DE69301512T2

DE69301512T2 - Schleifmittel

Info

Publication number: DE69301512T2
Application number: DE69301512T
Authority: DE
Inventors: Raymond Albert Chapman; Alan Richard Jarvis; Stewart Neil Middlemiss
Original assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Current assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Priority date: 1992-08-05
Filing date: 1993-08-04
Publication date: 1996-07-11
Anticipated expiration: 2013-08-05
Also published as: DE69301512D1; EP0583916A1; JPH06182631A; AU666028B2; ATE133888T1; US5453105A; JP3375682B2; ZA935524B; AU4440593A; CA2101890C; KR940003674A; CA2101890A1; EP0583916B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft Schleifmittelprodukte.
Diamant-Compacts oder PCD, als die sie auch bekannt sind, sind Schleifkörper, die aus Diamantteilchen bestehen, die in ein hartes Konglomerat gebunden sind. Der Diamantgehalt solcher Compacts ist hoch, normalerweise wenigstens 70 Vol.-%, und im allgemeinen 80 bis 90 Vol.-%. Diamant-Compacts sind polykristalline Massen aus Diamantteilchen, wobei die Bindung unter Bedingungen erhöhter Temperatur und erhöhten Drucks, bei denen der Diamant kristallographisch stabil ist, erzeugt wird.
Diamant-Compacts werden mit oder ohne eine zweite Phase oder Bindungsmatrix hergestellt. Die zweite Phase, sofern vorhanden, kann ein Diamant-Katalysator/Lösungsmittel wie Kobalt sein, oder sie kann ein carbidbildendes Element wie Silicium sein.
Diamant-Compacts weisen eine hohe Abnutzungsbeständigkeit auf, sind aber spröde. Die Sprödigkeit von Diamant-Compacts führt während des Gebrauchs zum Absplittern der Arbeitsoberfläche oder -kante. Bei vielen Anwendungen ist dies kein Problem, aber bei einigen Anwendungen wie bei der Holzbearbeitung, wo feine Oberflächenbeschaffenheiten erforderlich sind, kann es ein Problem darstellen. Eines der am weitesten verwendeten Materialien zur Holzbearbeitung ist Sintercarbid, der einen guten Schlagzähigkeits-Widerstand aufweist, aber bei weitem nicht die Abnutzungsbeständigkeit eines Diamant-Compacts.
Die europäische Patentveröffentlichung Nr. 0 256 829 beschreibt ein Sintercarbid, das in dem Maß modifiziert ist, daß es bis zu 20 Vol.-% Teilchen aus kubischem Bornitrid enthält. Das Sintercarbid wird vorzugsweise unter den Bedingungen der Synthese von kubischem Bornitrid hergestellt, so daß eine Beschädigung des kubischen Bornitrids minimiert wird.
Das U.S.-Patent Nr. 4 525 178 beschreibt ein Verbundwerkstoff- Material, das eine Mischung aus einzelnen Diamantkristallen und Stücken aus vorgesintertem Carbid umfaßt. Die Mischung wird Bedingungen erhöhter Temperatur und erhöhten Drucks in dem Bereich, in dem Diamant stabil ist, unterworfen, wodurch ein polykristalliner Verbundwerkstoff-Diamantkörper hergestellt wird. Die Mischung verwendet Stücke aus vorgesintertem Carbid und nicht einzelne Carbidteilchen.
Das U.S.-Patent Nr. 5 045 092 beschreibt ein Verfahren zur Bildung eines gesinterten Wolframcarbid-Gegenstandes mit eingebetteten Diamantteilchen. Bei diesem Verfahren werden die eingebetteten Diamantteilchen insitu hergestellt. Das Produkt ist eines, in dem das gesinterte Wolframcarbid dominiert.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

