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Title:
ABRASIVE TOOL
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2000/007773
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to an abrasive tool comprising a support body and at least one abrasive element connected thereto. Said abrasive element has an abrasive grain which is joined by a sintered metal. The sintered metal used for joining is copper-coated iron and is alloyed with metal borides, metal carbides and/or metal silicides and also with tin.

Inventors:
STRELSKY WOLFGANG (AT)
Application Number:
PCT/AT1999/000194
Publication Date:
February 17, 2000
Filing Date:
August 03, 1999
Export Citation:
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Assignee:
SWAROVSKI TYROLIT SCHLEIF (AT)
STRELSKY WOLFGANG (AT)
International Classes:
B24D3/06; (IPC1-7): B24D3/06
Domestic Patent References:
WO1997006339A11997-02-20
WO1998025721A11998-06-18
Foreign References:
US3372010A1968-03-05
US4505746A1985-03-19
EP0629472A11994-12-21
US2238351A1941-04-15
GB2220420A1990-01-10
GB2216543A1989-10-11
US3841852A1974-10-15
US3999962A1976-12-28
Other References:
DATABASE WPI Week 7702, Derwent World Patents Index; AN 1977-02770Y, XP002122997
PATENT ABSTRACTS OF JAPAN vol. 007, no. 092 (M - 208) 16 April 1983 (1983-04-16)
DATABASE WPI Week 8236, Derwent World Patents Index; AN 1982-75992E, XP002122998
Attorney, Agent or Firm:
Torggler, Paul (Innsbruck, AT)
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Claims:
Patentansprüche
1. Abrasivwerkzeug mit einem Trägerkörper und mindestens einem damit ver bundenen Abrasivelement mit sintermetallisch gebundenem Schleifkorn, dadurch gekennzeichnet, daß die Sintermetallbindung aus mit Kupfer beschichtetem Eisenpulver hergestellt ist und mit Metallborid, Metallcarbid und/oder Metallsilizid als meallischen Hartstoffen sowie auch mit Zinn legiert ist, wobei mindestens zwei der genannten metallischen Hartstoffe jeweils bevorzugt in einer Menge von 0, 5 Gewichtsprozent bis 10 Gewichtsprozent bezogen auf die gesamte Sintermetallbindung vorhanden sind, und wobei die Menge an Zinn mindestens 0, 2 Gewichtsprozent ebenfalls bezogen auf die gesamte Sintermetailbindung beträgt.
2. Abrasivwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Me tallboride Boride der Metalle aus der Gruppe Chrom, Mo ! ybdän, Silizium, Tantal, Titan, Wolfram und Zirkonium sind.
3. Abrasivwerkzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallborid Chromborid (CrB) ist.
4. Abrasivwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich net, das die Korngröße des verwendeten Metallboridpulvers 2 bis 20 um, bevorzugt 4 bis 10 um beträgt.
5. Abrasivwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß die Menge der Metallboride an der Sintermetallbindung 0, 25 bis 12, bevorzugt 3 bis 8 Gewichtsprozent beträgt.
6. Abrasivwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich net, daß die Metallcarbide Carbide der Metalle aus der Gruppe Chrom, Molybdän, Titan, Vanadium und Wolfram sind, die Metallsilizide Silizide der Metalle der Gruppe Chrom, Molybdän, Titan und Zirkonium sind.
7. Abrasivwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich net, daß die Metallcarbide Chromcarbid (Cr3C2), Molybdäncarbid (Mo2C) und/oder Wolframcarbid (WC) sind und die Metallsilizide Molybdänsilizid (MoSi2) und/ oder Chromsilizid (CrSi2) sind.
8. Abrasivwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich net, daß die Korngröße des verwendeten Chromcarbides 2 bis 20 um, be vorzugt 6 bis 15 um beträgt.
9. Abrasivwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeich net, daß die Korngröße des verwendeten Molybdäncarbides 0,5 bis 15 um, bevorzugt 1 bis 5 um beträgt.
10. Abrasivwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeich net, daß die Korngröße des verwendeten Wolframcarbides 0, 2 bis 300 um (je nach Anwendungsart) beträgt.
11. Abrasivwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn zeichnet, daß die Korngröße des verwendeten Moiybdänsilizides 0,5 bis 15 um, bevorzugt 1 bis 5 um beträgt.
12. Abrasivwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekenn zeichnet, daß die Korngröße des verwendeten Chromsilizides 2 bis 20 um, bevorzugt 6 bis 15 um beträgt.
13. Abrasivwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekenn zeichnet, daß folgende Mengen an Metallcarbiden und Metallsiliziden in den Sintermetallbindungen enthalten sind : Chromcarbid : 0 bis 15 Gewichtsprozent (bevorzugt 1, 5 bis 7) Molybdtincarbid : 0 bis 15 Gewichtsprozent (bevorzugt 1 bis 8) Wolframcarbid : 0 bis 30 Gewichtsprozent Chromsilizid : 0 bis 15 Gewichtsprozent (bevorzugt 1 bis 7) Molibdänsilizid: 0 bis 15 Gewichtsprozent (bevorzugt 1 bis 7).
14. Abrasivwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung der Sintermetallbindung 90 bis 95 Gewichtsprozent mit Kupfer beschichtetes Eisen, 0, 5 bis 2 Gewichtsprozent Metallborid (e), vorzugsweise Chromborid, 3 bis 4 Gewichtsprozent Metallcarbid (e), vorzugsweise Chromcarbid und Molybdäncarbid, und 2 bis 4 Gewichtsprozent Zinn.
15. Abrasivwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung der Sintermetallbindung 89 bis 94 Gewichtsprozent mit Kupfer beschichtetes Eisen, 1 bis 3 Gewichtsprozent Metallborid (e), vorzugsweise Chromborid 6 bis 8 Gewichtsprozent Metallborid (e), vorzugsweise Chromcarbid und Molybdäncarbid, und 0, 5 bis 3 Gewichtsprozent Zinn.
16. Abrasivwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch folgende Zusammensetzung der Sintermetallbindung 62 bis 70 Gewichtsprozent mit Kupfer beschichtetes Eisen 1, 5 bis 3 Gewichtsprozent Metallborid (e), vorzugsweise Chromcarbid, Molybdäncarbid und/oder Wolframcarbid, und 0, 5 bis 3 Gewichtsprozent Zinn.
17. Abrasivwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekenn zeichnet, daß das mit Kupfer beschichtete Eisenpulver auf sphärischen Car bonyleisenpulver basiert.
18. Abrasivwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekenn zeichnet, daß die Teitchengröße des Eisenpulvers 2 bis 15 um, vorzugs weise 4 bis 7 um beträgt.
19. Abrasivwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kupferanteil am mit Kupfer beschichteten Eisen 9 bis 30 Gewichtsprozent beträgt.
20. Abrasivwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekenn zeichnet, daß die Menge an Zinn an der Sintermetallbindung höchstens 10, bevorzugt 1 bis 5 Gewichtsprozent beträgt.
21. Abrasivwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekenn zeichnet, daß der Anteil an mit Kupfer beschichteten Eisenpulver in der Sintermetallbindung 50 bis 95 Gewichtsprozent, vorzugsweise 70 bis 90 Gewichtsprozent beträgt.
22. Abrasivwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekenn zeichnet, daß der Trägerkörper aus Stahl ist.
23. Abrasivwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abrasivelemente als Schneide bzw. Schleifsegmente ausgebildet sind.
24. Abrasivwerkzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekenn zeichnet, daß die Abrasivelemente durch Löten, Schweißen oder Sintern mit dem Träger verbunden sind.
25. Verfahren zur Herstellung eines Abrasivwerkzeugs nach einem der Ansprü che 1 bis 24 mit den Schritten a) Trockenmischen des Sinterpulvers, b) gegebenenfalls Granulieren des Sinterpulvers, c) Mischen des Sinterpulvers bzw. des Granulates mit Schneidstoff bzw. Schleifkorn unter Verwendung eines Anfeuchtmittels, d) Vorpressen der SchneidstoffPulver (bzw. Granulat) mischung zwi schen Unterstempel und Oberstempel einer Form, e) gegebenenfalls Aufbringen einer bevorzugt schneidstofflosen Sinter pulvermischung nach Schritt a) auf die vorgepreßte Schneidstoff PulverMischung, f) Gemeinsames Fertigpressen der SchneidstoffPulvermischung und der schneidstofflosen Mischung zwischen einem Unterstempel und einem Oberstempel zu einem Grünling, g) Sintern der Grün ! inge, bevorzugt in einer Mehrfachform, h) Verbinden der Schneidsegmente mit einem Trägerkörper an der ge meinsamen Verbindungsfläche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung der Sinterpulvermischung nach Schritt a) ein mit Kupfer beschichtetes sphärisches Eisenpulver vor zugsweise mit einer Korngröße von 2 bis 15 um mit den Metallboriden, Me tallcarbiden und Metallsiliziden sowie Zinn vermischt wird, wobei der Anteil an beschichtetem Eisenpulver zwischen 50 und 95 Gewichtsprozent, bevorzugt 70 bis 90 beträgt.
26. Verfahren zur Herstellung eines Abrasivwerkzeugs nach einem der Ansprü che 1 bis 24 mit den Schritten a) Trockenmischen des Sinterpulvers, b) gegebenenfalls Granulieren des Sinterpulvers, c) Mischen des Sinterpulvers bzw. des Granulats mit Schneidstoff bzw. Schleifkorn unter Verwendung eines Anfeuchtmittels, d) Vorpressen der SchneidstoffPulver (bzw. Granulat)mischung zwi schen Unterstempel und Oberstempel einer Form direkt auf einen Stahtträger, e) Direktaufsintern des grüngepreßten Schneid/Schleifbelages in einer Stahlform, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Herstellung der Sinterpulvermischung nach Schritt a) ein mit Kupfer beschichtetes sphärisches Eisenpulver mit einer Korngröße von 2 bis 15 um mit den Metallboriden, Metallcarbiden und Metallsiliziden sowie Zinn vermischt wird, wobei der Anteil an beschichtetem Eisenpulver zwischen 50 und 95 Gewichtsprozent, bevorzugt 70 bis 90 betragt.
27. Verwendung von Abrasivwerkzeugen nach einem der Ansprüche 1 bis 24 zum Schleifen, Trennschleifen, Sägen oder Bohren von mineralischen oder Mineralstoff enthaltenden Werkstückstoffen wie Natur oder Kunststein, Ke ramik, Beton, Asphalt und verfüllten Kunststoffen und dergleichen.
Description:
Abrasivwerkzeug Die Erfindung betrifft ein Abrasivwerkzeug mit einem Trägerkörper und mindestens einem damit verbundenen Abrasiveiement mit sintermetallisch gebundenem Schleif- korn. Weiters betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung und die Verwendung eines solchen Werkzeuges. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf die Herstel- lung und Verwendung von Schleif-, Trennschleif-, Säge- oder Hohlbohrwerkzeugen bestehend aus Diamant- bzw. kubisches Bornitrid enthaltenden sintermetaligebunde- nen Schneidsegmenten und Trägerkörpern aus Stahl, auf denen die Schneidsegmente durch Löten, Schweißen oder Direktaufsintern befestigt sind.

