DE4115612A1 - Verfahren zur herstellung von hon- und schleifkoerpern mit verbesserter kantenstabilitaet und die dabei erhaltenen hon- und schleifkoerper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Hon- und Schleifkörpern, die eine verbesserte Kantenstabilität aufweisen und daher einer geringeren Kantenverrundung unterliegen. Hierdurch werden Hon- und Schleifkörper erzielt, die verbesserte Hon-, Schleif- und Schneidarbeitsgänge ermöglichen.

Hon- und Schleifkörper sind aus gebundenem Schleifkorn aufgebaut. Sie unterliegen beim Schleif- bzw. Honvorgang einer mechanischen Beanspruchung, die zur Kantenverrundung führen kann. Dies führt zu Störungen der zu schleifenden bzw. zu honenden Materialien. Besonders ungünstig wirkt sich eine Kantenverrundung beim Honen aus.

Im Gegensatz zum Schleifen ist das Honen ein spangebender Bearbeitungsvorgang unter ständiger Flächenberührung zwischen Werkstück und Honkörper aus gebundenem Schleifkorn. Man unterscheidet verschiedene Arten des Hones, z. B. Innenrund-Langhubhonen bei Zylindern für Hydraulik, Motoren, Bohrungen von beispielsweise Hochleistungszahnrädern, Kurzhubhonen von verschiedensten Substraten, wie Stoßdämpferkolben und Hüftgelenkprothesen.

Allen diesen Honvorgängen ist eigen, daß es neben der Hin- und Herbewegung eines mit Honsteinen meist rechteckigen Querschnitts bestückten Honkopfes eine Bewegung in einer einheitlichen Richtung zum Werkstück gibt. Entweder bewegt sich der Honkopf, beispielsweise beim Innenrundhonen, durch eine Drehbewegung, oder das Werkstück wird am hin- und hergehenden Honkopf vorbeigeführt, beispielsweise beim Kurzhubhonen von Stoßdämpferkolben. Daraus ergibt sich, daß Honsteine grundsätzlich eine Auflaufkante gegenüber dem Werkstück haben.

Da das Honen ein spangebender Vorgang im Fein- und Feinstkornbereich ist, muß Arbeit geleistet werden. Dabei ist naturgemäß die Auflaufkante der Honsteine einer erhöhten Beanspruchung gegenüber dem übrigen Plateau des Honsteines ausgesetzt. Die Folge hiervon ist eine verstärkte Abnutzung dieser Auflaufkante. Es kann eine Kantenverrundung auftreten. So kommt es zwangsläufig dazu, daß sich kleine Werkstoffpartikel in dem schmalen Spalt zwischen Auflaufkante und Werkstück verklemmen und durch den Druck auf den Honstein auf der Werkstückoberfläche "verschmiert", wiederaufgeschweißt werden, so daß sich als weiterer Nachteil die "Blechmantelbildung" ergibt.

Diese Blechmantelbildung ist insbesondere beim Honen von Leichtmetallen, z. B. von Leichtmetallmotoren gefürchtet wegen der damit verbundenen partiellen Zerstörung der wichtigen Siliziumstruktur in der Zylinderlauffläche. Aber auch beim Honen von anderen Metallen, treten durch Blechmantelbildung Fehler auf. Beim Honen von Otto-Motoren aus Grauguß wird beispielsweise die Struktur der Graphitlamellen im Gußgefüge ge- und zerstört.

Aufgabe der Erfindung ist daher die Bereitstellung von Hon- und Schleifkörpern, bei denen die Gefahr der Kantenverrundung und damit der Blechmantelbildung und anderer Fehler bei Hon-, Schleif- und Schneidvorgängen, ausgeräumt wird.

Es hat sich gezeigt, daß diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung von Hon- und Schleifkörpern gelöst werden kann, das dadurch gekennzeichnet ist, daß man eine oder mehrere die Kanten der Schleiffläche von Hon- und Schleifkörpern aus gebundenem Schleifkorn begrenzenden Seitenflächen mit einer Hartstoffschicht versieht. Dieses Verfahren sowie die dabei erhaltenden Hon- und Schleifkörper bilden daher den Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Durch die vorliegende Erfindung werden insbesondere mechanisch beanspruchte Kanten, wie die Auflaufkanten von Hon- und Schleifkörpern durch Aufbringen einer Hartstoffbeschichtung soweit geschützt, daß die Abnutzung verringert wird und sich Werkstoffabrieb nicht mehr zwischen Auflaufkante und Werkstückoberfläche einklemmen kann.

