CH637611A5

CH637611A5 - Tool component and process for making it

Info

Publication number: CH637611A5
Application number: CH162978A
Authority: CH
Inventors: Harold Paul Bovenkerk; Paul Donald Gigl
Original assignee: Gen Electric
Priority date: 1977-02-18
Filing date: 1978-02-14
Publication date: 1983-08-15
Also published as: LU79081A1; GR64066B; DK152098B; NO151691B; FI780451A; FR2380845A1; AU518668B2; FI65935B; IE780089L; ZA78416B; BE863934A; NO780546L; IT7820283A0; IL53846A0; AU3334278A; NO151691C; IN148419B; GB1598837A; ATA104878A; DE2805460C2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Werkzeugteil, wie Schnittwerkzeug, Bohrwerkzeug und Formwerkzeug, insbesondere einen Werkzeugeinsatz aus Abrasivteilchen wie Diamant und kubisches Bornitrid zur Bestückung spanender Werkzeuge.

Es hat sich herausgestellt, dass ein nach der Lehre der US-PS 3 745 623 und der US-PS 3 609 818 hergestellter Diamantkörper nur beschränkt einsatzfahig ist, da er bei Temperaturen von über ungefähr 700 °C Schaden erleidet. In ähnlicher Weise hat sich herausgestellt, dass ein nach der Lehre der US-PS 3 767 371 und der US-PS 3 743 489 hergestellter Körper aus kubischem Bornitrid auch nur beschränkt einsatzfahig ist, da er ebenfalls bei Temperaturen von über ungefähr 700 °C Schaden erleidet. Der Einsatz derartiger Körper ist daher dort nicht möglich, wo (1) zum Befestigen des Körpers auf einer Unterlage ein Hartlot erforderlich ist, dessen Schmelzpunkt in der Nähe oder über der Temperatur liegt, bei der der Körper thermisch geschädigt wird, oder wo (2) ein Einbetten des Körpers in eine einen hohen Schmelzpunkt aufweisende, verschleissfeste Matrix erforderlich ist, was beispielsweise bei einer zum Bohren von Gestein dienenden Bohrkrone der Fall ist, deren Oberfläche üblicherweise mit Schneideinsätzen bestückt wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen temperaturfesten Werkzeugteil, insbesondere Schneideinsatz, zu schaffen.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen Werkzeugteil, mit dem Kennzeichnen des Patentanspruchs 1.

Der im wesentlichen aus selbsttragenden Abrasivteilchen bestehende und ein Netzwerk aus miteinander in Verbindung stehenden dispers verteilten Poren enthaltende Werkzeugteil wird hergestellt, indem eine Masse von Abrasivteilchen zu einem selbstgebundenen Körper unter Verwendung eines Sinterhilfsmaterials bei hohen Drücken und Temperaturen unmittelbar miteinander verbunden werden. Der unter dem Einfluss der hohen Drücke und Temperaturen gebildete

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Körper enthält selbstgebundene, d.h. unmittelbar miteinander verbundene Teilchen, und ist mit dem Sinterhilfsmaterial, beispielsweise Kobalt oder Kobaltlegierungen, durchsetzt. Das Sinterhilfsmaterial wird dann entfernt, beispielsweise durch Eintauchen des Körpers in Königswasser. Es hat sich herausgestellt, dass man durch Entfernen von im wesentlichen des gesamten Sinterhilfsmaterials einen Ab-rasivteilchenkörper erhält, der eine wesentlich verbesserte Widerstandfähigkeit gegen thermische Zersetzung bei hohen Temperaturen aufweist.

Eine als Schichtkörper ausgebildete weitere Ausführungsform, die in ähnlicher Weise wie die vorstehend erläuterte erste Ausführungsform hergestellt werden kann, besteht im wesentlichen aus einer Schicht aus selbstgebundenen Abrasivteilchen und einer an diese Schicht gebundenen Unterlage aus vorzugsweise Sinterhartmetall.

Die Erfindung wird nun näher anhand der Zeichnung erläutert, die eine Mikroaufnahme eines Bereiches einer geschliffenen Oberfläche eines erfindungsgemäss hergestellten Diamantkörpers zeigt.

Die in der Zeichnung dargestellte Schlifffläche bezieht sich zwar auf einen Diamantkörper, kann jedoch genau so gut zur Erläuterung der alternativen Ausführungsformen der Erfindung herangezogen werden, bei denen die Abrasivteilchen aus kubischem Bornitrid (CBN) bestehen.

