DE2353130A1 - Mikrokristallines monolithmaterial aus kohlenstoff - Google Patents

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. 23. 10. 1973 DA-9686

Institut Fisiki' Wysokich Dawlenij Akademii Nauk SSSR, UdSSR, Moskowskaja oblastj, Podolskij rayon, p/o Akademgorodok ■"."-.

MIKROKRISTALLINES MOiIOLITHMATERIAL AUS EOHLENSTOiT

Priorität vom 20. 3. 1973 UdSSR Nr. 1890751

Die Erfindung bezieht sich auf mikrokristalline Monolithmaterialiön aus Kohlenstoff, insbesondere auf Dianiantverwachsungen aus mikroskopischen Körnern«

Die vorliegende Erfindung kann erfolgreich für die Herstellung von Maschinenteilen, z.B. Gleitlagern, Arbeltsorganan von Werkzeugen (Meißeln, Bohrern, SehneIdwerkseugen, Glasschneidern> Ziehdüsen), Behaltern und Schmuckstücken angewandt warder.,

Es 1st das Bestehen von polykristallinen Diamanten in der Natur bekannt , Vielehe als 'VKarbonadös" bezeichnet werden. Earbonado stellt ein poriges Aggregat mit einer Dichte von 3,10 bis 3_S45 s/on?_t. gebildet durch Diaaantkorner' ailt einer Größe von einigen Bruchteilen des Mikrometers bis zu 20 Mikrometer, dar* In den Dlamantlagerstätton komiat Karbonado sahr

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selten C f 0,1% der Weltgew Innung) und außerdem als Stücke unbestimmter zufälliger Form vor, was ihre Verwendung- stark erschwert«

Es ist synthetisches ρ ο lykr is tall ines Dlamantmaterlal In Form von nichtfesten grobkristallinen Gebilden, -Pr us en, bekannt, welches nach dem durch das französische Patent Ur* 1505712 geschütz ten Verfahren als Körper einfachster geometrischer Form alt unebener Oberfläche erhalten wird. Bin solches Material wird durch eine Korngröße des Diamanten von ^y 0,5 mm, eine Dichte von etwa 5,55 g/cm und eine Größe der Unebenheit der Oberfläche von etwa verdoppelter Korngröße, d.h. bis 1,0 mm gekennzeichnete Bei eines solchen Typ des Anelnanderhaftens der Diamantkörner, In Form einer freigewachsener Druse, ist es praktisch unmöglich, .Fertigerzeugnis*-* so mit vorgegebener Form, und Oberflächenbeschaffenheit zu erhalten» Die Erteilung einer solchen Druse selbst relativ unkomplizierter Form und der vorgegebenen Oberflächenbeschaffenheit erfordert eine mehrstündige arbeitsintensive spezielle Bearbeitung derselben, z.B. durch Schleifen.

Es ist noch ein synthetisches feinkörniges Dlamantmaterlal In Form von Kompakten bekannt, welches nach, dem durch das USA-Pa-

tent Hr. 5574-580 geschützten Verfahren als Körper einfachster

geometrischer Form erhalten wird, deren Oberflächenebenhelt durch. die Wandungen des Behälters bestimmt wird. Dieses Material erhalt man durch Sintern von Diamantpulver mit einer Korngröße von vorzugsweise 0,5 bis 5,0 Mikrometer. Es wird durch eine Dichte* von

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weniger als 5,5 g/cm . und niedrige mechanische !Festigkeit gekennzeichnet, die besondere Vors lent bei der Drucksenkung nach, dem Sintern zum Vermeiden einer Zerstörung des Kompaktes erfordert* Die ungenügend hohe mechanische Festigkeit solcher Diamantkompakt a 1st hauptsächlich durch das Fehlen von Verwachsungen zwischen den einzelnen Körnern bedingt, was sich bei der Struktur unter suchung erkennen läßt. Die Form des Diamantkompaktes wird durch die Form 'des Behälters bestimmte Dies begrenzt die Vielfalt der praktisch erreichbaren Formen der Diamantkompakte durch einfache geometrische Figuren (z.B# massiver Zylinder)· Die Unterschiede in den thermomechanischen Eigenschaften des Materials des Behälters und des Diamantpulvers wirken sich in der Tat unter den Bedingungen der Herstellung polykristalliner Diamantkompakte nach dem bekannten Verfahren besonders stark bei der Herstellung von Diamantkompakten komplizierter Form aus» Somit sind die nach dem bekannten Verfahren hergestellten Diamantkompakte nicht erfolgversprechend fur die Herstellung . polykristallinen Gebilde-erforderlicher Form und * Oberflächenbeschaffenheit, die mit den natürlichen polykristallinen Diamanten vergleichbare Festlgkelts- und Schleifeigenschaften besitzen·/

Der vorliegenden Erfindung wurde die Aufgabe zugruDdegelegt, die Bildung ■ eines mikrokristallinen Monolithmaterials aus Kohlenstoff mit Diamantstrukfeur, dessen Körner zu gesetzmäßigen Verwachsungenverwachsen sind und welches verbesserte mechanische,

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Schleif- und andere Eigenschaften besitzt, in Form von Erzeugnissen vorgegebener Form, mit einer Oberflächenbeschaffenheit in einem Bereich der Größe der Unebenheiten von 10 bis 60 Mikrometer zu ermöglichen·