Soiche Werkzeuge werden zum Formbearbeiten, Trennen und Bohren von Metall, Glas, Naturstein, Kunststein, Beton, Keramik und mit Fasern oder Füllstoffen ver- stärkten oder unverstärkten Kunststoffen verwendet. Es handelt sich dabei um abra- sive Verfahren für Naß- und Trockeneinsatz. Der eigentliche Schneidstoff, der dabei verwendet wird, ist bevorzugt ein Hochleistungsschleifmittel wie kubisches Bornitrid oder Diamant mit Korngrößen von 150 bis 900 um.

Eine gleichrangige Aufgabe wie der Schneidstoff erfullt in erfindungsgemäßen Abrasiv- werkzeugen die Sintermetallbindung. Aus dem Stand der Technik sind folgende Eigenschaften und Aufgaben einer wirtschaftlichen Sintermetallbindung für Abrasiv- werkzeuge bekannt : Ausreichende Haltekräfte für das Schleifkorn zur Verhinderung des vorzeitigen Ausfalls von Schleifkorn. Ist die Bindungsmatrix zu weich, können die Schteifkörner durch die Schnittkräfte an den Kornschneiden in ihrer Bindungsumgebung gelockert werden, was zu vorzeitigem Kornausfall mit unwirtschaftlichem Arbeitsergebnis führt. Wenn zu viele Schneidkörner vorzeitig ausfallen, kommt es zusätzlich zu erschwerten Arbeits- bedingungen, gekennzeichnet durch hohe Reibungsverluste an der Berührungsftäche zwischen Bindungsrücken und zu bearbeitendem Werkstoff. Solche Betriebszustände äußern sich durch hohe Leistungsaufnahme, verringertem Bohr-, Schleif- oder Trenn- fortschritt und sind oftmals verbunden mit erhöhter Lärmentwicklung und Funkenflug.

Eine weitere Erscheinung von zu weichen Einbindeeigenschaften der Metallbindung gegenüber dem Hochleistungsschneidstoff Diamant oder kubischen Bornitrid ist die Gefahr des Eindrückens und/oder des Weiterschiebens von Schneidkörnern in der Bindung. Diese Gefahr tritt besonders dann auf, wenn ohne Fiüssigkühiung gearbeitet wird. Fig. 1 zeigt schematisch die Verlagerung von Schleifkorn in einer durch zu hohe Wärmeeinwirkung teigig gewordenen Bindung. Der Effekt ist wie oben beschrieben Reibungsverlust, hohe Leistungsaufnahme, Funkenflug, geringe Schnittleistung und hohe Lärmentwicktung, da die Schneidkanten der Schleifkörner unter der Bindungs- oberfläche verschwinden.