Der in der Zeichnung dargestellte Körper enthält Diamantteilchen 11, die zwischen 70 und 95 Volumenprozent des Körpers ausmachen. Mit Teilchen ist hier ein einzelner Kristallit oder ein Bruchteil eines Kristallits gemeint. An den Grenzflächen 13 ist die Selbstbindung von benachbarten Teilchen 11 ersichtlich, d.h. Diamant-Diamant-Bindung zwischen benachbarten Teilchen 11. Die in der in der Zeichnung dargestellten Schlifffläche liegenden Diamantkristalle 11 sind in der dritten Dimension ebenfalls an benachbarte Diamantkristalle (nicht sichtbar) gebunden. Der Körper ist von einer metallischen Phase aus Sinterhilfsmetall (in der Zeichnung nicht dargestellt) im wesentlichen gleichmässig durchdrungen. Man nimmt an, dass die metallische Phase in durch benachbarte Diamantteilchen gebildeten, abgeschlossenen Bereichen eingekapselt ist. Die metallische Phase um-fasst zwischen ungefähr 0,05 und 3 Volumenprozent des Körpers. Ein Netzwerk aus miteinander verbundenen leeren Poren 15 ist über den gesamten Körper dispers verteilt und wird durch die Diamantteilchen 11 und die metallische Phase (nicht dargestellt) festgelegt. Die Poren 15 umfassen zwischen ungefähr 5 und 30 Volumenprozent des Körpers.

Gemäss einer Ausführungsform besteht der Körper lediglich aus selbstgebundenen Teilchen. Gemäss einer anderen Ausführungsform ist der Körper an einer Unterlage gebunden (nicht dargestellt), die vorzugsweise çius Wolframkarbid-Kobalt-Sinterhartmetall besteht.

Die Diamantteilchen 11 weisen zweckmässigerweise eine Teilchengrösse im Bereich von 1-1000 Mikrometer auf. Für Teilchen aus kubischem Bornitrid ist eine Teilchengrösse im Bereich zwischen 1-300 Mikrometer zweckmässig.

Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung eines Werkzeugteils gemäss der Erfindung umfasst die folgenden Verfahrensschritte:

a) In ein Reaktionsgefäss oder eine Beschickungskammer wird eine Masse aus Diamantteilchen oder CBN-Teilchen und eine Masse aus einem Material gegeben, das das Zusammensintern der aus Diamantteilchen oder CBN-Teilchen bestehenden Masse ermöglicht bzw. begünstigt,

b) das Reaktionsgefäss samt Inhalt wird gleichzeitig Temperaturen im Bereich von 1200-2000 °C und Drücken von über 40 kb ausgesetzt,

c) die Wärmezufuhr zum Reaktionsgefäss wird abgestellt,

d) der auf dem Reaktionsgefäss lastende Druck wird entfernt,

e) aus dem Reaktionsgefäss wird der durch die Verfahrensschritte a) bis d) gebildete Abrasivkörper entfernt, der aus selbstgebundenen, d.h. direkt aneinander gebundenen Teilchen und einer metallischen Phase besteht, die von dem in den Abrasivkörper eingedrungenen Sinterhilfsmaterial gebildet wird, und f) die in den Körper eingedrungene metallische Phase wird im wesentlichen vollständig entfernt, so dass die im Körper verbleibende metallische Phase nur mehr 0,05 bis 3 Volumenprozent des Körpers ausmacht.

Der im Verfahrensschritt b) verwendete Ausdruck «gleichzeitig» bedeutet, dass die Einwirkung von hohen Drücken und hohen Temperaturen zur gleichen Zeit erfolgt, wozu es jedoch nicht erforderlich ist, dass die Einwirkung des hohen Druckes und der hohen Temperatur gleichzeitig beginnt oder beendet wird, obwohl dies auch möglich sein kann.

Der hier verwendete Ausdruck «Sinterhilfsmaterial» bezeichnet ein Material, das als Katalysator für Diamant wirkt und/oder das Sintern von CBN begünstigt. Es ist nicht bekannt, in welcher Weise (katalytisch oder in anderer Weise) die Sinterhilfsmittel die Selbstbindung von CBN (CBN-CBN-Bindung) fördern oder begünstigen.

Bevorzugte Ausführungsformen der vorstehend angeführten Verfahrensschritte a) bis e) zur Herstellung eines Diamantkörpers aus Diamantteilchen sind in der US-PS 3 745 623 und der US-PS 3 609 818 näher erläutert.

