DD256268A1

DD256268A1 - METHOD FOR PRODUCING A WEAR-RESISTANT COMPOSITE MATERIAL

Info

Publication number: DD256268A1
Application number: DD29862986A
Authority: DD
Inventors: Guenter Risse; Ingolf Endler; Gerald Grosse; Gisbert Grosse; Heiner Vollstaedt; Paul Weltsch
Original assignee: Akad Wissenschaften Ddr
Priority date: 1986-12-29
Filing date: 1986-12-29
Publication date: 1988-05-04
Also published as: DD256268B1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines verschleissfesten Kompositwerkstoffes aus Diamantteilchen in einer metallischen Matrix. Die Erfindung ist auf dem Gebiet der Werkzeugwerkstoffe anwendbar. Die Merkmale der Erfindung bestehen darin, dass Diamantteilchen vor der Einlagerung in eine metallische Matrix einer speziellen Behandlung unterzogen werden. In einem Sputtervorgang wird die Oberflaeche der Diamantteilchen gereinigt und danach mit einer gasdichten und diffusionshemmenden Hartstoffschicht oder -schichtfolge ueberzogen. Die Wirkung dieser Behandlung ist, dass die bei der Sinterung zu erwartende katalytische Graphitierung ausbleibt.The invention relates to a method for producing a wear-resistant composite material of diamond particles in a metallic matrix. The invention is applicable in the field of tool materials. The features of the invention are that diamond particles are subjected to a special treatment before being embedded in a metallic matrix. In a sputtering process, the surface of the diamond particles is cleaned and then coated with a gas-tight and diffusion-inhibiting hard material layer or layer sequence. The effect of this treatment is that the expected during sintering catalytic graphitization is absent.

Description

Field of application of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf die Gebiete Pulvermetallurgie und Werkzeugwerkstoffe und betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kompositwerkstoffes, der eingelagerte Diamantteilchen in einer metallischen Matrix enthält. Vorzugsweise ist die metallische Matrix Schnellarbeitsstahl.The invention relates to the fields of powder metallurgy and tool materials and relates to a method for producing a composite material containing embedded diamond particles in a metallic matrix. Preferably, the metallic matrix is high speed steel.

Objekte, die aus dem erfindungsgemäß hergestellten Kompositwerkstoff herstellbar sind, sind Verschleißteile, wie Wendeschneidplatten, Sägesegmente, Trennschleifsegmente und dergleichen.Objects which can be produced from the composite material produced according to the invention are wear parts, such as indexable inserts, saw segments, cut-off segments and the like.

Characteristic of the known state of the art

Es wurden bereits verschleißarme Schnellarbeitsstähle vorgeschlagen, die als Härteträger zusätzlich eingebrachte harte Werkstoffe einer Mikrohärte > 3000 HV in einer gesinterten Matrix enthalten. Vorzugsweise sind diese Härteträger Kohlenstoff oder eine Bor-Stickstoff-Verbindung mit weitgehend amorpher Struktur oder feinkristallines Bornitrid.Low-wear high-speed steels have already been proposed which, as hardness carriers, additionally contain introduced hard materials of a micro hardness> 3000 HV in a sintered matrix. Preferably, these hardness carriers are carbon or a boron-nitrogen compound having a largely amorphous structure or finely crystalline boron nitride.

Hergestellt werden diese verschleißarmen Schnellarbeitsstähle durch aufwendiges Sintern unter Hochdruck während einer geringen Sinterzeit von kleiner als eine Minute.These low-wear high-speed steels are produced by complex sintering under high pressure for a small sintering time of less than one minute.

