DE2411785A1

DE2411785A1 - Verbessertes diamantschleifwerkzeug und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE2411785A1
Application number: DE2411785A
Authority: DE
Inventors: James T Lowder; Edwin M Tausch; Ohio Worthington
Original assignee: Abrasive Technology Inc
Current assignee: Abrasive Technology Inc
Priority date: 1973-08-14
Filing date: 1974-03-08
Publication date: 1975-02-27
Also published as: SE402414B; JPS5522194B2; JPS5039661A; FR2240791A1; CA1008251A; GB1462510A; FR2240791B1; SE7403182L

Description

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Dr. - Ir?. I ;ΛΓ!Ο RUSCHKE

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Dip:.-!:".o- ■' ·>3 J. Ίίϋο«-;-ίΚε

1 B Γ. RLlH 33 Auguste-Viftoria-Straßft 65

A 1450 Abrasive Technology Inc., Columbus/ühio

Verbessertes Diamantschleifwerkzeug und Verfahren zu dessen Herstellung

Zusammenfassung

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Diamantwerkzeug und ein Verfahren zu dessen Herstellung, das durch eine Technik zum direkten Löten von Diamantkristallen an eine Substratfläche gekennzeichnet ist und keine Vorbehandlung der Diamantoberfläche erfordert, um bei dieser die erforderliche Benetzung zu erzielen. Bei dem angemeldeten Verfahren v/erden leicht erhältliche, sehr harte und haltbare Lötlegierungen verwendet, die, wie gefunden worden ist, die Diamantoberflache leicht benetzen und zu einem Endprodukt führen, bei dem im allgemeinen eine sehr geringe Tiefe bzw. Dicke von dem Le^ierungsbindematerial zwischen benachbarten Diamantkristallen vorhanden ist und die Kristalle ausgezeichnet feat,-ehalten werden, und das eine sehr verlängerte Lebensdauer bei de- Einsatz als 'Werkzeug auf v/eist.

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Die dieser Anmeldung entsprechende US-Anmeldung ist eine "continuation-in-part^M-Anmeldung der am 4. Fovember 1971 eingereichten und nunmehr fallengelassenen US-Anmeldung Serial-Ifummer 195 705. Techniken zur Förderung des Haftvermögens von Diamanten an Metall sind in der Trennschleif- und Formschleifwerkzeugindustrie seit langem mit vielen Problemen verbunden. Obwohl in diesem Zusammenhang Versuche mittels Löttechniken durchgeführt worden sind, haben bis jetzt die IFachteile dieser Verfahren verhindert, daß diese die gegenwärtigen industriellen Techniken des Elektroplattieren ersetzen.

Ein Verfahren unter Anwendung der löttechnik ist in der US-Patentschrift 2 278 651 beschrieben. Diese Patentschrift lehrt, daß zunächst die Überfläche des Diamanten durch Aufbringen einer Schicht aus Titanhydrid bearbeitet werden und dann der beschichtete Diamant in Gegenwart von weichen Legierungen, wie z.B. von Kupfer- und Kupfer-Silber-Typen, und einem Metallsubstrat auf eine geeignete Temperatur erwärmt werden muß, um eine Bindung zwischen dem Diamanten und dem Metallsubstrat zu erzielen.

Ein anderes bekanntes Verfahren besteht darin, daß man die Diamanten unmittelbar vor dem Kontakt mit einem geschmolzenen Bindemetall reichlichen Mengen Zinkmetalldampf aussetzt. Obwohl die vorstehend angegebenen Verfahren geeignet sind, das Haftvermögen von Diamant an Metall zu fördern, sind diese Verfahren sehr langwierig und sehr schwierig in wirtschaftlicher V/eise durchzuführen.

Ferner wird bei jedem dieser Verfahren die Verwendung einer relativ weichen Lötlegierung, im allgemeinen eine der Kupfer-Silber-Typen, in Verbindung mit einer langwierigen Vorbearbeitung bevorzugt. Die bei Durchführung dieser Verfahren erzielte Bindung war außerdem von geringer Qualität in bezug auf eine genügende Schleifstaubfestigkeit und einen genügenden Halt der Diamantkristalle. Daher wurden Diamantschleifwerkzeuge im allgemeinen unter Anwendung der alten Elektroplattierungstechnik

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industriell hergestellt, wenn auch diese hinsichtlich der hohen Kosten und der Qualität viel zu wünschen übrig ließen.

Die Erfindung bezieht sich auf ein neues Verfahren zur Herstellung von Diamantschleifwerkzeugen mittels einer direkten Löttechnik, die nicht die konventionellen Techniken des Konditionierens oder Vorbehandelns erfordern. Allgemein gesagt, beruht das Verfahren der Erfindung auf der Feststellung, daß bestimmte Lötlegierungen die Oberfläche von Diamantkristallen leicht benetzen und eine sehr feste Bindung des Diamanten an Metallsubstrate zustandebringen. Diese Legierungen können am besten allgemein als Lot- und Hartbelagslegierungen eines auf Kobalt und/ oder Uickel basierenden Typs mit einem bestimmten Prozentgehalt · an Chrom definiert werden. Es ist gefunden worden, daß diese Gruppe der Lötlegierungen direkt auf die unbehandelte T'amantoberfläche aufgebracht werden kann und dadurch überlegene Ergebnisse gegenüber irgendeinem bekannten Verfahren erzielt werden. Die Konfiguration des so gebildeten Produkts ist einmalig, da die Lötlegierung an der Diamantoberfläche haftet und nicht von dieser während der Behandlung fortfließt und dadurch ein größerer Oberflächenkontakt zwischen dem Diamanten und der Legierung unter Ausbildung einer festeren Bindung erzielt wird.

ils ist daher ein Hauptziel der Erfindung, ein neues Verfahren zum Binden von Diamantkristallen an ein Metallsubstrat durch einen direkten Lötprozeß zur Verfügung zu stellen.