Biese Aufgabe wird erreicht durch die Umwandlung eines kohlenstoffhaltigen Nichtdlamantmaterials in mikrokristallines in der Diamantstruktur kristallisiertes Monollthmaterial, welches aus miteinander verwachsenen von 0,1 Mikrometer bis zu einigen Mikrometern großen Körnern besteht und erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet wird, daß dieses Monolithmaterial die vorgegebene geometrische Form aufweist, die der Form und den Abmessungen nach dem geforderten Fertigerzeugnis entspricht, in beliebig großer vorgegebener Anzahl Identischer Exemplare hergestellt wird, eine Dichte über 3,55 g/cm , eine Schleiffestigkeit über 100 000, eine Oxydatlonstemperatur an der Luft über 70O⁰C, eine Härte aufweist, daß es die härteste Fläche des Diamanten, die Oktaederfläche, ritzt., eine Gitterkonstante oC = 3,566A bei der Temperatur von 25^CC und dem Druck von 1 atm, die vorgegebene Oberflächenbeschaffenheit mit einer Größe der Unebenheiten von 10 bis 60 Mikrometer und Körner besitzt, die miteinander gesetzmäßige Verwachsungen bilden. Die vorliegende Erfindung wird durch folgende Beschreibung und Zeichnungen naher erläutert, In denen zeigen:

Flg» 1 eine Modifikation der Kammer mit Ambossen, die für die Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendet wurde;

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Fig· 2 die Reaktionszelie für die in Abb· 1 dargestellte Kammer; '

Fig, 5 den Querschnitt der in Abb· 2 dargestellten Reaktionszelle (Draufsicht), der die gegenseitige Anordnung ihrer Teile Illustriert j

Flg· 4- das Gesamtschema der Erhitzung der in Abb. 2 dargestellten Reaktionszelle mit elektrischem Strom·

Die für die Einwirkung auf das kohlenstoffhaltige ITichtdiamantmaterial mit hohem Druck verwendete Apparatur stellt eine Modifikation" der durch das französische Patent Ur. 71021^7 geschützten Einrichtungen zum Erzeugen von Hochdruck dar· Diese Modifikation 1st in entsprechendem Maßstab in FIg* 1 dargestellt« Fig· 1 zeigt eine, aus zwei Hälften bestehende Kammer, die

durch zwei zentral und' gegeneinander angeordnete Stempel 1 gebildet ·. : wird, welche in eine .Konstruktion aus konzentrisch angeordneten Bandageringen 2 eingepreßt sindidlei: eine ausreichende axiale.· UhterstütZüilg der Stempel i gewährleisten, die diese vor der Zerstörung im Prozeß der ümwandliing des kohlenstoffhaltigen liiehtdiamantmaterials in mikrokristallines Monolithmaterial aus Kohlenstoff mit Diamantstruktur schützt.Als besonders geeignetes Material für dieι Stempel 1, erwies sich harte legierung auf der Basis von Wolframkarbid (9M,?C₈ S^^Co). Die Mpdlflkatlon der/ Konstruktion der Stempel I^angewandt 3Ln der vorliegenden Erflndungj bezieht ,sich auf die konkrete Form der Arbeitsfläche der . Stempel 1_f die Größe und die Form der Yertiefungen 5 auf dieser

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Fläche· Als geeignetes Material für die Bandageringe 2 der Unterstützung der Stempel 1 verwendete man legierte Stähle von nicht weniger als I5O kp/cm Festigkeit, gehärtet auf 48 bis $0 Einheiten nach der Rockwell-Skala "C"·

Eine andere Vervollkommnung in der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf das Dicht längsverfahren· Als Dichtung für die Hochdruckkammer, dargestellt in Fig. 1, und gleichzeitig für das den. Druck auf die Reaktionszelle 4 übertragene Medium verwendete man dichten Kalkstein, der als Lithografiesteln bezeichnet wird· Aus dem Lithograf lest ein fertigte man eine Tablette 5, deren Stirnflächen das Belief des Abdrucks von der Oberfläche der Vertiefungen 5 der Stempel 1 wiedergaben« In der Mitte der Tablette 5 ist perpendikular zur Ebene der Tablette 5 ein Kanal zum Unterbringen in diesem der Reakt ions zolle 4 ausgeführt (Fig_e 1, 2_S 3)© Die Höhe der Tablette 3 wird experimentell so gewählt ₈ daß nach der Erzielung in der Reaktionszelle 4 des für die Umwandlung des kohlenstoffhaltigen ITichtdlamantmaterials in mikrokristallines Monollthmaterlai aus Kohlenstoff mit Diamant struktur erforderlichen Drucks der Abstand zwischen Ansätzen 6 auf den Oberflächen der Stempel 1 ungefähr 1 mm beträgt» Bei der Annäherung der Stempel 1 im Prozeß des Zusammendrückens bildet sich zwischen diesen eine mit dem Material der Tablette 3 gefüllte Plgurdichtung, wodurch es möglich. wirdj die Hochdruckkammer (Fig. 1) in allen Stufen der Veränderung des Druckss und der Temperatur und insbesondere während dsr Impulserhitzung der vorher zusammengedrückten Reaktionszelle 4 sicher zu

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verschließen." ; '

