DE69822733T2

DE69822733T2 - Bindung für Schleifwerkzeug

Info

Publication number: DE69822733T2
Application number: DE69822733T
Authority: DE
Inventors: Richard M. Andrews; Bradley J. Miller; Marcus R. Sandy Skeem; Ren-Kae Shiue
Original assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Current assignee: Saint Gobain Abrasives Inc
Priority date: 1997-08-28
Filing date: 1998-08-21
Publication date: 2005-06-30
Anticipated expiration: 2018-08-22
Also published as: ATE263001T1; EP1378323A1; ES2382620T3; US5832360A; CA2240944C; ES2218756T3; EP0899060A2; ATE520499T1; EP0899060A3; CA2240944A1; EP0899060B1; JP3193690B2; EP1378323B1; DE69822733D1; JPH11165260A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft eine Bindung zum Befestigen von Schleifkörnern auf dem Kern eines Schleifwerkzeugs. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Bindung, die auf einfache Weise entfernt werden kann um die Wiederverwendung des Kerns zu erleichtern.
HINTERGRUND UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Industrielle Schleifwerkzeuge umfassen oft Schleifkörner aus einer harten Substanz die auf einem festen Kern befestigt sind. Der Kern kann dafür angepasst sein manuell oder maschinell in beweglichem Kontakt mit einem Arbeitsstück betrieben zu werden, um das Werkstück auf eine gewünschte Form zu schleifen, zu schneiden, zu polieren oder auf andere Weise abzutragen. Die Schleifkörner sind an dem Kern üblicherweise mittels eines Materials befestigt, das manchmal als Bindung bzw. Bindemittel bezeichnet wird (siehe beispielsweise GB-A-1 491 044).
Die Schneidefähigkeit von Schleifwerkzeugen vermindert sich im Allgemeinen mit fortgesetzter Verwendungsdauer. Schließlich verschleißt ein Werkzeug so sehr, dass es für die weitere Verwendung unwirksam wird und durch ein neues Werkzeug ersetzt werden muss.
Oft ergibt sich die durch Verschleiß bewirkte verringern Schneidefähigkeit aufgrund von etwa exzessivem Abstumpfen und Schleifmittelkörnerverlust.
Die Körnung kann verloren gehen wenn das Bindemittel erodiert oder durch den Kontakt mit dem Werkstück bricht. In vielen Fällen sind vom Verschleiß nur das Schleifmittel und das Bindemittel betroffen, und der Kern bleibt im Wesentlichen intakt.
Der Bedarf für den Ersatz verschlissener Schleifwerkzeuge ist in bestimmten aggressiven Schneideanwendungen von Bedeutung, wie etwa beim Schleifen von Konstruktionsmaterialien und dem industriellen Schleifen. Diese Anwendungen erfordern typischerweise das Schleifen von Materialien wie etwa Metallen, Naturstein, Granit, Beton, organische Verbundstoffe und Keramiken, sowie Mischungen davon. Diese schwer zu schleifenden Materialien neigen dazu sogar die härtesten Schleifwerkzeuge schnell zu verschleißen, die Superschleifmittelkörner wie etwa Diamant und kubisches Bornitrid („CBN") umfassen. Außerdem sind Konstruktionsschleifwerkzeuge häufig recht groß. Schleifscheiben von bis zu mehreren Fuß Durchmesser zum Schneiden von Beton und anderen Straßenbelagsmaterialien sind nicht ungewöhnlich. Die Kosten für das Ersetzen derartiger Werkzeuge können relativ hoch sein.
Um die Kosten für das Ersetzen zu verringern ist es üblicherweise möglich den Kern, der aus einem verschlissenen Werkzeug gewonnen wird, wiederherzustellen. Dies wird im Allgemeinen bewerkstelligt durch Entfernen des restlichen Bindemittels und der Körnung auf dem Kern, das Reparieren struktureller Defekte in dem Kern und das Aufbringen einer neuen schneidenden Oberfläche aus Schleifkörnern und Bindemittel. Die Entfernung von Bindung und Körnung von wiedergewonnenen Schleifwerkzeugen wird manchmal als „stripping" bezeichnet.
Stripping ist besonders wichtig für die Wiedergewinnung von industriellen Schleifwerkzeugen, da die industriellen Projekte größtenteils das Schleifen mit engen Toleranzen erfordern. Restliches Bindungsmaterial sollte vollständig von einem gebrauchten Kern entfernt werden, um eine für das industrielle Schleifen geeignete dimensionale Präzision zu erreichen. Natürlich ist stripping auch wichtig beim Konstruktionsschleifen.
Viele Techniken wie etwa Auswaschen und Erhitzen können verwendet werden um die wiedergewonnenen Kerne abzuziehen. Schleifmittel die eine Metallbindung verwenden werden üblicherweise durch eine Kombination von chemischen und elektrochemischen Verfahren abgezogen. Das heißt, das Werkzeug kann in einem chemischen Bad eingetaucht werden, das gegenüber der Zusammensetzung des Bindemittels in selektiver Weise korrosiv ist. Ein geeigneter elektrischer Stromkreis kann auch angewendet werden auf eine Weise welche das Bindemittel durch reverse Elektroplattierung weiter von dem Kern abzieht.
Obwohl signifikant für viele Arten von Schleifwerkzeugen, ist die Fähigkeit den Kern abzuziehen besonders wichtig bei der Entwicklung von Bindemitteln für sogenannte Einschichtmetallbindungswerkzeuge (Single Layer Metal Bond, „SLMB"). SLMB-Werkzeuge werden im Wesentlichen hergestellt durch Aufbringen der Körnung und einer dünnen Beschichtung eines bindenden Materials auf die schneidende Oberfläche des Kerns. Schließlich wird ein Bindemittel zwischen der Körnung und dem Kern durch Wärmebehandlung der Vorrichtung gelötet.
