DE2117056A1 - Diamantwerkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung - Google Patents

Diamantwerkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung

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Description

"Diamantwerkzeug zur spanabhebenden Bearbeitung"
Es sind bereits Diamantschleifscheiben zum Trennen und Abrichten bekannt, bei denen als Schleifmittel Gemische aus Sinterhartmetall und Diamantsplitter verwendet werden. Derartige Diamantwerkzeuge eignen sich jedoch nicht als Maschinenwerkzeuge, mit denen Werkstücke fertigbearbeitet werden und die dabei hohen Belastungen ausgesetzt sind.
In der Abhandlung "Diamond-Impregnated Carboloy" von George F. Taylor (General Electric Review, Vol. 37, No.2, Februar 1934, Seiten 97-99) wird auf Seite 98 in Spalte 2 ausgeführt: "Die Bindung zwischen Sintermetall und Diamant ist so stark, dass beim Bruch der Masse das an der Bruch» . fläche liegende Korn gespalten wird und die Splitter an
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Patentanwälte Dipl.-Ing. Martin Licht, Dipl.-Wirtsch.-Ing. Axel Hansmann, Dipl.-Phys. Sebastian Herrmann
8 MÖNCHEN 2, THERESIENSTRASSE 33 · Telefon 12812 02 · Telegramm-Adresfe: UpaHt/MOndien Bay«·. Vereiwbank Mönthen, Zw.igit. Oikar-von-Miller-Ring, Kto.-Nr. 8*2495 · Poitsdwdc-Konh» München Nr. 1633 97
Opp*Touer Bora. PATENTANWALT DR. REINHOLD SCHMIDT
der betreifenden Sintermetallmatrix haften.w Bei dem beschriebenen Verfahren zur Herstellung einer Abrichtseheibe werden pulverförmige metallische Sinterhartmetallbestand— teile mit zerkleinerten Diamanten vermischt und zur Herstellung eines Sinterkörpers auf normale Sintertemperaturen erwärmt.
In der US-PS 2 818 850 ist ein Verfahren zur Herstellung von gekrümmten Schneidsegmenten für ein Trennwerkzeug vorbeschrieben, bei dem Fulvergemische aus Wolframkarbid und Kobalt sowie aus Wolframkarbid, Kobalt und Diamantstaub verwendet werden. Jedes Segment besitzt einen grösseren Teil (ursprünglich ein Gemisch aus Wolframkarbid, Kobalt und Diamant) und einen kleineren Teil (ursprünglich ein Gemisch aus Wolframkarbid und Kobalt). Der kleinere Teil ist radial innerhalb des grösseren Teils angeordnet, wodurch das Segment zwecks genauer Einpassung in eine Metallscheibe geschliffen werden kann und zusätzlich eine von Diamanten freie Fläche entsteht, die das Verlöten oder in sonstiger Weise erfolgende Verbinden des Schneidsegments mit der Stahlscheibe erleichtert. Zur Umwandlung des Wolframkarbid— Kobalt-Gemisches in Sinterhartmetall wird ein Warmpressverfahren durchgeführt (i%OO-l65O°C und 70-280 kg/cm2).
Eine ähnliche Konstruktion eines gekrümmten Schneidsektors für eine Trennscheibe ist in der US-PS 2 796 706 vorbeschrieben, wobei das Sinterpulver neben Wolframkarbid auch noch Titankarbid enthalten kann. Als Bindemetall für Sinterkarbid wird Kobalt bevorzugt, jedoch können auch Nickel oder Eisen verwendet werden. Das pulverförmige Ausgangsgemisch enthält zum Teil vorgesinterten Karbid.
Bei den oben beschriebenen Konstruktionen bewirkt die Haftverbindung zwischen dem Sinterkarbid und dem Diamant das Festhalten der Diamanten im Gefüge, so dass notwendigerweise
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der Dianantgehalt unterhalb des Wertes liegen nuss, bei dem sich die einzelnen Diamantteilchen in merklichem Maße berühren.
In dem Buch "Industrial Applications of the Diamond" von Norman R. Smith (Hutchinson and Co., 1. Ausgabe, 1965) ist auf Seite 119 ff ausgeführt, dass diamantbestückte Werkzeuge auch zur direkten Bearbeitung von Nichteisenmetallen und anderen Werkstoffen verwendet werden. Auf Seite 120 ist dann ausgeführt, wie solche Werkzeuge hergestellt werden und gegen Ende dieser Seite wird erklärt, dass diamantbestückte Maschinenwerkzeuge aus praktischen Gründen nur für Nichteisenmetalle, Kunststoffe, Kohlenstoff und Hartgummi verwendet werden können, da sie bei der Drehbearbeitung von Eisenmetallen nicht mit Wolframkarbid konkurrieren können, obwohl sie bereits experimentell bei Eisen und Stahl eingesetzt worden sind und dieser Einsatz unter speziellen Umständen gerechtfertigt erscheint. Zu den Gründen, die gegen die allgemeine Anwendung solcher Werkzeuge zum Drehen von Eisenmetallen sprechen, zählen unter feuderem die beträchtlichen AnschaffungsKosten eines solchen Werkzeuges und die Tatsache, dass bei Bruch des Diamanten das Werkzeug kaum mehr verwendet werden kann.