Im Falle des Einsatzes von Diamantteilchen als Härteträger in Schnellarbeitsstahllegierungen graphitiert beim Sintern auch unter Anwendung von Hochdruck die Oberfläche der Diamantteilchen. Diese Graphitschicht löst sich zum Teil im Schnellarbeitsstahl auf und führt zu unkontrollierter Veränderung der Zusammensetzung der Legierung und damit zur Veränderung der mechanischen Eigenschaften.In the case of using diamond particles as hardness carriers in high speed steel alloys, sintering also graphitizes the surface of the diamond particles by using high pressure. This graphite layer partially dissolves in the high speed steel and leads to uncontrolled change in the composition of the alloy and thus to change the mechanical properties.

Durch die Graphitschicht wird außerdem die Haftfestigkeit der Diamantteilchen in der Schnellarbeitsstahllegierung vermindert und die Folge davon ist, daß die Verschleißeigenschaften schlechter werden.The graphite layer also reduces the adhesive strength of the diamond particles in the high speed steel alloy, and as a result, the wear properties deteriorate.

Eine Sinterung unter Normaldruck schließt sich von vornherein aus, es käme zur völligen Auflösung der Diamantteilchen in der metallischen Matrix, insbesondere, wenn sehr feine Diamantteilchen, z. B. mit einer Teilchengröße > 100>m zum Einsatz gelangen sollen.A sintering under normal pressure excludes from the outset, it would come to the complete dissolution of the diamond particles in the metallic matrix, especially if very fine diamond particles, eg. B. with a particle size> 100> m to use.

Object of the invention

Das Ziel der Erfindung besteht in der Schaffung von Voraussetzungen zur ökonomischen Herstellung eines verschleißfesten Kompositwerkstoffes aus Diamantteilchen in einer metallischen Matrix, der hohe Beanspruchungen zuläßt.The object of the invention is to create conditions for the economic production of a wear-resistant composite material of diamond particles in a metallic matrix, which allows high stresses.

Explanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Herstellung eines verschleißfesten Kompositwerkstoffes aus Diamantteilchen in einer metallischen Matrix eine störende Graphitierung zu vermeiden.The invention has for its object to avoid in the production of a wear-resistant composite material of diamond particles in a metallic matrix disturbing graphitization.

Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Diamantteilchen in einem Sputtervorgang in sauerstofffreier Atmosphäre gereinigt werden, insbesondere von Sauerstoff bzw. sauerstoff haltigen Verbindungen und adsorbierten Gasen. Der Sputtervorgang wird durch Elektronen- oder lonenbeschuß, vorzugsweise durch lonenbeschuß mit Edelgasionen in einem Reaktor unter einem Vakuum von <20Torr durchgeführt. Danach werden die Diamantteilchen durch Zuführung eines sauerstofffreien Reaktionsgases oder durch Verwendung eines Targets mit einer gasdichten, diffusionshemmenden Hartstoffschicht oder -schichtfolge umhüllt.According to the invention the object is achieved in that the diamond particles are cleaned in a sputtering in an oxygen-free atmosphere, in particular of oxygen or oxygen-containing compounds and adsorbed gases. The sputtering process is carried out by electron bombardment or ion bombardment, preferably by ion bombardment with noble gas ions in a reactor under a vacuum of <20 Torr. Thereafter, the diamond particles are enveloped by supplying an oxygen-free reaction gas or by using a target with a gas-tight, diffusion-inhibiting hard material layer or layer sequence.

Als Hartstoffschicht sind Karbid-, Nitrid-, Silizid-, Borid-oder Carbonitridverbindungen der Elemente der 4. bis 6. Nebengruppe des Periodischen Systems geeignet, die in der Lage sind, stabile Karbide, Nitride, Suizide, Boride oder Carbonitride zu bilden.As the hard material layer carbide, nitride, silicide, boride or carbonitride compounds of the elements of the 4th to 6th subgroup of the Periodic Table are suitable, which are able to form stable carbides, nitrides, suicides, borides or carbonitrides.

