Es sind viele Verfahren, sowohl stromlos wie auch elektrolytisch, bekannt, um die Oberfläche eines Schleifteilchens mit einem Metallüberzug aus Kupfer, Nickel oder Kobalt zu beschichten. Solche beschichteten Teilchen finden bei Schmirgel- oder Reibwerkzeugen Anwendung, wobei der Überzug die zurückhaltenden Hafteigenschaften des Teilchens in der Matrix der Arbeitsoberfläche des Werkzeuges verbessern. Jedoch besitzen die Schichtüberzüge, welche mit diesen bekannten Verfahren hergestellt wurden, bestimmte Einschränkungen wie beispielsweise innere Spannungen, welche die Wirksamkeit dieser Schichtüberzüge zu vermindern trachten.
Es ist deshalb das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein neues Verfahren zum elektolytischen Beschichten von Schleifteilchen mit einem Metallüberzug anzugeben, welcher gegen über den mit bekannten Verfahren hergestellten Metallüberzügen verbesserte Eigenschaften aufweist.
Das erfindungsgemässe Verfahren zum Beschichten von Schleifteilchen mit einem Metallüberzug, bei welchem das Metall elektrolytisch auf die Teilchenoberfläche aufgebracht wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Elektrolyt mit Sulphamat-Ionen verwendet wird.
Die Sulphamat-lonen leiten sich vorzugsweise von einem Metallsulphamat ab. Das auf das Schleifteilchen aufgebrachte Metall kann Eisen, Nickel, Kobalt, Chrom, Blei oder deren Legierungen sein. Es hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemässe Verfahren besonders zum Plattieren des Teilchens mit Nickel oder einer Nickel enthaltenden Legierungen wie beispielsweise einer Nickel-Eisen-Legierung anwendbar ist.
Wenn eine Legierung wie eine Nickel-Eisen-Legierung auf das Teilchen aufgebracht wird, so verwendet man vorzugsweise eine Mischung der zwei Metall-Sulphamate.
Die Temperatur der Plattierlösung bzw. des Elektrolyts ist vorzugsweise im Bereich von 6090 C.
Weiter sind vorzugsweise Chlorid-Ionen in der Plattierlösung vorhanden, um die Anode zu aktivieren. Die Chlorid Ionen, wenn diese vorhanden sind, können durch ein Chlorid des für die Beschichtung verwendeten Metalles oder durch irgendein anderes Salz, wie beispielsweise Kochsalz, geliefert werden.
Die Konzentration der Sulphamat-lonen in der Plattierlösung bzw. in dem Elektrolyten, kann entsprechend dem gewünschten pH-Wert für die Lösung variieren. Der wirksamste pH-Wert für die Plattierung wird entsprechend dem für die Beschichtung verwendeten Metall veriieren, jedoch kann dieser durch einen mit solchen Verfahren vertrauten Fachmann ohne weiteres festgelegt werden. Beispielsweise im Falle einer Plattierung mit Nickel wurde herausgefunden, dass ein pH Wert zwischen ca. 3-5 vorzuziehen ist, um eine angemessene Plattierung zu gewährleisten.
Vor der Plattierung muss die Teilchenoberfläche natürlich elektrisch leitend gemacht werden. Dies kann durch stromloses Beschichten der Teilchenoberfläche mit einem dünnen Überzug eines geeigneten Metalls mit bekannten Verfahren erreicht werden. Ein Beispiel eines geeigneten, stromlosen Verfahrens zur Plattierung mit Nickel oder Kobalt ist in der GB-Patentschrift Nr. 1198 479 veröffentlicht.
Die für die Plattierung verwendete Stromdichte wurde als ein unerheblicher Faktor befunden, obwohl eine Stromdichte zwischen 5-10 Amp pro 1000 Karat (bei Diamantteilchen) der Schleifteilchen vorzuziehen ist.
