DE2056873A1

DE2056873A1 - Schleifelement

Info

Publication number: DE2056873A1
Application number: DE19702056873
Authority: DE
Inventors: Paul Powell Holden Mass Keat (V St A ) P E05b 29 00
Original assignee: Norton Co , Worcester, Mass (VStA)
Priority date: 1969-11-14
Filing date: 1970-11-13
Publication date: 1971-05-27
Also published as: SE356958B; NL7016645A; NL167351B; IE34734B1; FR2069456A5; BE758965A; JPS495717B1; NL167351C; ZA707701B; IE34734L; CH534564A; CA925709A; GB1296589A

Description

626

ί'Αι
Or-In₁J. H.V·^ RU-CHKE

auquste-Viktoria-Straße β δ

Norton Company, Worcester / Massachusetts (V»St,v<>A·)

Schleifelement

Die Erfindung betrifft mit keramischen Materialien (ζ.Β.Glas) gebundene Schleifkörper, bei denen ultraharte Schleifmittel, Diamanten und kubische Bornitride verwendet werden·

Beim Schleifen von gekitteten Karbidwerkzeugen und sehr harten Stählen sind Schleifwerkzeuge erwünscht, die ohne ein flüssiges Schmier- oder Kühlmittel benutzt werden können, da in den meisten Fällen ein Trockenschliff bevorzugt wird, wodurch die lästige und kostspielige Kühlmittelquelle nicht vorgesehen zu werden braucht· Weiterhin wird bei Verwendung eines Kühlmittels die Beobachtung des SchleifVorganges behindert und erschwert.

Der geringe Erfolg keramisch gebundener Schleifscheiben auf diesem Gebiete ist eine Folge der schweren Belastung beim Schleifen, die ihrerseits zu einem hohen leistungsverbrauch, zu einer Erhitzung sowie zu einer Beschädigung oder zu einem Bruch des Schleifelementes führen kann·

1 G 9 8 ? ? / 1 3 5 '.

Eine Schleifscheibe mit einem keramischen Verband kann hergestellt werden mit einem Kohlenstoffgehalt von 40$ oder mehr, wobei ein Teil aus Graphit besteht. Es wurden Schleifscheiben mit einer offenen Porosität von mehr als 25$ mit einem Schmiermittel, wie Stearinsäure, imprägniert, die sich an der Schleiffläche während des Schleifens verflüssigt. Solche Schleifscheiben haben sich jedoch als ungeeignet erwie-sen zum Schleifen von gekitteten Karbiden bei den zum Schleifen von Karbiden mit Diamantschleifscheiben üblichen Schleifgeeohwindigkeiten.

Die Erfindung sieht eine keramisch gebundene und Graphit enthaltende Schleifscheibe vor, die für den !Trockene chi iff von Karbiden mindestens ebensogut wenn nicht besser geeignet ist als die zurzeit erhältlichen Schleifscheiben. Enthält die Schleifscheibe Schleifpartikel aus kubischem Bornitrid, so weist sie die gleichen oder bessere Leistungen beim Schleifen von sehr harten Stählen auf, während andererseits der Leistungsverbrauch geringer ist als bei den herkömmlichen Schleifscheiben.

Das Schleifelement nach der Erfindung besteht aus Diamantkörnern oder aus Schieifkörnern aus kubischem Bornitrid, die durch eine keramische Matrix gebunden sind, die volumenmäßig 23 - 53$ eines !füllstoffes enthält, der aus hexagonalem Bornitrid oder Molybdändisulfid oder aus deren Gemischen und bis zu 50$ (volumenmäßig) aus einem Metallpulver besteht, welcher Füllstoff eine durchschnittliche Partikelgröße von weniger als 200 Mikron aufweist, während die Porosität des Schleifelementes weniger als 15$ (volumenmäßig) beträgt«,

Das erfindungsgemäße Schleifwerkzeug enthält ein Schleifelement, das aus durch eine keramische Matrix gebundenen Schleifkörnern aus Diamant oder aus kubischem Bornitrid besteht. Der genannte keramische Matrixverband enthält 23 - 53$ des gesamten Verbandvolumens (unter Einschluss des Graphites).. Die Porosität des Elementes beträgt in jedem falle weniger als 15$ und vorzugsweise weniger als 10$ (volumenmäßig) und soll so gering wie möglich sein, soweit die Herstellungsverfahren dies zulassen. Der Graphit soll von höchster Reinheit sein und vorzugsweise aus dem sogenannten "Flockengraphit" bestehen mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von weniger als 200 Mikron.