Diamantkörper werden gemäss diesen Patentschriften unter der Einwirkung von hohen Drücken und hohen Temperaturen hergestellt, bei denen die heissen, zusammenge-pressten Diamantteilchen mit einem Katalysatormaterial infiltriert werden, das axial oder radial in die Diamantteilchenmasse eindringt und durchdringt. Während dieses Durch-dring- und Infiltrationsvorganges findet eine katalysierte Sinterung der Diamantteilchen statt, die zu einer ausgedehnten Diamant-Diamant-Bindung führt. Als Katalysatormaterial verwendet man eines der bereits in der US-PS 2 947 609 und der US-PS 2 947 610 beschriebenen Materialien, nämlich (1) ein Katalysatormetall in elementarer Form aus der die Metalle der VIII. Gruppe des periodischen Systems, Chrom, Mangan und Tantal umfassenden Gruppe, (2) ein Gemisch von einem oder mehreren legierbaren Katalysatormetallen und einem oder mehreren legierbaren Nichtkatalysatormetallen, (3) eine Legierung aus mindestens zwei Katalysatormetallen oder (4) eine Legierung aus einem oder mehreren Katalysatormetallen und einem oder mehreren Nichtkatalysatormetallen. Vorzugsweise verwendet man als Katalysator Kobalt in elementarer Form oder in Form einer Legierung. Das Katalysatormaterial bildet eine metallisché Phase in dem unter der Einwirkung von hohen Drücken und hohen Temperaturen gebildeten Abrasivkörper, wie bereits beim Verfahrensschritt e) erwähnt worden ist.

Bevorzugte Ausführungsformen der Verfahrensschritte a) bis e) zur Herstellung eines Werkzeugteils aus CBN-Teilchen sind in der US-PS 3 767 371 erläutert. Gemäss Beispiel 1 der US-PS 3 767 371 werden CBN-Körper unter hohen Drücken und hohen Temperaturen durch einen Infiltrationsvorgang erzeugt, bei dem CBN-Teilchen mit einem geschmolzenen Sinterhilfsmaterial (Kobaltmetall) getränkt werden, das axial durch die CBN-Teilchen hindurchgeschwemmt wird. Während dieses Infiltrations- bzw. Durch-schwemmvorganges erfolgt eine Sinterung der CBN-Teilchen, die zu einer ausgedehnten CBN-CBN-Bindung führt. Weitere als Sinterhilfsmittel für CBN geeignete Materialien sind Legierungen aus Aluminium und einer Legierungskomponente aus der Nickel, Kobalt, Mangan, Eisen, Vanadium

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und Chrom umfassenden Gruppe, wie in der US-PS 3 743 489 in Spalte 3, Zeilen 6-20, dargestellt ist. Kobalt und Kobaltlegierungen werden jedoch bevorzugt. Das Sinterhilfsmaterial bildet die bei der Erläuterung des Verfahrensschrittes e) angesprochene metallische Phase.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung, bei der die Verfahrensschritte a) bis e) gemäss der US-PS 3 745 623, US-PS 3 767 371 und US-PS 3 743 489 durchgeführt werden, erhält man einen Verbundkörper, indem man eine Abrasiv-teilchenschicht (aus Diamant oder CBN) in situ auf einer Unterlage aus Sinterhartmetall bindet. Als Quelle für das Sinterhilfsmaterial verwendet man dabei vorzugsweise das zur Bildung der Sinterhartmetallunterlage vorgesehene Material (entweder in Form eines Pulvergemisches oder eines vorgeformten Körpers). Hinsichtlich näherer Einzelheiten in bezug auf die Unterlage wird auf die US-PS 3 745 623 verwiesen, insbesondere Spalte 5, Zeile 58, bis Spalte 6, Zeile 8, und Spalte 8, Zeile 57, bis Spalte 9, Zeile 9.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung erhält man einen Körper aus im wesentlichen selbstgebundenen Abrasivteilchen. Bei dieser Ausführungsform werden die Verfahrensschritte a) bis e) in der gleichen Weise wie oben erläutert durchgeführt, wobei lediglich das zur Bildung der Sinterhartmetallunterlage für die Abrasivteilchenschicht vorgesehene Material in Form eines Pulvergemisches oder eines vorgeformten Körpers vorzugsweise weggelassen wird. In diesem Fall wird das Sinterhilfsmaterial separat zugesetzt, beispielsweise in der in der US-PS 3 609 818 beschriebenen Weise. Selbstverständlich kann ein Körper nach Entfernung der metallischen Phase (Verfahrensschritt f) durch Hartlöten auf einer Unterlage aus Sinterhartmetall oder einem anderen Material befestigt werden, um einen Körper oder Einsatz für die Bestückung eines Werkzeuges zu schaffen.

Erfindungsgemäss wird die metallische Phase aus dem Körper durch Säurebehandlung, Extraktion mit flüssigem Zink, elektrolytische Abtragung oder ähnlichen Verfahren entfernt, so dass dann ein Körper aus im wesentlichen 100% Abrasivteilchen in selbstgebundener Form verbleibt. Der verbleibende Körper enthält im wesentlichen keine oder kaum noch eine metallische Phase. Bei den bisher bekannten Körpern mit metallischer Phase kann die unzureichende Temperaturfestigkeit theoretisch dadurch erklärt werden, dass einmal die metallische Phase die Rückwandlung der direkten Bindungen zwischen den Abrasivteilchen katalysiert und/oder die direkte Bindung zwischen den Teilchen infolge der Wärmeausdehnung der metallischen Phase zerbricht. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass der Körper gemäss der Erfindung, der im wesentlichen frei von metallischer Phase ist, Temperaturen bis zu 1200-1300 °C widerstehen kann, ohne dass eine merkliche thermische Schädigung auftritt.

