DE2131148A1

DE2131148A1 - Harter Arbeitskoerper und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE2131148A1
Application number: DE19712131148
Authority: DE
Inventors: C M Levitt
Original assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Current assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Priority date: 1970-06-25
Filing date: 1971-06-23
Publication date: 1971-12-30
Also published as: IT962035B; BE769038A; SE388670B; ZA704370B; CA936003A; DE2131148C2; GB1338140A; NL7108642A; FR2099932A5; IE35406B1; IE35406L

Description

OR-INQ. DIPl.-'NG.M.SC. ΟΙΡ'-..PHy.ö. OR. DIPl.-PHVS.

HÖGER - STELLRECHT-GiRiESSQACH - HAECKER

PATENTANWÄLTE IN STUTTGART

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De Beers Industrial Diamond Division Limited
45 Main Street
Johannesburg/Tvl.
Republic of South Africa

Harter Arbeitskörper und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft einen harten, einer Verschleißwirkung unterworfenen Arbeitskörper, bestehend aus in einer Matrix aus Metall, Kunststoff oder einem anderen geeigneten Binder eingebetteten Schleifpartikel und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

In einigen Fällen ist es notwendig, harte, einer Verschleißwirkung ausgesetzte Arbeitsflächen zu haben, die aus Materialien, wie Diamanten, kubischen Bornitriden oder anderem harten Schleifraaterial zusammengesetzt sind. Im Falle des Diamanten sind große Kristalle verfügbar, diese Kristalle sind jedoch teuer und in jedem Fall gegen eine Schlageinwir-

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kung nicht widerstandsfähig, da* in welcher Weise der Kristall auch geschnitten ist, Spaltungsflächen bis zu der auf diese Weise gebildeten Oberfläche vordringen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine neue Art einer harten Arbeitsfläche zu schaffen, die keine ungehärtete hzvr. weiche und gegen entsprechende Einflüsse ungeschützte Richtung aufweist.

Zur Lösung dieser Aufgabe geht die Erfindung aus von einem harten Arbeitskörper der eingangs geschilderten Art und besteht darin, dass der Körper aus einer Reihe von dicht gepackten, ursprünglich runden harten Schleifpartikeln zusammengesetzt ist, dass die Äquatorebenen der Partikel in einer im wesentlichen zu der harten Arbeitsfläche parallelen Fläche liegen und dass die Spitzenbereiche der Partikel auf eine annähernd der Äquatorebene entsprechende Breite weggenommen sind.

Die Matrix ist vorzugsweise metallisch, während die Partikel vorzugsweise Diamanten und zweckmässxgerweise industrieller Diamantengrieß (diamond grit) in natürlicher oder synthetischer Herstellung sind.

Ein erfindungsgemässes Verfahren zur Herstellung eines solchen Körpers bzw. einer solchen harten Oberfläche besteht darin, dass runde, harte Schleifpartikel ^dicht gepackt werden, wobei ihre Äquatorebenen in einer Ebene parallel zu der gewünschten harten Arbeitsfläche liegen, dass die auf diese Weise in einer dicht gepackten Position gehaltenen Partikel miteinander verbunden werden, dass sämtliches übriges Material bis zu einer Breite von jedem Partikel? die

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sich der Äquatorebene annähert, weggenommen wird, so dass die gewünschte Arbeitsfläche entsteht. Dabei kann die gewünschte Fläche planar oder gekrümmt sein. Es ist auf verschiedene Weise möglich, die Partikel miteinander zu verbinden und gegebenenfalls auf einem Substrat aufzubringen. So können sie beispielsweise mit einem geschmolzenen Metall oder einen Kunstharz imprägniert werden, woraufhin eine Verfestigung zwischen den Partikeln auftritt; es können auch Plattierungstechniken verwendet werden, um die Partikel zu binden. Darüberhinaus ist es möglich, dem Substrat eine solche Form zu verleihen, etwa Eindrücke und Vertiefungen in ihm hervorzurufen, die mit den unteren Teilen der dicht gepackten Partikel übereinstimmen und diese aufnehmen, woraufhin dann um die Partikel und auf das Substrat Bindemittel zugegeben wird.

Ein Abrunden der Partikel, beispielsweise der Diamanten, in einer Strahlmühle ist selbstverständlich bekannt, so dass es keine Schwierigkeit darstellt, entsprechend abgerundete Partikel herzustellen. Die dichte Packung kann auf zweierlei Art erreicht werden. Einmal ist es möglich, einen festen Körper mit vielen Schichten dicht gepackter kugelförmiger Partikel herzustellen und dann eine Seite des Körpers abzuschleifen, bis die Partikel in geeigneter Weise freigelegt sind. Gemäss einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden die Partikel auf einer Oberfläche in einer einzigen Schicht aufgebaut, bzw. aufgebracht, miteinander gebunden und soweit abgeschliffen, bis sie die gewünschte Arbeitsfläche darstellen.