Nach einen anderen Ziel der Erfindung soll ein Verfahren der angegebenen Art vorgeschlagen werden, das zu einer überlegenen Bindung gegenüber den bekannten Techniken führt und bei industrieller Herstellung wirtschaftlich durchführbar ist.

Nach einem anderen Ziel der Erfindung soll ein Diamantschleifwerkzeug vorgeschlagen werden, das eine überlegene Qualität in bezug auf Zähfestigkeit und Scheuerfestigkeit der Bindung zwischen dem Diamanten und dem Ketallsubstrat zeigt und bei dem die

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Lötlegierungsbindung ihre kleinste Tiefe bzw. Dicke an einem Punkt zwischen Diamantkristallen hat.

Mach einem anderen Ziel der Erfindung soll ein Werkzeug des beechriebenen Typs geschaffen werden, bei dem die Diamantkristalle wirksamer an dem Metallsubstrat befestigt sind im Verhältnis zu der Menge des bindenden Metalls, die zur Schaffung einer geeigneten Unterlage erforderlich ist.
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Fach noch einem weiteren Ziel der Erfindung soll ein Verfahren der beschriebenen Art vorgeschlagen werden, das die Herstellung von Schleifwerkzeugen unter Anwendung einer einzelnen Schicht von Diamantkörnern kleinerer Größe, als es bisher unter Anwendung der konventionellen bekannten Elektroplattierungstechniken möglich war, erlaubt.

Weitere Ziele und Vorteile der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung und der dazugehörenden Zeichnung, in der bevorj zugte Ausführungsformen der Erfindung klar dargestellt sind, zu entnehmen.

j Die Erfindung beruht auf der, lange dem Fachmann entgangenen Feststellung, daß Diamantkristalle an ein Metallsubstrat durch Verwendung bestimmter Lötlegierungen, die nicht eine umständliche Vorbearbeitung der Oberfläche der Diamantkristalle erforder-

lieh machen, fest gebunden werden können.·

! Es ist gefunden worden, daß diese Legierungen, die Diamant

• leicht benetzen und eine feste Bindung echaffen, die stark und soheuerfeet ist, durch die Nickel-Chrom- oder Kobalt-Hickel-Chrom-Gruppe von Löt- und Hartbelagslegierungen verkörpert werden. Obwohl viele Modifizierungen und Zusätze bei diesen Grundbestandteilen möglich sind und innerhalb eines bestimmten Bereichs der Zusammensetzungen geeignet sein mögen, scheinen bestimmte Kombinationen von Chrom mit Nickel oder Kobalt zur Erzielung industriell verwertbarer Ergebnisse gemäß der Erfindung

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wesentlich, zu sein.

Nickel und Kobalt stellen ein sehr atarkea, korrosionsfestes Grundmaterial für die Legierung dar. Alle zur Verfugung stehenden Teste zeigen, daß Chrom das hauptsächliche Netzmittel bei diesen Legierungstypen ist und ein Material ergibt, das die Diamantoberfläche genügend benetzt und ein wirksames Bindematerial abgibt. Ferner scheint Chrom der Legierung eine erwünschte Härte zu verleihen. Elemente, wie Bor, Silicium und Phosphor, sind erforderlich, um den Schmelzpunkt der Legierung zu erniedrigen, und es wird angenommen, daß diese Elemente die Fließfähigkeit der geschmolzenen Legierung fördern und ala Flußmittel wirken, sowie in geeigneten Anteilen die Härte der Legierung erhöhen oder erhalten, ohne daß die Sprödigkeit" der Legierung in nachteiliger Weise vergrößert wird.

Andere Elemente in relativ kleineren Prozenten, wie Eisen und' Kohlenstoff, scheinen für die Herstellung dieser Legierungen nur nebensächlich zu sein, und zwar in den Anteilen, in denen sie in den normalen Ausgangematerialien vorhanden sind. Zu anderen ; Elementen, die in einigen getesteten Materlallen enthalten sind, ! gehören Wolfram oder Mangan in Anteilen, die im allgemeinen untejf 10 £ liegen, doch sind diese Blemente nicht erforderlich und scheinen dem Diamanten keine wesentliche Bindefähigkeit zu vor- _; leihen oder «ine solche Bindefähigkeit zu unterstützen.

Ein großer Bereich von Legierungszusammensetzungen ist getestet worden, und solche Legierungen, die zu der bekannten Gruppe der Lot- und Hartbelagslegierungen gehören, die bestimmte Mengen des wesentlichen Elements Chrom in einem Nickel- oder Kobaltgrundmaterial enthalten, scheinen gemäß der Erfindung wirksam au sein. Weil viele dieser Legierungen im Handel erhältlich sind, 1st es verständlich, daß der grüßte Teil der Teste aus wirtsohaftiionen Gründen unter Verwendung dieser im Handel erhältlichen Materia-, lien ,durchgeführt worden 1st.

