DE69712075T2

DE69712075T2 - Herstellung eines metallgebundenen schleifkörpers

Info

Publication number: DE69712075T2
Application number: DE69712075T
Authority: DE
Inventors: Padraig Armstrong; Andries Bester; Michael O'sullivan; Thomas Peters; Walter Powell; Gerard Ryan; Christian Weiss
Original assignee: Anglo Operations Pty Ltd
Current assignee: Wdiamant (pty)ltd Gauteng Za
Priority date: 1996-09-04
Filing date: 1997-09-01
Publication date: 2002-11-14
Anticipated expiration: 2017-09-02
Also published as: DE69712075D1; WO1998010110A1; CA2264858C; EP0925378B1; BR9711668A; AU717904B2; CA2264858A1; US5932508A; ATE216435T1; ES2176764T3; EP0925378A1; AU3860397A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines metallgebundenen Schleifkörpers, insbesondere eines Schleifkörpers, bei dem das Schleifmittel Diamant ist.
Metallgebundene Diamantprodukte werden umfassend beim Schneiden, Fräsen und Bohren eingesetzt. Diese Produkte bestehen aus einer Masse diskreter Diamantteilchen, die in einer metallbindenden Matrix dispergiert sind. Bei der metallbindenden Matrix handelt es sich normalerweise um Kobalt, Wolfram, Nickel oder Eisen allein oder eine relativ niedrigschmelzende Legierung oder Bronze enthaltend.
Die am üblichsten eingesetzten Verfahren zur Herstellung solcher Produkte sind das Heißpressverfahren, das Verdichtungsverfahren mit freiem Sintern und das Infiltrationsverfahren.
Das Heißpressverfahren umfasst das Vermischendes Metallpulvers und Diamant und dann das Kaltpressen der Mischung in eine gewünschte Form. Der bei diesem Schritt verwendete Druck liegt typischerweise zwischen 50 und 300 MPa. Das geformte Produkt wird dann in eine Graphitformpackung gepackt. Diese Formpackung wird in einer Heißpressmaschine positioniert, wo sie erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck ausgesetzt wird. Die erhöhte Temperatur liegt typischerweise im Bereich von 800 bis 1100ºC, und der erhöhte Druck liegt typischerweise im Bereich von 10 bis 50 MPa. Eine Volumenänderung von bis zu 50% ist nicht ungewöhnlich, und die endgültige Dichte beträgt gewöhnlich 92 bis 98,5% der theoretischen Dichte.
Beim Verdichtungsverfahren mit freiem Sintern erfolgt die Herstellung des kaltgepressten Produkts wie beim Heißpressverfahren. Danach wird das geformte, kaltgepresste Produkt auf einer Unterlage positioniert und bei einer Temperatur von etwa 1000ºC gesintert. Es wird weder Druck angelegt, noch wird eine Graphitformpackung verwendet. Daher gibt es nichts, was das Produkt während des Sinterns begrenzen könnte. Eine Volumenänderung von bis zu 50% ist nicht ungewöhnlich, und die endgültige Dichte beträgt gewöhnlich 92 bis 98,5% der theoretischen Dichte.
Das Infiltrationsverfahren umfasst das Kaltpressen der Mischung wie beim Heißpressverfahren. Danach kann das geformte, kaltgepresste Produkt auf einer Unterlage ohne Graphitform positioniert werden, oder eine Graphitform kann verwendet werden. Ein Infiltrationsmittel wie ein Material auf der Grundlage von Kupfer in Streifen- oder Granalienform wird auf dem Produkt positioniert, und alle dies wird typischerweise auf eine Temperatur von 950-1150ºC erwärmt. Dies bewirkt eine Verflüssigung des Infiltrationsmittels und dessen Einziehen in das Produkt, wodurch die verbliebenen Räume zwischen dem Pulver und Diamant im kaltgepressten Produkt gefüllt werden. Eine Volumenänderung erfolgt gewöhnlich nicht, und die endgültige Dichte beträgt gewöhnlich 100% der theoretischen Dichte.
Bei den oben beschriebenen Methoden nähert sich die endgültige Dichte 100% der theoretischen Dichte an, wobei im endgültigen Produkt eine sehr geringe Porosität vorliegt.
Andere Verfahren zur Herstellung von metallgebundenen Schleifmittelteilchen umfassen die Verwendung des heißen, isostatischen Hochdruckpressens. Dieses Verfahren hat die Wirkung, Porosität vom Produkt zu entfernen, ist aber teuer. Ein heißes isostatisches Pressen wird oft als endgültiger Schritt zusätzlich zu den anderen, oben beschriebenen Verfahren durchgeführt und bewirkt eine fast vollständige Entfernung der Porosität.
Ein anderes bekanntes Verfahren besteht in der Aufbringung einer einzelnen Schicht Diamantteilchen auf die Oberfläche eines Substrats mittels Elektroplattieren.
FR 2382964 beschreibt die Herstellung harter, verschleißbeständiger Metallkörper aus einer Mischung aus pulverisiertem Metall, einem pulverisierten Borierungsmittel und einem pulverisierten Borierungsaktivator. Die Mischung wird auf wenigstens 80% des theoretischen Wertes kaltgepresst und dann gesintert. Die endgültigen Dichten für die Beispiele reichen von 94 bis 98% der theoretischen Werte.

KURZBESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung eines metallgebundenen, aus einem Sägensegment, einem Bohrkronensegment, einem Kernbohrsegment, einer Perle für einen Diamantdraht ausgewählten Schleifkörpers die Schritte des Bereitstellens einer Mischung des Metalls in Teilchenform mit Schleifmittelteilchen, des Kaltpressens der Mischung zur gewünschten endgültigen Form bei einem Druck im Bereich von 320 bis 1500 MPa, wodurch ein kaltgepresstes Produkt mit einer Porosität von 10 bis 25 Vol.-% erzeugt wird, und des freien Sinterns des kaltgepressten Produkts bei einer Temperatur im Bereich von 900 bis 1300ºC unter Bedingungen, die den Zerfall der Schleifmittelteilchen und des aus Teilchen bestehenden Metalls verhindern, wodurch ein metallgebundener Schleifkörper mit einer Porosität von 10 bis 25 Vol.-% erzeugt wird, und das Entnehmen des so frei gesinterten, metallgebundenen Schleifkörpers.
Überraschend ist gefunden worden, dass die so hergestellten porösen Produkte genauso wirksam wie die herkömmlichen nichtporösen Produkte sind. Weiterhin werden mit dem Verfahren der Erfindung solche porösen Produkte ökonomischer als die herkömmlichen nichtporösen Produkte erzeugt.
Die Erfindung umfasst weiterhin ein Schleifwerkzeug wie eine Säge, einen Diamantdraht, eine Bohrkrone oder eine Kernbohrkrone, umfassend einen gemäß der obigen Beschreibung hergestellten metallgebundenen Schleifkörper als Schleifeinsatz.

BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN

Das Verfahren der Erfindung hat Anwendungen in der Herstellung eines weiten Bereichs metallgebundener Schleifkörper einschließlich Sägesegmenten, Bohrkronensegmenten, Perlen für Diamantdraht und Bergbauprodukten wie Bohr- oder Kernbohrkronen.
Bei dem Metall für die Matrix kann es sich um Eisen oder eine eisenreiche Legierung, d. h. eine Legierung handeln, bei der es sich vorwiegend um Eisen mit kleineren Mengen Metalladditive handelt, dadurch gekennzeichnet, dass sie als Folge eines Sinterns eine vernachlässigbare Änderung der Volumenabmessungen erfährt.
Bei den Schleifmittelteilchen handelt es sich normalerweise um ultraharte Schleifmittelteilchen wie Diamant oder kubisches Bornitrid.
Der Gehalt an Schleifmittelteilchen des metallgebundenen Schleifkörpers variiert nach der Beschaffenheit des Produkts. Im allgemeinen übersteigt der Gehalt an Schleifmittelteilchen nicht 30 Vol.-% des Produkts, es gibt jedoch einige Fälle, in denen dies überschritten wird.
Das Kaltpressen der pulverisierten Mischung erfolgt bei Hochdruck im Bereich von 320 bis 1500 MPa. Der bevorzugte Druckbereich beträgt 400 bis 850 MPa.
Das kaltgepresste Produkt wird dann frei gesintert, d. h. es wird kein Druck angelegt, und nichts schränkt das Produkt während des Sinterns ein. Das Sintern erfolgt bei einer Temperatur im Bereich von 900 bis 1300ºC, wobei eine bevorzugte Temperatur etwa 1050ºC bis 1150ºC beträgt. Das freie Sintern muss unter Bedingungen erfolgen, die eine Zersetzung der Schleifmittelteilchen und auch eine Oxidation der Metallmatrix hemmen. Jeder Zerfall des Schleifmittelteilchens und jede Oxidation der Metallmatrix neigt zur Schwächung des fertigen erzeugten Produkts. Die Bedingungen für den Schritt des freien Sinterns, insbesondere für Diamant, sind gewöhnlich ein inertes oder reduzierendes Gas wie Wasserstoff oder Stickstoff oder Mischungen davon oder ein Vakuum.
Der Schritt des freien Sinterns führt zu keiner signifikanten Volumenänderung im Vergleich mit derjenigen des kaltgepressten Produkts. Die im kaltgepressten Produkt vorhandene Porosität ist somit im fertigen Produkt noch vorhanden. Das mittels des Verfahrens der Erfindung erzeugte fertige Produkt kann eine Porosität von 10 bis 25 Vol.-% aufweisen. Dabei handelt es sich um eine Porosität, die auch im kaltgepressten Produkt vorliegt.
Es ist auch möglich, das gebundene Produkt zu infiltrieren, um die Eigenschaften des Produkts für einen speziellen Endgebrauch maßzuschneidern.
Das Verfahren der Erfindung ermöglicht die Herstellung metallgebundener Schleifkörper mit hoher Produktkonsistenz und enger Regelung der Abmessungsgenauigkeit und -toleranz. Weiterhin ist gefunden worden, dass relativ preisgünstige Materialien wie Eisen und Eisenlegierungen verwendet werden können und dass keine Notwendigkeit zur Verwendung von Graphitstücken oder -formen besteht, wodurch die Herstellungskosten weiter vermindert werden.
Die Erfindung wird durch die folgenden, nicht einschränkenden Beispiele veranschaulicht.

BEISPIEL 1

Eine Kernbohrkrone wurde unter Verwendung einer Mehrzahl metallgebundener, synthetischen Diamant als Schleifmittel enthaltender Segmente hergestellt.
Die Segmente wurden hergestellt, indem ein Pulver auf der Grundlage von Eisen mit synthetischem Diamant und einem Öl/Wachs-Bindemittel zum Zusammenhalten der Teilchen vermischt wurde. Das Pulver auf der Grundlage von Eisen bestand aus 84,5% Eisen, 11% Kobalt, 4% Kupfer und 0,5% Kohlenstoff, wobei alle Prozentwerte auf das Gewicht bezogen sind.
Die Mischung wurde bei einem Druck von 450 MPa kaltgepresst, wodurch Segmente erzeugt wurden, die die Endform und -größe der endgültigen Segmente aufwiesen. Die kaltgepressten Segmente wurden dann in einen Ofen mit einer Temperatur von 1120ºC und einer reduzierenden, aus 20% Wasserstoff und 80% Stickstoff bestehenden Atmosphäre, wobei beide Prozentwerte auf das Volumen bezogen sind, gelegt. Die Segmente wurden 30 min lang bei dieser Temperatur gehalten. Die resultierenden gesinterten Segmente wiesen eine Porosität von 15% auf.
Die Segmente wurden dann auf herkömmliche Weise an eine Kernbohrkrone hartgelötet. Eine ähnliche Kernbohrkrone wurde hergestellt, außer, dass es sich bei den verwendeten Segmenten um herkömmliche Segmente auf der Grundlage von Kobalt handelte, die auch synthetischen Diamant enthielten und im wesentlichen keine Porosität aufwiesen.
Die beiden Kernbohrkronen wurden einem Bohrtest an Stahlbeton unterzogen. Die Bohrdrehzahl betrug 1200 U./min. und die Dauer zum Bohren eines Lochs wurde in Sekunden gemessen:
Herkömmliche Segmente 130,8 s
Poröse Segmente der Erfindung 154,2 s
Es wurde gefunden, dass die Segmente der Erfindung mit einer etwas geringeren, aber dennoch annehmbaren Geschwindigkeit bohrten. Die projizierte Standzeit wurde aufgrund des Verschleißes der beiden Segmente berechnet und war wie folgt:
Herkömmliche Segmente 44,8 m
Poröse Segmente der Erfindung 45,6 m
Somit bieten die porösen Segmente der Erfindung eine höhere Standzeit als herkömmliche Segmente und sind weniger teuer herstellbar.

