DE69016434T2

DE69016434T2 - Beschichtete hochabrasive Verschleisspartikel und Verfahren zu deren Anwendung.

Info

Publication number: DE69016434T2
Application number: DE1990616434
Authority: DE
Inventors: Sy-Hwa Dr Chen; Chien-Min Dr Sung
Original assignee: Norton Co
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 1990-11-16
Filing date: 1990-11-16
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2010-11-17
Also published as: DE69016434D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft überzogenes, hochabrasives Schleifkornmaterial, das sich zur Herstellung verbesserter Schleif- oder Zerspanungswerkzeuge eignet. Die vorliegende Erfindung erstreckt sich auch auf die so hergestellten Werkzeuge, die mit dem überzogenen Schleifkornmaterial versehen sind.
Hochabrasives Schleifkornmaterial, wie auf eine Unterlage aufgebrachte Diamanten und CBN, wird vielfach zur Materialabtragung eingesetzt. Zu den typischen Anwendungen gehören beispielsweise Sägen, Bohren, Schlichten, Schleifen, Läppen und Polieren.
Im Normalfall wird das Schleifkornmaterial in einer geeigneten Matrix gehalten und auf einem Werkzeugkörper befestigt. Der feste Sitz des Schleifkornmaterials wird hauptsächlich auf mechanischem Wege erreicht, etwa indem das Schleifkornmaterial mit dem Matrixmaterial eingefaßt wird. Dieses Befestigungsverfahren ist zwar einfach und praktisch, weist aber Beschränkungen auf, da die Beanspruchung des Schleifkornmaterials begrenzt ist, um den mechanischen Halt der umgebenden Matrix nicht zu beeinträchtigen. Daraus folgt eine beschränkte Schneidleistung infolge der geringen Schleifkornmaterialbeanspruchung. Desweiteren wird der Halt des Schleifkornmaterials auf dem Werkzeug mit der Zeit durch den Matrixverschleiß verringert, so daß das Schleifkornmaterial "herausgezogen" wird und verloren gehen kann. So liegt zum Beispiel bei einer typischen Sägeblattanwendung die durchschnittliche Beanspruchung des Diamant-Schleifkornmaterials bei unter 20% der gesamten Materialhöhe, und das Schleifkornmaterial geht aufgrund des "Auszugs" oft verloren, nachdem es bis zu ungefähr einem Drittel seiner ursprünglichen Größe verschlissen wurde. Nachdem das Sägeblatt einige Zeit verwendet wurde, ist im Normalfall ungefähr 1/3 des ursprünglich vorhandenen Schleifkornmaterials verloren, wie sich anhand der leeren Taschen auf dem Blatt nachweisen läßt.
In einem Versuch, dieses Problem in den Griff zu bekommen, hat man sich entschlossen, die Bindungsfestigkeit durch Aufbringen eines Überzugs über dem Schleifkornmaterial zu erhöhen. Das US-Patent 3,650,714 (Farkas) beschreibt ein Verfahren zur Aufbringung eines derartigen Überzugs auf einem Diamant-Schleifkornmaterial. Typische im Handel erhältliche überzogene Hochabrasivprodukte sind die titanisierten Produkte für Sägeschleifkornmaterial von der DeBeers Co. und die titanisierten Produkte für CBN- Schleifkornmaterial von der General Electric Co. Für alle Hochabrasivwerkzeuge mit Metallmatrix sind im Handel als Schleifkornmaterialüberzug ausschließlich titanisierte Produkte erhältlich.
Es wurde allerdings festgestellt, daß titanisierte Produkte sich insbesondere für Diamant-Schleifkornmaterial in bezug auf die Haftungsverbesserung als unwirksam erweisen. Die Leistungsbewertung, d.h. die Ermittlung von Nutzdauer und Schneidleistung von titanisiertem Schleifkornmaterial, hat keine feststellbaren Verbesserungen ergeben. Ein Problem im Zusammenhang mit dem titanisierten Produkt ist dessen mangelnde Oxidationsbeständigkeit. Es ist eine gut bekannte Tatsache, daß Ti oder TiC unter den meisten Sägeblattherstellungsbedingungen oxidieren kann. Die Oxidation kann die Haftung zwischen dem Schleifkorn- und dem Überzugsmaterial sowie zwischen dem Überzugsmaterial und der Matrix zerstören. Das andere Problem bei der Verwendung titanisierter Produkte ist die Dünnheit des Überzugs. Die Dicke des in titanisierten Produkten enthaltenen Ti oder TiC liegt in der Regel bei weniger als 1 um. Ein derart dünner Überzug kann die Auflösung oder Entfernung des Überzugs von der Oberfläche des Schleifkornmaterials durch das Matrixmaterial während des Werkzeugherstellungsverfahrens nicht verhindern. In den US-Patenten 3,757,878 und 3,757,879 (Wilder) wird ein Einkapselungsverfahren für Diamantpartikel beschrieben. Dieses dient allerdings der Herstellung einer mechanischen Hülle für das Schleifkornmaterial, und es wird keine chemische Bindung erreicht.