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Diese Teste zeigen jedoch bestimmte Begrenzungen in bezug auf die wesentlichen Metalle. Z.B. muß angenommen werden, daß Le-• gierungsmaterialien, die weniger als etwa 2 Ji Chrom enthalten, die Diamantoberfläche nicht genügend benetzen, um eine geeignete Bindung bilden zu können, die für industriell verwendbares Schleifwerkzeug brauchbar ist. Ferner werden, wenn sich der Prozentgehalt von Chrom auf 2 bis etwa 5 5* erhöht, eine gute Benetzbarkeit und eine geeignete. Bindung ersielt. Bei einem Chromgehalt über ungefähr 5 l· scheint jedoch die Benetzungefähigkeit, die eine ausgezeichnete Bindungabildung erlaubt, wesentlich gegenüber solchen Legierungsmaterialien verbessert zu sein, die weniger als etwa 5 i» Chrom enthalten.

Es wird außerdem darauf hingewiesen, daß Legierungsmaterialien mit einer Zunahme des Chromgehalte zwischen 6 bis 26 jC keine wesentliche Zunahme in der Benetzungefähigkeit gegenüber einem anderen Legierungematerial zeigten. Wenn einmal eine genügende Benetzungefähigkeit erreicht ist, so daß die Legierung der Diamantoberfläche gut anhaftet, wird offenbar eine leicht feststellbare .Änderung in der Bindestruktur oder .ein erhöhtes Haftoder Haltevermögen nicht erzielt.

Die !Festwerte zeigen klar, daß eine ausgezeichnete Benetzung und ein ausgezeichnete« Kristallhaftvermögen in dem Zusammensetzungebereich erzielt wirdj der einen Chromgehalt von 6 bis 26 j( erfaßt. Diese Teste ergaben keine Resultate, die erwarten ließen, daß ein größerer Ghromgehalt als 26 Ji Chrom zu wesentlich besseren Ben·tzungeeigenschaften führen wurde.

Andererseits jedoch 1st zu erwarten, daß ein Chromgehalt über 26 Jf zur Erzielung einer ausreichenden Benetzung der Diamantkristalle ziemlich gut geeignet ist.

Daher ist die obere Grenze des Chromgehalts am geeignetsten- auf einen Funkt nahe der eutektischen Zusammensetzung eines Nickel·- Chrom- oder Kobalt-Chrom-Systema festzulegen, bei dem eine Er-

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höhung des Schmelzpunkts eine Erhöhung in der Bearbeitungetemperatur zum Nachteil der Diamantkristalle erforderlich macht. Außerdem kann diese obere Grenze durch andere Eigenschaften festgelegt werden, wie durch Härte, Duktilität oder Sprödigkeit, die die Brauchbarkeit der erhaltenen Legierung für die gemäß der Erfindung vorgeschlagenen Zweoke nachteilig beeinflussen würden. In diesem Zusammenhang scheint eindeutig zu stin, daß der Chromgehalt nicht wesentlich ron de». 6- bis 2 6-^-Be reich abzuweichen braucht, ua die gewünschten ausgezeichneten Benetzung«- und Bindeeigenschaften zu erzielen. Daher scheinen höhere Chromgehalte, die erwartungsgemäß nach der Erfindung gut geeignet sind, keine wesentlichen Vorteile gegenüber dem gesamten Bereich hinsichtlich einer erhöhten Benetzungsfähigkeit der Legierung zum Binden . von Diamant kr ist allen zu bringen.

Hinsichtlich des Schmelzpunkts einer bestimmten Legierung inner-; ι

■ i halb der hier angegebenen allgemeinen Grenzen für die Zusammen- ; ' setzung ist festzustellen, daß Arbeitetemperaturen über 1300⁰C sehr unerwünscht sind. Ein durch Wärme bedingter Abbau der Diamantkristalle über dieser Temperatur ist wahrscheinlich so schwerwiegend, daß die Brauchbarkeit des Werkzeugs erheblich be->. einträchtigt wird. In der Praxis werden" Arbeitstemperaturen unter 1200°0 sehr bevorzugt.

Die Uickel- und Kobaltmetalle, äia das Legierungsgrundmaterial · '■ darstellen und die gewünschte Festigkeit und Haltbarkeit ver- !

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leihen, die zur Erzielung eines guten Bindemittels für Schleif- ! ■ werkzeuganwerdungen erforderlich sind, scheinen im allgemeinen untereinander in einem gewissen Ilaße austauschbar zu sein. Zu geeigneten Zusammensetzungen, die gemäß der Erfindung, getestet vrurden, gehören solche mit 17 bis 92 fl Hickel und "bis «u 52 }C Kobalt.

Bis insgesamt zu etwa 12 #, aber vorzugsweise nicht mehr als et- j wa 10 #, von den Elementen Bor, Silicium und Phosphor, einzeln oder in Kombination, wirken in diesen Legierungesystemen sehr

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gut, um eine erwünschte Herabsetzung des Schmelzpunkts zu erzielen und eine erwünschte Flußmittelwirkung zu ergeben. Höhere Prozente können unerwünscht sein, wenn eine nachteilige Zunahme in der Sprödigkeit der Legierung festgestellt wird.

