DE2167151C3 - Method for producing a diamond-tipped cutting insert - Google Patents

Method for producing a diamond-tipped cutting insert

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DE2167151C3
DE2167151C3 DE19712167151 DE2167151A DE2167151C3 DE 2167151 C3 DE2167151 C3 DE 2167151C3 DE 19712167151 DE19712167151 DE 19712167151 DE 2167151 A DE2167151 A DE 2167151A DE 2167151 C3 DE2167151 C3 DE 2167151C3
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Description

a) ein Diamantteilchen in einer Volumenkonzentration von 90 bis 99 Prozent enthaltendes Pulver unda) a powder containing diamond particles in a volume concentration of 90 to 99 percent and

b) eine volumenmäßig beträchtlich größere Menge Hartmetall, das aus 87 bis 97% Wolframkarbid, Titankarbid und/oder Tantalkarbid und als Bindemittel zu 3 bis 13% aus Kobalt, Nickel und/oder Eisen besteht, in Pulverform oder als Vorpreßkörperb) a considerably larger quantity of hard metal in terms of volume, consisting of 87 to 97% tungsten carbide, titanium carbide and/or tantalum carbide and 3 to 13% cobalt, nickel and/or iron as a binder, in powder form or as a pre-pressed body

in einem abgeschirmten Matritzenhohlraum angeordnet, im diamantstabilen Bereich des Zustandsdiagramms von Kohlenstoff auf eine Temperatur von 1400 bis 16000C aufgeheizt und während mindestens 3 Minuten einem Druck über 45 Kilobar ausgesetzt werden, worauf zunächst die Temperatur und dann der Druck verringert wird.placed in a shielded die cavity, heated to a temperature of 1400 to 1600 ° C in the diamond-stable region of the phase diagram of carbon and exposed to a pressure of more than 45 kilobars for at least 3 minutes, after which first the temperature and then the pressure are reduced.

verhältbehaves

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Schneideinsatz zu schaffen, in dem e:n hochfester Diamantteil, der eine sehr hohe Verschleißfestigkeit aufweist fest mit einer beträchtlich größeren steifen Unterlege aus Sinterhartmetall verbunden ist, so daß die Bruchgefahr für den Diamantteil weitgehend herabgesetzt istThe invention is based on the object of creating a cutting insert in which a high-strength diamond part, which has a very high wear resistance, is firmly connected to a considerably larger rigid base made of sintered hard metal, so that the risk of breakage for the diamond part is largely reduced

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren, bei demThis task is solved by a procedure in which

a) ein Diamantteilchen in einer Volumenkonzentration von 90 bis 99 Prozent enthaltendes Pulver unda) powder containing diamond particles in a volume concentration of 90 to 99 percent and

b) eine volumenmäßig beträchtlich größere Menge Hartmetall, das aus 87 bis 97% Wolframkarbid, Titankarbid und/oder Tantalkarbid und als Bindemittel zu 3 bis 13% aus Kobalt, Nickel und/oder Eisen besteht in Pulverform oder als Vorpreßkörper b) a considerably larger quantity of hard metal in terms of volume, consisting of 87 to 97% tungsten carbide, titanium carbide and/or tantalum carbide and as a binding agent 3 to 13% cobalt, nickel and/or iron in powder form or as a pre-pressed body

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines diamantbestückten Schneideinsatzes.The invention relates to a method for producing a diamond-tipped cutting insert.

Es sind seit langem Werkzeugschneiden aus Sinterhartmetall bekannt, bei denen im Bereich des schneidenden Teils 24 bis 29 Volumenprozent Diamantstaub eingebettet sind (DE-PS 6 27 862). Zur Herstellung dieser Werkzeugschneide wird aus dem zuvor erzeugten Grundkörper aus Sinterhartmetall ein oberes Endstück herausgeschnitten und in diese Aussparung eine entsprechend zusammengesetzte Mischung aus Diamantsplitterchen, Wolframkarbid und Kobalt eingebracht. Dann wird der Körper im ganzen unter einem Druck von etwa 70 bar bei etwa 13500C gesintert. Wegen des geringen volumetrischen Diamantanteils unter 29% und einer Hartmetallphase über 70% im Schiieidteil und des raschen Verschleißes des diamanthaltigen Materials waren diese Schneideinsätze kaum besser als solche, die vollständig aus Sinterhartmetall bestanden.Tool cutting edges made of sintered hard metal have long been known, in which 24 to 29 volume percent of diamond dust is embedded in the area of the cutting part (DE-PS 6 27 862). To produce this tool cutting edge, an upper end piece is cut out of the previously produced base body made of sintered hard metal and an appropriately composed mixture of diamond chips, tungsten carbide and cobalt is introduced into this recess. The body is then sintered as a whole under a pressure of around 70 bar at around 1350 0 C. Due to the low volumetric diamond content of less than 29% and a hard metal phase of over 70% in the cutting part and the rapid wear of the diamond-containing material, these cutting inserts were hardly better than those made entirely of sintered hard metal.