Nickel ist ein Bestandteil in herkömmlichen Bindemitteln die einfach vom Kern abgezogen werden können. Üblicherweise jedoch verlöten Nickel-enthaltende Bindungsmaterialien bei sehr hoher Temperatur, typischerweise weit oberhalb von 1.000°C, was nachteilige Effekte bewirkt. In diesem Temperaturbereich graphitieren Diamantpartikel und manchmal wird sogar das Kernmetall deformiert. Alternativ können Nickelbindungen durch Elektroplattierung bewirkt werden. Dieses Verfahren hat den Nachteil, dass Galvanisierbäder große Volumen von Schleifkörnern verwenden, die in der Galvanisierflüssigkeit dispergiert sind. Wenn die Körnung Diamant oder CBN ist, wird das Galvanisierbad allzu teuer im Unterhalt.
Galvanisierte Bindungen verhalten sich auch nicht so gut wie sogenannte „aktive" Bindungen wie unten diskutiert, d. h. die Bindungen sind nicht so stark und die Körner werden leichter aus dem Werkzeug entfernt. Es wird vermutet, dass diese schlechte Eigenschaft vom Mangel an chemischer Wechselwirkung zwischen der aufgalvanisierten Bindungszusammensetzung und dem Schleifmittelkornmaterial stammt.
Aktivbindungslegierungen können chemisch aktive Bestandteile wie etwa Titan enthalten, und sie haben auf dem Gebiet der Bindungen für SLMB-Werkzeuge große Popularität erreicht. Wesgo Inc. in Belmont, Kalifornien vertreibt eine Bindung basierend auf einem Kupfer-Silber-Eutektikum mit 4,5 Gew.-% Titan unter dem Handelsnamen Ticusil. Obwohl dieses Produkt eine einfach abziehbare Bindung zur Verfügung stellt, ist es relativ teuer aufgrund des Silbergehaltes und seine Betriebseigenschaften sind eher mäßig.
Das US-Patent Nr. 5,102,621 offenbart eine ternäre Lötlegierung im Wesentlichen bestehend aus 0,5 bis 10 Gew.-% Titan, 10 bis 50 Gew.-% Zinn, und der Rest Kupfer. Die Lötlegierung wird eingesetzt zum Ausbilden einer gelöteten Verbindung zwischen einem Graphit- oder Carbonkörper und einem Metallteil, in erster Linie in der Elektronikindustrie um Graphitelektroden auf Kupferleiter aufzulöten. Die Lötlegierung wurde hergestellt durch Vermischen der entsprechenden Mengen an Kupfer, Zinn und Titan und Erhitzen der Mischung in einem Tiegel. Dieses Dokument deutet an, dass die Lötlegierung Graphit benetzt und gute Bindungen auf Graphit ausbildet.
Eine bevorzugte SLMB-Bindungslegierung hat die Zusammensetzung 70 Cu/21 Sn/9 Ti (Gew.-%). Die drei Metallpulver können mit einem flüssigen Bindemittel vermengt werden um eine Paste zu erhalten. Eine Bindung, ausgebildet durch Auftragen der Paste auf einen Metallkern, Abscheiden von Schleifmittelteilchen in die Paste und Aushärten der Legierung bei hoher Temperatur ergibt eine starke Bindung, die jedoch leider mittels chemischer und elektrochemischer Verfahren nicht einfach abziehbar ist. Derartige Cu/Sn/Ti-enthaltende Bindungszusammensetzungen sind vermutlich deshalb schlecht abziehbar, da (a) Zinnenthaltende intermetallische Phasen innerhalb der Bindung gegenüber der Korrosion durch Strippingchemikalien resistent sind und (b) eine Ti/Fe/Cu/Sn-intermetallische Phase ausgebildet wird, die die Bindung sehr fest auf dem Kern anhaften lässt. Zinn und Titan sind Schmelzpunkt-erniedrigende Stoffe in der Legierung und Titan reagiert mit Kohlenstoff, was vorteilhafter dazu führt, dass die geschmolzene Bindung die Diamantkörner während des Aushärtens benetzen kann. Daher ist eine einfache Verringerung der Zinn- und Titanmenge der Zusammensetzung unerwünscht um die Abziehbarkeit zu verbessern.
Cu/Sn/Ti-Bindungen zum Löten wurden traditionellerweise hergestellt durch Zusammenmischen der Pulver der drei Einzelbestandteile, um eine gleichförmig konzentrierte Mischung zu erhalten. Dieses Verfahren gab dem Hersteller vorteilhafterweise eine ausgezeichnete Kontrolle über die letztendliche Bindungszusammensetzung, da die Menge jedes der Bestandteile separat eingestellt werden konnte. Es wurde herausgefunden, dass die mittels eines Zweischrittverfahrens hergestellte Bindung, umfassend zunächst das Vereinigen von Kupfer und Zinnbestandteilen in einer Bronzelegierung, und zweitens das Vermischen eines Pulver der Bronze mit einer entsprechenden Menge von Titanhydridpulver, hochwirksam für SLMB-Bindungen ist und darüber hinaus viel leichter abziehbar ist als traditionelle Cu/Sn/Ti-Bindungen.
Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung eine ablösbare Bindungszusammensetzung für ein Schleifwerkzeug mit einem überwiegend aus Eisen bestehenden Kern zur Verfügung, im Wesentlichen bestehend aus:

(a) etwa 85–95 Gew.-% Bronzelegierung mit etwa 5,6 bis 41,2 Gew.-% Zinn und etwa 58,8–94,4 Gew.-% Kupfer; sowie
(b) etwa 5–15 Gew.-% Titan.

Ferner wird auch ein Schleifwerkzeug zur Verfügung gestellt, mit Schleifkörnung gebunden auf einem überwiegend aus Eisen bestehenden Kern mittels einem Lötmaterial, gemäß Anspruch 15.