Die Erfindung wird nun näher anhand von Ausführungsbeispielen erläutert.

Beispiel 1

Scheibenförmige Diamantkörper wurden hergestellt, indem (1) eine 1,4 mm dicke Schicht aus feinen Diamantteilchen mit einer Teilchengrösse von unter 8 Mikrometer und als Katalysator sowie als Unterlage eine Scheibe mit einer Dicke von 3,2 mm und einem Durchmesser von 8,8 mm aus Sinterhartmetall (13 Gew.-% Co, 87 Gew.-% WC) innerhalb eines Zirkoniumbehälters mit einer Dicke von 0,05 mm angeordnet wurden, (2) mehrere dieser Behälter in einem Reaktionsgefäss der in Fig. 1 der US-PS 3 745 623 dargestellten Art übereinandergestapelt wurden, (3) die Reaktionsgefäss-beschickung einem Druck von ungefähr 65 kb und einer Temperatur von ungefähr 1400 °C 15 Minuten lang ausgesetzt wurde, (4) langsam zunächst die Temperatur und dann der Druck verringert wurde und (5) die Proben nach Entnahme aus dem Reaktionsgefäss geschliffen wurden, wobei sich Körper ergaben, die eine 0,5 mm dicke Diamantschicht aufwiesen, die an einer 2,7 mm dicken Sinterhartmetallschicht gebunden war. Anschliessend wurde dann durch s Oberflächenschleifen die Sinterhartmetallschicht bei jedem Körper entfernt.

Wie in Tabelle I angegeben ist, wurde die Hälfte der Proben einer Auslaugbehandlung in heissen konzentrierten Säuren unterworfen, um die metallische Phase uns sonstige an-io dere lösliche Nichtdiamantsubstanzen zu entfernen. Zur Entfernung des infiltrierten Materials wurden dabei zwei unterschiedliche Behandlungsverfahren angewandt. Von einer ersten, die Proben A-l bis A-4 umfassenden Gruppe wurden die Proben A-3 und A-4 lediglich mit einem heissen Säuregeis misch aus konzentrierter Salpetersäure und konzentrierter Flusssäure im Verhältnis 1:1 behandelt. Bei einer zweiten, die Proben B-l bis B-4 umfassenden Gruppe wurden die Proben B-3 und B-4 mit heissem Königswasser (konzentrierte Salzsäure und konzentrierte Schwefelsäure im Verhältnis 20 3:1) behandelt. Es stellte sich heraus, dass bei Verwendung von Königswasser die Auslaugung beträchtlich schneller erfolgte. Die Proben A-3 und A-4 wurden 8 bis 12 Tage lang ausgelaugt, während die Proben B-3 und B-4 zwischen 3 und 6 Tage lang ausgelaugt wurden. In beiden Fällen änderten 25 sich während der Säurebehandlung die Abmessungen der Proben nicht und konnte auch keine Abspaltung von Diamant festgestellt werden. Da Diamant nicht durch Säuren aufgelöst wird, sind die bei der Säurebehandlung auftretenden Gewichtsverluste auf die Entfernung der metallischen 30 Phase zurückzuführen.

Vor dem Auslaugen wurde der Anteil der in den Proben vorhandenen metallischen Phase mit ungefähr 8,1 Volumenprozent oder 19,8 Gew.-% berechnet (auf der Grundlage von Dichtemessungen der Proben vor dem Auslaugen und 3s der zur Herstellung verwendeten Ausgangsmaterialien). Nach dem Auslaugen verbleibt ungefähr 0,5 Volumenprozent oder 0,2 Gew.-% metallische Phase. Die Entfernung von bis zu 90 Gew.-% der metallischen Phasen (Probe B-4) deutet auch daraufhin, dass die metallische Phase sich 40 hauptsächlich in einem zusammenhängenden Porennetzwerk befindet. Bei Prüfung einer Bruchfläche einer ausgelaugten Probe mit einem Raster-Elektronenmikroskop zeigte sich, dass das Porennetzwerk über die ganze Diamantschicht verläuft. Die Poren sind über die gesamte Diamantschicht ver-45 teilt und die meisten Poren haben einen Durchmesser von unter einem Mikrometer. Dies deutet daraufhin, dass die Säure die gesamte Diamantschicht durchdrungen und eine im wesentlichen gleichmässige Entfernung der metallischen Phase aus der Diamantschicht bewirkt hat.

