DE69206510T2

DE69206510T2 - Verfahren zum Aufbringen von Metallüberzügen auf kubischem Bornitrid.

Info

Publication number: DE69206510T2
Application number: DE69206510T
Authority: DE
Inventors: Charles Dominic Iacovangelo
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Diamond Innovations Inc
Priority date: 1991-08-01
Filing date: 1992-07-28
Publication date: 1996-06-05
Anticipated expiration: 2012-07-29
Also published as: US5188643A; ZA925390B; CA2072274C; KR930004494A; IE73877B1; CA2072274A1; KR100292310B1; EP0526158B1; JPH05195267A; JP3471825B2; ES2082376T3; ATE131218T1; EP0526158A1; DE69206510D1; IE922537A1

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ein Verfahren zum Aufbringen eines Metallüberzuges auf kubisches Bornitrid. Mehr im besonderen bezieht sich die Erfindung auf stromloses Überziehen von kubischem Bornitrid mit Metallegierungen.

Hintergrund der Erfindung

Kubisches Bornitrid ist mit einer Vickers-Härte von etwa 5.000 außerordentlich hart. Seine Härte macht kubisches Bornitrid brauchbar in einer Vielzahl industrieller Komponenten.
Schleifteilchen, wie Teilchen aus kubischem Bornitrid, wurden sehr viel zum Schneiden, Schleifen, Läppen und Polieren in Metall entfernenden Industrien sowie auf medizinischen Gebieten, wie der Zahnheilkunde und der Chirurgie, eingesetzt. Schleifteilchen werden in Schleifwerkzeugen, wie Schleif- und Abdrehscheiben, Wölbwerkzeugen und Spitzsticheln, benutzt. Ein beträchtlicher Forschungsaufwand wurde in die Verbesserung der Bindeeigenschaften von kubischem Bornitrid an den Matrizes dieser Werkzeuge gesteckt, da ein schlechtes Binden an der Grenzfläche von kubischem Bornitrid zur Matrix während der Schleifoperation zu einem Herausreißen des Teilchens aus kubischem Bornitrid aus der Matrix führt. Als Ergebnis dieser Forschung ist im Stande der Technik bekannt, daß der Metallüberzug von Schleifteilchen das Festhalten solcher Teilchen in den Matrizes verschiedener Schleifwerkzeuge, wie harzgebundenen Scheiben, verbessert. Im besonderen ist es bekannt, daß das Festhalten der Teilchen aus kubischem Bornitrid durch einen Nickelüberzug verbessert wird. Um das Festhalten der Teilchen alls kubischem Bornitrid zu verbessern, werden ihre Oberflächen mit einem Nickelüberzug rauher Textur mit gezackten Kanten versehen. Die gezackten Kanten geben den metallüberzogenen Teilchen eine verbesserte mechanische Verriegelungseinrichtung, mit der sie während der Schleifoperation in der Harzmatrix festgehalten werden. Der Metallüberzug schafft auch eine Einrichtung zum gleichmäßigen Übertragen von Wärme, die während der Schleifwirkung entlang den Oberflächen der Schleifteilchen erzeugt wird. Metallschichten haben jedoch eine dürftige Haftung an kubischem Bornitrid.
Es ist im Stand der Technik auch bekannt, daß das Festhalten von kubischem Bornitrid in den Schleifwerkzeugen durch Versehen der Teilchen mit mehreren Metallschichten, wie Molybdän, Titan, Niob, Chrom, Zirkonium, Kupfer und Nickel, weiter verbessert wird.
Das Überziehen der Teilchen mit Metall kann in Abhängigkeit von der Natur des Metallüberzuges nach einer Vielfalt von Verfahren erfolgen. Der Metallüberzug kann nach bekannten Verfahren unter hoher Temperatur aufgebracht werden, wie dem chemischen Bedampfen, der Abscheidung geschmolzenem Salzes und dem Pulver-Agglomerierungsüberzug. Der Hauptnachteil solcher Techniken besteht darin, daß das bei hoher Temperatur ausgeführte Verfahren die Schleifteilchen deutlich beeinträchtigen kann. Das vorgenannte Problem der Beeinträchtigung bzw. des Abbaus kann vermieden werden durch elektrolytisches, stromloses oder im Vakuum ausgeführtes Abscheiden des Metallüberzuges auf Schleifteilchen, doch bleibt das Problem der dürftigen Haftung am kubischen Bornitrid.
Die vorliegende Erfindung ist auf die Verbesserung der Haftung von Metallüberzügen an den Oberflächen von Teilchen aus kubischem Bornitrid gerichtet.

