DE1953800A1

DE1953800A1 - Verfahren zur Herstellung von gesinterten Diamantpresslingen und Diamant-Verbund-Produkten

Info

Publication number: DE1953800A1
Application number: DE19691953800
Authority: DE
Inventors: Stromberg Harold David; Stephens Douglas Robert
Original assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Current assignee: US Atomic Energy Commission (AEC)
Priority date: 1968-11-08
Filing date: 1969-10-25
Publication date: 1970-06-11
Also published as: US3574580A; NL6916632A; GB1246227A; CH545749A; BE741226A; FR2022859A1

Description

Werfanwa« Dipl. - ing. Joadvm S^as«

UNITED STATES ATOMIC ENERGY COMMISSION 2k. Oktober I969 Germantown, Maryland, USA Zo/Nie - Io 379

Verfahren zur Herstellung von gesinterten Diamantpreßlingen und Diatnant-Verbund-Produkten

Die Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Herstellung von Diamantverhundmaterial und insbesondere von einem im wesentlichen selbstbindenden Diamantparükel-Verbundmaterial sowie einem nach diesem Verfahren hergestellten Diamantpreßling·

Naturdiamanten in der Form von Einzelkristallen (Steine) und polykristallinen Zusammenschlüssen finden bei Schneide- und Bohrwerkzeugen, Draht-Schneideisen, Prüfapitzen, Werkzeugen zum Fräsen und zum Nachbearbeiten herkömmlicher Schleifscheiben, zur Bearbeitung von Hartmaterialien und für viele andere Zwecke Anwendung. Wegen ihrer Seltenheit und der daraus resultierenden hohen Kosten von natürlichen größeren Diamantsteinen oder Aggregaten wurden beträchtliche Anstrengungen gemacht, die billigeren und reichlich vorhandenen kleineren Diamantpartikel zu festen Körpern oder Verbundaaterialien zusammen zu verbinden, die annähernd die Eigenschaften von großen Einzeldiamanten oder polykristallinen Diamant-Aggregaten aufweisen.

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Der bisher bekannte Zusammenschluß von Diamantpartikeln erfolgt im wesentlichen durch zwei Verfahrensuethoden oder deren Kombination; entweder durch die Sicherstellung einer direkten Krhäsion von Diamant zu Diamant oder durch Anwendung eines diamantfreien Bindemittels zur Herstellung einer Verbindung zwischen benachbarten Diamantpartikeln. Nach einem bekannten Verfahren werden in einem Hochdruck-Hochtemperatur Verbund-Formverfahren bestimmte Metalle zur Unterstützung der Diamant-Diamant-Verbindung verwendet« Die zuerst erwähnte Methode, das direkte Diamant—Diamant-Verbundverfahren, hat den Nachteil, daß es zu schädlichen Zersplittern der Diamantpartikel führt. Durch die Verwendung von Bindemittel bei der Herstellung von Diamantpartikel-Verbundmaterialien weisen die Verbundmaterialien stark veränderte Eigenschaften im Vergleich zu den Partikeln auf, was durch die Anwesenheit von diamantfreien Materialien in der Verbundmatrix erklärbar ist. Die nach den bekannten Verfahren hergestellten Diamant-Verbundmaterialien finden in vielen Industriezweigen Anwendung. Es besteht jedoch seit langem ein Bedarf an einem Verfahren zur Herstellung von Diamant-Verbundmaterialien, bei dem die Verbindung von Diamant zu Diamant optimal ist und das Brechen der Diamantpartikel möglichst nicht auftritt. Die Verbindung soll mit einem Minimum, vorzugsweise aber unter Abwesenheit von fremdartigen Bindemitteln hergestellt werden, damit die Eigenschaften möglichst nah· denen von Diatoant-Einzelkristallen oder polykristallinen Dianantaggregaten körnen.

Es ist eine Aufgabe der Erfindung, «in Verfahren zu» Zusammenschluß von Diaeant-Staubpartikeln asu schaffen, bei dem ein Diamant-Preßling bzw. ein selbstbindendes festes Diaeantpartikel-Aggregat entsteht..