Es wird daher betont, daß im allgemeinen Legierungssysteme, die vorzugsweise mindestens etwa 60 $ oder mehr Nickel oder Kobalt oder eine Kombination dieser Iietalle und mindestens mehr als 2 $, vorzugsweise über etwa 5 ^c/° Chrom enthalten, für das Verfahren der Erfindung wesentlich sind. Außerdem sind Bor, Silicium und Phosphor sehr erwünscht, zumindest in Anteilen bis zu etwa 12 °ß>, aber vorzugsweise von weniger als 10 ^ύβ>.

Im Hinblick auf die im Handel erhältlichen Legierungen innerhalb dieser allgemeinen Grenzen für die Zusammensetzung, wobei diese Legierungen bisher für völlig andere Zwecke verwendet worden sind, scheinen keine wesentlichen Vorteile durch Verwendung von Legierungen mit Zusammensetzungen, die einen Ohromgehalt weit über etwa 30 $ aufweisen, gegeben zu sein.

Ss soll betont werden, daß innerhalb der hier angegebenen allgemeinen Grenzen einige Legierungen bessere Resultate ergeben als andere oder leichter für die Zwecke des erfindungsgemaßen Verfahrens zu bearbeiten sind als andere, und zwar je nach den speziellen Verfahrensmaterialien und -umständen.

Bei Durchführung der Erfindung ist es bequem, ein temporäres Bindemittel oder andere Mittel zu verwenden, um die Diamantkörner und Lötlegierungsteilchen an Ort und Stelle an der Metallfläche zu halten, an der die Diamanten befestigt werden sollen. Ein solches Bindemittel kann vom Flußmitteltyp oder einfach eine harzartige Verbindung sein, die in einem geeigneten organischen Lösungsmittel gelöst ist. Es ist von Bedeutung, daß das Bindern ttel keinen Sauerstoff abgibt, weil die Atmosphäre in dem Ofen aus wirtschaftlichen Gründen im wesentlichen frei von Sauerstoff

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sein soll, um einen geeigneten Fluß der Lötlegierung sicherzustellen. Das Vorhandensein von Sauerstoff verhindert das Benetzen des Diamanten, indem die Bildung von Oxiden auf der Oberfläche des Lots ermöglicht wird. Ifach dem Herstellen des zusammengesetzten Gebildes aus Substrat, Lötlegierung und Diamant wird dieses Gebilde einem Ofsnzyklus in einer reduzierenden Atmosphäre oder einem Vakuum unterworfen und erwärmt, bis die Lötlegierung fließt und die Diamantkristalle und das Metallsubstrat benetzt. Bin vollständiger Ofenzyklus erfordert keine längere Dauer, als sie bei den normalen Lötvorgängen für Metalle angewendet wird. Die optimale Löttemperatur ist im allgemeinen etwas höher als die Verflüssigungstemperatur der Legierung, weil eine gute Fließfähigkeit des Lots erforderlich ist.

Das Verfahren kann in zwei Verfahrensstufen anstelle einer einzigen durchgeführt werden,, und in einigen Fällen kann dieses erwünscht sein. Bei dem zweistufigen Verfahren wird die Lötlegierung in der oben beschriebenen Weise aufgebracht, wobei jedoch keine Diamantkristalle vorhanden sind. Nach dem Schmelzen der Lötlegierung werden die Diamantkristalle an der Lötlegierungsschicht auf dem Metallsubstrat durch Anwendung eines temporären Bindemittels befestigt, und dann wird die Kombination wiederum dem Ofenzyklus unterworfen. Bei diesem zweistufigen Verfahren wird der gleiche G-rad der Diamant bindung erzielt wie bei dem einstufigen Verfahren; bei dem zweistufigen Verfahren kann jedoch eine etwas bessere Regelung der Oberflächengleichmäßigkeit bei dem Schleifwerkzeug erzielt werden. Wenn eine größere Gleichmäßigkeit erwünscht ist, kann die mit der Lötlegierung beschichtete Oberfläche vor dem Auftragen des Diamanten bearbeitet werden.

Die Anwendung der Erfindung zur Herstellung von Diamantschleifwerkzeugen erfaßt eine gieße Vielfalt von Werkzeuggrößen, -formen und -typen von äußerst dünnen Schleifscheiben bis zu Schleifrädern mit großem Durchmesser und Sägeblättern. Geeignete Substrat- oder Kernmaterialien werden leicht unter den unlegierten

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Kohlenstoffstählen und den legierten Stählen gefunden. Werkzeugstähle und korrosionsfeste Stähle sind wegen ihres allgemeinen Widerstandsvermögens gegenüber einem Verwerfen oder größenmäßigen Verändern während der erforderlichen Wärmebehandlung besonders" geeignet.