BEISPIEL 2

Diamant-Sägeblattsegmente wurden mittels des in Beispiel 1 beschriebenen Verfahrens mit den folgenden Änderungen erzeugt:
Das Pulver auf der Grundlage von Eisen bestand aus 75,7% Eisen, 20% Wolfram und Wolframcarbid, 4% Nickel, 0,3% Kohlenstoff.
Die Segmente wurden mittels Laserschweißen an einem Stahl-Kreissägeblatt montiert.
Ein Kreissägeblatt, das Sägesegmente im wesentlichen ohne Porosität auf der Grundlage von Kobaltstahl enthielt, wurde mit einem Kreissägeblatt verglichen, das auf die oben beschriebene Weise hergestellt wurde. Die Tests wurden durchgeführt, indem 17 h lang roter Ziegelstein geschnitten und der Verschleiß der Segmente gemessen wurde. Es wurde gefunden, dass der Verschleiß wie folgt war:
Herkömmliche Segmente 0,4 mm Verschleiß
Poröse Segmente der Erfindung 0,3 mm Verschleiß
Somit wurde gefunden, dass die porösen Segmente der Erfindung im Vergleich zu herkömmlichen Segmenten mit einer langsameren Geschwindigkeit verschlissen. Die Schneidgeschwindigkeit durch Ziegelstein war in beiden Fällen ähnlich.

BEISPIEL 3

Metallgebundene Diamantperlen zur Verwendung an einem Diamantdraht wurden unter Verwendung eines Pulvers auf der Grundlage von Eisen hergestellt, das ganz aus Eisen bestand. Eine Mischung des Pulvers auf der Grundlage von Eisen und Diamant wurde in eine automatische Kaltpressmaschine eingespeist, die die Mischung mit 800 MPa auf eine Hülse aus massivem Stahl presste. Dieses kaltgepresste Produkt wurde in einen Ofen gelegt und einer Temperatur von 1120ºC ausgesetzt, die für einen Zeitraum von 30 min aufrechterhalten wurde. Das im Ofen verwendete reduzierende Gas bestand aus 10% Wasserstoff und 90% Stickstoff, wobei beide Prozentwerte auf das Gewicht bezogen sind. Es wurde festgestellt, dass die Porosität der gesinterten Perlen 15% betrug.
Die auf diese Weise hergestellten porösen Perlen wurden auf einen Stahldraht gefädelt und mit einer Schicht aus vulkanisiertem Gummi in der Position auf dem Draht gehalten. Ein ähnlicher Diamantdraht wurde unter Verwendung von Perlen im wesentlichen ohne Porosität, die mittels eines Verfahrens des Standes der Technik hergestellt worden waren, hergestellt.
Ein aus dem Schneiden von schwarzem Belfast-Granit bestehender Schneidtest wurde unter Verwendung der beiden Diamantdrähte durchgeführt. In jedem Fall wurde ein 50-m-Stück Draht verwendet. Die Schneidgeschwindigkeit wurde gemessen, und die Zahl der mit jedem Draht geschnittenen Quadratmeter wurde gemessen:
Herkömmliche Perlen: Schneidgeschwindigkeit 4 m²/h; 475 m² geschnitten
Poröse Perlen der Erfindung Schneidgeschwindigkeit 3 m²/h; 550 m² geschnitten
Es wurde gefunden, dass die porösen Perlen der Erfindung mit einer etwas geringeren Geschwindigkeit schnitten, aber eine höhere Standzeit hatten.

