DE2738197A1 - Schleifwerkzeug und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

8 MÜNCHEN

MAXIMILIANSTRASSE

P 11 927 24.Aug.1977

KAMAN SCIENCES CORPORATION
1500 Garden of the Gods Road
Colorado Springs, Colorado 90807,
USA

Schleifwerkzeug und Verfahren zu seiner Herstellung

Die Erfindung betrifft Schleifwerkzeuge, beispielsweise für Messer, sie betrifft insbesondere "Schleifstähle" sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung.

Gegenstand der Erfindung ist ein Schleifwerkzeug (Schärfungswerkzeug) mit einem Metallsubstrat, das dadurch gekennzeichnet ist, daß das Substrat einen Überzug aus einem dicht gepackten porösen Gitter aus feinteiligen diskreten, daran haftenden Teilchen besteht, wobei mindestens eine Oberfläche des Gitters aus einem schwerschmelzbaren (feuerfesten) Oxid mindestens eines metallischen Elements besteht, das eine Sinterungstemperatur (Verglasungstemperatur) von mehr als 315°C aufweist und im wesentlichen frei von einer glasartigen und/oder

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TELEFON (Οββ) 99 38β3 Telex oe-aesao TELEORAMME MONAPAT TELEKOPIERER

Sinterbindung zwischen den Teilchen ist, wobei die Teilchen durch Chromoxid miteinander verbunden sind und beträchtliche Ablagerungen von Chromoxid innerhalb ihrer Poren aufweisen, wobei mindestens ein Teil der Teilchen aus einem pulverfönnigen Metall besteht.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Schleifwerkzeuges (Schärfungswerkzeuges), das dadurch gekennzeichnet ist, daß man ein Substrat aus einem Metall mit einem darauf aufgebrachten Oxidüberzug herstellt, einen Überzug aus einer ein verhältnismäßig hartes, duktiles Metallpulver und ein aus einer löslichen Chromverbindung, die durch Erhitzen in eine unlösliche Chromverbindung umwandelbar ist, bestehendes Bindemittel enthaltenden Lösunr auf das Substrat aufbringt, das mit der Aufschlämmung beschichtete Substrat zur Umwandlung der Chromverbindung bei einer Temperatur von mindestens 315°C, jedoch unterhalb einer Temperatur, die ausreichend hoch ist, um das Metallpulver, das Metallsubstrat und/oder das Schleifkorn übermäßig zu oxydieren, zu schmelzen und zu deformieren, wärmehärtet und die Imprägnierung des Aufschlämmungsüberzugs mit einer Lösung einer löslichen Chromverbindung und den Wärmehärtungscyclus mindestens einmal wiederholt.

Die erfindungsgemäßen Schleifwerkzeuge (Schärfungswerkzeuge) haben sich als sehr haltbar (dauerhaft) mit einer sich im wesentlichen nicht abnutzenden und harten Schneideoberfläche erwiesen. Das Substrat, auf das ein Schleifüberzug aufgebracht wird, kann die Form bzw. Gestalt eines bereits bekannten Schleifstahles haben. Ein Schleifüberzug wird zuerst in Form einer wäßrigen Aufschlämmung auf das Substrat aufgebracht,beispielsweise durch Eintauchen, Aufsprühen, Aufbrüsten oder dgl. ^üie Aufschlämmung besteht vorzugsweise aus einer Mischung aus einem Metallpulver,

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Schleifkörnern, Wasser und einer wasserlöslichen Chromverbindung. Es kann auch eine geringe Menge eines Suspendiermittels, wie Kaolin, Cab-O-Sil oder dgl., zugesetzt werden, um die Pulver in Suspension zu halten. Wenn der Suspendierzusatz in geringen Mengen verwendet wird, hat er, wie gefunden wurde, keinen merklichen Einfluß auf die Schneideeigenschaften des Schleifstahls.

Der Aufschlämmungsüberzug wird nach dem Aufbringen auf das Substrat dann getrocknet und in einem ersten Wärmecyclus bei einer Temperatur, die hoch genug ist, um die Chromverbindung in ein in Wasser unlösliches Chromoxid umzuwandeln, die jedoch niedrig genug ist, um eine übermäßige Oxydation des Metallpulverbestandteils des Überzugs oder des Substrats zu verhindern, wärmegehärtet. Während dieses ersten Wärmecyclus entsteht eine Chromoxidbindung zwischen dem Überzug und dem Substrat. Dieses Oxidbindungsverfahren wird in den US-Patentschriften 3 734- 767, 3 789 096 und 3 925 575 und insbesondere in der US-Patentschrift 3 944· 683 näher erläutert, worin Überzüge beschrieben sind. Es wurde nämlich gefunden, daß eine Chromoxidbindung, von der angenommen wird, daß sie chemischer Natur ist, zwischen dem thermisch umgewandelten Chromoxid und den anderen Oxiden entsteht, die entweder von vornherein vorhanden sind oder während der Behandlung gebildet werden und insbesondere während der Warmeumwandlungsstufe gebildet werden.

