden noch Beispiele und Angaben für ein Herstellungsverfahren von Sägenteilausschnitten von Sägen und von metallgebundenen Schleifrädern bzw. Schleifscheiben gebracht.

Dabei wird zur Herstellung eines Sägenteilausschnittes bzv/. einer Säge folgendermaßen vorgegangen. Es v/erden SD-Diamantenpartikel mit einem Matrixmetall/mit 10 Gew.% von 100/120 U.S. Mesh Härmet Chip vermischt, derart, daß die Diamantenkonzentration 35,4 beträgt, d.h. etwa 25 Karat Diamanten pro Kubik-inch. Die Mischung wird in eine geeignete Form eingebracht und bei einem Druck von etwa 1400 at (10 tons per square inch ) gepreßt. Diesem Verfahrensschritt folgt ein weiterer Verfahrensschritt, bei dem eine Wärmepressung bei ebenfalls einem Druck von 14OO at und einer Temperatur durchgeführt wird, die bestimmt ist von dem verwendetem Matrixmetall, jedochgrößer als 50O⁰C ist. Im Falle, daß eine 80/20 Bronzematrix verwendet wird, (was bevorzugt ist) liegt die optimale Temperatur bei 72O°C. Demgegenüber kann bei Basismaterialien (Matrix), wie beispielsweise Kobalt, eine so hohe Temperatur wie 140O⁰C verwendet v/erden.

Das gepreßte Material wird dann aus der Form entnommen und bildet einenSägenteilausschnitt. Die auf diese Weise erzeugten Teilausschnitte bzw. Segmente werden dann auf einen Sägengrundkörper, vorzugsweise hart aufgelötet und bilden die Säge . Eine: auf diese Weise hergestellte Säge enthält im allgemeinen 24 Segmente. Im folgenden wird die Herstellung von metallgebundenen Schleifrädern bzw. Schleifscheiben genauer beschrieben, wobei dieses Verfahren im wesentlichen cas gleiche ist, wie bei der Herstellung von Sägen, jedoch mit der Ausnahme, daß keine Segmente her-

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gestellt werden, sondern daß ein kontinuierliches, Diamanten enthaltendes ümfangsgebiet einer Scheibe hergestellt wird.

Gewöhnlich wird der Nabenteil der Scheibe aus den gleichen Matrixmetall, wie das Umfangsgebiet, hergestellt. Eine geeignete Form wird für diesen Zweck mit dem Metall der Nabe angefüllt, wobei das periphere Gebiet von einem Rohling eingenommen wird, um zu verhindern, daß Nabenmetall in diesen Raum fließt. Das Metall wird dann in ähnlicher V/eise, wie weiter vorn schon beschrieben, kaltgepreßt. Nach der Kaltkompaktierung wird die Form geöffnet, der Rohling entnommen und eine Mischung aus Diamantenpartikeln und dem Matrixmetall, üblicherweise in einer Konzentration von 100, d.h. von 72 Karat pro Kubik^Inch in den peripheren Raum der Gießform eingegossen. Das Ganze wird dann kaltgepreßt und, wie weiter vorn schon bei der Sägenherstellung beschrieben, nochmals heißgepreßt.

Im folgenden wird noch genauer auf die Herstellung von erfindungsgemäß beschichteten Diamantenpartikeln eingegangen.

Beispiel I

Bei diesem ersten erfindungsgemäßen Beispiel wurden SD-Diamantenpartikel mit einer zusammengesetzten Beschichtung versehen, die aus einer inneren dünnen kontinuierlichen Titanschicht und einer äußeren Metallschicht bestand. Die Titanschicht wurde dabei unter Beobachtung der in der Veröffentlichung "Vacuum Deposition of Thin Films" beschriebene Vakuumbedampfungsmethode aufgebracht. Die Nickelschicht wurde auf den beschichteten Partikeln durch Elektroplattierung aufgebracht, indem Nickelsulfamat als Quelle der Nickelionen verwendet wurde.