In der US-PS 31 41 746 ist die Herstellung eines polykristallinen Diamantkörpers beschrieben, in dem die Diamantkristalle mit einer metallischen Bindemittelphase in einer Konzentration von wenigstens 50 Volumenprozent vorliegen. Für die Herstellung wird Diamantpulver mit einem Bindemetall einem Druck von 70 000 bar und Temperaturen von 1400 bis 1775°C ausgesetzt. Diese Diamantmasse enthält direkt aneinander gebundene Diamantteilchen. Diese Bindung ist erheblich fester als die Bindung zwischen Diamant und dem Bindemetall, z. B. Kobalt. Selbst bei einem hohen Diamantanteil von 90 Volumenprozent liegen Diamant-Diamant-Bindungen nur zum teil vor.US Patent 3,141,746 describes the production of a polycrystalline diamond body in which the diamond crystals are present with a metallic binder phase in a concentration of at least 50 percent by volume. For production, diamond powder with a binder metal is exposed to a pressure of 70,000 bar and temperatures of 1400 to 1775°C. This diamond mass contains diamond particles bonded directly to one another. This bond is considerably stronger than the bond between diamond and the binder metal, e.g. cobalt. Even with a high diamond content of 90 percent by volume, diamond-diamond bonds are only partially present.

Diese polykristallinen Diamantkörper haben jedoch allein keine ausreichende Schlagfestigkeit und müssen für die Anwendung als Schneidteil eines Schneideinsatzes zwingend an einem geeigneten Träger oder Halter befestigt werden, was aber trotz spezieller Lötverfahren nicht gelang, weil sich die polykristalline Diamantmasse metallurgisch-chemisch etwa wie ein Diamanteinkristall in einem abgeschirmten Matritzenhohlraum angeordnet, im diamantstabilen Bereich des Zustandsdiagramms von Kohlenstoff auf eine Temperatur von 1400 bis 16000C aufgeheizt und während mindestens 3 Minuten einem Druck über 45 Kilobar ausgesetzt werden, worauf zunächst die Temperatur und dann der Druck verringert wird.However, these polycrystalline diamond bodies do not have sufficient impact resistance on their own and must be attached to a suitable carrier or holder for use as a cutting part of a cutting insert. This was not possible despite special soldering processes, because the polycrystalline diamond mass is arranged metallurgically and chemically in a shielded matrix cavity like a diamond single crystal, heated to a temperature of 1400 to 1600 0 C in the diamond-stable region of the carbon phase diagram and exposed to a pressure of over 45 kilobars for at least 3 minutes, after which the temperature and then the pressure are reduced.

