DE69519408T2

DE69519408T2 - Schleifkörper

Info

Publication number: DE69519408T2
Application number: DE69519408T
Authority: DE
Inventors: Ralph Riedel; Bronwyn Annette Roberts; Iacovos Sigalas
Original assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Current assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Priority date: 1994-08-17
Filing date: 1995-08-16
Publication date: 2001-04-19
Anticipated expiration: 2015-08-17
Also published as: CA2156347A1; ZA956408B; EP0698447B1; EP0698447A2; DE69519408D1; KR960007507A; JPH08174427A; JP3595036B2; CA2156347C; US5649984A; EP0698447A3

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf Schleifkörper, die für Verschleißteile, Schneidwerkzeugeinsätze und dergleichen verwendet werden.
Schleifkompakts werden in weitem Maße beim Schneiden, Mahlen, Schleifen, Bohren und anderen Schleifoperationen verwendet. Sie enthalten im allgemeinen ultraharte Schleifteilchen, die in einer Matrix einer zweiten Phase dispergiert sind. Die Matrix kann metallisch oder keramisch sein. Die ultraharten Schleifteilchen können Diamant oder kubisches Bornitrid (CBN) sein. Diese Teilchen sind dafür bekannt, daß sie sich während des unter hohem Druck und hoher Temperatur erfolgenden, allgemein verwendeten Kompakt-Herstellungsverfahrens aneinander binden und eine polykristalline Masse bilden. Die so hergestellten Körper sind demgemäß auch als PCD oder PCBN bekannt.
Beispiele von Diamant- oder kubischen Bornitrid-Schleifkompakts werden in den US Patenten Nr. 3 745 623; 3 767 371; 3 743 489 und 4 334 928 beschrieben.
Z. B. lehrt das US Patent 4 334 928 ein gesintertes Kompakt zur Verwendung in einem Werkzeug, das im wesentlichen aus 80 bis 20 Vol.-% der Hochdruckform des Bornitrids besteht, und der Rest eine Matrix aus wenigstens einer Bindematerial-Verbindung ist, welche aus der Gruppe ausgewählt ist, bestehend aus einem Carbid, einem Nitrid, einem Carbonitrid, einem Borid und einem Silicid eines Übergangsmetalls der Gruppe IVa oder Va des Periodensystems, Mischungen derselben und deren Mischkristall- Verbindungen; worin die Matrix eine kontinuierlich bindende Struktur in einem gesinterten Körper bildet und das Hochdruck- Bornitrid in einer kontinuierlichen Matrix dispergiert ist.
Feuerfeste Keramiken sind bei relativ niedrigen Temperaturen und Umgebungsdrücken synthetisiert worden, indem man organische Vorstufen pyrolysierte. Gesinterte Keramikkörper verschiedener Formen können unter Verwendung dieser Route hergestellt werden. Die folgenden Veröffentlichungen beschreiben solche Verfahren:
1. Wright, J. K. und Evans, J. R. G., Br. Ceram. Trans. J., 89, 163-167, 1990.
2. Interrante L. V. et al. Mat. Res. Soc. Symp. Proc. Bd. 249, 31, 1992.
3. Paine R. T. et al. Polymer Preprints, Bd. 34 Nr. 1, 336, 1993.
4. Seyferth D. et al. J. Am. Ceram. Soc., 75 (5), 1300, 1992.
5. Bouillon E. et al. J. of Mat. Sci. 26 1333, 1991.
6. Soraru G. D. et al. J. of Mat. Sci., 25, 3886, 1990.
7. Gilbert M. Brown und Leon Maya T., Amer. Ceram. Soc. 71, 78-82 (1988).
US-A-5 215 942 offenbart ein Verfahren zur Herstellung eines verdichteten, Diamant-enthaltenden, keramischen Komposits, umfassend das Vermischen von Diamant-Pulver mit einer Sol-Gel- Lösung einer metallorganischen Vorstufe einer keramischen Zusammensetzung, um eine Mischung zu erzeugen; das Gelieren der Mischung, um ein feuchtes, poröses Gel mit Diamant-Pulver herzustellen, welches im gesamten Gel dispergiert ist; das Trocknen des feuchten, porösen Gels bei einer Temperatur, die die Siedepunkte von in dem Gel zurückbleibenden Flüssigkeiten nicht übersteigt, um ein stabilisiertes, poröses Komposit herzustellen; und Erwärmen des stabilisierten, porösen Komposits, um ein verdichtetes, Diamant-enthaltendes, keramisches Komposit bei einer Temperatur herzustellen, die ausreichend niedrig ist, um eine Graphitisierung des Diamants im wesentlichen zu verhindern.
Diamant-Schleifscheiben, die eine Masse von Diamantteilchen umfassen, welche in einer keramischen Matrix dispergiert sind, sind in der Technik ebenfalls bekannt.