Wie in dem obigen Buch von Smith auf Seite 120 dargelegt ist, muss der Diamant (gewöhnlich i/2 bis 1 Karat) sorgfältig ausgewählt, im Werkzeug unter Beachtung einer bestimmten Kornorientierung angeordnet und schliesslich das Werkzeug in einem Pulvermetalleinsatz mit rechteckiger Form fixiert werden. Der Pulvermetalleinsatz dient zur Festlegung des Diamanten in Bezug auf Lehren, die verwendet werden, um den Diamanten in die zur spanabhebenden Bearbeitung erforderliche Form zu bringen· Nach entsprechender Formgebung des Diamanten wird der Einsatz durch Hartlöten in einem im Werkzeugschaft vorgesehenen Schlitz befestigt. Der Werkzeugschaft wird dann
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in die entsprechende Gestalt gebracht, wobei gleichzeitig die Arbeitsfläche des Diamanten in Bezug auf den Werkzeugschaft genau festgelegt wird.
Zur Herstellung von Düsentriebwerken, Raketen, Druckgefässen etc. wurden Nickellegierungen entwickelt, die sich durch grosse Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bei hohen Temperaturen auszeichnen. Beispiele solcher sogenannten Superlegierungen sind:
Inconel 713
13,0 fe Chrom
9,5 % Molybdän 6,0 i» Aluminium 2,5 ^ Eisen
2,3 5t Niob + Tantal 66,0 % Nickel
0,7 i» herstellungsbedingte Elemente "~~"~"~~~" wie Kohlenstoff, Schwefel,
100 % Phosphor, Mangan usw.
RENE 41
19,0 % Chrom 10,0 $ Molybdän 11,0 % Kobalt
5,0 % Eisen
4,0 % Titan 50,0 i> Nickel
1,0 % herstellungsbedingte Elemente
' wie Kohlenstoff, Schwefel, 100 % Phosphor, Mangan usw.
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- 5 Die typischen Eigenschaften solcher Legierungen sind:
Streckgrenze: bei 2i°C 109 kg/mm
bei 65O°C 102 kg/mm2
bei 8200C 83 kg/mm2
Härte: 35 Rockwell C bei 21-65O°C
Bearbeitbarkeitsindex: ungefähr 10 (bezogen auf eine Bearbeitbarkeit von 100 für Normstahl AISI B112).
Zum Vergleich weist ein rostfreier Stahl vom Typ 304 18-i die folgenden Eigenschaften auf:
Streckgrenze: bei 21°G 3i,6 kg/mm bei 76O0C 14,8 kg/mm2
Bearbeitbarkeitsindex: ungefähr 50.
Superlegierungen sind also 5 Mal schlechter zu bearbeiten als rostfreier Stahl des Typs 304, der selbst ein schwer zu bearbeitender Werkstoff ist. Da die Superlegierungen auch bei erhöhten Temperaturen ihre extreme Härte und Zähigkeit beibehalten, behält der beim Bearbeiten durch das Werkzeug entfernte Span trotz seiner hohen Temperatur seine hohe Festigkeit. Ein zur Bearbeitung solcher Superlegierungen erforderliches Werkzeug muss also angenähert die Druckfestigkeit und die Steifigkeit eines Diamanteinkristalles besitzen, da die Drücke an der Schneidkante bis zu 70 000 kg/cm betragen können. Die zur Zeit bekannten Diamantwerkzeuge, die ■it einem Diaaanteinkristall besetzt sind, sind wegen ihrer hohen Kosten selbst zum Drehen von Eisenmetallen nicht tragbar. Ee besteht also ein Bedarf an Diamantwerkzeugen, die auch zum Bearbeiten von so zähen und harten Werkstoffen wie den Superlegierungen verwendet werden können. Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung eines solchen Diamantwerkzeuges·
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f.-
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein mit Diamant bestücktes Werkzeug, bei dem anstelle eines einzigen Diamanten eine Masse aus miteinander verbundenen Diamantkristallen oder eine dünne Haut aus miteinander verbundenen Diamantkristallen verwendet wird. Damit der Diamantgehalt des Werkzeuges zur spanabhebenden Bearbeitung, bei der die Diamantschneidkante Drücken bis zu 70 000 kg/cm ausgesetzt wird, vollständig ausgenutzt werden kann, ist der Diamantanteil auf einer Masse' aus einer extrem steifen Sintermetallunterlage aufgebracht und mit dieser unmittelbar verbunden. Die Unterlage ist dabei beträchtlich grosser als das darauf angeordnete Diamantmaterial.
Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Diamantwerkzeuges der vorgenannten Art.
Die Erfindung wird nun näher anhand von Zeichnungen erläutert, in denen zeigen:
Fig. 1 einen Teil einer Ausführungsform einer Vorrichtung zum Erzeugen von hohen Drücken und hohen Temperaturen,
Fig. 2 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Füllung für die Vorrichtung nach Fig. i,
Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Diamantwerkzeugeinsatzes,
Fig. k einen Schnitt entlang der Linie X-X bzw. Y-Y in Fig. 3,
Fig. 5 und 6 perspektivische Ansichten von Diamantwerkzeugeinsätzen,
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Fig. 7 einen Schnitt durch eine Füllung zur Herstellung der Einsätze nach den Figuren 3» 5 und 6 und
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines verbesserten Stempels für eine Vorrichtung zur Erzeugung von hohen Drücken der in-Fig. 1 gezeigten Art.
