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DE2437522A1 - Schleifverbundkoerper - Google Patents

Schleifverbundkoerper

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DE2437522A1
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solvent
abrasive
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Frank Rutherford Bell
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De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
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De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
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Description

Df».-INS. DIPL-ING. l/.$C CHL-PHVi ΟΠ. DIr
HÖGER - STELLRECHT - GRIESSBACH - HAECKER
PATENTANWÄLTE IN STUTTGART
Λ 40 842 m
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2. August 1974
DE BEERS INDUSTRIAL DIAMOND.DIVISION LIMITED 8th Floor, 4 5 Main Street Johannesburg, Transvaal South Africa
Schleifverbundkörper
Die Erfindung betrifft einen Schleifverbundkörper bzw. schleifende Presslinge, Kompaktkörper und dergleichen.
Schleifverbundkörper, wie sie im folgenden lediglich noch genannt werden sollen, bestehen im wesentlichen aus schleifen·
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den Partikeln, allgemein in feiner pulverförmiger Form, die mittels einer geeigneten bindenden Matrix zu einem Konglomerat oder einem Kompaktkörper verbunden sind. Bisher bestand diese bindende Matrix im allgemeinen aus einem Metall wie beispielsweise Kobalt, Eisen, Nickel, Mangan, Kupfer, Tantal oder dergleichen bzw. Legierungen, die eine oder mehrere dieser Metalle enthielten. Die Schleifpartikel bildeten dabei 50 oder mehr Volumenprozent des Schleifverbundkörpers und bestanden üblicherweise aus Diamanten oder kubischen Bornitrid.
Der in solchen Schleifkörpern verwendete Diamant kann entweder natürlichen oder synthetischen Ursprungs sein. Im Falle von synthetischen Diamanten kann der Diamant hergestellt sein nach dem in der US-PS 2,947,609 beschriebenen Verfahren und unter Verwendung der dort beschriebenen apparativen Systeme.
Im Falle von kubischen Bornitriden können solche Partikel nach dem \ferfahren und der Vorrichtung hergestellt werden, wie sie in der US-PS 2,947,617 beschrieben sind.
Es ist die Aufgabe vorliegender Erfindung einen Schleifverbundkörper bzw. einen abtragenden Presskörper zu schaffen, der eine wesentlich geringere Abnutzung aufweist und im Vergleich zu den bekannten Systemen wesentlich härter ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe besteht die Erfindung darin, dass der Schleifkörper eine wirksame Menge an Schleifpartikeln aus kubischem Bornitrid und/oder Diamant und Mischungen daraus enthält, die gebunden sind von einer eine refraktäre Substanz und eine Lösungsmittelsubstanz enthaltende Matrix, wobei die
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Lösungsmittelsubstanz in der Lage ist, die Schleifpartikel mindestens bis zu einem gewissen Grad aufzulösen.
Diese Matrix kann auch ein hartes Material enthalten, welches während des kompakt j erenden Herstellungsvorganges aus der Zwischenwirkung zwischen der refraktären, also hitzebeständigen und schwer schmelzbaren Substanz mit der Lösungsmittelsubstanz hervorgegangen ist.
Ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Schleifverbundkörpers besteht erfindungsgemäss darin, dass eine wirksame Mengen von aus Diamant und/oder kubischen Bornitriden und Mischungen derselben ausgewählte Schleifpartikel, eine pulverisierte refraktäre Substanz und eine pulverisierte Lösungsmittelsubstanz, die in der Lage ist, den Schleifpartikel mindestens in begrenztem Masse aufzulösen, enthaltende Mischung Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt wird, bei denen der Schleifpartikel kristallographisch stabil .ist und die Lösungsmittelsubstanz den SchleifOartikel mindestens in bestimmtem Ausmass auflöst.
Die Lösungsmittelsubstanz kann also auch die Eigenschaft aufweisen, mit der refraktären Substanz zur Bildung eines harten Materials während des kompatierenden Vorganges zu reagieren. Eine solche Zwischenwirkung oder Zwischenreaktion ist insbesondere erwünscht, wenn die Lösungsmittelsubstanz ein niedrig schmelzendes Metall oder eine Legierung ist.
