DE2632865C2

DE2632865C2 -

Info

Publication number: DE2632865C2
Application number: DE2632865A
Authority: DE
Inventors: Minyoung Schenectady N.Y. Us Lee; Lawrence Edward Scotia N.Y. Us Szala; Louis Emerson Schenectady N.Y. Us Hibbs Jun.
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-07-28
Filing date: 1976-07-21
Publication date: 1988-01-14
Also published as: CH623555A5; JPS5222190A; IE42894L; IE42894B1; SE431535B; SE7608534L; FR2319462A1; FR2319462B1; IT1062482B; DE2632865A1; JPS5853988B2

Description

Die Erfindung betrifft Abrasivteilchen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Herstellverfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 6.

Aus der DE-OS 20 10 183 sind bereits Abrasivteilchen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung bekannt. Das bekannte Abrasivteilchen aus Diamant besitzt einen Überzug, der sich in Form einer dünnen zusammenhängenden Schicht mit im wesentlichen gleichförmiger Dicke über die gesamte Oberfläche des Abrasivteilchens erstreckt. Bei dem aus der DE-OS 20 10 183 bekannten Herstellungsverfahren werden die Diamantteilchen und die zur Erzeugung des Überzuges verwendeten Pulverteilchen in einem mechanischen Trommeltrockner so lange vermischt, bis jedes Abrasivteilchen auf seiner gesamten Oberfläche eine anhaftende Schicht des Pulvers ausweist. Beim anschließenden Brennvorgang wird dann die Pulverschicht zu einer dünnen zusammenhängenden Schicht reduziert. Der auf die Abrasivteilchen aufgebrachte Überzug soll die Haftung der Abrasivteilchen in einer Matrix oder Einbettungsmasse verbessern. Die Matrix oder Einbettungsmasse kann aus Metall, Kunststoff oder Keramik bestehen.

Bekannt sind weiterhin eine Reihe von Verfahren zum Modifizieren der Oberfläche von Diamantteilchen, damit diese in der Matrix eines Werkzeuges besser haften. Beispielsweise wurden auf Diamant bereits gut haftende Filme aus Molybdän oder Chrom durch Kathodenzerstäubung oder Aufdampfen und anschließender Wärmebehandlung zur Bildung von Metallkarbiden aufgebracht. Auf Diamant wurden auch bereits Molybdänfilme durch chemische oder galvanische Verfahren aufgebracht. Die bisher bekannten Verfahren konnten sich jedoch nicht durchsetzen, da sie kostspielig sind und sich nicht zum Überziehen von größeren Mengen eignen. Darüber hinaus liefern die bekannten Verfahren Metallüberzüge von nur geringer Dicke und die Oberfläche der Überzüge ist normalerweise sehr glatt. Bei in Harzbindemittelsystemen zum Einsatz gelangenden Abrasivteilchen sind rauhe Überzüge zur Erzielung einer mechanischen Bindung mit dem Harz erwünscht, weil nicht viel chemische Bindung zu erwarten ist. Weiterhin ist ein schwerer Überzug mit merklicher Wärmekapazität erwünscht, damit der Überzug als Wärmesenke dienen kann und eine Verringerung der Temperatur an der Grenzfläche mit dem Harz und damit eine Verzögerung der thermischen Zersetzung des Harzes bewirken kann. Ein fest auf dem Abrasivteilchen verankerter Dickeüberzug kann auch die Druckfähigkeit des Teilchens verbessern, sofern die Wärmeausdehnung des Überzuges mit der des Teilchens möglichst soweit übereinstimmt, daß hohe Spannungen an der Grenzfläche zwischen Überzug und Teilchen vermieden werden.

Wegen der Schwierigkeiten beim Aufbringen von gut haftenden Überzügen auf Diamantteilchen, die als Schleifkorn eingesetzt werden, verwendet man gegenwärtig als Kompromiß dicke Überzüge aus Metallen, die leicht entweder durch chemische oder galvanische Verfahren aufgebracht werden können. Am meisten gebräuchlich sind Überzüge aus Nickel oder Nickel-Phosphor oder Kupfer. Derartige Überzüge weisen eine für die erforderliche Wärmeaufnahme ausreichende Wärmekapazität auf und können auch durch entsprechend sorgfältige Steuerung der Abscheidungsbedingungen so rauh gemacht werden, daß eine gute mechanische Bindung mit der Harzmatrix gewährleistet wird. Nachteilig ist jedoch, daß zwischen der Oberfläche der Diamantteilchen und diesen Metallüberzügen keine Bindung vorliegt. Weiterhin können diese Metallüberzüge nicht bei aus Metall oder Keramik bestehenden Bindesystemen eingesetzt werden, da die Wärmeausdehnung dieser Überzüge im Vergleich zu Diamant hoch ist, die Überzüge verhältnismäßig geringe Schmelzpunkte aufweisen und weiterhin ein Überzug aus Ni-P metallurgisch instabil ist.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung von Abrasivteilchen gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, die in den üblichen Einbettungsmassen besser haften.

Gelöst wird diese Aufgabe durch Abrasivteilchen mit den im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Die Abrasivteilchen nach der Erfindung haften aufgrund des rauhen und körnigen Überzuges hervorragend in den üblichen Einbettungsmassen.

Bevorzugte Ausgestaltungsmerkmale der Abrasivteilchen sind in den Unteransprüchen beansprucht.

Das Verfahren zum Herstellen von Abrasivteilchen nach der Erfindung ist durch die im Kennzeichen des Anspruches 6 angegebenen Verfahrensmerkmale gekennzeichnet. Durch die beim Verfahren nach der Erfindung verwendeten Mahlkörper wird das Pulver nicht gleichmäßig in Form einer zusammenhängenden dünnen Schicht auf die Abrasivteilchen aufgebracht, sondern vielmehr in einer schuppenartigen Form, so daß der nach dem Brennen auf den Abrasivteilchen vorhandene Belag die vorteilhafte körnige und rauhe Struktur aufweist.