So wird beispielsweise angenommen, daß eine Chromoxidbindung zu einer Oxidschicht entsteht, die sich auf der Oberfläche der Grundmetallteilchen des Überzugs bildet. Die Bindung an den Stahlkern ist auch zweifellos möglich wegen der Bildung eines gut haftenden Oxidüberzugs, der auf einer Reihe von Stah!legierungen während der Behandlungs-

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stufen, insbesondere natürlich während des Wärmehärtungscyclus, entsteht. Die Bindung an Aluminiumoxidkörnchen durch das Chromoxid ist verständlich, weil das Schleifmittel bereits ein schwer schmelzbares Oxid darstellt. Wenn Siliciumcarbidkörner verwendet werden, wird Jedoch wieder angenommen, daß sich das Chromoxid nicht an das Siliciumcarbid, sondern an eine ultradünne Siliciumoxidschicht bindet, die auf jedem Siiiciumcarbidkorn entsteht.

Nach dem anfänglichen Erhitzungscyclus ist der aufgebrachte überzug für die Verwendung zu diesem Zeitpunkt als Sohleifstahl zu weich und muß anschließend fester gebunden, verdichtet und gehärtet werden. Dies wird erzielt durch Imprägnieren des noch porösen Überzugs mit einer Lösung einer löslichen Chromverbindung, die in situ in ein unlösliches Chromoxid umgewandelt werden kann. Dieser Imprägnierungs-Aushärtungs-Cyclus wird mindestens einmal und genügend häufig wiederholt, um die gewünschte Härte und Dichte zu erzielen. Die zusätzlichen Chromoxidumwandlungen ergeben auch eine extrem starke Bindung zwischen den jeweiligen Überzugsbestandteilen und auch zwischen dem überzug und dem Substrat.

Eine Aushärtungstemperatur von etwa 315° C (600°F) hat sich als ausreichend für die Umwandlung der Chromverbindung erwiesen, es kann aber auch eine höhere Temperatur angewendet werden, z.B. von 4-25 bis 5⁷K)⁰C (800 bis 1COO⁰P), um kürzere Härtungszeiten wegen der Wärmemenge des Substrats und dgl. zu ermöglichen. In einigen Fällen können auch Temperaturen bis zu etwa 815°C (15CO⁰F) in Betracht gezogen werden, es kann dann jedoch auch erforderlich sein, eine nicht-oxydierende oder inerte Atmosphäre zu verwenden. Temperaturen von bis zu etwa 54O°C (1COO⁰F) können ohne die Vorsichtsmaßnahme der Verwendung einer nicht-oxydierenden oder inerten Atmosphäre angewendet werden, Temperaturen oberhalb etwa 540⁰C (100O⁰F) in einer normalen

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Atmosphäre führen Jedoch zu einer übermäßigen Oxydation des Metallpulvers. Höhere Aushärtungstemperaturen werden normalerweise vermieden, um das Metallüberzugspulver oder das Substrat nicht übermäßig zu oxydieren, zu deformieren oder zu schmelzen und die scharfen Schneidekanten der Schleifkörner nicht stumpf zu machen. Außerdem wurde gefunden, daß höhere Aushärtungstemperaturen im allgemeinen eine engere Übereinstimmung der Wärmeausdehnung zwischen dem überzug und dem Substrat erfordern·

Das Substrat oder der Schleifstahlkern, mit dem der das Schleifmittel enthaltende überzug verbunden werden soll, ist normalerweise ein Metall, wie Stahl. Es wurden eine Reihe von billigen Stahllegierungen, wie 1010-1020, 1045, 1080C, 1095» geschmiedetes 1095 sowie einige der freien Bearbeitungsstähle, wie B1113, mit Erfolg verwendet, Es können auch andere Metalle, wie z.B. ein rostfreier Stahl der Reihe 400, Titan und Bronze, verwendet werden, diese sind jedoch mit höheren Kosten verbunden. Rostfreie Stähle der Reihe 300 werden normalerweise nicht verwendet wegen ihrer verhältnismäßig hohen Wärmeausdehnungswerte, die sowohl die Leichtigkeit der Bindung des Überzugs beeinflussen als auch die Menge der Schleifkörner, die in den überzug eingeschlossen werden können, begrenzen. Dies wird nachfolgend näher erläutert.

Das Hauptkriterium für ein Metallsubstrat besteht darin, daß es entweder in der Lage ist, einen gut haftenden Oxidüberzug auf seiner Oberfläche zu bilden oder bereits aufzuweisen. Metalle oder Legierungen, die eine schlecht haftende Oxidschicht bilden, sollten vermieden werden, da diese natürlich die Wirksamkeit der Chromoxidbindung während der nachfolgenden Bearbeitung zerstören würden. Nichtmetallsubstrate, wie z.B. hochschmelzende Keramiken, können natürlich verwendet werden, sie haben jedoch wegen ihrer spröden Natur keine große praktische Verwendung ge-

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funden. Das Metallpulver, das sich in dem Aufschlämmungsüberzug am zufriedenstellendsten erwiesen hat, ist Mangan. Dieses Metall hat eine einzigartige Kombination von Vorteilen, die nachfolgend näher beschrieben werden:

A) Wegen seiner stark reduzierenden Eigenschaften, insbesondere in feinteiliger Form, hat Mangan eine sehr starke Affinität gegenüber Sauerstoff. Dadurch wird die schnelle Umwandlung bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur der Chromverbindung in ein unlösliches Chromoxid mit einem niedrigeren Oxydationszustand stark unterstützt. Dadurch entsteht eine ausgezeichnete Chromoxidbindung zwischen den Überzugsbestandteilen und auch zwischen dem Überzug und dem Substrat.