Die refraktäre, d.h. hitzebeständige, schwer schmelzbare widerstandsfähige Substanz kann ein Borid, ein Nitrid oder ein
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Silizid sein. Eine besonders geeignete refraktäre Substanz ist Siliziumnitrid, insbesondere Siliziumnitrid in der oC-Form. Die refraktäre Substanz kann auch Magnesiumoxid, Spinell oder Alumina (Aluminiumhydroxid bzw. Edelkorund) sein, entweder allein oder in Kombination mit einem Nitrid, Silizid oder Borid,
Die refraktäre Substanz kann auch sein:
(a) Siliziumnitridpulver, welches mit Silizium, Bor und Borkarbid gemischt ist, sämtlich in pulverförmiger Form;
(b) Siliziumnitridpulver, vermischt mit Magnesiumoxidpulver;
(c) Siliziumnitridpulver, vermischt mit Alumina und/oder Magnesiumoxid, beide befinden sich in pulverförmiger Form ;
(d) Siliziumnitridpulver, vermischt mit pulverförmigem Spinell;
(e) eine Substanz (in zermahlener Form), die aus der Wärmebehandlung von Siliziumnitrid mit Alumina und Magnesiumoxiden hervorgeht oder
(f) eine Substanz (in pulverförmiger Form), die aus der Wärmebehandlung von Siliziumnitrid mit Spinell hervorgeht.
Die Lösungsmittelsubstanz muss so beschaffen sein, dass sie in der Lage ist, die Schleifpartikel mindestens bis zu einem gewissen Ausmass aufzulösen. Wenn eine Mischung aus Diamant
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und kubischem Bornitrid verwendet v/ird, dann wird auch eine Mischung von Lösungsmittelsubstanzen verwendet. Solche Substanzen sind in der Technik ausreichend bekannt und Beispiele davon können den weiter vorn schon erwähnten US-Patentschriften entnommen werden, auf die daher im folgenden als Querverweis Bezug genommen wird. Im Falle von kubischem Bornitrid sind besonders bevorzugte Lösungsmittelsubstanzen Aluminium, Blei, Zinn, Magnesium und Lithium sowie Legierungen, die eines oder mehrere dieser Metalle enthalten. Wie weiter oben schon festgestellt, muss die Lösungsmittelsubstanz auch die Eigenschaft haben in der Lage zu sein, mit der refraktä.ren Substanz zur Bildung eines harten Materials unter den Bedingungen des kompatierenden Herstellungsvorganges zu reagieren.
Der tatsächliche Anteil jedes Bestandteils der Mischung verändert sich entsprechend den jeweils verwendeten Bestandteilen, wobei es dem Fachmann möglich ist, die den Erfordernissen entsprechenden Mengen auszuwerten. Allgemein v/ird jedoch der Schleifpartikel in der Mischung in einem Anteil von mindestens 70 Volumenprozent und bevorzugt zwischen 80 bis 90 Volumenprozent zugegen sein und das Verhältnis von Lösungsmittelsubstanz zur refraktären Substanz liegt allgemein im Bereich zwischen 1/3 : 2/3 bis 2/3 : 1/3, bezogen auf eine Gewichtsbasis.
Die verschiedenen Bestandteile für die Mischung befinden sich bevorzugt in einer feinen pulverisierten oder feingemahlenen Form. Bevorzugt beträgt die durchschnittliche Partikelgrösse der Bestandteile weniger als 40 Mikron und liegt bevorzugt unterhalb von 12 Mikron. Je feiner das Pulver ist, umso kompakter und fester und widerstandsfähiger ist das Enderzeugnis.
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Um den Kompaktkörper zu erzeugen, wird die Mischung Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt, bei denen der Schleifpartikel kristallographisch stabil und die Lösungsmittelsubstanz als Lösungsmittel wirkt. Solche Gegebenheiten sind in diesem Bereich der Technik durchaus bekannt. Die beigefügte Zeichnung zeigt die stabilen Bereiche für Diamant und kubische Bornitrid auf einem Druck/Temperatur-Diagramm. Die für den Diamanten stabile Region ist oberhalb der Linie A dargestellt, während der stabile Bereich für kubisches Bornitrid als oberhalb der Linie B liegend dargestellt ist. Die Lösungsmittelsubstanz arbeitet im allgemeinen als Lösungsmittel dann, x^enn sie geschmolzen ist, Die verwendeten Drücke liegen allgemein im Bereich zwischen 40 bis 65 Kilobar und die verwendeten Temperaturen befinden sich üblicherweise im Bereich zwischen 1200 C bis 1600 C.