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Um das Flächengebiet an Schleifpartikeln, welches an der gewünschten Arbeitsfläche zu Tage tritt, zu vergrössern, können Schleifpartikel verschiedener Grosse verwendet werden derart, dass sich die grösseren Partikel berühren, während die nächst kleinere Grosse die verbliebenen Zwischenräume besetzt, eine noch kleinere Grosse kann dann die weiterhin noch verbleibenden Zwischenräume besetzen usw. Es hat sich jedoch als praktisches Ergebnis herausgestellt, dass zwei verschiedene Grossen ausreichen, um eine Oberfläche zu ergeben, die fast 100%ig von dem Schleifmittel selbst besetzt ist» Wird nur eine einzige Grosse verwendet, dann ergibt sich eine Freilegung von 90,7 % des Schleifmittels an der Oberfläche, wenn eine Materialabnahme bis zu den üquatorebenen der Partikel erfolgt.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Im folgenden werden das erfindungsgemässe Verfahren sowie Aufbau und Wirkungsweise von erfindungsgemässen Körpern anhand der Figuren im einzelnen näher erläutert, dabei zeigt:

Fig. 1 eine Aufsicht auf eine erfindungsgemässe Packungsanordnung in vergrösserter Darstellung,

Fig. 2 einen Teilausschnitt durch eine dicht gepackte Reihe in ebenfalls vergrösserter Darstellung,

Fig. 3 die Zeichnung eines Mikrofotos einer etwa 50 mal vergrösserten harten Arbeitsfläche und

Fig. 4 in Draufsicht eine Vorrichtung zur Herstellung zylindrisch gekrümmter Arbeitsflächen.

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Der erste Schritt zur Herstellung einer harten Arbeitsfläche' d. h. einer Fläche, die einem Verschleiß unterworfen ist, besteht darin, abgerundete Diamanten herzustellen bzw. zu besorgen. Diese Diamanten sind im Handel in sämtlichen Grieß- bzw. Kor_ngrößen (Diamantengrieß) erhältlich. Falls man jedoch keine erhält, kann der Diamantengrieß bzw. die Körner in einer Strahlmühle abgerundet werden, beispielsweise in einer Anordnung, wie sie in dem US-Patent 2,735,421 beschrieben ist. Die Korngröße (grit size) ist nicht kritisch, je kleiner jedoch die Abmessungen sind, um so schwieriger ist es, die einzelnen Partikel zu handhaben. Es wird deshalb vorgezogen, mit einer Korn- bzw. Grießgröße von 45/50 U.S. mesh zu arbeiten, und zwar wegen der leichteren Handhabung.

Der nächste Schritt besteht darin, eine enge und feste Pakkung der abgerundeten Partikel zu erzielen. Dabei können zur Herstellung einer flachen Arbeitsfläche verschiedene Verfahren verwendet werden. Die eine wäre beispielsweise, die Partikel einzeln von Hand zu packen. Dies ist jedoch eine langwierige Maßnahme. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Partikel auf den Grund eines Behälters zu bringen und den Behälter so lange zu schütteln, bis die Partikel in einer einzigen Schicht dicht gepackt sind. Irgendwelche überschüssigen Partikel können entweder abgeschliffen werden oder die Schicht kann einer Bindung unterworfen werden und der Überschuß wird später entfernt.

Eine idealisierte Form einer dichten Packung ist in Fig. 1 dargestellt. Offensichtlich wird jedoch diese idealisierte Bedingung im praktischen Fall abgerundeten Diamantengriesses selten erreicht, da die Partikel selten ideale Sphären dar-

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stellen und selten genau den gleichen Durchmesser aufweisen.

Nachdem die Partikel fest und eng gepackt sind, müssen diese miteinander verbunden werden und möglicherweise auch noch auf ein Substrat aufgebracht werden. Aus der Vielzahl mögliche.r Verfahren sind zwei erfolgreich angewendet worden.

