DK142051B - Slibepartikler på basis af kubisk bornitrid og fremgangsmåde til fremstilling af samme. - Google Patents

Description

(11) FREMLÆGGELSESSKRIFT 142051 ("S) \Ra/ DANMARK W c 04 B 31/16 «(21) Anwgning nr. 21 54/74 (22) Indleveret den 18. Spr. 1 974 (23) Løbediø 18. apr. 1974 (44) Ansøgningen fremlagt og

fremlæggelsesskriftet offentliggjort den 18. SUg. 1 SoO

DIREKTORATET FOR

PATENT- OG VAREMÆRKEVÆSENET <30> Pnoritet fra den

20. apr. 1975* 552884, US

(71) GENERAL ELECTRIC COMPANY, 1 River Road, Schenectady, 12505 New York, US.

(72) Opfinder: John David Birle, 2580 Kunz Road, Galloway, Ohio, US.

(74) Fuldmægtig under sagene behandling:

Ingeniørfirmaet Lehmann & Ree.

(64) Slibepartikler på basis af kubisk bornltrid og fremgangsmåde til frem» stilling af samme.

Bornitrid kendes i én blød og to hårde former. Den bløde form er en hexagonal krystal, som er analog med grafit og anvendelig som smøremiddel. I den hårde form besidder partiklerne af dette materiale en hårdhed svarende til diamants hårdhed. Slibeskiver, hvor bornitrid anvendes som slibemateriale, er bedre end slibeskiver, hvor diamantpartikler eller andre slibematerialer anvendes i forbindelse med slibning af hårdt værktøjsstål.

Ingen af de hårde bornitridformer er fundet i naturen. Omdannelsen af den bløde hexagonale form til en hård form med kubisk krystalfiguration svarende til atomkonfigurationen i zinkblendekrystaller er beskrevet i beskrivelsen til U.S.A.-patentet nr. 2.947.617. Omdannelse af den bløde bornitridform til en hård hexagonal krystal- 2 U2051 linsk form med en atomstruktur svarende til wurtzitkrystallen er beskrevet i beskrivelsen til U.S.A.-patentet nr. 3.212.851. Den foreliggende opfindelse gælder det kubiske bornitrid med zinkblendestruktur fremstillet ved katalytisk omdannelse fra hexagonalt bornitrids bløde form.

Ved den i beskrivelsen til U.S.A.-patentet nr. 2.947.617 beskrevne katalytiske omdannelse anvendtes alkalimetaller, jordalkali-metaller, bly, antimon, tin og nitrider af alle disse materialer som katalysatormaterialer. Tilstedeværelse af et eller flere af disse katalysatormaterialer muliggør, at omdannelse finder sted i det område af fasediagrammet, hvor kubisk bornitrid er stabilt i et punkt nær dette diagrams ligevægtslinie.

Under fremstillingen af kubisk bornitrid indesluttes en lille mængde katalysatormateriale i krystalstrukturen. Den mængde katalysatormateriale, der bliver tilbage i krystalstrukturen, kan forøges med andre materialer, der er til stede under omdannelsen. P.eks. kan grafit eller kønrøg tilsættes til chargen for at tilvejebringe kubiske bor-nitridkrystaller indeholdende carbonpartikler. Sådanne partikler forbedrer den endelige krystals slibeegenskaber. Andre tilsætningsstoffer eller fyldstoffer kan være til stede i chargen fra starten for som slutprodukt at give en slibepartikel· indeholdende sådanne tilsætningsstoffer eller fyldstoffer. Anvendelse af beryllium som fyldstof for at gøre kubisk bornitrid elektrisk ledende er beskrevet i beskrivelsen til U.S.A.-patentet nr. 3.078.232. Anvendelse af siliciumoxid og germanium hertil er beskrevet i beskrivelsen til U.S.A.-patentet nr.

3.141.802. Anvendelse af selen og svovl er beskrevet i beskrivelsen til U.S.A.-patentet nr. 3.216.942.

I svensk fremlæggelsesskrift nr. 383.699 er der beskrevet et slibeværktøj med en slibeflade, som består af nikkelbelagte partikler af kubisk bornitrid indlejrede i en matrix af formstof.

Ifølge den foreliggende opfindelse er det blevet opdaget, at kubiske bornitridkrystaller, hvori phosphor er inkorporeret, ikke blot er meget hårde men også meget regelmæssige krystaller. Når sådanne krystaller er inkorporeret som slibepartikler i slibeskiver med glasbinding, metalbinding eller plastbinding, opnås forbedrede resultater ved slibning af hårdt værktøjsstål.