Die Schleifteilchen können, Diamant, kubisches Bornitrid, Siliziumkarbid, Wolframkarbid oder Ähnliches sein. Gewöhnliche Zusätze wie ein Mittel zum Glätten der Oberfläche und zur Verhinderung von Narbenbildung und wie Mittel zur Spannungsverringerung können der Plattierlösung auch zugesetzt sein.
Weiter ergab sich, dass sich mit dem erfindungsgemässen Verfahren Metallüberzüge von höherer Dichte erhalten lassen, als dies mit früheren bekannten Verfahren möglich war.
Dadurch ergibt sich ein Metallüberzug, welcher weniger brüchig ist und für den die Wahrscheinlichkeit geringer ist, sich während der Schleifarbeiten von den Teilchen loszulösen.
In einem bevorzugten Verfahren wird Nickel elektrolytisch auf die Oberfläche eines Schleifteilchens aufgebracht, wobei eine Plattierlösung bzw. ein Elektrolyt verwendet wird, welcher Sulphamat-Ionen in einer geeigneten Konzentration enthält.
Die Plattierlösung enthält auch vorzugsweise Nickelchloride.
Es ergab sich eine Dichte des Nickelüberzuges von mehr als 8,0 g/cm3 (theoretischer Wert 8,9 g/cm3). Die Verwendung eines bekannten, stromlosen Plattierverfahrens liefert andererseits einen Nickelüberzug mit einer Dichte von nur 7,2-7,8 g/cm3. Je näher jedoch die Dichte des Überzuges bei dem theoretischen Wert für die Metalldichte liegt, desto besser ist der Überzug, und in dieser Hinsicht stellt das erfindungsgemässe Verfahren einen beträchtlichen Fortschritt dar.
Die elektrolytische Plattierung wird vorzugsweise in einem standardmässigen, rotierenden Plattierungskessel durchgeführt, welcher im Querschnitt in der Figur dargestellt ist.
Nach dieser Figur besteht der rotierende Plattierkessel aus einer rechtsdrehenden, zylindrischen Tonne 10 mit einer Reihe von Kathoden 12 aus Titanmetall, welche fest an ihrer inneren Oberfläche 14 befestigt sind, und einer zentral angebrachten Anode 16. Die Kathoden und die Anode sind an einem Ende der Trommel (nicht dargestellt) auf geeignete Art und Weise elektrisch angeschlossen. Die zu beschichtenden Teilchen werden in die Trommel in solcher Menge eingebracht, dass sie weniger als die Hälfte des Trommelvolumens einnehmen, und dann wird die Plattierlösung in die Trommel geleert, so dass diese bis zu ca. zwei Dritteln ihres Fassungsvermögens gefüllt ist. Ein geeignetes Gasauslassventil, welches schematisch durch 18 angedeutet wird, ist vorgesehen, um das Gas an die Atmosphäre entweichen zu lassen, welches während der Elektrolyse erzeugt wurde.
Für die Elektroplattierung wird die Tonne langsam gedreht und eine Spannung an die Anode und die Kathode gelegt. Die Plattierung wird solange fortgesetzt, bis die Teilchen eine gewünschte Dicke des Überzugs aufweisen, welches durch die periodische Entnahme und die Analyse von Teilchenproben bestimmt wird.
Das erfindungsgemässe Verfahren wird nun an einigen Ausführungsbeispielen beschrieben.
Beispiel 1
Dieses Beispiel veranschaulicht die Elektroplattierung von Nickel auf RD-Diamantkies.
Die folgenden Plattierlösungen wurden verwendet: Ni Sulphamat-Konzentrat 500 ml/l NiCl2 6H20 16.4 g/l H3BO3 30 g/l SNl (Mittel zur Spannungsverringerung) 7.5 g/l (wahlweise)
Das Ni Sulphamat-Konzentrat ist eine handelsüblich erhältliche Lösung, welche 900 g/l Ni Sulphamat enthält.
