Verfahren zur Herstellung eines mit harten Körnern durchsetzten Werkstoffes. Es ist bekannt, Werkzeuge dadurch her zustellen, dass man Diamanten oder sonstige harte Körner, wie Mineralkörner oder Körner aus verschiedenen Kunststoffen, zum Bei spiel Carborundum (Siliziumkarbid), in Werkstoffen fasst. Dies kann, dabei nach mehreren verschiedenen Verfahren erfolgen. Solche Werkzeuge sind zum Beispiel dia mantbesetzte Bohrkronen zum Bohren im Fels und Gestein, diamantbesetzte Sägen zum Schneiden von Stein, Glas, Keramik usw., diamantbesetzte Werkzeuge zum Dre hen und Schärfen von Schleifscheiben, die oft aus Carborundum oder andern harten Kör nern bestehen, welche von einem Bindemittel zusammengehalten sind.
Wenn grosse Körner festzusetzen sind, wie zum Beispiel grosse Diamanten, setzt man oft das Korn in eine Bohrung im Werkzeug ein, wonach das Korn dadurch festgehalten wird, dass der Stoff des Werkzeuges mit Dornschlägen gegen das Korn angepresst wird. Zur Befestigung von grossen Körnern ist die- ses Verfahren geeignet, aber es ist unprak tisch oder sogar unmöglich, wenn kleine Kör ner festzuhalten sind. Damit eine Festhaltung überhaupt möglich ist, muss ferner das Werk zeug aus einem nicht zu harten Stoff herge stellt sein, und hierdurch wird die Verschleiss härte oder Widerstandsfähigkeit des Werk- zeuges gegen Abnutzung verhältnismässig klein.
In vielen Fällen ist es aber zweckmässig und sehr wünschenswert, kleine Körner oder Kristalle zu verwenden, unter anderem aus dem Grunde, dass diese in der Regel billiger, stärker und ausserdem schärfer sind und eine bessere Schneidwirkung haben. Um solche kleine, harte Körner zu befestigen, hat man bisher beispielsweise die Körner in Metall pulver eingelegt und letzteres unter hohem Druck zusammengepresst, wonach die so ge bildeten Formlinge gesintert werden. Hier durch kann man in gewissen Fällen verhält nismässig harte und feste Körper erhalten.
Ein Nachteil des Siuterverfahrens liegt aber darin, dass man für gewöhnlich das Metall pulver mit den eingelegten harten Körnern bei sehr hohem Druck zusammenpressen muss, damit der so gebildete Formling tatsächlich bei der nachfolgenden Erwärmung zusam mensintern wird. Aber hierdurch können schwächere Körner gebrochen oder zermalmt werden. Ein anderer Nachteil ist, dass bei den üblichen Sinterverfahren Körper mit erheb licher Härte und Abnutzungswiderstands fähigkeit nur mit solchen Pulvergemischen hergestellt werden können, die bei hoher Tem peratur sintern.
Wollte man Körper mit gro sser Härte und Abnutzungswiderstand her stellen, so musste man Pulvergemische ver wenden, welche bei so hohen Temperaturen sintern, dass dabei gewisse Arten von harten Körnern, zum Beispiel Diamanten, beschädigt werden können.
Ein anderes Verfahren besteht darin, dass die harten Körner in einem verhältnismässig niedrigschmelzenden und gleichzeitig verhält nismässig harten Metall eingegossen werden, zum Beispiel in gewissen Kupfer- und Silber legierungen. Dabei ist es aber oft schwierig zu erzielen, dass das geschmolzene Metall die harten Körner vollständig umschliesst. U m diesen Nachteil zu beseitigen, hat man des halb zum Beispiel zuerst die Körner ver silbert und einen Silberspiegel darauf gefällt, vorzugsweise. nach chemischen Verfahren. Hierdurch wird das Ergebnis des Eingiessver fahrens verbessert, aber es stellt sich auch in vielen Fällen heraus, dass die Körner doch nicht sicher befestigt werden. In geschmol zenem Metall sind nämlich immer Gase vor handen, die beim Erstarren freigemacht wer den.