Dadurch entsteht ein Schneideinsatz mit einem hochfesten Diamaiitteil aus weitgehend direkt aneinander gebundenen Diamantkristallen, der mit einer beträchtlich größeren Sinterhartmetallunterlage in situ zu einem monolithischen Verbundkörper vereinigt ist.
Nach dem Verfahren der Erfindung erhält man einen Schneideinsatz mit ausgezeichneter Festigkeit. Der direkt aneinander gebundene Diamantteilchen enthaltende Diamantteil des Schneideinsatzes ist nämlich auf der extrem steifen Sinterhartmetallunterlage abgestützt. Der Schneideinsatz eignet sich hervorragend für Schneidwerkzeuge der spanabhebenden Bearbeitung, da der Diamantteil eine unerwartet hohe Verschleißfestigkeit aufweist und auch noch besonders, zäh und stoßfest ist. Die hohe Verschleißfestigkeit des Diamantteils ist wahrscheinlich darauf zurückzuführen, daß auf den Diamantteil sehr starke Quetschkräfte einwirken, wenn der gebildete Schneideinsatz in der Beschickungsanordnung unter dem einwirkenden hohen Druck abgekühlt wird.This creates a cutting insert with a high-strength diamaiite part made up of diamond crystals that are largely directly bonded to one another, which is combined in situ with a considerably larger sintered carbide base to form a monolithic composite body.
The method of the invention produces a cutting insert with excellent strength. The diamond part of the cutting insert, which contains diamond particles directly bonded to one another, is supported on the extremely rigid cemented carbide base. The cutting insert is ideally suited for cutting tools in machining operations, since the diamond part has an unexpectedly high wear resistance and is also particularly tough and shock-resistant. The high wear resistance of the diamond part is probably due to the fact that very strong crushing forces act on the diamond part when the cutting insert formed is cooled in the feed arrangement under the high pressure applied.

Die Erfindung wird nun näher anhand von Zeichnungen erläutert, in denen zeigtThe invention will now be explained in more detail with reference to drawings in which

F i g. 1 einen Teil einer Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung,Fig. 1 shows part of an apparatus for carrying out the method according to the invention,

F i g. 2 einen Schnitt durch eine Ausführungsform einer Füllung für die Vorrichtung nach F i g. 1,Fig. 2 shows a section through an embodiment of a filling for the device according to Fig. 1,

F i g. 3 eine perspektivische Ansicht eines diamantbestückten Schneideinsatzes,Fig. 3 is a perspective view of a diamond-tipped cutting insert,

F i g. 4 einen Schnitt entlang der Linie X-X bzw. Y-Y in F i g. 3,
F i g. 5 und 6 perspektivische Ansichten von weiteren diamantbestückten Schneideinsätzen,Fig. 4 is a section along the line XX or YY in Fig. 3,
Fig. 5 and 6 perspective views of further diamond-tipped cutting inserts,

Fig. 7 einen Schnitt durch eine Füllung zur Herstellung der Schneideinsätze nach den F i g. 3,5 und 6 undFig. 7 a section through a filling for the production of the cutting inserts according to Figs. 3, 5 and 6 and

Fig. 8 eine perspektivische Ansicht eines Stempels für die Vorrichtung nach F i g. 1.Fig. 8 is a perspective view of a stamp for the device according to Fig. 1.

Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung weist zwei Stempel 11 und 11' auf, zwischen denen eine Matrize 12 angeordnet ist. Die Matrize 12 besitzt eine Öffnung 13 zur Aufnahme eines Reaktionsgefäßes 14. Zwischen je-The device shown in Fig. 1 has two stamps 11 and 11', between which a die 12 is arranged. The die 12 has an opening 13 for receiving a reaction vessel 14. Between each

dem Stempel 11 bzw. 11' und der Matrize 12 befindet sich eine Dichtungsanordnung 15 bzw. 15', die aus zwei wärmeisolierenden und elektrisch nichtleitenden Pyrophyllitteilchen 16 und 17 und einem dazwischen angeordneten Metallteil 18 besteht Das Reaktionsgefäß 14 enthält vorzugsweise einen Hohlzylinder 19 aus Salz.Between the stamp 11 or 11' and the die 12 there is a sealing arrangement 15 or 15', which consists of two heat-insulating and electrically non-conductive pyrophyllite particles 16 and 17 and a metal part 18 arranged between them. The reaction vessel 14 preferably contains a hollow cylinder 19 made of salt.

Innerhalb des Hohlzylinders 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 Fig. 3, 5 und 6 dargestellten Art bestehen.A graphite tube 20 serving as an electrical resistance heating element is arranged coaxially within the hollow cylinder 19 and adjacent to the inner surface. A cylinder 21 made of salt is arranged concentrically within the graphite tube 20. The cylinder 21 is closed at the ends by salt plugs 22 and 22'. The cylinder 21 can have a cylindrical cavity which serves to accommodate a multi-part filling. However, the cylinder can also consist of a series of partial fillings stacked on top of one another for the production of cutting inserts of the type shown in Figs. 3, 5 and 6.

