AT395144B - Hochtemperatur-hochdruck-verfahren zur herstellung eines gesinterten kompaktkoerpers aus kubischem bornitrid - Google Patents

Description

AT 395 144 B

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung von polykristallinen Kompaktköipem für Schleifzwecke und betrifft insbesondere ein direktes Umwandlungsverfahren zur Herstellung eines Kompaktkörpers aus kubischem Bomitrid (CBN) aus hexagonalem Bomitrid (HBN) sowie das dabei entstehende Produkt

Es sind drei Kristallformen von Bomitrid bekannt: 1) die weiche (hexagonale) graphitische Form (HBN) von gleichartiger Struktur wie graphitischer Kohlenstoff; 2) eine harte (hexagonale) Wurtzitform (WBN) ähnlich dem hexagonalen Diamant; und 3) eine harte (kubische) Zinkblendeform (CBN) ähnlich dem kubischen Diamant.

Die drei Kristallstrukturen von Bomitrid können in der Weise veranschaulicht werden, daß sie durch Zusammensetzen bzw. Übereinanderlagem einer Reihe von Schichten oder Lagen von Atomen gebildet werden. Bei der unter niederem Druck erzeugten graphitischen Struktur werden die zusammengesetzten Schichten aus ebenflächigen, miteinander verschmolzenen Sechsecken gebildet, wobei die Ecken der Sechsecke abwechselnd von Boratomen und Stickstoffatomen besetzt sind und die einzelnen Schichten vertikal so übereinander gelagert oder gestapelt sind, daß die Bor- und Stickstoffatome auch in der Beschichtungsrichtung (001) miteinander abwechseln, wie dies in Fig. 1A dargestellt ist Bei den dichteren CBN- und WBN-Kristallstrukturen treten die Atome der übereinandergeschichteten Lagen aus der Ebene heraus und diese beiden dichten Strukturen entstehen durch Variation bei der Übereinanderlagerung der Schichten. Wie aus Fig. 1B und IC hervorgeht, kann daher die Schichtfolge der CBN- und WBN-Strukturen symbolisiert werden als.....A B C A.....bzw......ABAB......

Bei den HBN- und WBN-Kristallen sind die Schichten in der (OOl)-Richtung (d. h. die kristallographische c-Achse steht senkrecht zu den Schichten) zusammengesetzt, wogegen bei den CBN-Kristallen die Schichten in der (111)-Richtung übereinander gelagert sind. Diese Schichten werden als hexagonale Aufbauschichten oder Aufbauebenen bezeichnet. Bei den HBN-Kristallen ist die Bindung zwischen den Atomen innerhalb der Schichten überwiegend vom starkkovalenten Typus, mit nur einer schwachen van der Waals-Bindung zwischen den Schichten. Bei den WBN- und CBN-Kristallen werden starke, überwiegendkovalente tetraedrische Bindungen zwischen jedem Atom und seinen vier Nachbaratomen gebildet.

Bomitridkompaktkörper mit harterPhase entsprechen zwei allgemeinen Typen: einem klumpenartigen Kompaktkörper („duster compact“) und einem zusammengesetzten Kompaktköiper („composite compact“).

Ein klumpenartiger Kompaktkörper ist definiert durch eine Anhäufung (klumpen- oder büschelartig) von Schleifkristallen, die entweder (1) durch Selbstbindung, (2) mit Hilfe eines zwischen den Kristallen befindlichen Bindemedius oder (3) mittels irgendeiner Kombination von (1) und (2) miteinander verbunden sind. Eine nähere Beschreibung bestimmter Typen von klumpenartigen Kompaktkörpem und von Verfahren zu deren Herstellung ist in den US PS 3,136,615 und 3,233,988 zu finden.

Ein zusammengesetzter Kompaktkörper ist definiert als ein klumpenartiger Kompaktkörper, der an ein Substratmaterial, wie gesintertes Wolframkarbid, gebunden ist. DieBindungan das Substratkann entweder während oder nach der Erzeugung des klumpenartigen Kompaktkörpers »folgen. In denUS-PS 3,743,489und3,767371 sind bestimmte Typen von zusammengesetzten Kompaktkörpem und von Verfahren zu ihrer Herstellung näher beschrieben.

Bekannte Verfahren zur Herstellung von CBN-Kompaktkörpem können im allgemeinen in vier Kategorien eingeteilt werden, wie dies nachstehend definiert und in der Folge gebraucht wird: (1) Ein katalytischer Umwandlungsprozeß, d. i. ein einstufig»’Prozeß, bei welchem ein Katalysatormetall bzw. eine Katalysatorlegierung zugleich mit der Bildung des Kompaktkörpers zur Überführung von HBN in CBN beiträgt; (2) ein Bindemittelprozeß, d. h. ein zweistufig» Prozeß, in dessen »ster Stufe die Umwandlung von HBN zu CBN erfolgt, während die zweite Stufe die Bildung eines Kompaktkörpers aus gereinigten CBN-Kristallen im Gemisch mit einem Metall bzw. einer Legierung erfolgt, welche zur Bindung des CBN zu einem Kompaktkörper beiträgt; (3) ein direkter Sinterprozeß, d. i. ein zweistufiger Prozeß gleich dem Prozeß (2), wobei aber der Kompaktkörper ohne Zusatz von Metall oder Legierung zwecks Unterstützung bei der Bindung der CBN-Kristalle gebildet wird; und (4) ein direkter Umwandlungsprozeß, also einstufiger Prozeß, bei welchem im wesentlichen reines HBN direkt in einen CBN-Kompaktkörper umgewandelt wird, ohne Zuhilfenahme eines Katalysators und/oder eines Bindemittels.

Die mit Katalysatoren und Bindemitteln arbeitenden Verfahren sind im allgemeinen nachteilig, denn die Katalysatoren und das Bindemittel sind von geringerer Härte als kubisches Bomitrid; sie werden aber in der -2-

AT 395 144 B entstehenden Masse zurückgehalten, wodurch deren Härte und Abriebwiderstand herabgesetzt wird. In diesem Zusammenhang ist insbesondere zu verweisen auf die US-PS 3,233,988, Spalte 4, Zeile 3, bis Spalte 6, Zeile 41, sowie auf die US-PS 3,918,219 hinsichtlich einer näheren Beschreibung der katalytisch erzeugten CBN-Kompakt-körper, sowie auf die US-PS 3,743,489 und 3,767,371 hinsichtlich der Einzelheiten von CBN-Kompaktkörpem bei Verwendung eines Bindemittels.

Ein direkter Umwandlungsprozeß erscheint zwar theoretisch möglich, in der Praxis hat sich jedoch gezeigt, daß er zu hohe Verluste mit sich bringt, weil es schwierig ist, eine hinreichende Anzahl von Kristallbindungen, die gleichmäßig durch den ganzen Kompaktkörper hindurch verteilt sind, durchgehend zu erzeugen. Ohne derartige Bindungen ist jedoch die Festigkeit und die Dichte eines Kompaktkörpers bei weitem nicht ideal.

Die direkteUmwandlung unter statischen Druckbedingungen von hexagonalem Bomitrid in die dichtere Wurtzit-oder kubische (Zinkblende-) Phase bei Drücken von 100 kbar und mehr ist im einzelnen in J. Chem. Phys. S. 114449,1963, Bundy et al., und in da1 US-PS 3,212,852beschrieben. Ein Nachteil dieser Methode besteht darin, daß in dem Druckbereich von etwa 100 kbar das effektive Reaktionsvolumen begrenzt ist, was seinerseits die Größe der umgewandelten polykristallinen Kompakterzeugnisse begrenzt

In neuerer Zeit sind zahlreiche Berichte und Patente veröffentlicht worden, die die direkte Umwandlung von HBN zu klumpenartigen Kompaktkörpem aus CBN bei Drücken unter 100 kbar betreffen. Repräsentativ für diese Veröffentlichungen sind die folgenden: 1. JA-PS Sho 49-27518, 2. JA-PS Sho 49-30357, 3. JA-PS Sho 49-22925, 4. US-PS 3,852,078, 5. Wakatsuid et al., „Synthesis of Polycrystalline Cubic Boron Nitride“, Mat. Res. Bull., 2,999-1004 (1972), 6. Ichinose et al., „Synthesis of Polycristalline Cubic BN (V)“, Proceedings of the Fourth International Conference on High Pressure, Kyoto, Japan (1974), S. 436440, 7. Wakatsuki et al., „Synthesis of Polycrystalline Cubic Boron Nitride (VI)“, Proceedings of the Fourth International Conference on High Pressure, Kyoto, Japan (1974), S. 441445. 8. GB-PS 1,317,716, „Process for the Production of Cubic Boron Nitride“, May 23,1973.

In den Veröffentlichungen 1 bis 7 wird berichtet, daß die direkte Umwandlung bei Drücken über 50 kbar (vorzugsweise 60 kbar und darüber) und bei Temperaturen über 1100 °C »folgt, wogegen in der Veröffentlichung Nr. 8 die Umwandlung bei Drücken von 60 kbar und mehr in einem Temperaturbereich von 1800 bis 2000 °C stattfindet.

Gemäß den Veröffentlichungen wird durchwegs HBN-Pulver als Ausgangsmaterial benützt Zwei Veröffentlichungen (6 und 7) berichten über die Verwendung von pyrolytischem Bomitrid (PBN) als Ausgangsmaterial. Hier kann auf die US-PS 3,152,006 bzw. 3,578,403 hingewiesen werden, worin nähere Angaben üb» PBN undR-PBN enthalten sowie annehmbare Herstellungsverfahren für diese näh» beschrieben and.

In der Veröffentlichung 6 ist die Verwendung von PBN als Ausgangsmaterial für die Synthese von klumpenartigen Kompaktkörpem aus CBN in einem direkten Umwandlungsprozeß beschrieb»!, der bei einem Druck von 69 kbar und einer Temperatur zwischen 1800 und 1900 °C ausgeführt wird. Das entstehendeProdukt ist (vgl. Tabelle 1, Seite 436) als eine „weiche Masse“ charakterisiert, mit wechselnden Mengen an nichtumgewandeltem HBN.

Auch die Veröffentlichung 7 berichtet über den Gebrauch von PBN als Ausgangsmaterial zur Synthese von wurtzitischem Bomitrid (WBN) und von CBN. Nirgends wird aber von Resultaten über eine »folgreiche Bildung entweder von WBN oder von CBN bei Einsatz von PBN als Ausgangsmaterial berichtet, vgl. Tabelle 1, Seite 442.

Pyrolytisches Bomitrid (PBN) ist eine „Niederdruck-Form“ von HBN, die in typisch» Weise durch thermische

Zersetzung von Dämpfen aus BG3+NH3 auf einem Graphitsubstrat erhalten werden kann. Im niedergeschlagenen

Zustand hat PBN eine hohe Reinheit von 99,99 +%, eine Dichte zwischen etwa 2,0 und 2,18 g/cmJ (im V»gleich zu 2,28 für kristallines HBN), eine Kristallitgröße zwischen 5 und 10 nm und eine bevorzugte Kristallitorientierung zwischen 50 und 100° in der (OOl)-Richtung (c-Achse). Die Struktur von PBN, ebenso wie die analoge Struktur von pyrolytischem Kohlenstoff im Kohlenstoffsystem, ist noch nicht aufgeklärt Es sind verschiedene Modelle vorgeschlagen worden, um die Struktur von PBN und von pyrolytischem Kohlenstoff zu erläutern. Gemäß einem sehr gebräuchlichen Modell, das als „turbostratischer Zustand“ bezeichnet wird, bilden die Boratome und Stickstoffatome mehr oder weniger parallele Schichten von graphitisch»i, bomitridartigen, miteinander verschmolzenen Sechsecken, wobei aber der Aufbau willkürlich ist in bezug auf Translation parallel zu den Schichten und auch willkürlich in bezug auf Rotation um eine Normale zu den Schichten. Andere Modelle heben Unvollkommenheiten sowie eine Verschiebung innerhalb der Schichten hervor. D» vergrößerte Abstand zwischen den Schichten bei den pyrolytischen Materialien (0,342 nm für PBN im Vergleich zu 0,333 nm für kristallines HBN) wird in erster Linie -3-

AT 395 144 B der gestörten Ordnung in der Aufbaurichtung zugeschrieben, was zu einer Abschwächung der schwachen van-der-Waal'schen Anziehungskräfte zwischen den Schichten führt

Das pyrolytische Bornitrid (PBN) ist, obgleich seine Ordnung stark gestört ist, nicht vollständig frei von einer kristallographischen Ordnung (nicht amoiph). Es liegt, wenn auch unvollkommen, eine Organisation der Bor- und 5 Stickstoffatome in graphitartigen Schichten von Es ist aber eine geordnete Aufeinanderfolge der Schichten, die in sehr auffallender Weisefehlt Demgemäß isteineweitgehendestrukturelleUmwandlung notwendig,um pyrolytisches BN in die in Fig. 1 gezeigte HBN-Struktur überzuführen.

