DE2224340A1

DE2224340A1 - Diamantpreßlinge mit geringem elektn schem spezifischem Widerstand

Info

Publication number: DE2224340A1
Application number: DE19722224340
Authority: DE
Inventors: Glenn Turner Andover Mass Bovenkerk Harold Paul Worthington Ohio Malloy, (V St A)
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1971-05-20
Filing date: 1972-05-18
Publication date: 1972-12-07
Also published as: JPS564508B1; US3744982A; FR2138856A1; JPS48186A; BE783656A; FR2138856B1; GB1376467A

Description

Dr. rer. nat. Horst Schüler PATENTANWALT

6 Frankfurt/Main 1, l8. Mai 1972 Niddastraße 52 Dr.Sb,/he.

Telefon (0611)237220 Postscheck-Konto: 282420 Frankfurt/M. Bank-Konto: 225/0389 Deutsche Bank AG, Frankfurt/M.

GENERAL ELECTRIC COMPANY

1 River Road Schenectady, N.Y,/U.S.A.

DiaaariJEpressllnge mit geringen elektrischem spezifischem Widerstand -j

Die vorllegehde mit geringen fahren zur

Erfindung betrifft polykristallin· Presslinge elektrischem spezifische» Widerstand und ein Vetf-Herstellung solcher Presslinge.

Naturdiamanten sind normalerweise nicht-leitend, doch sind einige Ausnahmen durch eine charakteristische blaue Farbe identifiziert wofden. Mit dem Aufkommen synthetischer Diamanten, nie sie gemäß der US-Patentschrift 2 9^7 610 hergestellt werden können, wurden Anstrengungen unternommen, synthetische Diamanten mit einer gesteuerten elektrischen Leitfähigkeit zu erhalten.

2 0 9 8 5 0/1088 Of?iß/_NAl

In der US-Patentschrift 3 148 161 wird die Herstellung elektrisch leitender Diamanten offenbart, die durch Anwenden des Verfahrens der erstgenannten US-Patentschrift in Gegenwart von Aktivatormaterialien, wie Borkarbid, Boroxid, Bornitrid usw., erhalten werden. Wie in Spalte .12, Zeilen 3-5 der zweiten US-Patent schrift ausgeführt, haben die hergestellten Diamanten spezifische Leitfähigkeiten von nur ICK Ohm-cm. In einer weiteren US-Patentschrift 3 O78 232 ist die Herstellung elektrisch leitender kubischer Bornitrids ·* nachfolgend als GBN bezeichnet -durch die Zugabe von Beryllium beschrieben.

Viele Jahre Lang wurden umfangreiche Forschungen hinsichtlich der Herstellung von Diamantaggregaten unternommen, die üblicherweise als polykristalline. Presslinge bezeichnet werden. In dieser Anmeldung sind die Begriffe "Pressling" und "polykristalliner Pressling" für Aggregate verwendet, die aus fein verteiltem Material hergestellt sind, das durch Kohäsion miteinander verbunden ist und eine Dichte von mindestens 9OJt der theoretischen Dichte der Mischung und vorzugsweise mehr als 95% der theoretischen Dichte hat. Das Ausgangsmaterial ist fein verteilter Diamant oder CBN, manchmal auch als Abrieb bezeichnet, dessen Teilchen einen geringeren Durchmesser als 100 Mikron aufweisen und Üblicherwelse kleiner als 40 Mikron im Durchmesser sind. Solches Material 1st relativ billig und wegen seiner sehr gerlngen Teilchengröße hinsichtlich der Verwendbarkeit begrenzt. Wenn man solches Material zu festen polykristallinen Presslingen formen kann, dann kann es mit dem großen Einkristalldiamanten auf dem Schleifmittelmarkt konkurrieren.

Ein vorgeschlagenes Verfahren zur Umwandlung des Abriebmaterials in einen polykristallinen Pressling besteht darin, da· Material solchen Temperatur- und Druckbedingungen auszusetzen, daß die hexagonale Kristallform des Materials in die kubische Form umgewandelt wird. Ein solches Verfahren kann in Gegenwart eines

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Bindematerials, wie Borkarbid, nach dem Verfahren der US-Patentschrift 3 136 615 durchgeführt werden.

Es ist in der Erfindung festgestellt worden, daß polycristalline Presslinge aus Diamant und CBN mit einem geringen elektrischen spezifischen Widerstand, wie für elektrische Kontakte brauchbar, hergestellt werden können, indem man mit Bor feglertes Diamant-Abriebmaterial oder mit Beryllium legiertes CBN-Abriebmaterlal

mit Tltandlboridpulver oder Zirkondlboridpulver vermischt und die Mischung solchen Bedingungen von Temperatur und Druck aussetzt, daß die hexagonale Kristallstruktur des AvBgangsmaterlals in die kubische Form umgewandelt wird. Der für diesen Zweck angewendete Druck liegt etwas oberhalb von 40,000 Atmosphären und die Temperatür etwas oberhalb von 1300⁰C. Die Bedingungen von Druck und Temperatur sind mit Bezug auf das hexagonal-kubische Phasendiagramm so ausgewählt, das die Herstellung des Presslings unter solchen Bedingungen stattfindet, bei denen die kubische Form stabil ist. .

