DE3008765A1 - Pressling fuer schleifzwecke und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Pressling fuer schleifzwecke und verfahren zu seiner herstellung

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DE3008765A1
DE3008765A1 DE19803008765 DE3008765A DE3008765A1 DE 3008765 A1 DE3008765 A1 DE 3008765A1 DE 19803008765 DE19803008765 DE 19803008765 DE 3008765 A DE3008765 A DE 3008765A DE 3008765 A1 DE3008765 A1 DE 3008765A1
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
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Description

DIPL.-PHYS. C
DR.-ING. DIPL.-ING-M. RC. . . C. 1.5U-PKVS. O1V DIPL.-PHYS.
HÖGER - STELLRECHT-GRIESSgACH - HAECKER BOEHfV
PATENTANWÄLTE IN STUTTSART
A 44 043 jn Anmelder: De Beers Industrial Diamond
m - 168 Division (Proprietary) Ltd.
29. Febr. 1980 45 Main Street
Johannesburg/Transvaal
Südafrika
Beschreibung
Preßling für Schleifzwecke und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Preßling für Schleifzwecke, umfassend eine Masse aus Teilchen von kubischem Bornitrid und eine damit zu einem harten Konglomerat verbundene, zweite Phase, wobei der Gehalt des Preßlings an kubischem Bornitrid wenigstens 80 Gew.% beträgt. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Preßlings.
Preßlinge mit einem Gehalt an kubischem Bornitrid (im folgenden mit CBN abgekürzt) enthalten eine Masse von CBN-Teilchen, die zu einem harten Konglomerat zusammengebunden sind. Derartige Preßlinge weisen im allgemeinen auch noch eine zweite Bindungs-' oder Sekundärphase auf, wenn der CBN-Gehalt im allgemeinen wenigstens 70 Vol.% beträgt.
In der US-PS 3 743 489 ist ein Preßling aus kubischem Bornitrid beschrieben,welcher an einer gehärteten Karbidunterlage befestigt ist. Der Preßling enthält eine Masse aus Kristallen von kubischem Bornitrid und eine zweite, metallische Phase, welche ihrerseits Aluminiumatome sowie Atome wenigstens eines Legierungselernentes enthält, wobei das letztere Nickel, Kobalt, Mangan, Eisen, Vanadium und Chrom sein kann. Die Gesamtmenge an Aluminium und Legierungselement liegt dabei oberhalb 1 Gew.% bezogen auf das vorhandene CBN.
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A 44 043 m ....
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In der US-PS 3 944 39 8 ist ein Preßling aus kubischem Bornitrid beschrieben, in welchem die zweite oder Bindungsphase Aluminium oder eine Aluminiumlegierung und eine keramische Substanz, beispielsweise Siliziumnitrid enthält. Während der Herstellung des Preßlings erfolgt eine Wechselwirkung zwischen dem Aluminium oder der Aluminiumlegierung und der keramischen Substanz, so daß ein Hartmetall erzeugt wird.
In der US-PS 4 110 084 ist ein Verfahren zur Herstellung einer für Schleifzwecke geeigneten Zusammensetzung beschrieben, welche CBN-Kristalle, Aluminium oder Aluminiumlegierung und eine keramische Siliziumkarbid-Unterlage enthält. Die Zusammensetzung wird unter relativ milden Druckbedingungen hergestellt, die derart sind, daß ein gegenseitiges Verwachsen benachbarter CBN-Kristalle nicht möglich ist.