Darlegung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung ist auf ein Verfahren zum Verbessern der Haftung eines Metallegierungs-Überzuges an einer Oberfläche eines Gegenstandes aus kubischem Bornitrid gerichtet, umfassend die Stufen:
Katalytisches Aktivieren der Oberfläche des Gegenstandes;
Eintauchen des Gegenstandes in ein Bad zum stromlosen Plattieren für eine wirksame Zeitdauer, um die Oberfläche des Gegenstandes bis zu einer gewünschten Dicke zu plattieren, wobei das Bad eine Verbindung des genannten Metalles und eine Verbindung eines Elementes umfaßt, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Bor, Molybdän, Titan, Niob und Chrom;
graduelles Erhitzen des stromlos plattierten Gegenstandes in einer oxidierenden Atmosphäre von Raumtemperatur bis zu einer Wärmebehandlungstemperatur von etwa 400ºC bis etwa 900ºC mit einer vorbestimmten Rate von weniger als 20ºC/min und Halten des stromlos plattierten Gegenstandes bei dieser Wärmebehandlungstemperatur, bis ein Grad der Haftung von mindestens 690 kPa (100 psi) zwischen der Oberfläche und dem Metallegierungsüberzug erzielt ist.
Typischerweise wird nach dem vorerwähnten Verfahren ein Nickel/Bor-Legierungsüberzug auf Teilchen aus kubischem Bornitrid aufgebracht. Diese Teilchen werden dann in einer harzartigen Matrix einer Schleifscheibe gleichmäßig dispergiert und eingebettet, um die Schleifwirksamkeit zu verbessern.
Andere Vorteile dieser Erfindung werden beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung und der beigefügten Ansprüche deutlich.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Die vorliegende Erfindung ist auf die Verbesserung der Haftung von Metallüberzügen an Oberflächen von kubischem Bornitrid gerichtet. Die Oberflächen des kubischen Bornitrides werden stromlos mit einer Nickellegierung plattiert, die ein Nichtmetall, wie Bor oder ein Übergangsmetall, wie Molybdän, Titan, Niob oder Chrom enthält, um die Benetzbarkeit der Oberflächen des kubischen Bornitrides und die Bildung einer chemischen Bindung zwischen der Nickellegierung und dem kubischen Bornitrid zu verbessern.
Im allgemeinen wird eine Adhäsionsbindung zwischen der Metallschicht und der Oberfläche des darunterliegenden Substrates durch molekularen Grenzflächenkontakt zwischen der Metallschicht und der Oberfläche gebildet. Der molekulare Grenzflächenkontakt ist proportional der Benetzbarkeit der Oberfläche. Die Benetzbarkeit der Oberfläche ist als Kontaktwinkel eines Flüssigkeitströpfchens auf einer Oberfläche definiert. Eine benetzbare Oberfläche hat einen spitzen Kontaktwinkel (weniger als 90º), während eine nicht benetzbare Oberfläche einen stumpfen Kontaktwinkel (mehr als 90º) aufweist.
Die Stufen der Erfindung sorgen für ein chemisches Modifizieren einer Oberfläche eines Gegenstandes aus kubischem Bornitrid, wie von Teilchen aus kubischem Bornitrid, um die Haftung einer Metallschicht daran zu verbessern. Bei einer seiner Ausführungsformen sorgt das Verfahren dieser Erfindung für das aufeinanderfolgende in Berührung bringen der Oberfläche mit den im folgenden offenbarten Lösungen.
Die Oberfläche des kubischen Bornitrids wird katalytisch aktiviert, um die stromlose Metallabscheidung zu gestatten. Die katalytisch aktivierte Oberfläche wird dann mit einer Metallschicht einer erwünschten Dicke stromlos plattiert. In nachfolgenden Stufen kann die stromlos plattierte Oberfläche elektrolytisch oder stromlos mit einer anderen Schicht aus einem, dem darunterliegenden ähnlichen oder einem anderen Metall plattiert werden. Die Stufen wechseln sich normalerweise mit Spülstufen ab.
Der Begriff "Oberfläche" oder "Oberfläche von kubischem Bornitrid" bedeutet eine Oberfläche eines Substrates aus kubischem Bornitrid, das in einem Gegenstand, wie Schleifteilchen, die in einer Schleifscheibe eingebettet sind, benutzt wird. Typischerweise haben aus kubischem Bornitrid hergestellte Schleifteilchen eine Maschengröße zwischen 320 und 30. Dem Fachmann ist jedoch klar, daß die vorliegende Erfindung auch für Maschengrößen geeignet ist, die größer oder kleiner als die oben erwähnten sind.
Falls erforderlich, kann die Oberfläche des kubischen Bornitrids anfänglich mit einem Entfettungsmittel, wie einem Detergenz, einem geeigneten organischen Lösungsmittel oder einer verdünnten Säure, entfettet werden. Typische Oberflächenreiniger, die für die Oberfläche vom kubischen Bornitrid geeignet sind, sind Lösungsmittel, wie Freon TF, 1,1,2-Trichlortrifluorethan, verdünnte Salpetersäure oder verdünnte Chlorwasserstoffsäure. Umweltmäßig sichere Reiniger, wie Shipley Acid Cleaner 1118, von der International Products Inc. Trenton, New Jersey hergestelltes Micro oder alkoholische Lösungen von Animen, wie von der Chemical Solvents Inc., Cleveland, Ohio hergestelltes SP-734 sind häufig bevorzugt.
