DE69502217T2

DE69502217T2 - Schleifer mit poröser Metallbindung und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE69502217T2
Application number: DE69502217T
Authority: DE
Inventors: Koto Ishizaki; Yoshihito Kondo; Atushi Takada; Shin Yamamoto
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1994-02-19
Filing date: 1995-02-15
Publication date: 1998-08-13
Anticipated expiration: 2015-02-16
Also published as: DE69502217D1; EP0668126A2; US5637123A; EP0668126B1; EP0668126A3

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft einen porösen Metallbandschleifgegenstand oder -schleifstein, der zum Schleifen von verschiedenen Materialien verwendet wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung des Schleifgegenstands. Insbesondere besitzt der erfindungsgemäße poröse Schleifgegenstand eine erhöhte Okkupanzrate der Poren, so daß die Schleiffunktion durch die Schleifteilchen verstärkt wird und damit die Schleifgualität verbessert wird.
Der Schleifgegenstand wird dazu verwendet, verschiedene Arbeitsgegenstände zu schleifen. Der zum Schleifen verwendete Schleifgegenstand besteht aus Schleifteilchen und einem Bindemittel und er besitzt zahllose darin gebildete Poren. Die Schleifteilchen wirken als Kanten für das Schneiden oder Schleifen von verschiedenen Arbeitsstücken, und sie wirken auch als Träger, um die Schleifteilchen miteinander zu kombinieren. Weiterhin wirkt eine große Anzahl der kontinuierlichen Poren als Taschen für Späne, um die Späne auszutragen, die von den Schleifteilchen abgeschnitten worden sind.
In neuerer Zeit werden in verschiedenen Vorrichtungen oftmals Materialien, wie Keramiken, zementierter Carbid oder Hartmetalle oder Supergeschwindigkeitsstahl verwendet, die schwierig zu schleifen sind. Die Notwendigkeit, das Material dieses Typs zu schleifen, wird daher mehr und mehr gesteigert. Als Schleifgegenstand und als Schleifrad zum Schleifen der Materialien dieses Typs werden allmählich solche verwendet, in denen Superschleifteilchen, wie Diamantschleifteilchen oder Bornitridschleifteilchen vom kubischen Systein verwendet worden sind.
Als Schleifgegenstand, in dem derartige Superschleifteilchen verwendet werden, gibt es verschiedene Arten von Schleifgegenständen, wie vom Glasbindungssystem, Resinoid(Harz)bindungssystem, Metallbindungssystem, Silicatbindungssystem und Kautschukbindungssystem, entsprechend der Arten des Bindemittels. Diese Schleifgegenstände haben sowohl Vorteile als auch Nachteile, wobei Schleifgegenstände vom Metallbindungssystem unter Verwendung von Metallen und ihren Legierungen als Bindemittel hierfür, hauptsächlich im Hinblick auf ihre Festigkeit und die Lebenszeit eingesetzt werden.
Schleifgegenstände vom Metallbindungssystem werden in der Weise hergestellt, daß Metallpulver mit darauf gleichförmig aufgestreuten Schleifteilchen in eine Form zusammen mit einer Metallgrundlage eingegeben wird, und daß das Ganze Preß- und Sinterungs(oder Heißpreß-)prozessen unterworfen wird. Das Metallbindemittel, das in dem Metal lbindungsschleifmittel verwendet wird, verwendet beispielsweise das Cu-Sn-System, das Cu-Sn-Co-System, das Cu- Sn-Fe-Co-System, das Cu-Sn-Ni-System oder das Su-Sn-Fe-Ni- System oder irgendeines dieser Systeme mit einem Zusatz von Phosphor (P).
Der herkömmliche Metallbindungsschleifgegenstand hat eine extrem starke Kombinations- oder Bindungsfestigkeit der Schleifteilchen, im Vergleich zu dem Resionoidbindungsschleifgegenstand und dem Schleifgegenstand mit verglaster Bindung. Demgemäß kann der Metallbindungsschleifgegenstand in vorteilhafter Weise eine genügende Retentionskraft ausüben, die für ein starkes Schleifen mittels Superschleifteilchen erforderlich ist. Jedoch hat das Metallbindemittel keine genügend große Poren, daß die Austragung der von den Schleifteilchen abgeschliffenen Späne unterstützt wird. Somit sind die Entweichungsstellen, in die die Späne eintreten, auf kleine Spalten zwischen dem Metallbindungsschleifgegenstand und dem Bearbeitungsstück oder auf kleine Spalten, die durch Teile des Metallbindungsschleifgegenstands, von denen die Schleifteilchen wegfallen, begrenzt. Weiterhin hat der Metallbindungsschleifgegenstand eine zu starke Bindungskraft der Schleifteilchen, und es ist daher, wenn die Schleifteilchen abgenutzt sind, für die abgenutzten Teilchen schwierig, von dem Bindemittel abzufallen. Daher ist es auch schwierig, die Entweichungsstellen der Späne zu bilden, die von den abfallenden Schleifteilchen gebildet werden.
Wie oben zum Ausdruck gebracht wurde, ist bei den herkömmlichen Metallbindungsschleifgegenständen die Austragung der Späne verschlechtert, und es tritt leicht eine Beladung auf. Daher wird der Schleifwiderstand erhöht, und die Schleifqualität wird verschlechtert, so daß eine Erhöhung der erzeugten Wärme bewirkt wird. Weiterhin hat der Schleifgegenstand die Tendenz, die Oberfläche eines Werkstücks in nicht zufriedenstellender Weise fertig zu bearbeiten. Demgemäß ist es sehr schwierig, den Kontaktbereich des Schleifgegenstands mit dem Werkstück zu erhöhen, und das Schleifen mit höherer Leistung durchzuführen.
Weiterhin hat der herkömmliche Metallbindungsschleifgegenstand eine niedrige Sinterungstemperatur, und er kann daher bei niedriger Temperatur weich werden. Es besteht daher der Defekt, daß beim Schleifen eine auf die Schleifwärme zurückzuführende plastische Deformation auftritt, und daß auf der Oberfläche des Schleifgegenstands eine Beladung erfolgt.
Um die obigen Defekte zu überwinden, wird beispielsweise in der offengelegten Japanischen Patentanmeldung Nr. 59 (1984)-182064 ein kontinuierlicher poröser Metallbindungsschleifgegenstand beschrieben. Bei diesem Metallbindungsschleifgegenstand wird aber das Pulversinte rungsverfahren nicht angewendet. Insbesondere wird bei dem Herstellungsverfahren dieses Metallbindungsschleifgegenstands eine anorganische Verbindung, die durch ein Lösungsmittel aufgeschmolzen worden ist, gesintert, um in eine gewünschte Gestalt verformt zu werden. Danach werden Spalte oder Hohlräume des Sinterkörpers mit den Schleifteilchen gefüllt, und der Körper mit den mit den Schleifteilchen gefüllten Hohlräumen wird vorerhitzt. Dann wird geschmolzenes Metall oder geschmolzene Legierung in die Hohlräume des mit den Schleifteilchen gefüllten Sinterkörpers durch Pressen eingegeben. Anschließend erfolgt eine Verfestigung. Danach wird die anorganische Verbindung durch ein Lösungsmittel herausgelöst.
Weiterhin wird in der Japanischen Patentanmeldung Nr. 54(1979)-31727 ein Schleifgegenstand mit vielen Schichten von darauf gebildeten Metallüberzügen beschrieben. Dieser ist durch Heißpressen zu einer solchen Struktur wie mit einer verglasten Bindung versintert, und er weist Poren auf. Zusätzlich hierzu sind schon verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen worden, um eine Verminderung der Schleifqualität zu verhindern.