Die beim Vermahlen verwendeten Mahlkugeln bestehen aus einem nichtmetallischen und nichtkeramischen Material, insbesondere aus einem Kunststoff oder Elastomer. Geeignete Kunststoffmahlkugeln bestehen beispielsweise aus Polyäthylen, Polypropylen und Polystyrol. Geeignete Elastomermahlkugeln können aus natürlichem oder syntetischem Gummi bestehen. Die Mahlkugeln sollten ausreichend nachgiebig sein, damit die Substratteilchen während des Mahlvorganges nicht in die Kugeln eindringen können und dort verbleiben oder die Kugeln zerquetscht werden und dadurch das mechanische Aufschmieren der Metallverbindung auf die Substratteilchen beeinträchtigt wird. Auch sollte die Elastizität der Kugeln so hoch sein, daß die Substratteilchen nicht zerquetscht oder beschädigt werden.

Die Mahlkugeln können jede zum mechanischen Aufschmieren der Metallverbindung auf die Oberfläche der Substratteilchen geeignete Form aufweisen. Zur Erzielung optimaler Ergebnisse sollte jedoch die Oberfläche der Kugeln rund sein. Anstelle von Mahlkugeln können beispielsweise auch zylindrische Mahlkörper verwendet werden, obwohl Mahlkugeln bevorzugt werden. Die Mahlkugeln bzw. Mahlkörper sollten einen Durchmesser von 1,5 bis 6,35 mm aufweisen. Mahlkörper mit einem Durchmesser von merklich über 6,35 mm sind ungeeignet, da dann die Anzahl der Kugeln pro Volumeneinheit zu gering wird und dadurch eine ausreichende Schmierwirkung nicht mehr gewährleistet ist. Mahlkugeln mit einem Durchmesser von unter 1,5 mm lassen sich nur sehr schwer von den Substratteilchen trennen. Werden anstelle von Mahlkugeln zylindrische Mahlkörper verwendet, dann sollte deren Länge nicht größer als der doppelte Durchmesser und nicht kleiner als der halbe Durchmesser sein.

Die Metallverbindung wird in Form eines teilchenförmigen Feststoffes eingesetzt, dessen Teilchengröße in einem Bereich liegen kann, der von einem µm bis zur Größe der zu überziehenden Substratteilchen reicht. Sind die Teilchen der Metallverbindung größer als die Substratteilchen, dann reicht die Oberfläche nicht zur Erzielung einer ausreichenden Schmierwirkung aus. Es können jedoch Teilchen der Metallverbindung eingesetzt werden, die größer sind als die Substratteilchen, falls die Teilchen der Metallverbindung beim Vermahlen zerquetscht werden. Vorzugsweise beträgt die Teilchengröße der Metallverbindung ungefähr ¹/₁₀ der Größe der Substratteilchen.

Die Metallverbindung läßt sich bei Atmosphärendruck unter einer Temperatur im Bereich von ungefähr 800 bis 1400°C im wesentlichen vollständig zu Metall und einem gasförmigen Zersetzungsprodukt bzw. gasförmigen Zersetzungsprodukten zersetzen oder reduzieren. Auch weist die Metallverbindung ein schichtförmiges Gittergefüge mit geringer Scherfestigkeit zwischen den Gitterschichten auf, so daß von den Metallverbindungsteilchen beim Vermahlen Schichten mechanisch abgerieben werden können. Als Metallverbindung für das Verfahren nach der Erfindung sind beispielsweise Molybdänsulfid (MoS₂), Wolframsulfid (WS₂), Titansulfid (TiS₂), Niobsulfid (NbS₂), Tantalsulfid (TaS₂), Chromchlorid (CrCl₃) und Zirkoniumsulfid (ZrS₂) geeignet.

Als Substratteilchen können natürliche und synthetische Diamantteilchen verwendet werden. Die Größe der Diamantteilchen reicht von ungefähr 10 bis ungefähr 2000 µm.

Die Größe der beim Verfahren der Erfindung eingesetzten CBN-Teilchen reicht von ungefähr 10 bis ungefähr 500 µm.

Bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird das Vermahlen in einem Behälter durchgeführt, der aus einem nichtmetallischen, nichtkeramischen Material besteht, durch das die Substratteilchen nicht zerkleinert werden. Der Mahlbehälter besteht insbesondere aus Kunststoff, beispielsweise Polyäthylen oder einem Elastomer, beispielsweise aus Naturgummi oder synthetischem Gummi. Die Menge der in den Mahlbehälter gefüllten Mahlkugeln, der Anteil der Substratteilchen und der Anteil der Metallverbindung läßt sich empirisch bestimmen und hängt stark von der Größe der Mahlkugeln und der Teilchen ab sowie vom Ausmaß des auf die Substratteilchen aufzubringenden Metallverbindungsbelages. Der Metallverbindungsbelag auf dem Substratteilchen schwankt im allgemeinen von ungefähr 2 bis ungefähr 20% des Gewichtes des Substratteilchens. Zur Erzielung optimaler Ergebnisse wird der Mahlbehälter ungefähr zu zwei Dritteln mit Mahlkörpern gefüllt, worauf die Substratteilchen und die Metallverbindungsteilchen in den Behälter gegeben werden. Der Mahlvorgang kann in herkömmlicher Weise ausgeführt werden. Insbesondere kann der Mahlbehälter in einer herkömmlichen Mahlanlage umgewälzt werden, vorzugsweise mit mäßiger Geschwindigkeit zur Vermeidung von Zersplitterung der Substratteilchen. Wenn auf der Oberfläche des Substratteilchens die gewünschte Menge der Metallverbindung aufgebracht ist, können die überzogenen Substratteilchen mit Hilfe geeigneter Siebe von den Mahlkörpern sowie von überschüssigem Metallverbindungspulver abgetrennt werden.