In den Japanischen Patentzusammenfassungen Bd. 13, Nr. 331, wird ein legierungsüberzogenes hochabrasives Korn offenbart, das aus Diamant oder Bornitrid besteht und mit einer Legierung aus Ni-W überzogen ist.
Das Korn wird für Schleifsteine mit langer Nutzbarkeitsdauer verwendet.
Die Erfindung löst das oben beschriebene Problem durch Schaffung des überzogenen hochabrasiven Schleifkornmaterials gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und einem Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 9. Die Erfindung schafft desweiteren ein Werkzeug, das sich des Schleifkornmaterials gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 7 bedient und ein Zerspanungswerkzeug, das sich dieses Schleifkornmaterials gemäß dem unabhängigen Anspruch 13 bedient. Weitere vorteilhafte Ziele, Aspekte und Merkmale der Erfindung gehen aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Beispielen hervor.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein überzogenes hochabrasives Schleifkornmaterial, das hochabrasive Schleifkornpartikel umfaßt und einen relativ oxidationsbeständigen karbidbildenden Überzug, der sich bei einer Dicke von mindestens 1 um im wesentlichen kontinuierlich auf dem Schleifkornmaterial befindet und auf diesem chemisch gebunden ist. Vorteilhafterweise handelt es sich bei diesem Schleifkornmaterialüberzug um einen solchen aus der Gruppe bestehend aus W, Mo, Ta, Nb und deren Legierungen und/oder Wolfram. Gemäß einem weiteren Aspekt ist dieses Schleifkornmaterial aus der Gruppe bestehend aus Diamant und CBN ausgewählt. Das oben erwähnte Schleifkornmaterial kann über dem beschriebenen Überzug einen zweiten Überzug haben. Gemäß einem weiteren Aspekt ist die Oberfläche der oben erwähnten hochabrasiven Schleifkornmaterialpartikel aufgerauht.
Die vorliegende Erfindung schafft ein chemisch überzogenes, hochabrasives Schleifkornmaterial.
Die vorliegende Erfindung erzielt desweiteren eine feste Haftung des Schleifkornmaterials im Matrixkörper eines Werkzeugs.
Die vorliegende Erfindung schafft desweiteren einen kontinuierlich dicken Überzug von mindestens 1 um auf dem hochabrasiven Schleifkornmaterial, wodurch die Integrität des Überzugs nach dem Werkzeugherstellungsprozeß erhalten werden kann.
Gemäß einem anderen Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ein Überzugsmaterial, welches der Oxidation während der Werkzeugherstellungsprozesse im wesentlichen widersteht.
Ein weiterer Aspekt ist die Schaffung von Schleif- oder Zerspanungswerkzeugen, die ein dermaßen chemisch verbundenes, überzogenes Hochabrasivmaterial zur verbesserten Materialabtragungsleistung aufweisen.
Ein weiterer Aspekt ist die Schaffung von Werkzeugen mit dem chemisch überzogenen Schleifkornmaterial, welche einen verbesserten Halt des Schleifkornmaterials, ein weiteres Hervorstehen des Schleifkornmaterials und größere Schneidfreiheit aufweisen. Zu diesen Werkzeugen gehören beispielsweise Sägeblätter, Schleifscheiben, Richtwerk-Zeuge, Bohrer und Läppwerkzeuge.
Die in der Beschreibung und in den Ansprüchen gebrauchte Bezeichnung "hochabrasiv" bezieht sich auf natürlichen und synthetischen Diamant sowie kubisches Bornitrid (CBN).
Die in dieser Beschreibung verwendete Bezeichnung "chemische Bindung" ist von einer mechanischen Bindung zu unterscheiden. In letzterem Fall findet keine Reaktion zwischen den beiden verbundenen Teilen statt. Im Falle der "chemischen Bindung" findet an der Grenzfläche zwischen den beiden Teilen eine Reaktion statt. Bei der Reaktion kann es sich etwa um eine Karbidbildung, eine Borbildung oder um eine Nitridbildung handeln, oder auch um eine Lösung, die aus der wechselseitigen Diffusion zwischen den beiden verbundenen Teilen entsteht.
