DE69400547T2 - Verfahren zur Herstellung eines Schleifkörpers - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines Schleifkörpers

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Description

    Hintergrund der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf die Herstellung eines Schleifmittel-Kompakts.
  • Schleifmittel-Kompakts werden in ausgedehntem Naß beim Schneiden, Fräsen, Schleifen, Bohren und anderen Methoden des Abtragens verwendet. Schleifmittel-Kompakts bestehen aus einer Masse von Diamant- oder kubischen Bornitrid-Teilchen, die zu einem kohärenten, polykristallinen Konglomerat verbunden sind. Der Schleifmittelteilchengehalt von Schleifmittel-Kompakts ist hoch, und es liegt allgemein eine umfangreiche Menge von direkter Teilchen-an-Teilchen-Bindung vor. Schleifmittel- Kompakts werden allgemein unter Bedingungen einer erhähten Temperatur und eines erhöhten Drucks hergestellt, bei denen das Schleifmittelteilchen - entweder Diamant oder kubisches Bornitrid - kristallographisch stabil ist.
  • Schleifmittel-Kompakts neigen dazu, spröde zu sein, und bei der Verwendung werden sie häufig dadurch gestützt, daß sie an ein (einen) Sintercarbid-Substrat oder -Träger gebunden sind. Derartige gestützte Schleifmittel-Kompakts sind in der Technik als Composit-Schleifmittel-Kompakts bekannt. Composit-Schleifmittel-Kompakts kännen als solche in einer Arbeitsoberfläche eines Schleifwerkzeugs verwendet werden.
  • Beispiele von Composit-Schleifmittel-Kompakts können in den US Patentschriften Nrn. 3 745 623, 3 767 371 und 3 743 489 beschrieben gefunden werden.
  • Composit-Schleifmittel-Kompakts werden allgemein durch Anordnen der Komponenten - in Teilchenform -, die zur Bildung eines Schleifmittel-Kompakts notwendig sind, auf einem Sintercarbid-Substrat hergestellt. Diese nichtgebundene Anordnung wird in eine Reaktionskapsel gegeben, die dann in der Reaktionszone einer konventionellen Hochdruck/Hochtemperatur- Apparatur angeordnet wird. Auf die Inhaltsstoffe der Reaktionskapsel werden geeignete Bedingungen einer erhöhten Temperatur und eines erhöhten Drucks einwirken gelassen.
  • Das US Patent Nr. 4 861 350 beschreibt eine Werkzeug-Komponente, umfassend ein Schleifmittel-Kompakt, das an einen Sintercarbid-Träger gebunden ist, worin das Schleifmittel-Kompakt zwei Zonen aufweist, die durch eine blockierende gemeinsame Grenze verbunden sind. Die eine Zone stellt die Schneidekante oder den Schneidepunkt für die Werkzeug-Komponente bereit, während die andere Zone an den Sintercarbid-Träger gebunden ist. In einer Ausführungsform der Werkzeug-Komponente weist die Zone, die die Schneidekante oder den Schneidepunkt bereitstellt, ultraharte Schleifmittelteilchen auf, die feiner sind als die ultraharten Schleifmittelteilchen in der anderen Zone. Dies stellt keine Offenbarung für die Verwendung einer Mischung von ultraharten Schleifmittelteilchen von unterschiedlicher Teilchengröße dar.
  • Das US Patent Nr. 4 311 490 beschreibt ein Schleifmittel- Kompakt, worin das gebundene Schleifmittelteilchen eine grobe Schicht und eine feine Schicht umfaßt. Wiederum ist keine Verwendung einer Mischung von Schleifmittelteilchen unterschiedlicher Teilchengröße offenbart.
  • Das US Patent Nr. 4 604 106 beschreibt ein Diamant-Composit Schleifmittel-Kompakt, da wenigstens eine Schicht von Diamant- Kristallen und vorgesinterten Carbidstücken umfaßt, die unter hoher Wärme und hohem Druck verpreßt wurden, um polykristallines Composit-Material zu bilden, worin polykristalliner Diamant und vorgesinterte Carbidstücke miteinander dispergiert sind. In einer Ausführungsform wird eine Mischung von Diamantteilchen verwendet, wobei 65 % der Teilchen eine Größe von 4 bis 8 µm und 35 % eine Größe von 0,5 bis 1 µm haben.