Bei einer bevorzugten, gute Kontrolle des Endproduktes ermöglichenden Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung werden die Mahlkörper und die Metallverbindungsteilchen in den Mahlbehälter gegeben und dort solange vermahlen, bis auf den Mahlkörpern ein aus der Metallverbindung bestehender Überzug vorhanden ist. Überschüssiges Metallverbindungspulver wird dann in herkömmlicher Weise, beispielsweise unter Verwendung eines Siebes, von den mit der Metallverbindung überzogenen Mahlkörpern abgetrennt. Die mit der Metallverbindung überzogenen Mahlkörper werden dann mit den Substratteilchen in das Mahlgefäß gegeben und dort vermahlen, wobei der auf den Mahlkörpern vorhandene Metallverbindungsbelag mechanisch auf die Substratteilchen geschmiert wird. Auf diese Weise erreicht man eine bessere Kontrolle des Metallverbindungsbelages auf den Substratteilchen. Weiterhin läßt sich die Abtrennung der mit der Metallverbindung überzogenen Substratteilchen von den Mahlkörpern leichter in herkömmlicher Weise durchführen, beispielsweise unter Verwendung geeigneter Drahtsiebe.

Ein nach einer der verschiedenen Ausführungsformen des Verfahrens nach der Erfindung hergestelltes überzogenes Substratteilchen, d. h. ein Abrasivteilchen, enthält eine an der Oberfläche des Substratteilchens chemisch gebundene Metall-Teilchenmaterialverbindung bzw. Verbindungen, die beim Brennen durch Feststoffdiffusion zwischen den Atomen des Substratteilchenmaterials und den Metallatomen der vorher aufgebrachten Metallverbindung gebildet wird bzw. gebildet werden. Bei Verwendung von Diamant besteht das Abrasivteilchen im wesentlichen aus einem Diamantteilchen mit einem darauf haftenden Belag, der eine Oberflächenschicht und eine diese an die Diamantoberfläche chemisch bindende Zwischenschicht aufweist. Die Zusammensetzung der Oberflächenschicht schwankt von Metall bis zu einem Karbid dieses Metalls und umfaßt alle möglichen Mischungsverhältnisse zwischen dem Metall und dem Metallkarbid. Die die Oberflächenschicht an die Diamantoberfläche chemisch bindende Zwischenschicht besteht aus Metallkarbid. Bei Verwendung von CBN besteht das Abrasivteilchen im wesentlichen aus einem CBN-Teilchen mit einem darauf haftenden Belag, der eine Oberflächenschicht und eine diese chemisch an die Oberfläche des CBN-Teilchens bindende Zwischenschicht aufweist. Die Zusammensetzung der Oberflächenschicht reicht von Metall bis zu einem Borid und/oder Nitrid desselben Metalls und umfaßt innerhalb dieses Bereiches alle möglichen Mischungsverhältnisse zwischen Metall und Metallborid und/oder Metallnitrid. Die Zwischenschicht besteht aus Metallborid und/oder Metallnitrid, das die Oberflächenschicht chemisch an die Oberfläche des CBN-Teilchens bindet.

Die Erfindung wird nun näher anhand von Zeichnungen erläutert, in denen zeigt

Fig. 1 eine Mikroskopaufnahme (1000fache Vergrößerung) von mit Wolframmetall überzogenen Diamanten, die durch Brennen von mit WS₂ überzogenen Diamanten in Wasserstoff bei 800°C hergestellt wurden,

Fig. 2 eine Mikroskopaufnahme (1000fache Vergrößerung) von mit Molybdänmetall überzogenen Diamanten, die durch Brennen von mit MoO₃ überzogenen Diamanten in Wasserstoff bei 800°C hergestellt wurden,

Fig. 3 eine Mikroskopaufnahme (20 000fache Vergrößerung) der Oberfläche eines Diamantteilchens, das durch Brennen eines mit Molybdänsulfid beschichteten Diamantteilchens in Wasserstoff bei 1200°C hergestellt worden ist,

Fig. 4 eine Mikroskopaufnahme (200fache Vergrößerung) von typischen unbeschichteten CBN-Kristallen,

Fig. 5 eine Mikroskopaufnahme (Vergrößerung 100fach) von CBN- Kristallen, die mit Wolframsulfid überzogen sind, und

Fig. 6 eine Mikroskopaufnahme (100fache Vergrößerung) von mit Wolfram überzogenen CBN-Kristallen, die durch Brennen der in Fig. 5 dargestellten Kristalle hergestellt sind.

Der auf den Abrasivteilchen nach der Erfindung vorhandene Belag ist rauh und körnig (granular). Die Struktur des Belages kann von ungleichförmig bis im wesentlichen gleichförmig und von diskontinuierlich bis kontinuierlich schwanken. Je kontinuierlicher der Belag ist, desto größer ist der Kontakt mit der Oberfläche des Substratteilchens und desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, daß der Belag sich vom Substratteilchen ablöst. Je gleichmäßiger die körnige Struktur des Gefüges ist, desto geringer ist auch die Wahrscheinlichkeit, daß der Belag von der Substratteilchenoberfläche abgetragen wird. Im Gegensatz zu runden Körnern weisen die den erfindungsgemäßen Belag bildenden Körner eine flockenartige, platte oder flächige Form auf, wobei die chemische Bindung gewöhnlich an den ebenen Oberflächenbereichen der Körner auftritt. Der erfindungsgemäße Belag bedeckt mindestens 50% bis ungefähr 100% der Oberfläche des Substratteilchens.

