DE69400418T2

DE69400418T2 - Verfahren zur Herstellung eines Schleifkörpers

Info

Publication number: DE69400418T2
Application number: DE69400418T
Authority: DE
Inventors: Alan Richard Jarvis; Aulette Stewart; Klaus Tank
Original assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Current assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Priority date: 1993-05-27
Filing date: 1994-05-27
Publication date: 1997-01-16
Anticipated expiration: 2014-05-28
Also published as: EP0626237A1; CA2124393A1; AU6332294A; JP3472622B2; AU668816B2; EP0626237B1; CN1096532A; ZA943646B; US5505748A; DE69400418D1; JP2004074398A; JPH07205032A; CA2124393C

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Schleifmittelkompakts.
Schleifmittelkompakts werden umfassend für Schneid-, Mahl-, Schleif- und Bohr-Arbeitsweisen und andere Schleif-Arbeitsweisen verwendet. Schleifmittelkompakts bestehen aus einer Masse von Teilchen aus Diamant oder kubischem Bornitrid, die in ein kohärentes, polykristallines Konglomerat eingebunden sind. Der Gehalt an Schleifmittel-Teilchen von Schleifmittelkompakts ist hoch, und es gibt im allgemeinen einen beträchtlichen Anteil von Teilchen-an-Teilchen-Bindung. Schleifmittelkompakts werden allgemein unter Bedingungen erhöhter Temperatur und erhöhten Drucks hergestellt, bei denen das Schleifmittel-Teilchen, ob Diamant oder kubisches Bornitrid, kristallographisch stabil ist.
Schleifmittelkompakts neigen dazu, spröde zu sein, und beim Gebrauch werden sie oft trägergestützt, indem sie an ein Sintercarbid-Substrat oder einen Träger gebunden werden. Solche trägergestützten Schleifmittelkompakts sind in der Technik als Composit-Schleifmittelkompakts bekannt. Composit- Schleifmittelkompakts können als solche als Arbeitsoberfläche eines Schleifwerkzeuges verwendet werden.
Beispiele für Composit-Schleifmittelkompakts können in den US-Patentschriften Nr. 3 745 623, 3 767 371 und 3 743 489 beschrieben gefunden werden.
Composit-Schleifmittelkompakts werden allgemein durch Anordnen der Komponenten in Teilchenform - die notwendig ist, um ein Schleifmittelkompakt zu bilden - auf einem Sintercarbid-Substrat hergestellt. Diese nicht-gebundene Anordnung wird in eine Reaktionskapsel gebracht, die dann in der Reaktionszone einer konventionellen Hochdruck/Hochtemperatur-Apparatur angeordnet wird. Auf die Inhaltsstoffe der Reaktionskapsel werden geeignete erhöhte Temperatur- und erhöhte Druckbedingungen einwirken gelassen.
Das US Patent Nr. 4 861 350 beschreibt eine Werkzeug-Komponente, umfassend ein Schleifmittelkompakt, das an einen Sintercarbid-Träger gebunden ist, in dem das Schleifmittelkompakt zwei Zonen hat, die durch eine in beide Zonen eingreifende, gemeinsame Grenze verbunden sind. Die eine Zone stellt die(den) Schneidkante oder -punkt für die Werkzeug-Komponente bereit, während die andere Zone an den Sintercarbid-Träger gebunden ist. In einer Ausführungsform der Werkzeug-Komponente hat die Zone, die die(den) Schneidkante oder -punkt bereitstellt, ultraharte Schleifmittelteilchen, die feiner sind als die ultraharte Schleifmittelteilchen in der anderen Zone. Es liegt keine Offenbarung der Verwendung einer Mischung von ultraharten Schleifmittelteilchen von unterschiedlicher Teilchengröße vor.
Das US Patent Nr. 4 311 490 beschreibt ein Schleifmittelkompakt, worin die gebundenen Schleifmittelteilchen eine grobe Schicht und eine feine Schicht umfassen. Wiederum ist die Verwendung einer Mischung von Schleifmittelteilchen von unterschiedlicher Teilchengröße nicht offenbart.
Das US Patent Nr. 4 604 106 beschreibt ein Composit-Diamant- Schleifmittelkompakt, umfassend wenigstens eine Schicht von Diamant-Kristallen und vorgesinterten Carbid-Stücken, die unter großer Wärme und hohem Druck zusammengegepreßt wurden, um ein polykristallines Composit-Material herzustellen, in dem polykristalliner Diamant und vorgesinterte Carbidstücke ineinander vermischt sind. In einer Ausführungsform wird eine Mischung von Diamantteilchen verwendet, wobei 65 % der Teilchen eine Größe von 4 bis 8 µm und 35 % eine Größe von 0,5 bis 1 µm haben.
Das US Patent Nr. 5 011 514 beschreibt ein thermisch stabiles Diamant-Kompakt, umfassend eine Vielzahl von individuell metallbeschichteten Diamantteilchen, worin die Metallbeschichtungen zwischen benachbarten Teilchen aneinandergebunden sind und eine gesinterte Matrix bilden. Beispiele der Metallbeschichtung sind Carbidbildner wie Wolfram, Tantal und Molybdän. Die individuell metallbeschichteten Diamantteilchen werden unter den Diamant-Synthese-Temperatur- und Druckbedingungen verbunden. Das Patent offenbart weiterhin das Vermischen der metallbeschichteten Diamantteilchen mit unbeschichteten Diamantteilchen von geringerer Größe, die in den Zwischenräumen zwischen den beschichteten Teilchen liegen. Es wird angenommen, daß die kleineren Teilchen die Porosität vermindern und den Diamantgehalt des Kompakts erhöhen. Beispiele bimodaler Kompakts, d.h. zwei unterschiedliche Teilchengrößen, und trimodale Kompakts - drei unterschiedliche Teilchengrößen - werden beschrieben.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Schleifmittelkompakts, das die Stufe des Einwirkenlassens von erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen, die zur Herstellung eines Schleifmittelkompakts geeignet sind, auf eine Masse ultraharter Schleifmittelteilchen - ausgewählt aus Diamant- oder kubischen Bornitrid-Teilchen -, umfaßt, gekennzeichnet durch die Masse ultraharter Schleifmittelteilchen, die eine durchschnittliche Teilchengröße von weniger als 20 µm, vorzugsweise weniger als 15 µm, hat, und wenigstens aus drei Typen von Teilchen besteht, die sich nur in ihren durchschnittlichen Teilchengrößen unterscheiden.
Die Erfindung stellt weiterhinein Schleifmittelkompakt, das durch dieses Verfahren hergestellt wird, und die Verwendung eines derartigen Kompakts als ein Werkzeug-Einlageteil beim Drehspanen oder Schneiden eines Substrats oder beim Bohren bereit.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Figuren 1 und 2 illustrieren graphisch Vergleichstests, die unter Verwendung eines Kompakts der Erfindung und von Kompakts des Standes der Technik durchgeführt wurden.