Sine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Formen und Verbinden von feinverteilten Diasaantpartikeln oder -staub zum Herstellen eines Preßlings zu schaffen, bei den eine direkte Dianant-Diamant-Verbindung besteht und der nahezu die Harte eines

Diamantkristalls aufweist.

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Bei jaem Verfahren gemäß der Erfindung werden feinverteilte Dia-Eremtpartilcel, d. Ti. Pulver oder Staub bestimmter Partikel größe einer vorangehenden Reinigung unter Verwendung von Lösungsmitteln zum Entfernen starker Verunreinigungen unterzogen. Der gereinigt· Diamantstaub wird dann wärmeniäßig im Hochvakuum vorbehandelt und auf eine höhere Temperatur gebracht, die unterhalb der Diamant-Graphiti-Urawandlungsteraperatur liegt. Um eine neuerliche Verschmutzung oder eine Dekonditionierung zu verhindern, wird der Diamantstaub weiterhin in einer Edelgas-Atmosphäre gelagert und bearbeitet. Der vorbehandelte Diamantstaub wird anschließend unter hohen Drücken und hohen Temperaturen, die im allgemeinem im stabilen Bereich für Diamanten im Graphit-Diamant-Phaseneyetem liegen, gepreßt. Ee hat sich gezeigt, daß die vorkonditionierende Behandlung für das Entstehen einer Adhäsionsbindung zwischen den Diamanten bei dem darauffolgenden Preßvorgang wesentlich ist. Desweiteren steigt durch die Beimischung kleiner Mengen von Bor-, Silizium- oder Beryllium-Pulver zum vorkonditionierten Diamantstaub die Ausbeute an brauchbaren Preßlingen. Das Produkt ist ein dicht zusammenhängender selbstbindender Diamantpartikel-Preßling, dessen Dichte und Härte annähernd der Dichte und Härte eines Diamantkristalls entspricht. Der Diamantpreßling weist infolge der regellosen Orientierung der Diauiantpartikel eine wesentlich größere Zähigkeit und Widerstandsfähigkeit gegen eine Spaltung auf als ein Diacia η tkr is tall. Zusätzlich wird das Brechen der Diiunaiitpartilicl durch die Verwendung von Diamantstaub geringer PartikelgröCe eliminiert. Die physikalischen Eigenschaften sind ii.i Vergleich π it den ausgeprägt anisotropischen Eigenschaften des Dlauantkristalls als isotrop zu bezeichnen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden nnhand eines Phasendiagramms und der zeichnerisch dargestellten Teilappartur des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben.

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Es zeigen:

Fig. 1 ein Diamant-Graphit-Phasendiagramm, bei dem die durchgezogenen und durchbrochenen Linienteile die Diatnant-Graphit-Gleichgewichtslinie darstellen und die Wellenlinien experimentell gefundene Werte angeben, und

Fig. 2 die Ansicht eines Querschnittes durch einen Teil einer Vorrichtung für die Anwendung im erfindungsgeiaäßen Verfahren.

In dem Verfahren gemäß der Erfindung können fein unterteilte Diamantpartikel oder Diamantstaub sowohl natürlicher als auch synthetischer Herkunft verwendet werden. Natürlicher Diamantstaub wird im Minenbetrieb gefördert und fällt in großen Mengen bei Diamantbrech-, Diamantschneid— und Diamantpolier-Arbeitsvorgängen. wie sie bei der Herstellung von Diamantschleifmitteln und Schmuckgegenständen durchgeführt werden, an. Das beim Polieren anfallende Produkt ist im Handel als Schleifstaub ("Swarf") bekannt. Es ist unvermeidlich, daß bei solchen Vorgängen Diamantstaub mit Partikelgrößen unter 5o Mikron in Mengen entsteht, die weit über die Nachfrage hinausgehen oder welche sonst nicht genutzt werden können. Desweiteren fallen bei der bekannten Diamant-Synthese, beispielsweise bei der katalytischen Umwandlung aus Graphit und ähnlichen Verfahren, bei hohen Temperaturen und Drücken oder durch Explosionsverfahren beträchtlich· Mengen von Diamantetaub mit Partikelgrößen von wenigen Mikron oder weniger als ein Mikron an.