Diese Erfindung stellt ferner ein Verfahren zum Binden einer Schleiflkörnung auf einem Werkzeug mit einem überwiegend aus Eisen bestehenden Kern zur Verfügung, umfassend die Schritte:

(1) Vermischen einer gleichförmigen Mischung eines Bronzelegierungspulvers, im Wesentlichen bestehend aus etwa 5,6–41,2 Gew.-% Zinn und einer komplementären Menge an Kupfer; sowie Titanhydridpulver; wobei die Pulver in Mengenanteilen vorliegen, die ausreichen um eine Bindemittelzusammensetzung zu erhalten, die im Wesentlichen besteht aus:
(i) etwa 50–90 Gew.-% Kupfer;
(ii) etwa 5–35 Gew.-% Zinn; sowie
(iii) etwa 5–15 Gew.-% Titan;
(2) Aufbringen von Schleifmittelkörnern und der Bindungszusammensetzung auf eine schneidende Oberfläche des Kerns;
(3) Erhitzen der Bindungszusammensetzung auf eine erhöhte Temperatur unterhalb der Löttemperatur von höchstens 870°C in einer im Wesentlichen sauerstofffreien Atmosphäre, wobei das Erhitzen ausreichend ist um zu bewirken, dass das Titanhydrid zu elementarem Titan dissoziiert; und
(4) weiteres Erhitzen der Bindungszusammensetzung auf die Löttemperatur für eine Dauer die ausreicht um eine Hauptmenge der Bindungszusammensetzung zu verflüssigen.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Gemäß einem Gesichtspunkt betrifft die Erfindung eine ablösbare Bindung bzw. Bindemittel für ein Schleifwerkzeug mit einem überwiegend aus Eisen bestehenden Kern, die eine Bindungszusammensetzung verwendet die größtenteils aus Kupfer, Zinn und Titan besteht. Gelegentlich wird hierin der Begriff „Bindungszusammensetzung" verwendet um die Zusammensetzung der Mischung der Bestandteile, welche die Bindung ausmachen zu bezeichnen. Der Begriff „Bindung" bedeutet die geschmolzene Bindung nach Wärmebehandlung oder einer anderen Behandlung der Bindungszusammensetzung um die Schleifmittelkörner an dem Werkzeug zu fixieren. Wie hier verwendet, zeichnet der Begriff „Kern überwiegend aus Eisen" einen Kern aus einer metallischen Zusammensetzung, in der elementares Eisen ein wesentlicher Bestandteil ist. Der Kern überwiegend aus Eisen soll Kerne aus elementarem Eisen oder Eisenlegierungen wie etwa Carbonstahl und rostfreiem Stahl umfassen, die beispielsweise kleine, jedoch signifikante Anteile an Nickel, Chrom, Molybdän, Chrom, Vanadium, Wolfram, Silizium, Mangan, und Mischungen davon enthalten.
Die Körner, die auf den Metallkern gebunden werden, können beliebige, geeigneterweise harte, kornförmige partikuläre Schleifmaterialien sein. Repräsentative Schleifmittel, die in dieser Erfindung verwendet werden können, umfassen Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Wolframkarbid und dergleichen. Aluminiumoxid umfasst Standardaluminiumoxid-Schleifmittel, wie auch sogenannte geimpfte und ungeimpfte Sol-Gel-Mikrokristalline Alpha-Aluminas. Ein besonderer Vorzug wird den sehr harten Schleifsubstanzen gegeben, die im Allgemeinen als Superschleifmittel bekannt sind. Diese umfassen Diamant, kubisches Bornitrid und Mischungen davon. Unter diesen ist Diamant bevorzugt, in erster Linie zum Schneiden von nicht-eisenhaltigen Materialien.
Um die erwünschte Ablösbarkeit der Bindung von dem Metallkern zu gewährleisten liegen Kupfer, Zinn und Titan in der Bindungszusammensetzung in Form von zwei Bestandteilen, nämlich als Bronzelegierung und Titan vor. Die Mengen von Kupfer und Zinn sind komplementär auf insgesamt 100%. Die Bronzelegierung besteht vorzugsweise im Wesentlichen aus etwa 50–90 Gew.-% Kupfer und etwa 5–35 Gew.-% Zinn; besonders bevorzugt etwa 70–90 Gew.-% Kupfer und etwa 10–30 Gew.-% Zinn, und insbesondere bevorzugt etwa 75–77 Gew.-% Kupfer und 23–25 Gew.-% Zinn.
Der Titanbestandteil enthält vorzugsweise Titan in einer Form, die während des Lötens mit einem Superschleifmittel, insbesondere mit Diamant, reagieren kann. Diese Reaktivität verbessert die Fähigkeit der geschmolzenen Lötzusammensetzung die Oberfläche der Schleifmittelkörner zu benetzen. Die resultierende erhöhte Kompatibilität zwischen der Bindung und dem Superschleifmittel scheint der Bindungsstärke förderlich zu sein. Das Titan kann der Mischung entweder in elementarer oder in Verbindungsform zugesetzt werden. Elementares Titan reagiert mit Wasser oder Sauerstoff bei niedriger Temperatur um Titandioxid zu bilden, und wird dadurch unverfügbar um während des Lötens mit dem Diamant zu reagieren. Daher ist das Zusetzen von elementarem Titan weniger bevorzugt wenn Wasser oder Sauerstoff anwesend sind. Wasser kann als Bestandteil oder als Verunreinigung eines optional flüssigen Bindemittels eingebracht werden. Wenn Titan in Verbindungsform zugesetzt wird, sollte die Verbindung in der Lage sein während des Lötschrittes zu dissoziieren, um dem Titan zu ermöglichen im Superschleifmittel zu reagieren. Vorzugsweise wird das Titan zu dem Bindungsmaterial als Titanhydrid, TiH₂, zugesetzt, das bis zu etwa 500°C stabil ist. Oberhalb von 500°C dissoziiert Titanhydrid zu Titan und Wasserstoff. Sowohl Bronzelegierung und Titanmischanteile werden vorzugsweise in Pulverform in die Bindungszusammensetzung eingebaut. Die Pulver sollten eine kleine Teilchengröße aufweisen. Dies hilft dabei eine gleichförmige Mischung und homogene Konzentration über die gesamte Bindungszusammensetzung zu erzeugen, für eine optimale Benetzung der Schleifmittelkörner während des Lötens und für die Entwicklung einer maximalen Bindungsstärke zwischen dem Kern und den Körnern. Die feine Teilchengröße erleichtert auch die Bildung einer Bindungszusammensetzungspaste, wie im Folgenden erläutert. Feine Teilchen mit einer maximalen Dimension von etwa 44 μm sind bevorzugt. Die Teilchengröße der Metallpulver kann durch Filtern der Teilchen durch ein Sieb mit spezifizierter Maschengröße bestimmt werden. Beispielsweise werden nominale 44 μm-Maximalteilchen durch ein 325er Sieb nach US-Standard mesh durchpassen. Die minimale Metallteilchengröße ist nicht besonders kritisch für das gelötete Werkzeug. Sie ist im Allgemeinen begrenzt durch den Aufwand beim Erzeugen ultrafeiner Teilchen.