Der Typus von PBN im „niedergeschlagenen Zustand“ wird nachstehend als nicht-rekristallisiertes PBN (U-PBN) bezeichnet

10 Eine andere Type von PBN ist «kristallisiertes PBN (R-PBN). Es wird durch Kompressionsglühen von PBN erzeugt und hat eine theoretische Dichte von 2,28 g/cm^, eine hochkristalline Struktur mit einem Zwischenschichtabstand von 0,333 nm, eine Reinheit von 99,99 +% und eine bevorzugte Kristallitorientierung von etwa 2° in der (OOl)-Richtung (c-Achse).

Jede PBN-Type wird in Form einer festen kontinuierlichen Platte hergestellt und technisch zugänglich gemacht, 15 wobei die hexagonalen Schichtebenen jedes Kristalliten mit den Hauptebenen der Platte auf den Grad der bevorzugten Orientierung ausgerichtet sind. So liegen die hexagonalen Schichtebenen (001) von U-PBN unter einem Winkel zwischen etwa 50° und 100° zu den Hauptebenen der Platte, wogegen die (OOl)-Ebenen von R-PBN unter einem Winkel zwischen etwa 2° oder weniger zu den Hauptebenen einer Platte angeordnet sind.

Rekristallisiertes pyrolytisches Bomitrid (R-PBN) ist des weiteren in da- US-PS 3,578,403 beschrieben, auf 20 welche hiemit ausdrücklich Bezug genommen wird. PBN kann auch klassifiziert werden entweder als „Substrat-Keimbildung“ oder als „kontinuierliche Keimumbildung“. Substrat-Keimbildungs-PBN ist als ein Material charakterisiert, das im wesentlichen frei ist von mit-abgelagerten bzw. mit-niedergeschlagenen, in der Gasphase gebildeten Teilchen, die als neue Nukleierungsoder Kristallbildungsstellen wirken. Kontinuierlich keimungsbildeten Material ist charakterisiert durch die Gegen-25 wart von mit-niedergeschlagenen, in der Gasphase gebildeten Teilchen, diezu einer kontinuierlichen Re-nukleierung während des Ablagerungsprozesses führen. Die Konzentration an mit-abgelagerten, in der Gasphase gebildeten Teilchen und damit der Grad der Keimbildung ist an der Größe der Wachstumskeme zu eikennen, die während des Niederschlagsvorganges entwickelt werden. Große Wachstumskeme sind für ein Substrat-Keimbildungs-Material charakteristisch und sind daher mit einem niedrigen Grad an Re-nukleierung verbunden, und umgekehrt. Die 30 Struktur der Wachstumskeme kann unter schwacher Vergrößerung beobachtet werden. Die Ausdrücke „Substrat-

Keimbildung“ und „kontinuierliche Keimbildung“ des PBN definieren mehr oder weniger Typen der Mikrostruktur an ihren Endpunkten. Es existiert aber ein ganzer Bereich von Mikrostrukturen zwischen der kontinuierlich keimumgebildeten Mikrostruktur mit einem hohen Gehalt an mit-abgelagerten, in der Gasphase gebildeten Teilchen bis hin zu der Substrat-Keimbildungs-Struktur, die von mit-abgelagerten Teilchen frei ist. 35 In der vorgenannten US-PS 3,212,852, Spalte 10, Zeilen 19 bis 24, ist auch die Verwendung von PBN als

Ausgangsmaterial für direkteUmwandlungsprozesse beschrieben, die bei Drücken über lOOkbar ausgeführt werden.

Bei experimentellen Untersuchungen wurde gefunden, daß die klumpenartigen Kompaktkörper, die gemäß der Lehre der vorstehenden Vorveröffentlichungen hergestellt worden waren, nicht hinreichen, um das gewünschte Ausmaß an Gebrauchseigenschaften bei Versuchen zur Messung der Wirksamkeit derartiger Kompaktkörper für 40 Einsätze in Schneidwerkzeugen zu verwirklichen.

Außerdem hat das Bestreben zur Miniaturisierung in der Elektronik es notwendig gemacht, verbesserte wärmeableitende Substrate für Festkörpereinrichtungen zu entwickeln. Beispielsweise führt bei fast allen Mikrowelleneinrichtungen die während des Betriebes erzeugte Wärme zu einem verminderten Wirkungsgrad; die Ableitung der erzeugten Wärme ist der kritische Faktor, der den Betrieb begrenzt Ein allgemein gebrauchtes 45 Material für Wärmesenken, nämlich ein sauerstofffreies Kupfer von hoher thermischer Leitfähigkeit, hat eine thermische Leitfähigkeit von ungefähr 4 W/cm°C bei Raumtemperatur. Für Anwendungszwecke, bei welchen ausgezeichnete dielektrische Eigenschaften verlangt werden, wird allgemein gesintertes Berylliumoxyd verwendet, obgleich dessen thermische Leitfähigkeit nur etwa die Hälfte jener von Kupfer ist. Eine Kombination der hohen thermischen Leitfähigkeit und von guten dielektrischen Eigenschaften ist für ein neues Substratmaterial besonders 50 erwünscht.

Ein Einkristalldiamant vom Typus Ila hat von allen bekannten Materialien die höchste thermische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur und wird derzeit in einem beschränkten Umfange für gewisse Mikrowelleneinrichtungen verwendet. Bekannte Anwendungsarten für verbesserte wärmeableitende Diamantsubstrate reichen von Wärmesenken für Festkörper-Mikrowellengeneratoren, wie Gunn- und IMPATT-Dioden, über Festkörper-Laser, 55 Hochleistungstransistoren zu integrierten Schaltungen. Das genannte Material findet aber aus Kostengründen und wegen der Schwierigkeit der Formgebung keinen ausgedehnten Gebrauch.

Ein Material von hoher thermischer Leitfähigkeit, das weniger kostspielig ist als Einkristalldiamanten vom Typus -4-

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Ila, wäre sehr «wünscht, wenn es auch gute dielektrische Eigenschaften hätte und wenn es zu größeren Stücken geformt werden könnte als der Diamant vom Typus Ila.

Neben Diamant ist CBN als ein mögliches dielektrisches Wärmesenkmaterial vorgeschlagen worden. In der Publikation von Slack, J. Phys. Chem. Solids M»321 (1972) wurde vorausgesagt, daß ein Einkristall aus CBN eine 5 thermische Leitfähigkeit bei Raumtemperatur von etwa 13 W/cm°C haben würde. Bis vor kurzem sind Maximal werte von nur etwa 2 W/cm°C für gesinterte CBN-Kompaktkörper erreicht worden. Gemäß der JA-PS 30-61413 wurden jedoch höhere Werte für die thermische Leitfähigkeit von 6,3 W/cm°C für Isotopen-angereicherte gesinterte CBN-Kompaktkörper, im Vergleich zu 1,7 W/cm°C für gesinterte Kompaktkörper mit natürlich vorkommender Isotopenkonzentration, erreicht. 10 Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht daher in der Schaffung von festen abriebbeständigen „klumpen artigen“ Kompaktkörpem aus kubischem Bomitrid (CBN), also in Form von Haufen, Klumpen, Büscheln od. dgl., mit verbesserten Gebrauchseigenschaften.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung von großen klumpenartigen CBN-Kompaktkörpem durch direkte Umwandlung von HBN unter Bedingungen hohen Druckes und hoher Temperatur (HP/HT). IS Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung von klumpenartigen CBN-Kompaktkörpem in genügender

Größe für materialabtragende Anwendungszwecke, u. zw. unter technisch und wirtschaftlich günstigeren HP/HT-Bedingungen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Herstellung von klumpenartigen CBN-Kompaktkörpem, die bei Raumtemperatur (300 °K) eine thermische Leitfähigkeit (k) von mehr als 2 W/cm°K und vorzugsweise von mehr 20 als 6 W/cm°K aufweisen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Herstellung von klumpenartigen CBN-Kompaktkörpem von hoher thermischer Leitfähigkeit durch direkte Umwandlung von HBN in CBN, wobei die Kristallitgröße größer ist als die mittlere freie Weglänge der Phononen bei Raumtemperatur und wobei der thermische Widerstand zwischen den Körnern (Kristalliten) nicht erhöht wird durch eine Oxydverunreinigung an den Komgrenzen. 25 Ein weiteres Ziel der Erfindung ist eine technisch und wirtschaftliche Herstellung von klumpenartigen CBN-

Kompaktkörpem mit solchen Werten für die thermische Leitfähigkeit, die sich zur Anwendung als Wärmesenke in der Elektronik eignen.

Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Schaffung von klumpenartigen Kompaktkörpem hoher thermischer Leitfähigkeit und von hohem elektrischen Widerstand, mit einer niedrig«! dielektrischen Leitfähigkeit und mit 30 ein«n niederen dieelektrischen Verlustwinkel.

Ein weiteres Ziel der Erfindung liegt in der Schaffung von polykristallinen CBN-Kompaktkörpem von hoher thermischer Leitfähigkeit, die frei sind von Phasen eines sekundären Bindemittels oder einer Sinterhilfe.

Ein weiteres Ziel besteht schließlich darin, polykristalline CBN-Kompaktkörper zu schaffen, die frei sind von Verunreinigungen (insbesondere Sauerstoff- und Stickstoffverunreinigungen), die als Phononen-Streuzentren 33 wirken und damit die thermische Leitfähigkeit beschränken würden.

Die vorstehend angegebenen Ziele w«den erfindungsgemäß erreicht durch ein Hochtemperatur-Hochdruck-Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Kompaktkörpers aus polykristallinem kubischem Bomitrid, ausgehend von hexagonalem Bomitrid, durch Anwendung eines Druckes von 50 kbar bis 100 kbar, vorzugsweise von 65 bis 100 kbar, und Erhitzen auf eine Temp«atur von mindestens etwa 1.800°C innerhalb des stabilen Zustandsfeldes von 40 kubischem Bomitrid im Bomifrid-Phasendiagramm,unter Aufrechteriialtungder Druck- und Temperaturbedingungen während eines Zeitabschnittes, der zur Umwandlung von hexagonalem Bomitrid in kubisches Bomitrid ausreicht, dadurch gekennzeichnet, daß bevorzugt orienti«tes pyrolytisches hexagonales Bomitrid in Form einer Scheibe mit abgeschrägten Kanten in eine Reaktionszelle eingesetzt wird, wobei das eingesetzte Bomitrid frei von katalytischen aktiven Materialien ist und die Reaktionszelle mit einem das pyrolytische Bomitrid gegen Verunreinigung während 45 der Umwandlung schützenden Schild versehen wird. Substrat-Keimbildungs-PBN ist das bevorzugte Ausgangsmaterial, mit welchem überlegene Resultate erzielt werden. Das erhaltene Produkt ist ein harter, abriebbeständiger klumpenartiger CBN-Kompaktkörp« mit bevorzugt orientierten Kristalliten. Auch durch Umwandlung von PBN in ein«n beschränkten Temperaturb«eich (vorzugsweise etwa 2100 bis 2500 °C) werden klumpenarüge CBN-Kompaktkörper mit einer thermischen Leitfähigkeit zwischen etwa 2 und 9 W/cm°C und mit ein« Kristallitgröße 50 von wenig« als 0,1 bis mehr als 10 pm erzeugt

Die Erfindung ist in der angeschlossenen Zeichnung, ohne sie hi«auf zu beschränk«!, weiter erläutert

In Fig. ΙΑ, 1B und IC ist die Atomkristallstruktur von HBN bzw. CBN bzw. WBN schematisch dargestellt. Fig. 2 zeigt einen Teil ein« HP/HT -Vorrichtung im Axialschnitt mit einer bevorzugten Ausführungsform ein« Reaktionszelle gemäß der Erfindung. Fig. 3 stellt einen Teil einer zweiten bevorzugten Ausführungsform einer 55 HP/HT -Reaktionszelle gemäß d« Erfindung im Axialschnitt dar. Die Fig. 4 und 5 veranschaulichen alternative

Ausführungsformen von Reaktionszellen gemäß d« Erfindung im Axialschnitt Fig. 6 gibt das Bomitrid-Phasendia-gramm nach Bundy-Wentorf wied«. Fig. 7 zeigt ein Bomitridphasendiagramm samt Punkten, die das bevorzugte -5-

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Arbeitsgebiet gemäß der Erfindung veranschaulichen, Fig. 8 zeigt in perspektivischer Darstellung einen für Schneidwerkzeuge bestimmten Einsatzteil, der einen klumpenartigen Kompaktkörper gemäß der Erfindung enthält. Fig. 9,10 und 11 sind Diagramme, die den Verschleiß ναι Kompaktkörperwerkzeugen in Abhängigkeit von derzeit darstellen, wobei das Verhalten von Werkzeugen aus klumpenartigen Kompaktköipem gemäß der Erfindung mit Werkzeugen aus zusammengesetzten Kompaktkörpem gemäß dem Stand der Technik verglichen werden. Fig. 12 istein Röntgenstrahlenbeugungsbild vonR-PBN. Fig. 13 istein Röntgenstrahlenbeugungsbild eines klumpenartigen CBN-Kompaktköipers gemäß da Erfindung. Fig. 14 ist ein Röntgenstrahlenbeugungsbild einer gemahlenen Pulverprobe eines klumpenartigen CBN-Kompaktkörpers gemäß der Erfindung. Fig. 15 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Kristallitgröße gegen die Behandlungstemperatur eines klumpenartigen Kompaktkörpers gemäß der Erfindung veranschaulicht. Im Diagramm gemäß Fig. 16 ist die thermische Leitfähigkeit gegen die Materialtemperatur von verschiedenen Materialien, einschließlich von klumpenartigen Kompaktkörpem gemäß der Erfindung, dargestellt. Fig. 17 ist ein Diagramm, in welchem die thermische Leitfähigkeit gegen die Behandlungstemperatur eines klumpenartigen Kompaktkörpers gemäß der Erfindung aufgetragen ist. In Fig. 18 ist eine elektronische Einrichtung mit einem CBN-Kompaktkörper als Wärmesenke gemäß den Merkmalen der Erfindung schematisch veranschaulicht.