Zur Herstellung eines zusammengesetzten Schneideinsatzes nach der Erfindung verwendet man vorzugsweise eine Vorrichtung zum Herstellen von hohen Drücken und hohen Temperaturen gemäss US-PS 2 941 248, die in Fig. 1 gezeigt ist.
Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung 10 besteht aus zwei Stempeln 11 und II1 und einer dazwischen angeordneten Matrize 12 aus dem gleichen Werkstoff. Die Matrize 12 weist eine Öffnung 13 auf, in der ein Beaktionsgefäss 14 angeordnet ist. Zwischen jedem der Stempel 11 und 11* und der Matrize 12 Befindet sich eine Dichtungsanordnung 15 bzw. 15S die aus zwei wärmeisolierenden und elektrisch nicht leitenden PyrophylHtteilen 16 und 17 und eines dazwischen angeordneten Metallteil 18 besteht.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Beaktionsgefässes 14 enthält einen Hohlzylinder 19 aus Salz. Der Hohlzylinder 19 kann auch aus einem anderen Material Bestehen, das bei den erforderlichen hohen Drücken und hohen Temperaturen nicht in einen festeren und steiferen Zustand (beispielsweisi durch Phasenumwandlung oder Verdichtung) übergeführt wird und dessen Volumen sich bei Anwendung von hohen Drücken und hohen Temperaturen im wesentlichen nicht diskontinuierlich ändert. Neben Salz ist Talg ein geeignetes Material zur
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Herstellung des Zylinders 19. Zur Herstellung des Zylinders 19 sind auch die in der US-PS 3 030 662 angeführten Werkstoffe geeignet (siehe Spalte i, Zeile 59 bis Spalte 2, Zeile 2).
Innerhalb des Zylinders 19 ist gleichachsig und an der Innenfläche anliegend ein als elektrisches Widerstandsheizelement dienendes Graphitrohr 20 angeordnet. Innerhalb des Graphitrohres 20 ist wiederum ein aus Salz bestehender Zylinder 21 konzentrisch angeordnet. Der Zylinder 21 ist an den Enden durch Salzpfropfen 22 und 22* abgeschlossen. Der Zylinder 21 kann einen zylindrischen Hohlraum aufweisen, der zur Aufnahme einer mehrteiligen Füllung dient. Der Zylinder kann aber auch aus einer Reihe von aufeinandergestapelten Teilfüllungen für die Erzeugung von Schneideinsätzen der in den Figuren 3, 5 und 6 dargestellten Art bestehen.
An jedem Ende des Zylinders 19 ist eine aus elektrisch leitendem Metall bestehende Abschlußscheibe 23 bzw. 23* vorgesehen, die mit dem Graphitrohr 20 in elektrisch leitender Verbindung steht. Über jeder Abschlußscheibe 23 bzw. 23' ist eine Abschlusskappe 24 bzw. 24· angeordnet, die aus einer von einem elektrisch leitenden Ring 26 umschlossenen Scheibe 25 aus Pyrophyllit besteht.
Neben der vorstehend beschriebenen Vorrichtung zum Erzeugen von hohen Drücken und hohen Temperaturen können auch andere Anlagen' verwendet werden, mit denen sich die erforderlichen Drücke und Temperaturen erzeugen lassen. Die Arbeiteweise der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung zum Erzeugen von hohen Drücken und hohen Temperaturen ist bekannt.
Fig. 2 zeigt eine Anordnung zur Erzeugung von mehreren icheiben- oder pillenförmigen Körpern, die aus einer Unterlage aus Sinterkarbid bestehen, auf der eine Schicht aus
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Sinterdiamant gebildet ist. Die Füllung 30 ist grössenmässig so ausgestaltet, dass sie in den mit der Bezugszahl
31 bezeichneten Innenraum der Vorrichtung nach Fig. 1 passt.
Die Füllung 30 besteht aus einer zylindrischen Abschirmung
32 aus Zirkonium, Titan, Tantal, Wolfram oder Molybdän. Innerhalb der zylindrischen Abschirmung 32 sind durch Scheiben 33 aus Titan oder Zirkonium gegeneinander abgeschirmte Teilfüllungen angeordnet, von denen jede aus einer grösseren Masse 34 und aus einer kleineren Masse 36 besteht.* Jede Masse 36 besteht zum Grossteil oder vollständig aus Diamantpulver (mit einer Korngrösse im Bereich von 0,1 bis 500 Mikrometer). Jede Masse 34 besteht aus einem zur Herstellung eines Sinterhartmetalls geeigneten Pulver, vorzugsweise einem Gemisch aus Wolframkarbidpulver und Kobaltpulver. Unabhängig davon, ob das Pulvergemisch ursprünglich vom Diamantpulver in der aus Fig. 2 ersichtlichen Weise getrennt ist oder ob dem Diamantpulver ein bestimmter Anteil dieses Pulvergemisches zugemischt wird, wirkt das vorhandene Kobalt sowohl als metallisches Bindemittel beim Zusammensintern der Karbide als auch als Katalysator für die Umwandlung von Graphit zu Diamant. Es ist bekannt, dass die Sinterwirkung von Kobalt bei der Herstellung von Sinterhartmetall en darauf zurückzuführen ist-, dass Kobalt in starkem Maße Karbide zu lösen vermag. Es war nicht zu erwarten, dass mit Karbidpulver vermischte· Kobalt auch noch fähig ist, elementaren Kohlenstoff zu lösen und dadurch als Katalysator zur Umwandlung von Kohlenstoff in Diamant zu wirken. Wie sich jedoch unerwarteterweise herausgestellt hat, wirkt Kobalt sowohl als Bindemittel als auch als Katalysator. Es ist zu erwarten, dass neben Kobalt auch Nickel und Eisen und Mischungen aus Kobalt, Nickel und Eisen in der gleichen Weise wirken.