Die im folgenden und in den Ansprüchen verwendete Bezeichnung "Bohrer" bezieht sich nicht nur auf Bohrer für Werkzeugmaschinen, sondern auch auf Bohrer und Kernbohrer, wie sie für gewöhnlich in der Bergbau- und Ölförderindustrie für Erdbohrungen verwendet werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein hochabrasives Schleifkornmaterial bereitgestellt, das mit einem nicht leicht oxidierbaren Metall von mindestens 1 um Dicke überzogen und durch chemische Bindung mit der Oberfläche des Schleifkornmaterials sehr fest verbunden ist. Das Schleifkornmaterial wird mit einem Metall überzogen, das nicht leicht oxidiert und aus der Gruppe bestehend aus W, Ta, Mo, Nb oder deren Legierungen ausgewählt ist. Das überzogene Schleifkornmaterial wird in der Folge entweder vor oder während des Werkzeugherstellungsprozesses wärmebehandelt, um eine starke chemische Bindung zwischen dem Überzug und dem Schleifkornmaterial herzustellen, wie etwa eine Karbidschicht im Fall eines Diamant-Schleifkornmaterials. Das bevorzugte Material für die Beschichtung ist Wolfram. Die Oberfläche des Schleifkornmaterials kann vor dem Überzug wahlweise entweder auf chemischem oder mechanischem Wege aufgerauht werden, um eine stärkere Bindung zu bewirken. Die Zusammensetzung der Matrix muß mit den für das Schleifkornmaterial ausgewählten Überzugsmaterialien kompatibel sein, damit die Matrix unter den Bearbeitungsbedingungen während der Werkzeugherstellung eine chemische Bindung mit dem Überzugsmaterial eingeht. Das Ergebnis ist ein stark haftendes, chemisch gebundenes, überzogenes, hochabrasives Schleifkornmaterial in einer Werkzeugmatrix.
Die Grenzflächen zwischen dem hochabrasiven Schleifkornmaterial und dem Überzug sowie zwischen dem Überzug und der Matrix werden durch starke chemische Bindung erzeugt. Dies bedeutet einen Unterschied zu früheren Praktiken, bei denen die Haftung des Schleifkornmaterials in erster Linie mechanisch durch das umgebende Matrixmaterial hergestellt wurde. Das gemäß dieser Erfindung in ein Werkzeug integrierte, überzogene hochabrasive Schleifkornmaterial weist die folgenden Vorteile auf:
1. längere Lebenszeit aufgrund geringerer "Auszüge" des Korns;
2. höhere Zerspanleistung aufgrund weiter hervorstehenden Schleifkornmaterials; und
3. größere Schneidfreiheit bei geringerem Kraftaufwand, weniger Energieverbrauch und geringerer Wärmeerzeugung infolge des weiter hervorstehenden Schleifkornmaterials.
Das überzogene Hochabrasivmaterial gemäß dieser Erfindung eignet sich insbesondere für Schleifkornmaterial in Bohrern, wie zum Beispiel für besonders geformte Bestandteile eines Zerspanungswerkzeugs, etwa Kreise, Ovale, Blätter/Klingen und dergleichen, aber auch als die eigentliche Zerspanungskomponente, etwa wenn das Schleifkornmaterial in die Matrix des Bohrers eingelassen ist und aus dessen Oberfläche hervorragt, verschlissen wird und andere mit der Matrix verbundene Schleifkornmaterialteile freigibt. Dies ist besonders für Kernbohrer geeignet, obwohl auch andere Bohrer für harte Formationen auf ähnliche Weise hergestellt werden können.
Gemäß dieser Erfindung wird die Oberfläche des hochabrasiven Schleifkornmaterials zuerst auf mechanischem oder chemischem Wege aufgerauht. Dieser Aufrauhungsprozeß bewirkt eine unebene Oberfläche, die die Haftung des Schleifkornmaterials auf dem später aufzubringenden Überzugsmaterial verbessert. Diese verbesserte Haftung ist das Ergebnis erhöhter chemischer Reaktionsfähigkeit der Schleifkornmaterialoberflächen infolge des wesentlich höheren Ausmaßes an Oberflächenunregelmäßigkeiten. Die Anzahl ungebundener Kohlenstoffelektronen auf der Oberfläche erhöht sich ebenfalls, wodurch es zu einer verstärkten Reaktion zwischen dem Schleifkornmaterial und dem Überzugsmaterial kommt. Die Unebenheit der Oberfläche kann infolge der größeren Kontaktfläche auch die mechanische Haftung des Schleifkornmaterials auf dem Überzugsmaterial verstärken.