Diamantataub mit Partikelgrößen von mindestens etwa o,3 Mikron bis höchstens etwa 6o Mikron Durchmesser können in Verfahren gemäß der Erfindung verwendet werden· Partikelgrößen von o,5 - Io Mikron werden bevorzugt und Partikelgrößen im Dereich von

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ο,5 bis ungefähr 5 Mikron sind besonders geeignet, da es sich herausgestellt hat, daß Diamantstaub mit Partikelgrößen im Dereich von ein paar Mikron bis unterhalb einem Mikron einen homogeneren Preßling und homogenere Verbundmaterialien als größere Partikel ergeben und die größte erreichbare Festigkeit und die größte meßbare Härte aufweisen, die die von Diatnantkristallen erreichen oder ihnen ziemlich nahe kommen. Bei Partikelgrößen von beispielsweise 2o - 4o Mikron oder 4o - 6o Mikron wird im allgemeinen ein weniger homogener Preßling erhalten. Obwohl Regionen festzustellen sind, in denen eine direkt wirksame Dia— mant-Diamant-Verbindung und Sinterung auftritt, weisen die Verbundmaterialien eine geringere Meßhärte auf, was eine geringere Verbundfestigkeit anzeigt.

Mischungen von Partikeln geringer Größe in ausreichenden Mengen, beispielsweise o,3 Mikron bis Io Mikron mit größeren Partikeln, beispielsweise 3o - 6o Mikron, zum Ausfüllen der Zwischenräume, ergeben ebenfalls Verbundmaterialien hoher Festigkeit und großer Härte. Die Mischungen müssen mindestens 2o Gewichtsteile an Partikeln geringer Größe enthalten. Bei Verwendung von Diamantstaub mit einer Partikelgröße von wenigen Mikron, beispielsweise o,5 - Io Mikron, verhält sich der Staub ähnlich wie eine plastische Masse, wodurch Drücke ausgeglichen, der Bruch von Partikeln verhindert und ein maximaler Anfangskontakt zwischen den Partikeloberflächen erzielt werden. Ein ähnlicher Effekt zur Verhinderung dee Bruches größerer Partikel wird erreicht, wenn zwischen größeren Staubpartikeln oder gar großkörnigeren Diamanten genügend kleinere Partikel vorhanden sind, um die Zwischenräume zu füllen. Ks hat sich gezeigt, daß das Ausgangsmaterial wesentlich billiger ist als der als Endprodukt hervorgehende große feste Diamantkörper, wodurch die sehr günstigen wirtschaftlichen Aspekte des vorliegenden Verfahrens aufgezeigt werden. Mit jeder der angeführten Mischungen ist eine direkte Diamant-Diaraant-Verbindung und Sinterung erzielbar· Die Wirksamkeit der Verbindung ergibt sich daraus, daß bei der Prüfung der Verbindung mit einem

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härteren Material, wie sie beispielsweise bei einem Vickers-Härteprüf-Apparat durchgeführt wird, die Diamantprüfspitze nach nur ein paar Härteprüfversuchen bricht. Die Materialhärte, die mit dem zuvor erwähnten Vickers-Gerät gemessen wird, liegt im Bereich von 8000 - 9ooo HV (Vickers-Härte), während ein Einzeldiamant bestimmter Orientierung etwa Io 000 IIV aufweist.

Diamantpartikel oder -staub, der gemäß dem vorliegenden Verfahren gepreßt wird, wird mehrfach mit Lösungsmitteln gewaschen, um grobe Verunreinigungen wie Öle oder Kohlenwasserstoffe von vorangegangenen Bearbeitungs- und Rückgewinnungsvorgängen und ähnlichen Prozessen zu entfernen. Das Waschen erfolgt durch Mischen mit einem Lösungsmittel wie beispielsweise Ketonen mit niedrigem Siedepunkt, z. B. Azeton, chloriertem Kohlenwasserstoff oder einem Entfettungsmittel, wie Trichloräthylen oder Dichloräthan. Anschließend wird das Lösungsmittel durch einmaliges oder mehrmaliges Dekantieren oder Filtrieren entfernt. Bevorzugt wird der Waschvorgang durch die Anwendung eines hochreinen leichtflüchtigen Lösungsmittels, wie beispielsweise Methyl- oder Äthylalkohol, abgeschlossen, so daß beim Trocknen kein Rückstand auf der Oberfläche der Diamantpartikel verbleibt.

