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HERSTELLUNGSPROZESS METALLGEBUNDENER DIAMANTWERKZEUGE

1. Infiltrationsbindungen

Diese Pulver sind so entwickelt worden, dass das flüssige Metall in die Zwischenräume fließen oder eindringen kann. Oberflächenbeschaffenheit, Korngröße, Form und Korngrößenverteilung des Pulvers sind die Schlüsselfaktoren, die die Eignung für den Infiltrationsprozess bestimmen. Ein typisches Beispiel für ein Infiltrationspulver wäre ein -80 + 325 U.S. mesh makrokristallines Wolframkarbid. Dieses Pulver hat glatte Oberflächen und ist staubfrei. Feinere Pulver (-325 U.S. mesh) sind oftmals Feuchtigkeit gegenüber sehr empfindlich, was den Infiltrationsprozess unberechenbar machen kann. Das Pulver kann mit einem Löffel in die Sinterformen eingefüllt, und anschließend leicht geklopft bzw. gerüttelt werden, um gleichmäßige und vollständige Verteilung in der Sinterform zu gewährleisten. Das Infiltrationsmaterial lässt sich dann oben in einem geeigneten Ring einfüllen. Anschließend wird die gesamte Sinterform in den Ofen gestellt.

2. Drucksinterung mit Flüssigphase

Bei der Drucksinterung mit Flüssigphase erreicht entweder ein Teil oder aber sogar das ganze Sinterpulver während der Verarbeitung die Schmelztemperatur. Ein typisches Beispiel hierfür wäre Wolframkarbid mit Bronze, wobei die Bronze während des Herstellungsprozesses schmilzt und so das Wolframkarbid förmlich einzementiert wird. Beim Drucksinterverfahren mit Flüssigphase gibt es normalerweise nur ein optimales Temperatur- / Zeit- / Druckverhältnis, das beim Herstellungsprozess genau eingehalten werden muss. Ändert man diese Parameter, dann können u. U. schlechtere Resultate entstehen.

Ein typischer Herstellungsablauf wäre:
Das Pulver in die Sinterform einfüllen; Pulver kalt verdichten (50 kp/cm,) erhitzen bis zum Schmelzpunkt der Flüssigphasenkomponenten. Wenn der Schmelzpunkt erreicht ist, muss gepresst und die Heizquelle abgestellt werden, damit das ganze System abkühlen kann. Wenn die Schmelztemperatur einmal erreicht worden ist, wird durch weiteres Erhitzen keine Verbesserung mehr erzielt Es könnte der Bindung und den Diamanten sogar schaden, wenn sie zu lange erhitzt würden. Die Drücke, die man bei Bindungen mit Flüssigphase anwendet, sind sowohl im kalten als auch im heißen Zustand relativ niedrig: Typische Drücke liegen bei etwa 50 kp/cm“. Erfolgt die Aufheizung über Widerstand, können höhere Drücke erforderlich sein.

3) Reines Drucksinterverfahren ohne Flüssigphase

Diese Sinterpulver erreichen nicht die Schmelztemperaturen ihrer einzelnen Komponenten während des Verarbeitungsprozesses. Ein typisches Beispiel hierfür wäre eine Wolframkarbid/Kobalt/Eisen-Bindung, die eine Diffusionsbindung bei optimalem Zeit- / Temperatur- / Druck-Verhältnis eingeht und ein gesintertes Formteil oder Segment ergibt. Das Zeit- / Temperatur- / Druck-Verhältnis ist der Schlüsselfaktor, um gute und optimale Eigenschaften im fertigen Produkt zu erzielen. Im Gegensatz zum Drucksintern mit Flüssigphase gibt es hier viele verschiedene Einstellmöglichkeiten mit denen gearbeitet werden kann, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Ein typischer Herstellungsablauf könnte dabei wie folgt aussehen:
Zuerst Kaltpressen in einer Stahlform, dann umladen in eine Graphitform. Erhitzen bis zur Sintertemperatur, bei gleichzeitiger Druckanwendung. Diese Verhältnisse sind für eine gegebene Zeit stabil zu halten. Heizquelle abschalten, und die Form abkühlen lassen. Die Drücke, die beim Kaltpressen (Stahlformen) zur Anwendung kommen, liegen meistens bei oder über 300 kg/cm‘. Die Drücke, die während des Sinterns benutzt werden, liegen etwa im gleichen Bereich, sind allerdings durch die Belastbarkeit der Graphitform beschränkt.