In der praktischen Ausführung dieser Erfindung wird das Schleifkornmaterial nach Wunsch zuerst auf gerauht. Eine bevorzugte Aufrauhung ist das Herstellen einer gleichmäßig mattierten Oberfläche. Diese Aufrauhung wird entweder mit mechanischen Mitteln erreicht, wie etwa durch Mahlen mit anderen hochabrasiven Pulvern, oder auf chemischem Wege, wie durch Oxidation oder Ätzen. So kann Schleifkornmaterial beispielsweise in Luft oder einer sauerstoffangereicherten Atmosphäre bei hohen Temperaturen geschwenkt werden, um eine gleichmäßige Oxidierung auf allen Oberflächen zu gewährleisten. Eine Wirbelbettanlage zur chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) oder ein Drehbrennofen kann nützliche Dienste leisten, wenn es darum geht, die erwünschten Resultate zu erzielen. Für chemische Ätzverfahren können wahlweise Oxidationsmittel wie Kaliumdichromat oder Kaliumnitrat verwendet werden. Bei beiden Verfahren sollte gewährleistet sein, den Gewichtsverlust des Schleifkornmaterials während der Oberflächenaufrauhungsbehandlung auf unter 5% w/w zu beschränken.
Obwohl die Oberflächenaufrauhung gemäß dieser Erfindung eine wichtige Operation darstellt, ist sie für einige Anwendungen unter Umständen gar nicht erforderlich. Die Aufrauhung kann beispielsweise für Anwendungen mit kleinerem Schleifkornmaterial unterbleiben, etwa für Poliertücher unter Verwendung von Mikronpulver.
Nach der Oberflächenaufrauhungsbehandlung wird das Schleifkornmaterial gewaschen und chemisch gereinigt, um Oberflächenverunreinigungen zu entfernen; dies geschieht durch Verfahren, die in der Branche bekannt sind. So kann zum Beispiel das Waschen des Schleifkornmaterials in Mineralsäuren, wie etwa in einer Salpeter- oder Salzsäurelösung, oder das Erhitzen des Schleifkornmaterials in einer Wasserstoffatmosphäre einen Großteil der Oberflächenverunreinigungen beseitigen.
Nach der Oberflächenreinigung wird das Schleifkornmaterial mit einem relativ oxidationsbeständigen, karbildbildenden Material überzogen, wie beispielsweise W, Ta, Mo und Nb oder einer Legierung derselben, wodurch sich eine kontinuierliche Schicht mit einer Dicke von mindestens 1 um bildet. Die Überzugsdicke kann zwischen ungefähr 1 um und ungefähr 50 um variieren, vorzugsweise aber zwischen ungefähr 1 um und ungefähr 30 um. Ein derartiger Überzug ist von anderen in der Branche bekannten Überzügen leicht zu unterscheiden. Man vergleiche etwa den Überzug gemäß der Beschreibung im US-Patent 3,650,714 (Farkas), der wesentlich dünner als 1 um ist. Diese Unterscheidung trifft auch auf andere im Handel erhältliche titanisierte Produkte zu.
In den Fällen, in denen Diamant-Schleifkornmaterial verwendet wird, wird durch Erhitzen des überzogenen Schleifkornmaterials auf karbidbildende Temperaturen zwischen dem Schleifkornmaterial und dem Überzugsmaterial ein Karbid gebildet. Bei der Verwendung von CBN entsteht eine Nitridbindung. Als geeigneter Legierungsüberzug ist beispielsweise W-NiB zu erwähnen.
Nach Auftrag des ersten Überzugsmaterials auf das Schleifkornmaterial können über der ersten Überzugsschicht nach Belieben ein zweiter Überzug oder zusätzliche Überzüge aufgetragen werden. Zweck der zusätzlichen Schichten ist es, die erste Überzugsschicht zusätzlich vor Oxidation in der Luft oder vor Auflösung in das Matrixmaterial während der Herstellung des Werkzeugs und/oder während des Zerspanungsvorgangs mit dem Werkzeug zu schützen. Der äußere Überzug bietet darüber hinaus eine bessere metallurgische Verbindung zu dem Matrixbindungsmaterial, um eine Grenzfläche mit Diffusionskontakt zu erzeugen. Für die meisten Anwendungen muß die äußere Überzugsschicht kein karbidbildendes Material enthalten. Ein stromloses äußeres Überziehen mit Kupfer kann beispielsweise für eine Bindung mit bestimmten Matrixmaterialien verwendet werden.
Der Überzug wird in der Regel unter Verwendung bekannter Verfahren aufgebracht, wie etwa der chemischen Gasphasenabscheidung, wie sie von Wilder in dem US-Patent 3,757,878 beschrieben ist. Diese Verfahren werden verwendet, um diese mechanischen Schichten aufzubringen, die normalerweise keine oxidationsbeständigen, karbidbildenden Materialien enthalten.
