DD260017A1 - Herstellungsverfahren fuer einen diamanthaltigen ueberzug - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Technologie des Maschinenbaues, insbesondere auf ein Herstellungsverfahren fuer einen diamanthaltigen Ueberzug. Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, solch ein Herstellungsverfahren fuer einen diamanthaltigen Ueberzug zu schaffen, das eine hohe Produktivitaet besitzt und es gestattet, einen Ueberzug mit einer hohen Haftfestigkeit und einem hohen Diamantgehalt zu erzeugen. Das erfindungsgemaesse Herstellungsverfahren umfasst die Auftragung eines ein Diamantpulver enthaltenden Gemenges auf eine Metalloberflaeche und dessen Sinterung. Das Gemenge wird unter einem Druck von 10 bis 50 MPa und der Einwirkung eines elektrischen Impulsstroms mit einer Dichte von 0,3 bis 1,5 kA/mm2 bei einem Impulsverhaeltnis von 0,25 bis 1,0 in Richtung Gemenge - Metall gesintert.

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Technologie des Maschinenbaus und betrifft insbesondere ein Herstellungsverfahren für einen diamanthaltigen Überzug.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird bei der Herstellung eines diamanthaltigen Werkzeuges für die Bearbeitung von Metallen und nichtmetallischen Werkstoffen Anwendung finden, die im Maschinenbau, der Bau- und Schmuckwarenindustrie, Landwirtschaft und Medizin eingesetzt werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist ein Verfahren zur Herstellung von diamanthaltigen Überzügen durch eine elektrolytische Abscheidung eines Metalls aus einem Elektrolyten und durch Befestigung von Diamantteilchen auf der Werkzeugfläche mit dessen Hilfe (SU-Urheberschein 351689, B24D17/00 vom 06.07.1970) bekannt.

Der in diesem Verfahren auf dem Werkzeug hergestellte Überzug weist eine niedrige Haftfestigkeit (10 bis 40 MPa), eine hohe Porigkeit und geringe Dicke auf, die durch den Fraktionsbestand des Diamantpulvers bestimmt wird. Die genannten Kennwerte sind auf die Unvollkommenheit der Herstellungsbedingungen für den Kontakt zwischen dem aus dem Elektrolyten zu fällenden Metall, dem Diamanten und der Werkzeugfläche zurückzuführen.

Das Anwendungsgebiet eines derartigen Werkzeuges ist beschränkt. Die Produktivität solch eines Prozesses ist wegen einer niedrigen Bildungsgeschwindigkeit des Überzuges gering.

Es ist ein Herstellungsverfahren für einen diamanthaltigen Überzug (JP-PS 51-752, B24D3/06) bekannt, bei welchem auf ein Werkstück ein aus einem Diamantpulver und einem plastischen Grundmetall bestehenden Gemenge aufgetragen und unter anschließender Dauersinterung in einer zu überwachenden Atmosphäre bei einer Temperatur zusammengepreßt wird, die die Zersetzungstemperatur des Diamanten nicht überschreitet.

Die nach diesem Verfahren hergestellten Überzüge werden bei hoher Haftfestigkeit durch eine hohe Porigkeit (von 20 bis 40%) und eine geringe Diamantkonzentration (bis 40 Vol.-%) gekennzeichnet, wodurch eine kurze Betriebsdauer bedingt ist.

Das Verfahren weist eine niedrige Produktivität auf und eine hohe Energieintensität wegen der Anwendung einer leistungsstarken Preß-Ausrüstung und einer Dauersinterung in Öfen mit einer zu überwachenden Atmosphäre.

Darüber hinaus bietet das Verfahren keine Möglichkeit, Überzüge auf Werkstücken komplizierter Konfiguration, zu erzeugen.

Ziel der Erfindung

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein derartiges Herstellungsverfahren für einen diamanthaltigen Überzug zu schaffen, bei dem die Möglichkeit der Produktivität, der Haftfestigkeit und des geringen Diamantgehalt überwunden werden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Herstellungsverfahren für einen diamanthaltigen Überzug durch die Wahl von Sinterbedingüngen zu entwickeln, das eine hohe Produktivität besitzt und die Erzeugung eines Überzuges mit einer hohen Haftfestigkeit und einem hohen Diamantgehalt gewährleistet.

Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Herstellungsverfahren für einen diamanthaltigen Überzug vorgeschlagen wird, das die Auftragung eines ein Diamantpulver enthaltenden Gemenges auf eine Metalloberfläche und dessen Sinterung umfaßt, bei dem gemäß der Erfindung das Gemenge unter einem Druck von 10 bis 50MPa und der Einwirkung eines elektrischen Impulsstroms mit einer Dichte von 0,3 bis 1,5kA/mm² bei einem Impulstastverhältnis von 0,25 bis 1,0 in Richtung Gemenge-Metall gesintert

Das erfindungsgemäße Verfahren sorgt für eine Erhöhung der Haftfestigkeit des Überzuges um 30 bis 50% durch Schaffung von günstigen Bedingungen für den Ablauf von Diffusionsprozessen in der Kontaktzone der Gemengeteilchen mit der Metalloberfläche.

Die Porigkeit der erzeugten Überzüge beträgt maximal 3% durch Realisierung des Effektes einer Warmverdichtung bei der Sinterung.

Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, die Produktivität des Vorganges um das 5- bis 10fache gegenüber den bekannten Verfahren durch Schnellerwärmung des Gemenges zu steigern, was durch Wärmeeinwirkung der elektrischen Stromimpuls

gesichert wird. _;

Es ist zweckmäßig, im erfindungsgemäßen Verfahren ein elektrisch leitendes Gemenge mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,05 · 10""⁶ bis 0,3 · 10"³Ω m und der Zusammensetzung in (Vol.-%) Diamantpulver... 24 bis 60, Grundmetall mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von (0,014 bis 1,7) · 10~⁶Ω m... bis zu lOOeinzustetzen.

Durch den Einsatz eines Gemenges mit derartigen elektrophysikalischen Eigenschaften wird es möglich. Überzüge mit einem maximalen Diamantgehalt (von 60 Vol.-%) zu erzeugen, was ihnen eine hohe Verschleiß- und Korrosionsfestigkeit verleiht.

Das aus dem Diamantpulver bestehende Gemenge ist bei der Durchführung des Verfahrens vorteilhafterweise durch dessen Verteilung in einem auf der Metalloberfläche liegenden gelochten Element aufzubringen, das aus einem Werkstoff mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von (0,014 bis 1,7) · 10~⁶Ω · m hergestellt ist.

Die Verwendung des gelochten Elements im Verfahren gestattet es, Überzüge mit vorbestimmten Eigenschaften in ihrer Tiefe zu erzeugen.

Das erfindungsgemäße Verfahren wird wie folgt durchgeführt.

Das Verfahren umfaßt die Auftragung eines ein Diamantpulver enthaltenden Gemenges auf eine Metalloberfläche mit anschließender Sinterung unter einem Druck von 10 bis 50 MPa und der Einwirkung eines Impulsstroms mit einer Dichte von 0,3 bis 1,5kA/mm² bei einem Impulstastverhältnis von 0,25 bis 1,0 in Richtung Gemenge-Metall.

Um diamanthaltige Überzüge mit hohen physikalisch-mechanischen Eigenschaften zu erzeugen, ist es erforderlich, Bedingungen für den Effekt einer Warmpressung zu schaffen. Diese Bedingungen werden bei Einwirken eines Drucks und eines eine hohe Erwärmungsgeschwindigkeit von (5 bis 8) · 10³°C/s sichernden elektrischen Impulsstroms auf das Gemenge realisiert.

Eine derartige Erwärmungsgeschwindigkeit intensiviert den Ablauf von Diffusionsvorgängen mit einer Geschwindigkeit, die die Ablaufgeschwindigkeit von Oxydationsvorgängen im Metall überschreitet, was die Bildung eines Überzuges mit einer hohen Haftfestigkeit und einer niedrigen Porigkeit sichert.

Die gewählten Parameter des Sintervorganges gewährleisten eine derart kurzzeitige Wärmeeinwirkung auf den Diamanten, daß er selbst bei einer Temperatur, die die Temperatur der Destruktion des Diamanten überschreitet, nicht graphitisiert wird.

Das Gemenge kann auf die Metalloberfläche durch gasthermische Bedampfung oder durch freie Formierung unter Benutzung eines elektrisch leitenden gelochten Elements aufgetragen werden.

Die Realisierung des Verfahrens unter derartigen Verhältnissen sieht die Verwendung entweder eines elektrisch leitenden Gemenges oder eines aus einem Diamantpulver zusammengesetzten Gemenges vor, das in einem elektrisch leitenden gelochten Element verteilt ist, das die Rolle eines Grundmetalls übernimmt.

Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert keine spezielle Preß-Ausrüstung beim Auftragen des Gemenges auf das Metall, weil die Formierung der Struktur des Überzuges auf der Sinterungsstufe bei hohen Erwärmungsgeschwindigkeiten des Gemenges erfolgt.

Deshalb wird das Verfahren durch eine hohe Produktivität von 0,6 bis 1 m²/h und einen niedrigen Energieaufwand von 0,3 bis 0,4kW/kg gekennzeichnet.

Für die gasthermische Bedampfung wird es empfohlen, ein elektrisch leitendes Gemenge mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,05 10~⁶bis0,3 · 10~³Ω · m einzusetzen, das eine folgende Zusammensetzung (in Vol.-%) aufweist:

Diamantpulver.. .24 bis 60, Grundmetall mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von (0,014 bis 1,7) 10~⁶Ω · m... bis zu

Der Impulsstrom mit einer Dichte von 0,3 bis 1,5kA/mm²fließtin dem Fall stabil, wenn der spezifische elektrische Widerstand des Gemenges unterhalb von 0,3 bis 10~³Ω · m bleibt. Das Gemenge wird unter stabilen Temperaturverhältnissen und unter Bildung eines eine Porigkeit von unter 3% und eine Haftfestigkeit von bis zu 100MPa aufweisenden diamanthaltigen Überzuges gesintert. Ein Überschreiten dieses Widerstandswertes führt zu einer Instabilisierung des Sintervorganges unter lokalem Ausschmelzen im Gemenge an manchen Stellen. Die dann hergestellten Überzüge werden durch eine hohe Porigkeit, niedrige Haftfestigkeit gekennzeichnet.

Bei Verwendung des Gemenges mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von unter 0,05 · 10~^δΩ · m findet kein Sinterprozeß statt.

Der erforderliche elektrische Widerstand des Gemenges wird im wesentlichen durch die elektrophysikalischen Eigenschaften des Grundmetalls bestimmt, denn das Diamantpulver besitzt einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand.

Das Grundmetall mit derartigen elektrophysikalischen Eigenschaften übernimmt die Rolle eines Leiters, dessen Wirkwiderstand Wärmemenge im Vorgang der Einwirkung des elektrischen Impulsstroms mit den Sollparametern auf dieses entwickelt. Das Grundmetall tritt auch als Plattierschicht auf, die einer Destruktion des Diamanten bei der gasthermischen Bedampfung entgegenwirkt.

Die untere Grenze von 0,014 · 10~⁶Ω · m des spezifischen elektrischen Widerstandes des Grundmetalls wird durch den maximalen Diamantgehalt (60 Vol.-%) im Überzug festgelegt. Derartige Überzüge besitzen eine hohe Verschleiß- und Haftfestigkeit. Als Grundmetall können Metalle mit einer hohen Schmelztemperatur eingesetzt wenden. Das erfindungsgemäße

Verfahren gestattet es, Überzüge zu erzeugen, in deren Struktur die physikalisch-mechanischen Eigenschaften des Diamanten und des Grundmetalls im Höchstmaß zur Geltung kommen.

Die obere Grenze von (1,7 · 10~⁶Ω · m des spezifischen elektrischen Widerstandes des Grundmetalls wird durch die Methode der Auftragung des Gemenges auf die Metalloberfläche bestimmt.

Um Überzüge mit vorgegebenen Eigenschaften zu erzeugen, wird ein aus einem Diamantpulver bestehendes Gemenge eingesetzt, das in einem auf der Metalloberfläche liegenden gelochten Element verteilt ist, das aus einem Metall mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von (0,014 bis 1,7) · 10~⁶Ω · m hergestellt ist.

Als gelochtes Element kommen Metallbänder mit Löchern oder Gitter in Betracht. Es übernimmt die Rolle des oben beschriebenen elektrisch leitenden Grundmetalls. Beim Durchfluß des elektrischen Impulsstroms in Richtung Gemenge-Metall wird das gelochte Element plastisch verformt, wodurch der Diamant auf der Metalloberfläche befestigt wird. In Abhängigkeit von der Anordnung der Löcher und deren Geometrie wird ein variabler Gehalt an Diamantpulver im Volumen des Überzuges

erreicht, was seine Eigenschaften festlegt. Dieser aus dem Gemenge gleicher Zusammensetzung gebildete Überzug kann über dessen Querschnitt abweichende physikalisch-mechanische Kennwerte aufweisen. Dies erweitert den Anwendungsbereich und die Effektivität der Anwendung derdiamanthaltigen Überzüge. Die Verwendung der gelochten Elemente gestattet es, komplizierte geometrische Oberflächen zu beschichten.