Die gepulverten Metallbestandteile sollten vorzugsweise in der Bindungszusammensetzung in Bereichen von etwa 5 bis 15 Gew.-% Titan und etwa 85 bis 95 Gew.-% Bronzelegierung vorliegen. Besonders bevorzugt sollte die Kombination der Bronzelegierungszusammensetzung und die Konzentration des Titans zu einer Bindungszusammensetzung führen, die etwa 70 Gew.-% Kupfer, etwa 21 Gew.-% Zinn und etwa 9 Gew.-% Titan umfasst. Wie erwähnt wird der Einbau der Titankomponente in Form von Titanhydrid vorgezogen. Bei vielen Anwendungen der Bindungszusammensetzung der vorliegenden Erfindung kann der geringfügige Unterschied zwischen dem Molekulargewicht von elementalem Titan und Titanhydrid vernachlässigt werden. Aus Gründen der Klarheit wird jedoch angemerkt, dass die hier angegebenen Zusammensetzungen sich auf das vorliegende Titan beziehen, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die Bindungszusammensetzung wird hergestellt durch Vermischen der trockenen Pulverbestandteile, beispielsweise mittels Taumelmischer, bis die Konzentrationen der Bestandteile durch die gesamte Mischung gleichförmig sind. Die Pulvermischung kann direkt auf die schneidende Oberfläche des Werkzeugkerns aufgebracht werden. Vorzugsweise werden die trockenen Pulverbestandteile mit einem flüchtigen, flüssigen Bindemittel mit einer im Allgemeinen geringen Viskosität vermischt. Das Bindemittel wird zu den gepulverten Bestandteilen in ausreichenden Mengenanteilen zugesetzt, um eine viskose, klebrige Paste zu bilden, beispielsweise von der Konsistenz einer Zahnpasta. In Pastenform kann die Bindungszusammensetzung sehr genau abgegeben werden und sollte auf der schneidenden Oberfläche des Kerns, wie auch an den Schleifmittelkörnern haften. Der Begriff „flüchtig" bedeutet, dass das flüssige Bindemittel die Fähigkeit aufweist bei erhöhter Temperatur die Bindungszusammensetzung zu verlassen, vorzugsweise unterhalb der Löttemperatur und ohne das Lötverfahren nachteilig zu beeinflussen. Das Bindemittel sollte ausreichend flüchtig sein um während des Lötens im Wesentlichen vollständig zu verdampfen und/oder zu pyrolysieren, und ohne einen Rückstand zu hinterlassen der mit der Funktion der Bindung interferieren könnte. Vorzugsweise wird das Bindemittel unterhalb von 400°C verdampfen. Die Bindemittelflüchtigkeit sollte jedoch niedrig genug sein, dass die Paste bei Raumtemperatur über einen vernünftigen Zeitraum („Trocknungszeit") flüssig und klebrig bleibt, um die Bindungszusammensetzung und das Schleifmittel auf dem Kern aufzubringen und die Werkzeuge für das Aushärten vorzubereiten. Vorzugsweise sollte die Trocknungszeit bei etwa 1 bis 2 Stunden liegen. Geeignete flüssige Bindemittel um die Parameter der neuen Bindungszusammensetzung zu erfüllen sind kommerziell erhältlich. Repräsentative pastenbildende Bindemittel die zur Verwendung in der vorliegenden Erfindung geeignet sind umfassen Braz^TM-Gel von Vitta Company; sowie Lucanex^TM-Bindemittel von Lucas Company. Das letztere ist eine Proprietärzusammensetzung und muss gegebenenfalls speziell als bereits vorgemischte Paste vom Verkäufer mit den Bindungszusammensetzungsbestandteilen bezogen werden. Das Bindemittel kann mit den Pulvern auf viele im Stand der Technik bekannte Verfahren vermengt werden, wie etwa mittels Kugelmühlen. Die Reihenfolge der Mischung der Pulver und des flüssigen Bindemittels selbst ist nicht kritisch.
Die Paste wird durch beliebige gut bekannte Techniken wie etwa Aufstreichen, Aufsprühen, Abstreichen oder Eintauchen der Oberfläche des Werkzeugs in die Paste auf einen Kern aufgetragen. Beispielsweise kann die Paste mit Hilfe einer Drehmaschine auf den Kern aufgebracht werden. Bei der Herstellung von Einzelschichtmetallbindungsschleifwerkzeugen wird anschließend eine Schicht aus Schleifmittelkörnern auf die Beschichtung aus der Bindungszusammensetzung abgeschieden. Die Schleifmittelkörner können individuell platziert werden oder auf eine Weise aufgestreut werden, die eine gleichmäßige Verteilung über die schneidende Oberfläche gewährleistet. Die Schleifmittelkörner werden in einer Einzelschicht, d. h. im Wesentlichen mit der Dicke eines Korns, abgeschieden. Teilchengrößen der Schleifmittelkörner sollten im Allgemeinen größer als 325 mesh und vorzugsweise größer als etwa 140 mesh sein.