Die chemische Bindung zwischen dem Schleifkornmaterial und dem Überzug wird auf eine Art und Weise bewirkt, die von dem gewünschten Endprodukt abhängt. Wenn das Schleifkornmaterial beispielsweise in ein Sägeblatt integriert werden soll, sind die Bedingungen bei der Blattherstellung, insbesondere die zur Blattformung erforderlichen Temperaturen, für die Herstellung der chemischen Bindung ausreichend. Wenn das gewünschte Produkt andererseits unter unterschiedlichen Herstellungsbedingungen produziert wird, die keine ausreichende chemische Bindung bewirken, wird das überzogene Schleifkornmaterial vor dessen Verwendung im Endprodukt unter Bedingungen vorbehandelt, die eine chemische Bindung verursachen, beispielsweise in einem Brennofen bei einer effektiven karbidbildenden Temperatur von beispielsweise ca. 850ºC.
Nachdem der Überzug auf dem Schleifkornmaterial aufgebracht wurde, kann das überzogene Schleifkornmaterial in der anschließenden Verarbeitung zur Herstellung von Werkzeugen verwendet werden wie ein nicht überzogenes Schleifkornmaterial. Bei der Herstellung eines Sägeblattes wird das Schleifkornmaterial beispielsweise mit einem gut abgestimmten Matrix-Metallpulver gemischt und dann entweder bei Temperaturen von ca. 800ºC bis 1000ºC formgepreßt oder mit einer Binderlegierung infiltriert. Das Ergebnis ist ein Sägeblatt mit einem durch das Überzugsmaterial chemisch gebundenen Schleifkornmaterial und einem Überzugsmaterial, das an das Matrixmaterial chemisch gebunden ist. Einfach gesagt, sind alle Grenzflächen durch chemische Bindungen verbunden.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird das überzogene Schleifkornmaterial dichtgepackt, um eine sehr dichte Masse zu erreichen. So kann beispielsweise Schleifkornmaterial einheitlicher Größe (500 um) durch Vibrationsverdichtung eine Packungsdichte von ca. 55% (die restlichen 45% sind Porosität) erreichen. Durch Hinzufügen eines Schleifkornmaterials einer zweiten Größe (70 um), was etwa 1/7 der ersten Größe entspricht, kann die Packungsdichte auf ungefähr 77% gesteigert werden. Die weitere Hinzufügung eines Schleifkornmaterials einer dritten Größe, die wiederum ca. 1/7 der zweiten Größe aufweist, kann die gesamte Masse eine Packungsdichte von über 83% erreichen. Nachdem das Schleifkornmaterial dichtgepackt ist, wird die Masse von einer Legierung infiltriert, deren Schmelzpunkt unter der Abbautemperatur des hochabrasiven Schleifkornmaterials liegt. Bei Verwendung eines Diamant-Schleifkornmaterials liegt das Temperaturlimit - je nach Qualität - bei unter 1100ºC für synthetisches Schleifkornmaterial und bei ca. 1300ºC für natürliches Schleifkornmaterial. Aufgrund des Vorhandenseins des Überzugs infiltriert die Binderlegierung die hochgradig dichtgepackte Masse des hochabrasiven Schleifkornmaterials relativ leicht. Ohne Überzug können die meisten Binderlegierungen eine solche Masse nicht infiltrieren.
Das beschriebene Ausführungsbeispiel der Erfindung ergibt ein Hochabrasivstoff-Metall-Verbundmaterial, wie etwa ein Diamant-Metall-Verbundmaterial, das wir "Diamet" nennen. Dieses Verbundmaterial besitzt aufgrund der Gegenwart des Metallbinders eine höhere Schlagfestigkeit als herkömmliche polykristalline Hochabrasivaggregate. So haben wir beispielsweise eine Diametmasse geschaffen, die sich bei Schlagfestigkeitsversuchen als fester als ein polykristallines Diamantmaterial (PCD) erwiesen hat.
Das "Diamet"-Material kann leicht mit einer gesinterten WC- Unterschicht verbunden werden, um beispielsweise Zerspanungswerkzeuge für Bohrer zu erzeugen, die in Erdbohrungen zum Einsatz kommen. Derartige Zerspanungswerkzeuge mit Unterlage wurden in einem Labor getestet, wobei sich die Schneidresultate als vergleichbar den Zerspanungswerkzeugen erwiesen haben, die aus Kompakt material wie Geoset hergestellt waren.
Das Verfahren gemäß dieser Erfindung bietet zahlreiche Vorteile. Es verlangt beispielsweise keine sehr hohen Drücke, die zur Herstellung eines polykristallinen Hochabrasivaggregats wie PCD erforderlich sind. Aus diesem Grund können die Kosten zur Herstellung dieses Verbundmaterials beträchtlich unter denen herkömmlicher Verfahren liegen. Auch sind Größe und Form des Materials ohne die Beschränkungen durch die Hochdruckkammer flexibler.
Zur weiteren Illustration der praktischen Anwendung dieser Erfindung mögen die folgenden Beispiele dienen:

BEISPIEL I

Ein Schleifkornmaterial aus Naturdiamant, das unter dem Handelsnamen EMBS von der DeBeers Co. in einer Größe von 30/40 US-Maschenweite unter der F.E.P.A.-Bezeichnung D602 geliefert wird, wurde unter Verwendung des Wirbelbettverfahrens zur chemischen Gasphasenabscheidung mit einer Wolframschicht überzogen. Das Diamant-Schleifkornmaterial wurde rund 1 Minute lang in eine Säurelösung aus Fluorwasserstoff- und Salpetersäure getaucht. Es wurde in deionisiertem Wasser 15 Minuten lang gespült und dann 2 Minuten in einer verdünnten NaOH-Lösung gewaschen und schließlich noch einmal in deionisiertem Wasser gespült. Das gereinigte Schleifkornmaterial wurde in einem Ofen getrocknet. Das getrocknete Diamant-Schleifkornmaterial wurde in einen CVD-Reaktor mit einem Graphitrohr geladen. Nach der Beschickung des Reaktors mit dem Diamant- Schleifkornmaterial wurde in die Reaktionskammer ungefähr 30 Minuten lang Argon bei einem Druck von ca. 667 Pa (5 Torr) eingeführt. Im Anschluß daran wurde der Druck auf 66,7 Pa (0,5 Torr) geändert, damit das Wasser verdampfen konnte. Dann wurde ein Gas aus Ar, He und H2 im Verhältnis 1:1:1 bei einem Druck von 667 Pa (5 Torr) und einem Durchsatz von 0,21 Liter pro Minute eingeführt, während der Reaktor in einem Zeitraum von 16 Minuten auf eine Temperatur von 900ºC aufgeheizt und 30 Minuten auf dieser Temperatur gehalten wurde. Die Temperatur wurde anschließend in 3 Minuten auf 700ºC gesenkt, und dann wurde der Druck auf 1,6 kPa (12 Torr) angehoben. Der Durchsatz des Gases wurde erhöht, um das Diamant-Schleifkornmaterial im Reaktor zu fluidisieren. Gleichzeitig wurde WF6 (Wolframhexafluorid) eingeführt, um die Ablagerung von Wolfram auf dem Diamanten in einem Ausmaß von 11 um in ungefähr 75 Minuten zu bewirken. Schließlich wurde Argon alleine eingeleitet, damit der Reaktor auf Raumtemperatur abkühlen konnte. Die Dicke des Wolframüberzugs auf dem Produkt betrug 7,75 um. Das überzogene Schleifkornmaterial wurde zu Sägesegmenten verarbeitet, und zwar durch Heißpressen mit einem Matrixmaterial, das zu 80% aus einer Cu- Sn-Legierung und zu 20% aus gesintertem Wolframkarbid- Schleifkornmaterial bestand. Diese Segmente wurden zum Schneiden eines abrasiven Betonprobestücks verwendet, welches Kieselschieferkörner enthielt. Wie die Ergebnisse zeigten, wurde der Auszugsverlust des Schleifkornmaterials auf der Schneidoberfläche auf unter 10% nach Testabschluß reduziert. Dieser geringe Auszugsverlust steht in krassem Widerspruch zu den 40%, die bei einem Paralleltest mit nichtüberzogenem Schleifkornmaterial unter identischen Bedingungen hinzunehmen waren.