Der Begriff "entfettet", wie er im folgenden benutzt wird, bedeutet ein Substrat aus kubischem Bornitrid, dessen Oberfläche frei von Öl, Fingerabdrücken oder Fremdmaterialist.
Die Begriffe "wirksame Zeit, Temperatur und Konzentration", wie sie im folgenden benutzt werden, beziehen sich auf eine Zeitdauer, einen Grad der Temperatur bzw. eine Konzentration, wie sie erforderlich ist, um ein genügendes Niveau der Metallabscheidung zu erzielen, das erforderlich ist, um ein erwünschtes Ergebnis auf der Oberfläche zu erzeugen, und der Fachmann wird leicht erkennen, daß durch Manipulieren der Konzentrationen und der Temperaturen der verschiedenen vorerwähnten Reagenzien, die in der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden, die Kontaktzeit für spezielle Verarbeitungsbedingungen optimiert werden kann.
Es ist häufig brauchbar, die Aktivierung der Oberfläche durch eine Behandlung mit einem Zusatz zu beginnen, der die Absorption des Plattierungs-Katalysators unterstützt. Solche Zusätze sind im Stand der Technik bekannt. Beispielhafte Hilfsmittel für die Katalysator-Absorption schließen Shipley Cuposit 1175A Cleaner-Conditioner, eine Mischung aus Ethanolamin und Triethanolamin, die durch die Shipley Company hergestellt wird sowie Metex 9420, ein Produkt der MacDermid Corporation, ein.
Das Eintauchen in etwa 0,1 bis etwa 5 Vol.-% jedes dieser Mittel in Wasser für etwa 1 bis etwa 10 Minuten bei einer Temperatur von etwa 40 bis etwa 80ºC genügt überlicherweise. Vorzugsweise wird ein Bad von Shipley Cuposit 1175A, das bei etwa 55ºC gehalten wird und eine durch den Hersteller empfohlene Konzentration von etwa 2,5 Vol.-% aufweist, benutzt.
Die Aktivierung der Oberfläche für Plattierungszwecke kann nach im Stande der Technik bekannten Verfahren erfolgen. So kann das Substrat z.B. mit einer Säurelösung eines Edelmetalles, wie Palladiumchlorid in Chlorwasserstoffsäure, für eine Zeitdauer in Berührung gebracht werden, die genügt, um die katalytische Aktivierung der Oberfläche zu verursachen.
Eine veranschaulichende Aktivierungstechnik schließt das Eintauchen der Oberfläche in eine Lösung von MacDermid D34C Pd, einem Produkt der MacDermid Corporation, ein. Diese Lösung schafft einen Palladium/Zinn-Plattierungskatalysator. Im allgemeinen folgt der Äktivierungsstufe ein Spülen mit Wasser.
Nach dem Aktivieren und Spülen der Oberfläche kann das stromlose Plattieren mit einem Überzug aus Nickellegierung erfolgen. Ein bevorzugtes Bad zum stromlosen Plattieren nach der Erfindung ist eine wässrige Lösung, umfassend ein Nickelsalz, einen Chelatbildner, ein Reduktionsmittel und ein Mittel zum Einstellen des pH. Das Nickelsalz, wie Nickelsulfat, Nickelacetat oder Nickelhalogenid, kann als eine Quelle von Nickelionen benutzt werden. Nickelsulfat ist bevorzugt. Im allgemeinen sollte das Nickelsalz in einer Menge im Bereich von etwa 0,01M bis etwa 02M, vorzugsweise etwa 0,112M bis etwa 0,116M und am bevorzugtesten in einer Konzentration von etwa 0.114M hinzugegeben werden. Ein Chelatbildner, wie Äpfelsäure, Essigsäure, Milchsäure oder Zitronensäure, kann eingesetzt werden. Äpfelsäure ist bevorzugt. Im allgemeinen sollte der Chelatbildner in einer Menge im Bereich von etwa 0,03M bis etwa 0,6M, vorzugsweise etwa 0,325M bis etwa 0,348M und am bevorzugtesten in einer Konzentration von etwa 0,337M hinzugegeben werden. Das Reduktionsmittel, wie Dimethylaminboran, Alkalimetallborhydrid oder Trimethylaminboran, kann als eine Quelle für Borionen benutzt werden. [)imethylaminboran ist bevorzugt. Im allgemeinen sollte das Reduktionsmittel in einer Menge im Bereich von etwa 0,005M bis etwa 0,1M, vorzugsweise etwa 0,04M bis etwa 0,08M und am bevorzugtesten in einer Menge von etwa 0,06M hinzugegeben werden. Ein Mittel zum Einstellen des pH, wie Ammoniumhydroxid oder Alkalimetallhydroxid, kann benutzt werden, um den pH des Bades zum stromlosen Platttieren zu erhöhen. Ammoniumhydroxid ist bevorzugt. Im allgemeinen sollte das Mittel zum Einstellen des pH in einer Menge hinzugegeben werden, um den pH bei etwa 4 bis etwa 6, vorzugsweise bei etwa 5,5 zu halten.
Ein anderes Bad zum stromlosen Plattieren, das für die vorliegende Erfindung geeignet ist, umfaßt ein konventionelles Bad zum stromlosen Plattieren von Nikkel/Phosphor, wie AK 1000 , das von der Allied Kelite Corporation vertrieben wird, vermischt mit einer Verbindung eines Übergangselementes. Der pH des Bades wird auf etwa 9 bis etwa 10, vorzugsweise auf etwa 9,5 durch Zugabe eines Alkalimetallhydroxids eingestellt. NaOH ist bevorzugt. Beispielhafte Nickellegierungen, die zur Bildung des Metallüberzuges eingesetzt werden, schließen Elemente ein, wie Molybdän, Wolfram, Titan, Niob oder Chrom. Molybdän ist bevorzugt. Im allgemeinen wird die Verbindung des Übergangselementes zu dem konventionellen Nickel/Phosphor-Bad, wie AK 1000 , in einer Konzentration von etwa 0,001M bis etwa 0,100M, vorzugsweise in einer Konzentration von etwa 0,01 bis etwa 0,02 M hinzugegeben. Natriummolybdat ist bevorzugt.
