Materialien, wie mittels Gasphasenabscheidung nach chemischem Verfahren erhaltener Diamantfilm (CVD Diamant), polykristalliner Diamant, (PCD), kristallines Bornitrid (CBN) und polykristallines Bornitrid (PCBN) gehören zu den härtesten bekannten Materialien. Schneidwerkzeuge, die mit Einsätzen einer Spitze aus PCD oder anderen harten Materialien hergestellt sind, sind schwierig herzustellen. Übliche Schneidwerkzeugverfahren benötigen zwei Schleifoperationen, einen Grobschliff und einen Feinschliff, die mit verschiedenen Schleifrädern durchgeführt werden. Viele der herkömmlichen Schleifwerkzeuge, die zum Grob- und Feinschleifen dieser Materialien eingesetzt werden, enthalten metallgebundenes Superschleifmittel. Metallgebundene Schleifwerkzeuge schleifen im allgemeinen weniger Teile pro Stunde als glasgebundene Werkzeuge.

Glasgebundene Werkzeuge mit Superschleifmittel haben attraktive Temperatureigenschaften, neigen jedoch dazu, spröde zu sein, und nutzen sich schneller ab als metallgebundene Werkzeuge. Des weiteren können glasgebundene Diamantwerkzeuge Nutzleistungsnachteile aufweisen, die durch eine schlechte Bindung von Diamant mit Glas verursacht werden. Außerdem erfordern bestehende Verfahren zur Herstellung glasgebundener Diamantwerkzeuge üblicherweise hohe Temperaturen, lange Zyklen und nicht-oxidierende oder reduzierende Atmosphären.

Es besteht daher ein Bedarf an Schleifwerkzeugen, die zum Grob- und Feinschleifen harter Werkstücke in der Lage sind, sowie an Verfahren zur Herstellung solcher Werkzeuge, welche die oben genannten Schwierigkeiten vermindern oder eliminieren.

Die Erfindung betrifft allgemein ein Schleifwerkzeug und ein Verfahren zur Herstellung eines Schleifwerkzeugs.

Das Schleifwerkzeug enthält einen Kornbestandteil aus Superschleifmittel, einen Füllmittelbestandteil, der Hohlkörper enthält, und einen Glasbindungsbestandteil. Der Glasbindungsbestandteil enthält Zinkoxid und mindestens zwei Alkalimetalloxide. Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfaßt das Schleifwerkzeug einen Kern und einen Schleifrand an der äußeren Begrenzung des Kerns. Nach einer anderen Ausführungsform enthält das Schleifwerkzeug einen Glasbindungsbestandteil, der bei einer Temperatur von weniger als etwa 850°C gebrannt wird.

Das Verfahren zur Herstellung eines Schleifwerkzeugs beinhaltet das Vereinen eines Kornbestandteils aus Superschleifmittel, eines Füllmittelbestandteils und eines Glasbindungsbestandteils, der Zinkoxid und mindestens zwei Alkalimetalloxide enthält. Die vereinten Bestandteile werden bei einer Temperatur in einem Bereich zwischen etwa 600°C und etwa 850°C gebrannt. Die erhaltenen gebrannten Bestandteile können an einem Kern befestigt werden.

Das erfindungsgemäße Schleifwerkzeug kann dazu verwendet werden, Schneidwerkzeugeinsätze zu schleifen. Ein Verfahren zum Schleifen eines Schneidwerkzeugeinsatzes auf Diamantbasis umfaßt die Auswahl eines wie oben beschriebenen Schleifwerkzeugs, das Inkontaktbringen des Schleifwerkzeugs mit dem Einsatz und das Schleifen der Kante des Einsatzes. Die durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltene Kante des Einsatzes ist im wesentlichen frei von Splittern und/oder Unregelmäßigkeiten.

Die Erfindung weist zahlreiche Vorteile auf. Beispielsweise gewährleistet die Glasbindung üblicherweise eine gute Bindung zwischen Glas und Diamant, was zu einem Schleifwerkzeug führt, das zur Grobbehandlung und zum Präzisionsschleifen harter Materialien, wie polykristallinem Diamant, Diamantfilm, Bornitrid, Keramikmaterialien und gehärteten Metallen, gut geeignet ist. Für den Gebrauch kann das Schleifwerkzeug an einem Metallkern befestigt werden und es bietet im allgemeinen verbesserte Produktivität, gute Kantenqualität und verminderte Radabnutzung. Das selbe Schleifwerkzeug kann zum Grobschleifen und für Feinschliffverfahren eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren kann bei relativ niedrigen Temperaturen durchgeführt werden und es kann relativ kurze Durchwärmzeiten (oder Brennzeiten) einsetzen. Außerdem kann die Notwendigkeit für nicht-oxiderende Atmosphären, wie Stickstoffgas oder eine Quelle reduzierenden Kohlenstoffs, beim Herstellungsprozeß erheblich vermindert oder eliminiert werden.