Die gereinigten Diamantpartikel oder der gereinigte Diamantstaub erfahren dann eine Vorkonditionierung durch Erhitzen auf eine erhöhte Temperatur bis unterhalb der Diamant-Graphit-Umwandlungstemperatur. Dazu wird der gereinigte Diamantstaub in eine geschlossene Kammer, die erhitzt und evakuiert werden kann, gebracht. Das Material wird in der Kammer auf eine Temperatur im Bereich von 3oo ° - looo ° C erhitzt bei einem Vakuuadruck unterhalb von etwa Io Torr bis io" Torrj bevorzugt wird ein Vakuumdruck von mindestens lo~' Torr während des Evakuieren« angestrebt· Für die meisten Vorgänge erweist sich ein Erhitzen auf eine Temperatur im Bereich von 4oo - 600 ° C als günstig, während eine Temperatur in der Größenordnung von 5oo ° C bevorzugt wird. Die erforderliche Zeit beträgt etwa eine halbe Stunde

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und darüber. Diese vorkonditionierende Behandlund des feinverteil· ten Diamantstaubes ist unerläßlich und wesentlich dafür, daß im nachfolgenden Preßvorgang eine Diaraant-Diamant-Kohäsion und -Sinterung erreicht wird. Bei der Vorkonditionierung werden alle adsorbierten schädlichen Gase entfernt, wie beispielsweise Luftbestandteile ebenso wie feste, adsorbierte Materialien wie beispielsweise Kohlenwasserstoffe, Wachse, Fette, Schneideinittel und andere Materialien, mit denen der Diamantstaub in Berührung gekommen ist und welche normalerweise die Herstellung einer direkten Diamant—Diamant—Verbindung verhindern.

Nach Eintritt einer merklichen Verlangsanrung oder nach dem Aufhören der Entwicklung von gasförmigen Materialien, was durch Erreichen der oben angeführten Druckwerte für das angegebene Hochvakuum angezeigt wird, erfolgt das Einleiten eines neutralen Gases, beispielsweise eines reinen Edelgases wie Helium, Neon oder Argon, in die Kammer und die Abkühlung der Kammer auf Raumtemperatur. Das vorkonditionierte Material wird anschließend aus der Kammer entfernt und vorzugsweise in einer reinen trockenen Atmosphäre aus neutralem Gas gelagert, um eine erneute Verunreinigung zu vermeiden. Es kann mit großer Wahrscheinlichkeit angenommen werden, daß eine Vorkonditionierung der Diamantpartikeloberflächen eine Verbindung der Diamantpartikel nach anderen Verfahren, bei denen beispielsweise hitzebs tändige Metalle, Karbide und ähnliche Materialien als Bindemittel verwendet werden, erleichtert.

Für die Herstellung eines Diamantpreßlings aus vorkonditionierten Diamantpartikeln oder aus -staub gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Charge von Partikeln geeigneter gleicher Größe oder eine Mischung von Diamantpartikeln unterschiedlicher Partikelgrößen in einen geeigneten Formbehälter gebracht und diese Charge unter entsprechenden Drücken und Temperaturen gepreßt, wie in folgenden dargelegt wird·