Zusätztich zur Aufbringung der Haltekräfte für das Korn muß die Bindung in ihrem Ver- schleißverhalten gegenüber dem Werkstückwerkstoff und seinen Abspanprodukten, gegenüber den Bearbeitungseinstellwerten und gegenüber dem K (ihlmittel Luft oder Kühiflüssigkeit optimiert werden. Ist die Bindungsmatrix zu verschleißend, werden die Schleifkörner vorzeitig durch die Schteifspäne herausgearbeitet. Wiederum ist unwirt- schaftliches Arbeiten die Folge, da die Körner zu rasch freigelegt werden. Wenn dagegen die Bindung zu verschleißfest vorgesehen wird, wird das Schleifkorn zu lange gehalten und dies kann zu einem Abstumpfen durch Verrunden der Schneidkanten und damit zu einem Verlust der Schneideigenschaften des Werkzeuges führen.

Bei der Herstellung, insbesondere bei der Massenherstellung von Schleifkorn ent- haltenden Schleif-, Trennschleif- und Bohrwerkzeugen für die Bau- und Gesteinsindu- strie, wird in der Regel die Verfahrenstechnik des Drucksinterpressens angewandt.

Dabei wird das Prinzip der Kurzschlußstromerhitzung bzw. die induktive Erhitzung für die Erzeugung der benötigten Prozeßwärme herangezogen.

Beispielsweise können dafür Maschinen aus dem Lieferprogramm der Firmen Dr. Fritsch (DSP25AT, SPM75), Sintris (18STV, 19ST3T) oder Arga (CAR1001) ver- wendet werden. Dabei kommen mehrteilige Sinterformen entsprechend Fig. 2 zum Einsatz, in denen während des Sinterns in der Regel ein Temperaturgradient auftritt, da im Zentrum des zu sinternden Segmentes eine teilweise bis zu 40 °C höhere Temperatur auftritt als in den Außenbereichen des Segmentes. Beim in der Praxis üblichen Drucksintern wird bei Vorhandensein einer flüssigen Phase diese im Zentrumsbereich stärker ausgepreßt als in den Randbereichen, was zu unerwünschten

Inhomogenitäten wie Maß-, Gefüge- und Härteschwankungen und zu Auskocher- scheinungen führen kann.

Das bisher in überwiegendem Maße eingesetzte Basismetall ist seit vielen Jahren Cobalt. Dieses Metall ist ressourcenmäßig beschränkt verfügbar. Der Cobaitpreis ist ähntich dem Silber- oder Goldpreis Gegenstand von Spekulationsgeschäften. Der ständig steigende Preisdruck am Sektor metallgebundener Hochleistungsschleifstoffe zwingt die Hersteller entsprechender Werkstoffe, nach Alternativen zu forschen. Der Ersatz von Cobalt durch ein einziges Ersatzmaterial erwies sich als technisch nicht machbar. Am vielversprechendsten erscheint nach heutiger Sicht Eisen als Basisroh- stoff, da der Eisenpreis niedrig und kein Gegenstand von Spekutationsgeschäften ist.

Mit Kupfer kann das weiche Eisen geringfügig härter gemacht werden. Die maximale Kupferlöslichkeit in a-Eisen beträgt 1,4 Gewichtsprozent bei 850 °C. Zinn macht Eisen härter aber auch spröder und kann daher nur in geringen Mengen hinzulegiert werden (F. Rapatz : Die Edelstähle, 1962). Kohlenstoff bewirkt bei Eisen-Kupfer-Legierungen durch Carbidbildung mit Eisen und durch seinen Einfluß auf die y-a-Umwandlung einen Härtungseffekt, wirkt allerdings auch versprödend und gilt als schlecht schweißbar.

Aus diesen Gründen wird der erfindungsgemäßen Legierung günstigerweise kein Kohlenstoff hinzulegiert.

Durch das Hinzufügen von Wolframcarbid wird bei Cobaltbindungen die Verschleiß- festigkeit gesteigert. Bei Eisenbindungen ist eine Verbesserung der Verschleißfestig- keit ebenfalls möglich, allerdings wegen der geringen Eigenhärte der Eisenbindung nur in eingeschränktem Maße.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, zu dem Bindungssystem Eisen, Kupfer (Zinn) weitere Legierungspartner anzubieten, welche bei üblichen Herstell- temperaturen von Superschleifmittel enthaltenden Werkzeugen zwischen 800 und 1 000°C möglichst viele der folgenden Forderungen erfüllen, nämlich die Eigenhärte der Eisenbindung erhöhen um ein Verschieben oder Eindrücken der Schneidstoffkörner bei erschwerten Einsatzbedingungen in ihre Bindungsumgebung zu verhindern, wie in Fig. 1 dargestellt,

- nicht versprödend wirken, um in der Herstellung und der Anwendung einen Einsatz ohne Ausbrüchen bzw. Rißbildungen zu ermöglichen, - die durch Zinn vorgegebene flüssige Phase möglichst rasch zu einer festen Legie- rungsphase umwandeln, das Hochleistungsschleifmittel möglichst lange in der Bindung halten, - das Hochleistungsschleifmittel chemisch, thermisch oder mechanisch in keiner Weise schädigen, den Bindungsverschleiß an den Verschleiß des Hochleistungsschleifmittels möglichst gut anpassen, - in ausreichender Menge und geeigneten Teilchengrößen erhältlich sind, - zu einem akzeptablen Rohstoffpreis verfügbar sind, umwelttechnisch möglichst unbedenkiich sind.