Die Erfindung betrifft allgemein Schleifwerkzeuge. Beispiele für Schleifwerkzeuge sind Räder, Scheiben, Radsegmente, Steine und Abziehsteine. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von Schleifwerkzeugen.

Das erfindungsgemäße Schleifwerkzeug enthält einen Superschleifkornbestandteil, einen Füllmittelbestandteil, der Hohlkörper enthält, und einen Glasbindungsbestandteil, der Zinkoxid und mindestens zwei Alkalimetalloxide enthält. Im allgemeinen ist das Schleifwerkzeug ein gebundenes Schleifwerkzeug, im Gegensatz beispielsweise zu einem beschichteten Schleifwerkzeug.

„Superschleifmittel", wie der Begriff hier verwendet wird, bedeutet ein Schleifmittel mit einer Härte, gemessen auf der Knoop Härteskala, von mindestens der von kubischem Bornitrid (CBN), d.h. einem K₁₀₀-wert von mindestens 4700. Neben kubischem Bornitrid sind andere Beispiele für Superschleifmittelmaterialien natürlicher und synthetischer Diamant. Geeignete Diamant- oder kubische Bornitridmaterialien können kristallin oder polykristallin sein. Vorzugsweise ist das Superschleifmittelmaterial Diamant.

Das Superschleifinittelmaterial liegt in Form von Körnern, auch als „Grit" bekannt, vor. Der erfindungsgemäße Kornbestandteil aus Superschleifmittel kann kommerziell erhalten oder kundenspezifisch angefertigt werden. Im allgemeinen weist das bei der vorliegenden Erfindung eingesetzte Superschleifmittel eine durchschnittliche Partikelgröße in einem Bereich von zwischen etwa 0,5 Mikrometern (Mikron, &mgr;m) und etwa 500 &mgr;m auf. Vorzugsweise liegt die Partikelgröße in einem Bereich von zwischen etwa 2 &mgr;m und etwa 200 &mgr;m.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Superschleifkornbestandteil in einer Menge von mindestens etwa 5 Volumen-% des Superschleifmittelwerkzeugs vorhanden. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der Kornbestandteil aus Superschleifmittel in einer Menge in einem Bereich von zwischen etwa 5 und etwa 50 Volumen-% des Superschleifmittelwerkzeugs, mehr bevorzugt zwischen etwa 20 und etwa 50 Volumen-% des Superschleifmittelwerkzeugs, vorhanden.

Der Glasbindemittelbestandteil enthält Zinkoxid (ZnO) und mindestens zwei Alkalimetalloxide. Glasbindungen werden üblicherweise durch Schmelzen von Rohmaterialien, wie Siliciumoxid (SiO-), Ton, Feldspat und anderen Materialien, die kombiniert und verarbeitet werden können, hergestellt, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist. Sobald ein Glas hergestellt worden ist, kann es zu einem Pulver vermahlen werden, das im allgemeinen als „Fritte" bekannt ist. Siliciumoxid-Aluminiumoxid-Glasbindungen werden im allgemeinen in glasgebundenen Schleifwerkzeugen verwendet.

Gemäß einer Ausführungsform ist der Glasbindemittelbestandteil in einer Menge von nicht mehr als etwa 28 Volumen-% des Schleifwerkzeugs vorhanden. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist der Glasbindemittelbestandteil in einem Bereich von zwischen etwa 14 und etwa 28 Volumen-% des Schleifwerkzeugs vorhanden, mehr bevorzugt etwa 15 bis etwa 22 Volumen-% des Superschleifmittelwerkzeugs.

Die hier verwendete Glasbindung enthält ZnO in einer Menge von etwa 1–6 Gewichts-% des Glasbindungsbestandteils. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das ZnO in einer Menge von etwa 2–4 Gewichts-% des Glasbindungsbestandteils vorhanden.

Beispiele für geeignete Alkalimetalloxide und geeignete Menge an Alkalimetalloxiden des Glasbindungsbestandteils schließen Natriumoxid (Na₂O, etwa 3–6 Gewichts-%), Kaliumoxid (K₂O, etwa 4–7 Gewichts-%) und Lithiumoxid (Li₂O, etwa 1–5 Gewichts-%) mit ein. Gemäß einer Ausführungsform enthalten die Alkalimetalloxide des Glasbindungsbestandteils Natriumoxid und Kaliumoxid. Gemäß einer anderen Ausführungsform enthält das Alkalimetalloxid des Glasbindungsbestandteils des weiteren Lithiumoxid.

