DE69204107T2 - Mehrschichtiges Schleifwerkzeug mit Diamanten. - Google Patents
Mehrschichtiges Schleifwerkzeug mit Diamanten.Info
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Description
- Die Erfindung bezieht sich auf Verbund-Diamant- Schleifmittelkompakts.
- Ein Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakt besteht aus einem Diamantkompakt, der an ein Sintercarbid-Substrat oder -Träger gebunden ist. Derartige Kompakts sind gemäß dem Stand der Technik wohlbekannt und sind ausführlich in der Patent- und anderer Literatur beschrieben worden. Sie haben auch breite kommerzielle Anwendung gefunden.
- Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakts werden im allgemeinen durch Anordnen einer Schicht von Diamantteilchen auf einem Sintercarbidkörper, uni eine nichtgebundene Anordnung zu bilden, und anschließendem Unterwerfen dieser nichtgebundenen Anordnung an erhöhte Temperatur- und Druckbedingungen, bei welchen der Diamant kristallographisch stabil ist, hergestellt. Cobalt dringt aus dem Carbidsubstrat in die Diamantmasse während der Kompaktherstellung ein. Dabei verarmt das Carbidsubstrat an Cobalt, wodurch Spannungen in dem Substrat entstehen. Diese Spannungen können zum Versagen des Verbundkompakts führen, d.h. Delaminierung des Diamantkompakts und der Carbidträgerschichten, während der Behandlung des Hartlötens im Ofen.
- US Patentschrift 3 745 623 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakts. In einer Ausführungsform des Verfahrens gibt es keinen scharfen Übergang von einer Carbid-Cobaltpulver-Mischung (für das Carbidsubstrat) zu der Diamantpulver-Mischung. Stattdessen kann eine Übergangsschicht zwischen der Carbid-Cobaltmasse und dem Carbid-Cobaltpulver vorgesehen sein, wobei diese Übergangsschicht sowohl Carbid-Cobaltpulver als auch Diamantschleifstaub in einer abgestuften Mischung enthält, um Spannungsanhäufungen zu verringern.
- US Patent 4 802 895 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakts, in welchem eine dünne Schicht aus feinein Carbidpulver auf einer Oberfläche eines Carbidkörpers angeordnet ist und eine Masse feiner Diamantteilchen, die mit pulverförmigem Cobalt vermischt sind, auf der Carbidpulverschicht angeordnet ist. Die nichtgebundene Anordnung wird dann den üblichen Bedingungen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Drucks unterworfen, um den Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakt herzustellen.
- US Patent 4 311 490 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakts, in welchem die Diamantmasse aus zwei Schichten besteht, einer groben Schicht, die sehr nahe dem Katalysatormetall vorliegt, d.h. das Cobalt und die Feinstschicht sind am weitesten von dem Katalysatormetall entfernt. Die Cobaltquelle ist das Carbidsubstrat.
- US Patent 4 403 015 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines Verbund-Schleifmittelkompakts, in welchem eine intermediäre Bindungsschicht zwischem dem Kompakt und dem Carbidsubstrat vorliegt. Diese intermediäre Bindungsschicht umfaßt kubisches Bornitrid in einer Menge von weniger als 70 Vol.-% und der restliche Teil umfaßt hauptsächlich eine Verbindung, ausgewählt aus Carbiden, Nitriden, Carbonitriden oder Boriden von IVa-, Va-, VIa-Übergangsmetallen des Periodensystems, eine Mischung derselben oder eine gegenseitige feste Lösungsverbindung derselben.
- EP-A-0 418 078 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Verbund-Schleifmittelkompakts, umfassend die Stufen der Bereitstellung eines Sintercarbidsubstrats, das zwei Schichten aufweist, die durch eine metallische Schicht getrennt sind.
- Das Metall der metallischen Schicht kann ein Weichmetall wie Cobalt oder Nickel oder ein feuerfestes, Carbid-bildendes Metall wie Molybdän, Tantal, Niob, Hafnium, Titan oder Zircon sein. Eine Schicht der Komponenten in Teilchenform, die notwendig ist, um ein Schleifmittelkompakt zu bilden, wird in einer Vertiefung der einen Schicht angeordnet, uni eine nichtgebundene Anordnung herzustellen. Die nichtgebundene Anordnung wird dann den üblichen Bedingungen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Drucks unterworfen, um ein Schleifmittelkompakt aus den Komponenten zu bilden.