Die Menge der aufgetragenen Paste ist wirksam um eine Bindungsdicke zu gewährleisten, die spezifiziert ist um die Schleifmittelkörner am Kern stark festzuhalten. Die günstigste Menge der Paste hängt in gewissem Ausmaß von der Größe der Körner ab. Vorzugsweise sollte genügend Paste aufgetragen werden um eine Pastentiefe von mindestens gleich und bevorzugt etwa 1,7 bis etwa 2,3 mal der maximalen nominalen Abmessung der Schleifmittelkörner zu erzeugen. Beispielsweise ist die maximale nominale Abmessung eines 140 mesh-Pulvers 76 μm. Körner und gepulverte Bindungszusammensetzungsbestandteile können alternativ aufgebracht werden, zunächst durch Abscheiden klebstoffbeschichteter Schleifmittelkörner direkt auf den Metallkern und anschließendes Abdecken der Körner mit der Metallpulvermischung. Das Metallpulver kann gegebenenfalls einen flüchtigen, flüssigen Binder enthalten. Teilchen mit sehr geringer Teilchengröße können üblicherweise ohne eine Bindemittelkomponente auf dem kornbeladenen Kern aufgebracht werden.
Die Bindungszusammensetzung aus gemischten Pulverteilchen und gegebenenfalls einem flüssigen Bindemittel wird sich beim Aushärten verdichten, wie weiter unten beschrieben ist. Die Durchschnittsfachleute werden in der Lage sein die Menge an Trockenpulver oder Paste zu bestimmen, die auf den Kern aufgetragen werden muss um die erwünschte Dicke der gelöteten Bindung zu erzeugen.
Die Bindung gemäß der vorliegenden Erfindung wird mittels eines Hartlötverfahrens hergestellt, das das Erhitzen der Pulvermischung oder Paste unmittelbar auf eine erhöhte Löttemperatur umfasst, bei der eine Hauptmenge der festen Bestandteile sich verflüssigt um eine flüssige Lösung auszubilden, die über die schneidende Oberfläche des Werkzeugs fließt. Im flüssigen Zustand benetzen die Bindungsmetalle in vorteilhafter Weise die Oberfläche der Schleifmittelkörner sehr gut. Die gute Benetzungseigenschaft wird größtenteils der Gegenwart des Titans zugeschrieben, welches mit den Schleifmittelmaterialien oberflächenaktiv ist, insbesondere bei den Superschleifmitteln Diamant und CBN. Es ist auch wichtig einen vorteilhaft hohen Grad der Bindungsablösbarkeit zu gewährleisten, indem Kupfer und Zinn als eine vorlegierte Komponente vor dem Löten kombiniert werden. Wenn Kupfer und Zinn als unabhängige Bestandteile bereitgestellt werden wird erwartet, dass sich das Zinn zuerst verflüssigt bei seiner niedrigen Schmelztemperatur von 232°C, wohingegen Kupfer und Titan fest bleiben. Sobald als Flüssigkeit freigesetzt wird der Zinn eine intermetallische Phase mit dem Eisen des Kerns ausbilden, welches sowohl die letztendliche Bindung schwächt und sich auch schwieriger mittels chemischer oder elektrischer Ablösverfahren entfernen lässt. Die Zinn-enthaltende intermetallische Phase schwächt die Bindung durch Ausbildung einer zusätzlichen diskontinuierlichen Komponente innerhalb der Bindung. Es reagiert auch mit Titan, und verbraucht einen Teil des in der Bindungszusammensetzung verfügbaren Titans, wobei weniger Titan zur Erhöhung der Benetzung der Schleifmittelkörner verbleibt.
Es wurde auch beobachtet, dass die flüssige Lösung von vorlegiertem Kupfer/Zinn und Titan oder Titanhydridpulver in Bindungszusammensetzungen über den Kern und die Körner mehr glatt, gleichmäßig und konsistent fließt, d. h. ohne Flecken und morphologische Unregelmäßigkeiten wie sonst üblich. Ferner verflüssigt sich die Bindungszusammensetzung der vorliegenden Erfindung bei einer geringfügig niedrigeren Temperatur als eine ternäre Pulvermischung. Dies erlaubt eine Durchführung des Lötverfahrens bei niedrigerer Temperatur, was die Integrität des Kerns und der Körner besser schont, und auch Energie einspart.
Die Löttemperatur der Kupfer/Zinn/Titan-Bindungszusammensetzungen gemäß der vorliegenden Erfindung kann bei bis zu etwa 880°C liegen, was nahe der Löttemperatur ternärer Pulvermischungen liegt. Die vorlegierte Kupfer/Zinn- und Titan/Binär-Mischung kann jedoch unterhalb von etwa 870°C effektiv gelötet werden, vorzugsweise zwischen 850 und 870°C, und besonders bevorzugt bei etwa 865°C. Wenn die Titankomponente als Titanhydrid in die Bindungszusammensetzung eingebaut wird, sollte das Aufheizen auf die Löttemperatur auf eine geeignete Geschwindigkeit eingeregelt sein um es dem Hydrid zu ermöglichen, vor Erreichen der Löttemperatur vollständig zu dissoziieren. Ferner wird auch der flüchtige Binder, sofern einer vorhanden ist, die Bindungszusammensetzung während der Heizschritte verlassen. Das Bindemittel kann die Bindung mittels verschiedener Mechanismen verlassen. Höher flüchtige Anteile können bei niedrigeren Temperaturen verdampfen, und gering flüchtige Anteile können pyrolysieren sobald die Temperatur die Löttemperatur annähert.
Die Atmosphäre des Lötverfahrens sollte kontrolliert werden um Sauerstoff auszuschließen welcher mit den vorliegenden Metallen reagieren kann. Die Kontrolle kann bewerkstelligt werden durch Löten unter Vakuum oder in einer Inertgas-gespülten Umgebung, vorzugsweise ausreichend um die Sauerstoffkonzentration unterhalb von 100 parts per million (ppm) zu halten. Das Löten sollte bei der Schmelztemperatur der Bronze für einen Zeitraum gehalten werden der ausreicht, um eine Hauptmenge der Bronzelegierung und des Titans zu schmelzen und die Oberfläche der Schleifmittelkörner extensiv zu benetzen, insbesondere wenn ein Superschleifmittel verwendet wird. 15 Minuten bei der Schmelztemperatur der Bronze sind oft ausreichend, und 30 Minuten sind bevorzugt.