Wenn die versilberten Körner in der Schmelze eingeschmolzen werden, umschliesst zwar das geschmolzene Metall augenblicklich sämtliche Körner vollständig, aber bald schmilzt die dünne Silberhaut um die Körner oder legiert sich mit dem geschmolzenen Me tall, und die in der Schmelze vorhandenen Gase erhalten dabei eine Neigung, sich abzu scheiden und sich um die Körner zu sammeln, weil die Schmelze infolge der Oberflächen- spannungsverhältnisse oft nicht vermag, die Oberflächen der Körner weitgehend zu "netzen". ; Beim Giessen gemäss den bekannten Ver fahren sitzen deshalb die harten Körner ver hältnismässig locker, und oft ist ein Spielraum zwischen dem Korn und dem umgebenden Metall vorhanden.
Dieses hat aber zur Folge, dass bei der Verwendung des Werkzeuges die Körner bald aus dem Metall fallen.
Die Erfindung betrifft nun ein Verfahren zur Herstellung eines mit harten Körnern durchsetzten Werkstoffes, das dadurch ge kennzeichnet ist, dass die harten Körner in einem Pulver mit so kleiner Teilchengrösse eingebettet werden, dass die Pulverteilchen in die Unebenheiten in den Oberflächen der har ten Körner eindringen und diese Uneben heilen ausfüllen, wonach ohne vorhergehende Sinterung des Pulvers ein metallischer Stoff mit niedrigerem Schmelzpunkt als der des Pulvers in letzteres eingegossen wird, wobei das Pulver und der metallische Stoff derart gewählt werden, dass der metallische Stoff bei der Giesstemperatur in das Pulver ein dringt,
die Pulverteilchen und auch die lrar- ten Körner umgibt und die Hohlräume zwi schen den Pulverteilchen ausfüllt. Dadurch kann ein sicheres Festhalten der harten Kör ner erzielt werden. Zugleich kann das Pulver und das Giess- oder Schmelzmetall eine harte und gegen Verschleiss widerstandsfähige Fas sung für die harten Körner bilden, so dass das Werkzeug dauerhaft wird. Luft- oder Gasblasen im Pulver oder zwischen dem Pul ver und den harten Körnern können vermie den werden; die harten Körner haben alsdann auch keine Neigung, locker zu werden.
Die Grösse der Pulverteilchen ist vorzugs weise so klein, dass das Pulver die harten Körner gut umschliesst und die Unebenheiten in der Oberfläche dieser Körner ausfüllt. Die obere Grenze der Teilchengrösse kann durch Versuche festgestellt werden und in der Praxis dürfte keine untere Grenze vorhanden sein. Eine geeignete Teilchengrösse des Pul vers ist zum Beispiel 0,002 mm.
Vorzugsweise wird das Pulver durch Stampfen verdichtet. So kann man beispiels- weise die harten Körner in das Pulver ein mischen und dann letzteres zusammenstamp fen. Falls die harten Körner sehr grosse Druckfestigkeit haben, kann man das Pulver unter hohem Druck zusammenpressen. Das Pulver mit den darin befindlichen harten Körnern wird mit einem geschmolzenen Me tall (oder Metallegierung) in Berührung ge bracht. Hierbei kann das Pulver nebst dem Metall gemeinsam auf so hohe Temperatur erhitzt werden, dass das Metall schmilzt, in das Pulver eindringt und die Pulverteilchen umschliesst. Es ist aber auch möglich, das schon geschmolzene Metall auf das Pulver zu giessen oder das Pulver (bezw. der Pulver körper) in das geschmolzene Metall zu tau chen. Man kann aber auch in anderer Weise das geschmolzene Metall einsaugen lassen.
Unabhängig davon, welches Verfahren man hierbei verwendet, werden sowohl die Pulver teilchen wie die harten Körner gut von dem geschmolzenen Metall umschlossen, das die Hohlräume ausfüllt. Es hat sich herausge stellt, dass in der Praxis keine Giessbläschen entstehen, weder um die harten Körner noch in der Pulvermasse. Dieses trifft auch zu, wenn das Pulver nur locker, also ohne Ver wendung von wesentlichen Drucken, zusam mengestampft worden ist. Es ist zweck mässig, gerade nur so viel Schmelzmetall zu verwenden, dass das Pulver damit genügend gesättigt wird.
Oft ist es zweckmässig oder sogar notwendig, ein Flussmittel - wie beim Löten - zu verwenden, um das Eindringen des geschmolzenen Metalles (oder der Metall- legierung) in die Pulvermasse zu erleichtern. Als Flussmittel kann beispielsweise Borax verwendet werden.