Beschreibung der Ausführungsformen

Die ultraharten Schleifmittelteilchen können Diamant oder kubisches Bornitrid sein, sind jedoch vorzugsweise Diamantteilchen.
Die Masse der ultraharten Schleifmittelteilchen wird bekannten Temperatur- und Druckbedingungen unterworfen, die notwendig sind, um ein Schleifmittelkompakt herzustellen. Diese Bedingungen sind typischerweise jene, die notwendig sind, um die Schleifmittelteilchen selbst herzustellen. Im allgemeinen liegen die verwendeten Drücke im Bereich von 40 bis 70 Kilobar, und die verwendete Temperatur liegt im Bereich von 1300 ºC bis 1600 ºC.
Das Schleifmittelkompakt, das durch das Verfahren der Erfindung hergestellt wird, weist allgemein und vorzugsweise ein vorliegendes Bindemittel auf. Das Bindemittel ist vorzugsweise ein Katalysator/Lösungsmittel für die verwendeten ultraharten Schleifmittelteilchen. Katalysator/Lösungsmittel für Diamant und kubisches Bornitrid sind in der Technik wohlbekannt. Im Falle des Diamants ist das Bindemittel vorzugsweise Cobalt, Nickel Eisen oder eine Legierung, die eines oder mehrere dieser Metalle enthält.
Wenn ein Bindemittel verwendet wird, kann es - vorzugsweise im Falle von Diamant-Kompakts - ein Eindringen der Masse von Schleifmittelteilchen während der Herstellung des Kompakts verursachen. Ein Abstandhalter oder eine Schicht des Bindemittels kann für diesen Zweck verwendet werden. Alternativ und vorzugsweise liegt das Bindemittel in Teilchenform vor und ist mit der Masse der Schleifmittelteilchen vermischt. Das Bindemittel liegt typischerweise in einer Menge von 10 bis 25 Massen-% in dem hergestellten Schleifmittelkompakt vor.
Das Schleifmittelkompakt - insbesondere für Diamant-Kompakts - wird allgemein an einen Sintercarbid-Träger oder einen Träger unter Bildung eines Composit-Schleifmittelkompakts gebunden. Zur Herstellung eines derartigen Composit-Schleifmittelkompakts wird die Masse der Schleifmittelteilchen auf einer Oberfläche eines Sintercarbidkörpers angeordnet, bevor die erhöhten Temperatur- und Druck-Bedingungen auf dasselbe einwirken, die für die Herstellung des Kopmpakts notwendig sind. Der Sintercarbid-Träger oder der Träger kann irgendeiner in der Technik bekannter sein, wie Wolframsintercarbid, Tantalsintercarbid, Titansintercarbid, Molybdänsintercarbid oder Mischungen derselben. Das Bindemittelmetall für derartige Carbide kann irgendein in der Technik bekanntes sein, wie Nickel, Cobalt, Eisen oder eine Legierung, die eines oder mehrere dieser Metalle enthält. Typischerweise liegt dieses Bindemittel in einer Menge von 10 bis 20 Massen-% vor; die Menge kann aber auch so gering wie 6 Massen-% sein. Ein betimmter Anteil des Bindemittelmetalls dringt im allgemeinen in das Schleifmittelkompakt während der Bildung des Kompakts ein.
Das Verfahren der Erfindung ist durch die verwendete Schleifmittelteilchenmasse gekennzeichnet. Die Masse enthält wenigstens drei Typen von Schleifmittelteuchen, die sich durch ihre durchschnittliche Teilchengröße voneinander unterscheiden. Die Hauptmenge der Teilchen liegt nahe der spezifizierten Größe, obwohl es eine beschränkte Anzahl von Teilchen oberhalb und unterhalb der spezifizierten Größe gibt. Der Peak in der Verteilung der Teilchen hat eine spezifizierte Größe. Wenn so z.B. die durchschnittliche Teilchengröße 10 µm beträgt, gibt es einige Teilchen, die größer als 10 µm sind, und einige Teilchen, die kleiner als 10 µm sind, wobei der Hauptteil der Teilchen jedoch eine Größe von etwa 10 µm hat, und der Peak in der Verteilung der Teilchen eine Größe von 10 µm hat. Die Verwendung von wenigstens drei Typen von Schleifmittelteilchen, die sich in ihrer durchschnittlichen Teilchengröße voneinander unterscheiden, hat die Auswirkung, daß sich die Größenverteilung der Teilchen ausdehnt oder verbreitert, was eine dichtere Packung und eine Minimierung der Bindemittelsumpf-Bildung erlaubt, wenn ein Bindemittel vorliegt. Die Teilchen sind vorzugsweise alle unbeschichtet.
In der kennzeichenenden Schleifmittelteilchen-Masse der Erfindung haben die Schleifmittelteilchen eine durchschnittliche Teilchengröße von weniger als 20 µm, und sie besteht aus wenigstens drei Typen von Schleifmittelteilchen, die sich nur in ihrer durchschnittlichen Teilchengröße voneinander unterscheiden. Beispiele derartiger Schleifmittelteilchen-Massen sind die folgenden:
10 bis 20 µm - 20 bis 30 Massen-%
5 bis 9 µm - 20 bis 30 Massen-%
weniger als 5 µm - 40 bis 60 Massen-%

und

10 bis 20 µm - 20 bis 30 Massen-%
5 bis 9 µm - 40 bis 60 Massen-%
weniger als 5 µm - 20 bis 30 Massen-%
Die Kompakts der Erfindung sind feinkörnige Kompakts, da die Schleifmittelteilchen-Masse, die eine durchschnittliche Teilchengröße von weniger als 20 µm hat, verwendet wird. Sie können als Werkzeug-Einfügeteile zum Drehspanen oder Schneiden eines Substrats verwendet werden, haben aber eine besondere Verwendung bei Anwendungen des Bohrens, wie dem Bohren von Ölquellen und anderen Anwendungen des Festlandbohrens.
Es werden nun Beispiele der Erfindung beschrieben.