Bäder zum stromlosen Plattieren sind im Stand der Technik bekannt, und sie sind allgemein in der "Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology", 3. Auflage, Band 8, beschrieben.
Die Auswahl eines speziellen Bades oder Verfahrens zum stromlosen Plattieren ist für die vorliegende Erfindung nicht kritisch. Der Inhalt des Bades und die speziellen Plattierungsparameter, z.B. Temperatur, pH und Eintauchzeit, hängen natürlich von der im Einzelfall abgeschiedenen Metallegierung ab. Eintauchzeiten, Badtemperaturen und andere Betriebsparameter können gemäß den Vorschlägen des Herstellers bestimmt und kontrolliert werden. Typischerweise kann das Bad mittels Ultraschall oder einer Rühreinrichtung während des Plattierens der Teilchen aus kubischem Bornitrid gerührt werden, um ein Überbrücken zwischen den einzelnen Telchen zu verhindern. Es kann auch ein Fließbett benutzt werden, um das vorerwähnte Überbrücken zu verhindern.
Der Fachmann auf diesem Gebiet wird in der Lage sein, die geeignetste Plattierungsprozedur für eine spezielle Situation zu bestimmen.
Die metallüberzogene Oberfläche des kubischen Bornitrids wird nach der stromlosen Abscheidung der Metallegierung einer Wärmebehandlung unterworfen. Während der Wärmebehandlung wird die Temperatur in einer stationären vorbestimmten Rate von einer ersten Temperatur bis zu einer Wärmebehandlungs-Temperatur erhöht, um das Zusammenballen der Metallschicht zu verhindern. Der Begriff "Zusammenballen" bedeutet eine Schichttrennung eines Metallüberzuges von einer darunter liegenden Oberfläche, wobei sich der Metallüberzug von der Oberfläche weg unter Bildung einer ballartigen Gestalt zusammenrollt. Die Temperatur wird mit einer Rate von weniger als 20ºC/min, vorzugsweise einer Rate von etwa 10ºC/min erhöht. Die erste Temperatur ist typischerweise Raumtemperatur von etwa 24ºC. Die Wärmebehandlung wird in einer nicht oxidierenden Atmosphäre ausgeführt, die ein Inertgas, vermischt mit etwa 5 bis etwa 10 Vol.-% Wasserstoff, enthält. Das Inertgas kann ausgewählt sein aus den Edelgasen der Gruppe VIII des Periodensystems. Argon ist bevorzugt. Das Erhitzen des gesamten Gegenstandes, d.h. des Substrates mit dem darauf befindlichen Metall, in einem Ofen genügt, obwohl irgendein Heizverfahren geeignet ist. Typischerweise wird diese Wärmebehandlung bei einer Wärmebehandlungs-Temperatur im Bereich von etwa 400 bis etwa 900ºC, vorzugsweise bei etwa 500 bis etwa 700ºC für etwa 25 bis etwa 120 Minuten ausgeführt, wobei die höheren Temperaturen innerhalb des obigen Bereiches im allgemeinen mit kürzerer Dauer und umgekehrt benutzt werden. Die bevorzugte Dauer für die vorgenannte Wärmebehandlung beträgt etwa 1 h. Obwohl der Mechanismus nicht voll verstanden wird, scheint die Wärmebehandlung die Bildung der chemischen Bindung zwischen der Oberfläche des kubischen Bornitrids und der Metallschicht zu verbessern.
Soll eine andere Metallschicht auf die stromlos mit Metall überzogene Oberfläche, z.B. durch Elektroplattieren, aufgebracht werden, dann kann die oben beschriebene Wärmebehandlung in einigen Fällen weggelassen werden, wenn die vorerwähnte Wärmebehandlung nach der letzten Plattierungsstufe benutzt wird, wie weiter unten be schrieben. Bevorzugte Ausführungsformen schließen jedoch die Wärmebehandlung vor dem Abscheiden der zusätzlichen Metallschichten ein.
Obwohl das stromlose Plattieren das bevorzugte Verfahren zum Aufbringen der zweiten Metallschicht ist, kann auch Elektroplattieren benutzt werden. Das Substrat wird üblicherweise vor dem Eintauchen in das Elektroplattierungsbad gereinigt. Das Reinigen kann durch Spülen des Subtrates mit einer verdünnten Lösung einer starken Säure, wie 10 Vol.-% Chlorwasserstoffsäure in Wasser, erfolgen.
Elektroplattierungsbäder sind im Stand der Technik bekannt und werden, z.B., in der US-PS 4,555,315 beschrieben, obwohl das im Einzelfall benutzte Elektroplattierungsbad für die vorliegende Erfindung nicht kritisch ist. Die Auswahl hängt natürlich teilweise von dem im Einzelfalle abgeschiedenen Metall ab. Geeignete Metalle schließen Nickel, Kupfer, Kobalt, Palladium und Platin ein. Weiter wird der Fachmann feststellen, daß der Inhalt des speziellen Bades von einigen Faktoren abhängt, die für die stromlose Abscheidung des oben beschriebenen Metalles in Betracht zu ziehen sind. Eine Beschreibung von Bädern zum Plattieren von Kupfer oder verschiedener anderer Metalle findet sich in der oben angegebenen Encyclopädie von Kirk-Othmer im Band 8, beginnend auf Seite 826. Bäder, die zum Aufbringen einer Schicht eingesetzt werden, schließen typischerweise einen wässrigen saueren Kupferelektrolyten ein, wie saures Kupfersulfat oder saures Kupferfluorborat; Halogenidionen, wie Chlorid und/oder Bromid und verschiedene andere Komponenten, die im Stand der Technik bekannt sind. Die Dicke der zweiten Metallschicht hängt natürlich vom erwünschten Einsatz des metallüberzogenen Substrates ab.