Die Fig. 2 bis 5 stellen zylindrische Reaktionszellen (11) bzw. (201) bzw. (13) bzw. (15) im Schnitt dar, die sich für gebräuchliche HP/HT-Apparaturen vom Belt-Typus eignen, wie sie zur Erzeugung von klumpenartigen CBN-Kompaktkörpem gemäß der Erfindung angewendet werden. Eine bevorzugte Ausführungsform des Belt-Apparates ist auch in Fig. 2 samt der darin befindlichen Reaktionszelle (11) schematisch veranschaulicht; eine vollständige Beschreibung des Apparates findet sich in der US-PS 2,941,248, auf welche hiemit ausdrücklich Bezug genommen wird.

Gemäß Fig. 2 umfaßt der Belt-Apparat (17) ein Paar von Stempeln (19) und (21) aus gesintertem Wolfiamcarbid sowie einen dazwischen angeordneten Druckring bzw. Formteil (22) aus dem selben Material Da Druckring (22) schließt eine Öffnung (25) ein, in welcher sich die Reaktionszelle (11) befindet. Zwischen dem Stempel (19) unddem Druckring (22) und zwischen dem Stempel (21) und dem Druckring (22) befinden sich Dicht- und Isoliereinsätze (27, 29), deren jeder ein Paar von thermisch isolierenden und elektrisch nichtleitenden Pyrophyllit-Teilen (30) und (31) und eine dazwischenliegende Metalldichtung (32) aufweist.

Die Reaktionszelle (11) schließt eine zylindrische Buchse (51) aus Lava ein. Gegebenenfalls kann die Buchse (51) auch aus Glas, Weichkeramik, Talkum, Steatit oder Formteilen aus Pyrophyllit oder aus Seifensteinen hergestellt sein. Anschließend an die Buchse (51) und konzentrisch zu dieser befindet sich ein Graphitrohr (53) als Widerstandsheizer. Innerhalb des Rohres (53) befindet sich wieder in konzentrischer Anordnung ein Schutzrohr (55) gegen Verunreinigungen aus Tantal. Außerhalb des Schutzrohres (55) und jedes Ende des Heizrohres (53) abschließend, befinden sich Heizrohrstopfen (57, 59) aus heißgepreßtem Bomitrid oder einem anderen Hoch-temperatur-Isoliermaterial. Die Stopfen (57,59) sind von elektrisch leitenden Kohlemuffen (61) bzw. (63) umgeben.

An jedem Ende des Graphitheizrohres (53) sind Stimscheiben (35, 37) aus elektrisch leitendem Metall vorgesehen, um die elektrische Verbindung zu dem Rohr herzustellen. Anschließend an jede Scheibe (35,37) befindet sich ein Abschlußteil (39) bzw. (41), von welchem jeda einen Stopfen bzw. Scheibe (45) aus Pyrophyllit umfaßt, die von einem elektrisch leitenden Stahlring (46) umgeben ist.

Eine Scheibe (65) aus dem TBN-Ausgangsmaterial wird innerhalb des Schutzrohres (55) zentral angebracht. Ein Paar von Abstandsscheiben (67,69) aus Kohle wird beiderseits der Scheibe (65) eingesetzt. Desweiteren wird ein Paar von Schutzscheiben (71, 73) gegen Verunreinigung aus Tantal außerhalb der Abstandsscheiben (67, 69) angeordnet. Außerhalb diesa Schutzscheiben (71,73) und zum Abschluß der jeweiligen Enden des Schutzrohres (55) befindet sich ein Paar ναι elektrisch isoliaenden Scheiben (75,76) aus heißgepreßtem Bomitrid.

Das Schutzrohr (55) und die Schutzscheiben (71,73) dienen dazu, eine Diffusion von Verunreinigungen zu verhindern, bzw. als Getter für diese zu dienen; es handelt sich dabei um solche Verunreinigungen, welche den Umwandlungs- und Sinterungsprozeß stören können, wenn sie während der Umwandlung unter HP/HT-Bedingun-gen in die Probe gelangen.

Es können auch andere Metalle, die den Umwandlungs- bzw. Sinterungsprozeß nicht stören und ein Eindringen von Verunreinigungen in die TBN-Probe verhindern, als Schutzmaterial verwendet werden. Derartige andere Metallabschirmungen können, ohne hierauf beschränkt zu sein, Metalle der 4. Periode wie Titan und Vanadium, Metalle der 5. Periode wie Zirkon, Molybdän und Niob und Metalle der 6. Periode wie Hafnium und Wolfram umfassen.

Fig. 3 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform einer Reaktionszelle (201) zur Ausübung der Erfindung. Die Reaktionszelle (201) umfaßt eine zylindrische Buchse (nicht dargestellt) aus Lava wie in Fig. 2. Konzentrisch innerhalb diesa Buchse und benachbart zu ihr, befindet sich ein Vounreinigungs-Schutzrohr (205) aus Tantal. Innerhalb des Rohres (205) ist seinerseits ein Widerstandsheizrohr (207) aus Graphit konzentrisch angebracht

Eine Scheibe (209) mit abgeschrägten Kanten aus CBN-Ausgangsmaterial ist innerhalb des Heizrohres (207) -6-

AT395144 B zentral angeordnet. Ein Paar von Abstandscheiben (211, 213) aus Kohle ist an jeder Seite der Scheibe (209) vorgesehen. Ein Paar von Verunreinigungs-Schutzscheiben (215, 217) aus Tantal ist außerhalb der Abstandsscheiben (211,213) gelagert Außerhalb der Schutzscheiben (215,217) befinden sich, in der angeführten Reihenfolge, ein Paar von elektrisch isolierenden Scheiben (219,221) aus heißgepreßtem Bornitrid, ein Paar von Kohlescheiben 5 (223,225); und ein zweites Paar von Scheiben (227,229) aus heißgepreßtem Bomitrid. Diese Zellenkonstruktion erweist sich als überlegen gegenüber jener von Fig. 2, weil im vorliegenden Falle eine Laminierung des Tantalrohies (205) mit dem aus dem Ausgangsmaterial der Scheibe (209) »zeugten Kompaktkörper vermieden wird, durch die Anordnung des Heizrohres (207) zwischen der Scheibe (209) und dem Rohr (205), so daß weniger Risse in Kompaktkörpem gefunden werden, die in solchen Zellen »zeugt werden. 10 Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung hat sich als vorteilhaft herausgestellt um eine weitere

Verminderung von Rissen in klumpenartigen Kompaktkörpem, die in solchen Zellen hergestellt wurden, herbeizuführen, die Umfangskante der Scheibe (209) des Ausgangsmaterials abzurunden oder abzuschrägen. Es wird angenommen, daß auf diese Weise Spannungen an den Kanten, die während der Dekompression der Zelle auf beten, behob»i werden, wodurch eine weitere Herabsetzung der etwaigen Neigung zur Rißbildung von Kompaktkörpem IS bewirkt wird. Die abgeschrägte Kantenform d» Scheibe (209) wird bei dem umgewandelten klumpenartigen Kompaktkörper beibehalten. Bei der Herstellung eines Schneidwerkzeuges aus einem solchen klumpenartigen Kompaktkörper kann die abgeschrägte Kante gewtinschtenfalls abgeschliffen werden.

Fig. 4 und 5 zeigen alternative Bauformen von Reaktionszellen im Schnitt, die zwar nicht bevorzugt werden, jedoch bei der Ausübung der Erfindung erfolgreich angewendet worden ist. Wie noch näh» erklärt wird, weisen diese 20 Bauformen keine Abschirmung auf, die ein Verunreinigen des Ausgangsmaterials während der Umwandlung unter HP/HT-Bedingungen verhindern.

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, umfaßt dieReaktionszelle (13) eine zylindrische Buchse (101) aus Lava. Konzentrisch innerhalb dies» und anschließend an die Buchse (101) befind» sich ein Graphitrohr (103) als elektrischer Wid»standsheiz». An dem Rohr (103) liegt, wied» konzentrisch angeordnet, ein Rohr (104) aus heißgepreßtem 25 Bomitrid, welches das Zelleninn»e vom Heizrohr (103) elektrisch isoliert. Innerhalb des Rohres (104) ist an jedem seiner Enden ein Paar von bei Hochtemperatur elektrisch isolierenden Abschlußstopfen (105, 107) aus heiß-gepreßtem Bomitrid, Aluminiumoxid,Lava oder einem gleichwertigen Material angebracht Unmittelbar benachbart den Abschlußstopfen (105, 107) im Rohr (104) befindet sich ein Paar von Kohlestopfen (109,111), die als druckübertragende Mittel dienen. Eine Scheibe aus PBN-Ausgangsmaterial (113) ist zwisclten den Kohlestopfen 30 (109,111) gelagert.

DieReaktionszelle (15) gemäß Fig. 5 ist mit der in Fig. 4 dargestellten Zelle identisch, wobei ab» das Rohr (104) weggelassen wurde. Die einand» entsprechenden Teile sind in Fig. 4 und 5 identisch bezeichnet

Es istfür den Fachmann kl», daß die Reaktionszeiten (11,13,15,201) vonFig. 2bis 5 so ausgebildet seinkönnen, daß sie mehrere Kammern für die gleichzeitige Umwandlung einer Vielzahl von PBN-Proben enthalten. Dies kann 35 dadurch erreicht werden, daß man eine Vielzahl von Scheiben aus Proben des Ausgangsmaterials mit dazwischenliegenden Scheiben aus Graphit und anderen in»ten Materialien als Zwischenteilstücke varsiehL

Die Arbeitsweise zur gleichzeitigen Anwendung von hohen Drücken und hohen Temperaturen in d» vorstehend beschriebenen Apparatur ist auf dem Gebiet der Höchstdrucktechnik wohl bekannt. Die vorstehende Beschreibung bezieht sich lediglich auf eine HP/HT-Apparatur. Es sind auch verschiedene andere Vorrichtungen zur Erzielung der 40 eifonterlichen Drücke und Temperaturen geeignet und diese können im Rahmen d» vorliegenden Erfindung angewendet w»den.

Fig. 6 zeigt das Bomitrid-Phasendiagramm, wie es von Bundy und Wentorf (J. Chem. Phys., 2S. 1144-1149 (1963)) veröffentlicht worden ist. In diesem Diagramm bedeutet AB die Phasengleichgewichtslinie für CBN und HBN. Bei Drücken oberhalb EB im Feld EBC find» eine spontane Umwandlung von HBN entweder zu WBN od» 45 CBN statt. Bei den niedrigeren Temperaturen, links von dem schraffierten Feld FB, im Zustandsfeld FBE erfolgt überwiegend die Umwandlung zu WBN. Bei den höheren Temp»aturen rechts von FB, im Feld FBC, w» die vorherrschende Umwandlungsform die zu CBN.

Bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Reaktionszelle, die eine PBN-Probe enthält, in einen HP/HT-Apparat eingesetzt, komprimiert und dann unter einem Druck erhitzt, bei Werten von Temperaturen 50 und Druck unterhalb des B»eiches der direkten Umwandlung nach Bundy und Wentorf (d. h. unterhalb der Linie EB) des Phasendiagramms in Fig. 6. Die HP/HT-Bedingungen wurden während einer genügend langen Zeit eingehalten, um die Umwandlung von PBN zu einem stark gesinterten klumpenartigen CBN-Kompaktkörper zu bewirken. Die Probe wird dann unter Druck genügend langen Zeit eingehalten, um die Umwandlung von PBN zu einem stark gesinterten klumpenartigen CBN-Kompaktköiper zu bewirken. Die Probe wird dann unter Druck 55 genügend abkühlen gelassen, um eine Rück-Umwandlung vor Druckaufhebung zu verhindern.