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Die Masse 36 kann zusätzlich zu Diamant daher auch noch eine geringe Menge Graphitpulver oder eine geringe Menge des zur Herstellung des Sinterhartmetalls vorgesehenen Pulvers enthalten. Zwischen den Massen 34 und 36 braucht auch kein scharfer Übergang vom Karbid-Kobalt-Pulvergemisch vorhanden zu sein, vielmehr könnte auch eine Übergangsschicht (nicht gezeigt) zwischen der Karbid-Kobalt-Masse und der Diamantschicht vorgesehen, werden. Diese Übergangsschicht würde zur Vermeidung von Spannungskonzentrationen fc sowohl Karbid-Kbbalt-Pulver als auch Diamantpulver in Form eines abgestuften Gemisches enthalten.
Selbst wenn die Masse 36 vollständig aus Diamantkristallen besteht, ist auch noch die Möglichkeit zur Bildung von Diamanten erforderlich, damit a) der während des Sintervorganges entstehende Graphit wieder in Diamant zurückverwandelt wird und b) der in Bereichen hoher freier Energie und in Bereichen hoher Temperatur im Katalysatormetall gelöste Diamant wieder auskristallisiert wird.
Die Scheiben 37 werden aus dem gleichen Material wie der Zylinder 19 hergestellt, damit bei der Durchführung des Ver- w fahrens die in jeder Teilfüllung auftretende Volumenverringerung durch nachfolgendes Material ausgeglichen werden kann.
Bei der Herstellung eines Schneideinsatzes nach dem Verfahren der Erfindung wird die Füllung 30 in die Vorrichtung 10 eingelegt, unter Druck gesetzt und dann aufgeheizt. Es wird dabei eine Temperatur im Bereich von ungefähr 13OO-l6OO°C während eines Zeitraumes von über ungefähr 3 Minuten aufrechterhalten, damit das Karbid-Kobalt-Gemisci zusammensintert. Gleichzeitig wird die Füllung eisern sehr hah.en Druck ausgesetzt, beispielsweise einem Druck in der Grössanordnung von 55 Kilobar, um für den Diamantgehalt der Füllung ihermo-
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dynamisch stabile Bedingungen zu gewährleisten. Bei 13OO°C sollte der Brück Mindestens ungefähr 50 Kilobar und bei 1400°C sollte der Druck mindestens ungefähr 52,5 Kilobar betragen, Bei den verwendeten Temperaturen schmilzt natürlich die Kobaltkomponente des Systems, so dass ein Teil des Kobalts für die Verlagerung aus der Masse 34t in die Masse 36 zur Verfügung steht, wo er als Katalysator für die Diamantbildung wirkt.
Es laufen also gleichzeitig die folgenden Vorgänge ab:
a) Das Karbid wird in den gesinterten Zustand übergeführt,
b) die Diamantkristalle in der Masse 36 werden zu einer Masse aus Sinterdiamant verdichtet und c) an der Fläche zwischen der diamanthaltigen Masse 36 und der Sinterkarbidmasse 3^ wird eine ausgezeichnete Bindung erzeugt, wodurch eine ausserordentlich gut zusammenhängende Masse entsteht. Beim Anwenden von Druck auf das System werden einige Diamantteilchen zerquetscht. Da jedoch ein die Diamantbildung ermöglichender Katalysator vorhanden ist, wachsen diese Teilchen bei den im diamantstabileü !reich des Zustandediagramms von Kohlenstoff liegenden Drücken und Temperaturen wieder zusammen und heilen dadurch aus.
Zwischen dem hochfesten Diamantmaterial und dem volumenmässig beträchtlich grösseren steifen Unterlagematerial wird also in situ eine direkte Bindung hergestellt, so dass sich die Zwischenschaltung irgendeiner Bindungsschicht erübrigt, beispielsweise einer beim Hartlöten oder Löten entstehenden Verbindungsschicht. Durch das steife, nicht nachgiebige Unterlagematerial, das in direkter Berührung mit dem diamantreichen Schneidebereich steht, wird die Bruchgefahr für das Diamantmaterial weitgehend herabgesetzt.