Opfindelsen angår således slibepartikler på basis af kubisk bornitrid og eventuelt forsynet med et overtræk af nikkel, og det ejendommelige ved disse slibepartikler er, at de i det væsentlige er mættet med phosphor.

3 142051

To kriterier for bestemmelse af anvendeligheden af forskellige kubiske bornitrider er (1) den partikelstørrelsesfordeling, der fremkommer ved fremstillingen, og (2) sprødhedsindexet. Ved bestemmelse af sprødhedsindexet udsættes krystaller med en given partikelstørrelse for gentagne slag, og krystallernes størrelsesformindskelse på grund af brud måles derpå. Der anvendes hertil prøver på \ gram. Sprødhedsindexet er det procentvise tab til næste mindre standard partikelstørrelse. Jo højere sprødhedsindexet er, jo svagere er krystallen således. Følgelig er det ønskeligt, at den anvendte fremgangsmåde ikke blot giver en krystal med lavt sprødhedsindex, men også krystaller i de størrelsesområder, som der er størst efterspørgsel efter.

Når kubiske bornitridkrystaller er mættet med phosphor, er phosphor til stede i krystallen i ca. 0,042 vægtprocent. Skønt lavere phosphormængder giver forbedrede krystaller, udøves opfindelsen med phosphorindhold omkring mætningspunktet. Et meget højere phosphorind-hold end 0,042 vægtprocent må naturligvis være til stede i startchargen for at få et slutprodukt, som er mættet med phosphor.

Opfindelsen angår også en fremgangsmåde til fremstilling af ovennævnte slibepartikler, hvorved partikler af blødt hexagonalt bor-nitrid i nærværelse af en katalysator udsættes for indvirkning af en høj temperatur og et højt tryk for derved at ændre bornitridets hexa-gonale krystalstruktur til en kubisk krystalstruktur. Denne fremgangsmåde er ejendommelig ved, at behandlingen af partiklerne af hexagonalt bornitrid foretages i nærværelse af 0,5-7 vægtprocent phosphor og/eller en phosphorholdig forbindelse.

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen udsættes udgangsmaterialet for temperaturer og tryk i stabilitetsområdet for kubiske krystaller i det kubisk-hexagonale fasediagram i en periode på fra 2 til 20 minutter og fortrinsvis i en periode på fra 6 til 15 minutter.

Idet den sædvanlige fremgangsmåde følges, anbringes den phos-phorholdige charge i reaktionskammeret i et højtryks-, højtemperaturapparat. Temperaturen hæves derpå til mindst 1200°C og trykket til et niveau, hvor kubisk bornitrid er stabil ved den nærmere angivne temperatur, som chargen udsættes for. Dette er sædvanligvis et tryk over 29.480 atmosfærer. Temperaturen får derpå lov til at falde ved at afbryde opvarmningsstrømmen, og trykket reduceres da. Chargen udtages derefter fra apparatet, og de kubiske bornitridpartikler skilles fra den resterende charge.

Ikke alle phosphorholdige sammensætninger giver samme resultater. Mange sammensætninger giver et så lille udbytte af kubisk bor- 4 142051 nitrid, at de er kommercielt uanvendelige. De følgende eksempler 1-27 giver resultater for forskellige phosphorholdige sammensætninger. Eksempel 28 er et sammenligningseksempel.

5 142051 ε ^ ctf m ια οι n c\j ε φ vH 0 ΙΑ V£) \ω ο- νο i ^ o ° ^ ^ ™ ^ w ™ •S.·^. H d CJNV.

a^r o WHO λ Ά

O W

S

S'" Η Λ m td Ln w •η ο Φ •p di η £ S £ oo ia in ia H up xr 1 ia K> -r in -=r ^ Ο Λ NH ?h n t-"*

¢) 3rtO

«00

O

Φη

CdJ <D

c Φ d

m <D

Η η °S

«ΙΗ «

> «5 M

*H +i „ ^ Λ >> Φ Φ il 2 5 ii ΗΜ) 2¾¾ 3 3 3 3 3 3 Φ

ο σ ο Ο ο C3B

« ,_j η »*»«** Ο j Μ κ κ w κ jf

•Η Ή ·Η ·Η 'Η X

Ve η3 >-3 ι-3 ι-3 >-3 ^ 1 |Α

Vi. %<5. ΪΛ ΤΛ ΐΛ ΤΛ ΙΑ Λ ΙΆ ΙΑ ΙΑ ΙΑ ΙΑ CM Ζ Ζ ία in „γα κλ « ζ « ζ *> « * «a •Η la ζ fA Ζ ΙΑ ζ « Ζ fe fe_ j Ζ ΙΑΡ-ι ΙΑ Ρμ ΙΑ (li ΙΑ ίΧι ΙΑ CU ΓΑ W.