Die Ausgangematerialien der vorliegenden Erfindung sind borlegierte fein verteilte Diamanten oder berylliumlegiertes fein verteiltes CBN-Material. Obwohl diese Materialien nach den US-Patentschriften 3 IW 1·61 oder 3 078 232 hergestellt werden können, ist eine Begrenzung auf dieses Verfahren nicht gegeben. Jedes Verfahren zum Legleren ist geeignet. Es ist jedoch erwünscht, daß der geringst mögliche elektrische spezifische Widerstand beim Legieren erhalten wird, da geringe spezifische Widerstände zu einem Endpressling führen, der einen geringeren spezifischen Widerstand aufweist, als das anders der Fall,, oder für Halbleiter-Anwendungen erwünscht wäre. Es 1st ebenfalls erwünscht, daß das Ausgangsdiamantmaterial einer kräftigen Reinigung unterzogen wird, wie einer Säurebehandlung, einem Ionenbeschuß durch elektrische Entladungsreinigung, einer Ultraschallreinigung, einer Hochtemperatur-Vakuumentgasung und deren Kombinationen, um einen Endpressling mit einer maximalen Kohäslon zu erhalten.

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Das legierte Material wird mit Titan- oder Zirkondiboridpulver gemischt, bis die Mischung 1/2 bis 20 Gew.-? des Diborids enthält. Ausgezeichnete Resultate wurden erhalt en,- wenn das Diborid in einer Menge von etwa 1 Gew.-Ϊ vorhanden ist und dieser Anteil ist bevorzugt. Höhere Anteile von Diborid führen manchmal zu Presslingen mit einem geringeren elektrischen spezifischen Widerstand, doch ist der geringere spezifische Widerstand nicht linear von dem Prozentgehalt des anwesenden Diborids abhängig. Die Mischung wird einer Sinterung unterworfen, die bei Drucken von mehr als 50 Kilobar - vorzugsweise etwa 65 bis 100 Kilobar - und Temperaturen von mehr als 1300⁰C - vorzugsweise mehr als l800°C oder höher - und für eine Zeit von 10 bis 30 Minuten ausgeführt wird. Eine geeignete Apparatur für das Sintern ist in der US-Patentschrift 2 941 248 beschrieben, auf die hiermit Bezug genommen wird. Vorzugsweise wird das Sintern in einem inerten oder einem solchen Behälter durchgeführt, in dem während des Sinterns eine reduzierende Atmosphäre vorhanden ist.

Die bei der Herstellung der Presslinge angewendeten Drucke basieren auf einem Eichverfahren, welches Bezug nimmt auf bekannte Änderungen des elektrischen Widerstandes bei verschiedenen Metallen bei Raumtemperatur unter bekannten Drucken, wie in der US-Patentschrift 2 941 248 beschrieben, wobei das Eichergebnis gemäß dem Artikel von P.P. Bundy "Kalibrierungs-Techniken in Apparaturen mit ultrahohen Drucken" in "Journal of Engineering for Industry, Mai 1961, Transactions of the ASME, Series B" korrigiert ist.

Temperatur- und Druckbedingungen für das Sintern sind als Bedingungen beschrieben worden, mit denen das in der hexagonalen Form vorliegende Ausgangsmaterial in die kubische Form umgewandelt werden würde.' Diese Bedingungen sind gut bekannt. Eine andere Art der Beschreibung der Bedingungen besteht darin, daß die Mischung einer Temperatur von mindestens 1300°C in dem Bereich des kubisch-hexagonalen Druck-Temperatur-Phasendiagramms ausgesetzt

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wird, in dem die kubische Form stabil ist. Für eine Sinterungstemperatur von 130O⁰C erfordert dies einen Druck von mehr als 50 Kilobar. Für eine Sinterungstemperatur von I5OO bis l8OO°C muß der Druck mindestens 65 bis 70 Kilobar betragen."

Gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellte Presslinge haben einen elektrischen spezifischen Widerstand von weniger als 10 Ohra-cm und üblicherweise im Bereich von 1 bis 2 Ohm-cm. Dies ermöglicht die Verwendung dieser Presslinge als Kontakte für Relais und Kontakte für mechanische Hochgeschwindigkeiteschalter für hohe Stromdichten. Zusätzlich zu einem geringen elektrischen spezifischen Widerstand haben die erfindungsgemäßen Presslinge eine hohe Beständigkeit gegen Abrieb durch aufeinander arbeitende Kontakte. Weiter haben sie einen geringen Reibungskoeffizienten und nur wenig oder keine chemische Affinität für aufeinander arbeitende Kontakte unter den Arbeitsbedingungen. Diese Eigenschaften gestatten die Verwendung der Presslinge als Kommutatorbürsten für Gleichstrom- und elektrische Universalmotoren.

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Claims

- 6 Patentansprüche

1. Verfahren zur Herstellung eines Presslings mit einer Dichte von mehr als 905? der theoretischen Dichte und einem elektrischen spezifischen Widerstand von weniger als 10 Ohm-cm, dadurch gekennzeichnet, daß man ein Material, ausgewählt aus borlegiertem synthetischem Diamantabrieb, berylliumlegiertem, kubischem Bornitridabrieb und deren Mischungen mit 1/2 bis 20 Gew.-Ji eines Materials ausgewählt aus Zirkondiboridpulver, Titandiboridpulver und deren Mischungen vermengt und die Mischung einer Temperatur von mindestens 1300⁰C in dem Bereich des kubisch-hexagonalen Druck-Temperatur-Phasendiagramms aussetzt, in dem die kubische Form stabil ist.

2. Pressling mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von weniger als. 10 0hm-cm, hergestellt nach dem Verfahren genrnÄ Anspruch 1.

3. Verfahren nach Anspruch I^ dadurch gekennzeichnet, daß der Gesamtgewichtsanteil des Diboridpulvers 1% beträgt.

4. Pressling mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von

Wtniger als 10 0hm-cm, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch j*.

5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Diborid Titandiborid ist.

6. Pressling mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von

v;e niger als 10 0hm-cm, hergestellt nach dem Verfahren gemäß Anspruch 5.

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