(SN, ist ein Produkt der M and T Chemicals Corp., Rahway, N.J., USA).
Das Nickelchlorid, die Borsäure und das SN, wurden getrennt in heissem demineralisiertem Wasser gelöst und dann dem Sulphamatkonzentrat hinzugefügt. Das Ganze wurde dann gefiltert und stellte die Plattierungslösung dar.
Es wurde der vorher beschriebene Platierkessel verwendet, wobei eine Nickelanode von 63,5 mmx 25,4 mm benützt wurde.
Der pH-Wert der vorbereiteten Plattierlösung war 3-5, welcher für die Plattierungszwecke geeignet erschien. Es zeigt sich als nicht notwendig, während der Plattierung den pH-Wert anzupassen, da dieser innerhalb des vorher genannten Bereiches blieb.
Die Lösung wurde auf 80-90 qC vor dem Beginn der Plattierung erhitzt und die verwendete Stromdichte war 5-10 Amp pro 1000 Karat Diamant.
Die erzielte Plattiergeschwindigkeit war 3-5 % des Diamantgewichtes pro Stunde.
Es wurde ein glatter, dichter Überzug von einer Dichte grösser als 8 g/cm3, d. h. zwischen 8,2 und 8,5 erhalten (der theoretische Wert ist 8,9 g/cm3).
Beispiel 2
Dieses Beispiel veranschaulicht die Elektroplattierung von einer Fe/Ni-Legierung auf RD-Diamantkies.
Die folgende Plattierlösung wurde verwendet: Fe (OSO2 NH2)2 125 g/l NH4OSO2HN2 20 g/l Ni (OSO2 HN2)2 74 ml
Kon zentrat/l H3BO3 30 g/l NH4Cl 15 g/l
Jede der vorgenannten Komponenten wurde in der minimalen Menge von demineralisiertem Wasser gelöst, und darauf wurden alle Lösungen vereinigt und auf das endgültige Volumen gebracht. Das Ganze wurde auf eine Temperatur zwischen 60-80 C erhitzt.
Der pH-Wert der Lösung wurde mit Hilfe von konzentrierter Sulphaminsäure und konzentriertem Ammonium-Hydroxyd auf den Wert von 3-4 angepasst.
Wieder wurde ein Plattierkessel verwendet, wie er vorher beschrieben wurde, mit der Ausnahme, dass als Anode eine Nilo -Anode von 76,2 x 25,4 mm verwendet wurde. Nilo ist eine handelsübliche Fe/Ni-Legierung mit einem Verhältnis von Fe:Ni von 64:36. Zusätzlich wurde es für notwendig befunden, die Anode mit einem feinmaschigen Teflontuch zu umhüllen, um dadurch Oxydeinschlüsse in der Beschichtung zu verhindern. Die Plattierung wurde bei einer Stromdichte von
7-10 Amp pro 1000 Karat Diamant durchgeführt. Es wurde auch für notwendig befunden, den pH-Wert der Plattierlösung jede halbe Stunde nachzuregeln, da der pH-Wert dazu neigte, sich über den gewünschten Bereich zu erhöhen.
Bei Verwendung dieses vorher beschriebenen Verfahrens wurde eine Beschichtung der Diamantteilchen mit einer Legierung erhalten, welche 18-21% Eisen und 82-79% Nickel enthielt.
Bei beiden beschriebenen Beispielen wurde der Diamantkies gründlich gereinigt und vor der Elektroplattierung durch das stromlose Verfahren, welches in dem GB-Patent Nr.
1 198 479 beschrieben wird, mit einem dünnen Nickelüberzug versehen.