BINDUNGSSORTEN UND ANWENDUNGSGEBIETE

Infiltrations- und Schmelzbindungen

Einsatzgebiete:

    • Bohrkronen für Erdöl und Bergbau

Verschleißteile und Abrichtwerkzeuge

Schneidwerkzeuge für BETON und ASPHALT

Matrixsorten:

  • Eisen, Nickel, Kobalt; zusätzlich
  • INFILTRANTEN oder SCHMELZLEGIERUNGEN auf Cu-Basis.

Drucksinterbindungen

Einsatzgebiete:
Sägen, Fräsen, Schleifen, Polieren und Bohren von: SANDSTEIN, GRANIT, MARMOR, BETON UND ASPHALT

Bindungsarten:
EISEN, NICKEL, KOBALT, BRONZEN, WOLFRAMKARBID

Schmelzbindungen

Einsatzgebiete:
Schneiden, Fräsen, Schleifen, Polieren und Bohren von: BETON, ASPHALT, GRANIT, MARMOR und GLAS

Bindungsarten:
KUPFER. BRONZE, NICKEL, SILBERLEGIERUNGEN modifiziert mit Eisen, Kobalt und anderen Materialen

STEUERUNG DER VERSCHLEßEIGENSCHAFTEN

Daten über Abrieb und Verschleißfestigkeit von Bindungen lassen sich durch verschiedene Laboruntersuchungen und -verfahren ermitteln. Leider sind diese Daten aber meistens nur für die Qualitätskontrolle und für die Forschungs- und Entwicklungsabteilungen interessant. Rückschlüsse bezüglich ihrer praktischen Anwendung sind daraus jedoch schwer zu ziehen. Die effektivsten Daten erhält man daher aus Testreihen direkt beim Anwender.

Härte und Zugfestigkeit von Bindungsproben sind relativ einfach zu bestimmen und werden in der gesamten Diamantwerkzeugindustrie als Kriterium in der Qualitätskontrolle verwendet. DHV setzt diese Eigenschaften ebenfalls als Teil seiner eigenen Sinterpulver-Qualitätskontrolle ein. Fügt man einer Bindung Diamanten hinzu, so ändert sich die Beziehung zwischen Härte und Verschleißfestigkeit. Daher muss bei diamantimprägnierten Werkzeugen der Verschleiß der Bindung auf den Verschleiß des Diamanten abgestimmt sein, da sonst das Segment stumpf und blank wird oder, wenn die Bindung zu schnell verschleißt, die Diamanten vorzeitig aus ihrem Sitz ausgewaschen werden. Die Auswahl des Sinterpulvers für diamantimprägnierte Werkzeuge ist kompliziert und hängt von vielen Faktoren ab, z. B. Steinsorte, Betonsorte, Maschinenparameter, Anpressdruck und schließlich Diamantkorngröße und -qualität. Die Verschleißmechanismen der Matrix bzw. der Bindung stehen in direktem Bezug zu Größe und Abrasivität des Abriebs (z.B. des Bohrguts) und bestimmen dadurch, wie weit die Diamanten aus der Bindung herausragen und somit die freischneidenden Eigenschaften.

Die Bohr- bzw. Schnittgeschwindigkeit wiederum ist direkt abhängig vom Herausragen der Diamanten und beeinflusst somit auch die Leistung des Werkzeugs. Es gibt drei Schlüsselfaktoren, die die Verschleißfestigkeit eines gegebenen Sinterpulvermaterials beeinflussen:

a.) Korngröße
b.) Kornform
c.) Korngrößenverteilung

Diese Faktoren bestimmen direkt mehrere Eigenschaften des fertigen Diamantwerkzeugs.