In der GB-PS 1 513 990 ist die Herstellung eines superharten Materials beschrieben, welches eine feste Lösung eines legierenden Zusatzes in dicht gepackter Anordnung mit Bornitrid enthält, wobei der legierende Zusatz wenigstens ein Element der dritten .. Gruppe des Periodensystems oder ein Borid eines solchen Elementes ist, das in der Lage ist, tetraedrische Bindungen auszubilden. Diese Zusammensetzung hat, in Atomprozent ausgedrückt, folgende Bestandteile:
Bor: 42 bis 61
Stickstoff: 39 bis 50
legierender Zusatz: von 0,04 bis 30 Verunreinigungen: von 0,01 bis 2
Dieses Material ist somit eine feste Lösung und keine Masse aus CBN-Teilchen mit einer zweiten oder Bindungsphase. Das Material
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wird dadurch hergestellt, daß man eine passende Mischung aus hexagonalem oder wurzite'-ähnlichem Bornitrid und dem Legierungszusatz Bedingungen erhöhter Temperatur und erhöhten Druckes unterwirft. Obwohl in der Patentschrift festgestellt ist, daß niedrige Temperaturen von etwa 15000C und niedrige Drücke von etwa 50 Kilobar ausreichen, um das gewünschte Hartmaterial zu erhalten, werden in sämtlichen Beispielen erheblich strengere Bedingungen angewandt. Die Tatsache, daß höhere Temperaturen und höhere Drücke erforderlich sind, ist aus der praktischen Erfahrung heraus nicht überraschend, da diese Bedingungen notwendig sind, um im wesentlichen alles hexagonale Bornitrid oder wurzit^- ähnliche Bornitrid in die kubische Form umzuwandeln.
Daalfeber hinaus kann das nach der Lehre der britischen Patentschrift hergestellte Hartmaterial dem Volumen nach nicht größer als wenige Kubikmillimeter sein, und zwar aufgrund der erforderlichen, sehr strengen Herstellungsbedingungen. Daher kann dieses Material zwar eine begrenzte Brauchbarkeit als partikelförmiges Schleifmaterial haben, es ist jedoch für einen Preßling zu Schleifzwecken ungeeignet. Preßlinge für Schleifzwecke sind große Körper mit Schleifwirkung, die zum Schleifan, Drehen, Schneiden und zur Durchführung anderer abreibender oder spanabhebender Arbeitsvorgänge eingesetzt werden.
Gemäß der Erfindung wird ein für Schleifzwecke geeigneter Preßling vorgeschlagen, der eine Masse aus Teilchen von kubischem Bornitrid und eine zweite Phase enthält, die mit dem Bornitrid zu einem harten, kompakten Konglomerat verbunden ist. Benachbarte Teilchen aus kubischem Bornitrid sind sämtlich miteinander verbunden und bilden eine zusammengewachsene Masse. Der Gehalt des Preßlings an kubischem Bornitrid beträgt wenigstens 80 Gew.%. Die zweite Phase besteht im wesentlichen aus Aluminiumnitrid und/
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oder -diborid.
Durch die erfindungsgemäße Lehre wird die Aufgabe gelöst, einen gattungsgemäßen Preßling für Schleifzwecke mit erheblich besserem Schleifverhalten zu schaffen.
Die zweite Phase - häufig auch Bindungsmatrix genannt - besteht im wesentlichen aus Aluminiumnitrid und/oder Aluminiumdiborid. Dies heißt/ daß abgesehen von Aluminiumnitrid und/oder Aluminiumdiborid, wobei es sich um Reaktionsprodukte zwischen Aluminium und CBN handelt, im wesentlichen keine weiteren Elemente anwesend sind. Sollten andere Elemente vorhanden sein, so liegen diese höchstens in Form von Spuren vor.
Der CBN-Gehalt des Preßlings liegt vorzugsweise im Bereich zwischen 85 und 95 Gew.%.
Weiterhin wird gemäß der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines für Schleifzwecke geeigneten Preßlings mit einem Gehalt an kubischem Bornitrid vorgeschlagen, bei dem folgende Verfahrensschritte ausgeführt werden: man bringt zur Ausbildung einer Reaktionsmenge eine Masse von Teilchen aus kubischem Bornitrid in Berührung mit einer Masse aus Aluminium; man bringt die Reaktionsmenge in eine Reaktionszone und erhöht dort den Druck auf 50 bis 65 Kilobar und die Temperatur auf 1400 - 1500°C; man hält diesen hohen Druck und diese hohe Temperatur so lange aufrecht, bis sich aus der Reaktionsmenge ein kompakter Preßling für Schleifzwecke bildet, und entnimmt diesen schließlich der Reaktionszone.
Die Reaktionszone befindet sich in an sich bekannter Weise in einem üblichen Hochtemperatur/Hochdruck-Apparat. Normalerweise
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wird die Reaktionsmenge in eine Kapsel eingebracht, die ihrerseits dann in die Reaktionszone überführt wird. Anschließend werden hierauf die Bedingungen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Druckes angewandt.