  • Das US Patent Nr. 5 011 514 beschreibt ein thermisch stabiles Diamantkompakt, das eine Mehrzahl von individuell metallbeschichteten Diamantteilchen umfaßt, worin die Metallbeschichtungen zwischen benachbarten Teilchen unter Bildung einer gesinterten Matrix aneinander gebunden sind. Beispiele der Metallbeschichtung sind Carbidbildner wie Wolfram, Tantal und Molybdän. Die individuell metallbeschichteten Diamantteilchen werden unter den Temperatur- und Druckbedingungen der Diamantsynthese verbunden. Das Patent offenbart ferner das Vermischen der metallbeschichteten Diamantteilchen mit unbeschichteten Diamantteilchen kleinerer Größe, die in den Zwischenräumen zwischen den beschichteten Teilchen liegen. Es wird angenommen, daß die kleineren Teilchen die Porosität vermindern und den Diamantgehalt des Kompakts erhöhen. Beispiele bimodaler Kompakts, d.h. mit zwei unterschiedlichen Teilchengrößen, und trimodaler Kompakts - drei unterschiedliche Teilchengrößen - werden beschrieben.
    • Kurzbeschreibung der Erfindung
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Schleifmittel-Kompakts bereitgestellt, das die Stufe einschließt, daß man auf eine Masse ultraharter Schleifmittelteilchen - ausgewählt aus Diamant- oder kubischen Bornitrid-Teilchen - die Bedingungen einer erhöhten Temperatur und eines erhöhten Drucks einwirken läßt, die zur Herstellung eines Schleifmittel-Kompakts geeignet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse wenigstens 25 Massen-% ultraharte Schleifmittelteilchen, die eine durchschnittliche Teilchengröße im Bereich von 10 bis 100 µm haben, und aus wenigstens drei unterschiedlichen Typen von Schleifmittelteilchen bestehen, die sich nur in ihrer durchschnittlichen Teilchengröße unterscheiden, und wenigstens 4 Massen-% ultraharte Schleifmittelteilchen, die eine durchschnittliche Teilchengröße von weniger als 10 µm haben, umfaßt.
  • Die Erfindung stellt weiterhin ein Schleifmittel-Kompakt bereit, das durch diese Methode hergestellt wird, und die Verwendung eines derartigen Kompakts als ein Werkzeug-Einsatzstück beim Bohren, Drehen oder Schneiden eines Substrats.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Figuren 1 und 2 illustrieren in graphischer Weise Vergleichstests , die unter Verwendung eines Kompakts der Erfindung und von Kompakts gemäß dem Stand der Technik durchgeführt wurden.
    • Beschreibung der Ausführungsformen
  • Die ultraharten Schleifmittelteilchen können Diamant oder kubisches Bornitrid sein, sind aber vorzugsweise Diamantteilchen.
  • Auf die Mischung ultraharter Schleifmittelteilchen werden bekannte Bedingungen der Temperatur und des Drucks einwirken gelassen, die notwendig sind, um ein Schleifmittel-Kompakt herzustellen. Diese Bedingungen sind typischerweise solche, die erforderlich sind, um die Schleifmittelteilchen selbst herzustellen. Allgemein liegen die verwendeten Drücke im Bereich von 40 bis 70 kilobar, und die verwendeten Temperaturen liegen im Bereich von 1300 ºC bis 1600 ºC.
  • In dem Schleifmittel-Kompakt, das durch die Methode der Erfindung hergestellt wird, liegt allgemein und vorzugsweise ein Bindemittel vor. Das Bindemittel ist vorzugsweise ein Katalysator/Lösungsmittel für das verwendete ultraharte Schleifmittelteilchen. Katalysator/Lösungsmittel für Diamant und kubisches Bornitrid sind in der Technik wohlbekannt. Im Fall des Diamants ist das Bindemittel vorzugsweise Cobalt, Nickel, Eisen oder eine Legierung, die eines oder mehrere dieser Metalle enthält.