so Wie in Tabelle I angegeben, wurde auch die Biegefestigkeit (Bruchdurchbiegung) und der Elastizitätsmodul der Diamantschichten gemessen. Die Festigkeitsprüfung wurde mit einer Dreipunktbelastungseinrichtung durchgeführt, bei der zwei Stahlrollen auf einer Unterlage angeordnet waren, 55 während eine dritte Stahlrolle in der Mitte über den beiden Stahlrollen achsenparallel zu diesen vorgesehen war. Die Proben wurden über den unteren Rollen zentriert und bis zum Bruch belastet. Die Dehnung der Proben wurde parallel zur Zugspannung mit Hilfe von Dehnungsmessstreifen ge-60 messen, die an ein Dehnungsmessgerät angeschlossen wurden. Die Proben A-l bis A-4 wurden auf die Festigkeitsprüfung vorbereitet, indem ihre Oberflächen mit einer Diamantscheibe (Diamantteilchen mit einer Teilchengrösse von 177-250 Mikrometer) feinbearbeitet wurden. Die Proben 65 B-l bis B-4 wurden zur Vorbereitung auf die Festigkeitsprüfung auf einer Läppmaschine unter Verwendung von Diamantläppulver mit einer Teilchengrösse von 15 Mikrometer bearbeitet, um eine bessere Oberflächengüte zu er

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zielen als dies bei den Proben A-l bis A-4 durch Schleifen möglich war. Es wird angenommen, dass die besser polierten Oberflächen bei den mit Diamantpulver geläppten Proben höhere Festigkeitswerte ergeben, da die Oberfläche eine höhere Güte aufweist, d.h. weniger Fehler wie Anrisse od. dgl. besitzt, an denen es bei Belastung zur Spannungskonzentration kommt. Es ist anzunehmen, dass die bei den ausgelaugten Proben (A-3, A-4, B-3, B-4) gemessenen niedrigeren Biegefestigkeitswerte auf derartige Oberflächendefekte zurückzuführen sind.

Tabelle I

Probe Entfernung der Biegefestigkeit Elastizitätsmodul metallischen Phase (kg/mm2) (E)

(% Gewichtsverlust) (x 103 kg/mm2)

A-l

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A-2

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-

A-3

16,1

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A-4

16,2

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B-l

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B-2

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B-3

17,0

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Im Gegensatz zu den Biegefestigkeitswerten hat bei der Messung des Elastizitätsmoduls E (Tabelle I) die Porosität keinen Einfluss, da der Elastizitätsmodul ein Mass der inneren Festigkeit und Steifigkeit des Materials ist und nicht von der Bildung von Mikrorissen abhängt. Nach Entfernung der infiltrierten metallischen Phase aus den Proben verringert sich der Elastizitätsmodul nur um ungefähr 12%. Dieser Unterschied ist auf die Porosität der ausgelaugten Proben zurückzuführen, da für den Elastizitätsmodul E gilt:

_ M-C

E = —-—

in der E = Elastizitätsmodul M = Moment

C = Abstand zur äusseren Faser I = Trägheitsmmoment der Fläche und M • C sich nicht ändern, während I geringer geworden ist, da die wirksame Fläche proportional zur Porosität abgenommen hat. Falls daher angenommen wird, dass die Poren die Form von Kugeln haben und regellos verteilt sind, gilt

_ MC I(l-x)'

in der x = der Anteil der Porosität, so dass der Elastizitätsmodul grösser sein muss als der gemessene Wert von E. Für die ausgelaugten Proben B-3 und B-4 wurde ein Elastiztitäts-modul von im Durchschnitt 79 x 103 kg/mm2 gemessen, so dass sich unter Berücksichtigung der Porositätskorrektur der Elastizitätsmodul auf 85 x 103 kg/mm2 beläuft, der lediglich 5% niedriger ist als der an den Proben B-l und B-2 gemessene Durchschnittswert von 90 x 103 kg/mm2.

Die Entfernung der infiltrierten metallischen Phase hat also einen sehr geringen Einfluss auf den Elastizitätsmodul, woraus folgt, dass die Festigkeit der Diamantschicht fast ausschliesslich auf die Diamant-Diamant-Bindung zurückzuführen ist.

Der Elastizitätsmodul von 90 x 103 kg/mm2 ist lediglich 10% geringer als der Durchschnittswert von 100 x 103 kg/

mm2, der sich aus den elastischen Konstanten eines Diamanteinkristalls errechnet.

Beispiel 2

Ein Diamantkörper wurde entsprechend der in Beispiel 1 für die Proben A-l bis A-4 erläuterten Weise hergestellt, wobei lediglich anstelle der Diamantteilchen mit einer Teilchengrösse von unter 8 Mikrometer ein Diamantteilchengemisch aus gleichen Anteilen von Diamantteilchen mit einer Teilchengrösse von 149 bis 177 Mikrometer und Diamantteilchen mit einer Teilchengrösse von 105 bis 125 Mikrometer verwendet wurden.