ΙΑ ·η ·Η ·Η ·Η ·Η "Η Η bO-^N ve a (-3¾¾ 1-3¾¾ 1-3¾¾ 1-3¾¾ 3 * (-3 ¢4-50 Ο Ο Ο Ο Ο " •Η C Η W- ^ Λ ^ *> ^ ^ Ο3- dm π-- ΟΗ Ο CM OH Ο CM Ο ΙΑ ΟΟ Ο « Η Η Η Η Η Η Οη

Gi /-> ^ *, * * ·» ** Λ CVI * min 03 Ζ ·> W " Ζ * w " ® J1 ® -Γ ® η

Cft Ο ΖΟ 20 20 fe Ο ΖΟ 2 (1) +5 W. ·Η 03 ·Η 0Q ·Η 03 ·Η 03 ·Η Ζ ·Η 03 2 Λ i Μ in J J (-3 1-3 ι-3 ^ ^ 5* gftj« ve. ve ve w w 03 ¢3 t> lAVe ΙΑ K CM 1Λ IA K 04¾¾ H ve a ^¾ o

CO W 03 (A GO IA CO ΙΑ 00 K\ 00ΙΑ OO PA 0004 A

a 40 Ό "Θ.

. « u d

I—I

p, r-ί f\J ΓΌ ΙΓ\ Ό £

<D

CQ

ω 6 142051 'h S Λ cå m in <D Ό cm £ .C '»ο ΙΟ I I 00 1

Ό Ο CM m CM

Ό. νΗ U CTv\ Οη^Γ Ο CO ri Ο Λ νΗ Ο w £ X 1-1 Λ to cd in μ •η ο ω j_5 d) ή s

β -Ρ " I VO I I VO o I

ω -p o o -=r ^t· in o OXJSrl in Ό Ρη 3HO «00 o ^ a cd 0) <d c M in H CD »Cd =Cd °Cd

o h s έ s 5P

> h m ra ro Ο O

β .p " -P « .p « -P 0) <D

^ HI 0) dl (1) (DID CD CD CD -P <D -P CD

m S H 60 H H 60 rk 60 H U H ?-l H

CD P-J p CD P P CD 3 <D S Ο P Ο P

CQ^jOS C5 O g OS O CO 60 00 ω « « m

[—1 rk -¾- O

o O O " o it- in « if W w· W w

Hi g .=r -¾- S *rk CM ·Η --^ « S m o o S W ^ -~r p-<

Ck fk Ck -=r a 6¾ CM CM 6¾ 6¾ a ve S V5.

m vi «a S cm m a m v-' cm in' a -=r .=1- « « m a « a ·> Pk « 6¾ « k « so-hs as a acMacMg ms m tn·^ m m m •H « Vi. ·Η 6¾ τ| CM -rk " Ή ·> ·γ) 60^ a-=4"^o so s am am a β p Ο O « « « m

•Η β 6¾ Ck rk r-k 6¾ H 6¾ P" 6¾ 6¾ 6¾¾¾ 6¾ O

β (D O CM O OOOCMOCMOO

p ο h a ««in h « in am η h hcm

£B ° a H a HS CM « « ''"V

to c, « a mom «om «a «a «a « p- cass p- m a p- m a p- ao so a a cD-pm 6¾ a ma ma m -h a ·η ma E60 k m a » a 6¾ a -a a w £ Si vc in « in 6¾ o 6¾ -6¾ 6¾ 6¾ ff)> in« m 6¾ « it· 6¾ « -^6¾ 06¾ O 6¾ - Ό 6¾ m'-' coh οο p- h to 3 η co cm com com oocm β β ,Η ω a co σ\ ο η cm m ^· £ Η Η Η Η Η

(D

m

X

W

7 142051 ε^ ti cd cd

!A CD

τί cm g CD tH _ .

jC "O H I C7\ CO ·3" I

Ό O a ΓΑ CM -¾- f°> ^ 0. N vi U σ\^ a ·=τ o

MHO « tH O W

ε S'-' Λ <w s

CD cd LH CD •H O CD PODE

Spoo Ol I o f- o £ 1 o >3^ =t -=r ία ·=γ la S' O £! C- 1-1 in T3 C-^.