Die erhöhte Temperatur und der erhöhte Druck werden gewöhnlich wenigstens 5 Minuten lang aufrecht erhalten, um den Preßling zu erzeugen. Im allgemeinen werden diese Bedingungen nicht langer als 60 Minuten aufrecht erhalten, um den Apparat nicht zu beschädigen. Gewöhnlich findet eine Zeitdauer von weniger als 30 Minuten Anwendung.
übliche Techniken werden dazu benutzt, um die Preßlinge nach ihrer Erzeugung in der Reaktionszone zu gewinnen. Wenn beispielsweise mehrere Preßlinge in einer zylindrischen Kapsel hergestellt werden, wird die Kapsel abgeschliffen oder abgeschält, worauf die einzelnen Preßlinge herausgenommen werden können. Zwischen benachbarten Preßlingen wird ein geeignetes Abschirmungsmaterial vorgesehen, um ein Zusammenbinden dieser einzelnen Preßlinge zu verhüten.
Die Reaktionsmenge besteht ausschließlich aus CBN-Partikeln und Aluminium, abgesehen natürlich von spurenförmigen Verunreinigungen. Die Reaktionsmenge enthält die Masse der CBN-Teilchen vorzugsweise in Berührung mit einer Aluminiumschicht, die beispielsweise in Gestalt einer Aluminiumfolie oder als Aluminiumpulver vorliegen kann. In diesem Falle infiltriert das Aluminium in die CBN-Masse während der Herstellung des Preßlings. Die Reaktionsmenge kann auch eine Mischung aus CBN-Partikeln und pulverförmigem Aluminium enthalten.
Es wurde gefunden, daß ein erfindungsgemäßer C3N-Preßling hervor-
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A U °43 m «nno7Cr
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ragende Schleifeigenschaften besitzt und im Handel verfügbare CBN-Preßlinge übertrifft. Die überragenden Eigenschaften des erfindungsgemäßen Preßlings gehen vermutlich auf eine Reihe von Faktoren zurück:
Die CBN-Teilchen unterliegen während der Herstellung des Preßlings einer plastischen Deformierung, die zu einer Verdichtung der Teilchen führt. Wie oben erwähnt, beträgt der CBN-Gehalt des Preßlings wenigstens 80 Gew.%.
Bei den angewandten Temperatur- und Druckbedingungen findet zwischen benachbarten CBN-Teilchen ein gegenseitiges Verwachsen statt. Als Ergebnis hiervon werden diese Teilchen zusammengeschmolzen oder mit ihren Nachbarn verbunden. Dabei entwickelt sich eine kontinuierliche, mosaikartige oder verwachsene Masse. Das Zusammenwachsen ist dabei, wie Versuche ergeben haben, so wirksam, daß der Bruchweg durch einen Preßling transgranular, also durch die Teilchen hindurch verläuft und nicht zwischen den Teilchen (intergranular).
Die aus Aluminium bestehende, zweite Phase spielt ebenfalls eine wichtige Rolle. Indem sie während der Herstellung die Zwischenräume zwischen den Partikeln ausfüllt, überträgt die Aluminiumphase den angelegten Druck auf diejenige CBN-Flächen, die nicht miteinander in Kontakt sind. Hierdurch wird eine Umwandlung in hexagonales Bornitrid verhindert. Eine derartige Umwandlung würde den Preßling ganz erheblich schwächen. Durch Röntgenanalyse wurde gefunden, daß die erfindungsgemäßen Preßlinge keine feststellbare Menge, d.h. weniger als 0,5 Gew.%, an hexagonalem Bornitrid enthalten. Das Aluminium erfüllt auch die wichtige Rolle eines Mediums , in dem eine Diffusion von Bor und Stickstoff stattfinden kann. Dabei verbessert das Aluminium das gegenseitige Verwachsen
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A 44 °43 m 0nnQ7Cr
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benachbarter Teilchen. Schließlich reagiert das Aluminium mit CBN und bildet Aluminiumdiborid und Aluminiumnitrid, wodurch ebenfalls das Zusammenbinden des zusammengesetzten Preßlings unterstützt wird.
Die erfindungsgemäßen Preßlinge können kleiner oder größer sein, haben jedoch im allgemeinen ein Volumen von wenigstens 40 Kubikmillimetern. Ein besonders bevorzugtes Volumen liegt im Bereich zwischen 100 und 1500 Kubikmillimetern. Die Preßlinge können als solche eingesetzt werden oder sie können auf geeigneten Trägern befestigt werden, beispielsweise auf einem Träger aus Wolframkarbid.
