DD256268B1

DD256268B1 - Verfahren zur herstellung eines verschleissfesten kompositwerkstoffes

Info

Publication number: DD256268B1
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: 1990-05-09
Also published as: DD256268A1

Description

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

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 feinstkristallines Bornitrid.

Hergestellt werden diese verschleißarmen Schnellarbeitsstähle durch aufwendiges Sintern unter Hochdruck während einer geringen Sinterzeit von kleiner einer Minute.

Im Falle des Einsatzes von Diamantteilchen als Härteträger in Schnellarbeitsstahilegierungen 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.

Durch die Graphitschicht wird außerdem die Haftfestigkeit der Diamantteilchen in der Schnellarbeitsstahllegierung vermindert und die Folge davon ist, daß die Verschleißeigenschaften schlechter werden.

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 μηι, zum Einsatz gelangen sollen.

Auch mit einer Schutzschicht umhüllte Diamantteilchen, wie sie in der SU PS 414052 durch Karbonylzersetzung aufgebracht vorgeschlagen werden, sind in einer metallischen Matrix nicht einsetzbar und lediglich zur Erhöhung der Verschleißfestigkeit in einer keramischen Matrix geeignet. Diese in Anwesenheit von Sauerstoff erzeugten metallischen oder karbidischen Schichten verhindern nicht die Graphitisierung der Diamantteilchen bei den zur Sinterung eines Metall-Diamantverbundes erforderlichen hohen Temperaturen von > 1000⁰C.

Ziel der Erfindung

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.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei der Herstellung eines verschleißfesten Kompositwerkstoffes aus Diamantteilchen in einer metallischen Matrix eine störende Graphitierung zu vermeiden.

Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Diamantteilchen in einem Sputtervorgang in sauerstofffreier Atmosphäre gereinigt werden, insbesondere von Sauerstoff bzw. sauerstoffhaltigen 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.

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.

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 5μηη.

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.

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 werden kann.

Überraschend hat sich gezeigt, daß die trotz einer Ummantelung zu erwartende katalytische Graphitierung der Diamantteilchen ausbleibt. Das ist vermutlich auf folgenden Effekt zurückzuführen:

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.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren entsteht ein Kompositwerkstoff, bei dem die Metallteilchen sehr gut in der metallischen Matrix haften und der sehr gute Verschleißeigenschaften aufweist. Besonders vorteilhaft wirkt sich eine Gradientenschicht aus.

Sie führt zur Verminderung der Spannungen im Werkstoffgefüge durch Anpassung der Ausdehnungskoeffizienten und der elastischen Eigenschaften zwischen Diamantteilchen und metallischer Matrix.

Ein weiterer besonderer Vorteil ist, daß durch das Verfahren auch feine Diamantteilchen mit Teilchengrößen < 100μ.m verarbeitet werden können.

Nachfolgend soll die Erfindung durch drei Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.

1. Ausführungsbeispiel

Diamantpulver einer Teilchengröße zwischen 5 und 10μΐΌ wird in einem Wirbelstrom-Reaktor einem Sputtervorgang mittels Argonglimmentladung bei 4Torr unterzogen. Danach wird eine Gasmischung eingeleitet, die TiCI₄, CeH₆, N₂ und H₂ enthält und die Beschichtung bei 4Torr, 700 ⁰C 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. 2μηη.

Das beschichtete Diamantpulver wird mit SchnellarbeitsstahlpulverX82WMo6,5 einer Teilchengröße < 63 μιη 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 1230⁰C innerhalb von 3 Minuten.

2. Ausführungsbeispiel

Diamantpulver einer Teilchengröße zwischen 500 und 750μπι wird in einem Reaktor durch HF-Glimmentladung bei 1 Torr mittels Argonionen- und Elektronenbeschuß gereinigt. Die Bewegung der Diamantteilchen erfolgt durch Vibration der Auflagefläche.

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 4μιτι.

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 bis 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.

Die Formkörper finden Verwendung als Segmente von Trennschleifscheiben zur Bearbeitung von Natursteinen.

3. Ausführungsbeispiel

Diamantpulver einerTeilchengröße< 100 μηι 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.

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.

Das beschichtete Diamantpulver wird zu Schleifkörpern verarbeitet, indem es mit einer Mischung aus wasserverdüstem Fe-Pulver und Karbonyleisenpulver mit Teilchengrößen < 125/xm vermischt wird, zu Formkörpern verpreßt und bei 1140°C unter strömenden Wasserstoff innerhalb von 5 Minuten gesintert wird.

Diese Schleifkörper eignen sich zur Bearbeitung von Keramik und Hartmetall.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines verschleißfesten Kompositwerkstoffes aus umhüllten Diamantteilchen in einer metallischen Matrix durch Mischen der pulverförmigen Komponenten, Formgebung und Sintern, gekennzeichnet dadurch, daß die Diamantteilchen durch einen Sputtervorgang in sauerstofffreier Atmosphäre gereinigt und danach durch Zuführung eines sauerstofffreien Reaktionsgases oder durch Verwendung eines Targets mit einer gasdichten, diffusionshemmenden Hartstoffschicht oder -schichtfolge umhüllt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Diamantteilchen mit einer metallreichen Hartstoffschicht umhüllt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Diamantteilchen mit einer Gradientenschicht oder -schichtfolge umhüllt werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Diamantteilchen mit einer Hartstoff schicht oder -schichtfolge mit einer Gesamtdicke von 0,1 bis 5μιτι umhüllt werden.

Bei der Ausführung gemäß Fig. 2 mit einem einen Innenkegel aufweisenden Spannelement 3' hingegen muß der kleinste Durchmesser d₃ der Raste 2 kleiner sein als der Durchmesser d₄ des Spannzapfens des einzuspannenden Elementes 5 plus dem doppelten Durchmesser der Kugeln 4, d. h. d₃ < d₄ + 2d_Kugei4, um bei Ausfall der Hilfsenergie ein Herausrutschen bzw. Abfallen des Elementes 5 zu verhindern.

Hier werden beim hilfskraftabhängigen Verschieben des Spannelementes 3' nach unten über die Spannfläche 3 die Kugeln 4 in Richtung der radialen Ausnehmung 7 gedrückt. Dabei wird über die Tragfase das zu spannende Element 5 gegen Anschlagfläche 6 gepreßt und definiert eingespannt. Auch hier wird bei Ausfall der Hilfsenergie durch die Raste 2, die als steile Durchmesserverengung ausgeführt ist, und die Kugeln 4 ein Herausfallen des Elementes 5 verhindert.