Die Erfindung findet eine besondere Anwendung bei Kompaktkörpern bzw. Schleifverbundkörpern, die als Schleifpartikel kubisches Bornitrid enthalten. Die Lösungsmittelsubstanzen für kubisches Bornitrid, beispielsweise Aluminium, sind üblicherweise niedrigschmelzend mit der Folge, dass ein Verschmieren des Metalls auf dem Werkstück während der Verwendung des Kompaktkörpers, Schleifkörpers oder Presslings erfolgt. Die Reaktion der Lösungsmittelsubstanz mit der refraktären Substanz zur Bildung eines harten Materials reduziert im wesentlichen, dass sich eine Tendenz für ein solches Verschmieren während der Verwendung ergibt.
Die Ausgangsmischungen für die Kompaktkörperherstellung können, falls erwünscht, geringe Mengen an Graphit oder hexagonalem Bornitrid enthalten.
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Bei einem Ausführungsbeispiel vorliegender Erfindung V7urde eine pulverförmige Mischung von 8 Mikron pulverisiertem Siliziumnitrid (c^-Form), handelsüblich verfügbares Aluminiumpulver und 2 bis 6 Mikron kubisches Bornitridpulver kalt kompaktiert und in ein Tantalgehäuse eingebracht. Die Mischung bestand aus 80,5 Volumenprozent kubisches Bornitrid, der Rest der Mischung bestand aus 68 Gewichtsprozent Siliziumnitrid und 32 Gewichtsprozent Aluminium. Das Gehäuse wurde in die Reaktionszone . einer üblichen Hochtemperatur/Druck-Vorrichtung eingebracht, wie sie ihrer Art nach in der US-PS 2,947,609 beschrieben ist. Der Druck der Reaktionszone wurde auf 55 Kilobar angehoben und die Temperatur stieg auf 13000C. Es ergab sich eine Kompaktverbundkörperbildung und nach Absinken von Temperatur und Druck wurde der Kompaktkörper in üblicher.Weise gewonnen.
Die Schleifeigenschaften des Kompaktkörpers oder Presslings wurden verglichen mit einem im Handel erhältlichen P 10-Wolframkarbidschleifkörper und mit einem Schleifkörper, der aus' über 90 Volumenprozent kubischem Bornitrid in einer 10 Volumenprozent ausmachenden Kobalt /Aluminiummatrix bestand, der ncich üblichen Techniken hergestellt war. Die Schleif- oder Schneidverbundkörper wurden in Werkzeuge mit einer einzigen Spitze eingesetzt und ihre Schleifeigenschaften wurden untersucht beim Abdrehen oder Richten von weichem Stahl. Dabei stellte sich heraus, dass der erfindungsgemässe Schleifverbundkörper eine hundertmal geringere Abnutzung als der Wolframkarbidkörper und eine viermal geringere Abnutzung als der aus kubischem Bornitrid/Kobald-Aluminium bestehende Kompaktkörper aufwies. Darüber hinaus konnte kein Verschmieren des Aluminiums auf dem Werkstück in Verbindung mit dem erfindüngsgemässen Schleifver-
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bundkörper beobachtet werden, was dem Umstand zugeschrieben wird, dass das Siliziumnitrid mit dem Aluminium zur Bildung eines harten Materials reagiert hat. Es wird angenommen, dass die Festigkeitseigenschaften dieses Schleif- oder Verbundkörpers nach der Erfindung auch mindestens teilweise dem Umstand zuzuschreiben ist, dass ein gewisser Anteil von Verwachsung zwischen den kubischen Bornitridnartikeln vorlag.
Der erfindungsgemässe Kompaktkörper kann in geeigneter Weise am Einsteckende eines Bohrers oder eines Schaftes befestigt werden. Die Befestigung kann erfolgen durch Schweissen oder Hartlöten oder durch heisses Einpressen des Kompaktkörpers auf den Schaft unter Verwendung von entsprechenden hohen Temperatur- und Druckbedingungen und eines geeigneten Metalls, beispielsweise Kobalt als Lötmittel. Der Schaft kann beispielsweise aus Stahl oder Wolframkarbid bestehen. Im Falle des Heisspressens von Diamantkompaktkörpern auf einen Schaft hat sich herausgestellt, dass gute Ergebnisse des Heisspressens dann erzielt werden, wenn die Bedingungen über der Linie A des Diagramms liegen und wenn Kobalt als Bindemittel verwendet wird.