Der diamantreic^e Bereich besteht aus einem Diamantkristallhaufen, dessen ^ip^nrtkristalli mit ien willkürlich verteil-
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ten Diamantteilchen verbunden ist. Damit ein beginnender Bruch eine Spaltung der-Diamantmasse oder der Diamantschicht bewirken kann, müsste die Spaltfläche aufgrund der willkürlichen Verteilung der Spaltebenen der einzelnen Diamantteilchen einen gewundenen Verlauf folgen. Ein irgendwie entstandener Riss kann also sich nicht sehr weit in die Diamantmasse fortsetzen.
Die Herstellung von als Schneidelemente in Schneid- und Schleifwerkzeugen verwendbaren Diamantkörpern, bei denen P mindestens 50 Volumenprozent aus Diamantkristallen bestehen, ist in der US-PS 3 141 746 beschrieben. Der gebildete Diamantkörper wird dann auf einer Unterlage befestigt. In der vorgenannten Patentschrift finden sich keine Hinweise in Richtung der Herstellung eines zusammengesetzten Werkzeugeinsatzes mit einer mit einer Sinterhartmetallunterlage integrierten Diamantmasse sowie in Richtung der Wirkung von Kobalt als Bindemittel für das Sinterhartmetall sowie als Katalysator für die Diaaantbildungsreaktion.
Als Ausgangsmaterial für die Masse 34 wird vorzugsweise ein Wolframkarbidsinterpulver verwendet, das aus einer * Mischung aus Karbidpulver und Kobaltpulver besteht und im Handel in Korngrössen von 1 bis 5 Mikrometer erhältlich ist. Gegebenenfalls kann Wolframkarbid ganz oder teilweise durch Titankarbid und/oder Tantalkarbid ersetzt werden. Als Bindemittel für Karbide wurde auch bereits Nickel oder Eisen verwendet. Als Bindemittel für die metallische Verbindung können daher Kobalt, Nickel oder Eisen oder Gemische dieser Metalle verwendet werden. Vorzugsweise verwendet man jedoch Kobalt. Sowohl Kobalt als auch Nickel und Eisen wirken auch als KatalysatorlösungSBittel bei der Diamantsynthese, so dass diese drei Metalle bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung eingesetzt werden können. Die bei der Ausführung der Erfindung verwendbaren Karbidsinterpulver
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bestehen aus Pulvergemischen mit 87 - 97 % Karbid und ungefähr 3 - 13 % Kobalt. Karbidsinterpulver mit einem beträchtlich niedrigeren Karbidanteil ergeben Sinterhartmetalle, deren Festigkeit unzureichend ist. Der Diamantanteil der Masse 36 beträgt vorzugsweise 90 bis 99 Volumenprozent. Es kann jedoch auch ein geringerer Diamantanteil verwendet werden, jedoch sollte der Diamantanteil der Masse 36 mindestens ungefähr 70 Volumenprozent betragen.
Gegebenenfalls kann eine dünne Schicht Katalysatormetall zwischen der Masse 34 und der Masse 36 zur Ergänzung des in den Massen bereits vorhandenen Katalysatormetalls angeordnet werden, das zusätzlich auch noch als Bindemittel bei der Karbidsinterung wirkt. Zur synthetischen Herstellung von Diamanten geeignete Katalysatoren sind in den US-PS 2 947 609 und 2 947 610 angeführt. Die Anordnung eines Katalysatormetalls zwischen den Massen 34 und. 36 beeinträchtigt die mechanisch instabilen Eigenschaften der Füllung nicht. Es hat sich herausgestellt, dass zusätzliches Katalysatormetall nicht erforderlich ist und daher gewöhnlich auoh nicht bevorzugt wird.
Zur Herstellung der unsymmetrisch geformten Schneideinsätze nach den Figuren 3, 5 und 6 ist eine modifizierte Ausführungsform des Salzzylinders 21 und der Stopfen 22 und 22' erforderlich. Die in das Heizrohr 20 passende Anordnung kann aus einer Reihe von übereinandergestapelten zylindrischen Blöcken bestehen, die mit Karbidsinterpulver (GMP) und Diamantteilchen (D) gefüllte Formen bilden. Bei der Ausführungsform nach Fig. 7 ist der Salzblock 21a mit einer Aussparung 72 versehen, deren Form der Gestalt des gewünschten Sohneideinsatzes entspricht. Die Aussparung 72 ist mit einer als Abschirmung dienenden Metallschicht 73 ausgekleidet. Innerhalb der Aussparung 72 sind das Sinter-
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metallpulver CMP und das Diamantpulver D in entsprechender Weise angeordnet. Der darüber liegende Salzblock 21b weist eine entsprechende Aussparung zur Aufnahme eines Abdeckbleches lh auf, das die metallische Abschirmung für die Pulvermassen vervollständigt. Vorzugsweise ist der darüber liegende Salzblock 21b auch mit einer Aussparung zur Aufnahme eines Sinterkarbidblockes SC ausgestattet, der ein Durchstechen des Abschirmbleches lh. auf ein Mindestmass herabsetzen soll. ZurFüllung der Druckkammer der Hochdruckpresse kann eine Reihe solcher zusammenwirkender Salzblöcke 21a und 21b verwendet werden.