Weiterhin beschreibt die offengelegte Japanische Patentanmeldung Nr. 3(1991)-264263 einen unter Verwendung von Gußeisen hergestellten Schleifgegenstand zum Zwecke der Verhinderung der Beladung mit dem Schleifmittel. Der unter Verwendung von Gußeisen als Bindungsmittel hergestellte Schleifgegenstand hat in vorteilhafter Weise eine starke Festigkeit und eine hohe Starrheit, und er wird ohne das Auftreten einer plastischen Deformation auf die Art und Weise eine Sprödbruchs verschleißt, so daß eine Beladung schwierig auftritt. Jedoch ist die Festigkeit der Bindung dieses Schleifgegenstands zu groß, und demgemäß sind seine Zurichtungseigenschaften im Vergleich zu der Bindung des Kupfer systems verschlechtert.
Durch Bildung einer großen Anzahl von Poren innerhalb des Schleifgegenstands kann eine Schleifflüssigkeit in die Poren imprägnierend eingebracht werden, um das Abkühlungsverhalten des Schleifgegenstands zu erhöhen. In der Schleifoberfläche kann eine große Anzahl von Taschen für die Späne gebildet werden, um die Austragungseigenschaften der Späne zu verbessern. Weiterhin kann der Schleifwiderstand durch die Poren klein gemacht werden, um die Schleifqualität zu verbessern. Mit anderen Worten, es kann erwartet werden, daß weniger Wärme erzeugt wird, und daß die Oberfläche eines Werkstücks mit hoher Qualität fertiggestellt wird. Wenn aber eine große Anzahl von Poren in dem herkömmlichen Metallbindungsschleifgegenstand vom Kupfersystem gebildet wird, dann werden naturgemäß die Festigkeit und die Retentionskraft der Schleifteilchen vermindert, so daß kein ausreichendes Schleifverhalten erhalten werden kann.
Weiterhin wird einem Schleifgegenstand, bei dem Gußeisen ohne Poren als Bindemittel verwendet worden ist, Eisenpulver zu Gußeisenpulver wegen der Unterlegenheit der Sintereigenschaften des Gußeisenpulvers zugesetzt. Unter einer Last von 8000 kgf/cm² bis 1000 kgf/cm² wird verpreßt. Durch Zugabe des Eisenpulvers gehen die ursprünglichen Sprödbrucheigenschaften des Gußeisens verloren, und es kann sein, daß aufgrund der beim Schleifen auftretenden Wärme eine plastische Deformation in der gleichen Weise wie beim Kupferbindungssystem auftreten kann, so daß die Eigenschaften des Gußeisens nicht genügend herausgestellt wirken können.
Aufgabe der Erfindung ist es, die Erhöhung der Okkupanzrate der Poren in dem gesamten Schleifgegenstand zu ermöglichen.
Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, den Verschleiß des Schleifgegenstands zu vermindern und seine Schleifqualität zu verbessern.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Erfindungsgemäß wird ein poröser metallgebundener Schleifgegenstand, der aus einem gesinterten Gemisch aus Schleifteilchen und Metallpulver gebildet ist, bereitgestellt, wobei
(i) die Schleifteilchen Diamant oder Bornitrid vom kubischen System umfassen,
(ii) das Metallpulver Gußeisenpulver mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 bis 4,2 Gew.-% eines porösen Metallbindemittels, das aus dem Metallpulver durch Sintern gebildet worden ist, oder Eisenpulver mit Einschluß von Eisennitrid umfassen,
(iii) die Größe der Eisenpulverteilchen 0,01 bis 500 um ist,
(iv) die Schleifteuchen in der porösen Strukturphase gehalten werden, die durch das gesinterte Metallbindemittel gebildet worden ist, und
(v) die Porosität des gesamten Metallbindemittels 5 bis 60 Vol.-% des metallgebundenen Schleifgegenstandes beträgt.
Im allgemeinen dienen in einem Schleifgegenstand gebildete Poren dazu, die beim Schleifen gebildeten Späne temporär zu halten und die Späne leicht abzugeben, wenn der Schleifgegenstand von dem Werkstück abgetrennt wird. Durch Bildung der Poren wird die Beladung unterdrückt, und die Schleifgualität des Schleifgegenstands wird verbessert. Die Poren dienen auch dazu, eine große Menge der beim Schleifen erzeugten Schleifwärme abzustrahlen. Wenn das Verhindern eines Verbrennens aufgrund der Schleifwirkung ein Problem darstellt, dann wird ein Schleifgegenstand mit einer großen Okkupanzrate der Poren gewünscht, und oftmals wird erforderlichenfalls ein Schleifgegenstand verwendet, der absichtlich gebildete Poren mit großem Durchmesser hat.
Erfindungsgemäß wird eine große Anzahl von Poren in einer sogenannten Metallbindung vom Matrixtyp, die die Schleifteilchen in dem metallgebundenen Schleifgegenstand umgibt, um die mechanischen Eigenschaften des Bindemittelteils (Metallbindemittel) und/oder die Retentionskraft der Schleifteilchen zu verbessern, gebildet. Weiterhin werden die mechanischen Eigenschaften des Bindemittels und/oder die Retentionskraft der Schleifteilchen erforderlichenfalls selbst durch die interstitielle. Festlösungsreaktion des Bindemittels verbessert.
Insbesondere umfaßt der poröse metallgebundene Schleifgegenstand Schleifteilchen, bestehend aus Superschleifteilchen und ein Bindemittel, bestehend aus einem Metallpulver. Die Superschleifteilchen werden von dem Bindemittelteil gehalten, der die durch Sintern des Pulves gebildete poröse Strukturphase darstellt.
Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung des metallgebundenen Schleifgegenstands. Dieses Verfahren umfaßt die folgenden Stufen:
(i) Vermischen der Schleifteilchen, umfassend Diamant oder Bornitrid vom kubischen System, mit dem Metallpulver, das Gußeisenpulver mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 bis 4,2 Gew.-% oder Eisenpulver mit Einschluß von Eisennitrid umfaßt, wobei die Eisenpulverteuchen eine Größe von 0,01 bis 500 um haben,
(ii) Formen des in obiger Stufe (i) erhaltenen Gemisches und Verformen des geformten Gemisches zu vorbestimmter Gestalt, und
(iii) Erhitzen und Sintern des geformten Gemisches, um den porösen, metallgebundenen Schleifgegenstand zu bilden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Die Figur 1 zeigt schematisch Diamantschleifteilchen und Gußeisenpulver eines erfindungsgemäßen porösen gußeisengebundenen Diamantschleifwerkzeugs. Die beiden Bestandteile sind miteinander durch Umsetzung verbunden worden;
die Figur 2 ist eine Mikrophotographie, die Diamantschleifteilchen und ein Gußeisenbindemittel zeigt, die miteinander verbunden worden sind. In diesem Falle ist die Kohlenstoffmenge in dem Gußeisenpulver 3,5 % und der Durchmesser der Teilchen davon ist 20 um;
die Figur 3 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Schleifdruck und der Entfernungsgeschwindigkeit des Schleifwerkzeugs gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt; und
die Figur 4 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Schleifzeit und der entfernten Menge des Schleifgegenstands gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Erfindungsgemäß werden Diamantschleifteilchen und Bornitridschleifteilchen vom kubischen System als Schleifteilchen verwendet. Eisenpulver, das dazu imstande ist, eine interstitielle Festlösungsreaktion zu bewirken, wird als Bindemittel eingesetzt.