In der vorliegenden Beschreibung wird zur Vereinfachung insbesondere auf die Auflaufkante von Honsteinen Bezug genommen. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung auch auf andere Kanten bzw. Seitenflächen, insbesondere mechanisch beanspruchte Kanten bzw. Seitenflächen von Honkörpern und Schleifkörpern allgemein anwendbar ist.

Erfindungsgemäß können die Hartstoffschichten auf die Seitenflächen oder Flanken von Hon- und Schleifkörpern auf verschiedene Weise aufgetragen werden.

Zur Hartstoffbeschichtung haben sich sowohl chemische als auch physikalische Abscheidungsverfahren als geeignet erwiesen, wie Aufdampfen im Hochvakuum, Ionenplattieren, Kathodenzerstäubung (Sputtern, Plasmasputtern), plasmagestützte Abscheidung (einschließlich der Herstellung diamantartiger Kohlenstoffschichten), Plasmabehandlung, Ionenimplantation, Ionenplattieren, Ionenstrahldurchmischung, Laserstrahlbehandlung und Laser-Chemical-Vapor-Deposition.

Es ist bekannt, verschiedenste Hartstoffschichten auf unterschiedliche Substrate aufzubringen, beispielsweise durch Plasmasputtern.

So lassen sich z. B. Brillengläser entspiegeln, aber auch Werkzeuge mit Hartstoffschichten versehen. Seit einigen Jahren sind z. B. Hartmetallschneidplatten und HSS-Bohrer bekannt, die durch Plasmasputtern zwecks Erhöhung der Standzeit mit einer oder mehreren unterschiedlichen Hartstoffschichten versehen sind. Derartige Hartstoffschichten wurden aber nur auf Schneidwerkzeuge mit einer definierten Schneidenform, wie beispielsweise Bohrer, aufgebracht. Die Schneidenflächen wurden gänzlich mit Hartstoff beschichtet, der die Schneidenfläche bildete und somit direkt am Schneidvorgang beteiligt war. Erfindungsgemäß werden keine schneidenden oder schleifenden Flächen mit einer Hartstoffschicht versehen, sondern es werden die Kanten von schleifenden Flächen wie von Hon- und Schleifkörpern auf der Basis von gebundenen Schleifkorn gehärtet.

Die erfindungsgemäß eingesetzten Hartstoffschichten können nach dem Fachmann bekannten üblichen Abscheideverfahren aufgebracht werden. Geeignet sind, wie erwähnt chemische und physikalische Abscheideverfahren.

Chemische Abscheidungsverfahren (CVD = Chemical-Vapor-Deposition) sind dem Fachmann geläufig. Es erfolgt eine thermochemische Abscheidung aus verdünntem Gasgemisch. Beispielsweise können für die Beschichtung mit Titancarbid, Titannitriden oder Titancarbonitriden flüchtige Titanverbindungen, wie Titantetrachlorid eingesetzt werden, die zusammen mit einer kohlenstoffhaltigen gasförmigen Verbindung, wie Methan und/oder Stickstoff, beispielsweise als Reinstickstoff oder Ammoniak, bei erhöhten Temperaturen umgesetzt wird.

Für die vorliegende Erfindung sind besonders günstig physikalische Abscheidungsverfahren (PVD = Physical-Vapor-Deposition) bei denen das Aufdampfen bei viel niedrigeren Temperaturen mittels Elektronenstrahlerhitzung, Sputtern, Ionenplattieren, reaktives Sputtern oder reaktives Ionenplattieren erfolgen kann. Beim Sputtern erfolgt eine Zerstäubung des Beschichtungsmaterials aus einer Kathode über Glimmentladung im Hochspannungsfeld.

Es ist besonders günstig, das erfindungsgemäße Verfahren bei möglichst niedrigen Temperaturen durchzuführen. Durch die Einführung der Hochvakuumtechnik ist es beispielsweise möglich geworden bei Temperaturen unter 100°C zu arbeiten; beispielsweise ist es möglich im Hochvakuum bei Temperaturen unter 100°C zu sputtern, bevorzugt ist das Plasmasputtern.