Gegenstand der Erfindung ist vor allem ein Abrasivwerkzeug gemäß Anspruch 1.

Die verschiedenen Metallcarbide, Metalboride und Metallsilizide reagieren in geringem Ausmaß mit den Bindermetallen Eisen, Kupfer und Zinn. Die Metallcarbide von Chrom, Moybdän und von Titan reagieren mit Eisen und Kupfer an den Kontaktftächen und bewirken damit die Härtung des Bindermetalls durch Bildung einer intermetallischen Phase und die besonders gute Einbindung dieser Hartstoffe. Chromborid reagiert in geringem Umfang mit Eisen unter Bildung einer intermetallischen Phase. Diese Hart- stoffe werden gut mit der Matrix verbunden und erhöhen den Verschleißwiderstand.

Die Silizide von Chrom und Motybdän reagieren mit Eisen und bilden verschiedene Eisensilizide, die hart aber auch spröd sind. Daher ist der Gehalt dieser Hartstoffe in Eisenbindungen sehr sorgfaltig einzustellen.

Durch die Abstimmung der Hartstoffe mit der Eisen-Kupfer-Zinn-Matrix können alle oben angeführten Eigenschaften von der erfindungsgemäßen Metallbindung erfüllt werden. Es zeigte sich, daß zur Erfüllung aller oben angeführten Forderungen zumin- dest zwei Metallcarbide, Metallboride, Metallsilizide oder Kombinationen davon mit der weichen Bindungsmatrix legiert werden sollten. Je komplexer die zu erfüllende Auf- gabe, desto mehr Hartstoffe müssen eingesetzt werden. Der Verschleißwiderstand kann durch die Zugabe von Wolframcarbiden noch erhöht werden.

Ein Merkmal der erfindungsgemäßen Legierung ist das Erreichen von Härtewerten bis etwa 120 Härtegraden nach Rockwell B (HRB) ohne starken Verlust der Duktilität. Eine erfindungsgemäße Bindung mit ca. 10 % grobkörnigen Wolframcarbiden und einer Härte von 120 HRB erreicht einen Schlagbiegewert von ca. 0,03 J/mm2. Eine gleich- harte Standardbindung auf Cobaltbasis erreicht 0,02 J/mm2. Eine dem Stand der Technik entsprechende Eisenbindung (mit erheblichen Bronze-, Nickel- und Wolfram- carbidzusatz) erreicht nur mehr 0,01 J/mm2 und ist nicht mehr mit ausreichender Sicherheit produzierbar.

Die Härte des mit Kupfer beschichteten Eisenpulvers beträgt nach dem Sintern etwa 85 HRB. Zinn erhöht die Härte der Bindungsbasis auf ca. 95 HRB. Mit einem Chrom- carbid kann die Härte auf etwa 105 HRB erhöht werden. Durch die Zugabe weiterer Metallboride und/oder Metalicarbide erreicht man die oben bereits angeführte Härte von 120 HRB.

Jeder Bindungsbestandteil ermöglicht die Verbesserung einer Werkzeugeigenschaft.

Metallboride in Kombination mit Metallcarbiden steigern die Härte von Eisenbindungen und reduzieren den Bindungsverschleiß im Einsatz. Mit Zinn läßt sich die Sinter- temperatur zu Temperaturen reduzieren, bei denen Schleifwerkzeuge ohne Schädi- gung des Schleifkornes hergestellt werden können. Manche Metallcarbide regulieren den Anteil an flüssiger Phase und heben durch ihren Zusatz die Prozeßsicherheit.

Härtungseffekte von Eisenbasiswerkstoffen unterhalb von 850 °C lassen sich durch den Zusatz von Metallsiliziden erzielen.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, Graphiken und Bilder weiter erläutert : Es zeigen : Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Schneidkornverschiebung in einer zu weichen Sintermetallbindung, Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer Mehrfachsinterform zur Herstellung erfindungs- gegenständticher Schneidsegmente,

Fig. 3 eine Graphik der Schneidergebnisse der erfindungsgemäßen Legierung im Ver- gleich zu der für die Anwendung bisher eingesetzten Standardbindung und nach dem Stand der Technik entsprechenden Eisenbindung, Fig. 4 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Schneidwerkzeuges und Fig. 5 eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Bohrwerkzeuges.

Fig. 1 zeigt ein Schneidkorn vor 2 und nach 3 der Verschiebung bzw. dem Eindrücken bei Verwendung einer Sintermetallbindung 1 mit weichmachenden, niedrigschmeizen- den Legierungsbestandteilen wie Cu, Sn, Ag und deren Legierungen. Der zu geringe Kornüberstand 5 der zu weichen Sintermetallbindung führt zu den bereits oben beschriebenen erschwerten Arbeitsbedingungen (hohe Leistungsaufnahme, ver- ringerter Schnittfortschritt, etc.).