Gemäß einer Ausführungsform beträgt die Menge der kombinierten Alkalimetalloxide etwa 5–15 Gewichts-%, vorzugsweise 8–12 Gewichts-% des Glasbindungsbestandteils. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Menge der kombinierten Alkalimetalloxide größer als etwa 9 Gewichts-% des Glasbindungsbestandteils.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform enthält der Glasbindungsbestandteil weiterhin Bariumoxid (BaO) in einer Menge von 1–6 Gewichts-%. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist Bariumoxid in einer Menge von etwa 2–4 Gewichts-% des Glasbindungsbestandteils vorhanden. Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Ausführungsform beträgt die gemeinsame Menge an Zinkoxid und Bariumoxid mindestens etwa 5 Gewichts-% des Glasbindungsbestandteils.

Der Glasbindungsbestandteil kann auch Siliciumoxid (SiO₂), Aluminiumoxid (Al₂O₃), Boroxid (B₂O₃), Calciumoxid (CaO), Magnesiumoxid (MgO) und Nickeloxid (NiO) sowie andere üblicherweise in geringen Mengen in Glaszusammensetzungen vorhandene Oxide enthalten.

Gemäß einer Ausführungsform enthält der Glasbestandteil eine Fritte eines bei niedriger Temperatur gebrannt werdenden Glases auf Siliciumoxid-Aluminiumoxid-Basis. Das Aluminiumoxid kann in dem Glasbestandteil in einer Menge in einem Bereich von zwischen etwa 1 und etwa 10 Gewichtsprozent vorhanden sein. Die Gesamtmenge an Siliciumoxid und Aluminiumoxid reicht im allgemeinen von etwa 51 bis etwa 80 Gewichtsprozent.

In einem Beispiel enthält der Glasbindemittelbestandteil zwischen etwa 50 und 70 Gewichtsprozent, vorzugsweise zwischen etwa 55 und etwa 65 Gewichtsprozent, an SiO₂; zwischen etwa 16 und etwa 25, vorzugsweise zwischen etwa 18 und 22 Gewichtsprozent an B₂O₃; zwischen etwa 5 und etwa 15 Prozent, vorzugsweise zwischen etwa 8 und etwa 12 Prozent, an Alkalimetalloxiden; zwischen etwa 1 und etwa 6 Gewichtsprozent, vorzugsweise zwischen etwa 2 und etwa 4 Gewichtsprozent, BaO; und zwischen etwa 1 und etwa 6 Gewichtsprozent, vorzugsweise zwischen etwa 2 und etwa 4 Gewichtsprozent, ZnO. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird die Glasbindung mit dem Schleifkorn bei einer Temperatur von unterhalb 850°C schmelzend verbunden. Unter schmelzend verbunden ist gemeint, daß der Glasbindemittelbestandteil geschmolzen wird, um das Schleifkorn zu bedecken und an diesem zu haften, was, nach Abkühlung, zu einem gebundenen Schleifartikel führt.

Der Füllmittelbestandteil des erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugs umfaßt Hohlkörper. Wie er vorliegend verwendet wird, bedeutet der Begriff „hohl", daß ein leerer Raum oder ein Hohlraum innerhalb einer Wand vorliegt, die für Flüssigkeiten im wesentlichen undurchlässig ist. Hohlkörper können jede Form aufweisen. Ein Beispiel für eine geeignete Form ist eine kugelförmige Gestalt. Gemäß einer Ausführungsform weisen Hohlkörper des Füllmittelbestandteils ein Hohlraumvolumen in einem Bereich von etwa 30 und etwa 75 % auf. Gemäß einer Ausführungsform liegt die Druckfestigkeit der Hohlkörper in einem Bereich zwischen etwa 2000 psi und etwa 5000 psi.

Beispiele für geeignete Materialien der Hohlkörper schließen Glaskeramik-Mullit, Aluminiumoxid, Glas, keramische Blasen und Kugeln mit ein. Hohlkörper, die dem Zerdrücken während des Formvorgangs und des Brennens des Schleifwerkzeugs widerstehen, sind bevorzugt. Geeignete Hohlkörper werden von Environsphere Co. Zeeland Industries, 3-M Speciality Materials und von der PQ Corp. geliefert. In einem Beispiel sind die Hohlkörper Z-Light Spheres^TM Ceramic Microspheres, hergestellt von 3-M Speciality Materials.