Das sowohl in Fig. 6 als auch in Fig. 7 dargestellte Rechteck (M) zeigt die allgemeine Beziehung des bevorzugten Arbeitsgebietes wie es in Fig. 7 dargestellt ist, in bezug auf das vollständige Bundy-Wentorf-Phasendiagramm von Fig. 6. -7-

AT 395 144 B

Fig. 7 veranschaulicht die Resultate einer Reihe von direkten Umwandlungs- undRück-Umwandlungsversuchen in dem Bereich niedrigeren Druckes. Die Versuche zur Direkt-UmWandlung wurden mit PBN-Proben in Zellen vom Typus gemäß Fig. 2 während einer Heizdauer von 10 min durchgefuhrL Die Versuche zur Rück-Umwandlung erfolgten an klumpenartigen CBN-Kompaktkörpem, die vorher durch direkte Umwandlung von PBN zu CBN, und zwar ebenfalls in einer Reaktionszelle vom Typus gemäß Fig. 2 während ein»1 Heizdauer von 10 min hergestellt worden waren. Die Umwandlung von PBN zu CBN gemäß Fig. 7 wurde im Zustandsfeld JHI und die Rfick-Umwandlung von CBN in HBN bei Temperaturen oberhalb der Linie GHI herbeigeführt In Fig. 7 ist auch ein Abschnitt KL, der CBN/HBN-Gleichgewichtslinie AB aus dem Bundy-Wentorf-Diagramm dargestellt. Die vorliegenden Resultate zeigen an, daß das stabile Zustandsfeld von CBN über die Bundy-Wentorf-Gleichgewichts-linie KL hinausreicht Obwohl eine partielle Umwandlung von PBN zu CBN bei Temperaturen von 1850 °C bis 1900°C erreicht werden konnte, zeigte sich, daß in der Praxis Temperaturen ναι über etwa2000°C notwendig waren, um CBN-Kompaktkörper zu erhalten, die sich zur Anwendung für spanabhebende Bearbeitung eignen.

Bei der Auswahl eines PBN-Ausgangsmaterials zur Durchführung der Erfindung wurde beobachtet daß substratnukleiertes PBN verwendet werden soll, damit die Umwandlung vor sich gehen kann und auch zu dem Zwecke, daß größere stark und gut gesinterte Massen durchgehend erzeugt werden können. Wird kontinuierlich renukleiertes PBN als Ausgangsmaterial verwendet, so wird die Umwandlung gehemmt

Der nachfolgend gebrauchte Ausdruck substratnukleiertes PBN bedeutet ein Material, in welchem die Konzentration der mit-niedergeschlagenen, in der Gasphase gebildeten Teilchen (die charakteristisch für kontinuierlich renukleiertes Material sind) genügend niedrig ist so daß dadurch die Umwandlung von PBN zu einem fest und dicht gebundenen klumpenartigen Kompaktköiper nicht gestört wird.

Bei der praktischen Durchführung der Erfindung sind weite Variationen bezüglich der Umwandlung und des Sinterungsverhaltens von PBN zu beobachten.

Es wurden die folgenden Verhaltenstypen bei PBN-Proibekörpem in Scheibenform beobachtet A. Das PBN wandelt sich überhaupt nicht um. B. Es findet eine im wesentlichen vollständige Umwandlung zu einem stark bzw. fest gebundenen (gut gesinterten) klumpenartigen Kompaktkörper statt, jedoch nur über einen eher begrenztenTemperaturbereich bei Temperaturen über 1800 °C bis 2000 °C. C. DieUmwandlung unter starker Bindung erfolgt in Lagen bzw. in Schichten parallel zur Ober- bzw. Unterseite der PBN-Scheibe, wobei aber der übrige Teil des Probekörpers nicht umgewandelt verbleibt Wie unter B gesagt, findet diese schichtenartige Umwandlung nur bei Temperaturen über 1800 °C bis 2000 °C statt und die umgewandelten Schichten waren üblicherweise entweder auf der Oberseite oder Unterseite der PBN-Scheibe befindlich. D. Das PBN wird im wesentlichen vollständig umgewandelt über einen breiteren Temperaturbereich zu einem schwach gesinterten klumpenartigen Kontaktkörper.

Der Unterschied im Aussehen und in den Eigenschaften zwischen den beiden vollständig umgewandelten Kompaktkörpertypen, nämlich B. und D., ist sehr ausgeprägt Kompaktkörper vom Typus B. sehen schwarz aus und lassen rotes Licht durch, wogegen die Körper gemäß D. opak-grau bis milchweiß im Aussehen sind, sehr ähnlich in ihrer Farbe zu Kompaktkörpem die durch direkte Umwandlung von HBN-Pulver erhalten werden. Kompaktkörper vom Typus B. haben größere Dichte und sind bedeutend härter als Kompaktkörper vom Typus D.

Theoretisch können die Variationen im Umwandlungsverhalten durch zwei Faktoren erklärt werden: 1. Variationen in der Mikrostruktur von PBN. 2. Verunreinigungen von ursprünglich reinem PBN während der Umwandlung unter den HP/HT-Bedingun-gen, offensichtlich durch Diffusion von aktiven Spezies in das PBN aus den umgebenden Teilen der Zellen bei der hohen Temperatur.

Bei einer Reaktionszelle, wie bei der Zelle (11) (Fig. 2), gemäß welcher eine Verunreinigung von PBN durch Anbringen einer das PBN umgebenden Diffusionssperre verhindert werden soll, wurden nur Kompaktkörper vom Typus A., B. und C. erhalten. Es wird angenommen, daß die Reinheit des PBN-Ausgangsmaterials (99,99 +%) während der Umwandlung aufiechteriialten bleibt und daß so ein klumpenförmiger Kompaktkörper mit sehr hoher Reinheit von 99,99 +% nach dem erfindungsgemäßen Verfahren «-halten wird.

In Zellen (z. B. (13,15) in Fig. 4,5), wo eine Verunreinigung möglich war, wurden alle vier Umwandlungstypen erhalten, wobei der Umwandlungstypus D. vorherrschend war. Diese Resultate zeigen an, daß eine Umwandlung vom Typus D. durch Verunreinigungen induziert werden kann. Es wurde auch festgestellt, daß die Variation im Umwandlungsverhalten bei reiner Umgebung (Typus A., B. und C) der Mikrostruktur von PBN zuzuschreiben ist. -8-

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Es wird insbesondere angenommen, daß das Umwandlungsverhalten in Beziehung steht zu der Größe der in PBN beobachteten Wachstumskeme, die zu einer Umwandlung vom Typus B. geführt haben, wobei sich (unter mikroskopischer Beobachtung) eine merklich größere Wachstumskemsfruktur zeigt als bei jenen, bei welchen keine Umwandlung stattfand. 5 Die Schichtenumwandlungsergebnisse vom Typus C. wurden mit PBN-Scheiben erzielt, bei welchen eine

Variation der Mikrostruktur durch die Scheibe beobachtet wurde, wobei die umgewandelte Schicht größere Wachstumskeme als die nicht umgewandelten Schichten hatte. Wenn das zur Schichtumwandlung vom Typus C. verwendete Material höheren Temperaturen und Drücken ausgesetzt wird, «folgt eine Umwandlung vom Typus B. Die Verwendung eines solchen Materials wird jedoch nicht bevorzugt, denn die Anwendung der höheren Temperatur 10 und der höheren Drücke führtzueinerbedeutsamen Steigerung der Kosten undauch der Schwierigkeiten hinsichtlich ein«' Erzeugung von guten klumpenartigen Kompaktkörpem.

Es wurde weiter festgestellt, daß die Einführung von verschiedenen Oxyden (AI2O3, MgO und B2O3) in sonst nicht verunreinigte Versuchsansätze zu einer Umwandlung bei Temperaturen bis herab in den 1500 °C- bis 1700°C-Bereich führte, unabhängig von der Mikrostruktur der PBN-Probeköiper. Dieauf diese Weise geformten Probekörper 15 sind jedoch weniger dicht und besitzen eine beträchtlich geringere Festigkeit, als Kompaktkörper, die aus substratnukleiertem PBN unter den Reinheitsbedingungen erhalten werden und sie sind ähnlich den Kompaktkörpem vom Typus D., die bei verunreinigter Umgebung eihalten werden. Diese Resultate deuten offensichtlich an, daß Oxyde als Quellen der Verunreinigung in Betracht kommen und aktiv sind in ein«-Förderung der Umwandlung zu CBN, jedoch nachteilig gegenüber einer Sinterung. 20 Die Kompaktkörper, die durch Oxydzusatz (oder bei verunreinigter Umgebung) «-halten werden, sind in ihrem

Aussehen und in ihrer Festigkeit ähnlich den Kompaktkörpem, die durch HP/HT-Umwandlung von HBN-Pulver eihalten werden. Bei Versuchen mit kontinuierlich renukleiertem PBN mit Oxydzusätzen und bei Anwendung von niedrigeren Temperaturen als sie für die Umwandlung zu CBN erforderlich sind wurde gefunden, daß die kontinuierliche turbostratische Struktur der PBN-Platte zu HBN-Pulver rekristallisiert wurde, das die ideale 25 hexagonale Struktur aufwies. Diese Resultate lassen den Schluß zu, daß bei ein«- durch Oxyd gesteigert«! Umwandlung von PBN dieses Material zuerst zu einer Pulverform rekristallisiert wird, mit einer darauffolgenden Umwandlung des rekristallisierten (und verunreinigten) Pulvers zu CBN. Diese Art eines Mechanismus stünde im Einklang mit der Gleichartigkeit von Kompaktkörpem, die durch eine durch Oxyd eingeleitete Umwandlung von PBN und Umwandlung von Bomitridpulver erhalten werden. 30 Der Hauptnachteil bei der Herstellung von großen polykristallinen Massen aus pulverförmigem Ausgangs material scheint darin zu liegen, daß durch Oberflächenverunreinigung der Einzelteilchen die Sinterung (Bindung) zwischen den Teilchen verhindert und demgemäß die Festigkeit des entstehenden Kompaktkörpers herabgesetzt wird. Das Vorhandensein von Oxydverunreinigung in der Reaktionszelle, einschließlich B2O3 und Feuchtigkeit, ist für den Sinterungsvorgang besonders abträglich. 35 Es ist bekannt (siehe z. B. Veröffentlichung 6), daß Feuchtigkeit (H2O) einen katalytischen Effekt in Bezug auf die Umwandlung von HBN-Pulver zu CBN hat, jedoch mit nachteiligen Wirkungen auf den Sintervorgang. Gemäß der Erfindung wurden dieselben Effekte bei verschiedenen Oxyden (AI2O3, MgO, B2O3) auf die PBN-Umwand-lung, vgl. das nachfolgende Beispiel 4, beobachtet

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wurde beobachtet daß die strukturelle Beziehung zwischen dem 40 vorzugsweise orientierten PBN-Ausgangsmaterial und dem klumpenartigen CBN-Kompaktkörper während der Umwandlung aufrechterhalten bleibt so daß der erzeugte klumpenartige CBN-Kompaktkörper ebenfalls bevorzugt orientiert ist Wie schon eingangs erörtert wurde, zeigt das mit R-PBN und U-PBN bezeichnete Plattenmaterial eine bevorzugte Orientierung der c-Achsen der Kristalliten in Bezug auf eine Achse, die normal zu den Hauptebenen des Platten-Probekörpers steht. R-PBN hat eine bevorzugte Kristallitorientierung zwischen etwa 50° und 100°. 45 Bei der direkten Umwandlung von R-PBN zu CBN «gibt die epitaxiale Beziehung zwischen den ursprünglichen und den umgewandelten Formen eine Parallelität der hexagonalen Schichtlagen, d. h., die R-PBN-Ebene (001) ist im wesentlichen parallel zu der CBN-Ebene (111). Bei U-PBN wird angenommen, daß die Orientierung der hexagonalen Schichtebenen ebenfalls dieselbe ist nach der Umwandlung zu CBN.

Hinsichtlich U-PBN und R-PBN wird angenommen, daß die Aktivierungsenergien etwa 200.4,1868 kJ/g (was 50 der Verdampfungsenergie entspricht) betragen. Diese hohen Aktivierungsenergien implizieren, daß der direkte Umwandlungsprozeß im wesentlichen eine Aufbrechung der PBN-Gitter erfordert, ehe sich die Atome zu CBN umbilden können. Die epitaxialen Verhältnisse, die für beide PBN-Typen beobachtet wurden, zeigen an, daß das Aufbrechen der Gitter und dieUmbildung zu CBN in einer regelmäßigen Weise fortschreitet, ohne daß zwischenzeitig eine ungeordnete Phase durchlaufen werden muß. Röntgenstrahlenbeugungsbilder der umgewandelten CBN-55 Oberflächen, normal zur Druckrichtung der U-PBN-Platte, zeigen gutentwickelte CBN (111)- und (220)-Reflexionen, was zeigt, daß eine relativ weitgehende Variation in der Orientierung der hexagonalen Schichtebenen (oder c-Achsen) aufrechterhalten wird und was einer relativ weiteren Variation in der Orientierung der ursprünglichen -9-

AT 395 144 B U-PBN-Platte entspricht Dies impliziert, daß die hexagonalen Schichtebenen von CBN durch die Richtung des angewendeten Druckes (welcher normal zu den hexagonalen Schichtebenen angelegt wird) nicht beeinflußt wird, weil diese Ebenen nicht ausgerichtet werden normal zur Richtung des angelegten Druckes. Bei der viel engeren Winkelverteilung der c-Achsen in R-PBN ist nur eine sehr schwache CBN (200)-Streuung zu sehen. Diese Ergebnisse zeigen an, daß zwar eine Mikrorekristallisation von U-PBN vor der Umwandlung zu CBN bei hohem Druck stattfinden kann, daß aber das U-PBN nicht ein»* vorangehenden Rekristallisation vor der Umwandlung zu CBN unterliegt zu einer hoch-orientierten Struktur analog der Struktur von R-PBN.