In Schneidversuchen mit erfindungsgemäß zusammengesetzten Sintermetallbindun- gen, die vorwiegend aus hochschmelzenden Bindungsmetallanteil mit intermediärer ftüssiger Phase bestehen, zeigen sich keinerlei Konrverschiebungen. Bei diesen Sintermetallbindungen wurde ein ausreichend großer Kornüberstand 4 festgestellt. Dadurch konnten ein optimales Schneid-, Trenn- bzw. Bohrverhalten beobachtet werden.

Fig. 2 zeigt eine Prinzipdarstellung einer Mehrfachsinterform zur Herstellung erfindungsgegenständlicher Schneidsegmente wie in nachstehend beschriebenen Fertigungsbeispiel von erfindungsgemäßen Schneidsegmenten verwendet.

Als Material für die Sinterformen wird vorzugsweise Graphit verwendet. Die Formen bestehen aus den Stützringen 6, den Innenteilen 7, den Trennplatten 8 zwischen den Segmenten und den Preßstempeln 9. Die Anordnungen der Segmente 10 ist in der Mitte der Sinterform, um eine homogene Sintertemperatur zu ermöglichen. In der Fig.

2 sind Segmente mit neutraler Zone dargestellt.

Fig. 3 zeigt eine Gegenüberstellung der Versuchsergebnisse mit der erfindungsge- mäßen Legierung im Vergleich zu den Ergebnissen einer standardmäßig eingesetzten Cobalt-Legierung und einer dem Stand der Technik entsprechenden Eisenbindung.

Als Werkzeuge wurden Sägebtätter mit 300 mm Durchmesser hergestellt. Die Werk- zeuge wurden auf ein Trennschleifgerät montiert. Als zu bearbeitendes Material wurden Waschbetonplatten verwendet. Es wurden vertikale Pendelschnitte mit Wasserberieselung durchgeführt. Mit jeder Säge wurden 60 Schnitte durchgeführt.

Die spezifische Zerspanungsleistung Z als eine der wichtigsten Kenngrößen für abra- sive Zerspanungsprozesse ist bei Bindungen mit bekannten, dem Stand der Technik entsprechenden Eisenbindungen am höchsten (290 cm2/min). Die bewährte auf Cobalt basierende Standardbindung hat eine Zerspanungsleistung von 238 cm2/min. Die erfindungsgemäße neue Eisenlegierung erreicht eine vergleichbare Zerspanungs- leistung (198 cmCmin).

Betrachtet man die spezifische Standftäche der einzelnen Werkzeuge, erkennt man, daß die konventionelle Eisenbindung (2,7 mCmm Standfläche) viel stärker verschleißt als die Standard-Cobaltbindung (4,5 mCmm Standfläche). Derartige Verschleißwerte werden von den Endverbrauchern in der Regel nicht akzeptiert. Die erfindungsgemäße Legierung hat eine Standfläche von 4, 8 m2/mm erreicht und übertrifft daher die bis- herige Cobaltbindung um ca. 7 %.

Die getesteten Legierungen wurden aus folgenden Pulvermischungen gefertigt : a) Die erfindungsgemäße Eisenbindung bestehend aus 91 Gewichtsprozent des mit Kupfer umhüttten (vorzugsweise sphärischen) Eisenpulvers (durchschnittliche Teil- chengröße zwischen 4 und 6 um), 2 Gewichtsprozent Chromborid (Teilchengröße ~ 10 ,ut), 2 Gewichtsprozent Chromcarbid (Teilchengröße ~ 10 ,ut), 1 Gewichtsprozent Zinn (Teilchengröße 4 bis 15 um) und 4 Gewichtsprozent Molybdäncarbid (Teilchengröße ~ 3 nom).

b) Die dem Stand der Technik entsprechende Cobaltbindung bestehend aus 94 Gewichtsprozent Cobalt (extra fein) und 6 Gewichtsprozent Wolframcarbid (Teilchengröße > 10 nom). Die dem Stand der Technik entsprechende Eisenbindung bestehend aus 50 Gewichts- prozent Eisen (20 bis 30 ,ut), 4 Gewichtsprozent Nickel (ca. 5 ,ut), 9 Gewichtsprozent Kupfer (ca. 5 ,ut), 22 Gewichtsprozent Bronze 80/20 (8 bis 16 um) und 15 Gewichts- prozent Wolframcarbid (Teilchengröße > 10 pm).

Die Herstellung der Schneidsegmente war für alle drei Metallegierungen vom Prinzip her gleich, einige Parameter wie Preßdrücke und Sintertemperaturen waren ver- schieden. Im folgenden werden die Prozeßparameter der erfindungsgemäßen Metal- legierung angeführt.