Die Metallbindung ist dahingehend charakterisiert, daß die Beibehaltungskraft der Schleifteilchen erhöht worden ist, da die Bindungsfestigkeit der Bindung extrem groß ist. Poren, die eine Reduktion der Retentionskraft der Schleifteilchen mit sich bringen, werden bislang nicht absichtlich in dem Metallbindemittel gebildet. Erfindungsgemäß kann durch positive Bildung von Poren in dem Metallbindemittel die Bindungsfestigkeit des metallischen Bindemittels kontrolliert werden, und das Metallbindungsmittel kann in richtiger Weise beim Schleifprozess ohne Widerstand abgerieben werden.
Wenn die Okkupanzrate der Poren in dem Bindemittel zu gering ist, dann wird die Retentionskraft der Beibehaltung der Schleifteilchen zu stark, so daß die von dem Schleifvorgang abgeschliffenen Schleifteilchen nicht herabfallen und, so wie sie sind, zurückbleiben, um hierdurch die Schleifkraft des Schleifwerkzeugs zu vermindern. Wenn andererseits die Okkupanzrate der Poren in dem Bindemittel zu groß ist, dann wird die Retentionskraft der Beibehaltung der Schleifteilchen zu schwach, so daß die Schleifteilchen die Tendenz haben, von dem Bindemittelmetall abzufallen. Daher wird der Verschleiß des gesamten Schleifwerkzeugs erhöht und die Lebensdauer des Schleifwerkzeugs wird verkürzt.
Erfindungsgemäß werden die mechanischen Eigenschaften des Bindemittelteils und/oder die Retentionskraft der Schleifteilchen durch Einstellung der Okkupanzrate der Poren und/oder des Konzentrationsgradienten des interstitiellen Festlösungselements eingestellt. Die Okkupanzrate der Poren und/oder der Konzentrationsgradient des interstitiellen Festlösungselements wird durch den Durchmesser der Teilchen, die das Metall bilden, die Verformungsbedingungen und/oder die Sinterungsbedingungen des Schleifgegenstands sowie die Menge von Kohlenstoff und Stickstoff des Bindemittels eingestellt.
Weiterhin werden erfindungsgemäß Schleifteilchen aus Diamant mit dem Eisenmetall chemisch und physikalisch kombiniert, und die Retentionskraft der Schleifteilchen wird so kontrolliert, daß die Schleifteilchen nicht abfallen, bis die Teilchen verschleißt sind. Unter chemischer Kombination wird verstanden, daß die Kohlenstoffkomponente von Diamant, der die Schleifteilchen bildet, sich mit dem Eisenmetall umsetzt.
Die Okkupanzrate der Poren des Schleifwerkzeugs mit verglastem Bindemittel ist am größten und beträgt, ausgenommen irgendeinem speziellen Fall, maximal etwa 50%. Meistens liegen die derzeit benutzten Okkupanzraten im Bereich von etwa 35 bis 45%. Wenn die Okkupanzrate der Poren auf etwa 50% erhöht wird, dann wird die Festigkeit des Schleifwerkzeugs erheblich verringert, und es besteht die Möglichkeit, daß das Schleifwerkzeug bricht.
Man nimmt aber an, daß es, um das Verhalten der Superschleifteilchen, die ein starkes Schleifen bewirken können, und zur wirksamen Verwertung des teuren Schleifwerkzeugs vorzuziehen ist, daß der Gehalt an Schleifteilchen dem Grunde nach vermindert wird, und daß ein Metallbindemittel mit starker Retentionskraft für die Schleifteilchen als Bindemittel verwendet wird, und daß es erwünscht ist, daß die Okkupanzrate der Poren erhöht wird.
Bisher ist das Gußeisen in dem Schleifwerkzeug, in dem ein Gußeisenbindemittel verwendet wird, durch eine hohe Festigkeit sowie den Sprödbruch charakterisiert. Das Eisen wird mit dem Kohlenstoff vermischt, um eine feste Lösung zu bilden, wodurch Sprödbruch gebildet wird. Bei dem Kupfermetallbindemittel ist die Oberfläche des Schleifmittels mit der Bindemittelkomponente bedeckt, was auf einen Verschleiß der plastischen Deformation zurückzuführen ist, während das Gußeisenbindemittel die Beladung durch den Sprödbruch bzw. die brüchige Fraktion verhindern kann. Um den Vorteil zu verwerten, daß die Beladung schwierig stattfinden kann, ist es erforderlich, daß der Defekt überwunden wird, daß die Kraft zu stark ist, indem die Festigkeit eingestellt wird.
Erfindungsgemäß wird die Okkupanzrate der Poren in dem gesamten Schleifgegenstand auf 5 bis 60% und vorzugsweise 5 bis 45% eingestellt. In dem erfindungsgemäßen porösen metallgebundenen Schleifgegenstand entspricht die Okkupanzrate der Poren des gesamten Schleifgegenstands der Okkupanzrate der Poren in dem Bindemittel. Die Okkupanzrate der Poren wird entsprechend dem Durchmesser der Teilchen, die das Metallpulver bilden, der Formungsbedingungen des Schleifgegenstands und/oder der Sinterbedingungen des Schleifgegenstands eingestellt.
Das Bindemittel selbst des herkömmlichen gußeisengebundenen Diamantschleifgegenstands weist fast keine Poren auf, und es ist erforderlich, durch Zwischenlegung von Schleifteilchen oder durch die Zusetzung eines Mittels, das Poren ergibt, Spalten oder Hohlräume zu bilden. Demgegenüber ist die Erfindung dahingehend charakterisiert, daß das Metallbindemittel selbst eine große Anzahl von Poren enthält.
Wenn daher die Okkupanzrate der Poren des gesamten Schleifgegenstands gemäß der Erfindung kleiner als 5% ist, dann wird die Festigkeit des Bindemittels selbst erheblich erhöht, und die Verschleißeigenschaften des Bindemittels, d.h. der Sprödbruch bzw. die brüchige Fraktion, können nicht genügend gezeigt werden. Demgemäß wird die Untergrenze der Okkupanzrate der Poren auf 5% festgesetzt. Wenn weiterhin die Okkupanzrate der Poren zu groß ist, dann wird die Festigkeit des Schleifgegenstands vermindert, und der Schleifgegenstand wird möglicherweise zerstört. Daher wird die Okkupanzrate der Poren auf 60% oder weniger, vorzugsweise 45% oder weniger festgesetzt.
Erfindungsgemäß werden die Schleifteilchen durch die poröse Phase mit niedrigerer Sinterungsdichte der Teilchen des Bindemittels gehalten. Die Okkupanzrate der Poren wird durch den Durchmesser der Teilchen, die das Metallpulver bilden, der Formungsbedingungen des Schleifgegenstands und der Sinterungsbedingungen des Schleifgegenstands eingestellt. D.h. zur Kontrolle der mechanischen Festigkeit des metallischen Bindemittels und der Retentionskraft der Schleifmittelteilchen werden der Durchmesser der Teilchen, die das Metallpulver bilden, die Formungsbedingungen des Schleifgegenstands und die Sinterungsbedingungen des Schleifgegenstands eingestellt.
Weiterhin kann erfindungsgemäß zusätzlich zu der Einstellung der Okkupanzrate der Poren der Konzentrationsgradient des interstitiellen Festlösungselements eingestellt werden, um die mechanische Festigkeit des Metallbindemittels und die Retentionskraft für die Schleifteilchen zu kontrollieren. Demgemäß beinhaltet die vorliegende Erfindung den Aspekt, daß die Schleifteilchen porös sind, und daß die Schleifteilchen durch die Phase zurückgehalten oder gehalten werden, die durch die interstitielle feste Lösung bei dem Bindemittel gebildet wird. Die Reaktion des Legierungspulvers, das eine Festlösungsreaktion gegenüber Kohlenstoff, Stickstoff und/oder Silicium bewirken kann, wird durch den Durchmesser der Teilchen des Kohlenstoffs, den Stickstoff und/oder das Silicium und das Legierungspulver eingestellt. Diese Einstellung erfolgt, um die mechanische Festigkeit des Metallbindemittels, um die Retentionskraft der Schleifteilchen zu kontrollieren.