Eine Übersicht über chemische und physikalische Abscheidungsverfahren wird beispielsweise in Trennkompendium ETF Editionstechnische Fachinformationen, Bergisch Gladbach, Band 2, 1983 Seiten 91 bis 102 gegeben. Mit durch Plasma unterstützten CVD Verfahren kann auch bei Zimmertemperatur gearbeitet werden, was für temperaturempfindliche Hon­ und/oder Schleifkörper besonders günstig ist. Auf diese Weise ist es beispielsweise auch möglich geworden, Kohlenstoff in Diamantmodifikation abzuscheiden, was zu Schichten mit besonders großer Härte führt. Derartige plasmaunterstützte CVD-Verfahren bei niedrigen Temperaturen werden beispielsweise im VDI-Z 130 (1988), Nr. 10, Seite 24, beschrieben.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren können verschiedene Hartstoffschichten aufgebracht werden, wie sie dem Fachmann geläufig sind. Es sind beispielsweise Hartstoffschichten geeignet, wie sie bisher auch zur Beschichtung der Schneidenflächen von Schneidwerkzeugen mit definierter Schneidenform eingesetzt wurden. Erfindungsgemäß verwendbare Hartstoffschichten bestehen z. B. aus den Oxiden und/oder Nitriden und/oder Carbiden und/oder Boriden von Metallen, wie Aluminium und/oder Silizium und/oder Titan und/oder Wolfram und/oder Bor (z. B. Borcarbid). Durch plasmagestützte Abscheidung von Kohlenstoff ist es auch möglich im Diamantgitter kristallisierte Kohlenstoffschichten mit einer dem Diamant entsprechenden Härte aufzubringen.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden dünne Hartstoffschichten mit einer hohen Härte abgeschieden. Dicke und Härte der Schicht richten sich nach dem Einsatzzweck. Im allgemeinen kann beispielsweise davon ausgegangen werden, daß die Hartstoffschicht nicht dicker sein sollte als das gröbste Schleifkorn oder Schleifkornagglomerat in dem behandelten Hon- oder Schleifkörper. Vornehmlich beträgt die Dicke der Hartstoffschicht beispielsweise 1 bis 8 µm.

Die Härten der aufgebrachten Hartstoffschichten sind dem Fachmann geläufig; im allgemeinen ist es bevorzugt Hartstoffschichten mit Mohshärten von über 7 aufzubringen.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es beispielsweise möglich Honsteine aus größeren Platten aus Honsteinmassen herzustellen, von denen eine der großen Flächen planiert und gereinigt ist. Diese Seite wird nun mit einer Hartstoffschicht gewünschter Dicke versehen. Diese Platte wird anschließend mit z. B. Diamanttrennscheiben zu Honsteinen gewünschter Größe aufgetrennt und die Flächen ohne Hartstoffbelag werden auf Maß gebracht. Beim Bestücken eines Honkopfes werden die Honsteine so angebracht, daß die mit einer Hartstoffschicht versehene Seite die Auflaufkante bildet.

Das Verfahren läßt sich aber auch bei verschiedenen Schleifkörperarten zur Flankenverstärkung anwenden. So können z. B. keramisch gebundene Schleifscheiben mit einer Hartstoffschicht versehen werden, um die Kantenverrundung zu unterdrücken. Eine solche Kantenverstärkung läßt sich z. B. durch Aufsputtern der Hartstoffschicht auf einfache Weise erreichen.

In gleicher Weise kann mit Trennscheiben verfahren werden, beispielsweise mit kunstharzgebundenen Trennscheiben, bei denen eine Kantenverrundung dazu führen kann, daß das zu trennende Material zu stark erwärmt wird. Wird ein metallisches Material getrennt, so kann dieses blau anlaufen. Insbesondere bei Edelstählen muß dieser sogenannte "blaue Schnitt" unbedingt vermieden werden. Im Falle von Trennscheiben werden diese beidseitig mit einer Hartstoffschicht versehen, die die Kantenverrundung der schleifenden Schicht vermeidet.