Die Eealdsionszelle 4 wird In der Tablette zwischen den Stirnflächen der Stempel 1 untergebracht. Die Reaktionszelle 4 als zusammenzudrückendes Objekt enthält einen Erhitzer 7» einen Katalysator 8 und ein kohlenstoffhaltiges Niohtdlamantmaterial, vorzugsweise Graphit, das als Halbzeugmodell 9 für das Erzeugnis aus dem mikrokristallinenMonolithmaterial aus Kohlenstoff mit , Diamant struktur dient und dessen Form und Oberflächenbeschaffenheit durch die Form und die Oberflächenbeschaffenheit des Halbzeugmodells 9 gegeben ist· Die Anordnung und die Wechselwirkung der Teile der Reaktionszelle 4 wird in Abb. 2 und 3 dargestellt. Der Erhitzer 7 besteht aus zwei Teilen, die zusammengebaut einen runden hohlen, an den StimseIten geschlossenen Zylinder bilden, dessen Hohe der Hohe der Tablette 5.gleich ist oder diese übersteigt, während der Durchmesser einen dichten Einsatz des Erhitzers 7 In die Tablette 5 gevvährlelstet· Es wird empfohlen, den Erhitzer 7 aus Graphit herzusteilen» Den Katalysator 8 der Umwandlung des kohlenstoffhaltigen

Nichtdiamantmaterials In mikrokristallines Monolithmaterial aus \ '' " .. . ■■ -.--_..-" . - "._■■"-■ _ ... Kohlenstoff mit-Diamant struktur verwendet man In der vorliegenden Erfindung in Form von feinkörnigem Pulver. Der Katalysator 8 wird im Innenraum des Erhitzers 7 untergebracht, indem mit diesem der ganze freie Raum um das Halbzeugmodell 9 erfüllt wird. Den Katalysator 8 nimmt man aus der Reihe der bekannten

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und · ..

Metalle, Legierungen. Verbindungen, die fur die Umwandlung kohlenstoffhaltiger Materlallen unter der Einwirkung hohen Drucks und hoher Temperatur In Diamant verwendet werden, beispielsweise Metalle der VIII· Gruppe des Periodensystems, Ihre Legierungen, Karbide und Metallkarbidsysteme·

Das Halbzeugmodell 9 aus dem kohlenstoffhaltigen Material wird vorwiegend aus Graphit hergestellt, welchem die Form des Fertigerzeugnisses erteilt wird, während die Oberfläche des Halbzeugmodells 9 auf eine Oberflächenbeschaffenheit bearbeitet wird, die ungefähr um eine bis zwei Klassen die ^berflächenbeschaffsnhelt übersteigt, die für das Fertigerzeugnis aus dem mikrokristallinen Monolithmaterial aus Kohlenstoff mit Diamant struktur gefordert wird· Das auf diese Welse ausgeführte ^Halbzeugmodell 9 taucht man In den pulverformlgen Katalysator 8 Im Inneren des hohlen Erhitzers 7 und bringt In zentraler Stellung gegenüber dem Erhitzer 7 und dem diesen erfüllenden pulverförmigen Katalysator 8 ein· .

Die In Flg· 1 dargestellte Kammer gewahrleistet die Erzielung

eines Druckes, der für die Umwandlung des kohlenstoffhaltigen kichtdiamantmaterials in mikrokristallines Monolithmaterial aus ■Kohlenstoff mit Diamant struktur notwendig 1st· Die Anwendung der Kammer (Fig· 1) schließt deren Unterbringung zwischen den Backen einer geeigneten Presse (in der Abbildung nicht angedeutet) ein, die Annäherung der Hälften der Kammer (Flg. 1) in der zur Kammerebene perpendlkularen Richtung und als Ergebnis das Zusammendrücken

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der Tablette 5 und der Re akt Ions ze He 4 bis zum Erzielen Im Inneren der Reaktionszeit 4 eines hohen Druckes. Zur Eichung der Kammer -.(Fig. 1) nach dem Hochdruck wandte man die konventionelle Methodik an· Diese Methodik besteht in der Einwirkung auf bestimmte Metalle, in denen unter der Wirkung des Drucks Phasenumwandlungen Zustandekommen, mit bekannten Drucken«» Dabei werden die Phasenumwandlungen in diesen Metallen nach der Veränderung ihrer .elektrischen Eigenschaften registriert· So ist beispielsweise ein wesentlicher Punkt auf der Eichungskur^e nach dem Druck für die νο liegende Erfindung der Punkt, der der Umwandlung Bl V—*Bi YI entspricht j bei der es zu einer sprunghaften Verminderung des elektrischen Widerstandes von Bi kommt, die einem Druck von 89 kbar zugeordnet wird. Für die Eichung der Kammer nach dieser Methodik wandte man Umwandlungen. in Wismut _s und zwar % B2, I«—***B1 II bei g>,4 kbar, Bl II-»Bi III bei 26,9 kbar, BK V--*B1 VI bei 89 kbar§ in Thallium und zwar? Tl Ι—*·Τ1 II bei 36,7 kbar und in Barium Ba I~*-Ba II bei 59 kbar an_e Die nach der beschriebenen Methodik geeichte Kammer, dargestellt in Abb„ 1₈ gewährleistet eine mehrfache Reproduktion der geforderten Druckgrößθ in der" Reaktionszelle* ^v Die Erhöhung der Temperatur in der Hochdruckkammer_s dar-, gestellt in Fig· 1₈ im Inneren der Reaktionszelle 4 wird errflicht durch das Durchleiten des elektrischen Stroms durch den leitenden Querschnitt der Reaktionsseile 4. Die Erhitzung erfolgt durch die 2oulesche Warme, die gleichzeitig in dem Graphlthalbseugsiodell 9,