BEISPIEL II

Ein Schleifkornmaterial aus synthetischem Diamant, ebenfalls von der DeBeers Co. unter dem Handelsnamen SDA100 angeboten, mit einer Größe, deren F.E.P.A.-Bezeichnung D602 ist, wurde mit einer Wolframschicht von ca. 10 um Dicke wie in Beispiel I überzogen. Das überzogene Schleifkornmaterial wurde so verteilt, daß eine ebene, dichtgepackte Monoschicht in einem Matrixpulverkörper aus Wolframkarbid entstand. Die Zusammensetzung wurde in Form vorgepreßt und dann bei einer Temperatur von 815ºC und einem Druck von 24 MPa (3.500 psi) heißgepreßt.
Die heißgepreßte Masse hatte eine Hundeknochenform. Das Zugversuchsprobestück wurde sodann einem Zugversuch unterzogen (einachsiger Zugversuch). Es stellte sich heraus, daß überzogenes Schleifkornmaterial in dieser geometrischen Form einer Zugbelastung von 2,3 kg/cm² (15 KSI) standhält. Nichtüberzogenes Schleifkornmaterial unter identischen Versuchsbedingungen wies praktisch keine Zugfestigkeit auf.
Das oben beschriebene überzogene Schleifkornmaterial wurde auch mit einer stromlos abgelagerten, ca. 30 um dicken Nickel-Bor-Schicht überzogen, und zwar in einem von der Allied-Kelite-Division der Witco Corp. bereitgestellten Verfahren. Es wurde eine bei Witco Corp. erhältliche Lösung aus Nickel-Bor verwendet. In der ersten Überzugsphase wurde die Wolframoberfläche mit einer Lösung wie der Niklad Alprep 230 von Witco gereinigt, indem die Lösung auf 65,5ºC erhitzt und das Diamant-Schleifkornmaterial darin 5 Minuten eingetaucht wurde. Dann wurde das Diamant-Schleifkornmaterial unter Leitungswasser so lange gespült, bis der Schaum verschwunden war. Auf die Oberflächen des Diamant- Schleifkornmaterials wurde ein bei Witco unter der Bezeichnung Niklad 261 erhältlicher Sensibilisator aufgebracht, indem das Schleifkornmaterial bei einer Temperatur von 224ºC zwei Minuten lang in diesen eingetaucht wurde. Anschließend wurde das Diamant-Schleifkornmaterial in deionisiertem Wasser gespült. Als nächstes wurde auf die Oberfläche des Diamant-Schleifkornmaterials ein unter dem Warenzeichen Niklad 262 erhältlicher Katalysator aufgebracht, indem das Diamant-Schleifkornmaterial vier Minuten lang bei einer Temperatur von 43ºC und einem pH von 1,9 bis 3 in diesen eingetaucht wurde. Dann wurde das Diamant-Schleifkornmaterial in deionisiertem Wasser gespült. Das behandelte Diamant-Schleifkornmaterial wurde getrocknet und bei einem pH von ungefähr 6 und einer Temperatur von 80ºC in eine unter der Bezeichnung Niklad 752 erhältliche Ni-B-Lösung getaucht. Der Borgehalt der Nickelschicht lag bei ungefähr 3%. Unter denselben Versuchsbedingungen lag die Zugfestigkeit bei 3,1 kg/cm² (20 KSI).
In einem Parallelversuch wurde ein Schleifkornmaterial desselben Typs zuerst an den Oberflächen aufgerauht und dann mit den gleichen Doppelschichten überzogen. Die Oberflächenaufrauhung erfolgte durch einen Mahlprozeß gegen Diamant-Mikronpulver in einem Wassermedium. Der Mahlvorgang dauerte 24 Stunden, und der Gewichtsverlust des Schleifkornmaterials betrug rund 0,7%. Unter den oben beschriebenen Versuchsbedingungen erhöhte sich die Zugfestigkeit auf 5,4 kg/cm² (35 KSI).

BEISPIEL III

Wolframüberzogene Diamant-Mikronpulver in den Größen 500 um und 60 um, die nach dem in Beispiel I beschriebenen Verfahren hergestellt wurden, wurden durch Vibration zu einer gleichförmig verteilten Masse mit 80% Packungsdichte dichtgepackt. Die Masse wurde sodann von einer Legierung aus Kupfer, Mangan und Titan unter Vakuum 20 Minuten lang bei 1050ºC infiltriert. Das "Diamet" wurde zu einem Zerspanungswerkzeug verarbeitet und zum Schneiden eines Granitblocks mit Kühlmittel verwendet. Die Verschleißfestigkeit wurde gemessen und mit anderen im Handel erhältlichen PCD-Materialien verglichen, die unter den gleichen Bedingungen getestet wurden. Den Ergebnissen zufolge ist die Verschleißfestigkeit von "Diamet" mit der des Geoset-PCD der General Electric Company vergleichbar. Letzteres Produkt wird unter Hochdruckbedingungen im Bereich von Diamantstabilität produziert. Dasselbe "Diamet"-Probestück wurde zudem durch Injektion eines abrasivstoffhaltigen Schlammes einem Erosionstest unterzogen. Es zeigte sich, daß die Erosionsfestigkeit derjenigen von infiltriertem Wolframkarbidmaterial vergleichbar ist, das normalerweise als Außenfläche eines Matrixkörpers verwendet wird. Das "Diamet"-Material mit einer derart hohen Verschleiß- und Erosionsfestigkeit ist zur Verwendung als Zerspanungswerkzeug in Bohrern für Steinbohrungen geeignet. Die in der Branche bekannten Bohrer verwendeten in der Regel PCD (wie Geoset) oder Wolframkarbideinsätze.