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. At each end of the cylinder 19 there is a cover plate 23 or 23' made of electrically conductive metal, which is in electrically conductive connection with the graphite tube 20. Above each cover plate 23 or 23' there is a cover cap 24 or 24', which consists of a disc 25 made of pyrophyllite surrounded by an electrically conductive ring 26.

F i g. 2 zeigt eine Füllung zum Herstellen von mehreren scheibenförmigen Schneideinsätzen. Die Füllung 30 ist größenmäßig so ausgestaltet, daß sie in den mit der Bezugszahl 31 bezeichneten Innenraum der Vorrichtung nach Fig. 1 paßtFig. 2 shows a filling for producing several disc-shaped cutting inserts. The filling 30 is sized so that it fits into the interior of the device designated by reference number 31 according to Fig. 1

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 Teilchengröße im Bereich von 0.1 bis 500&mgr;&igr;&tgr;&igr;). 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 Siüterhartmetallen darauf zurückzuführen ist, daß Kobalt in starkem Maße Karbide zu lösen vermag. Es war nicht /u erwarten, daß mit Karbidpulver vermischtes Kobalt auch noch fähig ist, elementaren Kohlenstoff zu lösen und dadurch als Katalysator zur Umwandlung von Kohlenstoff in Diamant zu wirken. Wie sich jedoch unerwarleterweise herausgestellt hat. wirkt Kobalt sowohl als BindemittelThe filling 30 consists of a cylindrical shield 32 made of zirconium, titanium, tantalum, tungsten or molybdenum. Within the cylindrical shield 32, partial fillings are arranged, shielded from one another by disks 33 made of titanium or zirconium, each of which consists of a larger mass 34 and a smaller mass 36. Each mass 36 consists largely or completely of diamond powder (with a particle size in the range of 0.1 to 500 μm). Each mass 34 consists of a powder suitable for producing a sintered hard metal, preferably a mixture of tungsten carbide powder and cobalt powder. Regardless of whether the powder mixture is originally separated from the diamond powder in the manner shown in Fig. 2 or whether a certain proportion of this powder mixture is mixed into the diamond powder, the cobalt present acts both as a metallic binding agent when the carbides are sintered together and as a catalyst for the conversion of graphite to diamond. It is known that the sintering effect of cobalt in the production of sintered hard metals is due to the fact that cobalt is able to dissolve carbides to a high degree. It was not expected that cobalt mixed with carbide powder would also be able to dissolve elemental carbon and thus act as a catalyst for the conversion of carbon into diamond. However, it has unexpectedly turned out that cobalt acts both as a binding agent and as a catalyst for the conversion of carbon into diamond.

to". Cs isi zu erto". Cs isi to he

daß neben Kobalt auch Nickel und Eisen und Mischungen aus Kobalt, Nickel und Eisen in der gleichen Weise wirken.that in addition to cobalt, nickel and iron and mixtures of cobalt, nickel and iron also act in the same way.

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.Even if the mass 36 consists entirely of diamond crystals, the possibility of forming diamonds is still necessary so that a) the graphite produced during the sintering process is converted back into diamond and b) the diamond dissolved in the catalyst metal in areas of high free energy and in areas of high temperature is crystallized again.

Die Scheiben 37 werden aus dem gleichen Material wie der Zylinder 19 hergestellt damit bei der Durchführung des Verfahrens die in jeder Teilfüllung auftretende Volumenverringerung durch nachfolgendes Material ausgeglichen werden kann.The disks 37 are made of the same material as the cylinder 19 so that when carrying out the process, the reduction in volume occurring in each partial filling can be compensated by subsequent material.