  • Wenn ein Bindemittel verwendet wird, insbesondere im Fall von Diamantkompakts, kann man das Eindringen desselben in die Masse der Schleifmittelteilchen während der Kompaktherstellung herbeiführen. Für diesen Zweck kann ein Abstandhalter oder eine Schicht des Bindemittels verwendet werden. Alternativ und vorzugsweise liegt das Bindemittel in Teilchenform vor und wird mit der Masse der Schleifmittelteilchen vermischt. Das Bindemittel liegt typischerweise in einer Menge von 10 bis 25 Massen-% in dem hergestellten Schleifmittel-Kompakt vor.
  • Das Schleifmittel-Kompakt, insbesondere für Diamantkompakts, wird allgemein an einen Sintercarbid-Träger oder ein Sintercarbidsubstrat gebunden, wobei ein Composit-Schleifmittel- Kompakt hergestellt wird. Zur Herstellung eines derartigen Composit-Schleifmittel-Kompakts wird die Masse der Schleifmittelteilchen auf einer Oberfläche eines Sintercarbid-Körpers angeordnet, bevor die Bedingungen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Drucks, die zur Kompakt-Herstellung nötig sind, aus dasselbe einwirken. Der Sintercarbid-Träger oder das Sintercarbid-Substrat kann jeder (jedes) in der Technik bekannte sein, wie gesintertes Wolframcarbid, gesintertes Tantalcarbid, gesintertes Titancarbid, gesintertes Molybdäncarbid oder Mischungen derselben. Das Bindemittel-Metall für derartige Carbide kann jedes in der Technik bekannte sein, wie Nickel, Cobalt, Eisen oder eine Legierung, die eines oder mehrere dieser Metalle enthält. Typischerweise liegt das Bindemittel in einer Menge von 10 bis 20 Massen-% vor, dieselbe kann jedoch so gering wie 6 Massen-% sein. Eine geringe Menge des Bindemittel-Metalls dringt im allgemeinen in das Schleifmittel-Kompakt während der Kompakt-Herstellung ein.
  • Die Methode der Erfindung ist durch die verwendete Schleifmittelteilchen-Mischung gekennzeichnet. Die Mischung enthält wenigstens 4 Typen von Schleifmittelteilchen, die sich voneinander durch ihre durchschnittliche Teilchengröße unterscheiden. Die Hauptmenge der Teilchen befindet sich nahe der spezifizierten Größe, obwohl es eine begrenzte Anzahl von Teilchen oberhalb und unterhalb der spezifizierten Größe gibt. Der Peak in der Verteilung der Teilchen hat eine spezifizierte Größe. Wenn so z.B. die durchschnittliche Teilchengröße 50 µm beträgt, gibt es einige Teilchen in der Mischung, die größer als 50 µm sind, und einige Teilchen in der Mischung, die kleiner als 50 µm sind, jedoch hat der Hauptteil der Teilchen eine Größe von etwa 50 µm, und der Peak der Verteilung beträgt 50 µm. Die Verwendung des Teilchenbereichs stellt sowohl grobe als auch feine Teilchen bereit, was eine enge Packung erlaubt und die Bildung von Bindemittelansammlungen minimiert, wenn ein Bindemittel vorliegt. Die Teilchen sind vorzugsweise alle unbeschichtet.
  • In der kennzeichnenden Schleifmittelteilchen-Mischung der Erfindung haben wenigstens 25 % der Schleifmittelteilchen eine durchschnittliche Teilchengröße im Bereich von 10 bis 100 µm und bestehen aus wenigstens drei Typen von Schleifmittelteil chen, die sich nur in ihrer durchschnittlichen Teilchengröße unterscheiden. Ein Beispiel einer derartige Schleifmittelteilchen-Mischung ist die folgende (die prozentualen Angaben sind in Massen-% bezogen auf die gesamte Schleifmittelteilchenmasse):
  • 25 bis 50 µm - 30 bis 70 %
  • 15 bis 24 µm - 15 bis 25 %
  • 8 bis 14 µm - 5 bis 15 %.