Solche gemäß der Erfindung hergestellten Schleif- oder Schneidwerkzeuge zeigen einen überlegenen Wirkungsgrad gegenüber konventionellen Werkzeugen vom einschichtigen Typ. Verbesserungen in den Wirkungsgradkriterien, wie Materialentfernungsgrad, Werkzeugabtrag, Oberflächenbearbeitungsgüte, Wärmeerzeugung und Einsparung von Diamant, sind beobachtet worden. Alle derartigen Verbesserungen beruhen auf der Tatsache, daß die Erfindung eine bessere Bindung der Diamantkörner mit weniger Bindemetall schafft, als dieses bisher möglich war. Es ist nicht möglich, für eine einzelne Lötlegierung vorherzusagen, ob eine echte metallurgische Bindung zwischen der legierung und dem Diamanten nach Beendigung des Bindeprozesses vorliegt. Die Scherspannungen, die sich aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung und Kontraktion zwischen dem Diamanten und der entstehenden Bindung entwickeln, reichen in den meisten Fällen aus, die Bindung an der Grenzfläche zu zerstören, wenn nicht die Bindung so biegsam bzw. duktil ist, daß. sie ein Nachgeben erlaubt. Abgesehen davon schafft die Erfindung ein optimales Trägermaterial für jeden Kristall, weil während des Schmelzena der Lötlegierung die Seiten- und die Bodenfläche von jedem Kristall durch die Legierung benetzt wird und eine "Fassung" gebildet wird. Dieser Aspekt der Erfindung ist in der Figur 1 gezeigt, die einen Querschnitt von Diamantkörnern 10, die an eine Werkzeugfläche 20 gelötet sind, wiedergibt. Die Bindefläche 30 wird als "konkav" charakterisiert, d.h. die Tiefe oder Dicke der Legierungsmetallbindung weist einen Kleinstwert bei einem Punkt zwischen benachbarten Kristallen auf. Ein Querschnitt von einem elektroplattierten Diamantwerkzeug mit einem dafür charakteristischen Aufbau ist in der Figur 2 wiedergegeben. Die Oberfläehenkontur des Bindemetalls 40 ist bei elektroplattieren Werkzeugen von Natur

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aus konvex, wodurch eine sehr kleine Unterlage für die Diamantkristalle 50 "bei einer gegebenen Dicke von Bindemetall gegeben ist.

Es soll betont werden, daß das Verfahren der Erfindung wesentliche Vorteile gegenüber den bisherigen Verfahren zur Herstellung von Sohleifdiamantwerkzeugen hat. Z.B. kann die Tiefe oder Dicke der Bindung zwischen einzelnen Kristallen für eine bestimmte Anwendung in einfacher -und billiger Weise durch bloßes Einstellen der auf das Substrat aufgetragenen Menge Lötpulver "zugeschnitten¹¹ werden. Dieses ist besonders vorteilhaft bei kritischen Abnutzungsflächen, wie z.B. kleinen Bundkopfteilen, Kanten oder Ecken von bestimmten Werkzeugformen.

Ferner wird die Gleichmäßigkeit der Bindung auf der gesamten Werkzeugfläche auf eine viel einfachere und bequemere Weise im Vergleich zu den früheren Lötversuchen erreicht, die von dem Einhalten eines gleichmäßigen Verhältnisses von Zinkdämpfen oder Titanhydrid zu dem Lot auf der gesamten Substratfläche abhängig waren.

Das bei Durchführung der Erfindung erhaltene Produkt beweist diese Vorteile gegenüber den zur Zeit erhältlichen Werkzeugen dieser Art. Die relative Einfachheit der Regelung der Bindungstiefe und der Kristallverteilung erlaubt die direkte Herstellung eines Werkzeugs besserer Qualität. Die Festigkeit und Haltbarkeit einer einzigen homogenen Legierungsbindung mit der vorgeschlagenen Zusammensetzung zeigt die gewünschte Bindungskonfiguration und stellt einen erheblichen Vorteil bei dem einschichtigen Werkzeugaufbau dar. Dieser Vorteil ist besonders bei einem Vergleich der Art der Werkzeugabnutzung zwischen einem nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten Produkt und bisher im Handel erhältlichen elektroplattieren Werkzeugen ersichtlich.

Bei den bisherigen einschichtigen Werkzeugen wird die Art der Werkzeugabnutzung im Vergleich zur Werkzeugnutzungsdauer haupt-

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sächlich durch Kristallausfall bestimmt, d.h. das Diamantbindemittel versagte, bevor der Diamantkristall durch Abtragung "flach" wurde.

Bei dem nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten gelöteten Werkzeug beruht die Art der Vierkzeugabnutzung hauptsächlich auf einem Abflachen einzelner Kristalle, das auf Reibung und Bruch zurückzuführen ist. Eo ist datier leicht zu erkennen, daß bei einem solchen Werkzeug die Diamantkristalle bis zu ihrem vollen Maße ausgenutzt werden, und zwar v/eil die Festigkeit der den Kristall an Ort und Stelle haltenden Bindung so genügend groß ist, daß eine größtmögliche Ausnutzung des Diamantkristalls möglich ist.

Praktische Vergleiche zur Bestimmung der Standzeit von Diamantwerkzeugen auf zahnmedizinischen Anwendungsgebieten zwischen elektroplattieren Werkzeugen und "gelöteten Werkzeugen¹¹, die nach dem Verfahren der Erfindung hergestellt worden sind, zeigen klar, daß solche gelöteten Werkzeuge eine Nutzungsdauer haben, die bis sechsmal länger als die von elektroplattieren Werkzeugen unter gleichen Anwendungsbedingungen ist. Ferner haben nach dem Verfahren der Erfindung hergestellte gelötete Werkzeuge im allgemeinen eine Nutzungsdauer, die mindestens zwei oder viermal langer ist als im Handel erhältliche elektroplattierte Werkzeuge, die im wesentlichen entsprechenden Anwendungsbedingungen unterworfen werden.

Alle hier angegebenen Prozente beziehen sich auf das Gewicht.