Das tieferstehende Beispiel 14 bezieht sich auf die vorstehende Erörterung der Kristallstruktur eines klumpenartigen CBN-Kompaktkörpers gemäß der Erfindung.

Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die nachfolgenden, nicht beschränkenden Ausfiihrungsbeispiele näher erläutert.

Beispiele

Das in den folgenden Beispielen verwendete pyrolytische Bomitrid (PBN) lag in Form von rechteckigen Platten von 1,65 bis 6,4 mm Dicke vor. Die Platten wurden zu Quadraten von etwa 13 mm Seitenlänge geschnitten, die dann von Hand aus zu Scheiben gefeilt wurden, die in die zylindrischen Hochdruckzellen paßten.

Nach dem Einsetzen bzw. Zusammenbau wurden die Zellen in eine Vorrichtung (Belt-Apparatur), wie in Fig. 2 dargestellt, eingebracht und auf den gewünschten Druck komprimiert Die Probe wurde dann erhitzt durch Hindurchleiten eines elektrischen Stromes durch die Zelle. Das Erhitzen wurde durch Einstellen von Hand aus des der Zelle zugeführten Stromes gesteuert. Nach dem Erhitzen während einer gewünschten Zeit wurde der Strom abgeschaltet und der Probekörper abgekühlt, bevor der Druck aufgehoben wurde.

Die zusammengesetzten Kompaktkörper (Standardproben) gemäß den nachfolgenden Beispielen wurden entsprechend der Lehre der US-PS 3,767,371 hergestellt

Beispiel 1:

Scheibenförmige Probekörper aus U-PBN von etwa 12,6 mm Durchmesser und etwa 1,65 mm Dicke wurden in Zellen, wie in Fig. 4 dargestellt, eingelegt. Die beladenen Zellen wurden dann in einem Belt-Apparat mit etwa 65 kbar komprimiert. Die Proben wurden durch Hindurchleiten eines elektrischen Stromes durch die Zellen erhitzt DieErhitzungsdauer und dieTemperaturen für die verschiedenen Proben sind in Tabelle 1 zusammengefaßt Obwohl alle Proben in polykristallines CBN umgewandelt wurden, wurden sowohl gut gesinterte und fest gebundene klumpenartige Kompaktkörper als auch schwach gesinterte klumpenartige Kompaktkörper mit nur schwacher Bindung erhalten, wie Tabelle 1 zeigt

Tabelle 1

Test Bedingungen Bindung

Temp. °C Zeit (min) A 2400 30 stark B 2400 30 stark C 2400 30 schwach D 2400 30 stark E 2360 20 stark F 2360 30 schwach G 2400 30 stark

Bei Härtevergleich zeigte sich, daß die stark gebundenen klumpenartigen Kompaktkörper einen zusammenge-setzten Kompaktkörper leichtritzen konnten, wogegen schwach gebundeneklumpenartige Kompaktkörper denselben zusammengesetzten Kompaktkörper nicht zu ritzen vermochten.

Die Dichten der beiden Arten von klumpenartigen Kompaktkörpem wurden gemessen unter Verwendung einer graduierten Dichtekolonne mittels Schwebekörpem von kalibrierter Dichte. Der nach Test E erhaltene stark gebundene Kompaktkörper ergab eine gemessene Dichte von 3,43 g/cm^, im Vergleich zu einer Dichte von 3,48 bis -10-

AT 395 144 B 3,49 g/cm·* für einen CBN-Einkristall. Der gemäß Test F erhaltene schwach gebundene Kompaktkörper zeigte eine beträchtlich geringere Dichte, die weniger als 3,36 g/cm^ (d. i. die Minimaldichte, die mit der benützten Dichtesäule noch gemessen werden körnte) betrug.

Beispiel 2:

Eine 1,65 mm dicke U-PBN-Scheibe wurde in einer Zelle wie in Fig. 2 bei einem Druck von 65 kbar und bei etwa 2300 bis 2400 °C während 30 min behandelt. Es wurde ein stark gebundener, gut gesinterter klumpenartiger Kompaktkörper erhalten, der einen zusammengesetzten Kompaktkörper leicht ritzen körnte. Der Probekörper wurde mit Diamant geschliffen, um Oberflächenunregelmäßigkeiten zu entfernen, und dann glatt poliert zur Härteprüfung.

Beispiel 3:

Es wurden drei 1,65 mm dicke Scheiben aus U-PBN in eine Zelle gemäß Fig. 4 eingesetzt Die drei U-PBN-Scheiben wurden durch 2,54 mm dicke Abstandsscheiben aus Kohle voreinander getrennt und die Gesamtanordnung wurde mit 65 kbar und bei ungefähr 2300 bis 2400 °C 30 min lang behandelt Die mittlere PBN-Scheibe wurde in einen harten stark gebundenen klumpenartigen CBN-Kompaktkörper umgewandelt, wogegen die beiden äußeren Scheiben zu schwach gebundenen klumpenartigen CBN-Kompaktkörpem umgewandelt wurden. Einer dieser beiden schwach gebundenen Kompaktkörper wurde an seiner Oberfläche plangeschliffen und poliert für die Härteprüfung.

Die Härteuntersuchungen wurden an den polierten Probekörpem der Beispiele 2 und 3 unter Verwendung eines Tukon Testers mit einem Knoop-Diamantdruckkörper durchgeführt Die in Tabelle 2 wiedergegebenen Härtewerte zeigen die überlegene Härte der stark gebundenen klumpenartigen Kompaktkörper. Zu Vergleichszwecken sei gesagt daß die gemessene Härte von zusammengesetzten Kompaktkörpem in einen Bereich von 30000 bis 35000 N/mm^ bei ein»- Belastung mit einem 3000 g Druckkörper fallen.

Tabelle 2

Knoop-Härte (N/mm^)

Druckkörper- klumpenartiger Kompaktkörper aus umgewandeltem PBN belastung(g) stark gebunden schwach gebunden 1000 62000 - 80000 10000 -12000 2000 58000 - 76000 10000 -12000 2500 9750-10500 3500 46000-66000

Beispiel 4:

Die folgenden Versuche erläutern den Effekt von verschiedenen anorganischen Oxyden auf das HP/HT-Umwandlungsverhalten vonPBN. Bei diesen Versuchen wurden dünne Schichten von B2O3, MgO und A^Oß-Pulvem anschließend an 1,65 mm dickeU-PBN-Scheiben in Zellen gemäß Fig. 2 eingebracht Es wurden auch Versuche mit einem Gemisch aus je 50 Gew.-% PBN-Pulver und B203-Pulver in einer Zelle gemäß Fig. 5 durchgeführt. Die Arbeitsbedingungen und die Resultate sind in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt. -11-

AT 395 144 B

Tabelle 3

Test Probekörper Bedingungen Ergebnisse Druck Temp.°C Zeit (kbar) (min) 4A PBN-Scheibe 65 1580 30 nicht umgewandelt, keine Rekristallisation 4B PBN-Scheibe/ AI2O3 65 1580 30 PBN-Rekristallisation und Teilumwandlung zu CBN 4C PBN-Scheibe/ MgO 65 1580 30 nahezu vollständige Umwandlung zu CBN 4D PBN-Scheibe/ B2O3 65 1580 PBN-Rekristallisation und Teilumwandlung zu CBN 4E 1/1PBN/B203 Pulvergemisch 65 750 30 keine Wirkung 4F 1/1PBN/B203 65 1130 30 vollständigeRekristallisation Pulvergemisch keine Umwandlung zu CBN 4G 1/1PBN/B2O3 65 1580 30 vollständige Umwandlung Pulvergemisch zu CBN

DieseResultatezeigen diekatalytischeWirkungderverschiedenen Oxyde sowohl hinsichtlichderRekristallisation als auch der Umwandlung von PBN. Obwohl auch etwas an stark gebundenen polykristallinen CBN-Fragmenten bei diesen Versuchen beobachtet wurde, erfolgte der überwiegende Teil der Umwandlung zu Stücken von niederer Festigkeit

Beispiels;

Eine 1,65 mm dicke U-PBN-Scheibe wurde unter den Arbeitsbedingungen von 65 kbar und bei 2200 bis 2300 °C während 30 min in eins; Zelle gemäß Fig. 2 behandelt Der Probekörper wurde zum Teil umgewandelt wobei eine stark gebundene polykristalline CBN-Schicht auf einer Oberfläche des Teiles gebildet wurde, wogegen der übrige Teil des Probekörpers nicht umgewandelt verblieb. Bei mikroskopischer Untersuchung einer von dies«! Probekörpem abgeschnittenen PBN-Platte zeigte sich eine Variation in der Mikrostruktur der Platte. Dabei waren insbesondere die Wachstumskeme auf der einen Seite der Platte, die eine Umwandlung erfahren hatte, größer und stärker charakteristisch für ein substratnukleiertes Material als die Wachstumskeme auf der anderen Seite der Platte, die nicht umgewandelt worden war.

Beispiel 6:

Eine zweite U-PBN-Scheibe, die von der selben PBN-Platte wie in Beispiel 5 abgeschnitten worden war, wurde bei 65 kbar und bei 2250 °C und 2350 °C ebenfalls 30 min in der Zelle von Fig. 3 unter Erzielung der gleichen Resultate behandelt, d. h. mit einer Umwandlung zu einer stark gebundenen Schicht auf der einen Seite der Scheibe, wogegen der Rest des Probekörpers nicht umgewandelt verblieb. -12-

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Beispiel 7:

Es wurde eine andere U-PBN-Scheibe, in welcher die Mikrostruktur ebenfalls variierte, jedoch von einer anderen Platte als der in den Beispielen 5 und 6 benützten entnommen, ebenfalls in einer Zelle gemäß Fig. 2 hergestellt, und zwar bei 2200 bis 2300 °C und 65 kbar während 30 min. Die eine Seite dieser Scheibe wies, wie auch in Beispiel 5 und 6, große Wachstumskeme auf, die für substratnukleiertes Material charakteristisch sind, wogegen die andere Seite kleinere Wachstumskeme hatte, die für kontinuierlich renukleiertes Material ckarakteristisch sind. Die Umwandlung erfolgte wiederum nur in einer Schicht auf der Seite der PBN-Scheibe mit den größeren Wachstums-kemen.

Beispiel 8:

Eine 1,65 mm dicke U-PBN-Scheibe wurde in ein»* Zelle gemäß Fig. 5 bei 65 kbar und bei 2350 bis 2450 °C während 30 min behandelt. Der entstehende stark gebundene klumpenartige CBN-Kompaktkörper wurde auf beiden Seiten mit einem Oberflächenplanschliff versehen, so daß sich eine Dicke von etwa 0,762 mm (die ursprüngliche Dicke betrug etwa 1,17 mm) »gab, worauf der Körper mit einem Epoxyharz an einen Basisteil aus gesintertem Wolframcarbidvon 12,7 mm Durchmesser und3,17 mm Dicke gebunden wurde.DiegebundeneEinheit wurde dann auf einen Durchmess» von 8,89 mm zylindrisch abgeschliffen, um als Einsatz für ein Schneidwerkzeug zu dienen.

Die tieferstehenden Beispiele 8A und 8B beziehen sich auf klumpenartige CBN-Kompaktkörper, die durch direkte Umwandlung aus Bomitrid-Pulver erhalten worden waren.

Beispiel 8A:

Eine 0,5 g-Probe von Bomitrid-Pulver (Carborundum Co., Sorte HPF) wurde in eine Zelle gemäß Fig. 4 eingebracht und bei einem Druck von etwa 68 kbar und einer Temperatur von 2100 °C 30 min lang behandelt Die Röntgenstrahlenbeugungsanalyse der entstehenden scheibenförmigen Kompaktkörper ergab, daß das Bomitrid-Pulver in kubisches Bomitrid umgewandelt worden war. Die Oberseite und die Unterseite des Kompaktkörpers wurden einem Oberflächenflachschliff unterworfen und der Kompaktköiper wurde dann mittels Epoxyharz an eine Scheibe aus gesintertem Wolfiramcarbid von 3,18 mm Dicke gebunden. Die gebundene Einheit wurde dann durch einen Rundschliff auf 8,89 mm Durchmesser gebracht und diente als Einsatz für Schneidwerkzeuge.