Beispiel 1

Eine Diamantmasse wurde auf einer Oberfläche eines Sintercarbid-Substrats (13 Massen- % Cobalt-Bindemittel) in der Reaktionskapsel einer konventionellen Hochdruck/Hochtemperatur-Apparatur angeordnet. Diese Reaktionskapsel wurde in der Reaktionszone der Apparatur angeordnet und einer Temperatur von 1400 ºC und einem Druck von 50 bis 60 Kilobar unterworfen, und diese erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen wurden während einer Zeitspanne von 10 Minuten beibehalten. Aus der Reaktionskapsel wurde ein Composit-Diamantkompakt gewonnen, das aus einem Diamantkompakt bestand, das an ein Sintercarbid- Substrat gebunden war.
Die Diamantmasse, die zur Herstellung dieses Kompakts verwendet wurde, bestand aus 50 Massen-% eines 4 µm-Diamants, 25 Massen-% eines 8 µm-Diamants und 25 Massen-% eines 12 µm- Diamants, wobei jede um-Größe eine durchschnittliche Teilchengröße ist.
Cobalt drang aus dem Sintercarbid-Substrat in die Diamantmasse während der Kompaktbildung ein. Es wurde gefunden, daß dieses Cobalt gleichförmig und gleichmäßig durch das Kompakt verteilt ist, wobei keine sichbare Cobaltsumpf-Bildung beobachtet wurde. Der Cobaltgehalt dieses Kompakts betrug etwa 15 Massen-%. Das Kompakt war ein feinkörniges Kompakt, da Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von weniger als 20 µm in der Ausgangs-Diamantmasse verwendet wurden.