Man kann. auch Stücke des Metalles (oder Metallegierung), gegebenenfalls mit Flussmit tel, auf das Pulver oder den Pulverkörper legen und darnach das Metall und das Pulver in einem Ofen mit reduzierender Atmosphäre, zum Beispiel Wasserstoffatmosphäre, erhit zen, bis das Metall schmilzt und genügend leichtflüssig wird, um in das Pulver einzu dringen. Gegebenenfalls kann auch das Küh- len in reduzierender Atmosphäre durchge führt werden.
Falls man als Schmelzmetall Schlaglot oder Kupfer verwendet, kann das Pulver bei spielsweise aus Kobalt, Nickel, Eisen oder Wolframkarbid oder einem Gemisch davon bestehen, je nach den Eigenschaften, die der fertige Fassungsstoff um die harten Körner haben soll.
Die Eigenschaften des Fassungsstoffes sind unter anderem davon abhängig, welches Pulver und welches Schmelzmetall gewählt werden, aber auch der Stampfungs- oder Ver dichtungsgrad des Pulvers vor dem Giessen hat einen wesentlichen Einfluss. So steigt bei spielsweise die Härte mit dem Stampfungs- oder Zusammenpressungsgrad des Pulvers, falls man ein Pulver verwendet, welches här ter ist als das Giess- oder Schmelzmetall. Je härter der Stoff ist, woraus das Pulver be steht, desto härter wird der Fassungsstoff. Je härter das 'verwendete Giessmetall ist, desto härter wird auch der Fassungsstoff. Das Mengenverhältnis zwischen Pulver und Giessmetall im fertigen Fassungsstoff hat auch einen Einfluss auf die Härte desselben.
Um einen besonders verschleisswiderstands fähigen und harten Fassungsstoff zu erzielen, welcher für die meisten Werkzeuge vorteil haft ist, kann man zum Beispiel feinkörniges, zusammengestampftes Wolframkarbidpulver wählen und als Giessmetall Kupfer ver wenden.
Durch Wahl von verschiedenen Pulvern und verschiedenen Giessmetallen für die Fas sung der harten Körner und durch Änderung des Stampfungs- oder Zusammenpressungs- grades, kann man in weiten Grenzen die Härte des Fassungsstoffes einstellen.
In vielen Fällen ist es notwendig, dass man die Härte und insbesondere die Wider standsfähigkeit des Fassungsstoffes gegen Verschleiss sozusagen feineinstellen kann, das heisst in engen Grenzen auf den gewünschten Wert einregeln kann. Dieses ist insbesondere bei solchen Werkzeugen wichtig, deren arbei tender Teil mit Diamanten besetzt ist. Als Beispiele soleb.er Werkzeuge können gewisse Diamantbohrkronen und Schleifscheiben er wähnt werden.
Diese Feineinstellung der Verschleisshärte des Fassungsstoffes kann dadurch erzielt werden, dass man in ein Pulver, welches von dem Giessmetall benetzt wird und worin die harten Körner eingebettet werden, kleinere oder grössere Mengen von einem Pulver eines Stoffes einmischt, welcher vom Giessmetall nicht benetzt wird. Hierzu kann man zum Beispiel Siliziumkarbidpulver verwenden. Je grössere Mengen man von diesem Pulver ein mischt, desto niedriger wird die Verschleiss widerstandsfähigkeit des Fassungsstoffes. Mau kann hierdurch in sehr engen Grenzen diese Widerstandsfähigkeit auf jeden ge wünschten Wert einstellen.
Es ist wichtig, dass die harten Körner gut von dem Pulver umgeben sind. Es ist oft schwierig, die Fassung von einer grossen Anzahl harter Körner mit kleinen Abmes sungen zu bewirken, falls nicht besondere Vorsichtsmassnahmen getroffen werden. Da mit das Pulver die harten Körner gut um schliesst, kann man zum Beispiel zuerst die harten Körner mit einer Flüssigkeit. feuch ten, die beim Erhitzen auf die Giesstempera tur verdunstet. Die gefeuchteten Körner werden dann in das Pulver eingemischt. so dass das Pulver an den feuchten Flächen des Kornes anhaftet und einen Belag darauf bildet. Die Dicke dieses Belages hängt von den Eigenschaften der verwendeten Flüssig keit und gewissermassen auch von denen des Pulvers ab.
Unter Anwendung des Verfahrens gemäss der Erfindung können harte Körner sicher, fest und billig in einem Stoff gefasst oder eingesetzt werden, welchem man je nach den Bedürfnissen verschiedene Eigenschaf ten in weiten Grenzen geben kann, beispiels weise in bezug auf Härte, Zähigkeit, Festig keit, Widerstandsfähigkeit gegen Verschleiss usw., ohne dass die Körner hohen Drucken oder besonders hohen Temperaturen ausge setzt zu werden brauchen. Hierdurch wird erzielt, dass die harten Körner ohne Beschä digung im Fassungsstoff befestigt werden.