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dem pulverförmig en Katalysator 8 und dem Erhitzer ? beim Durchleiten durch, diese eiiies Impulses des elektrischen Stroms entwickelt wird· Die Zuführung des elektrischen Stroms an die ßeaktionszelle 4· erfolgt durch die Stempel 1 der Kammer, die Backen der Presse und die Kupferschlenen (in der Zeichnung nicht angedeutet), die an eine Energiequelle angeschlossen sind. Der elek·« tusche Kontakt des Stempels 1 mit dei Reaktionszeit 4 wird erreicht Im Prozeß des Zusammendrücken der Reaktionszelle 4 in der Kammer (Fig. 1), wobei als Kontaktflächen die Stirnflächen der Ee akt Ions ze He 4 und entsprechende Teile der wirksamen fläche der Vertiefungen 3 der Stempel 1 dienen, die sich unmittelbar auf die Stirnflächen der Ee akt Ions ze He 4 stützen» Die Konstanz der Größe des Kontaktwiderstandes wurde in de£ lüahe eines Druckes von etwa 10 kbar erreicht. Der rasche und kurzzeitig© Temperaturanstieg im Inneren der Keaktionszelle 4 kann in der vorliegenden Erfindung beispielsweise mit Hilfe eines Stromkreises erzielt werden, in dem. eine Entladung der Kondensatorenbatterie zustandegebracht wird, wobei der Entladungsstrom beim Durchfließen durch ate Beakt Ions zelle 4 zu einer Erhöhung der Temperatur derselben fahrt. Ein etwas langsamerer Temperaturanstieg im Inneren der Heaktionszelle 4 wird bei der Anwendung eines gewöhnlichen, in Pig· 4 dargestellten Erhltzüngsschemas erreicht_s das einen Krafttransformator 10, einen Magnetverstärker 11 _g einen Spannungsstabilisator 12, einen Stromtransforaator Λ3 und die Reaktionszelle 4 enthält« Die Wirkung dieses letzteren Erhitzuxtgsverfalireis

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zur Erzielung eines Temperaturanstiegs während 1 Sekunde auf mindestens etwa 150O⁰C besteht In der Zuführung einer vorher gewählten elektrischen Leistung in die Reactionsζelle4.

Die Temperatur im Inneren der Eeaktlonszelle 4 kann durch Berechnung oder. Eichung bestimmt werden· Die Elchungsexperimente für Temperatur wurden durch Feststellung der Abhängigkeit zwischen der Große der der ReaktIonsζeile 4 zugeführten elektrischen Leistung und den Anzeigen des Thermoelementes, dessen Kugel im Inne- sen der Reaktionszelle 4 angeordnet wurde, durchgeführt. Die Dauer' der Eichungs- und der Hauptexperlmente wurden genauso wie auch die Bedingungen der wärmeabfuhr abgestimmt« Die Temperaturwerte und die diesen entsprechenden Größen der elektrischen Leistungen wurden als Mittelwerte aus einer großen Zahl der Experimente be*■ stimmt· Als Temperaturgeber dlenteYPlatin-Platlnrliodium-Thermoelement (10% Rhodium)· Die Temperaturen im Inneren der Reaktionszelle 4, die 1j?OO^öG übersteigen, wurden durch Extrapolation der Abhängigkeit der. der Reaktlonszelle zugeführten Leistung von der Temperatur-im Inneren derselben bestimmt· In der Praxis der vorliegenden Erfindung wurde das durch den UdSSR-Urheber .sehe in Nr. 329761* das französische Patent Ur« 7047562 und das englische Patent ITr, ' .I5OO65O geschützte Verfahren zur Herstellung von polykrlstalliaen Diamantaggregaten der νorgegebenen Form angewandt, welches im folgenden besteht·

Dem Halbzeugmodell 9 aus einem kohlenstoffhaltigen ITichtdlamantmaterial erteilt man die Form des zukünftigen Erzeugnisses

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aus dem mikrokristallinen Monolithmaterial aus Kohlenstoff mit Dlamantstruktur· Die Oberflache des Halbzeugmodells 9 bearbeitet man bis zu einer Oberflächenbeschaffenheit, die ungefähr um zwei Klassen die Oberflächenbeschaffenheit übersteigt, die für die Oberfläche des mikrokristallinen Monolithmaterials aus Kohlenstoff mit Diamant struktur gefordert wird. Dann wird das Halbzeugmodell 9 vom pulverförmiger!. Katalysator 8, der beispielsweise aus Metallen der VIII· Gruppe des Periodensystems, Ihren Legia-

oder
rungen, Karbiden läetallkarbidsystemen besteht, umgeben und einem Hochdruck von mindestens 80 kbar ausgesetzt« Zur Bewahrung der Form und der Unversehrtheit des Halbzeugmodells 9 Im Prozeß des Kusammendrückens, besonders für Halbzeugmodelle komplizierter Form mit hoher Oberflächengüte, ist eine gleichmäßige übertragung des Druckes über die ganze Oberfläche wesentlich.