Es wurde die folgende Plattierungslösung für die Nickelplattierung verwendet:

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Ni-Sulfamatkonzentrat 500 ml/1

NiCl₂ 6H₂O 16,4

H₃ BO₃ 30 g/l

SN₁ (Mittel zur Verringerung von Spannungen) 7,5 g/1-

(wahlweise)

Bei dem Nickelsulfamatkonzentrat handelt es sich um' eine im Handel befindliche Lösung, die 900g/l Nickelsulfamat enthält.

(SN ist ein Produkt der Firma M and T Chemicals Corp, Rahway, New York, USA).

Das Nickelchlorid, die Borsäure und das SN wurden getrennt in heißem entmineralisiertem Wasser aufgelöst und dem Sulfamantkonzentrat hinzugefügt. Das Ganze wurde dann gefiltert und ergab die Plattierungslösung.

Es wurde ein Standarddrehgefäß für die Plattierung verwendet, welches eine 6,25x2,5 cm Nickelanode aufwies.

Der pH-Wert der auf diese Weise hergestellten Plattierungslösung betrug 3 bis 5, was sich für geeignet für den Plattierungsprozeß erwies. Es war nicht notwendig, während des Plattierungsvorganges den pH-Wert neueinzustellen, da er innerhalb dieses Bereiches verblieb.

Die Lösung wurde vor Beginn des Plattierens auf etwa 80 bis 90°C aufgeheizt, wobei eine Stromdich·
1000 Karat Diamanten verwendet v/urde.

90°C aufgeheizt, wobei eine Stromdichte von 5 bis 10 A pro

Die Plattierungsgeschv/indigkeit betrug 3 bis 5% des niamantengewichtes pro Stunde.

Es ergab sich eine hellglänzende, dichte Beschichtung mit einer

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Dichte von mehr als 8g/cm , nämlich zwischen 8,2 und 8,5 g/cm ,

wobei der theoretische Wert 8,9 g/cm beträgt. Der Anteil der Nickelschicht betrug 31,95 Gew.% des unbeschichteten Diamanten.

Beispiel II

Es wurde eine Ti/Ni zusammengesetzte Beschichtung auf SD-Diamantenpartikel aufgebracht unter Beobachtung der Angaben des Beispiels I, mit der Ausnahme, daß die fertigen Partikel eine Nickelschicht mit einem Anteil von 49,64 Gew.% des unbeschichteten Partikels aufwiesen.

Die sich auf diese Weise gemäß der Beispiele I und II ergebenen beschichteten Diamanten wurden dann in metallgebundene Sägensegmente mittels der weiter vorn angegebenen Verfahren eingebettet und die Segmente auf einen Sägengrundkörper aufgelötet. Zu Vergleichzwecken wurden auch noch Sägensegmente, die gemäß früheren bekannten Verfahren beschichtete Diamanten enthielten, auf einen anderen Sägengrundkörper aufgelötet. Dabei ergaben sich folgende üntersuchungsergebnisse.

Vor dem tatsächlichen Testprogramm wurden sämtliche Sägenblätter mit roten Ziegelsteinen abgezogen, um den notwendigen Anteil an Diamanten zur Arbeit in Granit freizulegen. Danach wurde jedes Sägeblatt zwei Konditionierläufen in Granit unterworfen, um scharfe Kanten, die von dem Abziehen an den Ziegelsteinen übriggeblieben sind, zu entfernen. Erst danach wurden die Blätter den laboratoriumsmäßigen Testläufen unterworfen. Für dieseUntersuchungen wurden aus Segmenten aufgebaute Sägeblätter von ca. 4o cm Durchmesser χ 3 mm Breite bei einer Imprägnationstiefe von 5 mm verwendet ( 16" diameter χ 1/8" width with 1/5" ).

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Testangaben

Maschinenart: Stationäre "head Cassie"

Diamantensäge

Wellenleistung 20 H.P.

Umdrehung pro Minute (R.P.M.) 1950

Oberflächengeschwindigkeit 8164 S.F.P.M.