Die erfindungsgemäss hergestellten Werk stoffe, die direkt nach dem Giessen fertige oder halbfertige Formlinge sein können; kön nen entweder unmittelbar als solche für Werkzeuge für verschiedene Zwecke verwen det werden oder aber in geeigneter Weise, zum Beispiel durch Löten, in oder auf einem Halter aus geeignetem Stoff und in zweck mässiger Ausführung befestigt werden. So können beispielsweise Werkstoffe für Dia mantbohrkronen, Diamantsägen, Schleif scheiben, Diamantwerkzeuge zum Schärfen von Schleifscheiben, Drehstähle usw. gemäss der Erfindung hergestellt werden.
Process for the production of a material interspersed with hard grains. It is known that tools can be produced by using diamonds or other hard grains, such as mineral grains or grains made of various plastics, for example carborundum (silicon carbide), in materials. This can be done according to several different methods. Such tools are, for example, diamond-studded drill bits for drilling in rock and stone, diamond-studded saws for cutting stone, glass, ceramics, etc., diamond-studded tools for turning and sharpening grinding wheels, which are often made of carborundum or other hard grains which are held together by a binder.
When large grains are to be fixed, such as large diamonds, the grain is often inserted into a hole in the tool, after which the grain is held in place by pressing the material of the tool against the grain with thorn blows. This method is suitable for fastening large grains, but it is impractical or even impossible if small grains are to be held. In order for a retention to be possible at all, the tool must also be made of a material that is not too hard, and this makes the wear hardness or resistance of the tool to wear relatively small.
In many cases, however, it is expedient and very desirable to use small grains or crystals, among other things for the reason that they are usually cheaper, stronger and also sharper and have a better cutting effect. To attach such small, hard grains, for example, the grains have been placed in metal powder and the latter pressed together under high pressure, after which the so-formed briquettes are sintered. In this way, in certain cases, relatively hard and solid bodies can be obtained.
A disadvantage of the Siuter process, however, is that the metal powder with the inserted hard grains usually has to be pressed together at very high pressure so that the molding formed in this way is actually mensintern during the subsequent heating. But this can break or crush weaker grains. Another disadvantage is that in the usual sintering process, bodies with considerable hardness and wear resistance can only be produced with powder mixtures that sinter at high temperature.
If you wanted to produce bodies with great hardness and wear resistance, you had to use powder mixtures which sinter at such high temperatures that certain types of hard grains, for example diamonds, can be damaged in the process.
Another method is that the hard grains are poured into a relatively low-melting and at the same time relatively hard metal, for example in certain copper and silver alloys. However, it is often difficult to achieve that the molten metal completely surrounds the hard grains. In order to eliminate this disadvantage, for example, one first silvered the grains and felled a silver mirror on them, preferably. according to chemical processes. This improves the result of the pouring process, but it also turns out in many cases that the grains are not securely attached. In molten metal there are always gases that are released when it solidifies.
When the silver-plated grains are melted down in the melt, the molten metal immediately completely encloses all the grains, but soon the thin silver skin around the grains melts or alloys with the molten metal, and the gases present in the melt have a tendency to separate and collect around the grains because the melt is often unable to "wet" the surfaces of the grains due to the surface tension. ; When casting according to the known Ver, the hard grains sit relatively loosely, and there is often a margin between the grain and the surrounding metal.
However, this means that when the tool is used, the grains soon fall out of the metal.
The invention now relates to a method for producing a material interspersed with hard grains, which is characterized in that the hard grains are embedded in a powder with such a small particle size that the powder particles penetrate into the unevenness in the surfaces of the hard grains and fill this uneven heal, after which, without prior sintering of the powder, a metallic substance with a lower melting point than that of the powder is poured into the latter, the powder and the metallic substance being selected in such a way that the metallic substance penetrates the powder at the casting temperature,
surrounds the powder particles and also the rare grains and fills the cavities between the powder particles. As a result, the hard grains can be held securely in place. At the same time, the powder and the cast or molten metal can form a hard and wear-resistant version for the hard grains, so that the tool becomes permanent. Air or gas bubbles in the powder or between the powder and the hard grains can be avoided; the hard grains then have no tendency to become loose.