Die Dicke des auf dem Substratteilchen vorhandenen Belages, d. h. der Oberflächenschicht und der Zwischenschicht aus Metall-Teilchenmaterial- Verbindung(en), kann schwanken und liegt im allgemeinen im Bereich von ungefähr 1 bis 100 µm. Die aus Metall- Teilchenmaterial-Verbindung(en) bestehende Zwischenschicht kann so klein wie 0,2 nm sein und durch mikroskopische Durchleuchtungsverfahren festgestellt werden. Zwischenschichten mit einer Dicke von 0,3 nm und darüber können durch Röntgenstrahlenbeugungsanalyse nachgewiesen werden.

Beim Verfahren nach der Erfindung liegt die Brenntemperatur im Bereich von ungefähr 800 bis ungefähr 1400°C und die Brenndauer wird so bemessen, daß der aus der Metallverbindung bestehende Überzug unter Bildung eines Belags aus Metall und/oder Metall-Teilchenmaterial- Verbindung(en) vollständig zersetzt oder reduziert wird. Merklich über ungefähr 1400°C liegende Brenntemperaturen sind ungeeignet, da im Falle von Diamant Graphitisierung der Oberfläche der Diamantteilchen und im Falle von CBN eine Rückumwandlung der Oberfläche der CBN-Teilchen in hexagonales Bornitrid auftreten kann, was ungünstig im Hinblick auf das Schleifverhalten und für eine Bindung in metallischen oder keramischen Bindesystemen ist.

Die angewendete Brenntemperatur hängt im wesentlichen von der speziell verwendeten Metallverbindung, der Brennatmosphäre und vom gewünschten Teilchentyp (mit einem Überzug versehen oder angeätzt) ab. Bei Brenntemperaturen von ungefähr 800 bis 900°C entsteht im wesentlichen ein Substratteilchen, dessen Belag aus einer Außenschicht aus Metall und einer zwischen der Metallschicht und dem Substratteilchen liegenden Zwischenschicht aus Metall-Teilchenmaterial-Verbindung(en) besteht. Bei Temperaturen über 900°C besteht die Außenschicht aus Metall und Metall-Teilchenmaterial-Verbindung(en), wobei der Metallanteil in der Außenschicht mit zunehmender Brenntemperatur zunimmt und die Außenschicht schließlich vollständig aus Metall- Teilchenmaterial-Verbindung(en) besteht.

Gewünschtenfalls kann die Gleichmäßigkeit und Kontinuität des Belages bei verhältnismäßig niedrigen Brenntemperaturen im Bereich von 800 bis ungefähr 1000°C wesentlich verbessert werden, indem man die mit der Metallverbindung überzogenen Substratteilchen zunächst in Luft bei einer Temperatur im Bereich von ungefähr 400 bis 700°C erwärmt, um die Metallverbindung in Metalloxyd umzuwandeln, und dann die einen Oxydüberzug aufweisenden Teilchen in einer reduzierenden Atmosphäre brennt, wobei das Oxyd reduziert und der erfindungsgemäße Belag gebildet wird. Der resultierende Belag besteht gewöhnlich aus im wesentlichen netz- oder federartig miteinander verbundenen Bereichen und der netzartige Belag haftet ausgezeichnet auf der Oberfläche des Substratteilchens.

Mit dem Verfahren nach der Erfindung kann auch die Oberfläche der Substratteilchen in neuartiger Weise angeätzt werden. Bei Brenntemperaturen im Bereich von ungefähr 1100 bis 1400°C tritt merkliche Diffusion von Metall-Teilchenmaterial-Verbindung(en) oder Metall und Metall-Teilchenmaterial-Verbindung(en) an der Oberfläche des Substratteilchens zusammen mit zahlreichen lokalen Diffusionsreaktionen auf, die durch Metallatome hervorgerufen werden, die in die Substratteilchenoberfläche eindringen, d. h. diese anätzen, wobei in der Substratteilchenoberfläche Spuren von Metall-Teilchenmaterial-Verbindung(en) gebildet werden und dadurch eine Veränderung der Oberflächenkontour des Substratteilchens erzielt wird. Das resultierende Abrasivteilchen weist einen ausgezeichnet haftenden, merklich kontinuierlichen Belag aus Metall-Teilchenmaterial-Verbindung(en) auf. Falls jedoch auf das Substratteilchen zunächst ein verhältnismäßig dicker Metallverbindungsüberzug aufgebracht wird, kann die Außenschicht des auf dem gebrannten Teilchen vorhandenen Belages einen geringen Metallanteil aufweisen und daher im wesentlichen aus einem geringen Anteil an Metall und einem größeren Anteil an Metall-Teilchenmaterial-Verbindung(en) bestehen. Mindestens ungefähr 50% des Belages weist eine im wesentlichen gleichmäßige feine granulare Form auf, d. h. ist feiner und gleichmäßiger als ein bei Brenntemperaturen unter 1100°C gebildeter Belag. Der Belag enthält eine Vielzahl von Furchen, die gewöhnlich im wesentlichen gleichmäßig verteilt sind und weitgehend parallel zueinander verlaufen. Diese Furchen deuten auf eine Bindung des Belages durch die unterhalb der Substratteilchenoberfläche verlaufenden Spuren aus Metall-Teilchenmaterial-Verbindung(en) hin. Da der Belag sowohl auf der Oberfläche als auch unter der Oberfläche des Substratteilchens gebunden ist, kann ein merklicher Teil des Belages vom Substratteilchen nicht weggebrochen werden, ohne daß ein merklicher Anteil des Substratteilchens ebenfalls weggebrochen wird. Die die Oberfläche der Substratteilchen durchsetzenden Spuren aus Metall-Teilchenmaterial-Verbindung(en) lassen sich durch Röntgenstrahlenbeugungsanalyse und durch Mikroanalyse feststellen.