Die Erfindung wird nachstehend anhand einiger Beispiele und der Fig. 1 weiter erläutert. Fig. 1 zeigt eine Mikrofotografie mit 2000-facher Vergrößerung eines Schnitts durch einen erfindungsgemäßen Preßling.
Beispiel 1
Ein Häufchen von CBN-Teilchen mit einer Größe von 8 bis 20 Mikron wurden zur Ausbildung einer Ausgangsmasse auf eine Aluminiumfolie aufgebracht. Die Masse wurde in eine Reaktionskapsel für einen üblichen Hochtemperatur/Hochdruck-Apparat eingebracht. Die beschickte Kapsel wurde in die Reaktionszone des Apparates eingesetzt. Der Druck in der Reaktionszone wurde auf 55 Kilobar und die Temperatur der Reaktionszone wurde auf etwa 15000C erhöht. Diese Bedingungen hoher Temperatur und hohen Druckes wurden während einer Zeitdauer von 15 Minuten aufrecht erhalten. Anschließend ließ man Druck und Temperatur zu Umgebungsbedingungen zurückkehren. Der Kapsel wurde in konventioneller Weise ein CBN-Preßling in Gestalt einer Scheibe entnommen. Nach einer entsprechenden Ana-
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lyse ergab sich, daß der Preßling einen CBN-Gehalt von 93 Gew.% aufwies. Die verbleibenden 7 Gew.% bestanden aus Aluminiumnitrid und Aluminiumdiborid. Bei einer Röntgenanalyse konnte kein hexagonales Bornitrid oder metallisches Aluminium festgestellt werden. Das Volumen des Preßlings betrug etwa 750 mm .
Der Preßling wurde gebrochen und poliert, worauf die polierten Flächen einer Untersuchung unterzogen wurden. Es wurde eine Verbindung zwischen benachbarten Teilchen festgestellt, wodurch sich eine, ineinander verwachsene Masse gebildet hatte. Fig. 1 zeigt eine Fotografie einer geätzten Fläche eines solchen Preßlings. Das in sich verwachsene CBN ist mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet, während das in der zweiten Phase enthaltene Aluminium in den ausgeätzten Hohlräumen mit dem Bezugszeichen 12 versehen ist.
Es wurde gefunden, daß dieser Preßling ausgezeichnete Schleifeigenschaften besaß, und zwar selbst ohne Abstützung, wie dies im nachstehenden noch angegeben werden wird.
Beispiel 2
Das Verfahren nach Beispiel 1 wird wiederholt mit der Ausnahme, daß als Startmasse eine Mischung aus CBN-Partikeln und gepulvertem Aluminium verwendet wird.
Beispiel 3
Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß die Bedingungen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Druckes während einer Zeit von nur 10 Minuten aufrecht erhalten wurden.
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Beispiel 4
Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme, daß auf eine Temperatur von etwa 145O°C erwärmt und ein erhöhter Druck von 60 Kilobar angewandt wurde.
Beispiel 5
Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß die erhöhte Temperatur 155O°C und der angewandte, erhöhte Druck 55 Kilobar betrug.
Beispiel 6
Das Verfahren nach Beispiel 1 wurde mit der Ausnahme wiederholt, daß die Menge an CBN-Teilchen und Aluminium, wie sie in der Ausgangsmasse verwendet wurden, derart gewählt waren, daß sich ein Preßling mit einem CBN-Gehalt von 90 Gew.% ergab. Der Rest auf 100 Gew.% bestand aus Aluminiumnitrid, Aluminiumdiborid und spurenhaften Verunreinigungen. :
Es wurde festgestellt, daß die nach den Beispielen 2 bis 6 hergestellten Preßlinge ausgezeichnete Schleifeigenschaften hatten.