Die Bindungszusammensetzung kann aus Vorlegierungen, aus zwei oder mehr Bestandteilen und einzelnen Pulvern erzeugt werden. Beispielsweise kann die Bindungszusammensetzung dieser Erfindung aus Mischungen einer Cu/Sn-Vorlegierung und Ag und TiH₂; Cu/Sn/Ag-Vorlegierung, Cu/Sn-Vorlegierung und TiH₂; sowie Ag/Cu-Vorlegierung, Cu/Sn-Vorlegierung und TiH₂ hergestellt werden. Besonders bevorzugt wird die Bindungszusammensetzung aus einer einzelnen quaternären Vorlegierung aus Cu/Sn/Ti/Ag-Bestandteilen hergestellt.
Die Bindungszusammensetzung kann in trockener Form aufgetragen werden, oder mit einem flüssigen Bindemittel für die Auftragung als Paste vermischt werden. Die optionale Bindemittelkomponente ist im Wesentlichen so wie vorher beschrieben. Das Verfahren zur Herstellung eines mit quaternärer Zusammensetzung gebundenen Werkzeugs entspricht im Wesentlichen dem Verfahren zur Herstellung des mit ternärer Zusammensetzung gebundenen Werkzeugs.
Diese Erfindung wird nun durch Beispiele von bestimmten repräsentativen Ausführungsformen veranschaulicht, worin alle Teile, Mengenanteile und Prozentsätze nach Gewicht sind, sofern nicht anders angegeben. Alle Gewichtseinheiten und Maße die ursprünglich nicht in SI-Einheiten erhalten wurden, wurden in SI-Einheiten umgerechnet.
BEISPIELE
Beispiele 1–11
Bindungszusammensetzungen wurden bezüglich ihrer Bindungseigenschaften und Ablösbarkeit geprüft. Verschiedene Kupfer-, Zinn- und Silberlegierungen, und Titanhydridpulver wurden zu gleichförmigen Mischungen vermengt. Braz^TM-Bindemittel wurde in die Pulvermischungen eingerührt um glatte, homogene 25 Gew.-% Bindemittelgehalt-enthaltende Pasten zu erzeugen. Jede Paste wurde wie folgt auf separate Testsubstrate aufgebracht: Eine 0,25 mm dicke perforierte rostfreie Stahlplatte wurde auf einer sauberen flachen Stahlplatte mit ungefähr 20 cm² Oberfläche und 1,6 mm Dicke fest verankert. Die Paste wurde auf die exponierte Oberfläche der perforierten Platte aufgebracht und mit einer Art Gummidruckrakel in die Perforationshohlräume hineingedrückt. Diamanten mit einer Größe von etwa 80 bis 100 US-standard mesh (etwa 0,12–0,18 mm) wurden auf die Platten-abgedeckte Platte aufgestäubt. Die perforierte Platte wurde vorsichtig entfernt, wodurch klebende Diamantkörner in diskret platzierten Tupfen aus der Paste auf der Platte zurückgelassen wurden. Überschüssige Diamant wurde durch Umdrehen der Platte entfernt. Die Platten wurden mit etwa 10°C pro Minute auf Löttemperatur erhitzt, bei einem Vakuum von weniger als 0,133 Pa (< 10^–3 Torr). Anschließend ließ man Abkühlen, wodurch die Diamanten auf den Platten fixiert wurden. Die Platten wurden visuell bezüglich Ihrer Gleichmäßigkeit der Bindungsausbildung untersucht, und die Teilchen wurden per Hand für eine qualitative Beurteilung der Bindungsstärke geprüft. Die Platten wurden in einem elektrochemischen Ablösebad, enthaltend Enstrip 5000 niedrig-pH-Ablösemittel von Enthone Co., eingetaucht und mit einem Strom von 0,108 amp/cm² etwa 8 Stunden lang elektrisch abgelöst, wie notwendig um die Bindung von den Platten abzulösen. Die Ablösebadtemperatur wurde im Bereich von etwa 28 bis 40°C nicht präzise gesteuert. Von Zeit zu Zeit während der Ablösung wurde saurer Elektrolyt zu dem Galvanisierbad zugesetzt, um einen niedrigen pH aufrecht zu halten. Eine visuelle Begutachtung des Zustands der Plattenoberfläche wurde nach dem elektrochemischen Stripping gemacht. Wenn Bindung zurückblieb wurden die Platten sandgestrahlt und das Ausmaß des erforderlichen Sandstrahlens um zu einer Oberfläche mit bindungsfreiem Zustand zurückzukehren wurde notiert.
Die verwendeten Metallbestandteile zur Herstellung der Bindungszusammensetzungen sind in Tabelle 1 aufgelistet. Die Zusammensetzungen der Bindung, die Lötbedingungen und Ergebnisse sind in Tabelle 2 zusammengestellt.
Tabelle I
Tabelle II
Beispiel 1 wurde hergestellt aus einer Mischung einer Kupfer/Zinn-Legierung und Titanhydridpulver. Die Bindungszusammensetzung gewährleistete die stärkste Bindung und die am wenigsten ablösbare aller Testzusammensetzungen. Ein bisschen Sandstrahlen war erforderlich um die Bindung und die Schleifmittelkörner vollständig nach dem elektrochemischen Stripping zu entfernen. Mechanische Entfernung nach dem elektrochemischen Stripping war erforderlich, jedoch war das Ausmaß der Reinigung merklich weniger als erforderlich um metallische Einschichtdiamantschleifscheibenbindungen aus Bindungszusammensetzungsmischungen mit separaten Kupfer, Zinn und Titanhydridpulver wieder zu gewinnen. Diese Scheiben erforderten mehrfache Zyklen von elektrochemischem Ablösen und Sandstrahlen um die restliche Bindung vollständig zu entfernen. Beispiel 1 zeigt daher die Verbesserung bei der Ablösbarkeit der Kupfer/Zinn-Vorlegierungs- und Titan-Bindungszusammensetzung gegenüber den nicht-legierten 3-komponentigen Bindungszusammensetzungen.