Beispiel 8B:

Eine 2,0 g-Probe des selben Bomitrid-Pulvers wie in Beispiel 8A wurde in eine Zelle gemäß Fig. 5 eingebracht und bei etwa 68 kbar und 2100 °C 30 min lang behandelt Die Untersuchung mittels Röntgenstrahlenbeugungsbild zeigte, daß das hexagonale Bomitrid-Pulver in kubisches Bomitrid umgewandelt worden war. Die Probe wurde wied» in die Form von drei scheibenförmigen Schnecken übergeführt. Eine dies» Scheiben wurde zu einem Schneidwerkzeugeinsatz, wie in Beispiel 8A beschrieben, verarbeitet

Bei einem Verschleißtest, bei welchem ein zylindrisches Werkstück aus mit Kieselsäureschleifmaterial gefülltem Hartgummi abgedreht wurde, zeigte der direkt umgewandelte klumpenförmige Kompaktkörper überlegene Verschleißfestigkeitim Vergleich zu einem zusammengesetzten Kompaktkörper undzu den beidenklumpenförmigen Kompaktkörpem der Beispiele 8A und 8B. Bei diesen Untersuchungen wurden die Werkzeuge gegen die abschleifenden Werkstücke während vorbestimmter Zeitabschnitte gehalten, wonach die Kantenabnützung d» Werkzeuge gemessen wurde. Die Versuche wurden mit einer Schneidgeschwindigkeit von 137 Oberflächen-meter/min, einer Zuführgeschwindigkeit von 0,127 mm/Umdrehung und einer Schneidtiefe von 0,762 mm durchgeführt. Die Resultate sind in Tabelle 4 zusammengefaßt.

Tabelle 4

Kompaktkörper Schneidzeit (min) Kantenverschleiß des Werkzeuges (mm) Beispiel 8 (klumpen- 5 0,10 artiger Körper 16 0,18 zusammengesetzter 5 0,16 Körper 16 0,30 Beispiel 8A 1 1,0 Beispiel 8B 1,5 1,4 -13-

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Beispiel 9:

Eine 2,41 mm dicke U-PBN-Scheibe wurde bei 65 kbar und bei 2200 bis 2300 °C während 30 min in einer Zelle gemäß Fig. 2 behandelt Die mikroskopische Untersuchung der PBN-Platte, aus welcher dieser Probekörper geschnitten worden war, ergab große Wachstumskeme, die für substratnukleiertes PBN typisch sind, auf beiden 5 Plattenobeiflächen. Der entstehende stark gebundene klumpenartige CBN-Kompaktkörper wurde an beiden Seiten mit einem Oberflächenplanschliff versehen und dann auf 8,89 mm Durchmesser rundgeschliffen, für den Gebrauch als Schneidwerkzeugeinsatz.

Beispiel 10: 10 Eine 1,65 mm dicke U-PBN-Scheibe, die große Wachstumskeme (typisch für substrat-nukleiertes pyrolytisches

Bomitrid) zeigte, wurde in einer Zelle der selben Type und unter den selben Bedingungen wie in Beispiel 9 behandelt. Der entstehende stark gebundene klumpenartige Kompaktkörper wurde ebenfalls an der Oberfläche plangeschliffen und rundgeschliffen auf 8,89 mm Durchmess»: zum Gebrauch als Schneidwerkzeugeinsatz. 15 Beispiel 11:

Eine 1,65 mm dicke U-PBN-Scheibe mit großen Wachstumskemen, wie sie für ein substratnukleiertes pyrolytisches Bornitrid typisch sind, wurde mit 65 kbar und 2100 bis 2200 °C während 30 min in einer Zelle vom Typus entsprechendFig. 4 behandelt Der erhaltene stark gebundeneklumpenartige CBN-Kompaktkörperwurde auf einen Schneidwerkzeugeinsatz gemäß folgender Vorgangsweise verarbeitet. 20 Der Probekörper wurde an einer Seite plangeschliffen und rundgeschliffen, so daß er in einen Dichtungsring aus gesintertem Wolframcarbid von 16 mm Außendurchmesser und 7,4 mm Innendurchmesser paßte. Der Probekörper, der Carbiddichtungsring und eine Carbid-Basisscheibe mit dem selben Außendurchmesser wie der Carbiddichtungsring wurden in einen Aufnehmer aus Kohle eingesetzt und unter Bildung einer einstückigen Einheit miteinander verlötet. Das verwendete Lötmaterial war ein Gemisch aus Titan mit einer gebräuchlichen Legierung aus Kupfer, Silber, 25 Cadmium und Zink, die unter dem Handelsnamen Easy Flo45 erhältlich ist

Nach dem Löten wurden die Oberseiten des Carbid-Dichtungsringes und des Probekörpers plangeschliffen und die Einheit wurde dann außermittig so geschliffen, daß eine Schneidkante des Kompaktkörpers freigelegt wurde, wodurch ein Schneidwerkzeugeinsatz gemäß Fig. 8 erhalten wurde, der aus einem klumpenartigen Kompaktkörper (131), einem Carbid-Abdichtungsring (133) und einem Carbid-Basisteil (135) besteht 30

Beispiel 12:

Eine 1,65 mm dicke U-PBN-Scheibe wurde unter 65 kbar und bei 2350 bis 2450 °C während 30 min in einer Zelle von dem in Fig. 4 dargestellten Typus in eine polykristalline CBN-Scheibe umgewandelt. Die Mikrostruktur des PBN-Probekörpers war nicht bekannt; es wurde jedoch ein stark gebundener Kompaktkörper erhalten, der zu einem 35 Schneidwerkzeugeinsatz, wie in Beispiel 11 beschrieben, verarbeitet wurde.

Beispiel 13:

Eine 2,41 mm dicke U-PBN-Scheibe wurde in einer Zelle gemäß Fig. 2 unter den Bedingungen von 65 kbar und 2200 bis 2300 °C während 30 min umgewandelt. Die PBN-Scheibe hatte große, für substratnukleiertes Material 40 typische Wachstumskeme. Der entstehende stark gebundene klumpenartige Kompaktkörper wurde entsprechend der in Beispiel 11 beschriebenen Arbeitsweise in einem Wolframcarbid-Dichtungsring an einen Wolframcarbid-Grundteil angelötet, wobei aber der Dichtungsring einen Innenraum von 9,7 mm Durchmesser hatte und der klumpenartige Kompaktkörper vor dem Löten nicht rundgeschliffen wurde. Nach dem (1) Zusammenlöten des Carbid-Dichtungsringes, des Kompaktkörpers und des Carbid-Grundteiles und (2) Planschleifen des Dichtungs-45 ringes und des Kompaktköipers wurde eine feste Carbid-Scheibe unter Verwendung der selben Lötlegierung an den

DichtungsringunddenProbekörpervor dem außermittigen Schleifen der Einheitangelötet. Nach dem Rundschleifen wurde die Carbid-Abschlußkappe, die den Kompaktkörper vollständig abdeckte, auf eine Dicke von etwa 0,305 mm plangeschliffen. Der Zweck der Carbid-Kappe ist der, daß sie bei den Schneidvorgängen als ein Spanbrecher dienen soll. 50

Die aus den direkt umgewandelten klumpenartigen Kompaktkörpem der Beispiele 8 bis 13 hergestellten Schneidwerkzeuge wurden nun in Schneidtests beim Abdrehen von Werkstücken aus Iconei 718 und T-1 gehärtetem Stahl eingesetzt.

Die Tests mit Iconel 718 wurden mit den Werkzeugen der Beispiele 8, 9, 10, 11 und 13 sowie mit zwei 55 Werkzeugeinsätzen aus zusammengesetzten Kompaktkörpem vom Standardtypus durchgeführt. Bei diesen Tests wurde jedes Werkzeug gegen einen festen Iconel 718-Stab angestellt, und zwar für 1,75 min bei einer Zufuhrgeschwindigkeit von 0,127 mm/Umdrehung, einer Schnittiefe von 0,508 mm und mit den in Tabelle 5 angegebenen -14-

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Schnittgeschwindigkeiten. Nach den Versuchen wurde der Kantenverschleiß, der bei jedem der Probestücke aufgetreten war, gemessen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 zusammengestellt

Tatellg-5

Werkzeug Type Geschwindigkeit Werkzeugverschleiß (sm pm) (Mikrometer)

Beispiel 8 Epoxyharzbindung 125 150 bis 180 Beispiel 9 freistehend 130 130 bis 150 Beispiel 10 freistehend 143 230 Beispiel 11 gelötet 119 130 Beispiel 13 gelötet (mit Kappe) 139 230 zusammengesetzter Kompaktkörper Nr. 1 146 180 bis 200 zusammengesetzter Kompaktkörper Nr. 2 145 200 zusammengesetzter Kompaktkörper Nr. 3 134 200

Wie aus Tabelle 5 hervorgeht, ist das Verhalten der direkt umgewandelten Werkzeuge vergleichbar mit dem der Werkzeuge aus zusammengesetzten Kompaktkörpem vom Standardtypus.

Das Werkzeug von Beispiel 11 und eines der Werkzeuge aus den zusammengesetzten Kompaktkörpem wurden auch während längerer Schnittzeiten bei einem Stab aus Iconel 718 untersucht. Bei diesen Tests wurde der Werkzeugkantenverschleiß in Abhängigkeit von der Zeit gemessen. In Fig. 9 ist die Werkzeugabnützung als eine Funktion der Zeit für jedes der Werkzeuge aufgetragen, wobei wiederum das Verhalten des direkt umgewandelten klumpenartigen Kompaktkörper-Werkzeuges vergleichbar ist mit dem Werkzeug aus einem zusammengesetzten Kompaktkörper vom Standard-Typus.

Die Werkzeuge der Beispiele 9 und 12 wurden untersucht beim Abdrehen von Werkstücken aus T-l gehärtetem Werkzeugstahl (Härte = Rj. 58 - 60). Es wurden zwei Versuchsreihen mit verschiedenen Bedingungen für das Abdrehen durchgeführt. Bei diesen Versuchen wurde der Verschleiß der Werkzeugkanten in Abhängigkeit von der Schneidzeit gemessen, und zwar für direkt umgewandelte klumpenartige Kompaktkörper und für zusammengesetzte Kompaktkörper des Standard-Typus, unter Einhaltung der selben Bedingungen.

Die Versuchsbedingungen und die Lebensdauer der Werkzeuge (für einen Kantenverschleiß von 0,38 mm) sind in Tabelle 6 zusammengefaßt. In den Fig. 10 und 11 ist der Verschleiß der Werkzeugkanten in Abhängigkeit von der Zeit bei hohen und niederen Testgeschwindigkeiten aufgetragen. Die klumpenartigen Kompaktkörper übertreffen demnach die zusammengesetzten Kompaktkörper vom Standard-Typus in beiden Versuchsreihen. Werkzeugeinsätze aus gesintertem Wolframcarbid (im Handel unter der Markenbezeichnung Carboloy als Sorten 883 und 55A erhältlich) zeigten ein rasches Versagen innerhalb etwa 15 s bei den angeführten Bedingungen. -15-

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Tatelk-6 5 Werkzeug Type Vorschub (m) Geschwindigkeit (m) Schnitttiefe (mm) Lebensdauer des Werkzeuges (min) 10 Beispiel 9 freistehend 0,127 126/136 0,508 31 zusammengesetzter Kompaktkörper Nr. 1 0,127 126/136 0,508 23 15 zusammengesetzter Kompaktkörper Nr. 2 0,127 126/136 0,508 24 Beispiel 12 gelötet 0,1244 84/93 0,305 112 20 zusammengesetzter Kompaktkörper Nr. 2 0,1092 84/93 0,305 61 25 Beispiel 14:

Ein scheibenförmiger Probekörper aus R-PBN (10 mm Durchmesserund 15 bis 20 mm Dicke) wurde beim Druck von 65 kbar und einer Temperatur zwischen etwa 2200 und 2300 °C in kubisches Bomitrid umgewandelt, wobei eine Reaktionszelle analog der in Fig. 2 gezeigten verwendet wurde. Fig. 12 zeigt ein Röntgenstrahlenbeugungsbild, erhalten mit CuK-Strahlung, die auf die plane Oberfläche der R-PBN-Scheibe auftrifft. Es wird lediglich eine 30 (002)- und (004)-Reflexion von den graphitischen Grundebenen beobachtet, wobei alle Reflexionen vom Typus (h Φ 0, k, 1) fehlen, was die hochorientierte Art des Probenkörpers mit seinen hexagonalen Schichtebenen parallel zur Scheibenoberfläche (d. h. die c-Achse steht normal zur Scheibenoberfläche) zeigt

Fig. 13 zeigt das Beugungsbild der gleichen Oberfläche der intakten Scheibe nach der Umwandlung in kubisches Bomitrid und Fig. 14 zeigt das Beugungsbild einer Pulverprobe, die durch Schlagvermahlung eines Abschnittes der 35 Scheibe erhalten wurde. In Fig. 13 lassen die sehr schwachen Intensitäten (bzw. deren Fehlen) der (002)- und (200)-

Reflexionen erkennen, daß die Scheibe hoch orientiert ist, wobei die (111)-CBN-Ebenen parallel zu der Oberfläche liegen, wie dies mit den (001)- Ebenen in der ursprünglichen R-PBN-Probe der Fall war. So wird daher die c-Achse der (OOl)-Richtung der ursprünglichen R-PBN-Probe zur (111)-Richtung in der Scheibe aus umgewandeltem CBN. In Fig. 14 sind die (200)- und die (220)-Reflexionen in den eher regellos zusammengesetzten Pulverproben zu 40 erkennen.

Es wurden Teile der umgewandelten Scheibe nacheinander plan abgeschliffen (bis etwa zur halben Dicke) und die Beugungsbilder der nacheinander freigelegten Oberflächen zeigten, daß sich die bevorzugte Orientierung durch das Innere des Probekörpers hindurch fortsetzte.