B) Manganmetall weist einen außergewöhnlich hohen Wärmeausdehnungswert im Vergleich zu den meisten anderen Metallen auf. Dies bedeutet, daß eine vernünftige Menge von Schleifkörnern mit einem niedrigen Wärmeausdehnungswert mit dem Manganpulver gemischt werden kann, wobei dennoch ein Gesamtausdehnungswert des zusammengesetzten Überzugs erhalten wird, der mit den üblicherweise verwendeten Substratmaterialien, wie den gewöhnlichen Stahllegierungen, kompatibel ist.

C) Es wurde gefunden, daß ein unter Verwendung von Manganmetallpulver als Metallüberzugsbestandteil bearbeiteter Schleifstahl den ungewöhnlichen Vorteil hat, daß er im wesentlichen nicht abgeschliffen wird. Damit ist gemeint, daß keine Neigung besteht, daß das Metall von einer Klinge entfernt wird, die geschärft wird, das sich in oder auf der das Schleifmaterial enthaltenden Schneideoberfläche über eine oberflächliche Schicht hinaus anreichert. Diese Eigenschaft geht zweifellos zu einem großen Teil auf das nahezu vollständige Fehlen einer Porosität in dem bearbeiteten überzug zurück. Die Affinität von Mangan gegenüber Sauerstoff

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während der Hitzehärtungscyclen scheint die Ursache für diese außergewöhnlich niedrige Porosität innerhalb verhältnismäßig weniger Imprägnierungs-Aushärtungs-Cyclen zu sein.

D) Schleifstähle, in denen mit Chromoxid gebundene Manganpulver-Schleifkorn-Verbundüberzüge verwendet werden, ergeben, wie gefunden wurde, eine ideale Kombination von Härte, Verschleißfestigkeit und Duktilität. So ist beispielsweise die gebundene Manganmetallmatrix hart genug, so daß die Schneidekante einer Klinge, die geschärft wird, nicht in die Matrix einschneidet, wie dies der Fall ist, wenn ein weicheres Metall, wie Aluminiummetallpulver, verwendet wird. Andererseits wird die Manganmetallphase gerade genügend abgerieben, um neue Schleifkorn-Schneideoberflächen freizulegen, wenn sie erforderlich sind, während gleichzeitig eine sehr starre Matrix entsteht, welche die Schleifkörner sehr fest an Ort und Stelle hält. Es wurde auch gefunden, daß Manganmetall eine ausreichende Duktilität ergibt, so daß ein Schlag mit einem scharfen Instrument nur zu einer Einbuchtung unmittelbar unterhalb des Auftreffpunktes und nicht zu einem Bruch oder zu einem massiven Versagen führt, wie dies bei einem spröderen Überzugssystem der Fall wäre.

Als Bestandteil des Überzugs der erfindungsgemäßen Schleifstähle wurden die verschiedensten Schleifkörner mit Erfolg verwendet. Zu geeigneten Schleifkörnern gehören Siliciumcarbid (schwarze und grüne Formen) sowie die verschiedenen Sorten von Aluminiumoxid. Die erfolgreichsten Körner für einen Schleifstahl mit einer generellen Verwendung sind geschmolzene und zerkleinerte Aluminiumoxidkörner, die für die Hon- und Schleifradindustrie hergestellt werden. Viele dieser Körner enthalten auch Verunreinigungen aus Eisenoxid, Titanoxid, Siliciumoxid, Zirkoniumoxid und dgl., um ihnen eine erhöhte Zähigkeit (Härte) zu verleihen.

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Diese geschmolzenen Aluminiumoxidkörner sind zäher (härter) und weniger spröde als einige der schwerschmelzbaren (feuerfesten) Aluminiumoxid- oder Siliciumcarbid-Körner und es wurde gefunden, daß sie ihre Schneidekante mit einem sehr geringen Schleifkorn-Bruch beibehalten und deshalb einen extrem langlebigen Schleifstahl ergeben. Aluminiumoxidkörner haben auch in einigen Fällen Vorteile gegenüber Siliciumcarbidkörnern wegen des höheren Wärmeausdehnungswertes von Aluminiumoxid. Dies erlaubt die Verwendung einer größeren Menge Aluminiumoxid als Siliciumcarbid in einer Überzugsmischung, um den gleichen Wärmeausdöhnungs-Gesamtwert zu erzielen. Zu Korngrößen, die mit Erfolg verwendet worden sind, gehören Aluminiumoxide mit der Korngröße I50, 220, 240, 280, 320, 420, 460, 600, 1000 und 1200 sowie Siliciumcarbid und kein Korn (no grain).

Es sei darauf hingewiesen, daß die Chromoxidbindung auch, wie gefunden wurde, die Festigkeit der einzelnen Schleifkörner, die Teil des zusammengesetzten Überzugs sind, beträchtlich erhöht. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die während der Zerkleinerung und Sortierung (Körnung) des Schleifmittels erzeugten Brüche und Mikrorisse während der mehrfachen Imprägnierungs-Aushärtungs-Behandlung auf wirksame Weise wieder miteinander verbunden und verfestigt werden. Eine mikroskopische Untersuchung von zerschnittenen Schleifkörnern, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren behandelt worden sind, hat gezeigt, daß die Risse und Haarrisse und irgendwelche freiliegenden Poren tatsächlich mit Chromoxid gefüllt sind. Zerkleinerungstests mit diesen einzelnen Körnern haben eine beträchtliche Festigkeitszunahme gegenüber unbehandelten Körnern gezeigt.