Kurzbeschreibung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung schließt ein Herstellungsverfahren eines Schleifkörpers die Stufen
(i) der Bereitstellung einer Mischung, umfassend ein metallorganisches Polymer, welches unter Bildung keramischer Teilchen pyrolysiert werden kann, und eine Masse von Schleifteilchen durch
(a) Mahlen einer metallorganischen Vorstufe des Polymers mit der Masse der Schleifteilchen, Polymerisation der Vorstufe und anschließendes Mahlen der Mischung; oder
(b) gleichzeitiges Mischen und Polymerisieren einer metallorganischen Vorstufe des Polymers und der Masse der Schleifteilchen, und anschließendes Mahlen der Mischung; oder
(c) Mahlen des Polymers mit der Masse der Schleifteilchen;
(ii) des Erwärmens der Mischung, um eine Pyrolyse des Polymers zu verursachen; und
(iii) des Sinterns der pyrolysierten Mischung zu einem kohärenten Schleifkörper ein.

Beschreibung von Ausführungsformen

Der durch das Verfahren der Erfindung hergestellte gesinterte Schleifkörper umfaßt Schleifteilchen, die in einem Material einer zweiten Phase dispergiert sind. Das Material der zweiten Phase ist eine Keramik, vorzugsweise eine feuerfeste Keramik. Beispiele geeigneter Keramiken sind Siliciumcarbid, Silicium nitrid, Siliciumcarbonitrid, Bornitrid, Borcarbid, Aluminiumnitrid, Wolframcarbid, Titancarbid, Titannitrid und allgemein verschiedene Carbide, Nitride und Boride von Übergangsmetallen.
Benachbarte Schleifteilchen sind im allgemeinen nicht aneinander gebunden; sie sind aber stark an das Material der umgebenden, zweiten Phase gebunden, welches eine kontinuierliche Phase bildet. Die Schleifteilchen werden vorzugsweise aus der aus Diamant und kubischem Bornitrid oder Mischungen derselben bestehenden Gruppe ausgewählt.
Die hergestellten gesinterten Schleifkörper sind zäh und abriebbeständig und geeignet, um z. B. als abriebbeständige Flächen, wie Laufflächen oder Werkzeugeinsätze, verwendet zu werden. Wenn das Schleifteilchen kubisches Bornitrid (CBN) ist, kann der Körper zum Schneiden oder zur spanabhebenden Bearbeitung von Eisenlegierungen oder Legierungen auf Eisen- Nickel-Basis oder Superlegierungen aus Nickelbasis verwendet werden. Wenn das Schleifteilchen Diamant ist, kann der Körper bei verschiedenen Schneide-, spanabhebenden Bearbeitungs- und. Bohranwendungen im Maschinen- und Bergbau verwendet werden. Z. B. kann er als abriebbeständiges, aktives Schneidelement bei Holzbearbeitungsanwendungen oder bei der spanabhebenden Bearbeitung von Aluminiumsilicium-Legierungen oder bei der spanabhebenden Bearbeitung von faserverstärktem Polymer oder Metallmatrixkompositen verwendet werden. Er kann auch als Schneide- oder Kaliber beibehaltendes Element bei Bohr- oder Ölbohrwerkzeugen verwendet werden.
In der Stufe (i) des Verfahrens der Erfindung wird eine Mischung bereitgestellt, umfassend ein metallorganisches Polymer, das pyrolysiert werden kann, um keramische Teilchen und eine Masse von Schleifteilchen zu erzeugen. Dies kann auf verschiedenartige Weise erreicht werden, wie nachstehend beschrieben wird.
In der Pyrolysestufe kann die Mischung auf eine Temperatur im Bereich von 300 ºC bis einschließlich 1000ºC erwärmt werden, um eine Zersetzung des Polymers zu bewirken und gasförmige Nebenprodukte zu vertreiben.
Die Stufe (ii) kann in drei Schritten durchgeführt werden:
(ii)(a) schnelles Erwärmen der Mischung mit einer Aufheizgeschwindigkeit von z. B. bis zu 10ºC/min. bis die Temperatur etwa 300ºC erreicht;
(ii)(b) dann langsames Erwärmen der Mischung mit einer Aufheizgeschwindigkeit von z. B. 10³/&sub4;C/h bis einschließlich 20ºC/h, wenn die Temperatur zwischen etwa 300 ºC und etwa 800 C liegt; und
(ii)(c) dann schnelles Erwärmen der Mischung mit einer Aufheizgeschwindigkeit von z. B. bis zu 10ºC/min. bis die Temperatur etwa 1000 ºC erreicht.
Die Mischung kann eine Zeitspanne lang bei der letzten Temperatur gehalten werden, um die Pyrolyse des Polymers zu gewährleisten. Z. B. kann die Mischung während einer Zeitspanne von vier Stunden bei der letzten Temperatur gehalten werden.
Der Grund für die variierenden Aufheizgeschwindigkeiten besteht darin, daß ein langsames Erwärmen bei intermediären Temperaturen notwendig ist, da während der Thermolyse der Grünkörper H&sub2;, CH&sub4; und andere flüchtige Substanzen hauptsächlich zwischen 300ºC und 800ºC durch die vorübergehend offenen Poren verdampfen.
Die Stufe (ii) wird vorzugsweise in einer inerten Atmosphäre aus Stickstoff oder einer Mischung derselben durchgeführt.
Das Ergebnis der Stufe (ii) sind keramische Teilchen, in denen die Kristallitgröße in der Größenordnung von 10 bis 500 nm liegen kann, und mit denen die Schleifteilchen innig vermischt sind. Solche keramischen Teilchen sind üblicherweise dadurch gekennzeichnet, daß sie eine hohe spezifische Oberfläche und gleichzeitig eine große Aktivität aufweisen.
In der Stufe (iii) des Verfahrens der Erfindung wird die pyrolysierte Mischung zu einem kohärenten Schleifkörper gesintert.
Das Sintern der Mischung kann verursachen, daß Oberflächenverunreinigungen auf den Schleifteilchen entfernt werden, wodurch deren Neigung erhöht wird, sich mit Reaktionsstellen in oder auf den keramischen Teilchen zu verbinden.
Das Sintern der Keramik/Schleifteilchen-Mischung erfolgt im allgemeinen bei einer Temperatur zwischen 1000 ºC und einschließlich 1400ºC. Eine Temperatur zwischen 1000ºC und einschließlich 1100ºC wird verwendet, wenn die Schleifteilchen in der Mischung Diamant sind. Eine Temperatur zwischen 1000 ºC und einschließlich 1400 ºC wird verwendet, wenn die Schleifteilchen in der Mischung CBN sind.
Die verwendete Temperatur bestimmt die Zusammensetzung des fertigen, gesinterten Schleifkörpers. Am unteren Ende der Sintertemperaturskala wird eine amorphe Matrix gebildet, während am oberen Ende der Skala eine kristallisierte Matrix gebildet wird.
Um die Dichte des Schleifkörpers zu erhöhen, kann das Sintern unter Druck durchgeführt werden. Der Druck übersteigt im allgemeinen 20 kbar nicht. Der bevorzugte Druckbereich ist 10 bar bis 10 kbar. Die Tatsache, daß ein Sintern bei einem relativ niedrigen Druck oder sogar ein druckloses Sintern verwendet werden kann, ergibt einen Vorteil gegenüber Verfahren des Standes der Technik. Wenn ein Druck angelegt wird, kann der Gehalt der Schleifteilchen nach dem Anlegen desselben in dem unter Druck gesinterten Körper bis zu 90 Vol.-% betragen.
Ein bevorzugtes metallorganisches Polymer, das in dem Verfahren der Erfindung verwendet wird, ist polymerisiertes Polyorganosilazan, wie NCP200 (ein Produkt von Hoechst Aktiengesellschaft), welches in eine amorphe, keramische Siliciumcarbonitrid-Matrix überführt werden kann.
Die Erfindung wird durch das folgende Beispiel erläutert.