Bei dem Schneideinsatz 40 nach Fig. 3 sind die Stirnflächen hl und h.2. des Sinterhartmetalls hj> und des Diamantkörpers hh abgeschrägt (Fig. 4), damit die Schneidkanten des Diamantkörpers hh leicht mit einem Werkstück in Eingriff gebracht werden können.
Bei der Herstellung der in den Figuren 5 und 6 dargestellten Schneideinsätze 52 und 62 wird jeweils eine dünne Diamantschicht 51 bzw. 6l gebildet. Die Dicke der Diamantschicht beträgt 0,5 his 0,012 mm. Es können auch Diamantschichten " mit einer Dicke bis zu 2,0 mm hergestellt werden. Die Diamantschicht 51 bzw. 6l wird jedoch zweckmässigerweise sehr dünn ausgeführt, damit sie als Spanbrechfläche wirken und auch leicht geschärft werden kann. Die Eigenschaften der Diamantschicht werden in Bezug auf die Eigenschaften des Sinterhartmetalls so abgestimmt, dass die Diamantschneide etwas weniger schnell verschleisst als das Sinterhartmetall. In diesem Falle wird fortlaufend ein kleiner Teil der Diamantschicht über den Sinterhartmetallkörper vorstehen und eine Schneide bilden, wodurch das richtige Verhältnis zwischen dem Diamantabrieb und der Lebensdauer des Werkzeuges gewährleistet ist.
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Die in der Form über dem Karbidsinterpulver angeordnete Schicht kann aus Diamantsplittern oder aus Graphit bestehen, der in Diamant umgewandelt wird, wenn die Füllung im diamantstabilen Bereich des Zustandediagramms von Kohlenstoff liegenden Drücken und Temperaturen in Gegenwart des als Katalysator wirkenden Bindemittels für das Sinterhartmetall ausgesetzt wird. Es können auch Gemische aus Graphit und Diamant verwendet werden. Es ist jedoch unbedingt erforderlich, dass die Diamantkonzentration des diamantreichen Bereiches eines Schneideinsatzes nach der Erfindung über 70 Volumenprozent und vorzugsweise über 90 Volumenprozent beträgt.
Nach der Anwendung der hohen Drücke und der hohen Temperaturen, bei denen a) eine Sinterung des Karbidpulvers bewirkt, b) eine feste zusammenhängende Diamantkristallmasse oder Diamantkristallschicht erzeugt und c) eine ausserordentlich wirksame Bindung zwischen Diamant und dem Sinterkarbid erzielt wird, wird zunächst die Temperatur und dann der Druck verringert. Dann wird die Füllung aus der Hochdruckapparatur herausgenommen. Das Absclmrmungsmaterial haftet sehr gut an den Aussenflächen der gebildeten Schneideinsätze. Zur gewünschten Freilegung irgendwelcher Oberflächen eines Schneideinsatzes wird die Abschirmung einfach abgeschliffen.
Da ein Teil der Abschirmung in Karbid umgewandelt wird, kann man über der Spanbrechfläche der diamantreichen Bereiche 43, 51, 6l eine dünne Schicht aus Titankarbid oder Zirkoniumkarbid belassen, indem man die Abschirmung nur zum Teil abschleift. Grossere Karbidmengen können in die Spanbrechfläche eingeführt werden, indem man bei der Füllung der Aussparung 72 eine geringe Menge Titankarbidpulver oder Zirkoniumkarbidpulver der aus Diamantteilchen bestehenden Schicht D zusetzt oder Titan enthaltende synthetische Dia-
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manten oder Titan enthaltenden Graphit verwendet. Falls man der freiliegenden Fläche des diamantreichen Bereiches kleine Kristalle aus Titankarbid einverleibt, erzielt man eine verbesserte Lebensdauer der Spanbrechfläche und verringert dadurch die schädliche Einwirkung der von einem Werkstück entfernten heissen Metallspäne auf den Schneideinsatz.
Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform eines verbesserten Stempels für eine Vorrichtung zum Erzeugen von hohen Drücken und hohen Temperaturen. Der zum Ausüben von Druck vorgesehene Teil 81 besteht aus einer verdichteten diamantreichen Masse, die auf einer Unterlage aus Sinterhartmetall aufliegt. Der Teil 81 ist an dem spitz zulaufenden Stempelschaft 82 aus Sinterhartmetall befestigt, wobei die einander gegenüberliegenden Flächen der beiden Bauteile sehr sorgfältig plangeschliffen sind. Dadurch kann die Lö'tschicht zwischen den Bauteilen sehr dünn ausgebildet werden«, Diese Stempelkonstruktion ist sehr vorteilhaft, solange beim Betrieb dafür gesorgt wird, dass sie nicht zu heiss wird.
Gegebenenfalls kann beim Verfahren zur Herstellung eines Schneideinsatzes nach der Erfindung anstelle des Karbid-P sinterpulvers vorgeformter Sinterkarbid (Sinterhartmetall) verwendet werden. In diesem Falle wird in der mit Metall ausgekleideten Aussparung 22 ein vorgeformter Sinterhartmetallkörper angeordnet und an der vorgesehenen Spanbrechfläche die zur Bildung des diamantreichen Bereiches vorgesehene Masse eingebracht. Auch bei dieser Anordnung wirkt das im massiven Sinterhartmetallkörper vorhandene Bindemetall als Katalysator für das Zusammenwachsen und die synthetische Bildung von Diamant.