Die sorgfältige Auswahl und Gebrauch der Zusätze in Sinterpulvern zur Herstellung diamantimprägnierter Werkzeuge ist erforderlich, um sicherzustellen, dass die Zusätze und die Grundmatrix sowohl miteinander vereinbar, als auch geeignet für die Herstellungsmethode sind. Es gibt Zusätze, die für die Infiltrationsmethode ungeeignet sind, dafür jedoch hervorragend in einer Bindung mit Flüssigphase oder in der reinen Drucksinterbindung zum Einsatz kommen können. Große Mengen an beigemischtem Wolfram- oder Wolframkarbidpulver können in Bindungen mit Schmelzphase zu Problemen führen, wenn nicht genügend Bindematerial vorhanden ist, um die Matrix zu binden.

Als Faustregel gilt, dass Zusätze von feinem Wolframkarbid in den meisten Bindungen die Härte und die Abriebfestigkeit erhöhen. Zusätze von grobem Wolframkarbid in Mengen zwischen 10 und 15 % haben keinen großen Einfluss auf die Härte, verändern aber die Beziehung zwischen der Verschleißrate der Bindung und den freischneidenden Eigenschaften des Werkzeuges. Wenn man ein Sinterpulver für diamantimprägnierte Werkzeuge auswählt, verwendet man zunächst besser eine „weichere“, statt einer „härteren“ Bindung, weil dann der Freischnitt eher gewährleistet ist. Die schneidfreudigere Bindung kann dann mit Hilfe von Zusätzen härter gemacht werden, um die optimalen Eigenschaften zu erreichen.

HERSTELLUNGSVERFAHREN GALVANISCHER DIAMANTWERKZEUGE:

wissenswertes_1Galvanische Diamantwerkzeuge werden ausschließlich mit Stahl, Alu oder Buntmetallträgern hergestellt, wobei Stahl mit fast 90% überwiegt. Vor dem Beschichtungsprozess wird das Werkzeug mit Spezialvorrichtungen kontaktiert. Die nicht zu beschichtende Flächen des Werkzeuges werden mit verschiedenen Abdeckmaterialien (Speziallack, Klebebänder und Kunststoff-Vorrichtungen) abgedeckt. Die Beschichtungspartien werden freigelegt und die Oberfläche berechnet. Nun wird nach einem auf Erfahrungswerten fußenden Beschichtungsprotokoll der Belegungsvorgang gestartet. Nach der mechanischen Vorbehandlung erfolgt die galvanische Vorreinigung in diversen elektrolytischen Bädern, Säuren und Laugen, damit eine optimale Haftung der Diamantschicht erzielt werden kann. Das vorbereitete Werkzeug kann danach im galvanischen Nickelbad in die passende Vorrichtung eingesetzt werden. Das zu belegende Werkzeug wird elektrisch angeschlossen und die Speziell angefertigte Vorrichtung mit Diamant befüllt. Stromwerte werden anhand des Belegungsprotokolls am Gleichrichter eingestellt und der galvanische Prozess beginnt.

Nach den errechneten Zeit/Stromfluss-Parametern haftet das Korn auf dem Grundkörper. Es muss je nach Werkzeugbeschaffenheit noch mal gewendet und wieder befüllt werden. Im Anschluss daran wird das Werkzeug aus der Vorrichtung genommen, um das Korn im galvanischen Nickelbad fertig einzubetten. Diese Endvernickelung kann den Anforderungen des Einsatzes angepasst werden, indem verschiedene organische und anorganische Zusätze ihre Eigenschaften bezüglich Härte, Haftfähigkeit, Verschleißfestigkeit und Zähigkeit variieren. Die Schichtstärke richtet sich nach der Korngröße der Diamanten und dem Einsatzzweck des Werkzeuges. Beim einschichtigen Belag ragen die Schleifkörner mit etwa 1/3 bis 1/2 ihrer Größe aus der Bindung heraus