Ein Ätzmittel wird häufig vor dem Abscheiden dieser zweiten elektrolytischen Schicht eingesetzt. Ein typisches Beispiel des Ätzmittels ist eine verdünnte Lösung einer starken Säure, wie Chlorwasserstoffsäure in Wasser bei einer Konzentration von 50 Vol.-%. Das Substrat wird in das vorerwähnte Ätzmittel für etwa 10 bis etwa 120 Sekunden eingetaucht. Üblicherweise folgt der Ätzstufe ein Spülen mit entionisiertem Wasser. Das Substrat ist nun für das weitere Plattieren vorbereitet. Das elektrolytische Bad für die zweite elektrolytische Schicht kann eines der im Stand der Technik bekannten konventionellen Bäder sein.
Nach dem Abscheiden der zweiten elektrolytischen Schicht wird die Oberfläche wieder mit Wasser gespült, und sie kann einer zweiten Wärmebehandlung ausgesetzt werden, um die Haftung der Metallschichten an dem Substrat weiter zu verbessern. Eine typische Wärmebehandlung für diese Stufe schließt Temperaturen im Bereich von etwa 100 bis etwa 500ºC für eine Zeitdauer im Bereich von etwa 5 Minuten bis etwa 20 Stunden ein.
In bevorzugten Ausführungsformen hat der durch das Verfahren dieser Erfindung hergestellte Gegenstand üblicherweise einen ersten stromlos aufgebrachten Metallüberzug mit eine. Dicke von etwa 0,25 bis etwa 3 µm, eine zweite stromlos aufgebrachte Metallschicht von etwa 5 µm sowie eine dritte stromlos aufgebrachte Metallschicht von etwa 5 µm Dicke, falls eine solche erwünscht ist. Es ist jedoch zu bemerken, daß die vorliegende Erfindung mehrere Schichten aus verschiedenen Metallen in Betracht zieht, und es sollte nicht davon ausgegangen werden, daß die Erfindung auf gerade drei oder weniger Metallschichten oder die hier offenbarten spezifischen Metallschichten beschränkt sei.
Ein nach dein Verfahren dieser Erfindung hergestellter Gegenstand umfaßt eine Oberfläche aus kubischem Bornitrid, die eine Metallegierungschicht, wie eine Nickellegierungsschicht, trägt. Das Metall ist mit einem Nichtmetall, wie Bor oder einem Übergangsmetall, wie Molybdän, Wolfram, Titan, Niob oder Chrom, legiert. Die Metallegierungsschicht umfaßt einen ersten stromlos aufgebrachten Metallüberzug auf der Oberfläche des kubischen Bornitrids. Zusätzliche sekundäre Metallschichten können stromlos oder elektrolytisch auf den ersten Metallüberzug aufgebracht werden, bis eine erwünschte Dicke erzielt ist. Die vorliegende Erfindung zieht verschiedene Kombinationen von Metallegierungsschichten in Betracht, wie eine einzelne Legierungsschicht aus Nikkel/Bor, eine primäre Legierungsschicht aus Nickel/Bor, gefolgt von einer sekundären Nickel/Phosphorschicht oder eine primäre Legierungsschicht aus Nickel/Bor, gefolgt von einer sekundären Kupferschicht und einer tertiären Kobaltschicht.
Ein Gegenstand der bevorzugten Ausführungsform ist ein Gegenstand, wie mit Metallegierung überzogene Schleifteilchen aus kubischem Bornitrid, die in einer Harzmatrix eines Schleifwerkzeuges, wie einer Schleifscheibe, eingebettet sind und die Teilchenoberflächen aufweisen, die stromlos mit einem ersten Legierungsüberzug aus Nikkel/Bor durch das Verfahren der vorliegenden Erfindung überzogen sind. Eine zweite Metallschicht, vorzugsweise aus Nickel/Phosphor, kann auf dem ersten Metallüberzug angeordnet werden, wobei die zweite Schicht stromlos oder elektrolytisch auf der ersten Schicht abgeschieden wird. Wie bereits erwähnt, wird die zweite Schicht vorzugsweise durch stromlose Metallabscheidung aufgebracht. Die kombinierte Dicke der Metallschichten wird auf eine erwünschte Dicke eingestellt, die genügt, um der Schleifwirkung zu widerstehen.
Ein anderes Beispiel eines Gegenstandes, der in der vorliegenden Erfindung offenbart ist, ist ein Schleifwerkzeug, wie ein Fräser mit einer Schleifoberfläche, die durch einen mit Metallegierung überzogenen Film aus kubischem Bornitrid, typischerweise einer Scheibe, geschaffen wird. Die Oberfläche des Films ist mit einem stromlos plattierten Legierungsüberzug aus Nickel/Bor versehen. Eine zweite Metallschicht, vorzugsweise aus Nickel/Phosphor, kann auf dem ersten Metallüberzug angeordnet sein, wobei die zweite Schicht stromlos oder elektrolytisch auf die erste Schicht aufgebracht wird. Durch Versehen des Filmes aus kubischem Bornitrid mit einem solchen Metallegierungs-Überzug wird seine Haftung an einer anderen Metalloberfläche, wie der durch einen Werkzeughalter geschaffenen, merklich verbessert.
Die vorliegende Erfindung wird durch die folgenden spezifischen Beispiele weiter veranschaulicht.