Wenn Superschleifteilchen mit dem Bindemittelpulver, beispielsweise Gußeisenpulver, das gesintert werden soll, vermischt werden, und die Sinterungstemperatur erreicht ist, dann beginnt die Oberfläche des Eisenpulvers teilweise zu schmelzen, und das Sintern beginnt. Zu diesem Zeitpunkt, wenn die Menge von Kohlenstoff, Stickstoff und/oder Silicium in dem Eisen nicht den zulässigen Bereich erreicht, dann kann eine Umsetzung (Diffusionsbindung) mit dem angrenzenden Kohlenstoff erfolgen. Der Konzentrationsgradient tritt bei dem Bindemittel aufgrund einer Bewegung des Materials durch Diffusion beim Sintern auf. Demgemäß wird die interstitielle Festlösungsreaktion auch durch die Sinterungsdichte beeinflußt. Wie oben beschrieben, tritt, wenn Diamant als Schleifteilchen verwendet wird, die interstitielle Festlösungsreaktion in der Oberfläche des Bindemittels und der Schleifteilchen je nach den Bedingungen auf.
Im allgemeinen enthält Eisen verschiedene Materialien von reinem Eisen ohne Kohle, Kohlenstoffstahl mit einem geringen Kohlenstoffgehalt bis Gußeisen, das 1,7 % oder mehr Kohlenstoff enthält. Erfindungsgemäß wird, da die Kohlenstoffkomponente des Diamants, der ein Beispiel für die Schleifteilchen ist, mit Eisen umgesetzt, um die Bindungsfestigkeit zu verbessern, das Eisenmetallpulver durch Gußeisen mit einem Kohlenstoffgehalt von 1-4,2 % repräsentiert.
Im Falle des Mischpulvers aus Eisen und Kohlenstoff können sich Eisen und der Diamant oder Eisen und Kohlenstoff miteinander beim Sintern des erfindungsgemäßen Schleifgegenstands umsetzen, und sie können eine Eisenbindung bilden, die einen Sprödbruch zeigt, wie Gußeisen, abhängig von einer Reaktionsmenge von Kohlenstoff und Eisen.
Wenn Diamant mit Eisenpulver zum Versintern vermischt wird, und die Sinterungstemperatur erreicht wird, beginnt die Oberfläche des Eisenpulvers teilweise aufzuschmelzen, und das Sintern beginnt. Wenn zu diesem Zeitpunkt die Menge an Kohlenstoff in dem Eisen den zulässigen Bereich nicht erreicht hat, dann kann eine Umsetzung (Diffusionsbindung) mit dem angrenzenden Kohlenstoff erfolgen.
Wenn die Sinterungstemperatur nicht erreicht wird, dann ist der Kohlenstoffkonzentrationsgradient des Diamants und des Eisenpulvers unbegrenzt. Der Konzentrationsgradient tritt in dem Diamant und dem Eisen aufgrund einer Materialbewegung durch Diffusion beim Sintern auf. Insbesondere, wenn der Kohlenstoffgehalt in dem Eisen klein ist, dann ist der Konzentrationsgradient groß, und mehr Kohlenstoff kann sich mit dem Eisen umsetzen. Wenn die Reaktion zu einem Überschuß weitergeführt wird, dann werden die Schleifteilchen zerstört, und es ist daher erforderlich, die Sinterungsbedingungen so auszuwählen, daß die Reaktion in der Oberfläche erfolgt.
Nunmehr wird der erfindungsgemäße Schleifgegenstand beschrieben, wobei ein poröser gußeisengebundener Diamantschleifgegenstand unter Verwendung von Diamant als Superschleifteilchen und Gußeisen als Bindemittel beispielsweise in Betracht gezogen wird.
Erfindungsgemäß werden, um zu bewirken, daß der poröse gußeisengebundene Diamantschleifgegenstand die gleiche Festigkeit und Retentionskraft der Schleifteilchen wie ein kupfermetallgebundener Schleifgegenstand hat, die Menge von Kohlenstoff in dem Gußeisenpulver und der Durchmesser der Teilchen, die das Gußeisenpulver bilden, eingestellt. Die Festigkeit des Gußeisenbindemittels selbst kann durch die Kohlenstoffmenge und den Durchmesser des Gußeisenpulvers kontrolliert werden. Weiterhin werden das Gußeisenpulver und der Diamant, wie in Figur 1 gezeigt, miteinander zu einer Verbindung umgesetzt. Die Verbindungsfestigkeit kann gleichfalls durch die Kohlenstoffmenge und den Durchmesser des Gußeisenpulvers kontrolliert werden.
Nachstehend wird ein Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen porösen metallgebundenen Schleifgegenstands beschrieben.
Bei dem Herstellungsverfahren für den erfindungsgemäßen porösen metallgebundenen Schleifgegenstand werden die Schleifteilchen mit dem das Bindemittel bildenden Metallpulver vermischt und zu einer speziellen Gestalt mit spezieller Größe verformt&sub5; Danach wird erhitzt und gesintert, wodurch der poröse metallgebundene Schleifgegenstand hergestellt wird. Zu diesem Zeitpunkt werden die mechanischen Eigenschaften des Bindemittelteils und die Retentionskraft der Schleifteilchen durch die Okkupanzrate der Poren kontrolliert. Zusätzlich zu der Okkupanzrate der Poren werden die mechanischen Eigenschaften des Bindemittelteils und die Retentionskraft der Schleifteuchen kontrolliert, indem der Konzentrationsgradient des interstitiellen Festlösungselements verwertet wird.
Die Einstellung der Okkupanzrate der Poren und/oder die Verwertung des Konzentrationsgradienten des interstitiellen Festlösungselements zur Kontrolle der mechanischen Eigenschaften des Bindemittelteils und der Retentionskraft der Schleifteilchen erfolgt durch Veränderung des Durchmessers der Teilchen, die das Metallpulver des Bindemittels bilden, der Formungsbedingungen des Schleifgegenstands und der Sinterungsbedingungen des Schleifgegenstands. Die Sinterungstemperatur liegt im Temperaturbereich von 0,8 Tm bis Tm (wobei Tm der Schmelzpunkt des Bindemittels oder die eine flüssige Phase erzeugende Temperatur K ist). Die Sinterungstemperatur variiert je nach der Art des Metalls, der Teilchengröße seines Pulvers und dergleichen. Da die aus Diamant bestehenden Schleifteilchen bei etwa 1100 bis 1200ºC selbst im Vakuum und in einer inerten Atmosphäre carbonisiert werden, wird eine Temperatur, die niedriger als diese Temperatur ist, als Sintertemperatur angewendet.
Nachstehend wird ein Herstellungsverfahren des erfindungsgemäßen Schleifgegenstands beschrieben, wobei ein Herstellungsverfahren für einen porösen gußeisengebundenen Diamantschleifgegenstand beispielsweise in Betracht gezogen wird.
Der poröse gebundene Schleifgegenstand wird dadurch hergestellt, daß Diamant, der die Schleifteilchen darstellt, mit Gußeisenpulver, das das Bindemittel darstellt, vermischt wird, um es zu einer vorbestimmten Gestalt mit vorbestimmter Größe zu verformen. Danach wird erhitzt und gesintert bei 900 bis 1150ºC.