  • Die kleinsten Schleifmittelteilchen in der kennzeichnenden Mischung haben durchschnittliche Teilchengrößen von weniger als 10 µm, vorzugsweise eine durchschnittliche Teilchengröße im Bereich von 2 bis 5 µm, und liegen in der Mischung in einer Menge von wenigstens 4 Massen-% vor. Im allgemeinen liegt dieses kleinste Teilchen nicht in einer Menge vor, die 12 Massen-% übersteigt.
  • Es wird nun eine Ausführungsform der Erfindung beschrieben.Eine Diamantmasse, vermischt mit Cobalt-Pulver (20 Massen-% der Mischung) wurde auf einem 20 proz. Cobalt- Sintercarbid-Substrat in der Reaktionskapsel einer konventionellen Hochdruck/Hochtemperatur-Apparatur angeordnet. Die Reaktionskapsel wurde in der Reaktionszone der Apparatur angeordnet und auf dieselbe wurden eine Temperatur von 1400 ºC und ein Druck von 50 bis 60 kilobar einwirken gelassen, und diese Bedingungen einer erhöhten Temperatur und eines erhöhten Drucks wurden während einer Zeitspanne von 10 Minuten beibehalten. Aus der Reaktionskapsel wurde ein Composit-Diamant- Kompakt gewonnen, das aus einem Diamant-Kompakt bestand, das an ein Sintercarbid-Substrat gebunden war. Es wurde gefunden, daß das Cobalt gleichförmig und regelmäßig durch die gebundene Diamantmasse verteilt war, und es wurden keine Cobalt-Ansammlungen beobachtet.
  • Die für die Herstellung dieses Kompakts verwendete Diamantmasse bestand aus 65 Massen-% Diamant von 30 µm, 20 Massen-% Diamant von 22 µm, 10 Massen-% Diamant von 12 µm und 5 Massen-% Diamant von 4 µm, wobei jede µm-Größe eine durchschnittliche Teilchengröße ist.
  • Es wurden ähnliche Composit-Diamant-Schleifmittel-Kompakts hergestellt, außer daß die verwendeten Diamantteilchen nur aus einer Diamant-Einbereichsgröße bestanden, nämlich 25 µm. In dem Fall des einen Kompakts, als A bezeichnet, drang das Cobalt in die Diamantmasse aus einem Cobalt-Abstandhalter ein, der zwischen der Diamantmasse und dem Sintercarbid-Substrat angeordnet war. In dem Fall des anderen Kompakts, als B bezeichnet, wurde Cobalt-Pulver mit der Diamantmasse vermischt.
  • Das Composit-Schleifmittel-Kompakt der Erfindung und die zwei Composit-Schleifmittel-Kompakts gemäß dem Stand der Technik wurden verschiedenen Tests und Bewertungen unterzogen.
  • 1. Drehspan-Tests Vier Kompakts jedes Typs wurden in einem Leistungstest bewertet, wobei vier Oberflächengeschwindigkeiten verwendet wurden, und der sich ergebende Abrieb auf 0,5 mm in Minuten gemessen wurde. Je länger die Zeitspanne war, desto besser war das Kompakt. Die erhaltenen Ergebnisse sind graphisch in der Figur 1 aufgeführt. Man kann feststellen, daß das mittels der Erfindung hergestellte Schleifmittel-Kompakt, und als Quadmodal bezeichnet, die zwei Kompakts gemäß dem Stand der Technik übertrifft.
  • 2. Fräsmaschinentests Sieben Fräsmaschinentests wurden auf Norite Granit durchgeführt. Es ließ sich feststellen, daß das Absplittern der Kompakts, die durch die Erfindung hergestellt wurden, im Vergleich zu den zwei Kompakts gemäß dem Stand der Technik ziemlich gleichförmig und gering war.
  • 3. Es wurde gefunden, daß das Schleifmittel-Kompakt der Erfindung in einem Standard-Zähigkeitstest vom V-Kerbentyp besser war als die zwei Kompakts gemäß dem Stand der Technik.