- EP-A-0 478 310, veröffentlicht nach dem Prioritätsdatum, das für diese Anmeldung beansprucht wird, offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakts, daß die Stufen der Bildung einer nichtgebundenen Anordnung umfassend einen Sintercarbidkörper, eine Katalysatormetall- Schicht auf einer Oberfläche des Carbidkörpers, eine Schicht von Carbidteilchen, allein oder in einer Vermischung mit anderen Teilchen, auf der Katalysatormetall-Schicht und eine Schicht von Diamantteilchen auf der Schicht der Carbidteilchen, und Unterwerfen der nichtgebundenen Anordnung den Bedingungen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Drucks, bei denen Diamant kristallographisch stabil ist, einschließt, um einen Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakt zu bilden.
- Das Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakt der vorliegenden Erfindung wird in Anspruch 1 beschrieben.
- Figuren 1 und 2 sind graphische Abbildungen, die die Cobalt- Konzentration eines Sintercarbid-Trägers eines Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakts der Erfindung zeigen.
- Figuren 3 und 4 sind graphische Abbildungen, die die Cobalt- Konzentration eines Sintercarbid-Trägers eines Verbund- Diamant-Schleifmittelkompakts gemäß dem Stand der Technik zeigen und
- Figuren 5 und 6 illustrieren Seitenansichten im Schnitt von zwei nichtgebundenen Anordnungen, die in der Praxis der Erfindung nützlich sind.
- Um zu gewährleisten, daß der Carbidträger zwei Zonen wie oben definiert aufweist, wurde gefunden, daß Spannungen, die in den Carbidträger eines Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakts der Erfindung eingebracht werden, im wesentliche umverteilt oder verändert werden, und daß dies zu vorteilhaften Ergebnissen führt. Der Gehalt an bindendem Metall der Zone, die an die Kompakt/Carbid-Grenzfläche angrenzt, ist im wesentlichen geringer als der der verbleibenden oder ersten Zone des Trägers. Der Gehalt an bindendem Metall der zweiten Zone wird im allgemeinen von einem geringen Gehalt an der Kompakt/Grenzfläche zu einem höheren Gehalt im Bereich, bei dem die zweite Zone in die erste Zone übergeht, sein. Der Gehalt an bindendem Metall der zweiten Zone wird insgesamt im wesentlichen geringer sein als der der ersten Zone.
- Dies wird graphisch durch die Figuren 1 und 2 illustriert, welche den Cobaltgehalt (Gew.-%) des Carbidträgers als eine Funktion des Abstandes von der Kompakt/Carbid-Grenzfläche (in mm) zeigen. Die Tiefe oder Dicke des Carbids lag bei jedem Abstand in der Größenordnung von 12 bis 13 mm, obwohl ähnliche Profile bei Carbid-Dicken von 6 bis 8 mm erhalten werden. Es ist ersichtlich, daß in einer Zone (die zweite Zone), die sich von der Grenzfläche zu einer Tiefe von nicht mehr als 0,4 mm hin erstreckt, ein Cobalt-armer Bereich vorliegt, der mit einem geringen Wert an der Grenzfläche beginnt und dann steil zu einem Gehalt ansteigt, der bei dem, oder fast bei dem, Cobaltgehalt der Gleichgewichts- oder ersten Zone des Trägers liegt. Insbesondere ist ersichtlich, daß der Gehalt an bindendem Metall der zweiten Zone an der Grenzfläche 15 bis 30 % des Gehalts an bindendem Metall der Gleichgewichts- oder ersten Zone des Trägers beträgt und daß dieser Gehalt an bindendem Metall auf einen Wert von mindestens 90 % des Gehalts an bindendem Metall des Gleichgewichts des Trägers (die erste Zone) in dem Bereich zunimmt, in dem die zweite Zone in die erste Zone übergeht. Diese Zunahme findet in einer kontinuierlichen und nicht-unterbrochenen Weise statt.
- Dies soll dem Cobaltprofil eines Carbidträgers eines Verbund- Diamant-Schleifmittelkompakts gemäß dem Stand der Technik gegenübergestellt werden, das graphisch durch die Figuren 3 und 4 illustriert wird. Es ist ersichtlich, daß die Steigung in der graphischen Abbildung flacher ist und daß auch der Cobalt-arme Bereich sich weit über 0,4 mm hin erstreckt. Es wurde gefunden, daß Spannungen in den Carbidträgern der Kompakts der Figuren 3 und 4 vorliegen, die zur Delaminierung des Carbids vom Kompakt während des Hartlötens im Ofen führen. Eine derartige Delaminierung trat nicht bei den Verbund-Kompakts der Figuren 1 und 2 auf. Der Delaminierungstest beinhaltete Erhitzen eines Tiegels, der mit Lötlegierung gefüllt war, auf eine bestimmte Temperatur unter Verwendung einer Induktionsspule, Eintauchen des Verbund-Diamant- Schleifmittelkompakts während einer vorgegebenen Zeitspanne in das geschmolzene Hartlot, Abkühlen des Verbund-Kompakts auf Raumtemperatur und Untersuchung des Produkts auf irgendwelche Anzeichen von Delaminierung oder anderes, thermisch induziertes, Fehlverhalten.