Die Hartstoffschicht ist vorzugsweise eine metallreiche Schicht oder eine Gradientenschicht oder -schichtfolge, die z. B. durch Veränderung der Gaszusammensetzung während der Beschichtung erreicht wird. Die Dicke der abgeschiedenen Schicht ist von der Größe der eingesetzten Diamantteilchen abhängig, vorzugsweise beträgt sie 0,1 bis 5/xm.The hard material layer is preferably a metal-rich layer or a gradient layer or layer sequence, the z. B. is achieved by changing the gas composition during the coating. The thickness of the deposited layer depends on the size of the diamond particles used, preferably 0.1 to 5 / xm.

Die Diamantteilchen werden beim Sputtervorgang und auch beim Beschichten in einen Schwebezustand versetzt, entweder durch mechanische Bewegung der Unterlage oder Durchführung der Reaktionen in einem Wirbelstromreaktor.The diamond particles are placed in a floating state during sputtering and also during coating, either by mechanical movement of the substrate or carrying out the reactions in an eddy current reactor.

-2- ZbbZbö-2- ZbbZbö

Die beschichteten Diamantteilchen werden mit Metallpulver vermischt, zu Preßlingen gewünschter Geometrie verpreßt und gesintert oder als Auflage auf einen Preßling aus Metallpulver aufgebracht oder über Metallpulver geschichtet und zusammen mit diesem gepreßt und gesintert. Der Sintervorgang wird unter den für die jeweils eingesetzte Metallmatrix üblichen Sinterbedingungen durchgeführt. Ein besonderer Vorteil ist es, daß der Sintervorgang unter Normaldruck oder unter Anwendung eines geringen Druckes, wie er beim Heißpressen angewendet wird, in einer kurzen Zeit durchgeführt werdenThe coated diamond particles are mixed with metal powder, pressed into compacts of desired geometry and sintered or applied as a support on a compact of metal powder or layered over metal powder and pressed together with this and sintered. The sintering process is carried out under the usual sintering conditions for each metal matrix used. A particular advantage is that the sintering process under normal pressure or using a low pressure, as used in hot pressing, be carried out in a short time

kann. ^can. ^

Überraschend hat sich gezeigt, daß die trotz einer Ummantelung zu erwartende katalytische Graphitierung der Diamantteilchen ausbleibt. Das ist vermutlich auf folgenden Effekt zurückzuführen:Surprisingly, it has been found that the catalytic graphitization of the diamond particles which is to be expected despite a sheathing does not occur. This is probably due to the following effect:

Beim Sputtern wird die Oberfläche von Sauerstoff, sauerstoffhaltigen Verbindungen und adsorbierten Gasen befreit, die zu einer chemischen Aktivierung der Oberfläche und damit zur katalytischen Graphitierung führen könnten. Durch das anschließende Beschichten mit einer metallreichen Hartstoffschicht kommt es zur chemischen Stabilisierung bzw. zu einer Absenkung der Grenzflächenenergie. Ursache dafür sind die starken chemischen Wechselwirkungen zwischen Diamantoberfläche und Übergangsmetall der Hartstoffschicht. In Richtung zur metallischen Matrix.sind die Übergangsmetalle durch eine feste Bindung zu einem Nichtmetall chemisch abgesättigt.During sputtering, the surface is freed of oxygen, oxygen-containing compounds and adsorbed gases, which could lead to a chemical activation of the surface and thus to catalytic graphitization. The subsequent coating with a metal-rich hard material layer leads to chemical stabilization or to a lowering of the interfacial energy. The reason for this is the strong chemical interactions between diamond surface and transition metal of the hard material layer. Toward the metallic matrix, the transition metals are chemically saturated by a tight bond to a nonmetal.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren entsteht ein Kompositwerkstoff, bei dem die Metallteilchen sehr gut in der metallischen Matrix haften und def sehr gute Verschleißeigenschaften aufweist. Besonders vorteilhaft wirkt sich eine Gradientenschicht aus.The inventive method results in a composite material in which the metal particles adhere very well in the metallic matrix and def has very good wear properties. Particularly advantageous is a gradient layer.