Gemäß einer Ausführungsform haben die Hohlkörper einen durchschnittlichen Durchmesser in einem Bereich von zwischen etwa 10 &mgr;m und etwa 150 &mgr;m. Vorzugsweise weisen mindestens etwa 90 % der Hohlkörper eine Partikelgröße in einem Bereich von zwischen etwa 20 &mgr;m und etwa 120 &mgr;m auf.

Gemäß einer Ausführungsform sind die Hohlkörper in dem Schleifwerkzeug in einer Menge von mindestens etwa 10 Volumen-% vorhanden. Gemäß einer anderen Ausführungsform sind die Hohlkörper in dem Schleifwerkzeug in einer Menge in einem Beriech von zwischen etwa 10 und etwa 30 Volumen-% vorhanden. Schleifwerkzeuge, die mindestens 90 Gewichtsprozent intakter Hohlkörper enthalten, sind bevorzugt.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält das Schleifwerkzeug mindestens etwa 15 Volumen-% Hohlraum, wobei der Hohlraum der Hohlkörper darin nicht enthalten ist. Der Hohlraum kann beispielsweise offene Porosität des Schleifwerkzeugs sein.

Das erfindungsgemäße Verfahren umfaßt das Kombinieren eines Kornbestandteils aus Superschleifinittel, eines Füllmittelbestandteils mit Hohlkörpern sowie eines Frittenbindungsbestandteils, der Zinkoxid und mindestens zwei Alkalimetalloxide enthält. Die Hohlkörper können sortiert werden, um zerbrochene Stücke zu entfernen.

Die vereinigten Bestandteile werden bei einer Maximaltemperatur in einem Bereich von zwischen etwa 600°C und etwa 850°C gebrannt. Gemäß einer Ausführungsform werden die kombinierten Bestandteile für eine Zeitdauer in einem Bereich von zwischen etwa 2 und etwa 7 Stunden gebrannt. Der gesamte Brennzyklus dauert etwa 12 Stunden. Bei solch relativ niedrigen Glasbrenntemperaturen beträgt die für einen Glasbindungsbestandteil enthaltend Siliciumoxid, Zinkoxid, gemischte Alkalimetalloxide und BaO benötigte Brennzykluszeit ziemlich unerwarteterweise die Hälfte der Zeit, die für kommerzielle Glasbindungen benötigt werden, die für Schleifwerkzeuge verwendet wird, die Diamantkorn enthalten.

Gemäß einer spezifischen Ausführungsform werden die kombinierten Bestandteile in einer Umgebungsluftatmosphäre gebrannt. Wie er hier verwendet wird bedeutet der Ausdruck „Umgebungsluftatmosphäre" Luft aus der Umgebung ohne Behandlung.

Gemäß einer Ausführungsform werden die Bestandteile durch mechanisches Mischen kombiniert. Zusätzliche Inhaltsstoffe, wie beispielsweise organische Bindemittel, können zugegeben werden, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist. Die Bestandteile können schrittweise oder in einem einzelnen Schritt zugegeben werden. Wahlweise kann die erhaltene Mischung gesiebt werden, um Agglomerate zu entfernen, die sich während des Mischens gebildet haben können.

Die Mischung wird zum Pressen in eine geeignete Form gegeben. Üblicherweise werden geformte Stempel verwendet um die Mischung abzudichten. In einem Beispiel werden die kombinierten Bestandteile in eine Gestalt geformt und gepreßt, die für einen Schleifradrand geeignet ist. Das Pressen kann durch jedes Mittel, wie durch Kaltpressen oder durch Warmpressen, erfolgen. Form- und Preßverfahren, welche ein Zerbrechen der Hohlkörper vermeiden, sind bevorzugt.

Kaltpressen ist bevorzugt und beinhaltet im allgemeinen die Anwendung eines Anfangsdrucks bei Raumtemperatur, der ausreicht, um den Formausbau zusammen zu halten. Der eingesetzte Anfangsdruck ist im allgemeinen in dem Bereich von etwa 50 bis etwa 150 Tonnen. Der erhaltene Grünling des Schleifwerkzeugs wird dann gebrannt. Wie er hier verwendet wird bedeutet der Begriff „Grünling" einen Körper, der während des nächsten Verfahrensschritts seine Gestalt beibehält, aber nicht genügend Festigkeit aufweist, um seine Gestalt dauernd beizubehalten. Das Brennen kann beispielsweise für eine Dauer von weniger als 15 Stunden in Luft erfolgen sowie bei einer Temperatur, die weniger als etwa 850°C beträgt, vorzugsweise in einem Bereich von zwischen etwa 600°C und etwa 750°C.