Beispiel 2

Eine Diamantmasse wurde mit pulverförmigem Cobalt vermischt und auf einer Oberfläche eines Sintercarbid-Substrats angeordnet. Die Diamantmasse machte 80 Massen-% der Mischung und der Rest Cobalt aus. Die ungebundene Anordnung wurde in einer Reaktionskapsel in einer konventionellen Hochdruck/Hochtemperatur-Apparatur angeordnet. Diese Reaktionskapsel wurde in der Reaktionszone der Apparatur angeordnet und einer Temperatur von 1400 ºC und einem Druck von 50 bis 60 Kilobar unterworfen. Diese erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen wurden während einer Zeitspanne von 10 Minuten beibehalten. Aus der Reaktionskapsel wurde ein Composit-Diamantkompakt gewonnen, das aus einem Diamantkompakt bestand, das an ein Sintercarbid- Substrat gebunden war.
Die verwendete Diamantmasse bestand aus fünf Diamanttypen, wobei jeder Typ eine andere durchschnittliche Teilchengröße aufwies:
Wie bei dem Kompakt des Beispiels 1 wurde gefunden, daß Cobalt gleichförmig durch das Kompakt verteilt war, wobei keine Cobaltsumpf-Bildung beobachtet wurde. Der Cobaltgehalt war etwa 15 Massen-%.
Die Festigkeits- und Abrieb-Eigenschaften eines so hergestellten Diamant-Kompakts wurden mit denen von zwei ähnlichen Diamant-Kompakts verglichen, die gemäß der Technik hergestellt wurden. Diese Diamant-Kompakts der Technik wurden unter den gleichen Temperatur- und Druckbedingungen hergestellt, die zur Herstellung des Diamant-Kompakts dieses Beispiels verwendet wurden. Es wurde auch die gleiche Sintercarbid-Substrat-Zusammensetzung verwendet. Die Diamantmasse war eine konventionelle Diamantmasse, die aus Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von 25 µm bestand. In dem Fall des einen Kompakts - bezeichnet als A - wurde das Cobalt in die Diamantmasse aus einem Cobalt-Abstandshalter, der zwischen den Diamantteilchen und dem Sintercarbid-Substrat angeordnet war, infiltriert. In dem Fall des anderen Kompakts - bezeichnet als B - wurde Cobalt-Pulver mit den Diamantteilchen vermischt. Es wurden Drehtests unter Verwendung der drei Kompakts durchgeführt. Die Kompakts wurden auf das Ende eines Standard- Drehwerkzeugs so montiert, daß eine Kante des Kompakts dem Werkstück präsentiert wurde. Das Werkstück wurde dann gedreht und die Schneidkante des Kompakt mit dem sich drehenden Werkstück in Kontakt gebracht, um ein Schneiden oder Drehspanen zu bewirken. Der Vorschub betrug in jedem Fall 0,4 mm, die Tiefe des Schnitts war 0,5 mm, und das Werkstück war Paarl- Granit. Es wurden Naßdreh-Bedingungen verwendet.
In einem Test wurde die Abstoßkraft unter Verwendung eines Kraftaufnehmers gemessen. Da eine Abriebstelle auf der Schneidkante eines Kompakts anwächst, liegt dort eine größere Reibung vor, und es wird eine größere Kraft benötigt, um das Werkzeug mit dem Werkstück in Kontakt zu halten. So ist die Abriebstelle umso größer und die Schneidkante umso schlechter, je größer die Abstoßkraft ist. Es wurden durchschnittliche Abstoßkräfte in Newton für die drei Kompakts bei Umdrehungsgeschwindigkeiten des Werkstücks von 50, 60, 70, 80 und 90 Metern pro Minute bestimmt. Die erhaltenen Ergebnisse sind graphisch in der Figur 1 dargestellt. In dieser Figur bezeichnen A und B die Kompakts des Standes der Technik, und Erfindung bezeichnet das Kompakt dieses Beispiels. Aus der Figur 1 ist ersichtlich, daß bei allen Geschwindigkeiten, außer bei 50 Metern pro Minute, das Kompakt der Erfindung eine geringere durchschnittliche Abstoßkraft und somit eine bessere Verschleißbeständigkeit und bessere Eigenschaften aufwies als die zwei Kompakts des Standes der Technik. Bei den höheren Geschwindigkeiten hat die Schneidkante des Kompakts der Erfindung eine längere effektive Gebrauchsdauer als die Kompakts des Standes der Technik.