Sie führt zur Verminderung der Spannungen im Werkst off gefüge durch Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten und der elastischen Eigenschaften zwischen Diamantteilchen und metallischer Matrix.It leads to the reduction of stresses in the workpiece structure by adjusting the expansion coefficients and the elastic properties between diamond particles and metallic matrix.

Ein weiterer besonderer Vorteil ist, daß durch das Verfahren auch feine Diamantteilchen mit Teilchengrößen <100>m verarbeitet werden können.Another particular advantage is that also fine diamond particles with particle sizes <100> m can be processed by the method.

Nachfolgend soll die Erfindung durch drei Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail by three embodiments.

1. Ausführungsbeispiel1st embodiment

Diamantpulver einer Teilchengröße zwischen 5 und 10>m wird in einem Wirbelstrom-Reaktor einem Sputtervorgang mittels Argonglimmentladung bei 4Torr unterzogen. Danach wird eine Gasmischung eingeleitet, die TiCI₄, C₆H₆, N₂ und H₂ enthält und die Beschichtung bei 4Torr, 700⁰C innerhalb einer Zeit von 15 Minuten durchgeführt. Es entstand eine einheitliche Beschichtung mit einer Hartstoffschicht der Formel TiC_xN_y in der Dicke von ca. 2iim.Diamond powder of particle size between 5 and 10> m is subjected to sputtering by means of argon glow discharge at 4 Torr in an eddy current reactor. Thereafter, a gas mixture containing TiCl ₄ , C ₆ H ₆ , N ₂ and H ₂ is introduced and the coating is carried out at 4 Torr, 700 ⁰ C within a period of 15 minutes. The result was a uniform coating with a hard material layer of the formula TiC _x N _y in the thickness of about 2iim.

Das beschichtete Diamantpulver wird mit SchnellarbeitsstahlpulverX82 WMo 6,5 einer Teilchengröße < 63μ,ιτι im Verhältnis 1:4 gemischt und daraus dünne Platten gepreßt, die auf einen Preßling aus Schnellarbeitsstahlpulver aufgelegt werden und die Ecken einer Wendeschneidplatte bilden. Die Sinterung erfolgt unter strömendem Wasserstoff durch induktive Erwärmung bei einer Temperatur von 1230°C innerhalb von 3 Minuten.The coated diamond powder is mixed with high speed steel powder X82 WMo 6.5 a particle size <63μ, ιτι in the ratio 1: 4 and pressed from thin plates, which are placed on a compact of high-speed steel powder and form the corners of an indexable insert. The sintering is carried out under flowing hydrogen by inductive heating at a temperature of 1230 ° C within 3 minutes.

2. Ausführungsbeispiel2nd embodiment

Diamantpulver einer Teilchengröße zwischen 500 und 750μ.ηη wird in einem Reaktor durch HF-Glimmentladung beil Torr mittels Argonionen- undElektronenbeschuß gereinigt. Die Bewegung der Diamantteilchen erfolgt durch Vibration der Auflagefläche.Diamond powder of particle size between 500 and 750μ.ηη is cleaned in a reactor by RF glow discharge with Torr by means of argon ion and electron bombardment. The movement of the diamond particles takes place by vibration of the bearing surface.

Nach der Reinigung erfolgt die Beschichtung in Form einer Gradientenschicht, beginnend mit TiC über TiC_xN_y bis zum TiN durch kontinuierliche Veränderung der Gaszusammensetzung im Verhältnis C:Ti = 1 und N:Ti = 0bisC:Ti = 0und N:Ti = 100. Die Gesamtschichtdicke betrug 4/xm.After cleaning, the coating is in the form of a gradient layer, starting with TiC over TiC _x N _y to TiN by continuously changing the gas composition in the ratio C: Ti = 1 and N: Ti = 0 to C: Ti = 0 and N: Ti = 100. The total layer thickness was 4 / xm.