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Das Füllen der Form wird vorzugsweise in einer trockenen reinen Atmosphäre aus neutralem Gas durchgeführt, um eine Verunreinigung der Diamantoberflachen zu verhindern. Während der nachfolgenden Kompression und Erhitzung ist es wichtig, daß sich zumindest Teile der Oberflächen miteinander in Kontakt befinden. Die Auswahl der Partikelgröße und/oder das Mischen können entweder vor oder nach der vorkonditionierenden Behandlung vorgenommen werden. Bei der Verwendung von vorkonditxoniertetn Material allein werden brauchbare und zufriedenstellende Verbindungen erreicht. Es hat sich gezeigt, daß die Beimischung und die Beifügung von pulverisiertem natürlichem Bor, Silizium oder Beryllium in Mengen von weniger als etwa 2 - 3 % Gewichtsprozent bis zu den normalerweise verwendeten Mengen von etwa 1 Gewichtsprozent zu dem vorkonditionierten Diamantstaub die Herstellung von Preßlingen hoher Festigkeit wesentlich fördert. Wie zuvor erwähnt, ist der direkte Partikelkontakt für das Erzielen einer Verbindung notwendig, die Mengen des hierbei zugefügten Bors wirken sich nicht aus. Mengen von weniger als etwa einen Gewichtsprozent bis etwa o,2 Gewichtsprozent der beigefügten Materialien genügen für eine wirksame unterstützung der Verbindung· Die reinen metallischen Beifügungen werden in feinverteiltem Zustand Mit dem Diamantstaub gut vermischt und weisen vorzugsweise eine Partikelgröße von ein paar Mikron bis weniger als ein Mikron auf, beispielsweise o,5 - 1 Mikron. In welcher Art Bor, Siliziuui oder Beryllium auf das Verbinden oder Sintern günstig einwirkt, ist noch nicht offenkundig. Es sind verschiedene Einflüsse denkbar, so unter anderem daß Bor, Silizium oder Beryllium die Diamantoberfläche aktivieren durch Entfernen oder Verhindern der Verschmutzung durch Sauerstoff, Stickstoff oder anderen Verunreinigungen odert daß durch die Reaktion geringerer Mengen gebildeten Graphite Karbide mit außerordentlicher Festigkeit entstehen. Eine weitere Möglichkeit ist durch da« Eindiffundieren von Bor oder der anderen Mittel in die Diatnantoberflache und Bildung einer Grenzschicht, die eine Bindung erleichtert, gegeben· Ein

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weiterer Einfluß könnte dadurch gegeben sein, daß sich die angeführten Materialien mit jenen geringen Mengen von Graphit verbinden, die während des Preßvorgangs entstehen. Dadurch wird die Bildung der direkten Diauiant-Diauant-Bindung beeinflußt, da der schädliche Einfluß von Graphit, der zwischen den Diamantpartikeln verbleibt oder während des Preßvorgaugs neu gebildet wird, unterbunden wird.

In Abhangigkeix von den gewünschten Eigenschaften uad der ge·

auLeren j'oru dux- Preßlinge wer do η Diauantstaub be-Partikel grolle, wie beispielsweise von o,5 - 5 Mikron, i - Io Mikron, 3« - ^o Mikron oder anderer Größe iia Bereich von weniger als 1 liikron bis ungefähr 5<> Mikron oder auegewählte Mischungen von Partikelgroßen oder geschichtete Anordnungen mit oder ohne Bor, Beryllium oder Siliziua-BindungsZusatzmittel, in den Foriabehälter eingebracht. Vorzugsweise wird der Behälter vox- douj Preßvorgaug evakuiert und abgedichtet. Cine weitere Möglichkeit besteht darin, daß der Behälter während des Preßvorgangs evakuiert wird.

Für das Verdichten des vorkonditionierten Diauiantiuaterials kann ein Hochdruck-, Hochtemperatur-Kocipressions- oder Verdichtungsapparat herkömmlicher Konstruktion wie beispielsweise der sogenannte "Band"- oder "Gürtel"-Apparat verwandt werden und ähnliche Apparate, die bei der Herstellung von synthetischen Üiauanten Verwendung finden.

Fig. 1 zexgt eine Querschnittsansicht der wesentlichen Bauelemente eines solchen Apparates, wobei eine vorkonditioniorte Dianiantstaubmenge 13, die wie zuvor boschrieben mit pulverisiertem Bor vermischt sein kann, in einen Formbehälter 14 eingefüllt wird. Der Behalter l't weist die Form einer Büchse aus Tantal oder aus anderem neutralen hitzebeständigem Metall in der gewünschten Konfiguration auf. Die Diatitants taubiuis chung kann auch vor der Vorkonditionierung in den Behälter 14 eingebracht werden. Der·