Die Zusammensetzung des Körpers vor dem Auslaugen errechnet sich zu 89,1 Gew.-% Diamant (96,5 Volumenprozent) und 11,9 Gew.-% metallische Phase (4,5 Volumenprozent). Nach dem Auslaugen hatte der Körper ein um 11,5% geringeres Gesamtgewicht, so dass nur 0,15 Gew.-% der metallischen Phase (0,06 Volumenprozent) im Körper verblieben.

Beispiel 3

Vier Diamantkörper wurden entsprechend Beispiel 1 hergestellt. Das Sinterhartmetall wurde von jedem Körper abgeschliffen. Bei zwei Körpern wurde die infiltrierte metallische Phase durch Auslaugen in heissen Säuregemischen aus

I HF: 1 HN03 und 3 HCl: 1 HNOs entfernt. Alle Körper wurden mittels Epoxyharz auf eine runde Wolframkarbid-sinterhartmetallscheibe mit einem Durchmesser von 0,89 cm geklebt. Der dadurch gebildete Verbundkörper wurde auf einem Werkzeughalter einer Drehbank befestigt und auf Ver-schleissfestigkeit beim Drehen geprüft. Als Werkstück wurde ein Quarzsand als Füllstoff enthaltender Gummistab verwendet. Es wurden folgende Prüfbedingungen angewandt: Oberflächengeschwindigkeit 107-168 m/min (der Maximalbereich innerhalb einer der gleichen Wärmebehandlung ausgesetzten Gruppe betrug 24 m/min), Schnittiefe 0,76 mm, Quervorschub 0,13 mm/pro Umdrehung, und Prüfzeit 60 Minuten. Nach der Prüfung wurden die Proben in einem Heizrohr unter einem trockenen Argongasstrom wärmebehandelt. Die Behandlungstemperaturen reichten von 700-1300 °C mit Intervallen von 100 °C. Die Wärmebehandlungszeit betrug 10 Minuten bei jeder Behandlungstemperatur. Nach jeder Wärmebehandlung wurden die Proben mit einem Raster-Elektronenmikroskop auf Schädigung untersucht und dann mit Ausnahme der bei 1000, 1100 und

1300 °C behandelten Proben der Verschleissprüfung unterworfen. Nachdem sowohl die oberen als auch die unteren Kanten als Schneidkanten verwendet worden waren, wurden die Kanten wieder nachgeschliffen.

Die Ergebnisse der Verschleissprüfung sind aus Tabelle

II ersichtlich. Die Proben zeigten während der Verschleissprüfung ein leidlich übereinstimmendes Verhalten. Es ergab sich, dass die bei 700 °C zum ersten Mal wärmebehandelten Proben gegenüber den noch nicht wärmebehandelten Proben eine geringere Verschleissfestigkeit aufweisen. Die nicht ausgelaugten Proben 3 und 4 zeigten keine Änderungen hinsichtlich der Verschleissfestigkeit, bis sie zwischen 800 und 900 C aufgrund von thermischen Schädigungen versagten. Es stellte sich heraus, dass die Verschleissfestigkeit so lange unabhängig von der Wärmebehandlung ist, bis die Diamantphase die eingekapselte metallische Phase nicht mehr länger umschliessen kann und Rissbildung auftritt. Dieses Verhalten weist auch auf das Vorhandensein von zwei unterschiedlichen Phasen hin, nämlich die gebundene Diamantphase, welche bei der Prüfung die Spanabnahme besorgt, und die metallische Phase, die ein Überbleibsel des Sinterverfahrens ist. Die ausgelaugten Proben 1 und 2 widerstanden der Wärmebehandlung sehr gut, selbst noch bei 1200 C. Bei 1200°C

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besteht die Tendenz zu einer leichten Schädigung der Probe, was daraufhindeutet, dass an der Oberfläche thermische Rückwandlung beginnt.

Tabelle

Wärmebehandlung

Ausgelaugt

Nicht ausgelaugt

C

Probe 1

Probe 2

Probe 3 Probe 4

unbehandelt

150-200

120-150

150 100-120

700

150

120

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800

120

100

120 100

900

120

100

radiale Risse

1000

-

- -

1100

-

- -

1200

86-100

100-120

- -

1300

-

- —

Bei den in Tabelle II angeführten Prüfungsergebnissen handelt es sich um die Zeit pro Verschleisseinheit, wobei eine Verschleisseinheit 0,25 mm entspricht. Der Werkzeugver-schleiss wurde durch Messung der Breite der Verschleissmar-ke ermittelt, die an dem mit dem Werkstück in Eingriff stehenden Schneideinsatz entstand. Die ermittelten Daten sind lediglich im Hinblick auf das relative Verhalten der ausgelaugten und nicht ausgelaugten Proben von Bedeutung.