Im Falle von derartigen Trennscheiben, bei denen das Phänomen des "blauen Schnitts" vermieden werden soll, kann es günstig sein, auf die Hartstoff­ schichten mindestens eine weitere Schicht aufzutragen, bei der es sich um eine weichere, gut schmierende Schicht handelt, die die Reibung vermindert. Beispielsweise kann hochmolekulares Polyethylen aufgebracht, z. B. aufgesputtert werden.

Bei den Hon- und Schleifkörpern, auf deren Flanken erfindungsgemäß mindestens eine Hartstoffschicht aufgebracht wird, handelt es sich um übliche, dem Fachmann geläufige Hon- und Schleifkörper. Sie bestehen aus gebundenem Schleifkorn üblicher Korn- oder Agglomeratgrößen. Als Bindemittel können übliche organische oder anorganische (keramische) Bindemittel dienen.

Bei keramisch gebundenen Hon- und Schleifkörpern kann im allgemeinen die Hartstoffschicht bei höheren Temperaturen aufgebracht, beispielsweise gesputtert werden, als im Falle von kunstharzgebundenen Hon- und Schleifkörpern. Bei letzterem ist es bevorzugt bei niedrigen Temperaturen, beispielsweise durch Hochvakuum-Plasmasputtern, zu arbeiten.

Wie erwähnt, wurden Werkzeuge, wie Hartmetallschneidplatten für das Drehen und Fräsen, oder Bohrer, bereits mit Hartstoff beschichtet. Dies erfolgte zur Erzielung einer Standzeitverlängerung, wobei einzelne Schneiden oder bei Dreh- und Fräsplatten mehrere Schneiden, bei Gewindebohrern beispielsweise bis zu 100 Schneiden, beschichtet wurden. Im Gegensatz hierzu werden durch die vorliegende Erfindung Hon- und Schleifkörper behandelt, die keine definierte Schneidengeometrie und eine undefinierbare Anzahl von Schneiden aufweisen, die um mehrere Größenordnungen höher liegt als bei den bekannten Werkzeugen mit definierter Schneidengeometrie. Durch die Erfindung wird es möglich bei derartigen Hon- und Schleifkörpern eine Verbesserung des Arbeitsergebnisses in Bezug auf die Werkstückoberfläche zu erzielen.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung von Hon- und Schleifkörpern mit verbesserter Kantenstabilität, dadurch gekennzeichnet, daß man eine oder mehrere die Kanten der Schleiffläche von Hon- und Schleifkörpern aus gebundenem Schleifkorn begrenzenden Seitenflächen mit einer Hartstoffschicht versieht.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hartstoffschicht aus Oxiden, Nitriden, Carbiden und/oder Boriden und/oder aus Kohlenstoff mit Diamantstruktur durch chemische oder physikalische Abscheidungsverfahren aufgebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hartstoffschicht aus Oxiden, Nitriden, Carbiden und/oder Boriden von Aluminium, Bor, Silizium, Titan und/oder Wolfram aufgebracht wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffschicht durch Vakuumaufdampfen, Ionenplattieren, Kathodenzerstäubung, plasmaunterstützte Abscheidung oder Laser- Abscheidung aufgebracht wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hartstoffschicht plasmaunterstützt oder im Hochvakuum bei Temperaturen von Zimmertemperatur bis 100°C aufgebracht wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flanke oder mehrere Flanken eines Honkörpers mit einer Hartstoffschicht versehen werden.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Platten aus Honsteinmassen an einer Fläche mit einer Hartstoffschicht versehen werden, worauf aus diesen Platten Honkörper geschnitten werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Seitenflächen von Schleifkörpern in der Form von Trennscheiben mit Hartstoffschichten versehen werden, auf die gegebenenfalls jeweils eine weiche, die Reibung vermindernde Schicht aufgetragen wird.

9. Hon- und Schleifkörper aus gebundenem Schleifkorn, dadurch gekennzeichnet, daß sie an mindestens einer eine Kante der Schleiffläche begrenzenden Seitenfläche eine Hartstoffschicht aufweisen.

10. Hon- und Schleifkörper, erhalten nach dem Verfahren eines der Ansprüche 1 bis 8.

11. Verwendung der Honkörper nach Anspruch 9 oder 10 zum Honen von Metalloberflächen, unter Vermeidung der Blechmantelbildung.