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Behälter Ik wird gefüllt und in einer neutralen Gasatmosphäre, beispielsweise aus Argon, zur Verhinderung von Verunreinigungen gelagert. Vor dem Ausformen wird der Behälter auf etwa unter Io Torr und vorzugsweise unter Io Torr evakuiert. Anschließend wird er verschlossen und durch Elektronenstrahlschweißen in Vakuum, um jegliches Gas vom Behälter fernzuhalten, abgedichtet. Zur Erhitzung mit elektrischen Strom umgibt eine rohrförmige Ofen-Umkleidung 15 aus Graphitkohle den Behälter lA und ist durch eine Bor-Nitrit-Hülse 16 und eine Umkleidung aus Pyrophyllit 17 von ihm isoliert. Ein sich nach innen verjüngendes ringförmiges Druckstück Io aus Wolfram-Karbid umgibt ringförmig die Umkleidung I5. Dazwischen sind ringförmige Abdichtungen löc und ldd aus Pyrophyllit angeordnet, die die seitlichen Drücke auf die Umkleidung übertragen. Das Druckstück Io ist von kreisförmigen hochfesten Stahlringen Il umgeben, die die während der Verdichtung erzeugten seitlichen Kräfte aufnehmen. Sich verjüngen de Wolframkarbidkolben oder -stempel 12 und 12', welche ebenfalls von Bandagen aus hochfestem Stahl uageben sind, ragen von gegenüberliegenden Seiten in die zentrale Öffnung des ringförmigen Druckstückes Io hinein. Sie sind von den sich verjüngenden Teilen des Druckstückes Io durch Abdichtungen 18a und 18b aus Pyrophyllit, die die Form stumpfer Kegel aufweisen, abgedichtet und isoliert. Durch diese Anordnung wird auf das Diamantpulver •in wirksamer Verdichtungsdruck übertragen und aufgebracht. Die ringförmigen pyrophyllitischen Abdichtungen Ida, l3b, 18c und ldd isolieren sowohl die sich verjüngenden Kolben 12 und 12* elektrisch als auch die Kohleofenhülse I5 vom Druckstück Io. Die Enden der Hülse I5 befinden sich in Kontakt alt den Kolben 12 und 12', wodurch elektrischer Heizstrom durch diese von einer nicht dargestellten Quelle durchgeschickt wird. Di· Temperatur des Behälters 14 wird durch Regulierung der der Ofenhüls· 15 zugeführten Leistung kontrolliert. Für die Evakuierung sind nachgiebige (nicht dargestellte) Abdichtungen zwischen kühleren Teilen der Stempel 12 und 12* und dem Druckstück Io unterhalb der pyrophyllitischen Glieder l8a, ldb vorgesehen, sowie Leitungen 21, 21', die «lit (nicht dargestellten) Vakuujspuapen in Verbindung stehen··

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Vorteilhafterweise wird der gesamte Apparat in einem Vakuum unterhalb von etwa lo~* Torr aufbewahrt, um den Zutritt von Luft in den Behälter 14 durch mangelhafte Schweißungen, Risse ähnliches zu verhindern·

β Erdichtung wird dadurch bewerkstelligt, daß der Apparat in

geeignete Presse gebracht wird. Die von der Presse ausgeübte Kraft wird durch bekannte Verfahren geeicht, bei denen Materialien mit sprunghaft veränderlicher elektrischer Leitfähigkeit bei verschiedenen Drücken verwendet werden. Beispielsweise weist Wisuiuth bei Raumtemperatur ausgeprägte Leitfähigkeitsänderungen bei 25,5 und 00 kb (Kilobar) auf; Ytterbium bei 39 kb und Barium bei 56 kb. Die Änderungen dieser Materialien werden im Behälter zusammen mit dem zwischen den Stempeln auftretenden elektrischen Widerstand dazu benutzt, ein Diagramm zwischen dem in der Druckkammer herrschenden wirksamen Druck und dem von der Presse ausgeübten Druck zu erhalten.

Bei der Verwendung des bekannten "Gürtel"-Apparates tritt das Problem auf, da£ die auf die Diamantpartikel im Behälter 14 aufgebrachten Druckgradienten nicht völlig gleichmäßig sind, wodurch es zuu Brechen der Partikel kommen kann. Dies kann durch allmählich ansteigenden Druck auf den Behälter 14 vermieden werden. Vorzugsweise wird die Temperatur über I600 ° C bis mindestens 2ooo ° C gesteigert, wobei Temperaturen von löoo ° bis I900 C eine schnelle und wirksame Verdichtung und Verbindung innerhalb von Zeitperioden von 15 Minuten ergeben. Bei höheren Temperaturen uiuß der Druck im Verhältnis dazu gesteigert werden, uiu einen für Diamanten stabilen Zustand im Behälter aufrechtzuerhalten. Angewandte Drücke liegen im Bereich von 55 - 80 Kilobar, bei Temperaturen von über I600 ° C und Zeitspannen von etwa einer Stunde. Längere Zeitspannen, bis zu acht Stunden, zeigen keine deutliche Verbesserung in den Ergebnissen. Vorteilhafterweiso wird im stabilen Bereich für Diamant gearbeitet. Überraschenderweise hat es sich t-aeigt, daß eine wirkungsvolle Verdichtung und Verbindung der Diamant partikel, ohne ausgeprägte