Warmpressen ist beispielsweise in den US-Patenten Nr. 4,157,897 und 2,986,455 beschrieben, deren Lehren hiermit in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme mit aufgenommen werden. Warmpressen ist auch in Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, 3^rd Ed., 1979, S. 263 und in der Encyclopedia of Materials Science and Engineering, Band 3, Pergamon Press Ltd., 1986, S. 2205–2208 beschrieben. Gemäß einer Ausführungsform wird Druck sowohl vor als auch während des Brennens ausgeübt. Gemäß einer anderen Ausführungsform wird Druck nur während des Brennens ausgeübt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform, die als „Warmprägen" bezeichnet wird, wird Druck auf die Formanordnung ausgeübt, nachdem der Artikel aus dem Brennofen entfernt wurde. Soweit er hier verwendet wird schließt der Ausdruck „Warmpressen" „Warmpräge"-Verfahren mit ein. Brennen erfordert keine nicht-oxidierenden Atmosphären.

Im allgemeinen wird, wenn Warmpressen angewandt wird, das Brennen bei einer Temperatur von etwa 500°C bis etwa 750°C durchgeführt, und der endgültige Formdruck liegt in einem Bereich von zwischen etwa 0,7 Tonnen pro Quadratinch (tsi) und etwa 1,5 tsi. Die Haltezeit in der Form unter den endgültigen Temperatur- und Druckbedingungen ist im allgemeinen weniger als etwa 10 Minuten, und vorzugsweise in einem Bereich von zwischen etwa 4 und etwa 8 Minuten.

Formgebungs- und Druckverfahren, welche ein Zerbrechen der Hohlkörper vermeiden, sind wesentlich. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung bleiben mindestens 90 Gewichtsprozent der Hohlkörper nach der Formgebung und der Pressen intakt.

Der Schleifartikel wird aus der Form entfernt und luftgekühlt. In einem späteren Schritt kann das gebrannte Werkzeug nach herkömmlicher Praxis geschärft und endbehandelt und dann vor der Verwendung auf Geschwindigkeit getestet werden.

Im Einsatz umfaßt das erfindungsgemäße Schleifwerkzeug im allgemeinen einen Schleifrand, der am äußeren Umfang eines Kerns angebracht ist. Erfindungsgemäße Werkzeuge schließen Typ 6A2H, 1A1, 6A1, 4A2 und andere Radformen mit ein. Der Schleifrand enthält das Schleifkorn, die Glasbindung und Füllstoffbestandteile, wie oben beschrieben. Verfahren zum Befestigen von Schleifkorn in einem Bindemittel, z.B. geformte Schleifsegmente, an einem Kern; sind auf dem Fachgebiet bekannt und schließen, z.B., Löten, Laserschweißen, Kleben oder Zementieren mit ein. Zementieren ist bevorzugt.

Metall-, Keramik-, Harz- und Kombinationskerne sind auf dem Fachgebiet bekannt. Ein Beispiel für ein geeignetes Kernmaterial für ein erfindungsgemäßes Schleifwerkzeug ist ein Aluminium-Harz-Verbundmaterial, das im allgemeinen eine gute Werkzeugvibrationsdämpfung gewährleistet. Gemäß einer Ausführungsform hat der Aluminium-Harz-Kern in Gewichtsprozent die folgende Zusammensetzung: etwa 8,3 % Phenolharz, etwa 90 % Aluminiumpulver und etwa 1,7 % Kalk. Der Kern kann, wie auf dem Fachgebiet bekannt ist, hergestellt werden, indem Kernvorstufen in die Gestalt des Kerns geformt und bei einer Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Aluminiums gesintert werden. Aluminiumkerne sind ebenfalls gut geeignet für die erfindungsgemäßen Schleifwerkzeuge und deren Verwendungen.

Gemäß einer Ausführungsform werden die erfindungsgemäßen Werkzeuge verwendet, um Schneidwerkzeugeinsätze, hergestellt aus PCD, CDV oder anderen superharten Materialien, zu schleifen. Sowohl Grobschleifen als auch Oberflächenendbehandlung kann mit dem selben Werkzeug durchgeführt werden. Während die Vorteile des Schleifens mit den erfindungsgemäßen Schleifwerkzeugen bei Schleifen der Kanten von PCD-Einsätzen am ausgeprägtesten sind, kann auch die Oberfläche des Schleifwerkzeugeinsatzes mit diesen Werkzeugen geschliffen werden. Der Schleifvorgang führt im allgemeinen zu Oberflächen und Kanten der Einsätze, die im wesentlichen frei von Splittern und Unregelmäßigkeiten sind.

Die Erfindung wird durch die nachfolgenden Beispiele, die als nicht einschränkend anzusehen sind, weiter beschrieben.