Die ausgelaugten Proben ergaben im Durchschnitt einen höheren Prüfwert als die nicht ausgelaugten Proben. Dies kann darauf zurückzuführen sein, dass bei der Verschleissprüfung die nicht ausgelaugten Proben thermisch geschädigt werden. Sowohl während der Verschleissprüfungen als auch während der Wärmebehandlungen kann daher der gleiche Schädigungseffekt auftreten. Wenn also die im Eingriff mit dem Werkstück stehende Werkzeugspitze auf eine hohe Temperatur erwärmt wird, dehnt sich die Kobaltphase stärker aus als die Diamantphase, wodurch an der Werkzeugspitze innerhalb der vordersten Teilchenschichten Risse entstehen. Die beschädigte Werkzeugspitze wird dadurch geschwächt und ist damit nicht mehr so leistungsfähig. Die ausgelaugten Proben sind jedoch bis zu einer höheren Betriebstemperatur thermisch stabil und werden also beim Eingriff mit dem Werkstück nicht thermisch geschädigt.

Untersuchungen mit einem Raster-Elektronenmikroskop ergaben, dass nicht ausgelaugte Proben im Vergleich zu ausgelaugten Proben ein anderes Verhalten zeigten. Bei nicht ausgelaugten Proben begann die metallische Phase aus der Oberfläche zwischen 700 und 800 °C auszutreten, wie mit 2000facher Vergrösserung festgestellt werden konnte. Nachdem die Temperatur auf 900 °C erhöht worden war, wurden von der abgerundeten Schneide radial zur Mitte der Probe verlaufende Risse festgestellt. Die ausgelaugten Proben blieben hingegen bis zu ungefähr 1300 °C verhältnismässig unverändert. Die Diamantschichten waren noch nach Wärmebehandlung bei 1200 :C sauber, jedoch waren nach Wärmebehandlung bei 1300 :C mit 20facher Vergrösserung aufgenommene Photos unscharf und verschwommen und mit lOOOfacher Vergrösserung aufgenommene Photos zeigten eine geätzte Oberfläche mit vielen biossliegenden Kristallen. Dies rührt möglicherweise von der thermischen Zersetzung der Oberfläche her, kann jedoch auch auf geringfügige Sauerstoffreste in der im Wärmebehandlungsofen vorgesehenen Argonatmosphäre zurückzuführen sein.

Beispiel 4

Zwei Diamantkörper (Proben IV-1 und IV-2) wurden gemäss Beispiel 1 hergestellt, jedoch wurde die Sinterhartmetallschicht nicht abgeschliffen. Die Probe IV-1 wurde mit Epoxyharz (Epon 826 mit Methylanhydrid an den Knotenstellen und Benzyldimethylaminhärter) umgössen und das Epoxyharz gehärtet. Die-Oberfläche der Diamantschicht wurde dann durch Abschleifen des Epoxyharzes freigelegt. Die Probe IV-1 wurde dann 37,15 Stunden lang in einem siedenden Gemisch aus 3 HCl: 1 HN03 gehalten. Nach Entfernung aus dem Säuregemisch wurde das Einbettungsharz von der Sinterhartmetallschicht entfernt. Bei der visuellen Prüfung ergaben sich Anzeichen einer geringfügigen Reaktion zwischen dem Säuregemisch und den nicht freigelegten Oberflächen. Die Oberfläche der Karbidschicht schien jedoch nicht merklich von der Säure angegriffen worden zu sein. Die Oberfläche der Diamantschicht wurde dann mit einem Raster-Elektronenmikroskop (bis zu 20Q0fache Vergrösserung) untersucht. Die Oberfläche der Diamantschicht hatte ein ähnliches Aussehen wie die Oberflächen der Diamantschicht der ausgelaugten Proben nach Beispiel 1. Die Probe IV-1 wurde dann einer röntgenspektroskopischen Analyse zum Vergleich der Intensitäten der Bestandteile der metallischen Phase mit denjenigen einer nicht ausgelaugten Probe unterworfen. Die mit einem Raster-Elektronenmikroskop durchgeführten sowie die röntgenographischen Untersuchungen ergaben, dass die Säure die Diamantschicht durchdrungen und die Entfernung eines wesentlichen Anteils der metallischen Phase bewirkt hatte.