Nachfolgend werden typische Beispiele für die Durchführung der Erfindung gegeben.

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Beispiel 1

Eine kleine Menge vorlegiertes Lötmetall mit einer Teilchengröße unter 0,044 mm (-325 mesh) und mit einer Zusammensetzung, entsprechend 7,0 i» Ghrom, 2,9 36 Bor, 4,5 $ Silicium, 3,0 °/o Eisen, unter 0,1 fo Kohlenstoff und Rest Wickel, wurde in eine Lösung von 2-üthoxy-äthylacetat, gesättigt mit einem verschäumten Urethan, eingetragen. Die Löt-^llParbe" wurde mit einer Bürste auf einen Werkzeugkern aus M-2-Stahl und einem Durchmesser von 0,16 cm (one-sixteenth diameter) aufgetragen. Ohne daß die Löt-"Farbe" trocknen konnte, wurden auf diese Jiamantkristalle mit einer G-röße von 0,125 bis 0,149 mm durch Berieseln aus einem Sieb gleichmäßig aufgetragen. Das Gebilde wurde dann bei 107°G zur Entfernung überschüssiger flüchtiger Bestandteile getrocknet. Das Gebilde wurde dann in einem Ofen (der bei 1O93°C gehalten wurde) für 6 Minuten in einer trocknen Wasserstoffatmosphäre angeordnet und dann in dieser Atmosphäre abgekühlt. Das Urefchanbindemittel hielt mit Erfolg das Lötmittel und die Diamantteilchen an dem Kern fest, verflüchtigte sich jedoch während der Behandlung im Ofen. Das erhaltene Werkzeug bestand aus einer einzigen Schicht von Diamantkristallen, die an den Teil des Werkzeugs, auf den sie aufgetragen worden waren, fest gebunden waren, wobei jeder Kristall eine sehr gute Vorwölbung über der Bindemetallfläche aufwies.

Auf diese Weise hargestellte Werkzeuge und im Handel erhältliche Werkzeuge mit gleicher Größe, Form und Diamantkristallgröße wurdan von Fachleuten auf dem Gebiet der Zahnmedizin zur Bewertung in mit hoher Geschwindigkeit arbeitenden Lufttürbinenschleifgeräten getestet. Die Meinungen dieser Fachleute waren praktisch einmütig; das nach der Erfindung hergestellte Werkzeug war in jeder Hinsicht den besten im Handel erhältlichen Werkzeugen (die alLe elektroplattierte Werkzeuge waren) überlegen.

Beispiel 2

Das Verfahren des Beispiels 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme

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jedoch, daß das Lot aufgetragen und in einem Ofenzyklus geschmolzen worden war, bevor der Diamant aufgetragen wurde. Bei dieser Verfahrensweise wurde die Oberfläche des Lots mit der Bindemittellösung benetzt und wurden die Diamantkristalle durch Berieseln aufgebracht. Bin zweiter Ofenzyklus führte zu der Bindung.der Diamanten durch das Lötmetall. Diese Technik ermöglicht eine äußerst genaue Einstellung der Oberflächenregelmäßigkeit oder Kontur der Diamantkristalle. Das Lot konnte aufgetragen und zu einer profilierten Werkzeugoberfläche geschmolzen und dann zu einer genauen Gleichmäßigkeit vor dem Auftragen der Diamantkristalle bearbeitet werden.

Beispiel 3

Das Verfahren des Beispiels 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme jedoch, daß die Lötlegierung die folgende Zusammensetzung hatte: 13,5 i Chrom, 3,0 jt Bor, 4,25 36 Silicium, 4,75 fi Eisen, 0,75 i Kohlenstoff und Rest iiickel. Das Haftvermögen von Diamantkristallen mit einer Größe von 0,105 - 0,125 mm auf einem korrosionsfesten Stahlkern (Typ 416) war ausgezeichnet, und die so hergestellten Werkzeuge zeigten eine äußerst-schnelle Schneidleistung und eine große Haltbarkeit bei Glas, Quarz und Poraellankeramikmaterialien.

Beispiel 4

"Teststreifen" unter Verwendung von 0,013 cm dicken (0,005 thick) Kohlenstoffstahlsubstraten wurden nach, dem Verfahren des Beispiels 1 hergestellt, um die Eigenschaften von zwei weiteren LotIegierungen in bezug auf das Benetznngs- und Bindevermögen gegenüber Diamantkristallen zu prüfen. Eine Legierung von 13,0 # Chrom, 10,0 fi Phosphor und Rest Nickel band Diamantkristalle mit einer Größe von 0,105 - 0,125 mm fest an den Stahlstreifen, jiiine Legierung von 3,0 ^ Bor, 4,5 ^ Silicium und Rest nickel zeigte keine Tendenz, die Diamantkristalle zu benetzen und an dae Substrat zu binden.

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Beispiel 5

Das Verfahren des Beispiels 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme jedoch, daß die Ofentemperatur 1160⁰C betrug und die Lötlegierung die folgende Zusammensetzung hatte: 19,0 i» Chrom, 0,8 $> Bor, 8,0 io Silicium, 17,0 # Nickel, 4,0 i» Wolfram, 0,4 $> Kohlenstoff, Rest Kobalt. Das Haftvermögen von Diamanten mit einer Größe von 0,105 - 0,125 mm war ausgezeichnet, und auf diese Weise hergestellte Werkzeuge zeigten eine ähnliche ausgezeichnete Schneidwirkung, wie sie in den vorstehenden Beispielen angegeben ist.