Ein Produkt, das in die Form des Schleifgegenstands verformt worden ist, wird durch das Sinterungsverfahren gesintert. Der Sinterungsprozess erfolgt bei normalem Druck und die Sinterungstemperatur wird auf höher als mindestens 900ºC eingestellt. Die Sinterungstemperatur wird unter Berücksichtigung der thermischen Zersetzung in dem Falle, daß Diamantteilchen als Schleifteilchen verwendet werden, und unter Berücksichtigung der Tatsache festgelegt, daß wenn die Sinterungstemperatur hoch ist, das Sintern voranschreitet, und daß die gewünschte Okkupanzrate der Poren von 5 bis 60% in dem gesamten Schleifgegenstand nicht erhalten wird. Die zweckmäßige Sinterungstemperatur wird als im Bereich von 900 bis 1150ºC liegend angesehen. Weiterhin wird die Sinterungstemperatur je nach der Kohlenstoffmenge in dem Gußeisen und der Teilchengröße des Pulvers verändert.
Die Kontrolle der mechanischen Eigenschaften des Bindemittelteils und der Retentionskraft der Schleifteuchen erfolgt, indem die mittlere Teilchengröße des Gußeisenpulvers in dem Bereich von 0,01 bis 500 um eingestellt wird, und/oder die Kohlenstoffmenge in dem Gußeisenpulver auf 1 bis 4,2 % eingestellt wird. Die bevorzugte mittlere Teilchengröße des Gußeisens liegt im Bereich von 5 bis 80 um und sein maximaler Durchmesser ist vorzugsweise 500 um oder weniger.
Da die Retentionskraft zur Beibehaltung der Schleifteil chen zu stark ist, wenn die Okkupanzrate der Poren zu stark vermindert wird, werden Schleifteilchen, die beim Schneiden verschlissen worden sind, oder Teile des Schleifmittels zurückgelassen, ohne daß sie von dem Bindemittelmetall abfallen. Als Ergebnis wird die Schleiffähigkeit des Schleifwerkzeugs verschlechtert.
Da weiterhin die Retentionskraft für die Beibehaltung der Schleifteilchen zu schwach ist, wenn die Okkupanzrate der Poren zu stark erhöht wird, fallen viele Schleifteilchen von dem Bindemittelmetall ab, so daß der Verschleiß des Schleifwerkzeugs erhöht wird und die Lebensdauer des Schleifwerkzeugs verkürzt wird.
Durch Einstellung der mittleren Teilchengröße und des Kohlenstoffgehalts der Gußeisenteilchen in dem obigen Bereich, können der Diamant und das Gußeisen in fester Phase diffundieren, und die Retentionskraft der Schleifteilchen kann verbessert werden. Gußeisen hat die Funktion, die Schleifteilchen zu halten, und demgemäß ist es zweckmäßig, daß Schleifteilchen mit einem kleinen Durchmesser vorliegen, so daß die Kontaktfläche mit den Schleifteilchen erhöht wird.
Der erfindungsgemäße poröse gußeisengebundene Diamantschleifgegenstand wird in der Weise hergestellt, daß Gußeisenpulver mit Diamantschleifteilchen gleichförmig vermischt wird, und daß das Gemisch in eine Presse zusammen mit einer Metallgrundlage, wie üblich, gegeben wird, um es unter Druck in der gleichen Weise wie im Falle eines normalen Schleifgegenstands zu verformen. Der so gesinterte Schleifgegenstand wird mit einem becherförmigen Schleifgegenstand vom 6A2-Typ mit einem Schleifdurchmesser von 100 mm verbunden und durch eine bei konstantem Druck erfolgende Schleifuntersuchung bewertet. Die Überlegenheit des erfindungsgemäßen porösen Gußeisen-gebundenen Schleifgegenstands ist gegenüber dem üblichen Gußeisen-gebundenen, dem verglasten Schleifgegenstand und dem Resinoidschleifgegenstand bestätigt worden.
Bei der Herstellung des Schleifgegenstands wird handelsübliches Gußeisen verwendet. Da der mittlere Durchmesser der Teilchen des Gußeisenpulvers 100 um oder mehr beträgt, und die Verteilung der Teilchengröße breit ist, ist es schwierig, selbst bei Erhöhung der Temperatur auf den Schmelzpunkt des Gußeisens zu sintern. Demgemäß werden durch Kontrolle des Kohlenstoffgehalts und des Teilchendurchmessers des Gußeisenpulvers, der Sinterungsbedingungen, die mechanische Festigkeit und die Okkupanzrate der Poren des Gußeisenpulvers eingestellt.
Um den Einfluß des Kohlenstoffgehalts zu bestimmen, wird handelsübliches Gußeisenpulver von drei Arten mit 3,0%, 3,5 % und 4,0 % Kohlenstoff, das durch ein Sieb mit 38 um oder weniger hindurchgeht, verwendet. Um den Einfluß des Teilchendurchmessers zu untersuchen, wird Gußeisenpulver mit einem Kohlenstoffgehalt von 3,5 durch ein Sieb geleitet, um es zu 20 um oder weniger, 20 bis 32 um, 38 bis 45 um und 45 bis 75 um zu klassieren.
Jedes Gußeisenpulver und Diamantschleifteilchen mit einer Maschengröße von 100/200 werden miteinander so vermischt, daß sie einen Konvergenzgrad von 125 haben. In einer Argonatmosphäre wird bei einer Temperatur von 1120ºC gesintert.
Weiterhin wurde der auf die obige Weise hergestellte Schleifgegenstand einer bei konstantem Druck erfolgenden Schleifuntersuchung unterworfen. Die Umfangsgeschwindigkeit des Schleifgegenstands betrug 100 m/min. Als zu schleifendes Material wurde eine Aluminiumkeramik verwendet.
Die Tabelle 1 (physikalische Eigenschaften und Schleifeigenschaften des versuchsweise hergestellten Schleifgegenstands) zeigt die Werte der physikalischen Eigenschaften und die Schleifergebnisse des gesinterten porösen gebundenen Diamantschleifgegenstands&sub5; TABELLE 1
Aus TABELLE 1 wird ersichtlich, daß die Biegefestigkeit und der Young Modul erhöht werden, und daß die Festigkeit erhöht wird, wenn der Teilchendurchmesser des Gußeisenpulvers kleiner ist. Wenn der Kohlenstoffgehalt des Gußeisenpulvers 3,5% beträgt, dann zeigen die Biegefestigkeit und der Young Modul ihre maximalen Werte an. Weiterhin, was die Schleifleistung betrifft, so wird die Schleifenergie (zur Entfernung des zu schleifenden Materials erforderliche Energie) vermindert, wenn der Teilchendurchmesser des Gußeisenpulvers geringer ist, und das zu schleifende Material kann mit der etwa halben Energie entfernt werden. Das Schleifverhältnis zeigt das gleiche Ergebnis an wie die Schleifenergie
Die Figur 2 zeigt eine Mikrophotographie im Falle, daß der Kohlenstoffgehalt 3,5 % und der Teilchendurchmesser des Gußeisenpulvers 20 um ist. Es kann bestätigt werden, daß eine Verbindung zwischen den Gußeisenteilchen und den Diamantteilchen und dem Gußeisenbindemittel durch eine chemische Reaktion erfolgt ist. Der Kohlenstoff in der Oberfläche des Diamanten wird zusammen mit dem Gußeisen zu einer festen Lösung verformt, wodurch die Bindefestigkeit gesteigert wird. Die Neigung hierzu wird in dem Maße erhöht, wie der Teilchendurchmesser kleiner ist. Da die Kontaktpunkte erhöht werden, werden die Biegefestigkeit und der Young Modul erhöht. Weil die Retentionskraft der Diamantschleifteilchen beim Schleifen erhöht wird, fallen die Schleifteilchen nicht ab, und weil das zu schleifende Material entfernt wird, wird die Schleifenergie vermindert, und das Schleifverhältnis wird erhöht.
Wie oben beschrieben, können die physikalischen Eigenschaften oder die Schleifeigenschaften des porösen Gußeisendiamantschleifgegenstands gemäß dem Teilchendurchmesser und dem Kohlenstoffgehalt des Gußeisenpulvers kontrolliert werden.
Einzelheiten der Erfindung werden im Zusammenhang mit den Beispielen beschrieben. Die Erfindung wird nicht durch diese Beispiele beschränkt.