Die Bindungszusammensetzung der Beispiele 2–11 wurden erhalten durch Mischen verschiedener Kombinationen von Legierungspulvern wie in Tabelle 1 beschrieben. Im Allgemeinen verbesserte sich die Ablösbarkeit der Bindung und die Menge an mechanischer Arbeit die erforderlich war, und die Bindungsrückstände nach dem elektrochemischen Stripping waren verringert mit ansteigendem Gehalt an Silber in der Bindungszusammensetzung.
Auch die Fähigkeit die Löttemperatur zu verringern verbesserte sich mit steigendem Silbergehalt. Beispiel 1 konnte bei einer akzeptablen Temperatur von 855°C gelötet werden. Mit etwa 10 Teilen Silber pro 100 Teilen Cu/Sn/Ti (Beispiel 3) konnte das Löten erfolgreich bei 855°C ausgeführt werden. Mit 50 Teilen pro 100 (Beispiel 7) und 108 Teilen pro 100 (Beispiel 9) wurde ein Löten unterhalb von 800°C erreicht. Während die Ablösbarkeit bei diesen hochsilberhaltigen Bindungszusammensetzungen exzellent war, wie auch die niedrigen Löttemperaturen, litt jedoch die Bindungsstärke etwas. Für die gleichen Zusammensetzungen erzeugte das Erhöhen der Löttemperatur auf 820°C (Beispiele 8 und 10) starke Bindungen. Die Bindungsstärke und die Ablösbarkeit verblieben relativ gut bei einem Silbergehalt von 130 Teilen pro 100.
Beispiele 23 und 24
Einschichtmetallbindungs-Diamantschleifscheiben wurden wie folgt hergestellt. Eine Mischung der gleichen Komponenten wie in Beispiel 4, das heißt 23 Gewichtsteile eines 72 Gew.-% Silber/28 Gew.-% Kupferlegierungspulvers; 77 Gewichtsteile eines 77 Gew.-% Kupfer/23 Gew.-% Zinnlegierungspulvers und 7,0 Gewichtsteile Titanhydrid wurden bis zur gleichförmigen Konzentration in einem Taumelmischer vermengt. Die trockene Mischung wurde Braz^TM-Bindemittel von Vitta Company vermischt um eine Paste mit einer 25 Gew.-%igen Bindemittelkonzentration zu bilden (Beispiel 23).
Eine zweite Zusammensetzung entsprechend Beispiel 1 wurde auch durch Mischen von 100 Gewichtsteilen von 77 Gew.-% Kupfer/23 Gew.-% Zinnlegierungspulver und 9,0 Gew.-% Titanhydridpulver zu einer Mischungszusammensetzung aus 70 Gew.-% Kupfer, 21 Gew.-% Zinn und 9 Gew.-% Ti hergestellt. Die Mischung wurde auch zu einer 25 Gew.-% Pastenzusammensetzung mit Braz^TM-Bindemittel vermischt (Beispiel 24).
Die Pasten wurden auf die Ränder von zwei 10,16 cm-Durchmesser Stahlschleifscheibenkerne aufbeschichtet. Diamantschleifmittel von etwa 0,12 bis 0,18 mm Größe wurde auf die Pasten in einer Einzelschicht aufgestäubt. Überschüssige Schleifmittelkörner wurden von den Scheiben abgeschüttelt, die anschließend ofengetrocknet wurden um das flüssige Bindemittel zu verdampfen und „grüne" Scheibenvorstufen zu bilden. Die Vorstufen wurden auf 865°C für 30 Minuten unter geringer Sauerstoffatmosphäre bei einem Druck unterhalb von 0,133 Pa erhitzt. Während dieser Zeit dissoziierte das Titanhydrid zu elementarem Titan, welches sich mit den verbleibenden Bestandteilen verflüssigte um die Schleifmittel zu beschichten. Die Scheiben ließ man abkühlen, was verursachte, dass die Lötflüssigkeiten sich verfestigten und die Schleifmittel an die Kerne klebten.
Die Scheiben wurden verwendet um hochdichte (99,5%) Aluminiumoxidblöcke mit Abmessungen von 23,32 cm × 10,16 cm × 2,54 cm von Coors Ceramics Co., Golden, Colorado zu schleifen. Die Scheiben wurden mit einer Oberflächengeschwindigkeit von 25,4 m/sek rotiert, und die Längsgeschwindigkeit betrugt 2,54 cm/sek. Die Blöcke wurden über eine Länge mit einer Tiefe von 0,432 mm geschnitten: Bei den Versuchen zeigten die Scheiben ähnliche Leistungsniveaus und Normalkräfte. Beide Scheiben verschlissen aufgrund von Bruch und Abflachen der Diamantkörner. Sehr geringer Diamantverlust (weniger als 5 Körner pro Scheibe) wurde beobachtet, was anzeigt, dass die Bindungsstärke der neuen Scheibe im Vergleich mit der herkömmlichen Scheibe vorteilhaft ist.
Diese Beispiele zeigen, dass die neuen Bindungen in der Lage sind sehr gute Schleifeigenschaften zur Verfügung zu stellen. Basierend auf den Ablösbarkeitsergebnissen der Beispiele 4 und 1 zeigen die Beispiele 23 und 24, dass die neuen Bindungszusammensetzungen überlegene Kombinationen von Stärke, Schneidfähigkeit und Einfachheit der Ablösung für die Wiedergewinnung der verbrauchten Schleifwerkzeuge gewährleisten.

Claims

Ablösbare Bindemittelzusammensetzung für ein Schleifwerkzeug mit einem Kern überwiegend aus Eisen, im Wesentlichen bestehend aus: (a) etwa 85 bis 95 Gew.-% Bronzelegierung mit etwa 5,6 bis 41,2 Gew.-% Zinn und etwa 58,8 bis 94,4 Gew.-% Kupfer; sowie (b) etwa 5 bis 15 Gew.-% Titan.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei die Bindemittelzusammensetzung aus etwa 70 Gew.-% Kupfer, etwa 21 Gew.-% Zinn und etwa 9 Gew.-% Titan besteht.
Erfindung nach Anspruch 1, wobei jeder der Bronzelegierungs- und Titanbestandteile ein Pulver mit einer Teilchengröße von weniger als etwa 44 μm ist, und der Titanbestandteil Titanhydrid ist.