Beim Verfahren nach der Erfindung wird das Brennen in einer reduzierenden Atmosphäre, beispielsweise Wasserstoff, oder in einer inerten (neutralen) Atmosphäre, beispielsweise Argon oder unter Vakuum, durchgeführt, wobei die Brennatmosphäre in jedem Falle keine schädlichen Einflüsse auf den Metallverbindungsüberzug, das Substratteilchen oder den resultierenden Belag aus Metall und Metall-Teilchenmaterial- Verbindung(en) haben sollte. Im allgemeinen verwendet man eine reduzierende Atmosphäre wie Wasserstoff, die eine Reduktion oder Reaktion der Metallverbindung unter Bildung eines haftenden Belages aus Metall und/oder Metall-Teilchenmaterial-Verbindung(en) bewirkt.

Der Brennvorgang kann in verschiedener Weise durchgeführt werden. Beispielsweise kann das Brennen nach einem diskontinuierlichen oder kontinuierlichen Verfahren durchgeführt werden. Das kontinuierliche Brennen kann unter Verwendung einer Wirbelschicht oder eines Transportbandes in irgendeinem geeigneten Ofen durchgeführt werden, wobei je nach der angewendeten maximalen Temperatur keramische Brenntiegel aus Quarz oder Aluminiumoxyd eingesetzt werden. Beim Verfahren nach der Erfindung tritt keine merkliche Sinterung der gebrannten Diamantteilchen auf und die resultierenden gebrannten Abrasivteilchen lassen sich leicht zu einem fließfähigen Pulver zerquetschen. Der beim Verfahren nach der Erfindung automatisch entstehende sehr rauhe Belag läßt sich sowohl hinsichtlich Rauhigkeit als auch hinsichtlich Dicke durch entsprechende Einstellung der Mahlparameter und durch entsprechende Bemessung der Ausgangsstoffe verändern. Beispielsweise erhält man auf den Diamantteilchen dickere Metallverbindungsüberzüge und damit dickere gebrannte Beläge aus Metall und/oder Metallkarbid, wenn das Vermahlen über längere Zeiträume durchgeführt wird und größere Mengen an Ausgangsmaterial geringerer Größe und kleinere Mahlkörper eingesetzt werden. Man erhält auch sehr rauhe Beläge aus Metall und/oder Metall-Teilchenmaterial-Verbindung(en), wenn man die Substratteilchen mit einem aus großen und kleinen Teilchen der Metallverbindung bestehenden Gemisch vermahlt, wobei ein Überzug schwankender Dicke auf das Substratteilchen aufgeschmiert wird, so daß nach dem Brennen ein entsprechend rauher Belag vorliegt. Das Verfahren nach der Erfindung kann in verhältnismäßig einfach aufgebauten Anlagen durchgeführt werden, ohne daß aufwendige Steuer- und Regeleinrichtungen dazu erforderlich sind.

Die mit einem Belag versehenen Substratteilchen, d. h. die Abrasivteilchen nach der Erfindung können in allen Arten von Schneid- und Schleifwerkzeugen eingesetzt werden, beispielsweise in harzgebundenen oder metallgebundenen Schleifwerkzeugen und Sägewerkzeugen.

Die Erfindung wird nun näher anhand von Ausführungsbeispielen erläutert, in denen, falls nicht anders angegeben, die nachfolgenden Bedingungen eingehalten wurden:

Die in jedem Beispiel verwendeten Mahlkugeln waren so elastisch, daß sie beim Vermahlen nicht durch Diamantteilchen beschädigt und durch eindringende Diamantteilchen in einzelne Stücke zerschnitten wurden.

Das Vermahlen wurde bei Raumtemperatur in trockener Luft in einer üblichen Labormahleinrichtung durchgeführt.

Das Brennen wurde in einem keramischen Rohrofen durchgeführt.

Beispiel 1

Eine saubere Polyäthylenflasche mit einer Höhe von ungefähr 60 mm und einem Innendurchmesser von ungefähr 22 mm wurde zu zwei Drittel voll mit aus Polytetrafluoräthylen bestehenden Kugeln gefüllt. Die Kugeln hatten einen Durchmesser von 6,35 mm und einen Durchmesser von 3,175 mm. Die Anzahl der Kugeln mit geringerem Durchmesser war doppelt so groß als die Zahl der Kugeln mit größerem Durchmesser. In die Flasche wurden auch 3 g pulverförmiges Molybdänsulfid (MoS₂) mit einer Teilchengröße von unter 40 µm gegeben. Die Flasche wurde dann verschlossen und in einer Labormahleinrichtung 24 Stunden lang mit einer Drehzahl von 60 Umdrehungen pro Minute umgewälzt. Eine Überprüfung des Flascheninhalts ergab, daß die Kugeln gleichmäßig mit ungefähr 0,73 g MoS₂ überzogen waren und der Rest an MoS₂ an der Innenwand der Flasche haftete. In eine saubere andere entsprechende Flasche wurden die überzogenen Kugeln zusammen mit 2 g synthetischen Diamantteilchen des Typs MBG (= für metallgebundene Schleifwerkzeuge) mit einer Teilchengröße von ungefähr 125 bis 149 µm sowie zusammen mit zusätzlich 0,12 g MoS₂-Pulver mit einer Teilchengröße von unter 40 µm gegeben. Die Flasche wurde dann 24 Stunden lang auf der Labormahleinrichtung mit 60 Umdrehungen pro Minute umgewälzt. Die mit MoS₂ überzogenen Diamantteilchen wurden dann von den Kugeln durch geeignete Drahtsiebe abgetrennt. Die überzogenen Diamantteilchen hatten ein Gewicht von 2,13 g, d. h. die als Überzug auf den Diamantteilchen befindliche MoS₂-Menge hatte ein Gewicht von 0,13 g. Ungefähr 80% der Oberfläche der Diamantteilchen war mit MoS₂ bedeckt.