In Einklang mit der vorliegenden Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Herstellung eines Schleifmittelproduktes das Bereitstellen einer Mischung aus Diamant- und einzelnen Carbidteilchen, wobei die Diamantteilchen kleiner als die Carbidteilchen sind und in der Mischung in einer Menge von mehr als 50 Vol.-% vorhanden sind, und das Anwenden von erhöhten Temperatur- und Druck-Bedingungen, bei denen der Diamant kristallographisch stabil ist, auf die Mischung in Gegenwart eines Bindemittel- Metalls, das dazu in der Lage ist, die Mischung in ein hartes Konglomerat zu binden.
Das durch das Verfahren der Erfindung hergestellte Schleifmittelprodukt bietet im allgemeinen wenigstens eine Arbeitsoberfläche oder -kante. Somit kann das Schleifmittelprodukt als eine Werkzeug-Komponente zur spanabhebenden Bearbeitung verschiedener Materialien verwendet werden. Die Arbeitsoberfläche oder -kante kann poliert oder geschärft werden. Das Schleifmittelprodukt kann verwendet werden, um Sintercarbid in Situationen spanabhebender Formgebungen zu ersetzten, die traditionell durch dieses Material dominiert werden. Zum Beispiel kann das Schleifmittelprodukt als Ersatz für Sintercarbid-Köpfe in kegelförmigen Rollenbohrern oder als eine überzugsschicht für solche Köpfe verwendet werden.
Es ist gefunden worden, daß das Schleifmittelprodukt besonders wirksam bei der spanabhebenden Bearbeitung von Holzprodukten wie Holz-Verbundwerkstoffen, Spanplatte, Faserplatte und natürlichem Holz ist. Die Erfindung macht nach einem anderen Aspekt ein Verfahren zur spanabhebenden Bearbeitung eines Holzproduktes unter Verwendung eines durch das oben beschriebene Verfahren hergestellten Schleifmittelproduktes verfügbar.

BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Zeichnung veranschaulicht schematisch eine Teil-Seitenansicht eines Kreissägeblattes, das ein Werkstück auf der Basis von Holz sägt.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Carbidteilchen in der Ausgangsmischung sind größer als die Diamantteilchen und weisen normalerweise eine Größe von bis zu 50 µm auf. Vorzugsweise überschreitet die Größe der Carbidteilchen nicht 25 µm. Die Diamantteilchen sind normalerweise fein, d.h., sie weisen eine Größe von weniger als 10 µm und vorzugsweise weniger als 5 µm auf.
Die Diamantteilchen dominieren in der Diamant/Carbidmischung und sind in einer Menge von mehr als 50 Vol.-% der Mischung vorhanden. Bei einer solchen Mischung findet ein wesentlicher Anteil der direkten Bindung Diamant-Diamant während der Herstellung des Schleifmittelproduktes statt. Diese Bindung verleiht dem Schleifmittelprodukt eine gute Abriebfestigkeit an den äußeren Oberflächen und Kanten. Das Schleifmittelprodukt hat viele der Merkmale eines Diamant-Compacts, aber einen verbesserten Schlagzähigkeitswiderstand aufgrund der Gegenwart der Carbidteilchen, die im Produkt verteilt sind.
Die einzelnen Carbidteilchen in der Diamant/Carbidmischung können beliebige, im Fachgebiet bekannte wie Wolframcarbid, Tantalcarbid, Molybdäncarbid, Titancarbid und Mischungen davon sein.
Das Bindemittelmetall ist normalerweise ein Übergangsmetall wie Kobalt, Eisen, Nickel oder eine Legierung davon. Das Bindemittelmetall kann mit den Diamant- und Carbidteilchen vermischt sein, und diese Mischung kann den Bedingungen einer erhöhten Temperatur und eines erhöhten Drucks unterworfen werden. Alternativ kann das Bindemittelmetall in Form einer Schicht ausgebildet sein, die in Berührung mit der Diamant/Carbidmischung gebracht wird und die man in die Mischung einsickern läßt. Das Bindemittelmetall wird normalerweise in einer Menge von 3 bis 17 Masse-% der Mischung zugegeben.
Die Bedingungen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Drucks, die auf die Mischung einwirken, sind Bedingungen der Diamantsynthese. Typisch für solche Bedingungen sind Temperaturen in der Größenordnung von 1400 ºC bis 1600 ºC und Drücke in der Größenordnung von 40 bis 70 Kilobar. Diese Bedingungen werden im allgemeinen für einen relativ kurzen Zeitraum, z.B. weniger als 10 Minuten, beibehalten.
Die Mischung aus Diamant/Carbid wird dann in einen Reaktionsbehälter gegeben und dieser Reaktionsbehälter dann in der Reaktionszone eines Hochtemperatur/Hochdruckapparates angeordnet. Der Inhalt des Reaktionsbehälters wird dann den oben beschriebenen Bedingungen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Drucks unterworfen. Das Schleifmittelprodukt kann unter Verwendung von bekannten Gewinnungsverfahren aus dem Reaktionsbehälter gewonnen werden. Das Schleifmittelprodukt wird im allgemeinen in Form einer Scheibe oder eines Zylinders gewonnen. Eine Oberfläche oder Kante des Zylinders oder der Scheibe kann gereinigt und poliert werden, wodurch eine Oberfläche oder Kante zur spanabhebenden Bearbeitung erzeugt wird. Alternativ kann die Scheibe oder der Zylinder in kleinere Produkte mit beliebiger Form geschnitten werden. Solche kleineren Produkte umfassen ebenfalls eine Oberfläche oder Kante zur spanabhebenden Bearbeitung und sind dazu in der Lage, als Werkzeugteile verwendet zu werden.
Das durch das Verfahren der Erfindung hergestellte Schleifmittelprodukt kann als solches verwendet werden oder es kann an ein Sintercarbid-Substrat gebunden werden. Wenn es an ein Sintercarbid-Substrat gebunden wird, findet eine solche Bindung vorzugsweise während der Bildung des Schleifmittelproduktes statt. Dies kann erreicht werden, indem die Mischung aus Diamant/Carbidteilchen auf einer Oberfläche eines Sintercarbid-Substrates angeordnet wird, wodurch eine nicht gebundene Baugruppe erzeugt wird und anschließend die nicht gebundene Baugruppe den Bedingungen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Drucks unterworfen wird. Das Sintercarbid-Substrat kann irgendein im Fachgebiet bekanntes sein wie gesintertes Wolframcarbid, gesintertes Titancarbid, gesintertes Tantalcarbid, gesintertes Molybdäncarbid und Mischungen davon.
Das Schleifmittelprodukt der Erfindung hat, wie oben erwähnt, eine bestimmte Anwendung bei der spanabhebenden Bearbeitung von Holzprodukten. Solche Produkte umfassen natürliches Holz, entweder weiche oder harte Hölzer. Weitere Beispiele für solche Produkte sind laminierte oder unlaminierte Spanplatte und Faserplatte, die Holzspäne oder -fasern enthalten, die durch Bindemittel, die normalerweise organische Bindemittel sind, gebunden sind. Weitere Beispiele für ein solches Produkt sind die Hartfaserplatte, die aus komprimierter Faser und Sägemehl besteht, und Sperrholz. Auf diese Holzprodukte kann ein Kunststoff- oder ein anderes Beschichtungsmaterial aufgetragen sein, das eine zusätzliche Schleifabnutzung der spanabhebenden Werkzeuge verursacht.
Die spanabhebende Bearbeitung solcher Holzprodukte kann irgendeine aus einer Vielzahl von Formen wie dem Sägen, dem Fräsen und dem Profilschneiden sein. Die Werkzeuge, die verwendet würden, sind Drehwerkzeuge mit einer Mehrzahl von Schneiden wie Kreissägen, Profilfräser, Schaftfräser und Fräswerkzeuge. Alle diese Werkzeuge umfassen einen drehbaren Körper, auf dem, im allgemeinen an seinem Rand, eine Mehrzahl von mit Abstand voneinander angeordneten Schleifmittelprodukten der Erfindung befestigt sind, von denen jedes eine Schneidkante darbietet. Bei der Verwendung wird der Körper gedreht, wobei die Schneidkanten der Schleifmittelprodukte mit einem spanabhebend zu bearbeitenden Werkstück in Berührung gebracht werden und dieses Werkstück relativ zu den sich drehenden Schneidkanten bewegt wird.
Ein Beispiel fur eine Kreissäge, die die Schleifmittelprodukte der Erfindung verwendet, wird schematisch durch die begleitende Zeichnung veranschaulicht. Mit Bezug auf diese Zeichnung umfaßt eine Kreissäge ein Formteil 10, das montiert ist, so daß es auf einer Spindel 12 gedreht wird. Die Randzone 14 des Formteils 10 ist mit einer Mehrzahl von Schneidzähnen 16 versehen, die mit einem gleichmäßigen Abstand voneinander angeordnet sind. An der Vorderkante 20 jedes Schneidzahns 16 ist ein Schleifmittelprodukt 18 befestigt. Die Schleifmittelprodukte 18 können an den Zähnen 16 hartgelötet oder mechanisch befestigt sein. Jedes Schleifmittelprodukt 18 bietet eine Schneidkante 22 dar.
Beim Gebrauch wird das Werkstück 24 auf einem Auflagetisch 26 angeordnet. Die Kreissäge wird in Richtung des Pfeils 28 gedreht und die Werkstücke in Richtung von Pfeil 30 vorgeschoben. Dabei schneidet die Säge durch das Werkstück 24.
Die Herstellung der erfindungsgemäßen Schleifmittelprodukte wird jetzt mit Bezug auf die folgenden Beispiele beschrieben.