1 0 9 8 2 2 / 1 3 5 h

Der Ausdruck "durchschnittliche Partikelgröße¹¹ soll die längsten und kürzesten Abmessungen der flachliegenden blocken umfassen, d.h» deren Dicke bleibt unberücksichtigt.

Nachstehend werden mehrere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. In der beiliegenden Zeichnung ist die

]?ig.1 eine schaubildliche Darstellung eines erfindungsgemäßen Schleifeiernentes,

Pig.2 eine schaubildliche Darstellung einer gebrauchsfertigen Schleifscheibe mit dem Sohle if element nach der

Pig· 3 eine schaubildliche Darstellung eines auf anderen Weise an einer Schleifscheibe angebrachtes Schleifelement nach der

Wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt, werden die Schleifelemente nach der Erfindung an Scheiben befestigt und bilden mit diesem zusammen die herkömmlichen Schleifscheiben» Die S¹Ig₀I zeigt ein typisches Schleif element 10, während die fig<;2 das an einem Kern 20 befestigte Sohleifelement zeigt, das zusammen mit dem Kern eine gerade Schleifscheibe bildet. Nach der 3?igo3 ist das Schleifelement an einem becherförmigen Kern befestigt und bildet mit diesem zusammen eine sogenannte Topfschleifscheibe. Ein für den Kern geeignetes Material besteht aus einem aluminiumgefüllten Harz, wie in der amerikanischen Patentschrift 2«150*886 offenbart ist. Epoxidharze, vorzugsweise mit guter Wärmeleit- * fähigkeit stellen geeignete Bindemittel zum Vereinigen des Schleifelementes mit dem Kern oder einer Vorform für die Herstellung des Schleifwerkzeuges dar»

Das Schleifelement und dessen Zusammensetzung werden später noch ausführlich beschrieben»

Die Erfindung betrifft allein Elemente, die mit keramischen Materialien gebunden sind, und bei denen einige Glasverbände verwendet werden können. Solche Verbände können bestehen aus glashaltigern Siliziumdioxid, Boroxid, Natriumoxid, Aluminiumoxid und aus Alkali- und Erdalkalioxiden<, Es ist vorzuziehen, jd'eoch nicht wesentlich, dass solche Gläser einen mikrokristallinischen anorganischen Füllstoff enthalten, der der Glaszusammensetzung

1 (j G « I 2 I 1 3 5 U

zugesetzt wird, bevor das Werkzeug geformt wird, oder das in der natürlichen Lage durch teilweise Devitrifikation der Glasverbandzusammensetzung geformt wird. Wird der mikrokristallinische füllstoff vor dem Pormen zugesetzt, so können Siliziumkarbid, Aluminiumoxid und Zirkonoxid verwendet werden,, Solche Materialien sind von Nutzen bis zu 60$ (volumenmäßig) Glasgehalt plus dem mikrokristallinischen Füllmaterial. Werden durch Devitrifikation Mikrokristalle gebildet, so beträgt die obere Grenze mehr als 90$, wobei 5-10$ Glas zum Verbinden der Kristalle mit einander genügen₀