- Die Erfindung hat besondere Anwendung bei Verbund-Diamant- Schleifmittelkompakts, die beabsichtigt sind, als Einsatzteile für Bohrwerkzeuge verwendet zu werden. Derartige Verbund-Schleifmittelkompakts werden im allgemeinen eine Länge von 3 bis 13 mm haben, wobei die Diamant-Kompaktschicht nicht mehr als ½ mm zu dieser Länge beiträgt. So werden die Carbidträger im allgemeinen eine Länge von 2, 5 bis 12, 5 mm haben.
- Das Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakt der Erfindung kann unter Verwendung bekannter Verfahrensbedingungen sicher hergestellt werden, so daß die maxial erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen während einer relativ kurzen Zeitspanne, z.B. nur 5 bis 8 Minuten, beibehalten werden sollte. Es sind diese Bedingungen, die bei der Herstellung der Verbund- Diamant-Schleifmittelkompakts verwendet wurden, mit denen die graphischen Abbildungen der Figuren 1 und 2 gemacht wurden. Bei den Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakts, die zur Herstellung der graphischen Abbildungen der Figuren 3 und 4 verwendet wurden, wurden die Bedingungen der maximal erhöhten Temperatur und des maximal erhöhten Drucks während einer Zeitspanne in der Größenordnung von 15 Minuten in jedem Fall beibehalten.
- Die Carbidteilchen des Carbidträgers können fein, vorzugsweise 1 bis 3 um, oder mittel, vorzugsweise 3 bis 6 um, sein. Bei feinen Carbidteilchen wird der Gehalt an bindendem Metall typischerweise etwa 13 Gew.-% betragen. Bei mittleren Carbidteilchen wird der Gehalt an bindendem Metall typischerweise etwa 13,5 Gew.-% betragen. Ein Gehalt an bindendem Metall in der ersten Zone von 12 bis 14 Gew.-% ist typisch. Das bindende Metall kann jedes gemäß dem Stand der Technik bekannte sein, wie Cobalt, Eisen oder Nickel, oder eine Legierung, die eines oder mehrere dieser Metalle enthält.
- Die Diamantteilchen können in loser oder gebundener Form vor der Kompaktbildung vorliegen. Wenn sie in gebundener Form vorliegen, können sie mittels eines geeigneten organischen Bindemittels wie Cellulose gebunden sein, das leicht unter den angewendeten, erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen verdampft, um das Diamantkompakt zu bilden.
- Figuren 5 und 6 illustrieren zwei nichtgebundene Anordnungen, die zur Herstellung des Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakts der Erfindung verwendet werden können. Wenn man sich zuerst auf Figur 5 bezieht, so wird dort ein Sintercarbidkörper 10 gezeigt, der eine untere Oberfläche 12 und eine obere Oberfläche 14 aufweist. Eine Vertiefung 16 wird in der oberen Oberfläche 14 gebildet.
- In der Vertiefung 16 sind drei diskrete Schichten angeordnet. Die erste Schicht 18 ist in Kontakt mit der Oberfläche 20 des Körpers 10, und sie ist ein Cobalt-Abstandhalter. Die zweite Schicht 22 ist eine Schicht aus gebundenen Carbidteilchen. Die dritte Schicht 24 ist eine Schicht aus gebundenen Diamantteilchen.
- Die Schichten 22 und 24 werden beide zuerst durch Vermischen des bestimmten Teilchens mit Methylcellulose und anschließendem Erhitzen dieser Mischung auf eine Temperatur im Bereich von 100ºC, unter Bildung einer Sintermasse hergestellt. Diese Sintermasse wird dann in der Vertiefung 16 angeordnet.
- Die nichtgebundene Anordnung wird auf eine Temperatur von etwa 350ºC erhitzt. Dies hat die Wirkung, daß das Methylcellulose-Bindemittel aus den Schichten 22, 24 ausgetrieben wird oder verdampft. Die Anordnung wird dann in eine Reaktionskapsel gegeben. Die gefüllte Kapsel wird in die Reaktionszone der Hochtemperatur/Hochdruck-Apparatur eingebracht. Die Inhaltsstoffe der Kapsel werden einer Temperatur von 1500ºC und einem Druck von 50 Kilobar ausgesetzt und diese erhöhten Bedingungen werden während einer Zeitspanne von etwa 5 bis 8 Minuten beibehalten. Während dieser Zeitspanne dringt Cobalt von der Schicht 18 in sowohl die Schicht 22 als auch die Schicht 24 ein und erzeugt in diesen Schichten jeweils Sintercarbid und einen Diamantkompakt. Es erfolgt ein gewisses Eindringen von Cobalt in den Körper 10. Es wird eine starke Bindung zwischen den Schichten 22 und 24 und zwischen der Schicht 22 und dem Körper 10 gebildet.