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Umwandlung von Diamant in Graishit, auch im Zustandsbereich an der Grenzlinie oder sogar etwas innerhalb des stabilen Bereichs von Graphit erreicht werden kann, vorausgesetzt, daß die Verdichtungszeit auf weniger als zwei Stunden begrenzt wird. Nach dem Verdichten und Sintern oder Verbinden wird zuerst die Temperatur auf einen Wert unterhalb der Diamant-Graphit—Uniwandlungs· temperatur abgesenkt (vgl. Fig. 2) „und anschließend der Verdichtungsdruck langsam abgesenkt. Nach Erreichen der Urigebungstemperatur und des -druckes wird der gesinterte Diamantpreßling der Apparatur entnommen« Die Form des Preßlings ist selbstverständlich primär durch die Form des Behälters 14 gegeben, in den das Diamantpulver eingebracht wurde. Es kann deshalb die Formgebung von Werkzeugen und Einsätzen direkt in der Preßform erfolgen. . :-f-

In den folgenden praktisch erprobten Beispielen werden weitere Einzelheiten des Verfahrens gemäß der Erfindung angegeben:

Beispiele

Diamantstaub, dessen Partikelgrößen in der nachfolgenden Tabelle angegeben sind, wird mehrfach mit Aceton gewaschen, zuletzt mit Alkohol und getrocknet. Der reine Diamantstaub wird dann durch Erhitzen auf 3oo C in einer Vakuumkammer vorkonditionxert bis zum Aufhören der Entgasung und Erreichen eines Vakuumdruckes von io Torr. In die Kaminer wird reines trocknes Argon eingeleitet und der Diamantstaub in der Argonatmosphäre abgekühlt und gelagert. Der vorkonditionierte Diamantstaub wird dann allein oder unter Zumischung von den in der Tabelle angegebenen Gewichtsprozenten Bor-, Silizium- oder Berylliumstaub von etwa einem Mikron Partikelgröße in einen Behälter mit den Abmessungen von 4,0 inta (3/16 inch) Länge, 4,3 mm (3/16 inch) Durchmesser, einer Wanddicke von o,254 mm (o,ol inch), eingefüllt, der aus einem am Boden verschlossene,. Tantalrohr besteht. Der Behälter wird dann auf unterhalb etwa lo"'' I
platte daraufgeschweißt·

auf unterhalb etwa lo~^ bis lo~ Torr evakuiert und eine Abdeck-

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Der abgedichtete Behälter wird anschließend in dem zuvor beschriebenen "Gürtel"-Apparat für nahezu isostatische Hochdruckünd Hochtemperatur-Verdichtung eingebracht und ein Vakuum von unterhalb etwa Io Torr erzeugt. Die Temperatur wird zunächst auf ungefähr 2oo C gesteigert und daran anschließend der Verdi chtungsdruck auf 65 Kilobar angehoben. Danach wird der Behälter eine Stunde lang auf die in der Tabelle angegebene Temperatur erhitzt und darauffolgend auf eine Temperatur unterhalb der Diamant-Graphit-Umwandlungatetnperatur abgekühlt, d. h. nahezu auf Raumtemperatur} der Druck auf dem Behälter wird langsam verringert, da eine abrupte Druckänderung ein Brechen des Preßlings zur Folge haben kann. Nach Entfernung des im Behälter eingeschlossenen Preßlings aus dem Verdichtungsapparat wird ein Ende des Behälters durch Abschleifen entfernt.

Die Preßlinge wurden visuell geprüft und mit einem Vickers-Härtie· prüfgerät getestet. Die Ergebnisse dieser Prüfung sind in der Tabelle angeführt.