Im Handel ist natürlicher sowie synthetischer Graphit in verschiedenen Größenordnungen und Sorten erhältlich. Die durchschnittliche Partikelgröße des Graphits soll weniger als 200 Mikron betragen, wobei mit Werten zwischen 1 bis 10 Mikron die besten Ergebnisse erhalten werden. Das im Handel erhältliche Graphit weist eine unterschiedliche Kristallbildungsfähigkeit auf. Je höher diese Kristallbildungsfähigkeit ist, umso besser ist das Material für die Erfindung geeignet. Ein solcher Graphit wird unter der Bezeichnung "Flockengraphit" vertrieben, welche Form für die Erfindung vorzuziehen ist. Mit amorphem Kohlenstoff lassen sich nicht die gleichen guten Ergebnisse erzielen wie mit Graphit. Der nützliche Graphitgehalt des Verbandes liegt im Bereich von 2j5 - 54$ des Volumens des Verbandes (Glas, Mikrokristalle und Graphit zusammen) und vorzugsweise im Bereich von 27 - 45$, wobei die günstigsten Werte 34 - 45$ betragen.

Obwohl Graphit vorzuziehen ist, so können jedoch auch als volständiger oder teilweiser Ersatz Molybdändisulfid und hexagonales Bornitrid oder Gemische dieser Substanzen mit der für Graphit genannten Partikelgröße verwendet werden. Anstelle bis zu volumenmäßig 50$ des Graphits oder der Graphitersatzstoffe können auch Metallpulver aus Silber, Kupfer, Aluminium oder Zinn verwendet werden· Die Partikelgröße dieser Metallpulver soll gleichfalls in dem für Graphit genannten Bereich liegen.

Bei den Schleifkörpern nach der Erfindung besteht daa wirksame Material aus Diamant und kubischem Bornitrid» Es kann natürlicher oder synthetischer Diamant in verschiedenen Korngrößen und Pormen verwendet werden, wie an sich bekannt.

1 11 9 S ? ? / 1 3 5 U

Das Schleifmaterial selbst kann mit einem Metallbelag ver-. sehen sein, in welchem 3?alle das Volumen des Belags vorzugsweise 10 - 605ε des Gesamtvolumens des Schleifmaterials plus Belag betragen solle Als Belag eignen sich Kupfer, Silber, nickel, Kobalt, Molybdän und deren Legierungen· Im allgemeinen kann jedes Metall verwendet werden, dessen Schmelzpunkt über 260⁰O liegt, und das im Schleifwerkzeug chemisch stabil ist·

Der Schleifmittelgehalt des Werkzeuges ist nicht kritisch, liegt jedoch praktisch im Bereich von 5 - 4θ£ des Gesamtvolumens des Werkzeuges·

Ein wesentliches Merkmal der Erfindung ist darin zu sehen, λ dass die Porosität volumenmäßig nicht mehr als 15$ im Schleifelement beträgt. Solange diese Bedingung erfüllt wird, ist das besondere Herstellungsverfahren, z»B» Kaltpressen und Sintern oder Heißpressen unwichtige Da es jedoch leichter ist, durch Heißpressen des Gemisches die Porosität gering zu halten, so wird dieses Verfahren nach der Erfindung angewendet.

Es werden glasbildende Materialien, wie Frittepulver und Graphit mechanisch mit einander vermischt und in eine Form zum Pressen eingefüllt. Ein typisches Gemisch für die Herstellung eines Hinges mit einer Höhe von 4,7 mm, einem Außendurchmesser von 100 mm und mit einem Innendur chmesser von 95 mm weist die folgenden Bestandteile auf:

SiO₂	54,89	Gew.
Al₂O₃	28·45	Il
	0,47	H
OaO	0,22	η
MgO	7,15	M
Na₂O	0,4	H
κ₂ο	0,12	ti
B₂O..	19,10	M
LiO₂	8,52	H
PbO	0,71	η
0JiO₀	0,04	η

Diese Glaefritte wird in einer Kugelmühle zu einem Pulver

mit einer durchschnittlichen Partikelgröße von 11 Mikron vermählen

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und danach vermischt mit einen Nickelbelag (55 Gew.# Nickel) tragenden Diamanten und Graphit, und zwar

Diamant mit NickelLbelag 6,40 Gramm Glasfritte 4»9 ^w

Graphit 2,31 »