Beispiel 2

Dieses Beispiel wurde in der gleichen Weise wie Beispiel 1 durchgeführt, wobei lediglich Kugeln mit einem einheitlichen Durchmesser von 3,175 mm verwendet wurden. Die resultierenden mit MoS₂ überzogenen Diamantteilchen hatten das gleiche Aussehen wie die nach Beispiel 1 hergestellten Diamantteilchen, wobei ebenfalls mindestens ungefähr 80% der Diamantteilchenoberfläche mit MoS₂ bedeckt war. Das Gewicht der auf den 2 g Diamantteilchen haftenden MoS₂-Menge war jedoch geringer und betrug 0,082 g.

Beispiel 3

Die bereits in Beispiel 1 zum Beschichten der Diamantteilchen verwendete Flasche sowie Kugeln wurden in diesem Beispiel zum Überziehen von 2 g Diamantteilchen der auch in Beispiel 1 verwendeten Art und Größe erneut verwendet, ohne daß zusätzliches MoS₂-Pulver zugesetzt wurde. Die Flasche wurde 40 Stunden lang mit 60 Umdrehungen pro Minute umgewälzt. Die Kugeln und die überzogenen Diamantteilchen wurden dann voneinander unter Verwendung geeigneter Drahtsiebe getrennt. Die mit MoS₂ beschichteten Diamantteilchen wiesen einen glatteren MoS₂-Belag auf als die nach Beispiel 1 hergestellten Diamantteilchen. Auch hier waren mindestens 80% der Oberfläche der Diamantteilchen mit MoS₂ bedeckt. Das Gewicht der auf den Diamantteilchen befindlichen MoS₂-Menge betrug 0,12 g.

Beispiel 4

Eine saubere Polyäthylenflasche der in Beispiel 1 verwendeten Art wurde zwei Drittel voll mit aus Weichgummi bestehenden Zylindern mit einer Länge von 3,175 mm und mit 1,5 g pulverförmigem MoS₂ mit einer Teilchengröße von unter 40 Mikrometer gefüllt. Die Flasche wurde dann verschlossen und 24 Stunden lang mit einer Drehzahl von 60 Umdrehungen pro Minute umgewälzt. Anschließend wurde festgestellt, daß das gesamte MoS₂-Pulver im wesentlichen die Weichgummizylinder bedeckte und kein merklicher Pulveranteil an der Innenwand der Flasche haftete.

Beispiel 5

Eine saubere Polyäthylenflasche der in Beispiel 1 verwendeten Art wurde zwei Drittel voll mit Polytetrafluoräthylen bestehenden Kugeln mit einem Durchmesser von 3,175 mm und mit 2,5 g pulverförmigem Wolframsulfid (WS₂) mit einer Teilchengröße von unter 40 Mikrometer gefüllt. Die Flasche wurde verschlossen und 24 Stunden lang mit 60 Umdrehungen pro Minute umgewälzt. Anschließend wurde festgestellt, daß im wesentlichen das gesamte WS₂-Pulver an die Kugeln geschmiert worden war und lediglich 0,18 g WS₂-Pulver an der Innenwand der Flasche haftete. 2 g Diamantteilchen des Typs MBG (= für metallgebundene Schleifwerkzeuge) mit einer Teilchengröße von ungefähr 125 bis 149 Mikrometer wurden dann in die Flasche gegeben, die dann weitere 48 Stunden lang mit 60 Umdrehungen pro Minute umgewälzt wurde. Die Diamantteilchen wiesen danach einen im wesentlichen glatten WS₂-Überzug auf, der mindestens 80% der Oberfläche der Diamantteilchen bedeckte.

Proben der entsprechend den Beispielen 1, 2, 3 und 5 mit einer Verbindung überzogenen Diamantteilchen wurden in der aus der Tabelle I ersichtlichen Weise bei verschiedenen Temperaturen gebrannt und die dabei gebildeten gebrannten Überzüge untersucht.

Tabelle I

Alle in Tabelle I angeführten Proben mit Ausnahme der Probe Nr. 5C fallen unter die Erfindung. Dabei zeigen insbesondere die erfindungsgemäßen Proben Nr. 1A, 1D, 3A, 3B, 5A und 5B, daß sich beim Brennen nur in H₂ die Zusammensetzung der Überzüge nicht merklich ändert. Fig. 1 zeigt die gemäß Probe Nr. 5B hergestellten Diamantteilchen mit Wolframmetallüberzug, der ein flockig-flächiges körniges Gefüge aufweist. Die Probe Nr. 1B-1 und 1B-2 zeigt, daß die Struktur des Mo-Überzuges bzw. Belages in Richtung der in Fig. 2 dargestellten Federstruktur modifiziert werden kann, indem der Überzug zunächst durch Brennen in Luft in MoO₃ übergeführt und anschließend in Wasserstoff reduziert wird. Proben Nr. 1C, 1E und 5D erläutern angeätzte Diamantteilchen nach der Erfindung. Wie die Proben Nr. 1C und 1E zeigen, erfolgt bei Reduktion des MoS₂-Überzuges in H₂ bei 1100°C oder 1200°C ein Anätzen der Diamantoberfläche sowie eine vollständige Umwandlung von Mo in Mo₂C. Fig. 3 zeigt den gebrannten Belag der Probe Nr. 1E. Es ist ersichtlich, daß der Belag ein feinkörniges, kontinuierliches Gefüge mit parallel verlaufenden Furchen aufweist, die im wesentlichen gleichmäßig über das Gefüge verteilt sind. Bei der Probe 5D bestand der gebrannte Belag aus Wolframmetall und W₂C.

Bei allen in Tabelle I angeführten Proben nach der Erfindung bedeckte der gebrannte Belag mindestens ungefähr 70 bis ungefähr 95% der Oberfläche der Diamantteilchen und die Dicke des gebrannten Belages reichte von ungefähr 1 bis 100 µm. Bei den Proben Nr. 1B-2, 5A und 5B konnte mit der Röntgenstrahlenbeugungsanalyse die Metallkarbidzwischenschicht nicht erfaßt werden. Diese Zwischenschicht könnte jedoch mit Durchstrahlungsmikroskopie erfaßt werden. Die Probe Nr. 5C zeigte keine Umwandlung, da die Brenntemperatur zu niedrig war.