Die verbesserten Eigenschaften der mit Hilfe des erfindungsgemässen Verfahrens beschichteten Diamantteilchen werden durch die folgenden Beispiele veranschaulicht:
RD-Diamantkies wurde mit einer zusammengesetzten Schicht aus Nickel und Kupfer beschichtet, wobei jede Komponente ca. 50 Gewichtsprozent des Diamantteilchens betrug. In dem Beispiel A wurde die Nickelschicht der zusammengesetzten Beschichtung elektrolytisch mit Hilfe des Verfahrens von Beispiel 1 auf die Oberfläche des Diamantteilchens aufgebracht, und in Beispiel B wurde das Diamantteilchen mit Hilfe eines elektrolytischen Verfahrens mit der Nickelschicht plattiert, wobei Hypophosphit als Reduktionsmittel verwendet wurde, wie es in der GB-Patentschrift Nr. 198 479 beschrieben ist.
Der äussere Kupferüberzug wurde durch ein bekanntes elektrolytisches Verfahren aufgebracht, welches in dem Buch Elektroplating Engineering Handbook von A. K. Graham 1955, Rheinhold beschrieben ist.
Die Beispiele C und D waren RD-Diamantkies mit nur einem Nickelüberzug. In dem Beispiel C wurde die Beschichtung durch das in Beispiel 1 beschriebene Verfahren auf das Diamantteilchen aufgebracht, und in Beispiel D wurde das Diamantteilchen mit dem Nickelüberzug durch das stromlose Plattierverfahren beschichtet, welches in der GB-Patentschrift Nr. 1 198 479 beschrieben ist.
Die G-Werte von Schleifscheiben, welche den beschichteten Kies enthielten, wurden gemessen, und die erhaltenen Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle aufgeführt. Bekanntlich ist der G-Wert das Verhältnis der Metallmenge, welche von dem Werkstück entfernt wird, zu der Menge des während des Schleifvorganges abgenützten Schleifwerkzeuges. Je höher der G-Wert ist, desto besser ist der beschichtete Schleifkies.
Tabelle Standardisierte trockene Schleifbedingungen: G-Wert 25,4 mm Beschickung: Beispiel A: 78,4 Beispiel B: 68 50,8 mm Beschickung: Beispiel A: 13,4 Beispiel B: 11,4 Standardisierte nasse Schleifbedingungen: Beispiel A: 93 Beispiel B: 87 25,4 mm Beschickung: Beispiel C: 99,0 Beispiel D: 89,7 50,8 mm Beschickung: Beispiel C: 38,2 Beispiel D: 30,1
Die vorangehenden Ergebnisse veranschaulichen klar die verbesserten Schleifeigenschaften der durch das erfindungsgemässe Verfahren beschichteten Diamantteilchen.
Bei diesen Vergleichsbeispielen wurden für die trockenen Schleifbedingungen kunstharzverklebte Topfschleifenscheiben (resinoid bond flaring cup grinding wheels) benutzt und für die nassen Schleifbedingungen kunstharzverklebte Randschleifscheiben (resinoid bond peripheral grinding wheels) verwendet.
In jedem der Fälle war die Konzentration der Diamantteilchen in der Scheibenmatrix 100, d. h. 4,4 Karat pro cm3 (72 Karat pro cu.in.).
Many methods, both electroless and electrolytic, are known for coating the surface of an abrasive particle with a metal coating of copper, nickel or cobalt. Such coated particles are used in emery or reaming tools, the coating improving the retentive adhesive properties of the particle in the matrix of the working surface of the tool. However, the coatings produced by these known methods have certain limitations, such as internal stresses, which tend to reduce the effectiveness of these coatings.
It is therefore the object of the present invention to provide a new process for the electolytic coating of abrasive particles with a metal coating which has improved properties over the metal coatings produced by known processes.
The method according to the invention for coating abrasive particles with a metal coating, in which the metal is applied electrolytically to the particle surface, is characterized in that an electrolyte with sulphamate ions is used.
The sulphamate ions are preferably derived from a metal sulphamate. The metal applied to the abrasive particle can be iron, nickel, cobalt, chromium, lead, or their alloys. It has been shown that the method according to the invention can be used in particular for plating the particle with nickel or an alloy containing nickel, such as a nickel-iron alloy, for example.