Beispiel 7
Die Schleifeigenschaften des entsprechend Beispiel 1 hergestellten Preßlings wurden mit denjenigen eines im Handel erhältlichen CBN-Preßlings und mit einem weiteren Preßling verglichen, der nach der Lehre der US-PS 3 944 398 hergestellt war. Der im Handel verfügbare Preßling wurde auf einem Träger aus gehärtetem Karbid befestigt. Dieser CBN-Preßling enthielt eine zweite Phase
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aus Kobalt/Aluminium. Dieser Preßling wurde bei der Firma General Electric Company gekauft. Vermutlich wurde dieser zusammengesetzte Preßling nach der Lehre der US-PS 3 743 489 hergestellt.
Die drei Preßlinge wurden dazu verwendet, einen gehärteten D3-Stahl mit einer Rockwell-Härte von 54 bis 56 zu bearbeiten. Die Bearbeitung wurde in jedem Fall so lange fortgesetzt, bis an dem Preßling eine Fläche von 0,2 mm abgenutzt war. Die zur Erzeugung dieser Fläche jeweils benötigte Zeit betrugt:
Preßling Zeit in Minuten
Beispiel 1 9,6
3 944 398 1,6
3 743 489 4,0
Die Ergebnisse zeigen, daß der gemäß Beispiel 1 hergestellte Preßling bei der Bearbeitung des gehärteten D3-Stahls sehr viel wirksamer als die beiden anderen Preßlinge war.
Bei der Bearbeitung eines gehärteten D3-Stahls mit einer Rockwell-Härte von 58 ergab sich, daß ein erfindungsgemäßer Preßling eine Lebensdauer hatte, die zweieinhalb Mal so groß wie diejenige eines Preßlings nach der US-PS 3 743 489 war.
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Claims (1)

  1. OR.-INS. DIPL.-INGIM. SO. '.''.' I DrPL.-rHYC.pR.; DIPL.-PHYS. DiPU-PHVS OB
    HÖGER - STELLRECHT -^GRJESSSACH - HAECKER
    BOEHM
    PATENTANWÄLTE IN STUTTGART _ Λ _ _ _
    A 44 043 m Anmelder: De Beers Industrial Diamond
    m - 168 . Division (Proprietary) Ltd.
    29. Febr. 19 80 45 Main Street
    Johannesburg/Transvaal
    Südafrika
    Patentansprüche :
    / 11 Preßling für Schleifzwecke umfassend eine Masse aus Teilchen von kubischem Bornitrid und einedamit zu einem harten Konglomerat verbundene, zweite Phase, wobei der Gehalt des Preßlings an kubischem Bornitrid wenigstens 80 Gew.% beträgt, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Teilchen von kubischem Bornitrid (10) zu einer verwachsenen Masse miteinander verbunden sind und die zweite Phase (12)
    Cthf
    im wesentlichenAAluminiumnitrid und/oder -diborid besteht.
    2. Preßling nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gehalt des Preßlings an kubischem Bornitrid im Bereich von 85 bis 95 Gew.% liegt.
    3. Preßling nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Volumen von wenigstens 40 mm .
    4. Preßling nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Volumen zwischen 100 und 1500 mm .
    5. Verfahren zum Herstellen eines Preßlings nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch folgende Verfahrenssehritte:
    man bringt zur Ausbildung einer Reaktionsmenge eine Masse von Teilchen aus kubischem Bornitrid in Kontakt mit einer Masse aus Aluminium;
    man bringt die Reaktionsmenge in eine Reaktionszone und erhöht .dort den Druck auf 50 bis 65 Kilobar und die Temperatur
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    A 44 043 m o nnon a c
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    auf 1400 - 150O0C;
    man hält diesen hohen Druck und diese hohe Temperatur so lange aufrecht, bis sich aus der Reaktionsmenge ein kompakter Preßling bildet,und
    entnimmt diesen schließlich der Reaktionszone.
    6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsmenge eine Masse von zu Schleifzwecken geeigneten Teilchen aus kibischem Bornitrid enthält, die sich mit einer Schicht aus Aluminium in Berührung befinden.
    7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Aluminiumschicht eine Aluminium-Folie ist.
    8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reaktionsmenge eine Mischung aus Teilchen von kubischem Bornitrid und Aluminiumpulver umfaßt.
    9. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedingungen des hohen Drucks und der hohen>
    ' Temperatur 5 bis 60 Minuten lang aufrecht erhalten werden.
    30 040/0642 -3-
DE3008765A 1979-03-19 1980-03-07 Preßling für Schleifzwecke Expired DE3008765C2 (de)

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