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Anspruch«ι

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Claims

- 15 -Ansprüche

1. Verfahren für die Herstellung eines dichten, kohärenten einzelnen Diamantenpreßlings aus Diamantpartikeln oder Diamantstaub, dadurch gekennzeichnet, daß zur Vorkonditionierung der Oberfläche der Partikel reiner fein verteilter Diamantstaub auf eine erhöhte Temperatur unterhalb der Diamant—Graphit-Umwandlungstemperatur unter hohem Vakuum erhitzt wird, anschließend eine Charge der vorbereiteten Partikel, deren vorkonditionierte Oberflächen sich zum Großteil direkt berühren, unter Druck gesetzt wird, der zumindest oberhalb des Graphit-Diamant-Umwandlungsdruckes liegt und durch gleichzeitiges Erhitzen der zusammengepreßten Charge von vorkonditionierten Diamantpartikeln auf eine Temperatur oberhalb der Graphit-Diamant-Umwandlungstemperatur und im wesentlichen im stabilen Bereich von Diamant, zwischen den Partikeln der Charge eine Sinterung und eine direkte Diamantpartikel-Diamantpartikelbindung hergestellt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß fein unterteilte Diamantpartikel durch Erhitzen auf eine Temperatur im Bereich von etwa 3oo C bis looo C bei einem Vakuumdruck unter etwa Io Torr vorkonditioniert werden·

3· Verfahren geniijß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß fein unterteilte Diamantpartikel durch Erhitzen auf eine Temperatur von 4oo ° bis 6oo ° C bei einem Vakuumdruck unter etwa lo"" Torr vorkonditioniert werden.

k. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die fein unterteilten Diamantpartikel eine Partikelgröße im Dereich von etwa o,3 bis etwa 6o Mikron aufweisen.

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5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Pax-tikelgröße der Diamantpartikel in einem Bereich von etwa o,5 bis Io Mikron liogt.

6. Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die fein unterteilten Diamantpartikel zumindest 2o Gewichtsteile Diamantstaub mit einer Partikelgröße im Bereich von o,3 his Io Mikron aufweisen.

7« Verfahren gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Charge der Diamantpartikel mit einem Druck von mindestens etwa 35 Kilobar und bei einer Temperatur von oberhalb 13oo C zusammengepreßt wird.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß der Charge von fein unterteilten Diamantpartikeln natürliches Material aus Bor-, Silizium- oder Berylliumstaub zugesetzt und in einer Menge von unterhalb etwa 3 Gewichtsprozent zugemischt ist.

9. Verfahren gemäß Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet , daß reine fein unterteilte Diamantpartikel durch mehrfaches Waschen mit einem organischen Lösungsmittel und abschließend mit einem Alkohol niedrigen Molekulargewichtes erhalten werden.

Io. Verfahren gemäß Anspruch 7i dadurch ge kenn-, zeichnet, daß die Charge von vorkonditxoiiierten Diamantpartikeln Silizium- und Berylliumstaub in Beträgen von unterhalb etwa 1 Gewichtsprozent aufweist und mit einem Druck im Bereich von etwa 55 bis 8o Kilobar und bei einer Temperatur im Bereich von etwa l6oo C bis 2ooo ° C zu sammengepreßt wird·

fll«) Diamantpreßling, hergestellt gemäß dem Verfahren nach den

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net, daß der Preßling im wesentlichen aus einer Anzahl von Diamantpartikeln mit Partikelgrößen im Bereich von etwa o,3 *»is 60 Mikron besteht, wobei die Partikel an benachbarte Partikel anstoßen und mit ihnen versintert sind, wodurch eine direkte Diainant-Biamant-Verbindung hergestellt ist, so daß ein Preßling mit einer effektiven Härte von mindestens 7000, entsprechend der Vickers-Härteskala, entsteht.

12. Diamantpreßlxng gemäß dem Verfahren nach Anspruch 3 hergestellt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Material, ausgewählt aus der Gruppe natürliches Bor , Silizium und Beryllium in Beträgen im Bereich von o,2 bis etwa 3 Gewichtsprozent in dem gesinterten Diamantpartikelpreßling enthalten ist.

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