Die Pulvermengen wurden in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung eingewogen.

Das Mischen wurde mit einem Intensivmischer durchgeführt. Anschließend wurde die Mischung mit 1 % Paraffinötgemisch angefeuchtet. Die Pulvermischung wurde mit einer Granulieraniage (Aniage fcir Walzgranulat) zu Granulat verarbeitet. Anschließend wurde das Granulat der erfindungsgemäßen Metallegierung mit synthetischen Diamanten der Korngröße 300 bis 600 um gemischt, wobei die Konzentration an Diamant im gesinterten Segment 0,428 Karat/cm3 betrug.

Die Diamant-Granulat-Mischungen wurden in einer üb ! icherweise verwendeten Kalt- presse (z. B. von der Fa. Fritsch oder der Fa. Dorst) mit 3 bis 4 Tonnen vorverdichtet.

Auf die Grünlinge wurde die neutrale Zone bestehend aus Granulat auf Eisenbasis aufgefüllt und anschließend nochmals mit 3 bis 4 Tonnen Preßkraft kaitverdichtet. In mehrteiligen Graphitsinterformen nach Fig. 2 wurden die Grünlinge bei 950 °C, einem Sinterdruck von 3 kN/cm2 und einer Sintertemperaturhaltezeit von 5 Minuten fertig- gesintert.

Jeweils 18 Segmente wurden auf ein Stahistammblatt mit einer Laserschweiß- maschine (z. B. Rofin-Sinar) aufgeschweißt. Anschließend erfolgte der Test im Ver- gleich zu einem Werkzeug mit der Standardbindung. Das erfindungsgemäße Werk- zeug erwies sich bezüglich der Standfläche als überlegen und bezüglich der Zer- spanungsleistung etwa gleichwertig.

Weitere Versuchsergebnisse mit einer erfindungsgemäßen Legierung für ein komplett verschiedenes Einsatzgebiet im Vergleich zu den Ergebnissen einer standardmäßig eingesetzten Legierung ergaben ebenfalls den Erfordernissen entsprechende Ergeb- nisse.

Als Werkzeuge wurden Sägeblätter mit 800 mm Durchmesser hergestellt. Die Werk- zeuge wurden auf ein stationären, antriebsstarken Maschine montiert. Als zu bear- beitendes Material wurden stark abrasiver Kalksandstein verwendet. Das Werkzeug wurde im Naßschnitt getestet, wobei der Test mehrere Wochen dauerte.

Die erfindungsgemäße Metallegierung zeigte sich im Vergleich zur bisher eingesetzten Metallbindung als wesentlich schnittfreudiger. Zur Hälfte der Versuchszeit und nach Beendigung des Versuches wurde die verbliebene Segmenthöhe abgemessen und daraus der Verschleiß berechnet. Die erfindungsgemäße Metallegierung wies einen geringfügig höheren Verschleiß auf, der durch leichte Abänderung der Zusammen- setzung der erfindungsgemäßen Legierungszusammensetzung und durch Abänderung der Art, Größe oder Konzentration des Superschleifmittels verringert werden kann.

Die getesteten Legierungen wurden aus folgenden Pulvermischungen gefertigt : Die erfindungsgemäße Eisenbindung bestehend aus 70 Gewichtsprozent des mit Kupfer umhüllten Eisenpulvers (durchschnittliche Tei ! chengröße zwischen 4 und 6 um), 3 Gewichtsprozent Chromborid (Teilchengröße ~ 10 um), 5 Gewichtsprozent Chromcarbid (Teilchengröße ~ 10 ,um), 2 Gewichtsprozent Zinn (Teilchengröße 4 bis 15 nom), 8 Gewichtsprozent Molybdäncarbid (Teilchengröße ~ 3 nom), 4 Gewichts- prozent Wolframcarbid in der Korngröße 2 bis 4 um und 8 Gewichtsprozent Wolfram- carbid mit Korngrößen zwischen 150 und 250 ,um.

Die dem Stand der Technik entsprechende Standardbindung bestehend aus 21 Gewichtsprozent Cobalt (extra fein), 4 Gewichtsprozent Nickel (ca. 5 nom), 6 Gewichtsprozent Kupfer (15 bis 30 um) und 69 Gewichtsprozent Wolframcarbid (Teilchengröße zwischen 2 und 100 nom).

Die Herstellung der Schneidsegmente war für beide Metallegierungen vom Prinzip her gleich, einige Parameter wie Preßdrücke und Sintertemperaturen waren verschieden.

Im folgenden werden die Prozeßparameter der erfindungsgemäßen Metallegierung angeführt.

Die Pulvermengen wurden in der erfindungsgemäßen Zusammensetzung eingewogen.