Beispiel 1:

Diamantschleifteilchen mit 120 Mesch und Gußeisenpulver mit einem Kohlenstoffgehalt von 3,5 % und einem mittleren Teilchendurchmesser von 20 um wurden unter einer Argongasatmosphäre bei einer Temperatur von 1120ºC gesintert, wodurch ein poröser gußeisengebundener Diamantschleifgegenstand erhalten wurde.
Der poröse gußeisengebundene Diamantschleifgegenstand wurde mit einem handelsüblichen verglasten Schleifgegenstand, einem Resinoidschleifgegenstand und einem gußeisengebundenen Schleifgegenstand ohne Poren verglichen.
Die Gestalt der jeweiligen Schleifgegenstände ist ein becherförmiger Schleifgegenstand vom 6A2-Typ mit einem Durchmesser von 100 mm. Der Konvergenzgrad ist auf 125 vereinheitlicht. Es erfolgte eine Schleifuntersuchung bei konstantem Druck bei einer Umfangsgeschwindigkeit des Schleifgegenstands von 1100 m/min, wobei Aluminiumoxid als zu schleifendes Material verwendet wurde.
Die Ergebnisse sind in Figur 3 dargestellt (Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Schleifdruck und der Entfernungsgeschwindigkeit zeigt).
Bei beliebigen Schleifgegenständen nimmt die Entfernungsgeschwindigkeit in dem Maß zu, wie der Schleifdruck erhöht wird. Der poröse gußeisengebundene Schleifgegenstand zeigte ein etwa doppeltes Schleifleistung im Vergleich zu einem handelsüblichen verglasten Schleifgegenstand, von dem es heißt, daß seine Schleifgualität ausgezeichnet ist. Weiterhin zeigte das Schleifverhältnis die doppelte Leistung im Vergleich zu dem anderen Bindemittel.