Der Prozentsatz der Schleifkörner, die in dem Überzug verwendet werden, kann über sehr breite Bereiche variiert werden, wobei man immer noch einen brauchbaren Schleifstahl

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erhält. Der hauptsächliche Gesichtspunkt ist die Verwendung von nicht zuvielen Schleifkörnern bis zu dem Punkte, an dem die Wärmeausdehnung des Überzugs für diejenige des Substrats zu gering wird. Wenn dieser Punkt überschritten wird,, haftet der überzug während oder nach den Erhitzungsund Abkühlungscyclen nicht mehr. Andererseits haftet selbst ein überzug aus gepulvertem Manganmetall, der keinen Schleifkornzusatζ enthält, an vielen Substraten einschließlich Stahl, -^ies ist zweifellos auf die Duktilität des Metalls zurückzuführen, die eine beträchtliche Anpassung beim Überziehen an die Substratexpansionsdifferenz ergibt. Tatsächlich kann ein Schleifstahl ohne zugesetzte Schiedfkörner noch eine gute Schneidewirkung ergeben wegen der extrem harten Chromoxid-Kristallstruktur, die während des Bindeverfahrens entsteht. Im Prinzip nimmt die Gewichtsmenge der Schleifkörner ab, wenn man feinere Korngrößen der Schleifkörner in der Überzugsmischung verwendet.

Suspendiermittel, wie Kaolin, Cap-O-Sil und dgl., können der Schleifstahl-Aufschlämmungsmischung, wie oben erläutert, zugesetzt werden. Der Zweck dieser Zusätze besteht darin, das Metall und die Schleifpulver über längere Zeiträume hinweg in Suspension zu halten als dies sonst der Fall wäre. Dies führt zu einem gleichmäßiger und leichter aufgebrachten überzug. Glücklicherweise sind nur sehr geringe Mengen dieser Suspendiermittel erforderlich und es wurde kein nachteiliger Einfluß auf die Schneideeigenschaften nachgewiesen, vorausgesetzt, daß keine überschüssigen Mengen dieser Agentien verwendet werden. Außer den Suspendiermitteln ist es auch bevorzugte Praxis, die Aufschlämmung während der Dauer der Beschichtung der Stähle ständig zu rühren.

Die als Bindemittel in der Beschichtungsaufschlämmung verwendete Chromverbindung muß wasserlöslich sein und sie kann

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aus einer großen Gruppe von hexavalenten Chrommaterialien ausgewählt werden. Diesbezüglich sei auf die US-Patentschrift 3 956 531 verwiesen, in der eine große Auswahl solche Verbindungen enthaltender Mischungen von hexavalenten und trivalenten Systemen beschrieben ist. Eine weitere Beschränkung bei Verwendung einer Aufschlämmungsbeschichtungsmischung, die Manganmetallpulver enthält, ist die, daß praktisch keine nachteilige chemische Reaktion auftritt. Es wurde gefunden, daß eine verhältnismäßig neutrale Chromverbindung für die erste Imprägnierung verwendet werden sollte, um eine Gasentwicklung durch das Manganmetall zu verhindern. Dies gilt trotz der Tatsache, daß hexavalentes Chrom ein bekannter Korrosionsinhibitor ist. Eine verhältnismäßig neutrale lösliche hexavalente Chromverbindung, welche die oben angegebenen Anforderungen erfüllt, ist in dem folgenden Beispiel angegeben:

ZC-2-Bindemittel-Präparat

Die ZC-2-Lösung wurde aus den folgenden Bestandteilen hergestellt:

ZnO 28,9 Gew.-%

CrO₅ 71,1

Die Zinkchromatlösung wurde hergestellt durch Auflösen von 3OO g Chromsäureanhydrid in destilliertem Wasser zur Erzielung eines Gesamtvolumens von etwa 4-50 ml. Dann wurden 122 g ZnO zugegeben und es wurde gemischt, bis die Reaktion beendet war. Das spezifische Gewicht der Lösung wurde dann durch Verdünnen mit destilliertem Wasser auf 1,65 g/cnr eingestellt. Die Lösung wurde in einer konzentrierten Form hergestellt und dann je nach Bedarf bis auf eine niedrigere Konzentration verdünnt.

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Es wurden auch andere ähnliche Bindemittel mit Erfolg verwendet und dazu gehören Verbindungen, in denen das Zink durch Calcium, Kobalt, Magnesium und Lithium substituiert ist, wie z.B. folgende:

Tabelle I

Bezeichnung CrO^ Menge zweites Menge spezifisches ^ Material Gewicht

1. ZC-2 CrO, 100 g ZnO 40,7 1,65

2. CAC-2 CrO, 100 g CaO 28,1 g 1,65

3. COC-2 CrO₃ 100 g CoCO₃ 59,5 g 1,65

4. MC-2 CrO₃ 100 g MgO 20,2 g 1,65

5. MC-1 CrO₃ 100 g MgO 40,3 g 1,5

6. LIC-2 CrO₃ 100 g Li₂CO₃ 18,5 g 1,65

In allen in der vorstehenden Tabelle angegebenen Beispielen wurde die Chromsäuremenge zuerst in Wasser gelöst. Dann wurde das in der obigen Tabelle angegebene zweite Material in der genannten Menge zugesetzt. Zur Herstellung von CAC-2 wurden beispielsweise zuerst 100 g CrO₃ in Wasser gelöst. Dann wurden 28,1 g CaO zugegeben. Nach Beendigung der Reaktion wurde das spezifische Gewicht auf etwa 1,65 g/cnr eingestellt. Die Lösungen wurden allgemein in einer konzentrierten Form hergestellt und dann je nach Bedarf auf eine niedrigere Konzentration verdünnt. Alle vorstehend angegebenen Lösungen wurden auf ähnliche Weise wie die Lösung CAC-2 hergestellt. Bei den Verbindungen, die Zink ersetzten, handelte es sich um Calciumoxid. CaO, Kobaltcarbonat CoCo₃, Magnesiumoxid MgO und Lithiumcarbonat Li₂CO₃.

Beispiele für Beschichtungsaufschlämmungen, die ausgezeichnete Ergebnisse lieferten, sind nachfolgend angegeben, es ist jedoch für den Fachmann selbstverständlich, daß auch zahlreiche andere Abänderungen und Modifikationen möglich sind und daß die nachfolgend angegebenen Beispiele nur ausge-

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wählt wurden, um die Erfindung näher zu erläutern. Selbstverständlich können audi eüße Grundbestandteile ausgetauscht werden.

Aufschlämmungsüberzug—

Zubereitung Nr. 1 Trockengewicht (Gew.-%)

Mangan (Alcan-Metallpulver,

Typ MD-301, Teilchengröße

<*0,044 mm (-325 mesh)) 71,94- %

Aluminiumoxid-Korn Nr. 240

(Exolon-gesintertes Aluminiumoxidkorn, braune

Sorte) 22,78 %

Peerless-Kaolin Nr. 2 4,80 %

Cab-0-Sil (Typ M-5) 0,48 %

Zu jeweils 100 g der oben angegebenen Zubereitung wurden 19,2 ml einer verdünnten ZC-2-Lösung zugegeben. Diese verdünnte ZC-2-Lösung wurde hergestellt durch Zugabe von 1 Teil ZC-2-Lösung mit einem spezifischen Gewicht von 1,65 g/cm* zu 2 Vol.-Teilen destilliertem Wasser. Die'Aufschlämmung wurde dann auf die gewünschte Viskosität und das gewünschte spezifische Gewicht eingestellt.

Auf schlänunungsüberzug-»

Zubereitung Nr. 2 Trockengewicht (Gew.-%)

Mangan (MD-301, Teilchengröße

£0,044 mm (-325 mesh)) 87,7 %

Aluminiumoxid-Korn Nr. 1000

(Kristall-Oberflächenbehandlungspulver Nr. 95» KC Abrasives Co.) 9,7 %

Peerless-Kaolin Nr. 2 2,6 %

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Das Bindemittel für diese Zubereitung wurde hergestellt durch Zugabe von 1 Teil ZC-2-Lösung mit einem spezifischen Gewicht von 1,65 g/cnr zu 2 Vol.-Teilen destilliertem Wasser. Dann wurde genügend Bindemittellösung den Pulvern zugesetzt, um eine Aufschlämmung der gewünschten Viskosität und des gewünschten spezifischen Gewichtes zu erzielen.

Aufschlämmungsüberzug—

Zubereitung Nr. 3 Trockengewicht (Gew.-%)

Mangan (MD-3O1, Teilchengröße

<0,044 mm (-325 mesh)) 71,8 %

Aluminiumoxid-Korn Nr. 600
(Kristall-Oberflächenbehandlungspulver, Nr. 175, KC Abrasives Co.) 23,9 %

Peerless-Kaolin Nr. 2 4,3 %

Das Bindemittel für diese Zubereitung wurde hergestellt durch Zugabe von 1 Teil ZC-2-Lösung mit einem spezifischen Gewicht von 1,65 g/car zu 2 Vol.-Teilen destilliertem Wasser. Dann wurde genügend Bindemittellösung den Pulvern zugesetzt, um eine Aufschlämmung mit der gewünschten Viskosität und mit dem gewünschten spezifischen Gewicht zu erzielen.

Aufschlämmungsüberzug—

Zubereitung Nr. 4 Trockengewicht (Gew.-%)

Mangan (MD-301, Teilchengröße

<0,044 mm (-325 mesh)) 74,2 %

Aluminiumoxid-Korn Nr. 220

(Exolon-gesintertes Aluminiumoxidkorn, braune ^orte) 24,8 %

Cab-O-Sil (Typ M-5) 1,0 %

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Das Bindemittel für diese Zubereitung wurde hergestellt durch Zugabe von 1 Teil ZC-2-Lösung mit einem spezifischen Gewicht von 1,65 g/cm zu 2 Vol.-Teilen destilliertem Wasser. Dann wurde genügend Bindemittellösung den Pulvern zugesetzt zur Herstellung einer Aufschlämmung mit der gewünschten Viskosität und mit dem gewünschten spezifischen Gewicht.