Erfindung nach Anspruch 3, wobei die Bindemittelzusammensetzung ferner im Wesentlichen ein flüchtiges flüssiges Bindemittel in einer wirksamen Menge um eine Paste zu bilden umfasst.
Verfahren zum Binden einer Schleifmittelkörnung an ein Werkzeug mit einem Kern in dem Eisen überwiegt, umfassend die folgenden Schritte: (1) Vermischen einer gleichförmigen Mischung eines Bronzelegierungspulvers bestehend im Wesentlichen aus etwa 5,6 bis 41,2 Gew.-% Zinn und einer komplementären Menge an Kupfer; sowie eines Titanhydridpulvers; wobei die Pulver in Mengenanteilen vorliegen, die wirksam sind um eine Bindemittelzusammensetzung zu erhalten die im Wesentlichen besteht aus: (i) etwa 50 bis 90 Gew.-% Kupfer; (ii) etwa 5 bis 35 Gew.-% Zinn; und (iii) etwa 5 bis 15 Gew.-% Titan; (2) Aufbringen von Schleifmittelkörnern und der Bindemittelzusammensetzung auf eine schneidende Oberfläche des Kerns; (3) Erhitzen der Bindemittelzusammensetzung auf eine erhöhte Temperatur unterhalb einer Löttemperatur von höchstens etwa 870°C in einer im Wesentlichen sauerstofffreien Atmosphäre, wobei die Erhitzung ausreicht um zu bewirken, dass das Titanhydrid zu elementarem Titan dissoziiert; und (4) weiteres Erhitzen der Bindemittelzusammensetzung auf die Löttemperatur für eine Dauer die ausreicht, um eine Hauptmenge der Zusammensetzung zu verflüssigen.
Erfindung nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Aufbringens das Einmischen einer wirksamen Menge eines flüchtigen flüssigen Bindemittels in die Bindemittelzusammensetzung umfasst, um eine Paste zu bilden; sowie die Beschichtung der schneidenden Oberfläche mit einer Schicht aus der Paste; und das Abscheiden von Schleifmittelkörnern in der Paste.
Erfindung nach Anspruch 5, wobei der Schritt des Aufbringens das Abscheiden von Klebstoff-beschichteten Körnern auf der schneidenden Oberfläche gefolgt vom Abdecken der Körner mit der Bindemittelzusammensetzung umfasst.
Erfindung nach Anspruch 5, wobei die Körner im Wesentlichen in einer Einzelschicht abgeschieden werden.
Erfindung nach Anspruch 8, wobei die Löttemperatur im Bereich von etwa 850 bis 865°C liegt.
Erfindung nach Anspruch 8, wobei die Schleifmittelkörner ein Superschleifmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Diamant, kubischem Bornitrid und einer Mischung dieser sind.
Erfindung nach Anspruch 8, wobei das Schleifwerkzeug eine Scheibe ist.
Erfindung nach Anspruch 11, wobei die Bronzelegierung etwa 23 Gew.-% Zinn umfasst, und die Bindemittelzusammensetzung etwa 70 Gew.-% Kupfer, etwa 21 Gew.-% Zinn und etwa 9 Gew.-% Titan umfasst.
Einzelschicht-Metallgebundenes Schleifwerkzeug umfassend: (a) einen Kern vorherrschend aus Eisen; und (b) Schleifmittelkörnung gebunden auf dem Kern mittels einer gelöteten Bindemittelzusammensetzung gemäß Anspruch 1.
Erfindung nach Anspruch 13, wobei die Bindemittelzusammensetzung etwa 70 Gew.-% Kupfer, 21 Gew.-% Zinn und etwa 9 Gew.-% Titan umfasst.
Schleifwerkzeug mit einem Kern vorherrschend aus Eisen, wobei das Werkzeug nach einem Verfahren umfassend die folgenden Schritte hergestellt wird: (1) Vermischen einer gleichförmigen Mischung eines Bronzelegierungspulvers im Wesentlichen bestehend aus etwa 5,6 bis 41,2 Gew.-% Zinn und einer komplementären Menge an Kupfer; sowie Titanhydridpulver; wobei die Pulver in Mengenanteilen vorliegen, die ausreichen um eine Bindemittelzusammensetzung zu erhalten die im Wesentlichen besteht aus: (i) etwa 50 bis 90 Gew.-% Kupfer; (ii) etwa 5 bis 35 Gew.-% Zinn; und (iii) etwa 5 bis 15 Gew.-% Titan; (2) Aufbringen von Schleifmittelkörnern und der Bindemittelzusammensetzung auf eine schneidende Oberfläche des Kerns; (3) Erhitzen der Bindemittelzusammensetzung auf eine erhöhte Temperatur unterhalb einer Löttemperatur von höchstens 870°C in einer im Wesentlichen sauerstofffreien Atmosphäre, wobei die Erhitzung ausreichend ist um zu bewirken, dass das Titanhydrid zu elementarem Titan dissoziiert; und (4) weiteres Erhitzen der Bindemittelzusammensetzung auf die Löttemperatur für eine Dauer die ausreicht um eine Hauptmenge der Bindemittelzusammensetzung zu verflüssigen.
Erfindung nach Anspruch 15, wobei die Löttemperatur im Bereich von etwa 820 bis 865°C liegt.
Erfindung nach Anspruch 15, wobei die Schleifmittelkörner ein Superschleifmittel ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Diamant, kubischem Bornitrid und einer Mischung dieser sind.
Erfindung nach Anspruch 17, wobei die Schleifmittelkörnung im Wesentlichen in einer Einzelschicht abgeschieden wird.
Erfindung nach Anspruch 18, wobei die Bronzelegierung etwa 23 Gew.-% Zinn umfasst, und die Bindemittelzusammensetzung etwa 70 Gew.-% Kupfer, etwa 21 Gew.-% Zinn und etwa 9 Gew.-% Titan umfasst.
Erfindung nach Anspruch 15, wobei das Schleifwerkzeug eine Scheibe ist.