Beispiel 6

Das Verfahren des Beispiels 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme jedoch, daß die Zeitspanne im Ofen auf 8 Minuten bei 1150⁰G erhöht wurde und eine Legierung mit der folgenden Zusammensetzung verwendet wurde: 21,0 $ Chrom, 3,0 $ Silicium, 3,2 $ Bor, 44,0 Jo Kobalt, 1,0 # Eisen, 17,0 i» Nickel, 0,8 f> Kohlenstoff und 10,0 "fr Wolfram. Die erhaltenen Werkzeuge zeigten praktisch die· gleichen Eigenschaften wie die in den vorstehenden Beispielen angegebenen Werkzeuge.

Beispiel 7

Das Verfahren des Beispiels 6 wurde wiederholt mit der Ausnahme jedoch, daß die Ofentemperatür 1120⁰C betrug und die Lötlegierung die folgende Zusammensetzung hatte: 26,0 °ß> Chrom, 4,0 $ Silicium, 3,3 $ Bor, 1,0 f> Eisen, 0,95 $ Kohlenstoff und Rest Nickel. Die erhaltenen Werkzeuge zeigten eine ausgezeichnete Bindefestigkeit und Haltbarkeit,, wie in den vorstehenden Beispielen angegeben ist.

Beispiel 8

Das Verfahren des Beispiels 1 wurde wiederholt mit der Ausnahme jedoch, da:i die Ofentemperatur 1160⁰C betrug und die Lötlegierung die folgende Zusammensetzung hatte: 19,5 f" Chrom, 9,6 °/> Silicium, 9,5 i> Mangan und Rest nickel. Das erhaltene Diamant-

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werkzeug zeigte gleiche ausgezeichnete Benetzungs- und Festigkeitseigenschaften, wie sie bei den vorstehenden Beispielen beobachtet worden waren.

Beispiel 9

Das Verfahren des Beispiels 1 wurde wiederholt, jedoch unter Verwendung einer Lötlegierung mit der folgenden Zusammensetzung: 2,25 i» Chrom, 1,7 1» Bor, 2,75 $> Silicium, 1,0 fo Eisen und Rest liickel. Das erhaltene Werkzeug zeigte ein geeignetes Benetzungsund Kristallhaltevermögen, jedoch war die entwickelte Bindung zwar ausreichend, aber nicht so ausgezeichnet, wie es bei den vorstehenden Beispielen festgestellt worden war.

Patentansprüche

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Claims

Patent ansprüche

M.J Verfahren zum Binden von Diamantkristallen an ein Metallsubstrat unter Bildung einer Schleifwerkzeugarbeitsflache ohne Anwendung von Formen und Preßdrücken, dadurch gekennzeichnet, da/3 man Diamantkristalle und Teilchen einer Lötlegierung auf eine Metallsubstratflache unter Benutzung eines temporären Bindemittels und Bildung eines zusammenhängenden Gebildes aufbringt, das zusammenhängende Gebilde in einer reduzierenden Atmosphäre oder im Vakuum auf eine Temperatur unter etwa 1300⁰O so erwärmt, daß die Lötlegierung schmilzt, und das zusammenhängende Gebilde so abkühlt,· daß sich die Lot legierung unter Bindung des Diamanten an das Substrat verfestigt, wobei die Lötlegierung mindestens etwa 50 "/> Nickel und mehr als etwa 5 # Chrom und insgesamt bis zu etwa 10 $ von einem Element oder mehreren Elementen der aus Bor, Silicium und Phosphor bestehenden Gruppe enthält und durch die Fähigkeit ausgezeichnet ist, die Oberfläche der Diamantkristalle leicht zu benetzen und eine sehr feste Bindung des Diamanten an das Metallsubstrat auszubilden.
2. Verfahren zum Binden von Diamantkristallen an ein Metallsubstrat unter Bildung einer Schleifwerkzeugarbeitafläche ohne Anwendung von Formen und Preßdrücken, dadurch gekennzeichnet, daß man Diamantkristalle und Teilchen einer Lötlegierung auf eine Metallsubstratfläche unter Benutzung eines temporären Bindemittels und Bildung eines zusammenhängenden Gebildes aufbringt, das zusammenhängende Gebilde in einer reduzierenden Atmosphäre oder im Vakuum auf eine Temperatur unter etwa 1300 C so erwärmt, daß die Lötle^ierung schmilzt, und das zusammenhängende Gebilde so abkühlt, daß sich die Lötlegierung unter Bindung des Diamanten an das Substrat verfestigt, wobei die Lötlegierung etwa 60 bis 92 $ von einem Metall oder mehreren Metallen der aus