The size of the powder particles is preferably so small that the powder encloses the hard grains well and fills the unevenness in the surface of these grains. The upper limit of the particle size can be determined through experiments and in practice there should be no lower limit. A suitable particle size of the powder is, for example, 0.002 mm.
Preferably the powder is compacted by tamping. For example, you can mix the hard grains into the powder and then pound the latter together. If the hard grains have very high compressive strength, the powder can be compressed under high pressure. The powder with the hard grains therein is brought into contact with a molten metal (or metal alloy). The powder and the metal can be heated together to such a high temperature that the metal melts, penetrates into the powder and surrounds the powder particles. But it is also possible to pour the already melted metal onto the powder or to dip the powder (or the powder body) into the melted metal. But you can also suck in the molten metal in another way.
Regardless of which method is used, both the powder particles and the hard grains are well enclosed by the molten metal that fills the cavities. It has been found that in practice no watering bubbles arise, neither around the hard grains nor in the powder mass. This also applies if the powder has only been tamped together loosely, that is, without the use of significant pressures. It is advisable to use just enough molten metal that the powder is sufficiently saturated with it.
It is often useful or even necessary to use a flux - as is the case with soldering - in order to facilitate the penetration of the molten metal (or metal alloy) into the powder mass. Borax, for example, can be used as a flux.
One can. Place pieces of the metal (or metal alloy), possibly with flux, on the powder or the powder body and then heat the metal and powder in a furnace with a reducing atmosphere, for example a hydrogen atmosphere, until the metal melts and becomes sufficiently fluid to penetrate the powder. If necessary, the cooling can also be carried out in a reducing atmosphere.
If solder or copper is used as the melting metal, the powder can for example consist of cobalt, nickel, iron or tungsten carbide or a mixture thereof, depending on the properties that the finished socket material should have around the hard grains.
The properties of the frame material depend, among other things, on which powder and which molten metal are selected, but the degree of tamping or compression of the powder before casting also has a significant influence. For example, the hardness increases with the degree of tamping or compression of the powder, if a powder is used which is harder than the cast or molten metal. The harder the material the powder is made of, the harder the frame material will be. The harder the casting metal used, the harder the frame material will be. The quantity ratio between powder and casting metal in the finished socket material also has an influence on the hardness of the same.
In order to achieve a particularly wear-resistant and hard socket material, which is advantageous for most tools, you can choose, for example, fine-grained, tamped tungsten carbide powder and use copper as the casting metal.
By choosing different powders and different casting metals for the setting of the hard grains and by changing the degree of tamping or compression, the hardness of the setting material can be adjusted within wide limits.
In many cases it is necessary to be able to fine-tune the hardness and, in particular, the resistance of the frame material to wear and tear, that is, to adjust it to the desired value within narrow limits. This is particularly important in the case of tools whose working part is set with diamonds. Certain diamond core bits and grinding wheels can be mentioned as examples of soleb.er tools.
This fine adjustment of the wear hardness of the holder material can be achieved by mixing smaller or larger amounts of a powder of a substance which is not wetted by the casting metal into a powder which is wetted by the casting metal and in which the hard grains are embedded. For example, silicon carbide powder can be used for this purpose. The larger quantities of this powder you mix in, the lower the wear resistance of the holder. This means that Mau can adjust this resistance to any desired value within very narrow limits.
It is important that the hard grains are well surrounded by the powder. It is often difficult to effect the setting of a large number of hard grains with small dimensions unless special precautions are taken. Since the powder encloses the hard grains well, you can, for example, first mix the hard grains with a liquid. moisture that evaporates when heated to the pouring temperature. The moistened grains are then mixed into the powder. so that the powder adheres to the moist surfaces of the grain and forms a coating on it. The thickness of this coating depends on the properties of the liquid used and, to a certain extent, also on those of the powder.
Using the method according to the invention, hard grains can be safely, firmly and cheaply set or used in a substance which, depending on the needs, can be given various properties within wide limits, for example with regard to hardness, toughness, strength, Resistance to wear etc. without the grains having to be exposed to high pressures or particularly high temperatures. This ensures that the hard grains are fastened in the frame material without damage.
The factory produced according to the invention materials that can be finished or semi-finished moldings directly after casting; can either be used directly as such for tools for various purposes or they can be fastened in a suitable manner, for example by soldering, in or on a holder made of a suitable material and in an appropriate design. For example, materials for diamond drill bits, diamond saws, grinding disks, diamond tools for sharpening grinding disks, turning tools, etc. can be produced according to the invention.