Die Gleichmäßigkeit des Zusammendrückens des kohlenstoffhaltigen Nlchtdlamanthalbzeugmodells, beispielsweise des Graphlthalbzeugmodells 9, unter der Wirkung eines äußeren Druckes, hängt sowohl von den Eigenschaften des für die Herstellung des Halbzeugmodells gewählten Graphits als auch von den Eigenschaften des den Druck übertragenden Mediums ab·

Deshalb verwendet man für Halbzeugmodelle 9 komplizierter Form mit ho.her Oberflächengüte Graphit mit guter Bearbeitbarkeit sowohl Im Hinblick auf die Operationen der Ausführung des Halbzeugmodells mit einem bestimmten Profil und einer bestimmten Oberflächenbeschaffenheit als auch im Hinblick auf das Zusamnien-

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drucken mit Hochdruck. Als Medium, welches den Druck unmittelbar auf das Halbzeugmodell 9 überträgt, verwendet man den pulverförmlgen Katalysator θ-·;-Die Verwendung des pulver formlgen Katalysators 8 ist technologisch einfach genug und gewährleistet eine um so größere Annäherung an den hydrostatischen Druck, Je höher der Koeffizient der Ausfüllung des Beliefs des Halbzeugmodells 9 durch den pulverförmlgen Katalysator 8 1st· Somit taucht man das Halbzeugmodell 9 aus dem kohlenstoffhaltigenJilchtdiamantmaterial In den pulverförmig en Katalysator 8 unter Erzielung einer möglichst vollständigen Ausfüllung der Hohlräume und der Vertiefungen in dem Halbzeugmodell und um dieses herum· Die Wahl der Zusammensetzung und der Menge des pulverförmigen Katalysators 8 sowie d§r Qualität der Ausfüllung, die ein gleichmäßiges Zusammendrücken des Halbzeugmodells 9 gewährleistet, erfolgt experimentell. Dabei wird eine um so bessere Bewahrung der Reliefeinzelheiten des Halbzeugmodells 9| ausgeführt beispielsweise aus Graphit, erreicht, $q höher die Isotropie der Zusammendrückbarke It des verwendeten Graphits und je schwächer das Aneinanderhaften dessen Teilchen während der ganzen Dauer des Zusammendrückens ist· Uach dem Zusammendrücken erhitzt man das kohlenstoffhaltige Nichtdiamanthalb-.zeugmodell, das in den pulverförmlgen Katalysator 8 getaucht ist, mittels eines Impulses des elektrischen Stroms auf eine Temperatur von mindestens um 15OO°C während 0,1 bis 19 Sekunden· Diese Zeit reicht aus für die Bildung von mikrokristallinem Monolithmaterial aus Kohlenstoff mit Diamantstruktur» ",-.-....

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Die Umwandlung des kohlenstoffhaltigen ITlchtdiamanthalbseugmodells 9 In mikrokristallines Monollthmaterial aus Kohlenstoff' mit Dlamanbstruktür wird durch rasche Kristallisation unter den Bedingungen starker Übersättigung begünstigt^ Der mikrokristalline Aufbau des sich bildenden Monolithmaterials aus Kohlenstoff mit Diamantstruktur macht es seinerseits möglich, die vorgegebene Form und das Profil der Oberfläche des Halbzeugmodells 9 dank geringer Größe der das genannte Material aus Kohlenstoff zusammensetzenden fest aneinander haftenden Dlamantkristalle beizubehalten Die geringen Abmessungen und die große Zahl.der Kristalle, die das mikrokristalline Monolithmaterial aus Kohlenstoff mit Diamant struktur zusammensetzen, bilden sich durch die stark entwickelte Kon- ' takfcf lache des pulverförmig en Katalysators 8 mit dem kohlenstoffhaltigen Hichtdiamantmaterial des'Halbzeugmodells 9 und infolge-. dessen durch zahlreiche Entstehtuig^der Kristallisationskeime· Die Umwandlung des kohlenstoffhaltigen Nichtdiamanthalbzeugmodells 9 in mikrokristallines Monolithmaterial aus Kohlenstoff mit Diamantstruktur vollzieht sich während der Einwirkung des Impulses des elektrischen Stroms· Der hohe Grad der geometrischen Ähnlichkalt ^vdes Halbzeugmodells 9 und des mikrokristallinen Monolithmaterials aus Kohlenstoff mit Diamantstruktur wird erreicht auch durch die Isothermischen Bedingungen der Umwandlung des kohlenstoffhaltigen liichtdiamanthalbzeugmodells 9 in mikrokristallines Monolithmaterial aus Kohlenstoff mit Diamantstruktur in der ganzen Vielzahl der Kontaktpunkte des genannten Halbzeugmodells 9 mit dem puiver-

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förmlgen Katalysator 8. Diese Bedingungen kommen, infolge des raschen Ablaufs des Ümwandlungsprozesses zustande und machen es möglich, um so geringere Abweichungen von der vorgegebenen Form und der Oberflächengüte des mikrokristallinen MonolltMaterlals aus Kohlenstoff mit Diamantstruktur zu erzielen, je homogener in Ihrer Struktur und Zusammensetzung die Ausgangsmaterialien, das kohlenstoffhaltige Nichtdiamantmaterial, ζ·Β· Graphit, und der Katalysator sind·

Die fertigen Erzeugnisse aus dem mikrokristallinen Monolith-

einer material aus Kohlenstoff mit'Diamantstruktur wurden morphologischen und mlkromorphologlsoher Analyse unterzogen. Es wurde festgestellt, daß das anmeldungsgemaße Material es möglich macht, die dem Halbzeugmodell 9 erteilte Form und Oberflächenbeschaffenheit nach dem durch den UdSSR-Urheber schein ITr. J5297'61, das französische Patent · 704-7562 und das englische Patent Nr. 15ΟΟ65Ο geschützten Verfahren wiederzugeben· Die morphologische Untersuchung des vorge-

eines

schlagenen Materials wurde sowohl mit Hilfe .;.. ,binokularen Mikroskop bei Vergrößerungen 20 bis 40 als auch mit unbewaffnetem Auge durchgeführt. Die mikroskopische Untersuchung der Schliffe des vorgeschlagenen Materials bei Vergrößerungen gegen 500 auf metallographischem Mikroskop gestattete es, Einschlüsse der Katalysatorverunreinig ung en in Form dünner (in der Größenordnung eines Mikrometers) Zwischenschichten zwischen einigen Diamantkristalliten, die die Grundlage des vorgeschlagenen Materials bilden, zu beobachten.