Zur Herstellung eines Schneideinsatzes wird die Füllung 30 in die Vorrichtung 10 eingelegt, unter Druck gesetzt und dann aufgeheizt Es wird dabei eine Temperatur im Bereich von 1400—16000C während eines Zeitraumes von mindestens 3 Minuten aufrechterhalten, damit das Karbid-Kobalt-Gemisch zusammensintert Gleichzeitig wird die Füllung einem sehr hohen Druck ausgesetzt, beispielsweise einem Druck in der Größenordnung von 55 Kilobar, um für den Diamantgehalt der Füllung thermodynamisch stabile Bedingungen zu gewährleisten. Bei 14000C 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 34 in die Masse 36 zur Verfügung steht, wo er als Katalysator für die Diamantbildung ■ wirktTo produce a cutting insert, the filling 30 is placed in the device 10, pressurized and then heated. A temperature in the range of 1400-1600 0 C is maintained for a period of at least 3 minutes so that the carbide-cobalt mixture sinters together. At the same time, the filling is subjected to very high pressure, for example a pressure in the order of 55 kilobars, in order to ensure thermodynamically stable conditions for the diamond content of the filling. At 1400 0 C, the pressure should be at least about 52.5 kilobars. At the temperatures used, the cobalt component of the system naturally melts, so that some of the cobalt is available for transfer from the mass 34 to the mass 36, where it acts as a catalyst for diamond formation.

Es laufen also gleichzeitig die folgenden Vorgänge ab:The following processes take place simultaneously:

a) Die Masse 34 wird in Sinterhartmetall übergeführt, a) The mass 34 is converted into sintered hard metal,

b) die Masse 36 wird zu einem Diamantteil verdichtet undb) the mass 36 is compacted into a diamond part and

c) an der Fläche zwischen dem Diamantteil und dem Sinterhartmetall wird eine ausgezeichnete Bindung erzeugt, so daß ein monolithischer Verbundkörper entstehtc) an excellent bond is created on the surface between the diamond part and the cemented carbide, so that a monolithic composite body is created

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 diamantstabilen Bereich des Zustandsdiagramms von Kohlenstoff liegenden Drücken und Temperaturen wieder zusammen und heilen dadurch aus.When pressure is applied to the system, some diamond particles are crushed. However, since a catalyst is present that enables diamond formation, these particles grow back together at pressures and temperatures in the diamond-stable region of the phase diagram of carbon, and thus heal.

Zwischen dem hochfesten Diamantteil und der volumenmäßig beträchtlich größeren steifen Unterlage wird also in situ eine direkte Bindung hergestellt. Durch die steife, nicht nachgiebige Unterlage wird die Bruchgefahr für den Diamantteil weitgehend herabgesetzt.A direct bond is therefore created in situ between the high-strength diamond part and the stiff base, which is considerably larger in volume. The stiff, non-yielding base greatly reduces the risk of breakage for the diamond part.

Der Diamantteil enthält direkt aneinander gebundene Diamantkristalle, die willkürlich verteilt sind. Damit ein beginnender Bruch eine Spaltung des Diamantteils bewirken kann, müßte die Spaltfläche aufgrund der willkürlichen Verteilung der Spaltebenen der einzelnen Diamantteilchen einem gewundenen Verlauf folgen. Ein irgendwie entstandener Riß kann also sich nicht sehr weit in den Diamantteil fortsetzen.The diamond part contains diamond crystals that are directly bonded to one another and are randomly distributed. In order for an incipient fracture to cause the diamond part to split, the cleavage surface would have to follow a winding course due to the random distribution of the cleavage planes of the individual diamond particles. A crack that has formed in any way cannot therefore continue very far into the diamond part.

Als Ausgangsmaterial für die Masse 34 wird vorzugsweise ein Wolframkarbidsinterpulver verwendet, das aus einer Mischung aus Karbidpulver und Kobaltpulver besteht u"d äiTi Handel in Teücher^rößen von 1 b'^ ^ Jim erhätlich ist. Gegebenenfalls kann Wolframkarbid ganz oder teilweise durch Titankarbid und/oder Tantalkarbid ersetz: 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 jedochThe starting material for the mass 34 is preferably a tungsten carbide sinter powder, which consists of a mixture of carbide powder and cobalt powder and is commercially available in 1 kg pack sizes . If necessary, tungsten carbide can be replaced in whole or in part by titanium carbide and/or tantalum carbide. Nickel or iron have also been used as binding agents for carbides. Cobalt, nickel or iron or mixtures of these metals can therefore be used as binding agents for the metallic compound. Preferably, however,