In dem einen Fall wurde eine Bronze, die aus 80 % Kupfer und 20 % Zink bestand, pulverisiert. Das Pulver wurde auf die eng gepackte Reihe der Partikel in dem Behälter gesiebt und das Ganze leicht geschüttelt. Nachdem sämtliche Partikel bedeckt waren, wurde ein Kolben auf die Oberseite des Ganzen gespresst und die Anordnung erhitzt, um die Bronze zu schmelzen. Der Behälter diente auf diese Weise als Gußform. Die Temperatur betrag750° C und es wurde nur leichter Druck angewendet.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wurden die Diamanten in einem Behälter mit einem elektrisch leitendem Boden geschüttelt und die überschüssigen Diamanten nicht entfernt. Es wurde dann ein Elektrolyt eingegossen. Der Boden bzw. Basisteil bildete sich als Kathode aus, eine Anode wurde oben eingeführt. Es erfolgte ein Plattierungsvorgang und nachdem man annehmen konnte, dass die untere Schicht fest an ihrer Stelle gebunden war, wurden die überschüssigen Diamanten entfernt.

Die Plattierungslösung war Nickelsulphat und Nickelsulphamat. Die Lösung enthielt weiterhin Borsäure und ein Benetzungsund Schutzmittel. Die Temperatur des Bades wurde zwischen 60° und 70°C und der pH-Wert zwischen 3,5 und 3,9 gehalten. Für das anfängliche Fixieren der Bodenschicht war ein Plattierungsvorgang von 18 Stunden Dauer bei 0,5 Ampere notwendig.

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Die abschliessende Plattierung wurde während weiterer 160 Stunden bei 2 Ampere durchgeführt.

In einem anderen Fall wurde die leitende Bodenschicht mit einem klebrigen Klebemittel bedeckt, es wurden Diamanten eingeschüttet und alle nicht an dem Boden anhaftenden Diamanten wurden wieder ausgekippt. Die Plattierung wurde dann mit der gleichen Lösung bei zwei Ampere durchgeführt, bis sämtliche Partikel bedeckt waren.

Fig. 2 kann entnommen werden, dass im idealisierten Fall die Partikel einander entlang einer gemeinsamen Ebene A-B berühren. Das bedeutet, dass ihre Äquatorebenen in einer gemeinsamen Ebene liegen. Der nächste Schritt bei dem Verfahren ist dann, alles Material oberhalb einer gewünschten Ebene zu entfernen. Diese gewünschte Ebene kann die Ebene A-B sein, es wird jedoch vorgezogen, dass diese geringfügig höher liegt, beispielsweise die Ebene C-D in Fig. 2. In diesem Fall kommt ein sogenannter "Eisbergeffekt" zur Auswirkung und die Partikel sind um ihre Äquatorebenen von dem Bindemittel umgeben und so fester und besser gegen ein Herausbrechen festgehalten.

Die Entfernung der Diamanten oberhalb der Ebene C-D wird durch einen SchleifVorgang bewirkt, dem ein Polieren auf sogenannten Scaifefolgt. Ein solcher Bearbeitungsvorgang ist äusserst wirksam und erzeugt ein Produkt mit einem guten Oberflächenfinish. Fig. 3 stellt als Zeichnung ein Mikrofoto von Diamanten der Größe 45/50 grit dar, welches entsprechend geschliffen und auf einer sog. Scaife poliert worden ist.

Wenn schnellere Ergebnisse gewünscht werden, kann zur Entfernung überschüssiger Diamanten das in dem britischen Patent 821,309 beschriebene Verfahren verwendet werden, Aufgrund

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Aufgrund der vollständigen und ausführlichen Beschreibung in dieser Patentschrift ist jedoch ein weiteres Eingehen in diesem Zusammenhang nicht notwendig. Weiterhin ist es nicht notwendig, die Diamanten mit Graphit zu behandeln, da sie in einer leitenden Matrix eingeschlossen sind. Selbstverständlich kann auch eine Kunststoffmatrix verwendet werden, dann sind jedoch Schleif- und Poliervorgänge zur Entfernung überschüssiger Diamanten notwendig«

In vielen Anwendungsfällen stellen harte Arbeitsflächen Lagerflächen dar, die zylindrisch sein müssen. Solche Flächen können unter Verwendung des in Fig. 4 dargestellten .— Apparates hergestellt werden. In diesem Fall weist eine von einer drehbaren, nicht dargestellten Welle getragene Scheibe 5 einenFlansch 6 auf, der als Basis bzw. Bodenteil dient; weiterhin ist ein Deckring 7 vorgesehen. Wenn sich die Welle mit einer vorbestimmten Umdrehungszahl dreht, werden Diamanten in den Raum zwischen dem Ring 7 und der Scheibe 5 eingeführt. Vorzugsweise wird dabei vorher die Basis 6 mit einem Klebemittel beschichtet. Die Drehung der Scheibe kann zur Vornahme der Bindung der Partikel oder aus sonstigen Gründen abgestoppt werden. Es ist jedoch auch möglich, die Drehbewegung der Scheibe weiter aufrechtzuerhalten, während die Partikel eingeführt werden und während des ersten Teils eines nachfolgenden Pia ierungsvorganges. In anderer Form ist es auch möglich, flüssigen Kunststoff während der Umdrehung einzuführen und diese solange aufrechtzuerhalten, bis der Kunststoff ausgehärtet ist.