Aus den obengenannten Bestandteilen wurde sorgfältig ein gleichförmiges Gemisch hergestellt, das in eine Graphitform zum Heißpressen eingefüllt wurde. Bei der normalen Herstellung wurde das Mater-ial anfangs unter einem Druck von 47»25 kg/cm zusammengepresst, wobei die Temperatur bis auf 500°0 erhöht wurde· Diese Temperatur wurde nach 10 bis 15 Minuten erreicht, wonach der Druck ungefähr 10 Minuten lang auf 236,25 kg/cm erhöht wurde. Danach wurde die Temperatur ungefähr 10 bis 20 Minuten lang auf ungefähr 600 C erhöht» Hiermit war die Herstellung beendet, und der Hing wurde in heißem Zustand aus der Graphitform entfernt und an der Luft zum Abkühlen gebracht. Mit der gegebenen Fritte und bei der beschriebenen Irhitzungsfolge wurde ein besonderer entglaster Verband erzeugt, der Mikrokristalle und Betaeukryptit als die hauptsächliche kristallinische Phase im Verband enthielt. Wenn gewünscht, kann die Entglasungsstufe (bei einer Temperatur von 600⁰O) weggelassen werden, oder es kann ein herkömmlicher Glasverband mit der nachstehenden Zusammensetzung verwendet werden:

SiO₂ 66,9

Al₂O^ 2,01

OaO 1,44

Na₂O 5,29

B₂O₃ 24,31

Bei einem solchen Verband kann volumenmäßig bis zu 60$ ein Füllmaterial verwendet werden z»E» Siliziumkarbis, Wolframkarbid, Borkarbid, Aluminiumoxid oder Zirkonoxid auf der Basis des Glases plus Karbid oder der Oxide. Wenn gewünscht, kann auch ein Verband ohne dieses Füllmaterial verwendet werden.

Bei den nachstehend beschriebenen drei Beispielen werden verschiedene Schleifscheiben nach der Erfindung verglichen mit einer herkömmlichen und einen harzhaltigen Verband aufweisenden

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Schleifscheibe. Als normale Schleifscheiben wurden solche Schleifscheiben ohne Glasbildung und ohne Graphit verwendet, die in der Praxis für den Trockenschliff von Karbiden oder sehr harten Stählen nicht verw-endbar sindp

Es wurden drei Schleifscheiben hergestellt unter. Verwendung von mit einem Uiekelbelag versehenen Diamantsplittern (150 grit) und mit einem entglasten Glasverband, wie oben beschrieben,und mit einem Gehalt an ÜPlockengraphit (feiner als 43 Mikron) in verschiedenen Anteilen. Die zum Vergleich herangezogene herkömmliche Schleifscheibe wies einen Harzverband auf und enthielt 35 volo^ Siliziumkarbidfüllstoff, jedoch keinen Graphit. Die Sohle if elemente enthielten 18₉25 vol. $ Dianiantsplit mit Ausnahme ä des Prüfexemplars 3» das nur 17»75 vol«$ Diamantsplit enthielt, während die einen Harzverband aufweisende Vergleichsschleifscheifee 16$ Diamantsplit enthielt. Die Schleifscheiben bestanden aus Topfscheiben (Type D6A9) mit den Abmessungen 10 mm σ 44,4 mm ι 31,8 mm*

Die Schleifmaschine bestand aus dem Modell Norton S-3 einer 15i^4 x 45j72 cm-Plächenschleifmaschine mit selbsttätiger Zustellung usw». Es betrug die

Oberflächengeschwindigkeit

der Schleifscheibe 1*140 m/min

der Tischvorschub 2,54 m/min

die Zustellung 0,05 mm *

Das bearbeitete Material bestand aus 44A Carboloy (verkittetes Wolframkarbid).