Beispiel 2:

Der in Beispiel 1 hergestellte Schleifgegenstand wurde dazu verwendet, um einen Schleifversuch mit Siliciumnitrid bei den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 auszuführen.
Die Ergebnisse in sind in Figur 4 gezeigt (Diagramm, das die Beziehung zwischen der Schleifzeit und der Entfernungsmenge durch das Schleifen zeigt).
Im Falle des handelsüblichen Schleifgegenstands mit verglastem Bindemittel und des handelsüblichen Resinoidbindemittelschleifgegenstands wurde die Entfernungsmenge durch das Schleifen proportional bis 30 Sekunden nach dem Schleifbeginn erhöht. Danach wurde der Schleifgegenstand beladen, so daß die Entfernungsmenge nicht erhöht wurde. Im Falle des erfindungsgemäßen porösen gußeisengebundenen Schleifgegenstands wurde die Entfernungsmenge durch das Schleifen proportional zu der Zeit von eben nach dem Beginn des Schleifens bis zum Beendigen der Untersuchung erhöht. Da das poröse Gußeisenbindemittel ausgezeichnete Brucheigenschaften hat, wird angenommen, daß die Schneidkanten des Diamants aufrechterhalten werden, und daß die Schleifkraft beibehalten wird.
Wie oben beschrieben, kann erfindungsgemäß ein poröser metallgebundener Schleifgegenstand mit gewünschter Festigkeit und Okkupanzrate der Poren erhalten werden. Es kann ein poröser metallgebundener Schleifgegenstand erhalten werden, der dazu imstande ist, das Schleifen kontinuierlich über eine lange Zeit ohne Laden durchzuführen. Es kann ein Schleifgegenstand mit einer ausgezeichneten Schleifqualität im Vergleich zu einem Schleifgegenstand mit verglastem Bindemittel erhalten werden, der einen geringeren Verschleiß zeigt, als ein Resinoidbindemittelschleifgegenstand. Der erfindungsgemäße Schleifgegenstand kann in zufriedenstellender Weise für eine Allzweckschleifmaschine verwendet werden, und er hat ausgezeichnete Konditionierungseigenschaften. Demgemäß kann das Konditionieren der Maschine in der gleichen Weise wie im Falle eines verglasten Bindemittels und eines Resinoidbindemittels durchgeführt werden. Da das Schleifverhältnis groß ist, können die Schleifkosten stark verbessert werden.