CM vi O *00 O w cd

<D CD C w U

φ H H 0) ® ® ®

.5 ^ 3 3 3 S

£ ® « .p hO bOhObO

,y M CD CD CD CD CD CD CD CD

W >3 i—i i—lb0cO i—I CD CD tDoccj cu sa 3 CD >. 3 r? >> >> « CQ,i£!C5 CSSM O j SI SI co =r " O S3 " «co« ή " " K a S3 a S3 si S3 S3 S3 •H *ri ^ ·Η ·Η Ή ·Η

SI S3 ·=Γ SI Pm S] SI SI

CM S3 ·=Τ KD

vi >* s *% s: ^ *5 r<~v ^ v.^· f<-\ S « ia ΙΆ ia •=r lz id Si "fe *> ^«, 1 (A O "O " *

2 ffl 2 CM g CM ·Η CM S a S LA 13 LA

k> ca γα S a iAa ido ido

•H S3 ·Η « ·Η " ·Η ·Η CM ·Η CM

bo^ sis si pm si a is* *«. si w. si a sia

CD O LA O

•H £3 ** ti* fc* %* N 6« I—I « fc* " ** Is* K W

Ccd oa oa oa o o ·π oa o ia

+iCJH Η Η « Η Η H

ÉRO « " « S " « « "

Ssm *>ffi «S3 "S S3 S3 "S3 "SI "S3 c a s o so so o so so so

φ]Γ m -H S -H s -H ** ·η m -H CQ -H ffl -H

£ bO S S3 S LCD SI S3 S SI

3¾¾¾ ** %* " is* ** ** aj> 0¾¾ 0¾¾ 0¾¾. id k id x a ιλ ή **

OQ— 00 IA CO ID CO ID 00 IA CO ID OO IA OO ID

* s c

1—I

ω _ .

q la co c— 00 cr\ o a SH i—i h i—i h a a

CD

CO

3* w 142051 v S"' "e

^ e λ S

Cd 02 & lo ω u-, fl w S °° o e 1,0 I Η 'Π Ό =3- - c— oo frig o ° ^-ocvj ^ CM ^ ^ Θ·\ Ή in

Sh crw cn P<H- O T-

MvHO '

«, H O W

i e

Η S S

02 Cd LTv 02 cn H O 02 Cn 4-) 02 Ή £ ^ S £ O O I £ J^T j? ° 'iR 0d^ o >*\.=r ^ ^ ^ px 1 r* 0i)t-n £

U 73 E>-\ \L

iij ^ H O o •,00 o ^ cd ω tt) EJ cg Ec H tt) * G) rH 02

> Η H

•H Cti 3 c.« j_i bO <1)- ,2sJ CG 02 -P (D 02 tt2 02 Φ

CG^CQocdSd Η Η Η Η H

(££ £ 1 å » ^ tt tt tt f\ * *> * * *> s s s s w ®

•Η ·Η *H Η ·Η Η Ή H >H *H

j t-IJ 'μ3 tt t—1 tt Η-1 tt^ t—i )—I

^ ^ ^ S ^ S ^ S S

k\ . ro cd S cd S tD S ΓΛΟ f°) Οι

-, ., -,¾¾ -,¾¾ -,¾¾ -,oj ·> H

g in g Scm g ιλ . & =r g ffi S tt ΙΛΟ fD ID ID CD ^.=3- •H CM H P-i *H *> *rl « ·Η « ·Η g. *H g

M— J Ph iJCQ C-3P-I i-lfM S Ph H S

.g C ^¾¾ 2^¾¾ ^¾¾ ^¾¾ ^¾¾ ^¾¾

Cjd) O W O CM O CM O CM OCM OH O ID

+5 O Η Η Η Η H ’"'i1-* OJ Λ Λ *» « *» Λ *rH .7 mu "ffi »S * K * K "W "Wtt «Κ CD, SO SO So SO SO S Ο ·=3- So

Si> m -π « h 3 -h pq η m η ω ·η g m ·η

ghO CJ (O S tJ J iS S H

g ft) -¾¾ -¾¾ ^5, )5¾ ^ ^ ^¾ cd> 00¾¾ CM ^ 0¾¾ ¢72¾¾ 00¾¾ 02¾¾¾¾ H ^

[yj,__ [>-, tD CO IG D ΙΛ C~- CD 12— ID 12— tO -=7" CX2fD

U

EJ

rH

Q, CM ΚΛ =3- LD EC2 E-- CX2

g CM CM CM CM CM CM CM

02 02

W

9 142051

Eksempel 24 var den bedste sammensætning, da denne sammensætning gav et godt udbytte af det ønskede 0,177/0,105 mm-materiale og havde et sprødhedsindex på 26 for 0,149/0,125 mm-materialet. I dette eksempel var lithiumnitrid katalysator, og ammoniumchlorid virkede som mineraliseringsmiddel.