BEISPIEL 1

200 ml einer wässrigen Lösung eines Ni/B-Bades zum stromlosen Abscheiden wurde hergestellt durch Vermischen von 0,114M Nickelsulfat, 0,337M Äpfelsäure und 0,06M Dimethylaminboran. Der pH des Bades wurde unter Einsatz von NH&sub4;OH auf 5,5 eingestellt. Während des Plattierens wurde das Bad bei 85ºC gehalten.
Es wurden mehrere, etwa 2,54 cm (1 inch) Durchmesser aufweisende Scheiben aus einem polykristallinen Film aus kubischem Bornitrid zuerst durch Anordnen in einer Lösung von MacDermid D34C Pd für 4 Minuten bei 25ºC aktiviert, gefolgt vom Waschen in entionisiertem Wasser und dann Trocknen in Luft.
Einige der Scheiben aus kubischem Bornitrid wurden dann in dem Plattierungsbad angeordnet. Die Plattierungszeit betrug 10 Minuten. Ein Ni/B-Überzug von 1,0 µm Dicke wurde auf den Scheiben abgeschieden. Die Scheiben wurden dann graduell in einer nicht oxidierenden Atmosphäre aus 7 % Wasserstoff, 93 % Argon mit einer Rate von 10ºC/min auf verschiedene Wärmebehandlungs-Temperaturen erhitzt, wie sie in der folgenden Tabelle 1 gezeigt sind. Die Wärmebehandlung wurde für 1 Stunde ausgeführt.
Die Haftung wurde mit einem Sebastian-Adhäsionstester Model I, vertrieben durch die Quad Group, Santa Barbara, Kalifornien, gemessen. Der Adhäsionstester mißt die Kraft in kPa (pounds per square inch bzw. psi), die erforderlich ist, um einen standardisierten, mit Epoxy überzogenen Stift von der Testoberfläche weg zu ziehen. Der standardisierte, mit Epoxyharz überzogene Stift wird durch die Quad Group, Spokane, Washington, vertrieben. Die Epoxyoberfläche des Stiftes wurde gegen die Testoberfläche gehalten und dann gemäß der Standard-Testprozedur erhitzt, um das Härten des Epoxy bis zu einem Standard-Adhäsionsniveau zu gestatten. Das Standardverfahren spezifiziert das Erhitzen des Stiftes mit einer daran angelegten Testprobe auf eine Stunde bei 150ºC. Die Adhäsionskräfte, die zum Trennen des Ni/B-Überzuges vom Stift erforderlich waren, sind in der folgenden Tabelle 1 aufgeführt. Tabelle 1 Haftung von Ni/B an CBN Wärmebehandlung-Temperatur (ºC) Haftung (kPa(psi)]
Die Ni/B-Schicht auf der Scheibe zeigte bei der Untersuchung unter einem Rasterelektronenmikroskop eine glatte, gut benetzte Oberfläche. Der Ni/B-Überzug wurde von der Oberfläche des kubischen Bornitrids gelaugt und durch Atomabsorptions- Spektroskopie analysiert, um seine Zusammensetzung zu bestimmen. Die Zusammensetzung des Ni/B-Überzuges wurde zu 4% B, 96% Ni bestimmt.
Zum Vergleich wurde eine der vorerwähnten Scheiben aus kubischem Bornitrid mittels einem konventionellen AK 1000 Ni/P, ohne Zusatz von Bor, mit Nickel überzogen. Dieser Überzug zeigte ein vollständiges Zusammenballen des Nickelüberzuges von der Oberfläche des kubischen Bornitrids nach der Wärmebehandlung, und bei dem vorerwähnten Adhäsionstest trennte sich dieser Überzug von der Oberfläche der Scheibe aus kubischem Bornitrid bei weniger als 690 kPa (100 psi). Es ist daher klar, daß durch das Legieren von Nickel mit Bor gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung eine unerwartet deutliche Verbesserung bei der Haftung des Nickelüberzuges am kubischen Bornitrid erzielt wird.