wissenswertes_2Galvanisch belegte Schleif -und Schneidwerkzeuge weisen einen hochkonzentrierten Diamantbelag auf. Die aus der Nickelbindung herausragenden Körner, von höchster Qualität und genauer Kalibrierung, verleihen dem Werkzeug eine konstante Schnittigkeit in Verbindung mit einem hohen Abtragsvermögen. Die galvanische Bindung ermöglicht eine präzise Belegung von Profilen, die bei gesinterten Werkzeugen nicht ohne weiteres herstellbar sind.

Bearbeitbare Werkstoffe:

Diamant- und CBN-Werkzeuge in galvanischer Bindung haben sich bei der Bearbeitung folgender Materialen bewährt: CFK – Duroplaste – Halbleitermaterialen – GFK – Marmor – Sandstein – Kalksandstein – Silizium – Gießharz mit mineralischem Füller – Glas – Saphir – Grünkeramik – Gusslegierungen – Hartmetall gesintert – Hartmetall vorgesintert – keramische Schleifkörper – Kunstkohle – Oxydkeramik – Perlmutt – Porzellan – Quarze – Sintermagnete – Spinelle – Steatit – Thermoplaste – Tiefkühlkost

Rohstoffe und Konzentration:

Diamant und kubisches Bornitrid (CBN) sind bis heute die härtesten bekannten Schleifstoffe. Sie eignen sich insofern zur Bearbeitung von Werkstoffen, welche mit herkömmlichen Schleifmitteln wie, Siliziumkarbid oder Korund, nur schwer oder überhaupt nicht mehr zu bearbeiten sind.

Der Diamant sowie CBN haben die gleiche Kristallstruktur, wobei Diamant aus reinem Kohlenstoff, CBN hingegen aus den Elementen Bor und Stickstoff besteht.

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Härtevergleich:

Die Angabe der Konzentration benennt den Anteil an Schleifkörnung (Diamant oder CBN), der im Schleif/Schneidbelag verarbeitet ist.

Konzentration 100 = 4,4 Karat Schleifkörnung in 1 cm³ Schleifbelag Die Konzentration bestimmt maßgeblich das Leistungsverhalten von Diamant- und CBN-Werkzeugen. Sie beeinflusst:

  • Standzeit der Schleifwerkzeuge,
  • Abtragsleistung,
  • Profilhaltigkeit,
  • Maßkonstante am bearbeiteten Bauteil,
  • Schliffqualität am bearbeiteten Bauteil
  • Preis des Schleifwerkzeuges

Einsatzempfehlung

Schleifdruck

Beim Einsatz von Diamant- und CBN-Werkzeugen sollte mit geringem Schleifdruck gearbeitet werden, da durch die hohe Konzentration an Diamant relativ große Schleifkräfte entstehen.

Schleifgeschwindigkeiten

Die optimalen Schnittgeschwindigkeiten sind von verschiedenen Faktoren abhängig:

  • Schleifmittel
  • Schleifart
  • Kühlung
  • Maschine
Richtwerte Nassschliff (m/s) Trockenschliff (m/s)
Diamant 15 – 25 10 – 20
CBN 30 – 150 15 – 20

Werkzeugkühlung

Diamantwerkzeuge können auf bestimmten Materialien trocken eingesetzt werden, doch begünstigt eine gute Kühlung die Schnittleistung und Standzeit des galvanischen Belages, bei besserer Oberfläche am Werkstück. Temperaturempfindliche Werkstoffe, wie zum Beispiel Glas, erfordern besonders reichliche Kühlung.

CBN-Werkzeuge werden in der Regel im Nassschliff eingesetzt, vorwiegend mit Schleiföl unter Hochdruckkühlung.