Kobalt. Sowohl Kobalt als auch Nickel und Eisen wirken auch als Katalysatorlösungsmittel bei der Diamantsynthese, so daß diese drei Metalle bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung eingesetzt werden können. Die verwendbaren Karbidsinterpulver bestehen z. B. aus Pulvergemischen mit 87—97% Karbid und 3 — 13% Kobalt. Karbidsinterpulver mit einem beträchtlich niedrigeren Karbidanteil ergeben Sinterhartmetalle, deren Festigkeit unzureichend ist. Der Diamantanteil der Masse 36 beträgt 90 bis 99 Volumprozent. Cobalt. Cobalt, nickel and iron also act as catalyst solvents in diamond synthesis, so that these three metals can be used in carrying out the process according to the invention. The carbide sinter powders that can be used consist, for example, of powder mixtures with 87-97% carbide and 3-13% cobalt. Carbide sinter powders with a considerably lower carbide content produce sintered hard metals, the strength of which is insufficient. The diamond content of mass 36 is 90 to 99 percent by volume.

Gegebenenfalls kann eine dünne Schicht Katalysatormetall zwischen der Masse 34 und der Masse 36 zur Ergänzung des in den Massen bereits vorhandenen Katalysatormetaüs angeordnet werden, das zusätzlich auch is noch als Bindemittel bei der Karbidsinterung wirkt. 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 auch nicht bevorzugt wird.If desired, a thin layer of catalyst metal can be placed between mass 34 and mass 36 to supplement the catalyst metal already present in the masses and also to act as a binder in the carbide sintering. The placement of a catalyst metal between masses 34 and 36 does not affect the mechanically unstable properties of the filling. It has been found that additional catalyst metal is not necessary and therefore is not usually preferred.

Zur Herstellung der unsymmetrisch geformten Schneideinsätze nach den F i g. 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 übereinander gestapelten zylindrischen Blöcken bestehen, die mit Karbidsinterpulver (CMP) 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 Schneideinsatzes entspricht. Die Aussparung 72 ist mit einer als Abschirmung dienenden Metallschicht 73 ausgekleidet. Innerhalb der Aussparung 72 sind das Sintermetallpulver CVWund das Diamantpulver Din entsprechender Weise angeordnet. Der darüberliegende Salzblock 21 b weist eine entsprechende Aussparung zur Aufnahme eines Abdeckbleches 74 auf, das die metallische Abschirmung für die Pulvermassen vervollständigt. Vorzugsweise ist der darüberliegende Salzblock 2 \b auch mit einer Aussparung zur Aufnahme eines Sinterkarbidblockes SC ausgestattet, der ein Durchstechen des A.bschirrnbleches 74 auf ein Mindestmaß herabsetzen soll. Zur Füllung der Druckkammer der Hochdruckpresse kann eine Reihe solcher zusammenwirkender Salzblöcke 21a und 21 b verwendet werden.To produce the asymmetrically shaped cutting inserts according to Figs. 3, 5 and 6, a modified embodiment of the salt cylinder 21 and the plugs 22 and 22' is required. The arrangement which fits into the heating tube 20 can consist of a series of cylindrical blocks stacked on top of one another which form molds filled with carbide sintered powder (CMP) and diamond particles (D) . In the embodiment according to Fig. 7, the salt block 21a is provided with a recess 72 whose shape corresponds to the shape of the desired cutting insert. The recess 72 is lined with a metal layer 73 which serves as a shield. The sintered metal powder CVW and the diamond powder D are arranged in a corresponding manner within the recess 72. The salt block 21b lying above it has a corresponding recess for receiving a cover plate 74 which completes the metallic shielding for the powder masses. Preferably, the overlying salt block 21b is also provided with a recess for receiving a cemented carbide block SC , which is intended to minimize piercing of the shielding plate 74. A series of such cooperating salt blocks 21a and 21b can be used to fill the pressure chamber of the high-pressure press.

Bei dem Schneideinsatz 40 nach F i g. 3 sind die Stirnflächen 41 und 42 des Sinterhartmetalls 43 und des Diamantteils 44 abgeschrägt (Fig. 4), damit die Schneidkanten des Diamantteils 44 leicht mit einem Werkstück in Eingriff gebracht werden können.In the cutting insert 40 according to Fig. 3, the end faces 41 and 42 of the cemented carbide 43 and the diamond part 44 are bevelled (Fig. 4) so that the cutting edges of the diamond part 44 can easily be brought into engagement with a workpiece.