BEISPIEL 2

Ein Ansatz von 20 g von kubischem Bornitrid- Pulver Borazon mit einer Teilchengröße entsprechend 170/200 Maschen, das durch GE Superabrasives, Worthington, Ohio vertrieben wird, wurde 4 Minuten bei 25ºC in MacDermid D34C Pd-Katalysator suspendiert, in entionisiertem Wasser gespült und luftgetrocknet. Die Teilchen aus kubischem Bornitrid wurden in 1500 ml des in Beispiel 1 beschrieben Ni/B-Bades angeordnet. Nach dem stromlosen Plattieren mit dem Ni/B-Bad wurde das kubische Bornitrid- Pulver in entionisiertem Wasser gespült, filtriert und luftgetrocknet. Das stromlos plattierte kubische Bornitrid-Pulver wurde dann eine Stunde in 7% Wasserstoff, 93% Argon wärmebehandelt. Die Erwärmung wurde graduell bei einer stationären Rate von 10ºC/min auf 600ºC. Das wärmebehandelte kubische Bornitrid-Pulver wurde dann mit einem Raster-Elektronenmikroskop untersucht. Die Untersuchung zeigte, daß die Teilchen des Pulvers aus kubischem Bornitrid einen gleichmäßigen, gut benetzten Überzug aufwiesen. Der Ni/B-Überzug wurde in einem konventionellen Säurebad von dem Pulver aus kubischem Bornitrid entfernt und durch Atomabsorptions-Spektroskopie im Hinblick auf seine Zusammensetzung untersucht. Die Ni/B-Zusammensetzung war der in Beispiel 1 identisch. Die Dicke des Ni/B-Überzuges wurde aus der Gewichtszunahme errechnet, wobei eine gleichmäßige Bedeckung angenommen wurde. Sie wurde zu 0,9 µm bestimmt. Die Ni/B-überzogenen Teilchen aus kubischem Bornitrid wurden dann stromlos mit einer zweiten Schicht in Ni/P-Bad AK 1000 für eine genügende Zeit plattiert, uni 56 Gew.-% Nickel zu erhalten. Dieses kubische Bornitrid-Pulver wurde dann in einer Schleifscheibe eingesetzt. Die Teilchen des Pulvers aus kubischem Bornitrid zeigten eine gute Haftung an dem Ni/B-Bindeüberzug und dem Ni/P-Decküberzug.