AufschlämmunfTSÜberzug—

Zubereitung Nr. 5 . Trockengewicht (Gew.-%)

Mangan (MD-3°1, Teilchengröße

0,044 mm (-325 mesh)) 82,9 %

Aluminiumoxid-Korn Nr. 320

(Exolon-gesintertes Aluminiumoxidkorn, braune Sorte) 12,4 %

Peerless-Kaolin Nr. 2 4,1 %

Cab-O-Sil (Typ M-5) 0,6 %

Das Bindemittel für diese Zubereitung wurde hergestellt durch Zugabe von 1 Teil ZC-2-Lösung mit einem spezifischen Gewicht von 1,65 g/cnr zu 2 Vol.-Teilen destilliertem Wasser. Den Pulvern wurde genügend Bindemittellösung zugesetzt, um eine Aufschlämmung mit der gewünschten Viskosität und mit dem gewünschten spezifischen Gewicht zu erzielen.

AufschlämmungsüberzuR—

Zubereitung Nr. 6 Trockengewicht (Gew.-%)

Mangan (MD-301, Teilchengröße

<0,044 mm (-325 mesh)) 75,1 %

Aluminiumoxid-Korn Nr. 320

(Exolon-gesintertes Aluminiumoxidkorn, braune Sorte) 18,8 %

Peerless-Kaolin Nr. 2 5,6 %

Cab-O-Sil (Typ M-5) 0,5 %

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Das Bindemittel für diese Zubereitung wurde hergestellt durch Zugabe von 1 Teil ZC-2-Lösung mit einem spezifischen Gewicht von 1,65 g/cnr zu 2 Vol.-Teilen destilliertem Wasser. Dann wurde den Pulvern genügend Bindemittellösung zugesetzt, um eine Aufschlämmung mit der gewünschten Viskosität und mit dem gewünschten spezifischen Gewicht herzustellen.

Obgleich in den obigen Beispielen gepulvertes Mangan der Sorte Alkan MD-3O1 verwendet wurde, wurden mit Erfolg auch Alkan MD-2O1 und MD 101 sowie andere Manganpulversorten, wie Cerac-Mangan-Metallpulver, verwendet. Alkan MD-201 und MD-101 wurden jeweils in einer Teilchengröße von ' £0,074 mm (-200 mesh) bzw. A 0,1.5 mm (-100 mesh) verwendet.

Wie weiter oben angegeben, wird der Aufschlämmungsüberzug nach dem Aufbringen auf das Substrat getrocknet und wärmegehärtet, um die anfängliche Chromoxidbindung zu erzielen. Der Überzug ist zu diesem Zeitpunkt jedoch für die Verwendung viel zu weich. Eine zusätzliche Chromoxidbindung, Verdichtung und Härtung wird erzielt durch eine Vielzahl von Imprägnierungs-Aushärtungs-Cyclen mit einer geeigneten Chromverbindung. Zwei bis fünf Imprägnierungs-Aushärtungscyclen liefern bevorzugte Ergebnisse.

Es wurde gefunden, daß das in der Beschichtungszubereit ung enthaltene Manganmetall gegenüber einer sauren Chromsäurelösung nach dem anfänglichen Aushärtungscyclus nicht mehr hochreaktiv ist. Dies kann auf die Bildung einer schützenden Oxidschicht auf den freiliegenden Mangankörnern zurückzuführen sein. Deshalb kann für diese Mehrfach-Imprägnierungs-Wärmehärtungs-Bearbeitungsstufe eine große Anzahl von löslichen Chromverbindungen verwendet werden. Dazu gehören wäßrige Lösungen von Chromsäureanhydrid (CrO,), die in der Regel als Chromsäure bezeichnet wird, wenn sie mit

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Wasser gemischt ist (H₂CrO^), die verschiedensten Dichromate, Chromate und Mischungen von Chromaten mit Chromsäure. Es können auch Mischungen von hex_avalenten und trivalenten Chromverbindungen verwendet werden, wie in der US-Patentschrift 3 956 531 näher beschrieben.

Ein Imprägnierungsmittel, das in vielen erfindungsgemäß durchgeführten Tests und bei der nachfolgenden Herstellung von Schleifstählen verwendet wurde, war eine Mischung aus Zinkchromat und Chromsäure in Mengenverhältnissen, wie sie in dem nachfolgend beschriebenen Präparat angegeben sind:

ZC-5-Präparat

Die ZC-5-Lösung wurde aus den folgenden festen Bestandteilen hergestellt:

ZnO 14,0 Gew.-%

CrO₃ 86,0

Diese Zinkchromatlösung wurde hergestellt durch Auflösen von 45,3 kg (100 pounds) Chromsäure in destilliertem Wasser zur Erzielung eines spezifischen Gewichtes von etwa 1,6g/cm Dann wurden 7»4 kg (16,3 pounds) ZnO zugegeben und es wurde gemischt, bis die Reaktion beendet war. Das spezifische Gewicht der Lösung wurde dann durch Verdünnen mit destilliertem Wasser auf 1,65 g/cnr eingestellt. Die Lösung wurde allgemein in einer konzentrierten Form hergestellt und dann je nach Bedarf auf eine niedrigere Konzentration verdünnt.