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nickel und Kobalt bestehenden Gruppe enthält, sowie mehr als etwa 5 "l· Chrom enthält und durch die Fähigkeit ausgezeichnet ist, die Oberfläche des Diamantkristails leicht zu benetzen und eine sehr feste Bindung des Diamanten an das Metallsubstrat auszubilden.
3· Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die legierung insgesamt weniger als 12 ?6 von einem Element oder mehreren Elementen der aus Bor, Silicium und Phosphor bestehenden Gruppe enthält.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötlegierung einen Schmelzpunkt unter etwa 1200⁰C hat und außerdem insgesamt bis zu etwa 10 $> von einem Element oder mehreren Elementen der aus Bor, Silicium und Phosphor bestehenden Gruppe enthält.
5. Verfahren zum Binden von Diamantkristallen an ein Metallsubstrat unter Bildung einer Schleifwerkzeugarbeitsfläche ohne Anwendung von Formen und Preßdrücken, dadurch gekennzeichnet, daß man Diamantkristalle und Teilchen einer Lötlegierung auf eine Metallsubstratfläche unter Benutzung eines temporären Bindemittels aufbringt, das zusammenhängende Gebilde aus Diamant, iötlegierung und Metallsubstrat in einer reduzierenden Atmosphäre oder im Vakuum auf eine Temperatur erwärmt, die zum Schmelzen der liötlegierung ausreicht, und das zusammengesetzte Gebilde so abkühlt, daß sich die Lötlegierung verfestigt, wobei die Lötlegierung mindestens etwa 60 bis 92 fi von einem Metall oder mehreren Metallen der aus Nickel und Kobalt bestehenden Gruppe enthält sowie mindestens etwa 2 bis 30 ?5 Chrom enthält und durch die .Fähigkeit ausgezeichnet ist, die Oberfläche der Diamantkristalle leicht zu benetzen und eine sehr feste Bindung des Diamanten an das Metallsubstrat auszubilden.
6. Verfahren zum Binden von Diamantkristallen an ein Metallsubstrat unter Bildung einer Schleifwerkzeugarbeit^flache

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ohne Anwendung von Formen und Preßdrücken, dadurch gekennzeichnet, daß man Diamantkristalle und Teilchen einer Lötlegierung auf eine Metallsubstratfläche unter Benutzung eines temporären Bindemittels aufbringt, das zusammenhängende Gebilde aus Diamant, Lötlegierung und Metallsubstrat in einer reduzierenden Atmosphäre oder im Vakuum auf eine Temperatur erwärmt, die zum Schmelzen der Lötlegierung ausreicht, und das zusammengesetzte Gebilde so abkühlt, daß sich die Lötlegierung verfestigt,-wobei die Lötlegierung eine Zusammensetzung mit mindestens 17 bis 92 f> Nickel, weniger als etwa 52 f> Kobalt und 2 bis 26 $ Chrom und weniger als etwa 12 $ von einem Element oder mehreren Elementen der aus Bor, Silicium und Phosphor bestehenden Gruppe enthält und durch die Fähigkeit ausgezeichnet ist, die Oberfläche der Diamantkristalle leicht zu benetzen und eine sehr feste Bindung des Diamanten an das Metallsubstrat auszubilden.
7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Legierung insgesamt bis etwa 10 $ von einem Element oder mehreren Elementen der aus Bor, Silicium und Phosphor bestehenden Gruppe enthält.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schmelzpunkt der Legierung unter annähernd 1200 C liegt.
9. Verfahren zum Binden von Diamantkristallen an ein Metallsubstrat unter Bildung einer Werkzeugarbeitsfläche ohne Anwendung von Formen und Preßdrücken, dadurch gekennzeichnet, daß man unbehandelte Diamantkristalle und Teilchen einer Lötlegierung auf eine Metallsubstratfläche unter Benutzung eines temporären Bindemittels unter Bildung eines zusammengesetzten Gebildes aufbringt, das zusammengesetzte Gebilde aus Diamant, Lötlegierung und Substrat in einer reduzierenden Atmosphäre oder im Vakuum auf eine Temperatur erwärmt, die zum Schmelzen der Lötlegierung ausreicht, und das zusammengesetzte Gebilde so abkühlt, daß sich die Lot legierung verfestigt, wobei die Lötlegierung 60 bis 80 i» Hickel und 5 bis 15 $> Chrom enthält und durch die Fähigkeit aus-

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gezeichnet ist, die Oberfläche der Diamantkrietalle leicht zu benetzen und eine sehr feste Bindung des Diamanten an das Metallsubstrat auszubilden.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötlegierung ein Element oder nehrere Elenente der aus Bor, Silicium und Phosphor bestehenden Gruppe enthält.
11. Verfahren zum Binden-von Diamantkristallen an ein Metallsubstrat ohne Anwendung von Formen und Preßdrücken, dadurch gekennzeichnet, daß man Teilchen einer Lötlegierung auf eine Metallsubstratfläche unter Anwendung eines temporären Bindemittels aufbringt, das zusammengesetzte Gebilde aus Lötlegierung und Substrat in einer reduzierenden Atmosphäre oder im Vakuum eo erwärmt·, daß die Lötlegierung auf der Substratfläche schmilzt, die Lötlegierung abkühlt, auf die Oberfläche der Lötlegierung Diamantkristalle unter Anwendung eines temporären Bindemittels aufbringt, das zusammengesetzte Gebilde aus Diamant, Lötlegierung und Substrat in einer reduzierenden Atmosphäre oder im Vakuum so erwärmt, daß die Legierung erneut schmilzt, und das zusammengesetzte Gebilde so abkühlt, daß eine feste Bindung des Diamanten an das Metallsubstrat erzielt wird, wobei die Lötlegierung mindestens 60 bis 80 jt Nickel und 5 bis 15 J* Chrom enthält.
12. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Lötlegierung ein Metall oder mehrere Metalle der aus Bor, Silicium und Phosphor bestehenden Gruppe enthält.

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