Bei der Herstellung der in den F i g. 5 und 6 dargestellten Schneideinsätze 52 und 62 wird jeweils eine dünne Diamantschicht 51 bzw. 61 gebildet. Die Dicke der Diamantschicht beträgt 0,5 bis 0,012 mm. Es können auch Diamantschichten mit einer Dicke bis zu 2,0 mm hergestellt werden. Die Diamantschicht 51 bzw. 61 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 abgeschirmt, daß die Diamantschneide etwas weniger verschleißt als das Sinterhartmetall. In diesem Fall 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.When producing the cutting inserts 52 and 62 shown in Figures 5 and 6, a thin diamond layer 51 or 61 is formed. The thickness of the diamond layer is 0.5 to 0.012 mm. Diamond layers with a thickness of up to 2.0 mm can also be produced. However, the diamond layer 51 or 61 is preferably made very thin so that it can act as a chip breaking surface and can also be easily sharpened. The properties of the diamond layer are shielded in relation to the properties of the cemented carbide so that the diamond cutting edge wears slightly less than the cemented carbide. In this case, a small part of the diamond layer will continuously protrude beyond the cemented carbide body and form a cutting edge, which ensures the correct ratio between diamond abrasion and the service life of the tool.

Die über dem Karbidsinterpulver angeordnete Schicht kann aus Diamantsplittern bestehen. Es ist unbedingt erforderlich, daß die Diamanlkonzentration des diamantreichen Bereiches eines Schneideinsatzes nach der Erfindung über 90 Volumprozent beträgt.The layer arranged above the carbide sinter powder can consist of diamond chips. It is absolutely necessary that the diamond concentration of the diamond-rich region of a cutting insert according to the invention is over 90 percent by volume.

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. Abschirmungsmaterial haftet sehr gut an den Außenflächen der gebildeten Schneideinsätze. Zur gewünschten Freilegung irgendwelcher Oberflächen eines Schneideinsatzes wird die Abschirmung einfach abgeschliffen.After applying the high pressures and high temperatures that a) cause sintering of the carbide powder, b) produce a solid, coherent diamond crystal mass or layer, and c) achieve an extremely effective bond between diamond and the cemented carbide, first the temperature and then the pressure are reduced. The filling is then removed from the high pressure apparatus. The shielding material adheres very well to the outer surfaces of the cutting inserts formed. To expose any surfaces of a cutting insert as desired, the shield is simply ground away.

Da ein Teil der Abschirmung in Karbid umgewandelt wird, kann man über der Spanbrechfläche der Diamantteile 44, 51, 61 eine dünne Schicht aus Titankarbid oder Zirkoniumkarbid belassen, indem man die Abschirmung nur zum Teil abschleift. Größere 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 Diamanten 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.Since a portion of the shield is converted to carbide, a thin layer of titanium carbide or zirconium carbide can be left over the chip breaking surface of the diamond members 44, 51, 61 by only partially grinding away the shield. Larger amounts of carbide can be introduced into the chip breaking surface by adding a small amount of titanium carbide powder or zirconium carbide powder to the diamond particle layer D when filling the recess 72, or by using titanium-containing synthetic diamonds or titanium-containing graphite. Incorporating small crystals of titanium carbide into the exposed surface of the diamond-rich region will improve the life of the chip breaking surface and thereby reduce the damaging effect of hot metal chips removed from a workpiece on the cutting insert.

F i g. 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 Lötschicht zwischen den Bauteilen sehr dünn ausgebildet werden. Diese Stempelkonstruktion ist sehr vorteilhaft, so lange beim Betrieb dafür gesorgt wird, daß sie nicht zu heiß wird.Fig. 8 shows an embodiment of an improved punch for a device for generating high pressures and high temperatures. The part 81 intended for exerting pressure consists of a compacted diamond-rich mass which rests on a base made of sintered hard metal. The part 81 is attached to the tapered punch shaft 82 made of sintered hard metal, the opposing surfaces of the two components being very carefully ground flat. This allows the solder layer between the components to be made very thin. This punch design is very advantageous as long as care is taken to ensure that it does not become too hot during operation.