BEISPIEL 3

200 ml einer Lösung eines Ni/Mo-Bades zum stromlosen Plattieren wurden hergestellt durch Hinzugeben von 0,015 M Natriummolybdat zu einem standardgemäßen AK 1000 Ni/P-Bad zum stromlosen Plattieren. Der pH des Bades wurde unter Einsatz von NaOH auf 9 eingestellt. Während des Plattierens wurde das Bad bei 85ºC gehalten. Dann wurde eine durch die in Beispiel 1 beschriebenen Schritte aktivierte Scheibe aus kubischem Bornitrid im Plattierungsbad angeordnet. Die Plattierungszeit betrug 20 min.
Der Ni/Mo-Überzug auf der Scheibe aus kubischem Bornitrid hatte eine Dicke von 2,0 µm. Die scheibenartige Probe wurde in einer nicht oxidierenden Atmosphäre aus 7% Wasserstoff, 93% Argon mit einer Rate von 10ºC/min auf 900ºC erhitzt und dann 1 Stunde lang wärmebehandelt.
Die Haftung wurde mit dem in Beispiel 1 beschriebenen Sebastian-Adhäsionstester Model I gemessen. Die zum Abtrennen des Ni/Mo-Überzuges vom Stift erforderliche Adhäsionskraft war größer als 25530 kPa (3700 psi). Der Überzug wurde vom Substrat aus kubischem Bornitrid gelaugt und durch Atomabsorptions-Spektroskopie analysiert, um seine Zusammensetzung zu bestimmen. Der Ni/Mo-Überzug hatte eine Zusammensetzung aus 15,8% Mo, 83,4% Ni, 0,8% P.
Zum Vergleich wurde eine der vorerwähnten Scheiben aus kubischem Bornitrid mit einem konventionellen AK 1000 Ni/P-Bad, ohne Zugabe von Mo, mit Nickel überzogen. Dieser Überzug zeigte ein vollständiges Zusammenballen des Nickelüberzuges von der Oberfläche des kubischen Bornitrids nach der Wärmebehandlung, und bei dem vorerwähnten Adhäsionstest trennte sich dieser Überzug von der Oberfläche der Scheibe aus kubischem Bornitrid bei weniger als 690 kPa (100 psi). Es wird daher deutlich, daß durch Legieren von Nickel mit Mo nach dem Verfahren der vorliegenden Erfindung eine unerwartet bedeutsame Verbesserung hinsichtlich der Adhäsion des Nickelüberzuges am kubischen Bornitrid erzielt wird.

Claims

1. Verfahren zum Verbessern der Haftung eines Metallegierungs-Überzuges an einer Oberfläche eines Gegenstandes aus kubischem Bornitrid, umfassend die Stufen:

katalytisches Aktivieren der Oberfläche des Gegenstandes;

Eintauchen des Gegenstandes in ein Bad zum stromlosen Plattieren für eine wirksame Zeitdauer, um die Oberfläche des Gegenstandes bis zu einer gewünschten Dicke zu plattieren, wobei das Bad eine Verbindung des genannten Metalles und eine Verbindung eines Elementes umfaßt, das ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Bor, Molybdän, Titan, Niob und Chrom;

graduelles Erhitzen des stromlos plattierten Gegenstandes in einer nicht oxidierenden Atmosphäre von Raumtemperatur bis zu einer Wärmebehandlungs-Temperatur von etwa 400ºC bis etwa 900ºC mit einer vorbestimmten Rate von weniger als 20ºC/min und

Halten des stromlos plattierten Gegenstandes bei der Wärmebehandlungs-Temperatur, bis ein Grad der Haftung von mindestens 690 kPa (100 psi) zwischen der Oberfläche und dem Metallegierungs-Überzug erzielt ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Metall-Legierung mit Bor legiertes Nickel ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend das Abscheiden einer stromlos oder elektrolytisch aufgebrachten, zweiten Metallschicht auf dem Metallegierungs-Überzug.

4. Verfahren nach Anspruch 3, das weiter das Wärmebehandeln des Gegenstandes bei etwa 100ºC bis etwa 500ºC für etwa 5 Minuten bis etwa 20 Stunden umfaßt.

5. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, wobei das Bad bei einem pH von etwa 5,0 bis etwa 10,0 gehalten wird.

6. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, worin die Verbindung des genannten Elementes Dimethylaminboran in einer Konzentration von etwa 0,005 M bis etwa 0,1 M ist.

7. Verfahren nach Anspruch 1 zum Verbessern der Haftung eines Nickellegierungs-Überzuges einer erwünschten Dicke an Oberflächen von Teilchen aus kubischem Bornitrid.

8. Verfahren nach Anspruch 7, worin das Bad während des Plattierens der Oberflächen der Teilchen gerührt wird, um ein Überbrücken der Teilchen zu verhindern.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, worin die stromlos plattierten Teilchen weiter mit einer zweiten Schicht aus stromlos aufgebrachter Nickel-Phosphor-Legierung versehen werden.

10. Schleifwerkzeug, umfassend Teilchen aus kubischem Bornitrid, die gleichmäßig in einer Harzmatrix dispergiert und eingebettet sind, wobei die Oberflächen der Teilchen einen stromlos aufgebrachten Nickellegierungs- Überzug tragen, der Nickellegierungs-Überzug Nickel umfaßt, das mit einem Element, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Bor, Molybdän, Titan, Niob und Chrom, legiert ist, und worin der Nickellegierungs-Überzug weiter einem graduellen Erhitzen in einer nichtoxidierenden Atmosphäre, von Raumtemperatur bis zu einer Wärmebehandlungs-Temperatur von etwa 400ºC bis etwa 900ºC, mit einer Rate von weniger als etwa 20ºC/min, ausgesetzt worden ist, und die Teilchen dann bei dieser Wärmebehandlungs-Temperatur wärmebehandelt sind, um die Haftung zwischen den Oberflächen der Teilchen aus kubischem Bornitrid und der genannten Matrix zu verbessern.