Beispiel 6

Zur Bestimmung der Haftfestigkeit und der Abriebfestigkeit der gebrannten Überzüge wurden Teile der Proben Nr. 1A, 1C, 5A und 5D in kleine Glasampullen gegeben und kräftig 5 Minuten lang mit Hilfe einer zum Vermischen von Dentalamalgam dienenden Einrichtung geschüttelt. Eine mikroskopische Überprüfung der geschüttelten Teilchen zeigte, daß zwar Teile der Oberflächenschicht weggebrochen, der an die Diamantoberfläche gebundene Belag jedoch haften geblieben war.

Beispiel 7

Es wurden synthetische Diamantteilchen mit einer Teilchengröße von 105 bis 88 µm verwendet.

Ein Teil der Diamantteilchen wurde gemäß Beispiel 5 mit Wolframsulfid (WS₂) überzogen. Die mit einem Überzug aus WS₂ versehenen Diamantteilchen wurden bei 1100°C 1 Stunde lang in einer Wasserstoffatmosphäre gebrannt, wobei auf den Diamantteilchen ein aus Wolframkarbid (W₂C) bestehender Belag entstand.

Ein anderer Teil der Diamantteilchen wurde gemäß Beispiel 5 mit WS₂ überzogen. Die mit einem Überzug aus WS₂ versehenen Diamantteilchen wurden bei 1020°C 1 Stunde lang in einer Wasserstoffatmosphäre gebrannt, wobei auf den Diamantteilchen ein aus Wolfram bestehender Belag gebildet wurde.

Ein dritter Teil der Diamantteilchen wurde im unbeschichteten Zustand als Kontrolle verwendet.

Auf sämtliche Diamantteilchen wurde dann Nickel in einer Menge von 56 Gew.-% aufgebracht.

Aus den mit Nickel überzogenen Diamantteilchen wurden dann Schleifscheiben hergestellt, mit denen unter den nachfolgend angegebenen Bedingungen der nachstehend aufgeführte Werkstoff trocken abgeschliffen wurde:

Schleifbedingungen

Schleifscheibengeschwindigkeit25 m/min Tischgeschwindigkeit1,5 m/min Schleiftiefe0,064 mm Werkstoff: Woframkarbid-Kobalt-Hartmetall

Die Schleifergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle II angegeben.

Tabelle II

Ergebnisse bei einer Schleiftiefe von 0,064 mm

Schleifverhältnis W₂C-beschichtete Diamanten33,8 W-beschichtete Diamanten33,1 Kontrolle24,8

Ergebnisse bei einer Schleiftiefe von 0,076 mm

Schleifverhältnis W₂C-beschichtete Diamanten22,4 W-beschichtete Diamanten22,3 Kontrolle18,4

Das Schleifverhältnis ist das Verhältnis des vom Werkstück abgetragenen Materialvolumens zum Volumen des eingesetzten Schleifwerkzeuges. Je höher das Schleifverhältnis einer Schleifscheibe ist, desto besser sind die Schleifeigenschaften. Aus Tabelle II ist ersichtlich, daß überzogene Diamantteilchen nach der Erfindung verbesserte Schleifeigenschaften zeigen.

Beispiel 8

Eine saubere Polyäthylenflasche mit einer Höhe von 60 mm und einem Innendurchmesser von 22 mm wurde zwei Drittel voll mit aus Polytetrafluoräthylen bestehenden Kugeln mit einem Durchmesser von 3,175 mm und 1,239 g pulverförmigem Wolframsulfid (WS₂) mit einer Teilchengröße von unter 40 µm gefüllt. Die Flasche wurde verschlossen und in einer Labormahleinrichtung 3 Stunden lang mit 60 Umdrehungen pro Minute umgewälzt. Darauf wurde festgestellt, daß die Kugeln gleichmäßig mit ungefähr 0,892 g WS₂ überzogen waren, während der Rest des WS₂ an der Innenwandung der Flasche haftete. Die mit WS₂ überzogenen Kugeln wurden in einen andere saubere entsprechende Flasche zusammen mit 1,116 g CBN-Teilchen mit einer Teilchengröße von 125 bis 149 µm gegeben und in der Labormahleinrichtung 19 Stunden lang mit 60 Umdrehungen pro Minute umgewälzt. Darauf wurden die überzogenen CBN-Teilchen von den Kugeln unter Verwendung geeigneter Drahtsiebe abgetrennt. Die überzogenen CBN-Teilchen wogen 1,415 g, d. h. der auf den CBN-Teilchen haftende WS₂-Überzug hatte ein Gewicht von 0,299 g. Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, war die Oberfläche der CBN-Teilchen zu 100% mit WS₂ überzogen.

Beispiel 9

Die mit WS₂ überzogenen CBN-Teilchen nach Beispiel 8 wurden bei einer Temperatur von 1040°C in einer Wasserstoffatmosphäre 1 Stunde lang gebrannt. Die gebrannten Teilchen wiesen einen sehr gut haftenden, im wesentlichen kontinuierlichen, rauhen, körnigen Belag oder Überzug auf, wie in Fig. 6 dargestellt ist. Das körnige Gefüge des Belages besaß einen gleichmäßigen feinen flockigen Charakter. Die Röntgenstrahlenbeugungsanalyse der gebrannten überzogenen Teilchen ergab, daß der Belag oder Überzug auf den CBN-Teilchen aus Wolframmetall bestand. Die die Bindung des Belages mit den Teilchen vermittelnde Zwischenschicht aus Metallborid und/oder Metallnitrid könnte mit Hilfe von Durchstrahlungsmikroskopie nachgewiesen werden.