  • 4. Das Kompakt der Erfindung wurde mit dem Kompakt B gemäß dem Stand der Technik unter Verwendung eines Standard- Wärmeausdehnungstests verglichen. In diesem Test wurde die Kompaktschicht von dem Sintercarbid-Substrat entfernt und das gesamte restliche Carbid abgeschmirgelt. Eine Probe wurde von jeder Kompaktschicht abgeschnitten und in ein Dilatometer in eine Argon-Atmosphäre gegeben. Die Temperatur wurde in einem Test auf 750 ºC und in dem anderen Test auf 800 ºC erhöht und die Zeitspanne in Stunden gemessen, bevor eine permanente Ausdehnung beobachtet wurde. Eine permanente Ausdehnung gab den Beginn der Graphitisierung an. Die erhaltenen Ergebnisse sind graphisch in der Figur 2 aufgeführt. In dieser Figur wird die permanente Ausdehnung durch den Ausdehnungsfaktor angegeben, der steil ansteigt.
  • Es läßt sich feststellen, daß das Kompakt der Erfindung später als das Kompakt B bei 800 ºC einen Zustand permanenter Ausdehnung erreichte. Bei 750 ºC wurde nach 45 Stunden keine permanente Ausdehnung beobachtet, während das Kompakt B nach etwa 41 Stunden eine permanente Ausdehnung aufwies.
  • Dieser Test illustriert, daß das Kompakt der Erfindung eine bessere Teilchenpackung und weniger Cobalt-Ansammlungen aufweist als das Kompakt B gemäß dem Stand der Technik.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung eines Schleifmittel-Kömpakts, daß die Stufe einschließt, daß man auf eine Masse ultraharter Schleifmittelteilchen - ausgewählt aus Diamant- oder kubischen Bornitrid-Teilchen - die Bedingungen einer erhöhten Temperatur und eines erhöhten Drucks einwirken läßt, die zur Herstellung eines Schleifmittel-Kompakts geeignet sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Masse wenigstens 25 Massen-% ultraharte Schleifmittelteilchen, die eine durchschnittliche Teilchengröße im Bereich von 10 bis 100 µm haben, und aus wenigstens drei unterschiedlichen Typen von Schleifmittelteilchen bestehen, die sich nur in ihrer durchschnittlichen Teilchengröße unterscheiden, und wenigstens 4 Massen-% ultraharte Schleifmittelteilchen, die eine durchschnittliche Teilchengröße von weniger als 10 µm haben, umfaßt.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die Masse der ultraharten Schleifmittelteilchen, die eine durchschnittliche Teilchengröße im Bereich von 10 bis 100 µm haben, die folgende Zusammensetzung hat:
3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin die kleinsten Schleifmittelteilchen in der Schleifmittelteilchen-Masse eine durchschnittliche Teilchengröße im Bereich von 2 bis 5 µm haben.
4. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die kleinsten Schleifmittelteilchen in der Schleifmittelteilchen-Masse in einer Menge von 4 bis 12 Massen-% vorliegen.
5. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin man das Eindringen eines Bindemittels in die Masse der ultraharten Schleifmittelteilchen herbeiführt, indem man die Bedingungen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Drucks auf die Masse einwirken läßt.
6. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin ein Bindemittel mit der Masse der ultraharten Schleifmittelteilchen vermischt wird.
7. Verfahren gemäß Anspruch 5 oder Anspruch 6, worin das Bindemittel ein Lösungsmittel/Katalysator für das ultraharte Schleifmittelteilchen ist.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, worin das ultraharte Schleifmittelteilchen Diamant ist, und das Bindemittel aus Cobalt, Nickel, Eisen und Legierungen, die eines oder mehrere dieser Metalle enthalten, ausgewählt ist.
9. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Masse der ultraharten Schleifmittelteilchen auf einer Oberfläche eines Sintercarbid-Körpers angeordnet wird, bevor die Bedingungen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Drucks auf sie einwirken.
10. Verfahren gemäß irgendeinem der vqrhergehenden Ansprüche, worin die Bedingungen der erhöhten Temperatur und des erhöhten Drucks ein Druck im Bereich von 40 bis 70 kilobar und eine Temperatur im Bereich von 1300 bis 1600 ºC sind.
11. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die ultraharten Schleifmittelteilchen nicht beschichtet sind.
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