Die Proben IV-1 und IV-2 wurden dann in der gleichen Weise wie in Beispiel 3 erläutert auf Verschleissfestigkeit geprüft. Für die ausgelaugte Probe IV-1 ergab sich dabei ein entsprechend Beispiel 3 berechneter Verschleisswert von 120-150, während für die nicht ausgelaugte Probe IV-2 ein Verschleisswert von 100-120 festgestellt wurde. Diese Prüfungsergebnisse, aus denen die Überlegenheit der ausgelaugten Probe ersichtlich ist, stimmen mit den in Beispiel 3 dargelegten Ergebnissen überein und beweisen daher, dass durch Entfernung der metallischen Phase im Bereich der Schneide eine Steigerung der Leistungsfähigkeit des Diamantkörpers erzielt wird.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Werkzeugteil, gekennzeichnet durch a) selbstgebundene Teilchen aus Diamant oder kubischem Bornitrid, die zwischen 70 und 95 Volumenprozent des Werkzeugteils ausmachen, und b) ein Netzwerk aus miteinander verbundenen leeren Poren, die zwischen 5 und 30 Volumenprozent des Werkzeugteils ausmachen und in diesem dispers verteilt sind sowie zwischen den Teilchen und einer metallischen Phase liegen, welch letztere zwischen 0,05 und 3 Volumenprozent des Werkzeugteils ausmacht und aus (1) einem Katalysatormetall in elementarer Form aus der die Metalle der VIII. Gruppe des periodischen Systems, Chrom, Mangan und Tantal umfassenden Gruppe, (2) einem Gemisch von einem oder mehreren legierbaren Katalysatormetallen und einem oder mehreren legierbaren Nichtkatalysatormetallen, (3) einer Legierung aus mindestens zwei Katalysatormetallen oder (4) einer Legierung aus einem oder mehreren Katalysatormetallen und einem oder mehreren Nichtkatalysatormetallen besteht.

2. Werkzeugteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Teilchen Diamantteilchen vorgesehen sind.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Werkzeugteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantteilchen eine Teilchengrösse im Bereich von 1 bis 1000 Mikrometer aufweisen.

4. Werkzeugteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen aus kubischem Bornitrid bestehen und die den Werkzeugteil im wesentlichen gleichmässig durchsetzende metallische Phase aus Kobalt, einer Kobaltlegierung oder einer Legierung aus Aluminium mit Nickel, Mangan, Eisen, Vanadium oder Chrom als Legierungsmetall besteht.

5. Werkzeugteil nach Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilchen aus kubischem Bornitrid eine Teilchengrösse im Bereich zwischen 1 bis 300 Mikrometer aufweisen.

6. Werkzeugteil nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Biegefestigkeit des Werkzeugteils mindestens 35 kg/mm2 beträgt.

7. Werkzeugteil nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastizitätsmodul des Werkzeugteils mindestens 50 000 kg/mm2 beträgt.

8. Werkzeugteil nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die selbstgebundenen Teilchen an einer Unterlage aus Sinterhartmetall gebunden sind.

9. Verfahren zum Herstellen eines Werkzeugteils nach den Ansprüchen 1 bis 8, bei dem a) in ein Reaktionsgefäss eine Masse aus Diamantteilchen oder aus kubischem Bornitrid bestehenden Teilchen sowie eine Masse aus Sinterhilfsmaterial für die jeweilige Teilchenmasse gegeben wird,

b) das Reaktionsgefäss samt Inhalt gleichzeitig Temperaturen im Bereich von 1200-2000 °C und Drücken von über 40 kb ausgesetzt wird,

c) die Wärmezufuhr zum Reaktionsgefäss abgestellt wird, sowie d) aus dem Reaktionsgefäss der durch die Verfahrensschritte a)-c) gebildete Abrasivkörper entfernt wird, der aus den direkt aneinandergebundenen Teilchen und dem zwischen den Teilchen eingeschwemmten Sinterhilfsmaterial besteht,

dadurch gekennzeichnet, dass das in den Körper eingeschwemmte Material im wesentlichen vollständig entfernt wird, so dass der im Körper verbleibende Anteil dieses Materials nur mehr 0,05 bis 3 Volumenprozent des Körpers ausmacht.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass als Teilchen Diamantteilchen und als Sinterhilfsmaterial (1) ein Katalysatormetall in elementarer Form aus der die Metalle der VIII. Gruppe des periodischen Systems, Chrom, Mangan und Tantal umfassenden Gruppe, (2) ein Gemisch von einem oder mehreren legierbaren Katalysatormetallen und einem oder mehreren legierbaren Nichtkatalysatormetallen, (3) eine Legierung aus mindestens zwei Katalysatormetallen oder (4) eine Legierung aus einem oder mehreren Katalysatormetallen und einem oder mehreren Nichtkatalysatormetallen verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Teilchen aus kubischem Bornitrid und als Sinterhilfsmaterial Kobalt, eine Kobaltlegierung oder eine Legierung aus Aluminium mit einem aus Nickel, Mangan, Eisen, Vanadium oder Chrom bestehenden Legierungsmetall verwendet werden.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall aus dem Körper durch Eintauchen des Körpers in eine Säure entfernt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Säure Königswasser, Salpetersäure, Salzsäure und/oder Fluorwasserstoffsäure venwendet wird.

14. Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall aus dem Körper durch Extraktion mit flüssigem Zink entfernt wird.

15. Verfahren nach den Ansprüchen 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall aus dem Körper mittels Elektrolyse herausgelöst wird.