Bei der praktischen Durchführung des Verfahrens zur Umwandlung von PBN zu klumpenartigen CBN-45 Kompaktkörpem gemäß der Erfindung wurde beobachtet, daß mit zunehmender Umwandlung bzw. HP/HT-Behandlungstemperatur eine graduelle Zunahme der thermischen Leitfähigkeit des erzeugten Kompaktkörpers erfolgt, bis eine Temperatur von zirka 2200 °C erreicht wird, wonach die thermische Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur scharf ansteigt. Es wurde auch gefunden, daß die thermische Leitfähigkeit in direkter Beziehung zurKristallifgrößedes Kompaktkörpers steht Die Kompaktkörper zeichnen sich dadurch aus, daß sie eine 50 bei Raumtemperatur gemessene thermische Leitfähigkeit von etwa 3 W/cm°K bis 9 W/cm°K, je nach der Kristallitgröße, aufweisen. Es wird angenommen, daß diese Beobachtungen durch die Tatsache erklärt werden können, daß in nicht-metallischen elektrisch-leitenden Kristallen die Wärmeenergie durch Gitterschwingungen (Phonone) weitergeleitet wird, und daß diese Ehergie direkt proportional ist der mittleren freien Weglänge von Phonemen und daß Gitterstörstellen von der selben Größenordnung wie die mittlere Weglänge für Phonone bei 55 perfekten (ungestörten) Kristallen zu einer Herabsetzung der mittleren freien Weglänge für Phonone und damit zu einer Verminderung der thermischen Leitfähigkeit neigen. -16-

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Die Kompaktkörper mit höherer Kristallgröße (Kompaktkörper mit höherem k) zeigen ein T^-Verhalten der thermischen Leitfähigkeit, das charakteristisch ist für eine durch reines Phonon/Phonon-Streuung begrenzte Wärmeübertragung (d. h., daß nur wenig oder keine Phonon-Streuung an den Kristallitkomgrenzen auftritt). Die Kompaktkörper sind frei von sekundären Bindemittel/Katalysator-Phasen, welche die erreichbare thermische S Fähigkeitbegrenzen würden. Im Hinblickauf die hoheReinheit des ursprünglichen PBN-Ausgangsmaterials und die

Verarbeitung unter reinen Bedingungen wird angenommen, daß die Kompaktkörper frei von Verunreinigungen sind, die als Phonon-Streuungszentren wirken und damit die thermische Leitfähigkeit begrenzen würden. Gleichfalls im Hinblick auf ihre hohe Reinheit und das Fehlen elektrischleitender Phasen besitzen solche Kompaktkörper hohen elektrisch«) Widerstand, eine niedrige dielektrische Leitfähigkeitund einen niedrigen dielektrischen Verlustwinkel. 10 Die Kompaktkörper zeigen eine bevorzugte Orientierung der Kristallite, wob« die bevorzugten Orientierungs- eigenschaften des PBN-Ausgangsmaterials beibehalten werden. Da die Grenzflächen-Phononstreuung zwischen Kristalliten proportional ist dem Ausmaß der Kristallitgitterfchler, würde der thermische Widerstand an den Grenzflächen zwischen den Kristalliten gering«* sein, im Hinblick auf die bevorzugte Orientierung im Vergleich zu dem thermischen Widerstand in den Grenzflächen von eher regellos orientierten Kompaktkörpem, wie sie erhalten 15 werden durch Sintern von CBN-Pulvem oder durch direkte Umwandlung von HBN-Pulver.

Die Ausübung der Erfindung zur Herstellung von klumpenartigen CBN-Kompaktkörpem mit hoher thermischer Leitfähigkeit wird anhand der folg«iden Beispiele leichter verständlich gemacht

Beispiele 15 bis 30: 20 Gemäß den Beispielen 15 bis 28 wurde eine Mehrzahl von klumpenartigen Kompaktkörpem aus U-PBN-

Probckörpem in Scheibenform mit abgeschrägten Kanten in ein« Reaktionszelle, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist, hergestellt Sämtliche Beispiele, mit Ausnahme von Beispiel 30, das bei 45 bis 50 kbar durchgeführt wurde, wurden mit etwa 70 kbar bei den Temperaturen und mit den in Tabelle 7 angeführten Zeiten realisiert Die in Tabelle 7 verzeichneten Zeiten sind Zeiten bei der Maximaltemperatur, d. h. jeder angegebene W«t bezieht sich auf die 25 gesamte Warmbehandlungszeit, abzüglich d« zur Erreichung der Maximaltemperatur «forderlichen Zeit

Die Beispiele 29 und 30 stellen einen Kompaktkörper aus direkt umgewandeltem HBN-Pulver gemäß dem Stand d« Technik bzw. einen zusammengesetzten CBN-Kompaktkörp« bekannter Art dar; sie wurden zu Vergleichszwecken in Tabelle 7 aufgenommen.

Gemäß Beispiel 29 wurde der Kompaktkörp« aus direkt umgewandeltem HBN-Pulver durch direkte Umwand-30 lung einer 1,4 g Probe von HBN-Pulver (Carborundum Company Grade HPF) hergestellt Die Probe wurde in die in Fig. 3 dargestellte Zelle eingebracht und bei der Temperatur und in d« Zeit wie in Tabelle 7 angegeben behandelt

Nach erfolgter Umwandlung wurden die Kompaktkörper d« Beispiele 15 bis 29 an ihren Oberflächen plan und parallel geschliffen und mittels Röntgenstrahlenbeugung untersucht Der Durchmess« der direkt umgewandelten Proben varii«te von etwa 11,7 bis 12,4 mm bei Dicken im Bereiche von 1,57 bis 3,66 mm. Sodann wurden die 35 Dichten der Proben, wie in Tabelle 7 verzeichnet, bestimmt Mit Ausnahme der Beispiele 24,27 und 28, die bei den niedrigsten Temperaturen vorgenommen wurden, waren die Dichten, innerhalb der Fehlergrenze, gleich der Dichte des Einkristalles.

Bei Beispiel 30 wurde eine klumpenartige Kompaktkörperprobe aus einem zusammengesetzten Kompaktkörper durch Entfernen des Carbidsubstrates hergestellt und zwar durch Schleifen und Läppen, bis alle Carbidspuren 40 verschwunden waren. Die Enddicke betrug 0,94 mm.

Die tatsächliche Kristallitgröße der Kompaktkörper wurde durch Analyse der Linien- od« Peakbreite im Röntg«istrahlenbeugungsbild ermittelt Untersuchungen dieser Art beruhen darauf, daß Abweichungen von einer vollkommenen kristallinen Struktur, wie z. B. verminderte Kristallitgröße, Gitterverzerrung durch ungleichmäßige Spannung oder Gitterstörstellen, zu ein« außerordentlichen Verbreiterung d« Peakbreite führen können. Mit 45 Rücksicht auf die Natur des Röntgenstrahlenbeugungsprozesses tritt eine Verbreiterung der Linienbreite nur dann auf, wenn die Kristallitgröße oder die Gitterstörstellen-Trennung wenig« als etwa 0,1 pm beträgt, d. h. der Beugungsstrahl läßt Gitterverzerrungen bei Abständen von etwas mehr als 0,1 pm nicht erkennen.

Bei nicht-metallischen isolierenden Kristallen wird die Wärmeenergie durch Gitterwellen (Phonone) geleitet Bei thermisch gut leitenden isolierenden Kristallen, wie Diamant von hoher Reinheit oder CBN-Einkristall, kann die 50 bei Raumtemperatur bestimmtemittiere freie Weglänge der thermisch leitenden Phonone im Bereich von 0,1 pm oder mehr liegen, wobei die mittlere freie Weglänge bei niedrigeren Temperaturen zunimmt und bei höheren Temperaturen abnimmt. Da die Wärmeenergie in diesen Kristallen durch Gitterschwingungen bzw. Gitterwellen übertragen wird, führen Gitterstörstellen der selben Größenordnung wie die mittlere Weglänge der Phonone für vollkommene Kristalle dazu, daß die mittlere freie Weglänge von Phononen herabgesetzt und daher auch die thermische 55 Leitfähigkeit (die thermische Leitfähigkeit ist direkt proportional der mittleren Weglänge von Phononen) vermindert wird. -17-

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Die Gitterstörstellen in einem Größenbereich, der zu einer Verbreiterung der Linienbreite bei der Röntgenstrahlenbeugung führt, istvon der gleichen(oder etwas weniger als gleichen) Größenordnung als die mittlere freie Weglänge von Phononen bei Raumtemperatur in CBN, d. h. daß Gitterstörstellen in einem Ausmaß, das eine Verbreiterung der Linienbreite von Röntgenstrahlenbeugung verursacht, geeignet erscheinen, die thermische 5 Leitfähigkeit bei Raumtemperatur in negativer Weise zu beeinflussen. Für die Linienverbreiterungdurch alleinige Herabsetzung der Kristallitgröße läßt sich die effektive Kristallitgröße bzw. die relative kristalline Vollkommenheit anhand der folgenden Beziehung feststellen: 10 0,9 λ t=-

BCosO 15 worin t die Kristallitdicke normal zu den Beugungsebenen, Θ der Beugungswinkel, λ die Wellenlänge der Röntgen strahlen und B auf die Peakbreite bezogen ist, u. zw. nach der Gleichung B^^B^-B^ , 20 worin Bm die Peakbreite, gemessen bei halber Maximalintensität (FWHM), und Bs die Peakbreite einer Standardprobe von großer Kristallitgröße ist

Die vorstehende Formel istzwarnur auf die Linienverbreiterung infolge von Kristallitgrößeneffekten anwendbar 25 und ist selbst in diesem Fall nicht sehr genau, da sie zu einer Unterbewertung der Kristallitgröße neigt, doch ist die obige Formel brauchbar als ein Parameter zum Vergleich relativer Werte da- „effektiven Kristallitgröße“ oder für eine relative kristalline Vollkommenheit in einem Mikromaßstab.

Rasterbilder von der Verbreiterung der Linienbreite bei der Röntgenstrahlenbeugung wurden für die CBN (111)-und CBN (220)-Beugungspeaks für jedes der Beispiele IS bis 30 aufgenommen. Die berechneten effektiven 30 Kristallitdicken in der CBN (111)-Richtung sind in Tabelle 7 angeführt, worin eine mehr oder weniger allgemeine Steigerung der Kristallitgröße mit zunehmender Behandlungstemperatur für die PBN-Kompaktkörper verzeichnet ist. Eine ähnliche Größenzunahme mit steigender Verarbeitungstemperatur wurde auch in der (220)-Richtung beobachtet. Die restlichen Intensitäten für zusammengepreßtes HBN, wie sie bei den Proben für die thermische Diffusionsfähigkeit beobachtet wurden, sind in Tabelle 7 wiedergegeben. 35 Die Röntgenstrahlenuntersuchung von Beispiel 29 und von anderen aus HBN-Pulver umgewandelten Kompakt- körpem, die in einer Zelle von dem in Fig. 3 dargestellten Typus bei verschiedenen Temperaturen gebildet wurden, zeigten ebenfalls, daß die Kristallitgröße mit zunehmender Temperatur ansteigt. Wichtige Unterschiede werden jedoch im Bereich höherer Temperaturen beobachtet. Bei dem PBN-Ausgangsmaterial trat eine allmähliche Steigerung der Kristallgröße bei zunehmender Temperatur auf, bis Temperaturen im Bereich von etwa 2200 °C 40 erreicht waren, von wo an das Wachstum mit steigender Temperatur auffallend stark zunahm. Bei Verwendung von HBN-Pulver als Ausgangsmaterial war die Geschwindigkeit der Größenzunahme bei steigender Temperatur konstant bis zur Erreichung der Rückumwandlungstemperatur.

In Fig. 15 ist die Kristallgröße als eine Funktion der HP/HT-Behandlungstemperatur (Tabelle 7, Spalte 5) der Beispiele 15 bis 30 veranschaulicht und auch für eine Vielzahl von anderen klumpenartigen Kompaktkörpem, die 45 in gleichartiger Weise durch direkte Umwandlung von U-PBN- und H-PBN-Pulver erhalten worden waren. In dem mit voller Linie gezeichneten Bereich niedrigerer Temperatur für gebundenesU-PBN (Röntgenstrahlung) wurde die Kristallitgröße in den U-PBN-Kompaktkörpem durch die Linienverbreiterung der Röntgenstrahlenbeugung ermittelt. Die Ausbreitung in diesem Gebiet entspricht der Variation, die bezüglich der Kristallitgröße in Abhängigkeit von Temperaturwertenfestgestelltwurde, was,wie man annimmt, einer von Charge zu Charge erfolgenden Variation 50 in der Struktur des U-PBN-Ausgangsmaterials zuzuschreiben ist. Bei höheren Temperaturen wird die Kristallitgröße in den U-PBN-Kompaktkörpem zu hoch, um durch Röntgenstrahlenbeugung ermittelt werden zu können. In diesem Hochtemperaturbereich, der in Fig. 15 mit U-PBN (SEM) bezeichnet ist, ergeben sich bei Untersuchung mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM) Kristallitgrößen in einem Bereich von 10 bis 20+ pm, im Falle eines Kompaktkörpers mit hoher Kristallgröße. Der durch gestrichelte Linien dargestellte U-PBN-Bereich stellt die Verbindung 55 zwischen den Röntgenstrahlungs- und SEM-Bereichen her. In diesem Bereich, wo der steile Anstieg der Kurve auftritt, ist die Kristallitgröße zu groß, um mittels Röntgenstrahlenbeugung ermittelt zu werden, und zu klein, um mit dem verfügbaren Rasterelektronenmikroskop untersucht zu werden. Bei den Kompaktkörpem aus umgewandeltem -18-

AT 395 144 B HBN-Pulver bleibt die Kristallitgröße genügend klein, um bis zu den höchsten Temperaturen hinauf durch Röntgenstrahlenuntersuchung bestimmt werden zu können.