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Wie in Fig. 4 dargestellt, wird auf diese Weise eine ringförmige einzige Schicht dicht gepackter Diamanten gebildet. Je nachdem nun der äussere oder innere Umfang die harte, einem Verschleiß ausgesetzte Arbeitsfläche sein soll, ist es mehr oder weniger schwierig, die überschüssigen Diamanten zu entfernen. Falls es sich bei dem inneren Umfang um die harte Arbeitsfläche handelt, können die Diamanten beschliffen werden, während sie sich auf dem Flansch 6 befinden. Ist jedoch der äussere Umfang die tragende harte Arbeitsfläche, dann muss der Ring von dem Flansch abgenommen und vor dem SchleifVorgang auf eine geeignete Welle montiert werden.

Es wird jedoch angenommen, dass vermutlich segmentartig ausgebildete Arbeitsflächen, die zueinander einen geeigneten Abstand einhalten, bevorzugt werden, da in diesem Falle weniger Diamanten verbraucht werden und die Segmente im allgemeinen auch leichter zu handhaben sind. Zur Herstellung von segmentartigen Arbeits- bzw. Lagerflächen werden Teilstücke in Richtung der Wellenachse in Fig. 5 auf die Basis 6 eingeführt. Dabei muss darauf.geachtet werden, dass genug Diamanten zwischen jedes Paar von Teilstücken eingeführt werden, um eine dichte Packung zu erreichen. Im Falle von Oberflächen, die gemäss der Konfiguration der Fig. 4 hergestellt werden, kann ebenfalls die Lehre gemäß der schon erwähnten britischen Patentschrift 851,309 in vorteilhafter Weise angewendet werden, falls metallische Matrix verwendet werden.

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Claims

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Patentansprüche

Harter, einer Verschleißwirkung unterworfener Arbeitskörper,, bestehend aus in einer Matrix aus Metall, Kunststoff oder einem anderen geeigneten Binder eingebetteten Schleifpartikeln_? dadurch gekennzeichnet, dass der Körper aus einer Reihe von dicht gepackten, ursprünglich runden, harten Schleifpartikeln zusammengesetzt ist, dass die Äquatorebenen der Partikel in einer im wesentlichen zu der harten Oberfläche parallelen Fläche liegen und dass die Spitzenbereiche der Partikel auf eine annähernd der Äquatorebene entsprechende Breite abgenommen sind.
2. Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifpartikel Diamanten sind.
3. Körper nach Anspruch !.oder 2, dadurch gekennzeichnete dass die Partikel bis auf eine solche Ebene weggeschnitten sind, dass ausreichend Matrixmaterial zur Bewirkung eines "Eisbergeffektes" verbleibt.
4. Körper nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfläche sich in einer flachen Ebene befindet,
5. Körper nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsfläche gekrümmt ist.
6. Verfahren zur Herstellung einer harten, einer Verschleißwirktmg unterworfenen Arbeitsfläche entsprechend dem Körper nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-5, wobei

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eine Reihe von Schleifpartikel in einem Bindemittel, wie Metall, Kunstharz oder ähnlichem eingebaut werden, dadurch gekennzeichnet, dass abgerundete Schleifpartikel verwendet v/erden, dass die Schleif partikel in einer dicht gepackten Stellung gehalten werden, wobei sich die Äquatorebenenin einer Ebene parallel zu der gewünschten firbeitsfläche befinden, dass sämtliches Material bis auf eine solche Breite jedes Partikels entfernt wird, dass ir.sn sich der Äquatorebene annähert, wobei diese Ebene der gewünschten Arbeitsfläche entspricht.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die gewünschte Arbeitsfläche ringförmig ausgebildet wird und die Partikel aufgrund der Einwirkung von Zentrifugalkräften dicht gepackt und zeitweilig in Position gehalten werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Bindung der einzelnen Partikel vorgenommen wird, während die Zentrifugalkräfte weiterwirken.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitzenteile der Partikel durch mechanische Schleifeinwirkung abgeschliffen werden.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet,, dass als Schleifpartikel Diamanten verwendet werden.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitzenbereiche der Diamanten mittels eines mechanischen SchleifVorganges abgeschliffen werden.

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12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet,

dass die Spitzenbereiche der Diamanten durch Funkenerosion entfernt werden.

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