Die physikalisch-mechanischen und Betriebseigenschaften der Überzüge, wie sie Haftfestigkeit, Porigkeit, Schneidbedingungen sind, wurden nach Standardmethoden ermittelt.

Ausführungsbeispiele

Nachstehend werden konkrete Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgeführt.

Beispiel 1

Ein zu 24 Vol.-% aus durch Nickel mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,09 · 10~⁶Ω · m plattiertem Diamantpulver einer Korngröße von 50 bis 40 pm bestehendes Gemenge wird im Gasflammenverfahren auf ein getrenntes Stahlwerkstück zum Schneiden von Diamantkristallen aufgedampft. Das Gemenge weist einen spezifischen elektrischen Widerstand von 2,0 · 10~⁶Ω m auf. Die Bedampfungsentfernung beträgt 200 mm, die Dicke der Aufdampfschicht 0,1 mm. Das Werkstück wird mit dem Gemenge zwischen den an eine Impulsstromquelle angeschlossenen Elektroden angeordnet, unter einem Druck von 26MPa zusammengepreßt, worauf durch dieses ein elektrischer Impulsstrom, mit einer Dichte von 1,08kA/mm² bei einem Impulstastverhältnis von 0,25, in Richtung Gemenge-Metall durchgeleitet wird.

Nach der Sinterung weist der diamanthaltige Überzug folgende physikalisch-mechanische Kennwerte auf:

Haftfestigkeit, MPa 75

Porigkeit, % 2

Schneidbedingungen, mp/min 1,75

Beispiel 2

Ein zu 60 Vol.-% aus durch Silber mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,016 · 10~⁶Ω · m plattiertem Diamantpulver der Korngröße von 50 bis40pm bestehendes Gemenge wird im Gasflammenverfahren auf eine Stahlplatte aufgedampft. Das Gemenge weist einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1,3 · 10"⁴Q · m auf. Die Bedampfungsentfernung beträgt 200 mm, die Dicke der Aufdampfschicht 0,25 mm. Die Platte mit dem Gemenge wird zwischen den an eine Impulsstromquelle angeschlossenen Elektroden angeordnet, unter einem Druck von 50MPa zusammengepreßt, worauf durch diese ein elektrischer Impulsstrom, mit einer Dichte von 0,31 kA/mm² bei einem Impulsverhältnis von 0,5, in Richtung Gemenge-Metall durchgeleitet wird

Nach der Sinterung weist der diamanthaltige Überzug folgende physikalisch-mechanische Kennwerte auf:

Haftfestigkeit, MPa 65

Porigkeit, % 1

Beispiel 3

Ein zu 40 Voi.-% aus Diamantpulver der Korngröße von 80 bis 63 μπη, zu 48 Vol.-% aus Kupfer und zu 12,0-Vol.-% aus Nichrom mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,018 · 10~⁶ bzw. 1,1 10~⁶Ω m bestehendes Gemenge wird im Gasflammenverfahren auf eine Stahlplatte aufgedampft. Das Gemenge weist einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0,1 bis 0,3 10"³Ω · m auf. Die Bedampfungsentfernung beträgt 200 mm, die Dicke der Aufdampfschicht 0,25 mm. Die Platte mit dem Gemenge wird zwischen den an eine Impulsstromquelle angeschlossenen Elektroden angeordnet, unter einem Druck von 10 MPa zusammengepreßt, worauf durch diese ein elektrischer Impulsstrom, mit einer Dichte von 1,2 bis 1,3 kA/mm² bei einem Impulstastverhältnis von 0,30, in Richtung Gemenge-Metall durchgeleitet wird. Nach der Sinterung weist der diamanthaltige Überzug folgende physikalisch-mechanische Kennwerte auf:

Haftfestigkeit, MPa 90

Porigkeit, % 3

Beispiel 4

Auf einem Stahlwerkstück für ein Werkzeug zum Drehen von Diamantkristallen wird ein 0,25 mm dickes Zinkbad mit Löchern von 0,10mm Durchmesserund mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,06 · 10~⁶Ω · m angeordnet. Ein 25 Vol.-% Diamantpulver der Korngröße von 80^3 63μσι enthaltendes Gemenge wird über das Band in der Weise verteilt, daß nur die Löcher mit dem Diamantpulver ganz aufgefüllt sind. Die Platte mit dem Band und dem Pulver wird zwischen den an eine Impulsstromquelle angeschlossenen Bronzeelektroden untergebracht, unter einem Druck von 50 MPa zusammengepreßt, worauf durch diese ein elektrischer Impulsstrom, mit einer Dichte von 1,0kA/mm² bei einem Impulstastverhältnis von 1,0, in Richtung Gemenge-Metall durchgeleitet wird

Nach der Sinterung weist der diamanthaltige Überzug folgende physikalisch-mechanische Kennwerte auf:

Haftfestigkeit, MPa 80

Porigkeit, % unterhalb von 1

Schneidbedingungen, mp/min 1,87

Beispiel 5

Auf einem Stahlwerkstück für ein Werkzeug zum Schruppen von Diamantkristallen wird ein 0,5 starkes Stahlgitter mit Löchern von 0,2 mm Durchmessrund mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,1 · 10~⁶Ω · m angeordnet. Ein 24Vol.-% Diamantpulver der Korngröße 163 μιη enthaltendes Gemenge wird über das Gitter derart verteilt, daß nur die Löcher mit dem Diamantpulver ganz aufgefüllt sind. Die Platte mit dem Gitter und dem Pulver wird zwischen den an eine Impulsstromquelle angeschlossenen Elektroden angeordnet, unter einem Druck von 35 MPa zusammengepreßt, worauf durch diese ein elektrischer Impulsstrom, mit einer Dichte von 0,31 kA/mm² bei einem Impulstastverhältnis von 0,3, in Richtung Gemenge-Metall durchgeleitet wird.

Nach der Sinterung weist der diamanthaltige Überzug folgende physikalisch-mechanische Kennwerte auf:

Haftfestigkeit, MPa 85

Porigkeit, % . · unterhalb von 1

Schneidbedingungen, mp/min 1,91

Beispiel 6

Auf einer Stahlplatte wird ein 0,1 mm starkes Nickelgitter mit Löchern von 0,05 mm Durchmesserund mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,12 · 10~⁶Ω m angeordnet. Ein 50Vol-% Diamantpulver der Korngröße von 50 bis 40μηη enthaltendes Gemenge wird über das Gitter in der Weise verteilt, daß nur die Löcher mit dem Pulver ganz aufgefüllt sind. Die Platte mit dem Gitter und dem Pulver wird zwischen den an eine Impulsstromqueile angeschlossenen Elektroden untergebracht, unter einem Druck von 10MPa zusammengepreßt, worauf durch diese ein elektrischer Impulsstrom, mit einer Dichte von 1,5kA/mm²bei einem Impulstastverhältnis von 0,3, in Richtung Gemenge-Metall durchgeleitet wird. Nach der Sinterung besitzt der diamanthaltige Überzug folgende physikalisch-mechanische Kennwerte:

Haftfestigkeit, MPa 70

Porigkeit, %...... unterhalb von 1

Claims (3)

1. Herstellungsverfahren fur einen diamanthaltigen Überzug, das die Auftragung eines ein Diamantpulver enthaltenden Gemenges auf eine Metalloberfläche und dessen Sinterung umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemenge unter einem Druck von 10 bis 50MPa und der Einwirkung eines elektrischen Impulsstroms mit einer Dichte von 0,3 bis 1,5kA/mm² bei einem Impulstastverhältnis von 0,25 bis 1,0 in Richtung Gemenge-Metall gesintert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch leitendes Gemenge mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,05 · 10~⁶bis0,3 · 10~³Ω · m und der Zusammensetzung (in Vol.-%):

Diamantpulver... 24 bis 60, Grundmetall mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von (0,014 bis 1,7) · 10~⁶ Ω · m ... bis zu 100 benutzt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Diamantpulver bestehende Gemenge durch dessen Verteilung in einem auf der Metalloberfläche liegenden gelochten Element aufgebracht wird, das aus einem Werkstoff mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von (0,014 bis 1,7) · 10~⁶Ω m hergestellt ist.