Es wurde gefunden, daß eine Lösung dieses Typs den porösen überzug mit einer minimalen Anzahl von Imprägnierungs-Aushärtungs-Cyclen verdichtete,wobei mindestens ein Cyclus weniger erforderlich war als bei Verwendung von Chromsäure allein. Andererseits ergab dieses Zinkchromat-Chromsäure-Imprägniermittel eine deutlich festere und härtere Bindung als bei Verwendung eines Dichromats, wie z.B. des weiter oben für die Verwendung als Bindemittel in dem Aufschlämmungs-

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überzug angegebenen Zinkdichromats. Die Zink enthaltenden Imprägnierungsmittel wurden gegenüber vielen anderen ähnlichen Möglichkeiten ausgewählt, hauptsächlich v/egen der verhältnismäßig geringen Kosten des Zinkoxids und wegen seiner schnellen Auflösung in Chromsäure während der Herstellung der Lösungen.

Das Imprägnierungsmittel wird normalerweise durch Eintauchen des beschichteten Stahls in die wäßrige Chromlösung aufgebracht, es können aber auch andere Auftragsmethoden angewendet werden, beispielsweise das Aufsprühen und das Imprägnieren unter Druck und unter Vakuum und dgl.

Als Imprägnierungslösung wird vorzugsweise eine verhältnismäßig verdünnte Chromlösung verwendet. Dadurch wird das zeitraubende Verfahren des Abstreifens oder anderweitigen Entfernens des überschüssigen Imprägniermittels vermieden. Überschüssiges Imprägniermittel ist nicht erwünscht, da es die Neigung hat, auf der Oberfläche des Überzugs nach wenigen Imprägnierungs-Aushärtungs-Cyclen eine Chromoxidschicht anzureichern. Es wurde gefunden, daß durch geeignete Einstellung des Wassergehaltes des Zink enthaltenden Imprägnierungsmittels praktisch kein überschüssiges Imprägnierungsmittel auf der Oberfläche des Stahls zurückbleibt. In dem Maße, wie überschüssiges Wasser aus der tauchbeschichteten Oberfläche verdampft, wandert mehr konzentriertes Imprägnierungsmittel in die Poren des Überzugs. Wenn zur Mäßigung die Bindemittellösung verdünnt wird, führt dies zu einem überzug, der in bezug auf seine Härte einem in einer konzentrierten Bindemittellösung behandelten überzug sehr ähnelt.

Wie weiter oben angegeben, kann der Aufschlämmungsüberzug unter Anwendung einer Reihe von Verfahren auf das Substrat aufgebracht werden, beispielsweise durch Aufsprühen, Aufbürsten, Eintauchen und dgl. Das Eintauchverfahren ist, wie

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gefunden wurde, das Verfahren, v/elches die gleichmüßigste Überzugsdicke und die gleichmäßigste Glätte des Gesamtüberzugs ergibt. Das Substrat, in der Regel ein S^ahlkern, wird einfach in einen Behälter eingetaucht, der eine ständig durchgemischte Beschichtungsaufschlammung enthält. Der Kern wird dann langsam mit einer vorher festgelegten gleichmäßigen Geschwindigkeit herausgezogen. Die Geschwindigkeit, mit der der Kern aus der Aufschlämmung herausgezogen wird, ist etwas kritisch in bezug auf die Erzielung einer einheitlichen Beschichtungsdicke von einem Stahl zu dem nächsten Stahl sowie in bezug auf die Erzielung eines einheitlichen Oberflächenfinish. Es kann auch erforderlich sein, von Zeit zu Zeit durch Zugabe von zusätzlichem Wasser das spezifische Gewicht des Überzugs einzustellen, wenn daraus Feuchtigkeit durch Verdampfen entweicht.

Die Beschichtungsdicke, die sich für Schleifstähle für generelle Zwecke als am geeignetsten erwiesen hat, liegt innerhalb des Bereiches von etwa 0,0635 mm bis etwa 0,203 mm (0,0025 bis 0,008 inch). Ein Beschichtungsfehler kann auftreten, wenn der Überzug zu dünn ist, durch Deformation des Substrats unter hohem Druck auf der Beschichtungsoberflache. Andererseits erfordern sehr dicke Überzüge ein besseres Zusammenpassen der Wärmeausdehnung mit derjenigen des Substrats und führen zu einer überflüssigen Verwendung von teuren Beschichtungsmaterialien.

Vor dem Eintauchen des Stahlkerns oder eines anderen Substrats in die Aufschlämmung vergewissert man sich üblicherweise davon, daß jegliches Fett, jeglicher Schmutz oder sonstiges Fremdmaterial entfernt ist, das eine ausreichende Haftung der Aufschlämmung stören könnte. Metallsubstrate werden in der Regel mat einer Säure geätzt, sandstrahlgeblasen, mit einem Schleifkorn in einer Trommel behandelt und dgl., um irgendwelches lockeres Oxid oder Zunder zu

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entfernen, das (der) vorhanden sein kann als Folge des Walzens, Verformens, Schmiedens und dgl. Auch die Aufrauhung der Oberfläche unterstützt in diesem Falle die Erzielung einer höheren Überzugs-Substrat-Bindungsfestigkeit und erlaubt auch eine größere V/ärmeausdehnungsdifferenz zwischen dem überzug und dem Substrat wegen der größeren wirksamen Oberflächengröße an der Grenzfläche.