BEISPIEL 1

Es wurde eine aus einzelnen Wolframcarbid-Teilchen (13 µm) und Diamantteilchen (2 µm) bestehende Mischung hergestellt. Die Mischung enthielt 76 % Wolframcarbid und 24 % Diamantteilchen, bezogen auf die Masse. Bezogen auf das Volumen bildete der Diamant 60 % der Mischung und das Wolframcarbid 40 %. Zu dieser Mischung wurden 9 % Kobaltpulver, bezogen auf die Masse, gegeben. Das Kobalt wurde mit der Mischung aus Diamant/Wolframcarbid innig vermischt.
Die Mischung wurde dann in die Reaktionskapsel eines herkömmlichen Hochtemperatur/Hochdruckapparats gegeben. Diese geladene Kapsel wurde in die Reaktionszone eines Apparates gegeben, und der Inhalt der Kapsel wurde einer Temperatur von 1400 ºC und einem Druck von 50 Kilobar unterworfen, und diese Bedingungen wurden für einen Zeitraum von 8 Minuten beibehalten. Aus der Kapsel wurde ein scheibenförmiges Schleifmittelprodukt gewonnen, das kohärent und hart war. Das Schleifmittelprodukt enthielt einen beträchtlichen Grad an Diamantsinterung, d.h. Diamant-Diamant-Bindung, insbesondere an dessen äußeren Oberflächen. Die Teilchen aus Wolframcarbid waren gleichmäßig im Produkt verteilt und zeigten ebenfalls etwas Sinterung.

BEISPIEL 2

Das in Beispiel 1 dargestellte Verfahren wurde wiederholt, außer daß das Gemisch aus Schleifmittelprodukt/Carbidmischung auf einem gesinterten Wolframcarbid-Substrat in der Reaktionskapsel angeordnet wurde. Das gewonnene Produkt war eine gesinterte Schleifmittelschicht aus Diamant/Wolframcarbid, die direkt an das Substrat aus Sintercarbid gebunden war. Eine Kante der Schicht aus Diamant/Carbid kann gereinigt und poliert werden, wodurch eine spanabhebend bearbeitende oder schneidende Kante für das Produkt erhalten wird.