In einem ähnlichen Test wurde die Abriebtiefe gegen die Geschwindigkeit der drei Kompakts unter Verwendung der gleichen Geschwindigkeitsbereiche bestimmt. Die Ergebnisse sind graphisch in der Figur 2 dargestellt, die zeigt, daß das Kompakt der Erfindung die geringste Abriebtiefe bei jeder der Geschwindigkeiten hatte, wodurch demonstriert wird, daß es bessere Verschleißeigenschaften als irgendeines der zwei Kompakts der Technik hat.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Schleifmittelkompakts, das die Stufe des Efnwirkenlassens von erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen, die zur Herstellung eines Schleifmittelkompakts geeignet sind, auf eine Masse ultraharter Schleifmittelteilchen - ausgewählt aus Diamant- oder kubischen Bornitrid-Teilchen -, umfaßt, gekennzeichnet durch die Masse ultraharter Schleifmittelteilchen, die eine durchschnittliche Teilchengröße von weniger als 20 µm haben und wenigstens aus drei Typen von Teilchen bestehen, die sich nur in ihren durchschnittlichen Teilchengrößen unterscheiden.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin die Masse der ultraharten Schleifmittelteilchen eine durchschnittliche Teilchengröße von weniger als 15 µm hat.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin die Masse der ultraharten Schleifmittelteilchen die folgende Zusammensetzung hat:

4. Verfahren gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin worin die Masse der ultraharten Schleifmittelteilchen die folgende Zusammensetzung hat:

5. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Masse der ultraharten Schleifmittelteilchen mit einem Bindemittel durchtränkt wird, wenn die erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen auf die Masse einwirken.

6. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Bindemittel mit der Masse der ultraharten Schleifmittelteilchen vermischt wird.

7. Verfahren gemäß Anspruch 5 oder Anspruch 6, worin das Bindemittel ein Lösungsmittel/Katalysator für das ultraharte Schleifmittelteilchen ist.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, worin das ultraharte Schleifmittelteilchen Diamant ist, und das Bindemittel aus Cobalt, Nickel, Eisen und Legierungen eines oder mehrerer dieser Metalle ausgewählt ist.

9. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Masse der ultraharten Schleifmittelteilchen auf einer Oberfläche eines Sintercarbid-Körpers angeordnet wird, bevor die erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen auf sie einwirken.

10. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen ein Druck im Bereich von 40 bis 70 kilobar und eine Temperatur im Bereich von 1300 bis 1600 ºC sind.

11. Verfahren gemäß irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin die ultraharten Schleifmittelteilchen nicht beschichtet sind.