Claims

1. Poröser, metallgebundener Schleifgegenstand, der aus einem gesinterten Gemisch aus Schleifteilchen und Metallpulver gebildet ist, wobei

(i) die Schleifteilchen Diamant oder Bornitrid vom kubischen System umfassen,

(ii) das Metallpulver Gußeisenpulver mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 bis 4,2 Gew.-% eines porösen Metallbindemittels, das aus dem Metallpulver durch Sintern gebildet worden ist, oder Eisenpulver mit Einschluß von Eisennitrid umfaßt,

(iii) die Größe der Eisenpulverteilchen 0,01 bis 500 um ist,

(iv) die Schleifteilchen in der porösen Strukturphase gehalten werden, die durch das gesinterte Metallbindemittel gebildet worden ist, und

(v) die Porosität des gesamten Metallbindemittels 5 bis 60 Vol.-% des porösen, metallgebundenen Schleifgegenstandes beträgt.

2. Verfahren zur Herstellung des porösen, metallgebundenen Schleifgegenstandes nach Anspruch 1, umfassend die folgenden Stufen:

(1) Vermischen der Schleifteilchen, umfassend Diamant oder Bornitrid vom kubischen System, mit dem Metallpulver, das Gußeisenpulver mit einem Kohlenstoffgehalt von 1 bis 4,2 Gew.-% oder Eisenpulver mit Einschluß von Eisennitrid umfaßt, wobei die Eisenpulverteuchen eine Größe von 0,01 bis 500 um haben,

(ii) Formen des in obiger Stufe (i) erhaltenen Gemisches und Verformen des geformten Gemisches zu vorbestimmter Gestalt, und

(iii) Erhitzen und Sintern des geformten Gemisches, um den porösen, an Metall gebundenen Schleifgegenstand zu bilden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stufe (iii) bei einer Temperatur von 900 bis 1150ºC durchgeführt wird.