Beim Verfahren nach der Erfindung können verhältnismässig billige Naturdiamantsplitter oder synthetische Diamanten
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beispielsweise Diamanten mit einer Korngrösse von 60 bis 325 Maschen pro 25,4 mm, einem Schneideinsatz unter Bildung einer Schneide zur spanabhebenden Bearbeitung von Metallen einverleibt werden, die sich durch gute Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüber Stössen und Abrieb auszeichnen. Der zusammengesetzte Schneideinsatz nach der Erfindung ist besonders zum Drehen, Bohren und Fräsen von Superlegierungen mit einem Bearbeitbarkeitsindex von 10 oder darunter geeignet.
BEISPIEL 1
Eine gleichmässige Mischung aus 58 Volumenprozent Diamantpulver (mit einer Eorngrösse von 6O bis 80 Maschen pro 25,% au») und 42 Volumenprozent Karbidsinterpulver (87 Gewichtsprozent Wolframkarbid-13 Gewichtsprozent Kobalt) wurde in eine mit Zirkonium ausgekleidete zylindrische Form gegeben (als Masse 34 gemäss Fig. l). Darüber wurde eine Schicht (Dicke ungefähr 0,5 bub) des gleichen Diamantpulvers gebreitet (als Schicht 36). Die vollständig von Zirkonium umschlossene Füllung wurde 10 Minuten lang einem Druck von ungefähr 57 kb und einer Temperatur von 1500°C ausgesetzt. Nach Verringerung der Temperatur und des Druckes wurde der entstandene Schichtkörper gewonnen und erfolgreich als Bearbeitungswerkzeug zum Zurichten einer Korundschleifscheibe verwendet.
BEISPIEL 2
Eine ähnlich wie die in Beispiel 1 verwendete Form ausgekleidete Form wurde zum Teil alt 75 Mg Diamantpulver mit einer Korngrösse von 325 Maschen pro 25,* um gefüllt, dem 25 mg Graphitpulver beigemischt waren. Auf diese erste Schicht wurde eine Metallscheibe (10 Gewichtsprozent AIu-■iniua-90 Gewichtsprozent Eisen) ait einer Dick· von
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2,54 Mikrometer gelegt, über die Scheibe wurde eine zweite Schicht aus 87 Gewichtsprozent Wolframkarbidpulver und 13 Gewichtsprozent Kobaltpulver angeordnet. Die vollständig von einer Abschirmung aus Zirkonium umschlossene Füllung der Form wurde 30 Minuten lang einem Druck von ungefähr 56 kb und einer Temperatur von 15OO°C ausgesetzt. Nach Verringerung der Temperatur und des Druckes wurde ein monolithischer zylindrischer Körper gewonnen. Die Diamantschicht war zusammengesintert und fest an die benachbarte gesinterte Karbidsehicht gebunden. Der Körper wurde später durch Hartlöten an einem geeigneten Halter befestigt und die Diamantschicht zur Bildung eines Schneidwerkzeuges geformt. Das Schneidwerkzeug wurde erfolgreich zur Bearbeitung der Legierung Rene 41 verwendet.
BEISPIEL 3
Das Verfahren nach Beispiel 2 wurde ohne Verwendung der Aluminium-Eisen-Scheibe wiederholt. Es wurde ein ähnlicher monolithischer Körper gewonnen, bei dem die Sinterdiamantschicht fest mit der Sinterkarbidschicht verbunden war. Der zylindrische monolithische Körper wurde durch Hartlöten an f einem geeigneten Halter befestigt und zu einem Schneidwerkzeug zugerichtet.
BEISPIEL 4
Es wurde eine massive Scheibe aus Sinterhartmetall (94 Gewichtsprozent Wolframkarbid-6 Gewichtsprozent Kobalt) als Gegendruckorgan vorgesehen. Diese Sinterhartmetallscheibe wurde in einer mit Zirkonium ausgekleideten Form angeordnet und mit einem dünnen Blech aus Zirkonium abgedeckt. Auf den Zirkoniumbleoh wurde eine Schicht aus Diamantpulver (30 mg Diaaantpulver mit einer Korngrösse von 100 Maschen pro 25»4 mm) mit einer Dicke von 0,4 mm ausgebreitet. Eine
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zweite Scheibe aus Sinterhartmetall mit einer Dicke von 3,3 mm wurde auf die Diamantschicht gelegt. Die gesamte Anordnung wurde zusammen mit der Zirkoniumabschirmung 60 Minuten lang einem Druck von ungefähr 57 kb und einer Temperatur von ungefähr 15OO°C ausgesetzt. Es wurde ein zylindrischer Körper mit einer Diamantschicht gewonnen, die aus fest miteinander und mit dem Sinterhartmetallkörper verbundenen Diamantkristallen bestand. Die Diamantschicht wurde zur Bildung eines Schneidwerkzeuges poliert. Bei mikroskopischer Betrachtung wurde eine weitgehende Bindung zwischen benachbarten Diamantkörnern sowie Ausheilung und Viedervereinigüng der bein Zusammenpressen der Füllung bei Raumtemperatur zerquetschten Diamantkörner festgestellt. Bei einem Versuch wurde mit dem in dieser Weise hergestellten Schneidwerkzeug von einem aus der Legierung Rene hi bestehenden Werkstück, das sich mit einer Geschwindigkeit von 16,4 a/min, bewegte, ein rotglühender Span mit einer Breite von 2,3 in und einer Dicke von 2,5 am entfernt. Das Schneidwerkzeug nach der Erfindung wies im Vergleich zu einem normalen Sinterhartmetallschneidwerkzeug eine bessere Abriebfestigkeit auf und ergab einen besseren Span und eine glattere Bearbeitungsfläche. Bei der Abnutzung der Diamantschicht wurde kein Ausbrechen oder Abblättern von Diaaantteilchen beobachtet.