BEISPIEL 3

Das in Beispiel 2 dargestellte Verfahren wurde wiederholt, abgesehen davon, daß die Mischung aus Diamant/Wolframcarbid aus dem folgenden bestand: Komponente Diamant (2 µm) Wolframcarbid (13 µm) Masse-% Vol.-%
Zu dieser Mischung wurden 10 Masse-% gepulvertes Kobalt gegeben und gründlich damit vermischt.
Das aus der Reaktionskapsel gewonnene Produkt bestand aus einer Schicht aus gebundenem Diamant/Wolframcarbid, das direkt an ein Sintercarbid-Substrat gebunden war.
Eine Mehrzahl dieser Schleifmittelprodukte wurde geformt, um Schneidkanten auf der gebundenen Schicht aus Diamant/Wolframcarbid zu erzeugen. Die geformten Produkte wurden auf die Vorderkanten der Zähne einer Kreissäge des durch die begleitende Zeichnung veranschaulichten Typs hartgelötet. Die Säge wurde verwendet, um eine Spanplatte mit einer Umfangsgeschwindigkeit von 44,2 m/s und einer Vorschubgeschwindigkeit von 1,5 m/min zu schneiden. Die Tiefe des Schnitts betrug 2 mm. Nach 41 000 m Schnitt wurde gefunden, daß zwei Drittel der Zähne, d.h. der gebundenen Schneidkanten aus Diamant/Sintercarbid, ein allmähliches und annehmbares gleichmäßiges Abrunden zeigten, und es wurde trotz allem keine Absplitterungsbeschädigung beobachtet. Vergleichsweise zeigte eine vergleichbare Kreissäge, die ein kommerziell erhältliches PCD verwendete, daß 90 % ihrer Zähne nach nur 600 m Schnitt abgesplittert waren. Während das kommerziell erhältliche PCD aufgrund seiner überlegenen Abriebbeständigkeit eine längere Laufzeit aufweist, ergab das Absplitterungsproblem ein schweres Problem für feine Flächenbearbeitungen. Weiterhin zeigten die Schleifmittelprodukte der Erfindung bei der Sägeprüfung eine weit überlegende Laufzeit, d.h. das 36fache derjenigen einer Säge, die herkömmliche Sintercarbid-Zähne verwendet.
In einer Prüfung, die das Kantenfräsen von laminierter Spanplatte umfaßte, zeigten die Schleifmittelprodukte dieses Beispiels ebenfalls eine hervorragende Absplitterungsbeständigkeit.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Schleifmittelproduktes, umfassend das Bereitstellen einer Mischung aus Diamant- und einzelnen Carbidteilchen, wobei die Diamantteilchen kleiner als die Carbidteilchen sind und in der Mischung in einer Menge von mehr als 50 Vol.-% vorhanden sind, und das Anwenden von erhöhten Temperatur- und Druck-Bedingungen, bei denen der Diamant kristallographisch stabil ist, auf die Mischung in Gegenwart eines Bindemittel-Metalls, das dazu in der Lage ist, die Mischung in ein hartes Konglomerat zu binden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Carbidteilchen eine Größe von bis zu 50 µm aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei die Größe der Carbidteilchen 25 µm nicht überschreitet.

4. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Diamantteilchen eine Größe von weniger als 10 µm aufweisen.

5. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Diamantteilchen eine Größe von weniger als 5 µm aufweisen.

6. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bindemittel-Metall ein Übergangsmetall ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei das Übergangsmetall aus Kobalt, Eisen, Nickel und Legierungen davon ausgewählt ist.

8. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bindemittel-Metall mit der Diamant/Carbidmischung vermischt ist.

9. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Bindemittel-Metall in Berührung mit der Diamant/Carbidmischung angeordnet ist und die Mischung infiltrieren kann.

10. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Bindemittel-Metall in einer Menge von 3 bis 17 Masse-% der Diamant/Carbidmischung bereitgestellt wird.

11. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bedingungen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Drucks eine Temperatur im Bereich von 1400 ºC bis 1600 ºC und ein Druck im Bereich von 40 bis 70 kbar sind.

12. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Bedingungen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Drucks für einen Zeitraum von weniger als 10 min aufrechterhalten werden.

13. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Diamant/Carbidmischung vor Anwendung der Bedingungen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Drucks auf einem Sinter-Carbid-Substrat angeordnet wird.

14. Verfahren zur spanenden Formgebung eines Holzproduktes (24), umfassend die Schritte des Bereitstellens eines Werkzeuges, umfassend einen drehbaren Körper (10) mit einer Mehrzahl von daran im Abstand voneinander befestigten Schleifmittelprodukten (18), hergestellt durch das Verfahren irgendeines der Ansprüche 1 bis 13, wobei jedes Schleifmittelprodukt eine Schneidkante (22) darbietet, des Drehens des Körpers (10), des In-Berührung-Bringens der Schneidkanten (22) aus Schleifmittelprodukt (18) mit dem Holzprodukt (24) und des Bewegens des Holzproduktes (24) relativ zu den rotierenden Schneidkanten (22).

15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei das Werkzeug aus einer Kreissäge, einem Profilfräser, einem Schaftfräser und einem Fräswerkzeug ausgewählt ist.

16. Verfahren nach Anspruch 14 oder Anspruch 15, wobei das Holzprodukt (24) aus natürlichem Holz, Spanplatte, Faserplatte, Hartfaserplatte und Sperrholz ausgewählt ist.