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DIe elektronenmikroskopische Untersuchung der Struktur des vorgeschlagenen Materials ermöglichte es, die Abmessungen der einzelnen Diamantkörner zu bestimmen und für das genannte .Material charakteristische gesetzmäßige Verwachsungen der Körner miteinander nachzuweisen· Die Größe der einzelnen Dlamantkör.ner, errai&telt aus diesen Experimenten, liegt Im wesentlichen Im Bereich Von 0,1 bis zu einigen Mikrometern· A*hnliche Resultate in der Bestimmung der Korngröße des vorgeschlagenen Materials lieferten auch KÖntgenbeStimmung en nach den Laue—Diagrammen der Proben des genannten Materials· Die KÖntgenstrukturbestimniung des Gitterparameters des vorgeschlagenen Materials wurde durch Aufnahme der Proben des genannten Materials mit Vergleichsstoff durchgeführt, wobei man als letzteren Kochsalz verwendete· Die Aufnahme erfolgte auf Cu-Strahlung mit Ni-Filter» Die aus diesen Messungen berechnete Gitterkonstante für das vorgeschlagene Material beträgt

oi₀ = 3»566 4 · Die Röntgenspektraluntersuchung der Schliffe des vorgeschlagenen Materials führte zu mit den Angaben der metallographischen Untersuchung übereinstimmenden Ergebnissen hinsichtlich der Abmessungen und der Lage der Katalysatoreinschlüsse und gestattete es, die Schlußfolgerung über die Metall-Kohlenstoff-Zusammensetzung dieser Einschlüsse zu ziehen, wobei die Metallkomponente des Einschlusses als ihre Quelle den verwendeten Katalysator der Umwandlung des kohlenstoffhaltigen Nichtdiamantmaterl- als In mikrokristallines Material aus Kohlenstoff mit Diamantstruktur hat. Die Messungen der Dichte des vorgeschlagenen Mat er I-

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als wurden sowohl mit Hilfe von MikropyknOmeter als auch unter Verwendung der Clerlcl-Flüsslgkelt durchgeführt. Im ersteren Fall . verwendete man zur Messung eine spezielle geeichte Kapillare und eine Fraktion des dazu zerkleinerten Materials mit einer Korngröße von £ 1 mm· Als Arbeitsflüssigkeit in dem Kaplllarpyknometer diente Äthylalkohol· Die Bestimmung der Dichte des vorgeschlagonen Materials in Form von' Erzeugnissen vorgegebener Form von einigen Millimetern Größe erfolgte durch deren Tauchen In die Cleric!-Flüssigkeit mit im voraus bekannter Dichte. Die Ergebnisse der Dichtebestimmung nach den beiden genannten Verfahren machten- es möglich, einen Betrag zu erhalten, der 5»55 g/cm übersteigt· Die außerordentliche Harte und die damit feng verbundene Schleiffestigkeit des Diamanten machten es notwendig, diese Kennwerte für das vorgeschlagene Material zu bestimmen· Die SohleIffestigkeIt des vorgeschlagenen Materials wurde bestimmt als Verhältnis der Gewichtsdifferenz der Schleifscheibe vor und nach deren Abrichten mittels des vorgeschlagenen Materials zur Gewichtsdifferenz des genannten Materials vor und nach dem Abrichten, Zum Abrichten verwendete, man Schleifscheiben mittlerer und hoher Harte, die mit Diamantwerkzeug abzurichten sind·

Die aus diesen Prüfungen ermittelte Größe der SohleIffestigkeil wurde durch eine Zahl gekennzeichnet, welche sicher 1000000 übersteigt» Zur Vergleichsbewertung der Härtegröße des vorgeschlagenen Materials wurde das Ritzverfahren angewandt· Die Bestimmung der

einei? Harte des Materials erfolgte durch Ritzen mit scharfen Kante, der

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;en Fläche des monokrIstallinen, darunter auch des Naturdiamanten· Bekanntlich Ist eine solche Fläche Im Diamanten die mit der Ebene (III), der Oktaeder ebene, zusammenfallende Fläche» Da das vorgeschlagene Material hohe Harte- und Schielffestlgkeits.r werte aufweist und In Werkzeugen sehr breite Verwendung finden kann, deren Arbeitselemente im Betriebsprozeß auf hohe Temperaturen erhitzt werden, wurde die Thermostabllltät des genannten Materials durch die Bestimmung der Temperatur des Beginns seiner Oxydation an der Luft untersucht» Zu.diesem Zweck brachte man das vorgeschlagene Material in einen Ofen ein und erhitzte dieses während einer bestimmten Zeltdauer bei fixierter Temperatur· Die Temperatur des Oxydationsbeginns wurde mittels eines abgeschirmten Chromel-Alumel-Thermoelementes registriert und auf den Zeitpunkt des Auftretens einer Gewichtsabnahme des äfeterials bezogen· Die durchgeführten Bestimmungen am vorgeschlagenen Material ergaben, daß die Temperatur des Oxydationsbeginns des genannten Materials an der Luft ?00°C übersteigt.