Gegebenenfalls kann beim Verfahren zur Herstellung eines Schneideinsatzes nach der Erfindung anstelle des Karbidsinterpulvers vorgeformter Sinterkarbid (Sinterhartmetall) verwendet werden. In diesem Fall wird in der mit Metall ausgekleideten Aussparung 31 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.If necessary, preformed cemented carbide (sintered hard metal) can be used in the process for producing a cutting insert according to the invention instead of the carbide sintered powder. In this case, a preformed cemented hard metal body is arranged in the metal-lined recess 31 and the mass intended to form the diamond-rich area is introduced onto the intended chip breaking surface. In this arrangement too, the binding metal present in the solid cemented hard metal body acts as a catalyst for the coalescence and synthetic formation of diamond.

Beim Verfahren nach der Erfindung können verhältnismäßig billige Naturdiamantsplitter oder synthetische Diamanten, beispielsweise Diamanten mit einer Teilchengröße von 44 bis 250 &mgr;&pgr;&igr;, einem Schneideinsatz un: ter Bildung einer Schneide zur spanabhebenden Bearbeitung von Metallen einverleibt werden, die sich durch gute Festigkeit und Widerstandsfähigkeit gegenüberIn the method according to the invention, relatively inexpensive natural diamond chips or synthetic diamonds, for example diamonds with a particle size of 44 to 250 μιη , can be incorporated into a cutting insert to form a cutting edge for machining metals, which is characterized by good strength and resistance to

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. impacts and abrasion. The composite cutting insert according to the invention is particularly suitable for turning, drilling and milling superalloys with a machinability index of 10 or less.

BeispielExample

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 dem Zirkoniumblech wurde eine Schicht aus Diamantpulver (30 mg Diamantpulver mit einer Teilchengröße von 150 &mgr;&iacgr;&tgr;&igr;) mit einer Dicke von 0,4 mm ausgebreitet. Eine 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 15000C 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 Wiedervereinigung der beim 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 41 bestehenden Werkstück, das sich mit einer Geschwindigkeit von 16,4 m/min bewegte, ein rotglühender Span mit einer Breite von 2,3 mm und einer Dicke von 2,5 mm 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 Diamantteilchen beobachtet.A solid disk of cemented carbide (94 wt.% tungsten carbide - 6 wt.% cobalt) was provided as a counterpressure member. This cemented carbide disk was placed in a zirconium-lined mold and covered with a thin sheet of zirconium. A layer of diamond powder (30 mg of diamond powder with a particle size of 150 μm) with a thickness of 0.4 mm was spread on the zirconium sheet. A second disk of cemented carbide with a thickness of 3.3 mm was placed on the diamond layer. The entire assembly, together with the zirconium shield, was subjected to a pressure of approximately 57 kb and a temperature of approximately 1500 0 C for 60 minutes. A cylindrical body with a diamond layer consisting of diamond crystals firmly bonded to each other and to the cemented carbide body was obtained. The diamond layer was polished to form a cutting tool. Microscopic observation revealed extensive bonding between adjacent diamond grains and healing and reunification of the diamond grains crushed during compression of the filling at room temperature. In a test, the cutting tool thus manufactured removed a red-hot chip 2.3 mm wide and 2.5 mm thick from a workpiece made of Rene 41 alloy moving at a speed of 16.4 m/min. The cutting tool according to the invention had better abrasion resistance compared to a normal cemented carbide cutting tool and produced a better chip and a smoother machining surface. No chipping or flaking of diamond particles was observed during wear of the diamond layer.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen1 sheet of drawings

6060

Claims (1)

PatentanspruchPatent claim Verfahren zum Herstellen eines diamantbestückten Schneideinsatzes mit einem hochfesten Diamantteil aus weitgehend direkt aneinander gebundenen Diamantkristallen, der mit einer beträchtlich größeren Sinterhartmetallunterlage in situ zu einem monolithischen Verbundkörper vereinigt ist
dadurch gekennzeichnet, daßMethod for producing a diamond-tipped cutting insert with a high-strength diamond part made of diamond crystals that are largely directly bonded to one another and which is combined with a considerably larger cemented carbide base in situ to form a monolithic composite body
characterized in that
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