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Claims (25)

Λ 40 842 m a - 163 Patentansprüche :
1) J Schleifverbundkörper, dadurch gekennzeichnet, dass er
eine wirksame Menge an Schleifpartikeln aus kubischem Bornitrid und/oder Diamant und Mischungen daraus enthält, die gebunden sind von einer eine refraktäre Substanz und eine Lösungsmittelsubstanz enthaltenden Matrix, wobei die Lösungsmittelsubstanz in der Lage ist, die Schleifpartikel mindestens bis zu einem gewissen Grad aufzulösen.
2) Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Schleifpartikel mindestens 70 Volumenprozent beträgt.
3) Körper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der Schleifpartikel zwischen 80 -bis 90 Volumenprozent liegt.
4) Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix ein hartes Metall enthält, welches aus der Zwischenwirkung der refraktären Substanz mit der Lösungsmittelsubstanz während des kompatierenden Vorganges hervorgegangen ist.
5) Körper nach,einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die refraktäre Substanz ausgewählt ist aur; der Boride, Nitride und Suizide umfassenden Gruppe.
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6) Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösungsmittelsubstanz ein Metall oder eine Legierung ist.
7) Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis von Lösungsmittelsubstanz zur refraktären Pubstanz im Bereich zwischen 1/3 : 2/3 bis 2/3 : 1/3, bezogen auf eine Gewichtsbasis, liegt.
8) Körper nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Schleifpartikel kubische Bornitridpartikel vorgesehen sind.
9) Körper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass im Schleifkörper mindestens 70 Volumenprozent kubische Bornitride vorhanden sind.
10) Körper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil der kubischen Bornitride im Schleifkörper zwischen 80 bis 90 Volumenprozent liegt.
11) Körper nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die refraktiire Substanz Siliziumnitrid ist.
12) Körper nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Siliziumnitrid in seiner Alpha-Form befindet.
13) Körper nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch ge-
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kennzeichnet, dass die Lösungsmittelsubstanz Aluminium ist.
14) Verfahren zur Herstellung des SchleifVerbundkörpers nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine v/irksame Mengen von aus Diamant und/oder kubischen Bornitriden und Mischungen derselben ausgewählte Schleifpartikel, eine pulverisierte refraktäre Substanz und eine pulverisierte Lösungsmittelsubstanz, die in der Lage ist, den Schleifpartikel mindestens in begrenztem Masse aufzulösen, enthaltende Mischung Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt wird, bei denen der Schleifpartikel kristallographisch stabil ist und die Lösungsmittelsubstanz den Schleifpartikel mindestens in bestimmtem Ausmass auflöst.
15) Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösungsmittelsubstanz in der Lage ist,mit der refraktären Substanz zur Bildung eines harten Materials während des Kompaktiervorganges zu reagieren.
16) Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass die refraktäre Substanz ausgewählt ist
' aus der Boride, Nitride und Suizide enthaltenden Gruppe.
17) Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die refraktäre Substanz Siliziumnitrid ist.
18) -Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass
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das Siliziumnitrid in seiner Alpha-Form vorliegt.
19) Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifpartikel in der Mischung mit einem Anteil von mindestens 70 Volumenprozent vorhanden sind.
20) Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifpartikel in der Mischung mit einem Anteil zwischen 80 bis 90 Volumenprozent vorhanden sind.
21) Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Lösungsmittelsubstanz zur refraktären Substanz im Bereich zwischen 1/3 : 2/3 bis 2/3 : 1/3, bezogen auf eine Gewichtsbasis, liegt.
22) Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten der Mischung sich sämtlich in feiner pulverförmiger Form befinden.
23) Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die durchschnittliche Partikelgrösse der verwendeten Bestandteilspulver weniger als 40 Mikron beträgt.
24) Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Schleifpartikel kubisches Bornitrid sind.
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25) Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Lösungsmittelsubstanz Aluminium ist.
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Leerseite
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