Das beschichtete Diamantpulver wird mit einer pulverförmigen Ni-Basis-Legierung der Zusammensetzung 68-86 Masseanteile in% Ni, 8 bis 12 Massenanteile in % Cr, 2 bis 5 Massenanteile in % Si, 1,2 bis 2^5 Massenanteile in % Bor und 0,2 bisThe coated diamond powder is mixed with a powdery Ni-base alloy composition 68-86 parts by weight in% Ni, 8 to 12 mass fractions in% Cr, 2 to 5 mass fractions in% Si, 1.2 to 2 ^ 5 mass fractions in% boron and 0.2 to

1,2 Massenanteile in % C im Verhältnis 1:3 gemischt und in Kohlenstofformen, die der gewünschten Endform entsprechen, bei 1000⁰C an Luft mit einem Druck von 80MPa innerhalb von 5 Minuten druckgesintert.1.2 mass fractions in% C mixed in the ratio 1: 3 and in carbon molds corresponding to the desired final form, at 1000 ⁰ C in air at a pressure of 80 MPa within 5 minutes pressure sintered.

Die Formkörper finden Verwendung als Segmente von Trennschleifscheiben zur Bearbeitung von Natursteinen.The moldings are used as segments of cut-off wheels for processing natural stones.

3. Ausführungsbeispiel3rd embodiment

Diamantpulver einer Teilchengröße <100/xm wird in einem Reaktor durch Elektronenstrahlbeschluß bei 10~⁴Torr gereinigt. Die Beschichtung erfolgt unter Verwendung eines Titantargets mittels Stickstoff-Argon-Plasma bei 300⁰C innerhalb einer Stunde.Diamond powder having a particle size of <100 / xm ⁴ Torr is purified in a reactor by electron decision at 10 ~. The coating is carried out using a titanium target by means of nitrogen-argon plasma at 300 ^° C. within one hour.

Durch Variieren des Stickstoff-Partialdruckes wird über die Schichtdicke ein X-Gradient für TiN_x von 0,8 bis 1,0 realisiert. Die allseitige Reinigung und Beschichtung wird durch mechanische Bewegung der Auflagenfläche erreicht.By varying the nitrogen partial pressure, an X gradient for TiN _x of 0.8 to 1.0 is realized over the layer thickness. The all-round cleaning and coating is achieved by mechanical movement of the support surface.

Das beschichtete Diamantpulver wird zu Schleifkörpern verarbeitet, indem es mit einer Mischung aus wasserverdüstem Fe-Pulverund Karbonyleisenpu|ver mit Teilchengrößen <125μΐη vermischt wird, zu Formkörpern verpreßt und bei 114O⁰C unter strömenden Wasserstoff innerhalb von 5 Minuten gesintert wird.The coated diamond powder is processed to form abrasives, by reacting it with a mixture of water-atomized Fe powder and Karbonyleisenpu | ver is mixed with particle sizes <125μΐη, pressed to give moldings and is sintered at 114O ⁰ C under flowing hydrogen over 5 minutes.

Diese Schleifkörper eignen sich zur Bearbeitung von Keramik und Hartmetall.These abrasives are suitable for machining ceramics and carbide.

Claims

A process for producing a wear-resistant composite material of diamond particles in a metallic matrix by mixing the powdery components, shaping and sintering, characterized in that the diamond particles are cleaned by a sputtering in an oxygen-free atmosphere and then by supplying an oxygen-free reaction gas or by using a target with be enveloped a gas-tight, diffusion-inhibiting hard coating or layer sequence.

2. The method according to claim 1, characterized in that the diamond particles are coated with a metal-rich hard material layer.

3. The method according to claim 1, characterized in that the diamond particles are coated with a gradient layer or -schichtfolge.

4. The method according to claim 1, characterized in that the diamond particles are coated with a hard material layer or layer sequence with a total thickness of 0.1 to 5μΐη.