Beispiel 1

In diesem Beispiel werden Polyorganosilazane in amorphe, keramische Siliciumcarbonitrid-Matrices überführt. Diese keramische Matrix wird durch ein Polymer-in-Keramik-Umwandlungsverfahren hergestellt, das als Hybrid-Verarbeitung bezeichnet wird.
Im ersten Schritt werden drei verschiedene Wege untersucht, um eine Mischung bereitzustellen, die Polysilazan- und Diamant- oder CBN-Schleifteilchen umfaßt.
(a) Mit CBN oder Diamant dotiertes Polysilazan NCP 200 wird in der Kugelmühle gemahlen. Nach der Polymerisation (auch Vernetzung genannt) war ein zusätzliches Mahlen mit der Kugelmühle notwendig, um ein feines Kompositpulver herzustellen.
(b) Polysilazan NCP 200 und eine Masse von Schleifteilchen werden gleichzeitig vermischt und polymerisiert. Da NCP 200 während der Polymerisation flüssig wird und schäumt, sind die Schleifteilchen nach der Polymerisation homogen in dem Polymer verteilt. Durch anschließendes Mahlen mit der Kugelmühle werden Pulver erzeugt.
(c) Die Mischungen von polymerisiertem NCP 200/Schleifteilchen werden in der Kugelmühle gemahlen.
Impfungsteilchen, wie Si&sub3;N&sub4; oder SiC, können während des Vermischungsschritts zugegeben werden.
Die sich ergebenden Pulver wurden durch ein 32 von Sieb gesiebt und isostatisch bei 630 MPa kaltgepreßt, um zylindrische Grünkörper zu erhalten.
Anschließend führte man mit den Grünkörpern eine Wärmebehandlung unter Ar durch. Der Erwärmungszeitplan der Pyrolysestufe wurde in bezug auf die gesamte Verarbeitungszeit optimiert, indem man eine hohe Aufheizgeschwindigkeit von 10ºC/min bis 300ºC, eine verlangsamte Aufheizgeschwindigkeit von 10ºC/h bis 20ºC/h zwischen 300ºC und 800ºC und eine beschleunigte Aufheizgeschwindigkeit von 10 W/min bis zu 1000ºC verwendete. Die Grünkörper wurden auf isotherme Weise vier Stunden bei der abschließenden Temperatur gehalten. Das langsame Aufheizen bei intermediären Temperaturen war notwendig, da während der Thermolyse der Grünkörper H&sub2; und CH&sub4; hauptsächlich zwischen 300ºC und 800 ºC durch die vorübergehend offenen Poren verdampfen.
Danach führte man mit den Körpern zusätzliche Wärmebehandlungen zwischen 1100ºC und 1400ºC durch, um die keramische Matrix zu kristallisieren und zu sintern. Wiederum wurde eine Temperatur zwischen 1000 ºC und 1100ºC verwendet, wenn die Schleifteilchen in der Mischung Diamant waren, und eine Temperatur zwischen 1000 ºC und 1400ºC verwendet, wenn die Schleifteilchen GBN waren.
Da sich von Siliciumcarbonitrid ableitendes, reines Polysilazan bei Temperaturen von mehr als 1400 Y kristallisiert, wurde die Herabsetzung des Beginns der Kristallisation in Gegenwart von Impfungsteilchen, wie Si&sub3;N&sub4; oder SiC, untersucht. Somit wurden zwei unterschiedliche keramische Komposite gebildet: Diamant oder CBN, die in einer amorphen Si-C-N-Matrix eingebettet sind, oder Diamant oder CBN, die in einer polykristallinen Si&sub3;N&sub4;/SiC-Matrix eingebettet sind.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Schleifkörpers, das die Stufen:

(i) der Bereitstellung einer Mischung, umfassend ein metallorganisches Polymer, welches unter Bildung keramischer Teilchen pyrolysiert werden kann, und eine Masse von Schleifteilchen durch

(a) Mahlen einer metallorganischen Vorstufe des Polymers mit der Masse der Schleifteilchen, Polymerisation der Vorstufe und anschließendes Mahlen der Mischung; oder

(b) gleichzeitiges Mischen und Polymerisieren einer metallorganischen Vorstufe des Polymers und der Masse der Schleifteilchen, und anschließendes Mahlen der Mischung; oder

(c) Mahlen des Polymers mit der Masse der Schleifteilchen;

(ii) des Erwärmens der Mischung, um eine Pyrolyse des Polymers zu verursachen; und

(iii) des Sinterns der pyrolysierten Mischung zu einem kohärenten Schleifkörper umfaßt.