Partikelstørrelsesfordelingen og sprødheden af materialet ifølge Eksempel 24 var følgende:

Maskestørrelse (mm)_ Vægtprocent Sprødhedsindex over 0,250 2,1 0,250/0,177 15,9 35,8 0,177/0,149 16,7 30,6 0,149/0,125 17,0 26,4 0,125/0,105 15,4 23,4 0,105/0,088 14,6 19,4 0,088/0,074 7,4 18,2 0,074/0,062 2,8 0,062/0,053 4,2 0,053/0,044 3,0 0,044/0,037 0,7 under 0,037 0,2 Mætning med phosphor giver en meget hård kubisk bornitridkrystal med næsten perfekt krystallisering. Når sådanne krystaller anvendtes som slibepartikler i slibeskiver med plastbinding, opnåedes forbedrede resultater ved sammenligningsforsøg.

Nedenstående tabel I sammenligner resultater fra tørslibningsforsøg med slibeskiver med plastbinding, hvor nikkelbelagt kubisk bornitrid anvendes som slibemiddel over for T-15 stål. I kontrolskiverne (kubisk bornitrid) indeholdt det kubiske bornitrid ca. 1,0 vægtprocent carbon, et tilsætningsmiddel, som forøger krystallens hårdhed betydeligt. I forbindelse med de skiver, der indeholdt kubisk bornitrid med phosphormætning, anvendtes krystaller, som var mættede med phosphor men ikke indeholdt carbon.

10 142051

TABEL I

SLIENINOSFORHOLD VED TØRSLIBNING AF T-15 STÅL

Maskestør- _Indstik C mm)

Nikkelbelagt slibemateriale relse (mm) 0,025 0,051 0,076 0,102

Kubisk bornitrid 0,149/0,125 91 33 18 12

Kubisk bornitrid med phosphor 0,149/0,125 19^ 59 24 15

Kubisk bornitrid 0,177/0,149 122 55 35 21

Kubisk bornitrid med phosphor 0,177/0,149 309 105 47 26 T-15 stål er en stål på jernbasis indeholdende 12 vægtprocent wolfram, 5 vægtprocent vanadium, 4 vægtprocent chrom og 5 vægtprocent kobolt, der var hærdet til. R 58-60.

O

Nedenstående tabel II sammenligner resultater ved tørslibningsforsøg med slibeskiver med plastbinding, hvor nikkelbelagt kubisk bornitrid anvendes som slibemateriale over for M-2 stål.

TABEL II

SLIBNINQSFORHOLD VED TØRSLIBNING AF M-2 STÅL

Maskestør- _Indstik (m m )_

Nikkelbelagt slibemateriale relse (mm) 0,025 0,051 0,076 0,102

Kubisk bornitrid 0,149/0,125 233 40 16 10

Kubisk bornitrid med phosphor 0,149/0,125 329 46 19 9

Kubisk bornitrid 0,177/0,149 199 54 34 17

Kubisk bornitrid med phosphor 0,177/0,149 422 74 31 19 M-2 stål er en stål på jernbasis indeholdende ca. 4 vægtprocent chrom, 2 vægtprocent vanadin, 6 vægtprocent wolfram og 5 vægtprocent molybdæn, der var hærdet til Rc6q-62.

11 142051

Det skal her understreges, at de egenskaber af slibepartikler, som gør dem bedre til visse slibningsanvendelser, gør dem dårligere til andre. P.eks. var ved visse vådslibningsanvendelser slibeskiver med plastbinding indeholdende slibepartikler med phosphor ringere, hvad slibningsforhold angår, end tilsvarende slibeskiver, hvori slibepartiklerne ikke indeholdt phosphor. Det lader til, at et lavt sprød-hedsindex ikke i alle tilfælde er en ønskelig egenskab. Lav sprødhed og regelmæssig krystalstruktur følger hinanden. Ved visse slibningsanvendelser er de svagere krystaller, som lettere kan spaltes, således at en frisk snitflade frilægges, mere effektive. Den kendsgerning, at en nærmere bestemt krystal har et højt sprødhedsindex, betyder således ikke, at den ved bestemte anvendelsesforhold ikke giver den bedste ydelse. Parametre, såsom den anvendte bindingstype, det procentiske indhold af slibemateriale i bindingen, skivens hastighed, skivens indstik, bordets hastighed, det eventuelle kølemiddels art samt andre, indgår som faktorer, der bestemmer ydelsen. Alle disse faktorer må sammen med egenskaberne af det materiale, der skal slibes, tages i betragtning for at få bedst mulig ydelse af slibeskiven.