Das Manganpulver vom Typ MD-301. ist von der Firma Alcan Metal Powders, einer Abteilung der Alcan Aluminum G_orp^ Elizabeth, New Jersey/USA, erhältlich; das gesinterte Exolon-Aluminiumoxidkorn ist von der Firma Exolon ^co., Tonawanda, New York, USA, über die Firma KC Abrasives Co., Kansas City, Kansas, USA, erhältlich; der Peerless-Kaolin Nr. 2 ist von der Firma R.T. Vanderbilt, New York, New York/USA, erhältlich; das Cab-O-Sil (Typ 5) ist von der Firma Cabot Corp., Boston, Massachusetts/USA, erhältlich und die Kristall-Oberflächenbehandlungspulver Nr. 95 und Nr. 175 sind erhältlich von der Firma KC Abrasis Co., Kansas City/USA.

Es wurden die folgenden Bereiche von Schleifstahlgrößen hergestellt:

1. Professioneller Stahl
Länge 30,5 cm (12 inches)

maximaler Durchmesser 14,3 πιπ (9/16 inch) minimaler Durchmesser 4,8 mm (3/16 inch)

2. Mini-Stahl

Länge 8,9 cm (3 1/2 inch)

maximaler Durchmesser 4,8 mm (3/16 inch) minimaler Durchmesser 3»2 mm (1/8 inch)

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5. Flachstahl Breite 2,5 cm (1 inch) Länge 10 cm (4 inch) Dicke 3»2 mm (1/8 inch) Radius 0,51 bis 0,46 mm (0,020 bis 0,030 inch)

4. Zweiseitig beschichteter Flachstahl (durch Aufsprühen) eine Seite Korn 180 andere Seite Korn 320

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Claims (8)

PATEEMVANWALTE A. GRÜNECKER OR. MQ H. KINKELDEY 2738197 W. STOCKMAIR *otICAlTECf* K. SCHUMANN OR HER OMT OH. PHVS P. H. JAKOB OWU-INQ G. BEZOLD OR BtB WT- OK.-CHEM 8 MÜNCHEN MAXIMILIANSTRASSE «3 P 11 927 Patentansprüche

1.1 Schleifwerkzeug aus einem Metallsubstrat, dadurch gekennzeichnet , daß das Substrat einen überzug aus einem dicht gepackten porösen Gitter aus feinteiligen diskreten, daran haftenden Teilchen aufweist, wobei mindestens eine Oberfläche des Gitters aus einem schwerschmelzbaren Oxid.mindestens eines metallischen Elements besteht, das eine Sinterungstemperatur von mehr als 315°C aufweist und im wesentlichen frei von einer glasartigen und/oder Sinterbindung zwischen den Teilchen ist, wobei die Teilchen durch Chromoxid miteinander verbunden sind und beträchtliche Ablagerungen aus Chromoxid innerhalb ihrer Poren aufweisen, wobei mindestens ein Teil der Teilchen aus einem gepulverten Metall besteht.

2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Chromoxid bei einer Temperatur unterhalb etwa 5*K)^OC gebildet worden ist.

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OWGINAL INSPECTED

3. Werkzeug nach Anspruch 1 und/oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem gepulverten Metall um Mangan handelt.

4. Werkzeug nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug Schleifkörner, insbesondere aus Aluminiumoxid oder Siliciumcarbid, enthält und vorzugsweise etwa 0,0635 bis etwa 0,203 mm dick ist.

5. Werkzeug nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Chromoxid durch Imprägnieren des Überzugs mit einer wäßrigen Lösung einer Schleifverbindung, die durch Erhitzen in eine unlösliche Chromverbindung umwandelbar ist, gebildet worden ist.

6. Werkzeug nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß das Metallsubstrat aus Stahl, den Stahl legierungen 1010-1020, 104-5, 1080C, IO95, geschmiedetem IO95, BIII3, aus rostfreiem Stahl der Reihe 400, Titan oder Bronze besteht und vorzugsweise in situ geformt worden ist.

7· Verfahren zur Herstellung eines Schleifwerkzeuges nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Metallsubstrat mit einem darauf aufgebrachten Oxidüberzug verwendet, auf das Substrat einen Überzug aus einer Aufschlämmung aufbringt, die ein verhältnismäßig hartes, duktiles Metallpulver und ein aus einer löslichen Chromverbindung, die durch Erhitzen in eine unlösliche Chromverbindung umwandelbar ist, bestehendes Bindemittel enthält, das mit der Aufschlämmung beschichtete Substrat wärmehärtet, um die Chromverbindung bei einer Temperatur von mindestens 315 C, jedoch unterhalb einer Temperatur, die ausreichend hoch ist, um das Metallpulver, das Metallsubstrat und/oder das Schleifkorn übermäßig zu oxidieren, zu schmelzen und zu deformieren, umzuwandeln, und die Imprägnierung des

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Aufschlämmungsüberzuges mit einer Lösung einer löslichen Chromverbindung und den Wärmehärtungseyelus mindestens einmal wiederholt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die für die erste Imprägnierung verwendete Lösung einer löslichen Chromverbindung im wesentlichen neutral ist und mit dem gepulverten Metall nicht signifikant reagiert.

9· Verfahren nach Anspruch 7 und/oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmehärtung bei Temperaturen zwischen etwa 315 und etwa 54O°C oder bei einer Temperatur oberhalb

C in einer nicht-oxidierenden Atmosphäre durchgeführt wird.

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