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Claims (12)

PATENTANSPRÜCHE:
1. ) Diamantbestücktes Werkzeug zur direkten spanabhebenden iearbeitung von Metallen mit Diamant, bei dem kristallines Diamantmaterial zur spanabhebenden Bearbeitung und eine Unterlage für das Diamantmaterial einen Schneideinsatz bilden, der am Schaft eines in eine Werkzeugmaschine einspannbaren Meisseis befestigt werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass das kristalline Diamantmaterial (44, 51, 6l) des Schneideinsatzes (40, 52, 62) eine Diamantkonzentration von über 70 Volumenprozent aufweist, im wesentlichen alle Diamantkristalle des Diamantmaterials direkt an die benachbarten Diamantkristalle gebunden sind, die im Vergleich zum Diamantmaterial beträchtlich grössere Unterlage (43» 53» 63) aus Sinterhartmetall besteht, an der Grenzfläche zwischen Diamantmaterial und Unterlage lediglich Sinterhartmetall und Diamant vorhanden ist und die Bindung zwischen Diamantmaterial und Sinterhartmetall stärker ist als die Zugfestigkeit von Diamant.
2. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kristalline Diamantmaterial die Form eines Plättchens (51, 6i) mit einer Dicke von ungefähr 0,5 mm und darunter hat.
3· Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine freiliegende Fläche des kristallinen Diamantmaterials Titankarbidkristalle oder Zirkoniumkarbidkristalle enthält.
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4. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantkonzentration des Diamantmaterials (44,51»6l) über 90 Volumenprozent beträgt.
5. Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kristalline Diamantmaterial aus Diamant und gleichmässig darin verteiltem Sinterkarbid besteht.
6. Verfahren zur Herstellung eines diamantbestückten Schneideinsatzes nach einem der Ansprüche 1-5» dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb einer Abschirmung (32, 33» 73» 74) eine Masse (34,CMP) aus Karbidsinterpulver, dessen Karbidanteil aus Wolframkarbid, Titankarbid, Tantalkarbid oder einem Gemisch dieser Karbide besteht und dass als Bindemetall Kobalt, Nickel oder Eisen enthält, und an diese Masse anliegend eine kleinere Masse (36, D) angeordnet wird, die Diamantteilchen in einer Volumenkonzentration von über 70 % enthält, gleichzeitig die Abschirmung und der Inhalt Temperaturen im Bereich von 1400-16000C und Drücken von über 45 Kilobar für mindestens 3 Minuten lang ausgesetzt werden, die Wärmezufuhr zur Abschirmung abgestellt, der auf der Abschirmung lastende Druck entfernt und das Abschirmungsmetall von der vereinigten Masse entfernt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Karbidsinterpulver ein Gemisch aus Wolframkarbidpulver und Kobaltpulver werwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass über mindestens einer ebenen Fläche der aus Karbidsinterpulver bestehenden Masse eine Schicht Diamantteilchen in einer Dicke von ungefähr 0,2 mm oder darunter angeordnet wird,
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9. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abschirmung anstelle der Karbidsinterpulvermasse ein Sinterhartmetallkörper angeordnet wird, der aus Wolframkarbid, Titankarbid, Tantalkarbid oder einer Mischung dieser Karbide besteht und als Bindemetall Kobalt, Nickel oder Eisen enthält.
10. Verfahren nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, dass ein aus Wolframkarbid und Kobalt bestehender Sinterhart-
fc metallkörper verwendet wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantteilchen in Form einer Schicht mit einer Dicke von ungefähr 0,2 mm oder darunter über zumindest einer ebenen Fläche des Sinterhartmetallkörpers angeordnet werden.
12. Vorrichtung zur Erzeugung von hohen Drücken, bei der zwischen einander gegenüberliegend angeordneten Druckstempeln eine abgeschlossene Reaktionskammer vorgesehen ist, auf die bei Bewegung mindestens eines Druckstempels Druck ausgeübt wird, wobei an den Druckstempeln anliegendes Dichtungsmaterial zusammengepresst wird, dadurch gekennzeichnet, dass jeder
W Druckstempel (80) aus einem Schaft (82) besteht, an dessen zur Druckübertragung vorgesehenem Ende ein zusammengesetzter Bauteil (81) befestigt ist, der aus einem diamantreichen Bereich und einem im Verhältnis dazu grösseren Sinterhartmetallbereich besteht, der eine dem Schaft (82) angepasste Fläche aufweist.
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