Das mikrokristalline Monolithmaterial aus Kohlenstoff mit

Diamantstruktur, welches Gegenstand der vorliegenden Erfindung is$

kann in der metallbearbeitenden Industrie, im Bergbau, in der •Maschinenbauindustrie und in anderen Industriezweigen und in der Wirtschaftstätigkeit breit verwendet werden. Das vorgeschlagene Material besitzt die Vorteile der bekannten mikrokristallinen Monolithmaterialien aus Kohlenstoff mit Diamant struktur und zeichnet sich auch durch, eine Reihe wertvoller anwendungstechnischer

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Eigenschaften aus, die bet den bekannten Materialien fehlen· . So besitzt das vorgeschlagene Material, verglichen mit der be-. kannten als Karbonado bezeichneten natürlichen Abart des polykristallinen Diamanten, die man in der Erde in Form von Stucken verschiedener unregelmäßiger JOrm findet, eine regelmäßige vorgegebene Form dieses oder jenes Erzeugnisses. Die Oberfläche des natürlichen Karbonados wie auch seine Geometrie tragen keine irgendwie bestimmten Charakter, wahrend das vorgeschlagene Material eine vorgegebene Oberflächenbeschaffenheit besitzt, die sich durch eine bestimmte Größe der Unebenheiten kennzeichnet·

Die höchste '(unter den in der Natur vorkommenden und künstlichen bekannten Materialien) H&i^e und Verschleißfestigkeit des Karbonados ist in bedeutendem Maße mit dem mikrokristallinen Bau dieses Diamantpolykristalls verbunden» Das vorgeschlagene Material wird ebenfalls durch mikrokristallinen Bau gekennzeichnet, das Kennzeichnende des vorgeschlagenen Materials ist es aber, daß seine Körner häufig festeVerwachsungen nach einem bestimmten kristallögraphlschen Gesetz, d.he sogenannte gesetzmäßige Ver- , wachsungen"bilden, was im naturlichen Karbonado nicht beobachtet wird· Die hohe Harte und Verschleißfestigkeit des vorgeschlagenen Materials tritt besonders anschaulich beiVergleichsprüfungen in Bohrwerkzeugen (Meißeln, Bohrern u.a.m.) in Erscheinung. So zeigten beim Bohren von Granltschichtenfolgen (unter sonst gleichen Bedingungen) die mit dem vorgeschlagenen Material ausgerüsteten

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Werkzeuge einen mehr als dreifachen Gewinn im Bohrfortschritt gegenüber den mit natürlichen monokristallinen Diamanten ausgerüsteten Werkzeugen. So hohe mechanische Kennwerte des vorgeschlagenen Materials sind hauptsächlich mit geringen Abmessungen (von 0,1 bis einige Mikrometer) und fester Verwachsung miteinander der das genannte Material bildenden Diamantkörner verbunden.

Im Zusammenhang mit dem Obendargelegten werden offensichtlicher die Schwierigkelten, mit denen man bei der Bearbeitung von Karbonado zwecks dessen Verwendung in Werkzeugen und zu anderen Zwecken zu tun hat, und die Vorteile, die das vorgeschlagene Material liefert, welches durch vorgegebene Form und OberflKchenbeschaffenhelt gekennzeichnet wird. Die Dichte des vorgeschlagenen mikrokristallinen Monolithmaterials aus Kohlenstoff mit Diamantstruktur übersteigt die Dichte des natürlichen Karbonados, während die Zusammensetzung der Verunreinigungen, die Größe der Einschlüsse und die Verteilung derart sind, daß das vorgeschlagene Material einen starren Monolith zum Unterschied von dem porigen Aggregat, wie es das natürliche Karbonado ist, darstellt. Die Verwendung als Katalysatoren der Umwandlung des kohlei) stoffhaltigen Nlchtdiamantmaterials in mikrokristallines Monolithmaterial aus Kohlenstoff mit Diamant struktur von Systemen, die an den DiamantkristallIten fest haftende dünne Einschlüsse hoher Harte bilden, begünstigt die Bildung einer nichtporigen Mont llthstruktur mit hohen mechanischen Kennwerten.

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Das synthetische Diamantmaterial,, erhalten nach dem bekannten durdh das französische Patent Nr#1505712 geschützten Verfahren, stellt grobkristalline Drusen dar, die durch einen Gesamtumriß vorgegebener·Form und unebene (unkontrollierbare) Oberfläche gekennzeichnet werden·Das vorgeschlagene-Material ist . mikrokristallin, d»h· die dieses bildenden Diamantkörner weIsen Abmessungen von 0,1 bis einige Mikrometer auf,was um 1000 bis 100 Male kleiner ist als die .Abmessungen der Korner in den Drusen des nach dem bekannten Verfaßren erhaltenen synthetIschen DIamantmaterials. Die Haftfestigkeit der Körner aneinander in den Drusen des synthetischen Diamantmaterials, erhalten nach dem bekannten ¥er fahr en, ist nicht hoch, wahrend.In dem vorgeschlagenen Material die hohe Haftfestigkeit der einzelnen Körner auf ihre Verwachsungen miteinander und die Bildung eines mikrokristallinen Monoliths zurückaufuhren ist· Die Größe der einzelnen die Drusen bildenden Kristalle. Im synthetischen Diamantmaterial, erhalten nach dem bekannten Verfahren, sowie der Ifinstand, daß die WaQhs-■tumsbedingungen dieser die Drusen bildenden Kristalle nicht gleich sind, fuhrt zu einem ungleichmäßigen Wachseii der Druse in verschiedenen Richtungen und zur Bildung von Unebenheiten der Oberfläche· Das vorgeschlagene Material w/ird durch mikrokristallinen Bau, vorgegebene Form und Oberflächenbeschaffenheit gekennzeichnet, wodurch es möglich wird, dieses in Form fertiger Brzeug· nlssa zu erhalten·