Das unterschiedliche Verhalten beim Kristallwachstum der aus U-PBN- und HBN-Pulver umgewandelten Kompaktkörper kann theoretisch wie folgt angenommen werden. Das Ausgangsmaterial aus HBN-Pulver ist aus 5 einzelnen Teilchen vom Plättchentypus mit Submikrondicke zusammengesetzt Bei Umwandlung der einzelnen Teilchen wird die Kristallitgröße in den Teilchen vermindert Ein Kristallitwachstum kann damit bei jedem einzelnen Teilchen stattfinden. Das Ausmaß des Kristallitwachstums ist jedoch durch die Komgrenzen des jeweiligen Teilchens begrenzt, d. h., das Kristallitwachstum schreitet nicht von Teilchengrenzfläche zu Teilchengrenzfläche fort; die maximale Kristallitgröße ist daher durch die Größe der einzelnen Pulverteilchen in dem als Ausgangs-10 material verwendeten HBN-Pulver begrenzt

Bei PBN existieren jedoch keine abgesonderten Teilchen. DiePBN-Struktur ist, wenngleich stark unregelmäßig, in drei Dimensionen kontinuierlich. Das PBN-Ausgangsmaterial kann als ein großer, wenn auch höchst unvollkommener Kristall angesehen werden; aus diesem Grunde ist das nach der Umwandlung zu CBN auftretende Kristallitwachstum nicht durch Komgrenzen von Einzelteilchen begrenzt, wie dies bei den HBN-Pulver-Ausgangs-15 materialien da* Fall ist Es wird angenommen, daß die Umwandlung von PBN direkt von der turbostratischen PBN-Struktur zu einer quasiamorphen CBN-Struktur erfolgt von welcher aus das Kristallwachstum dann einsetzt, d. h. man nimmtan, daß die Umwandlung nichtdurch eine anfängliche Rekristallisation der turbostratischen Struktur zu der hexagonalen Struktur vor der Umwandlung zu CBN vor sich geht Die turbostratische Struktur von PBN ist bis zu sehr hohen Temperaturen stabil - die Rekristallisation zu der HBN-Struktur tritt unter Atmosphärendruck bis 20 zur Höhe der Sublimationstemperatur (2300 bis2400°Q nicht auf. EineRekristallisation kann unterniederem Druck bei uniaxialer Kompression stattfinden, jedoch erst bei Temperaturen von2300°C oder mehr, d. h. bei einer höheren Temperatur als der bei der Hochdruckumwandlung von PBN zu CBN angewendeten Temperatur (1700bis 1800°C).

Die Messung des thermischen Diffusionsvermögens bei den Kompaktköipem wurde unter Verwendung einer Schnellheizmethode durchgeführL Entsprechend dieser Schnellmethode wird die Vorderseite des Kompaktkörpers 25 einem kurzen Energieimpuls ausgesetzt und der entstehende Temperaturanstieg auf der Rückseite überwacht. Als

Energiequelle wird vorzugsweise ein Festkörperlaser benützt und das thermische Diffusionsvermögen wird nach dem Temperaturverlauf auf der Rückseite berechnet Es wurden Messungen über einen Temperaturbereich von -100 °C bis 650 °C durchgeführt.

Die für das thermische Diffusionsvermögen gemessenen Wate α werden in die entsprechenden Werte für die 30 Wärmeleitfähigkeit k umgewandelt, wofür defmitionsgemäß die folgende Beziehung gilt:

k=aCpP 35

Darin bedeutet Cp die spezifische Wärme und p die Dichte der Masse. Die Dichten wurden bestimmt nach der Eintauch- oder Schwimmkörpermethode und für die spezifische Wärme wurden die bekannten Werte eingesetzt.

Die für die Wärmeleitfähigkeit erhaltenen Wate sind in Fig. 16 aufgetragen. In dieser sind auch die Wärmeleitfähigkeiten von hochreinem Kupfer, von polykristallinem Berylliumoxyd und von Berylliumoxyd-40 Einkristallen sowie auch die Wärmeleitfähigkeitswate bei Raumtemperatur für natürliche Einkristall-Diamanten vom Typus Ia bei verschiedenen Stickstoffkonzentrationen für Vergleichszwecke angegeben.

AusTabelle7undFig.l6isteineZunahmeder Wärmeleitfähigkeit mit zunehmenden Behandlungstemperaturen für die U-PBN-Kompaktkörper abzulesen. Dies istinFig. 17 graphisch veranschaulicht, worin die Wärmeleitfähigkeit bei -50 °C der Beispiele 16 bis 18,20,21 und 24 bis 28 in Abhängigkeit von Maximalbehandlungstemperaturen 45 aufgetragen ist.

Zugleich mit der Zunahme von k mit steigenden Behandlungstemperaturen isteinemehr oder weniger allgemeine Zunahme in der wirksamen Kristallitgröße und eine Abnahme bezüglich da Menge von nicht-umgewandelta restlicha komprimierter HBN-Phase zu verzeichnoi. Diese beidoi Effekte tragen zur Abnahme von k bei den niedrigeren Behandlungstemperaturen bei. Im Bereich der Raumtemperatur ist ein Faktor von 3- bis 4-facher 50 Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit zwischen doi U-PBN-Kompaktkörpem bei höher und niedriger Temperatur zu beobachten. Dieser Unterschied wird der gesteigerten Phononstreuung zugeschrieben, die sich aus kristallinen Unvollkommenheiten (verminderte Kristallitgröße) und einem erhöhten thomischen Widerstand agibt, da von verbliebaia nichtumgewandelter HBN-Phase in den bei niedriger Temperatur erzeugten Kompaktkörpem herrührt.

Die Wärmeleitfähigkeit bei Raumtemperatur der besten U-PBN-Kompaktkörper ist 6 bis 8 mal größer im 55 Vergleich zu einem Kompaktkörper aus direkt umgewandeltem HBN-Pulva (Beispiel 29) und etwa 10 mal so groß im Vergleich zu einem zusammengesetzten Kompaktkörper (Beispiel 30). Außadem ist die Leitfähigkeit eines Kompaktkörpers aus umgewandeltem HBN-Pulva bedeutend niedriga (etwa 4 mal so niedrig) als von PBN- -19-

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Kompaktkörpem, die eine gleichgroße Verbreiterung der Linienbreite bei der Röntgenstiahlenbeugung zeigen. Der besondere thermische Widerstand des Kompaktkörpers aus umgewandeltem HBN-Pulver wird dem erhöhten thermischen Widerstand zwischen den Körnern in diesem Kompaktkörper zugeschrieben. Ebenso ist die Wärmeleitfähigkeit des zusammengesetzten Kompaktkörpers beträchtlich geringer, als die von U-PBN-Kompakt-5 körpern mit einer vergleichbaren Verbreiterung der Linienbreite bei der Röntgenstrahlenbeugung, was wiederum einem erhöhten thermischen Widerstand zwischen den Körnern in den zusammengesetzten Kompaktkörpem zugeschrieben wird.

In Bezug auf Kupfer hat ein PBN-Kompaktkörper gemäß der Erfindung höhere Wärmeleitfähigkeitswerte, die sich in einem Bereich von Raumtemperatur bis 200 °C einem Faktor 2 für die Verbesserung nähern. Ebenso sind die 10 Wärmeleitfähigkeiten wesentlich größer als für polykristallines Berylliumoxyd in dem untersuchten Temperaturbereich Oder liegt eine etwa 4 malige Verbesserung in dem Bereich von Raumtemperatur vor).

Fig. 18 zeigt in schematischer Form eine Ausführungsform der Erfindung, die veranschaulicht, wie ein klumpenartigerCBN-Kompaktkörper(als thermischer Leiter (253) dargestellt) von hoher thermischer Leitfähigkeit, wie erfindungsgemäß erzielbar, als Wärmesenke für eine elektronische Einrichtung (251) angewendet werden kann. 15 Für eine solche Wärmesenkeeinrichtung (251) wirdein Material (253) von hoher Wärmeleitfähigkeit (ein klumpen artiger CBN-Kompaktkörper) durch Schichten (255) einer Lötlegierung zwischen der Einrichtung (251) und einer großen Wärmesenke (257) gebunden.

Methoden zur Bildung von Schichten (255) umfassen eine Metallisierung dieses Substratmaterials unter Verwendung von sehr dünnen, aufgesprühten epitaxialen Nickelfilmen, wie dies in der Literaturstelle Hudson, J. 20 Phys. D: Appl. Phys. £,225 (1976) beschrieben ist, sowie die Verwendung einer Legierung auf Silberbasis mit hoher Wärmeleitfähigkeit

In der vorstehenden Beschreibung und in den Zeichnungen ist eine spezielle Methode und Apparatur »läutert, doch soll die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt sein, sondern alle im Rahmen der Erfindung möglichen Modifikationen umfassen. 25 (Es folgt Tabelle 7.) 30 35 40 45 50 -20- 55

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JiSi U o* a n

o o o o o o o m cn m σι m (θΗ(ηρ>ΝΝφ^ ^ Si Ο o _ _ ifiNinheoifioomi' O in O h Os oo n oo rf_ h q Os δ in m o Os r- t— vo >n 4 4 cn cn ci cn ci es* es* >-Γ ι-Γ ****** «n cs so <n ο, in p, cs cs O oe oo oo © t·' θ\ 4" 4 ci t'-ooO'fr«n-<a-cncnr~c^

Beispiele für die thermische Leitfähigkeit

I S.Säe•5 a-ti .5 CP SjÄ S α i wa B U I °

B<rT •S saS

S λ8 a SS .i ’S . <U "R *-m &fc

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i IO cs SSS <3 8 8 8 8 § 8 co * N N N * O oo oo oo in CS »H rt 1-H l-H CS ^ ONOOooooososoor'CSr'r^OOts'O vs vs ''ί. ^r. ^ ^ ^r cn ο. oo co φ in νδ Φ, ον oo s^ c~; ο νξ_ ρ so, c^, o\ Μ tn η η rn -η cn cn ri rn -η -ί —Γ <n ο' zzzzzzz CQ CO CD CQ OQ Cü Cüppppppppjipp zzzz« co oa cp Ο

N N N M (S W

insor^ooosp—ifSrn^in'Ot^ooosO

Kristallitgröße zu hoch für die RöntgenstrahlenbeugungstechnikDas Erhitzen wurde variiert, um Zeit- und Temperaturbedingungen rasch zu definieren. * * * -21-

Claims (7)

1. AT 395 144 B PATENTANSPRÜCHE 1. Hochtemperatm-Hochdruck-Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Kompaktkörpers aus polykristallinem kubischem Bomitrid, ausgehend von hexagonalem Bomitrid, durch Anwendung eines Druckes von 50 kbar bis 100 kbar, vorzugsweise von 65 bis 100 kbar, und Erhitzen auf eine Temperatur von mindestens etwa 1800 °C innerhalb des stabilen Zustandsfeldes von kubischem Bomitrid im Bomitrid-Phasendiagramm, unter Auftechter-haltungder Druck-undTemperaturbedingungenwährendeines Zeitabschnittes,derzurUmwandlung vonhexagonalem Bomitrid in kubisches Bomitrid ausreicht, dadurch gekennzeichnet, daß bevorzugt orientiertes pyrolytisches hexagonales Bomitrid in Form einer Scheibe mit abgeschrägten Kanten in eineReaktionszelle eingesetzt wird, wobei das eingesetzte Bomitrid frei von katalytisch aktiven Materialien ist und die Reaktionszelle mit einem das pyrolytische Bomitrid gegen Verunreinigung während der Umwandlung schützenden Schild versehen wird.
2. 2. Verfahren nachAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein durchSubstratkeimbildungerzeugtespyrolytisches hexagonales Bomitrid eingesetzt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein pyrolytisches Bomitrid mit mehr als 99,99 % Bomitrid eingesetzt wird.
4. 4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein pyrolytisches Bomitrid mit einer Dichte von 1,8 bis 2,28 g/cm^ eingesetzt wird.
5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung solange durchgeführt wird, bis ein CBN-Kompaktkörper mit 95 bis 100 % kubischem Bomitrid vorliegt.
6. 6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit einer Reaktionszelle gearbeitet wird, die einen das Bomitrid umgebenden und dessen Verunreinigung während seiner Umwandlung verhindernden Metallschild umfaßt.
7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangsmaterial ein einheitlicher Körper eingesetzt wird. Hiezu 11 Blatt Zeichnungen -22-