If an alloy such as a nickel-iron alloy is applied to the particle, it is preferred to use a mixture of the two metal sulphamates.
The temperature of the plating solution or the electrolyte is preferably in the range of 6090 C.
Further, chloride ions are preferably present in the plating solution to activate the anode. The chloride ions, if present, can be supplied by a chloride of the metal used for the coating or by any other salt, such as, for example, common salt.
The concentration of the sulphamate ions in the plating solution or in the electrolyte can vary according to the desired pH value for the solution. The most effective pH for the plating will vary according to the metal used for the coating, but this can be readily determined by one skilled in the art familiar with such methods. For example, in the case of nickel plating, it has been found that a pH between about 3-5 is preferable to ensure adequate plating.
Of course, the particle surface must be made electrically conductive prior to plating. This can be accomplished by electrolessly coating the particle surface with a thin coating of a suitable metal using known techniques. An example of a suitable electroless process for plating with nickel or cobalt is published in GB Patent No. 1,198,479.
The current density used for the plating was found to be an insignificant factor, although a current density between 5-10 amps per 1000 carats (for diamond particles) of the abrasive particles is preferred.
The abrasive particles can be diamond, cubic boron nitride, silicon carbide, tungsten carbide, or the like. Ordinary additives such as an agent for smoothing the surface and preventing scarring and such as an agent for relieving stress may also be added to the plating solution.
It was also found that metal coatings of higher density can be obtained with the method according to the invention than was possible with earlier known methods.
This results in a metal coating which is less brittle and which is less likely to become detached from the particles during grinding work.
In a preferred method, nickel is electrolytically applied to the surface of an abrasive particle using a plating solution or electrolyte containing sulphamate ions in a suitable concentration.
The plating solution also preferably contains nickel chlorides.
The density of the nickel coating was found to be more than 8.0 g / cm3 (theoretical value 8.9 g / cm3). The use of a known electroless plating process, on the other hand, provides a nickel coating with a density of only 7.2-7.8 g / cm3. However, the closer the density of the coating is to the theoretical value for the metal density, the better the coating, and in this respect the method of the invention represents a considerable advance.
The electrolytic plating is preferably carried out in a standard rotary plating kettle which is shown in cross section in the figure.
In this figure, the rotating plating kettle consists of a right-hand rotating cylindrical barrel 10 with a series of titanium metal cathodes 12 fixedly attached to its inner surface 14 and a centrally mounted anode 16. The cathodes and anode are at one end of the Drum (not shown) electrically connected in a suitable manner. The particles to be coated are introduced into the drum in such an amount that they occupy less than half the volume of the drum, and then the plating solution is emptied into the drum so that it is filled to about two thirds of its capacity. A suitable gas outlet valve, indicated schematically by 18, is provided to allow the gas to escape to the atmosphere which was generated during the electrolysis.
For electroplating, the barrel is slowly rotated and a voltage is applied to the anode and cathode. Plating is continued until the particles have a desired thickness of coating, which is determined by periodic collection and analysis of particle samples.
The method according to the invention will now be described using some exemplary embodiments.
example 1
This example illustrates the electroplating of nickel on RD diamond grit.
The following plating solutions were used: Ni sulphamate concentrate 500 ml / l NiCl2 6H20 16.4 g / l H3BO3 30 g / l SNl (stress reliever) 7.5 g / l (optional)
The Ni sulphamate concentrate is a commercially available solution which contains 900 g / l Ni sulphamate.
(SN, is a product of M and T Chemicals Corp., Rahway, N.J., USA).
The nickel chloride, boric acid and SN were separately dissolved in hot demineralized water and then added to the sulphamate concentrate. The whole was then filtered and constituted the plating solution.
The plating kettle described above was used, a 63.5 mm x 25.4 mm nickel anode being used.
The pH of the prepared plating solution was 3-5, which appeared suitable for plating purposes. It turns out that it is not necessary to adjust the pH during plating, since it remained within the aforementioned range.