BEISPIEL IV

Gemäß Beispiel III hergestellte "Diamet"-Zerspanungswerkzeuge wurden in einem branchenbekannten, üblichen Hartlötverfahren in einen Bohrkörper hinein hartgelötet, wofür ein 19,05 cm- (8-1/2"-) Bohrkörper herangezogen wurde.

Claims

1. Überzogenes hochabrasives Schleifkornmaterial, das einer Zugfestigkeit von 2,3 kg/cm² (15 KSI) standhalten kann und hochabrasive Schleifkornpartikel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Diamant und CBN aufweist, wobei die Schleifkornpartikel oberflächengereinigt und mit einem im wesentlichen kontinuierlichen Metallüberzug ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus W, Mo, Ta, Nb und deren Legierungen umhüllt sind, wobei der Überzug eine Dicke von 1 um bis 50 um aufweist und chemisch an die Schleifkornpartikel gebunden ist.

2. Überzogenes hochabrasives Schleifkornmaterial gemäß Anspruch 1, das desweiteren hochabrasive Schleifkornpartikel mit aufgerauhten Oberflächen aufweist.

3. Überzogenes hochabrasives Schleifkornmaterial gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das desweiteren auf dem ersten metallischen Überzug einen zweiten im wesentlichen kontinuierlichen metallischen Überzug aufweist, wobei der zweite metallische Überzug Nickel oder Kupfer enthält, und wobei die gesamte Dicke des ersten und zweiten metallischen Überzugs im Bereich von etwa 1 bis 50 um liegt.

4. Überzogenes hochabrasives Schleifkornmaterial gemäß Anspruch 3, bei dem der erste metallische Überzug Wolfram ist.

5. Überzogenes hochabrasives Schleifkornmaterial gemäß Anspruch 3 oder 4, bei dem der zweite metallische Überzug Nickel enthält.

6. Überzogenes hochabrasives Schleifkornmaterial gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem der zweite metallische Überzug NiB enthält.

7. Überzogenes hochabrasives Schleifkornmaterial gemäß Ansprüchen 2 bis 6, bei dem der erste metallische Überzug Wolfram ist und der zweite metallische Überzug NiB enthält.

8. Überzogenes hochabrasives Schleifkornmaterial gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, bei dem der erste metallische Überzug etwa 10 um dick und der zweite metallische Überzug etwa 30 um dick ist.

9. Verfahren zur Herstellung eines überzogenen hochabrasiven Schleifkornmaterials mit hochabrasiven Schleifkornpartikeln ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Diamant und CBN mit den folgenden Schritten:

Oberflächenreinigen des Schleifkornmaterials, wobei dieser Schritt das Spülen des Schleifkornmaterials in deionisiertem Wasser umfaßt und

Überziehen des gereinigten Schleifkornmaterials mit einem nicht leicht oxidierbaren Metall ausgewählt aus W, Ta, Mo, Nb oder Legierungen davon in einer Dicke von 1 um bis 50 um und Wärmebehandlung des überzogenen Schleifkornmaterials zur Bildung einer starken chemischen Bindung zwischen dem Überzug und dem Schleifkornmaterial.

10. Werkzeug, das ein überzogenes hochabrasives Schleifkornmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist, welches mit einer Matrix in Berührung ist, wobei die Matrix mit einem Werkzeugkörper verbunden ist.

11. Werkzeug gemäß Anspruch 10, bei dem der Werkzeugkörper metallisch ist.

12. Werkzeug gemäß Anspruch 10, bei dem der Werkzeugkörper nichtmetallisch ist.

13. Werkzeug gemäß Anspruch 10, das ein Sägeblatt ist.

14. Werkzeug gemäß Anspruch 10, das ein Bohrer ist.

15. Werkzeug gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem das Schleifkornmaterial eine Packdichte von mehr als 70 Vol% aufweist.

16. Zerspanungswerkzeug, das als Zerspanelemente ein überzogenes hochabrasives Schleifkornmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 enthält, wobei das Schleifkornmaterial ein integraler Bestandteil des Werkzeugs ist.