Das Mischen wurde mit einem Intensivmischer (z. B. der Maschinenfabrik Gustav Eirich) durchgeführt. Anschließend wurde die Mischung mit 1 % Paraffinölgemisch angefeuchtet. Anschließend wurde die Pulvermischung der erfindungsgemäßen Metallegierung mit synthetischen Diamanten der Korngröße 300 bis 600 um gemischt, wobei die Konzentration an Diamant im gesinterten Segment 1, 584 Karat/cm3 betrug.

Die Diamant-Pulver-Mischungen wurden in einer üblicherweise verwendeten Kalt- presse (z. B. von der Fa. Fritsch oder der Fa. Dorst) mit 3 bis 4 Tonnen vorverdichtet.

In mehrteiligen Graphitsinterformen nach Fig. 2 wurden die Grünlinge bei 950 °C, einem Sinterdruck von 3,8 kN/cm2 und einer Sintertemperaturhaltezeit von 5 Minuten fertiggesintert.

Der Vergleich der Härtwerte zwischen Standardbindung (119 HRB) und erfindungs- gemäßer Metallegierung (116 HRB) ergab keine wesentlichen Unterschiede. Die erfindungsgemäße Metallegierung ist um den Faktor 3 duktiler als die Standard- bindung und daher produktions- und anwendungssicherer. Ein weiterer Vorteil ist die vergleichsweise um 100 °C tiefere Sintertemperatur der erfindungsgemäßen Metal- legierung.

Jeweils 46 Segmente wurden auf ein Stahistammblatt mit einer Hartlötmaschine auf- gelötet. Anschließend erfolgte der Test im Vergleich zu einem Werkzeug mit der Standardbindung. Das erfindungsgemäße Werkzeug erwies sich bezüglich der Stand- fläche ats gleichwertig und bezüglich der Schnittgeschwindigkeit als deutlich über- legen.

Insgesamt hat es sich ais günstig herausgestellt, daß der Anteil an mit Kupfer beschichteten Eisenpulver in der Sintermetallbindung 50 bis 95 Gewichtsprozent, vor-

zugsweise 70 bis 90 Gewichtsprozent beträgt, wobei der Kupferanteil am mit Kupfer beschichteten Eisen 9 bis 30 Gewichtsprozent beträgt.

Eine weiche Bindung erreicht man durch folgende Zusammensetzung der Sinter- metallbindung : 90 bis 95 Gewichtsprozent mit Kupfer beschichtetes Eisen, 0, 5 bis 2 Gewichtsprozent Metallborid (e), vorzugsweise Chromborid, 3 bis 4 Gewichtsprozent Metallcarbid (e), vorzugsweise Chromcarbid und Molybdäncarbid, und 2 bis 4 Gewichtsprozent Zinn Eine mittlere Bindung erreicht man durch folgende Zusammensetzung der Sinter- metallbindung : 89 bis 94 Gewichtsprozent mit Kupfer beschichtetes Eisen, 1 bis 3 Gewichtsprozent Metallborid (e), vorzugsweise Chromborid 6 bis 8 Gewichtsprozent Metallborid (e), vorzugsweise Chromcarbid und Molybdäncarbid, und 0, 5 bis 3 Gewichtsprozent Zinn Eine harte Bindung erreicht man durch folgende Zusammensetzung der Sintermetall- bindung : 62 bis 70 Gewichtsprozent mit Kupfer beschichtetes Eisen 1, 5 bis 3 Gewichtsprozent Metallborid (e), vorzugsweise Chromcarbid, Motybdäncarbid und/oder Wolframcarbid, und 0, 5 bis 3 Gewichtsprozent Zinn.

Fig. 4 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Scheidverkzeuges. Das Stammblatt 11 besteht vorzugsweise aus Stahl. Der Durchmesser des Stammblattes sowie der Druchmesser der Innenbohrung ist abhängig von der jeweiligen Anwendung.

Die Segmente 13 mit oder ohne neutrale Zone 14 werden durch Schweißen, Löten oder Sintern mit dem Stammblatt verbunden. Die Verbindungsstelle 15 zwischen Stammblatt und Segment ist je nach Wahl des Verfahrens unterschiedlich stark aus-

geprägt. Die Oberfläche 12 der Segmente 13 wird vor dem Einsatz des Werkzeuges geschärft, um gleich von Beginn an optimale Schneidfreudigkeit zu ermöglichen.

Fig. 5 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Bohrwerkzeuges. Das Trägerrohr 11 besteht vorzugsweise aus Stahl. Die Segmente 13 werden mit einer dachförmigen Spitze gefertigt. Durch dieses Dach wird die Einbohrphase hinsichtlich des Ansetzens des Werkzeuges in eine neutrale Zone 14 immer erforderlich. Bei der getöteten Ausführung ist für manche Metallbindungen ebenfalls eine neutrale Zone erforderlich. Die Nahtstelle 15 wird vor der Auslieferung des Werkzeuges optisch und mechanisch geprüft.




 
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