- Das gebundene Produkt kann nun aus der Reaktionskapsel unter Verwendung üblicher Techniken gewonnen werden. Die Seiten 26 des Körpers 10 können, z.B. durch Abschleifen bis zu den gestrichelten Linien entfernt werden, um ein Verbund-Diamant- Schleifmittelkompakt zu bilden.
- Figur 6 illustriert eine zweite Ausführungsform der Erfindung, in welcher gleiche Teile gleiche Bezugzeichen haben. In dieser nichtgebundenen Anordnung gibt es keine Schicht 22 aus gebundenen Carbidteilchen; der Sintercarbidkörper 10 erstreckt sich bis zu dem Cobalt-Abstandhalter 18.
- Die Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakts, die unter Verwendung der nichtgebundenen Anordnungen von sowohl der Figur 5 als auch der Figur 6 und den Temperatur- und Druckbedingungen, die in Bezug auf die Ausführungsform der Figur 5 beschrieben sind, hergestellt wurden, haben ein Cobalt-Bindemittelprofil in dem Carbidträger wie in den Figuren 1 und 2 illustriert ist. Es wurde gefunden, daß in keinem Fall Delaminierung des Carbidträgers von dem Diamantkompakt erfolgte, wenn das Verbund-Schleifmittelkompakt in die Arbeitsoberfläche eines Bohrwerkzeuges oder eines ähnlichen Werkzeuges eingelötet und anschließend verwendet wurde.
Claims (8)
1. Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakt umfassend ein
Diamantkompakt, das entlang einer Kompakt/Carbid-
Grenzfläche an einen gesinterten Carbidträger gebunden
ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Carbidträger
wenigstens zwei Zonen umfaßt, nämlich eine erste Zone, die ein
bindendes Metall enthält, und eine zweite Zone, die sich
von der Grenzfläche zu der ersten Zone hin erstreckt und
einen geringeren Gehalt an bindendem Metall als die erste
Zone hat, wobei der Gehalt an bindendem Metall der
zweiten Zone an Konzentration von der Grenzfläche zu der
ersten Zone zunimmt, der Gehalt an bindendem Metall an
der Grenzfläche 15 bis 30 % des Gehalts an bindendem
Metall in der ersten Zone beträgt, der zu einem Gehalt an
bindendem Metall von wenigstens 90 % des Gehalts an
bindendem Metall der ersten Zone in dem Bereich zunimmt, in
der die zweite Zone in die erste Zone übergeht, wobei die
zweite Zone eine Tiefe oder Dicke von nicht mehr als 0, 75
mm hat.
2. Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakt gemäß Anspruch 1,
worin die zweite Zone eine Tiefe oder Dicke von nicht
mehr als 0, 6 mm hat.
3. Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakt gemäß Anspruch 1,
worin die zweite Zone eine Tiefe oder Dicke von nicht
mehr als 0, 4 mm hat.
4. Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakt gemäß irgendeinem
der vorhergehenden Ansprüche, worin die zweite Zone eine
Tiefe oder Dicke von nicht mehr als 0, 2 mm hat.
5. Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakt gemäß irgendeinem
der vorhergehenden Ansprüche, worin der Gehalt an
bindendem Metall des Carbidträgers auf kontinuierliche,
ununterbrochene Weise in der zweiten Zone von der
Kompaktcarbid-Grenzfläche zu der ersten Zone hin zunimmt.
6. Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakt gemäß irgendeinem
der vorhergehenden Ansprüche, worin die Länge des Carbids
hinter dem Diamantkompakt etwa 2,5 bis 12,5 mm beträgt.
7. Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakt gemäß irgendeinem
der vorhergehenden Ansprüche, worin der Gehalt an
bindendem Metall der ersten Zone etwa 12 bis 14 Gew.-%
beträgt.
8. Verbund-Diamant-Schleifmittelkompakt gemäß irgendeinem
der vorhergehenden Ansprüche, worin das bindende Metall
aus Cobalt, Eisen, Nickel und Legierungen, die eines oder
mehrere dieser Metalle enthalten, ausgewählt ist.
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