The solution was heated to 80-90 ° C before plating started and the current density used was 5-10 amps per 1000 carats of diamond.
The plating speed achieved was 3-5% of the diamond weight per hour.
A smooth, dense coating with a density greater than 8 g / cm3, i.e. H. between 8.2 and 8.5 obtained (the theoretical value is 8.9 g / cm3).
Example 2
This example illustrates the electroplating of Fe / Ni alloy on RD diamond pebbles.
The following plating solution was used: Fe (OSO2 NH2) 2 125 g / l NH4OSO2HN2 20 g / l Ni (OSO2 HN2) 2 74 ml
Concentrate / l H3BO3 30 g / l NH4Cl 15 g / l
Each of the foregoing components was dissolved in the minimum amount of demineralized water, and then all solutions were combined and made up to final volume. The whole was heated to a temperature between 60-80 ° C.
The pH of the solution was adjusted to 3-4 using concentrated sulphamic acid and concentrated ammonium hydroxide.
Again a plating kettle was used as previously described, with the exception that a 76.2 x 25.4 mm Nilo® anode was used as the anode. Nilo is a commercially available Fe / Ni alloy with an Fe: Ni ratio of 64:36. In addition, it was found necessary to cover the anode with a fine-meshed Teflon cloth in order to prevent oxide inclusions in the coating. The plating was performed at a current density of
Carried 7-10 amps per 1000 carat diamond. It was also found necessary to readjust the pH of the plating solution every half hour as the pH tended to increase beyond the desired range.
Using this previously described process a coating of the diamond particles with an alloy was obtained which contained 18-21% iron and 82-79% nickel.
In both examples described, the diamond pebbles were thoroughly cleaned and prior to electroplating by the electroless process described in GB Patent No.
1 198 479 is provided with a thin nickel coating.
The improved properties of the diamond particles coated with the aid of the process according to the invention are illustrated by the following examples:
RD diamond grit was coated with a composite layer of nickel and copper, each component making up approximately 50 percent by weight of the diamond particle. In Example A, the nickel layer of the composite coating was electrolytically applied to the surface of the diamond particle by the method of Example 1, and in Example B, the diamond particle was plated with the nickel layer by an electrolytic method using hypophosphite as a reducing agent such as it is described in UK Patent Specification No. 198,479.
The outer copper coating was applied by a known electrolytic process, which is described in the book Elektroplating Engineering Handbook by A. K. Graham 1955, Rheinhold.
Examples C and D were RD diamond pebbles with only one nickel coating. In Example C the coating was applied to the diamond particle by the method described in Example 1, and in Example D the diamond particle was coated with the nickel coating by the electroless plating process described in UK Patent No. 1,198,479.
The G values of grinding wheels containing the coated gravel were measured and the results obtained are shown in the table below. As is well known, the G value is the ratio of the amount of metal that is removed from the workpiece to the amount of the grinding tool worn during the grinding process. The higher the G value, the better the coated abrasive gravel.
Table of standardized dry grinding conditions: G-value 25.4 mm load: Example A: 78.4 Example B: 68 50.8 mm load: Example A: 13.4 Example B: 11.4 Standardized wet grinding conditions: Example A: 93 Example B: 87 25.4 mm loading: Example C: 99.0 Example D: 89.7 50.8 mm loading: Example C: 38.2 Example D: 30.1
The foregoing results clearly illustrate the improved abrasive properties of the diamond particles coated by the method of the invention.
In these comparative examples, resin-bonded cup grinding wheels (resinoid bond flaring cup grinding wheels) were used for the dry grinding conditions and resin-bonded edge grinding wheels (resinoid bond peripheral grinding wheels) were used for the wet grinding conditions.
In each of the cases, the concentration of diamond particles in the disk matrix was 100, i.e. H. 4.4 carats per cm3 (72 carats per cu.in.).