Beispiel 10

Nach Beispiel 9 hergestellte, mit Wolfram beschichtete CBN-Teilchen wurden zur Bestimmung der Haftfestigkeit und der Abriebfestigkeit des Wolframüberzuges oder Wolframbelages geprüft. Mit Wolfram überzogene CBN-Teilchen wurden in eine kleine Glasampulle gegeben und 5 Minuten lang kräftig mit Hilfe einer zum Mischen von Dentalmalgam dienenden Einrichtung geschüttelt. Nach dem Schütteln wurde unter dem Mikroskop festgestellt, daß einige CBN-Teilchen entlang Kristallebenen gespalten waren, der Wolframmetallüberzug jedoch haften blieb und kein merkliches Absplittern des Wolframmetallüberzuges oder Wolframmetallbelages von den Teilchen festzustellen war.

Beispiel 11

Eine saubere Polyäthylenflasche der in Beispiel 1 verwendeten Art wurde zwei Drittel voll mit aus Weichgummi bestehenden Zylindern mit einer Länge von 3,175 mm und mit 1,5 g pulverförmigem MoS₂ mit einer Teilchengröße von unter 40 µm gefüllt. Die Flasche wurde verschlossen und 24 Stunden lang mit 60 Umdrehungen pro Minute umgewälzt. Daraufhin wurde festgestellt, daß im wesentlichen das gesamte MoS₂ an den Weichgummizylindern haftete und keine merkliche Menge an MoS₂ an der Innenwandung der Flasche haftete.

Die erfindungsgemäß überzogenen CBN-Teilchen sind ein ausgezeichnetes Schneid- bzw. Schleifmittel. Der rauhe, körnige Belag auf den CBN-Teilchen ergibt ein merklich verbessertes Schleifverhalten und eine ausgezeichnete Haftung des Schleifkorns in den verschiedenartigen Bindesystemen, d. h. in harzartigen, keramischen und metallischen Bindesystemen. Aufgrund der verbesserten Haftung der Schleifteilchen in den verschiedenen Bindesystemen bzw. Einbettungsmassen ergibt sich auch eine verbesserte Standzeit bzw. Lebensdauer.

Claims

1. Abrasivteilchen, bestehend im wesentlichen aus einem Substratteilchen aus Diamant oder kubischem Bornitrid, das mit einem Überzug versehen ist, der aus einer Oberflächenschicht und aus einer zwischen dieser und dem Substratteilchen liegenden Zwischenschicht besteht und bei dem die Oberflächenschicht chemisch an das Substratteilchen gebunden ist und eine Zusammensetzung aufweist, die von Metall bis zu einer Verbindung dieses Metalls mit dem Material des Substratteilchens reicht und innerhalb dieses Bereiches alle Verhältnisse dieses Metalls zu dieser Metallverbindung umfaßt, und bei dem weiterhin die Zwischenschicht aus einer Verbindung dieses Metalls und des Materials des Substratteilchens besteht, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug rauh und körnig ist und wenigstens 50% bis zu 100% der Oberfläche des Substratteilchens bedeckt.

2. Abrasivteilchen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug weitgehend kontinuierlich ist, eine weitgehend gleichmäßige feinkörnige Struktur der Oberflächenschicht mit einer Vielzahl von darin verteilten, weitgehend parallel zueinander verlaufenden Furchen aufweist sowie an das Substratteilchen durch die Substratoberfläche durchdringende Spuren oder Bahnen aus einer Verbindung des Metalls und des Materials des Substratteilchens gebunden ist.

3. Abrasivteilchen nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall Molybdän, Wolfram, Titan, Niob, Tantal, Chrom, Zirkonium und/oder Legierungen dieser Metalle ist.

4. Abrasivteilchen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratteilchen aus Diamant besteht und die Verbindung aus Metall und dem Material des Substratteilchens Metallkarbid ist.

5. Abrasivteilchen nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Substratteilchen aus kubischem Bornitrid besteht und die Verbindung aus Metall und dem Material des Substratteilchens Metallborid und/oder Metallnitrid ist.

6. Verfahren zum Herstellen von Abrasivteilchen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem auf Teilchen aus Diamant und/oder kubischem Bornitrid, die im Falle von Diamant eine Teilchengröße von ungefähr 1 bis 2000 µm und im Falle von kubischem Bornitrid eine Teilchengröße von ungefähr 10 bis 500 µm aufweisen, Teilchen einer Metallverbindung aufgebracht werden, die beim Atmosphärendruck bei erhöhter Temperatur zu Metall und einem gasförmigen Zersetzungsprodukt zersetzbar und reduzierbar ist und bei dem dann die mit Teilchen der Metallverbindung beschichteten Substratteilchen in einer reduzierenden und neutralen Atmosphäre gebrannt werden, um die Metallverbindung zu zersetzen oder zu reduzieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratteilchen mit aus Kunststoff oder Elastomer bestehenden Mahlkörpern mit einem Durchmesser von ungefähr 1,5 bis 6,35 mn, die mit der Metallverbindung beschichtet sind, und ggf. mit Teilchen der Metallverbindung gemeinsam gemahlen werden, wobei diese Metallverbindung auf die Substratteilchen aufgeschmiert wird, und die mit der Metallverbindung versehenen Substratteilchen bei einer Temperatur von mindestens 800 bis 1400°C, bei welcher sich die Metallverbindung zersetzt, gebrannt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Brenntemperatur im Bereich von 1100 bis 1400°C angewendet wird, um die Substratteilchenoberfläche durchdringende Spuren oder Bahnen aus einer aus Metall und Substratteilchenmaterial bestehenden Verbindung zu erzeugen.

8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Metallverbindung versehenen Substratteilchen zunächst in Luft erhitzt und dann in reduzierender Atmosphäre gebrannt werden.

9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß als Metallverbindung Molybdänsulfid, Wolframsulfid, Titansulfid, Niobsulfid, Tantalsulfid, Chromchlorid, Zirkoniumsulfid und/oder Mischungen dieser Verbindungen verwendet wird.