BEISPIEL 4

Eine Bergbau-Bohrkrone des Typs, der zum Bohren von Löchern in Fels zur Anfertigung einer Kernprobe zur geologischen Untersuchung verwendet wird, wurde hergestellt. Es wurde ein Pulver auf der Grundlage von Eisen verwendet, das aus 84% Eisen, 11% Kobalt, 4% Kupfer und 1% Kohlenstoff bestand, wobei alle Prozentwerte auf das Gewicht bezogen sind.
Eine Mischung aus dem Pulver auf der Grundlage von Eisen und Diamant, gefolgt von einer Schicht des Pulvers auf der Grundlage von Eisen ohne Diamant zur Bildung einer Schicht zur Bindung an einen Stahladapter, wurde in ein Stahlwerkzeug gefüllt. Der Stahladapter wurde auf der diamantfreien Schicht positioniert, und eine ungebundene Anordnung wurde bei einem Druck von 400 MPa kaltgepresst. Auf diese Weise wurde ein kaltgepresster Körper erzeugt, der in einen Ofen gelegt und für einen Zeitraum von 30 min einer Temperatur von 1120ºC in einer Atmosphäre von 10% Wasserstoff und 90% Stickstoff ausgesetzt wurde. Die diamanttragende Schicht des Körpers wies eine Porosität von 15 auf.
Der Stahladapter wurde so bearbeitet und mit einem Gewinde versehen, dass er in ein Bohrgestänge eingesetzt werden konnte. Die Bohrkrone wurde mit 1500 U./min bei einem Druck von 1500 kg zum Bohren von Norit eingesetzt. Die erreichte Eindringgeschwindigkeit betrug 150 bis 200 mm/min. und die projizierte Standzeit der Bohrkrone betrug 40 bis 50 m. Dies ist vorteilhaft im Vergleich zu einer Bohrkrone, die mittels Verfahren des Standes der Technik hergestellt wurde und eine Porosität von etwa 5% aufwies.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines metallgebundenen Schleifkörpers eines Sägensegments, eines Bohrmeißelsegments, eines Kernbohrersegments oder einer Perle für einen Diamantdraht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen einer Mischung des Metalls in partikelförmiger Form mit Schleifpartikeln; Kaltpressen der Mischung in die gewünschte Endform bei einem Druck im Bereich von 320 MPa bis 1500 MPa, um ein kaltgepresstes Erzeugnis mit einer Porosität von 10% bis 25% bezogen auf das Volumen herzustellen; und Freisintern des kaltgepressten Erzeugnisses bei einer Temperatur im Bereich von 900ºC bis 1300ºC unter Bedingungen, die eine Degradation der Schleifpartikel und des partikelförmigen Metalls verhindern, um einen metallgebundenen Schleifkörper mit einer Porosität von 10% bis 25% bezogen auf das Volumen herzustellen; und Entnehmen des so freigesinterten metallgebundenen Schleifkörpers.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der im Kaltpressschritt aufgewendete Druck bei 400 MPa bis 850 MPa liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei das Freisintern bei einer Temperatur im Bereich von 100ºC bis 1150ºC stattfindet.

4. Verfahren nach einem der voranstehenden Anspruche, wobei die Porosität, die im kaltgepressten Erzeugnis vorhanden ist, auch nach dem Frei sintern im Erzeugnis vorhanden ist.

5. Verfahren nach einem der voranstehenden Anspüche, wobei das Metall Eisen oder eine eisenreiche Legierung.

6. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Schleifpartikel ultra-harte Schleifpartikel sind.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei die ultra-harten Schleifpartikel Diamant oder Bornitrid sind.

8. Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, wobei die Bedingungen für das Freisintern eine inerte oder reduzierende Atmosphäre oder ein Vakuum sind.

9. Metallgebundener Schleifkörper eines Sägensegments, eines Bohrmeißelsegments, eines Kernbohrersegments oder einer Perle für einen Diamantdraht, hergestellt durch ein Verfahren gemäss einem der voranstehenden Ansprüche.

10. Schleifwerkzeug, das einen metallgebundenen Schleifkörper gemäss Anspruch 9 als Schleifeinsatz umfasst.

11. Schleifwerkzeug gemäss Anspruch 10, das eine Säge, ein Diamantkabel, ein Bohrmeißel oder ein Kernbohrer ist.