Die Bearbeitung erfolgte im Trockenschliff, wobei· die nachstehend angeführten Ergebnisse erzielt wurden:

1 f., 9 f;. · 2 / 1 3 5 A

	Normal	Graph.it im Verband vol_e$	- 8 -	G-Verhält- nis	2056873
		27	iorosität vol.#	101
		41	3,5	303	benötigte Leistung in Watt
Beispiel I	4ö,5	5,1	47	1325
II	.	7,8	33	795
III		I	500
	1130

Mit dem Ausdruck ^MG-Verhältnis^M wird das Gesamtvolumen des bearbeiteten (geschliffenen) Materials dividiert durch, das Gesamtvolumen der Schleifscheibenabnutzung bezeichnet» Die verbrauchte leistung wurde mit einem Wattmeter gemessen, das in die Stromversorgung-leitung des die Schleifscheibe antreibenden Motors eingeschaltet war_e

Beispiele Π, Y, VI und VII

Unter Verwendung eines herkömmlichen und oben beschriebenen Glasverbandes wurde eine ahnliche Untersuchung mit einem härteren verkitteten Karbid durchgeführt, wobei der Glasverband ein Siliziumkarbidfüllmaterial in verschiedenen Anteilen enthielt. Der Graphitgehalt betrug 35 volo#, während der Siliziumkarbidgehalt in der nachstehenden Tabelle angeführt ist.

	7	Graphit νο1·#	G-Verhält- nis	benötigte Leistung in Watt
Silizium karbid vol o#	13	—	20	1275
normale, harz halt ige 35 Schleifscheibe	20	35	45,7	915
Beispiel IV	26	35	62,8	990
V	35	48,0	800
VI	35	52,0	865
VII

Bei den Untersuchungen wurden Schleifscheiben aus mit einem Metallbelag versehenen kubischem Bornitrid bestehenden und verschienene Mengen Graphit in einem keramischen Verband enthaltende Schleifscheiben mit solchen verglichen, die aus kubischem Bornitrid mit einem Harzverband bestanden. Die Ergebnisse zeigen, dass mit den Ü3 - 549ε Graphit enthaltenden Schleifscheiben

1 0 3 & 2 2 /

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gleiche oder bessere G-Verhältnisse bei einem kleineren Leistungsverbrauch erzielt werden als mit einen Harzverband aufweisenden Sch—leifscheiben, wenn harte Stahlwerkzeuge bearbeitet werden»

Patentansprüche

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Claims

Patentansprüche

1# Schleifelement, bestehend aus Diamant- oder aus kubischem Bornitridschleifkörnem, die durch eine keramische Matrix gebunden sind, dadurch ge-kennzeichnet, dass die Matrix vom Ge samt volumen 23 - 53# eines 3?üllmate rials enthält, das aus Graphit, hexagonalem Bornitrid, aus Molybdändisulfid oder deren Gemische besteht, dass das Füllmaterial bis zu 50 vol_o# aus einem Metallpulver besteht, dass die Partikelgröße des füllmaterials weniger als 200 Mikron beträgt, und dass die Porosität des Elementes weniger als 15 vol,?6 beträgt.

2« Sohleifelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Graphit aus Plocke-ngraphit mit einer Partikelgröße von 1-10 Mikron besteht und im Verband mit einem Anteil

von 27 - 45 vol.^ enthalten ist.

3· Schleif element nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , dass das Schleif mate rial aus mit einem Metallbelag versehenen Diamanten besteht, und dass der Anteil der Diamanten 5 - 40$ des Volumens des Schleifelementes beträgt.

4· Schleif element nach einem der Ansprüche 1 bis 3 t dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der Porosität weniger als 10?6 beträgt.

5. Schleifelement nach einem der Ansprüche 1 bis 4_t dadurch gekennzeichnet, dass das Füllmaterial aus Graphit besteht, de säen Anteil 34 bis 45# des Verb and volumens beträgt.

6· Schleif element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verband aus devitrifiziertem Glas besteht, das mikrokristallinische Partikel enthält.

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ScKLeifelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die mikrokristallinischen Partikel entweder aus Aluminiumoxid oder aus Siliziumkarbid be stehen.

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