2. Verfahren gemäß Anspruch 1, worin im Schritt (i) die Konzentration der Schleifteilchen in der Mischung derartig ist, daß ihre Konzentration in dem fertigen Schleifkörper im Bereich von 30% bis einschließlich 90 Vol.-% liegt.

3. Verfahren gemäß Anspruch 2, worin im Schritt (i) die Konzentration der Schleifteilchen in der Mischung derartig ist, daß ihre Konzentration in dem fertigen, kohärenten Schleifkörper im Bereich von 50% bis einschließlich 80 Vol.-% liegt.

4. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, worin das Verfahren zwischen dem Schritt (i) und dem Schritt (ii) einen Schritt des Pressens der Mischung des Schritts

(i) einschließt, um einen Grünkörper für Schritt (ii) zu bilden.

5. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4, worin im Schritt (ii) die Mischung auf eine Temperatur im Bereich von 300ºC bis einschließlich 1000ºC erwärmt wird, um eine Pyrolyse des Polymers zu verursachen.

6. Verfahren gemäß Anspruch 5, worin im Schritt (ii) das Erwärmen in drei Schritten durchgeführt wird:

(ii)(a) schnelles Erwärmen der Mischung, bis die Temperatur etwa 300ºC erreicht;

(ii)(b) dann langsames Erwärmen der Mischung, wenn die Temperatur zwischen etwa 300ºC und etwa 800ºC liegt;

(ii)(c) dann schnelles Erwärmen der Mischung, bis die Temperatur etwa 1000ºC erreicht.

7. Verfahren gemäß Anspruch 5 oder Anspruch 6, worin im Schritt (ii) die Mischung bei der endgültigen Temperatur während einer Zeitspanne gehalten wird, um die Pyrolyse des Polymers zu gewährleisten.

8. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 7, worin im Schritt (iii) die pyrolysierte Mischung bei einer Temperatur von 1000ºC bis einschließlich 1400ºC gesintert wird.

9. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 8, worin im Schritt (iii) das Sintern unter Druck durchgeführt wird.

10. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 9, worin die Schleifteilchen aus der aus Diamant und kubischem Bornitrid und deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

11. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10, worin die hergestellte Keramik aus der aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbonitrid, Bornitrid, Borcarbid, Aluminiumnitrid, Wolframcarbid, Titancarbid, Titannitrid und Carbiden, Nitriden und Boriden von Übergangsmetallen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

12. Verfahren gemäß irgendeinem der Ansprüche 1 bis 11, worin das metallorganische Polymer ein polymerisiertes Polyorganosilazan ist.

13. Verbund-Schleifkörper, umfassend eine Masse von Schleifteilchen, die in einer keramischen Matrix dispergiert sind, wobei der Körper dadurch gekennzeichnet ist, daß die Schleifteilchen 50 bis einschließlich 80 Vol.-% des Verbund-Schleifkörpers umfassen, die Schleifteilchen an die keramische Matrix gebunden sind, welche eine kontinuierliche Phase in dem Verbund-Schleifkörper bildet, und die keramische Matrix durch die Pyrolyse und das anschließende Sintern einer Mischung gebildet wird, die ein metallorganisches Polymer, das befähigt ist, unter Bildung von keramischen Teilchen pyrolysiert zu werden, und die Masse der Schleifteilchen umfaßt, wobei die Mischung durch

(c) Mahlen des Polymers mit der Masse der Schleifteilchen; bereitgestellt wird.

14. Verbund-Schleifkörper gemäß Anspruch 13, worin die Schleifteilchen aus der aus Diamant und kubischem Bornitrid und Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählt sind.

15. Verbund-Schleifkörper gemäß Anspruch 13 oder Anspruch 14, worin die keramische Matrix aus der aus Siliciumcarbid, Siliciumnitrid, Siliciumcarbonitrid, Bornitrid, Borcarbid, Aluminiumnitrid, Wolframcarbid, Titancarbid, Titannitrid und Carbiden, Nitriden und Boriden von Übergangsmetallen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

16. Verbund-Schleifkörper gemäß irgendeinem der Ansprüche 13 bis 15, worin das metallorganische Polymer ein polymerisiertes Polyorganosilazan ist.