³ TÖberflachenfliiß pro

Minute, surface feet per minute)

2 Sägegeschwindigkeit 30.6 in /min

Quergeschwindigkeit 78 in/min

Tiefe bei jedem Durchlauf .39 in

Pro Test gesägtes Gebiet 10.2 ft

2 Gesägtes Gesamtgebiet pro Gritart 102 ft

Kühlmittel Wasser

Kühlmittelfluß 600 G.P.H.

Die auf diese Weise erhaltenen Testergebnisse sind in tabellenartiger Form in Tabelle 1 dargestellt. Wie den Ergebnissen entnommen werden kann, ergeben die erfindungsgemäß beschichteten Diamanten Sägen mit einem größeren Abnutzungswiderstand, d.h. die Geschwindigkeit^ mit v/elcher Diamantenpartikel aus der Matrix herausgerissen werden, ist geringer als bei Sägen unter Verwendung von in üblicher Weise beschichteten Diamanten.

Es konnte auch festgestellt werden, daß dann, wenn ein erfindungsgemäß beschichteteSjDiamanten enthaltendes und gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestelltes Segment gebrochen war, der Bruchriß auch über die Diamantenpartikel lief. Dies zeigt an, daß die Bindung, die sich zwischen den beiden Grenzflächen ausgebildet hat, stärker als der Diamant selbst war. Brachen Segmente früherer Art, die ebenfalls beschichtete Diamanten enthielten, dann erschienen die Diamanten an der Bruchoberfläche

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nicht ebenfalls zerbrochen bzw. zerrissen, sondern stellten in der einen Hälfte ganze; intaktgebliebene Diamanten dar, während in der anderen Bruchhälfte des Segmentes lediglich die leeren Hüllen, die die anderen Diamantenhälften zurückgelassen hatten, ausgemacht werden konnten.

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Tabelle

Beschichtung

Paarl Granit

Parys Granit

40% Ni Pi + 39.95% Ni Pi + 49.64% Ni »	2 Abnutzung/in an ge sägtem Material	Verbesserung	2 Abnutzung/in an ge sägtem Material	% Verbesserung
0,1420 nun 0,1185 mm 0,1352 mm	0 20 5	0,2048 mm 0,1944 mm 0,2000 mm	0 5 3

Claims

Patentansprüche

1. Diamantenpartikel des MD-Typs oder des SD-Typs mit einer zusammengesetzten Beschichtung, bestehend aus einer dünnen Titanschicht angrenzend an die Diamantenoberfläche und einer äußeren, mit dem Titan kompatiüen Metallschicht,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Grenzschicht zwischen Diamant und Titan im wesentlichen frei von der Bildung einer chemischen Bindung ist.

2. Diamantenpartikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall der äußeren Schicht aus der Eisen, Nickel, Kobalt und Legierungen derselben enthaltenden Gruppe ausgewählt ist.

3. Diamantenpartikel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall der äußeren Schicht Nickel ist.

4. Diamantenpartikel nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Metallschicht zwischen 10 und 100 Gew.% des unbeschichteten Diamantens beträgt.

Verfahren zur Herstellung eines metallgebundenen Schleifkörpers, insbesondere eines Sägensegmentes oder einer metallgebundenen Schleifscheibe, bei v/elcher die Diamantenpartikel in dem peripherem Gebiet eingelagert sind, unter Verwendung von Diamantenpartikeln nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamantenpartikel in ein geeignetes Matrixmaterial eingebettet und das Matrixmaterial einer Wärmebehandlung unterworfen wird, wobei vor der Wärmebehandlung die Grenzfläche zwischen Diamant

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und Titan des beschichteten Diamantenpartikels frei von einer chemischen Bindung ist, und daß die Temperatur der Wärmebehandlung höher als 500 C liegt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Matrixmaterial Bronze ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das die beschichteten Partikel enthaltende Matrixmaterial auf eine Temperatur zwischen 700 und 800 C erhitzt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das die Pairtikel enthaltende Matrixmaterial auf eine Temperatur von etwa 72O°C erhitzt wird.

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