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Das synthetische Material, erhalten durch Sinterung von feinkörnigem Diamantpulver nach dem durch das USA-Patent Nr, 3574-580 geschützten Verfahren, wird durch niedrige mechanische Festigkeit und die äußere Form gekennzeichnet, die durch den Behalter, in dem die Sinterung des Diamantpulvers erfolgt, gegeben wird. Wie dies aus dem Verfahren zur Herstellung des bekannten synthetischen Materials selber folgt, bildet sich durch die Sinterung unter hohem Druck ein dicht gepreßter Kompakt aus Diamantteilchen, die jedoch dabei miteinander nicht verwachsen· Das Fehlen von Verwachsungen zwischen den Diamant te liehen, welchss sich bei der metallographischen Analyse leicht verfolgen läßt, liefert eine Struktur, die sich von der Struktur des vorgeschlagenen Materials stark unterscheidet, und ist daher eine wesentliche Ursache fur die niedrige mechanische Festigkeit solcher Kompakte· Das vorgeschlagene Material wird durch eine Monollthatruktur gekennzeichnet j die durch fest verwachsene mikroskopisch kleine Diamantkörner gebildet wird und dessen Dichte, mechanische Festigkeit und Schleiffestigkeit bedingt,

Beispeiel 1

Als Ausgangsprodukt zur Herstellung eines mikrokristallinen Materials diente ein spektral reiner künstlicher Graphit mit einer Dichte von 1,75 bis 1,85 g/cm³, der großtechnisch als Blöcke verschiedener Größe erhältlich ist. Aus einem derartigen Graphit wird durch mechanische Bearbeitung', z.B. Zerstampfen oder Fräsen, ein Modell hergestellt, also ein Muster in

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Form eines Oktaeders, da diese Form zur Anwendung in einem .Steuerinstrument bevorzugt wird.

Die Herstellung einer beliebigen Anzahl identischer Graphitoktaeder stellt keine technischen-Schwierigkeiten"-"dar und die Überführung der identischen Graphitoktaeder in entsprechende identische Oktaeder aus mikrokristallinem Material wurde über lOOQnal .mit einer Ausbeute von über 75^ durchgeführt. Zur Umwandlung eines Graphitoktaeders wird dieser in das Innere eines Erhitzers gebracht und mit Katalysatorpulver umhüllt, das ein Gemisch aus Wolframkarbid (79 Gew..^). Titankarbid (15 Gew. Yo) und Kobalt (6 Gew.^) darstellt j und in eine' Hochdruckkammer gebracht und zwar dort in den zentralen Kanal einer Tablette aus Lithographiestein.

Danach wird der Druck-mittels einer hydraulischen Presse in der Hochdruckkammer auf 100 kbar erhöht und dabei durch die Anwendung eines pulverförmigen Katalysators ein gleichmäßiges Zusammendrücken des Oktaeders unter Beibehaltung seiner Form und eine stark ausgeprägte Kontaktoberfläche des Oktaeders mit dem angegebenen Katalysator gewährleistet/Dann erwärmt ι man den auf 100 kbar zusammengepreßten Oktaeder und den ihn umgebenden Katalysator auf eine Temperatur von 2000°C. Die Erwärmung wird mittels elektrischem Strom durchgeführt, der durch den Erhitzer, den Katalysator und den Oktaeder strömt, Die Erhitzung erfolgt kurzzeitig in Form eines Impulses im Laufe von 5 Sekünden unter gleichzeitiger Erwärmung des Oktaeders und Katalysators, wodurch das synchrone Umwandeln von

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Graphit in das erfindungsgemäße Material an allen Berührungsoberflächen von Graphit mit Katalysator gewährleistet ist. Die Umwandlung des Graphit-Oktaeders in das erfindungsgemäße Material wird durch den starken Abfall des Erwärmungsstromes fixiert unter einem gleichzeitigen Ansteigen der Spannung, wonach die Erwärmung abgebrochen wird, eine Druckverminderung in der Hochdruckkammer auf Atmosphärendruck erfolgt. Das so erhaltene erfindungsgemäße Material hat dann die vorgegebene Form eines Oktaeders mit gewissen Unebenheiten auf der Oberfläche, im wesentlichen im Bereich von 30 bis 50 yum Das erfindungsgemäße Material ist durch eine mikrokristalline monolithische Diamantstruktur gekennzeichnet mit einer Korngröße im wesentlichen im Bereich von 0,9 bis 3yum Ein Teil der Körner liegt als - Zwillinge vor. Das Oktaedermaterial ist durch eine Abrasivfestigkeit von 1200000 bei der Umdrehung einer Scheibe mit mittlerer Härte nach "der Standard-Härteskala ausgezeichnet mit einer Oxydationsbeginn-Temperatur in der Luft von 750⁰C und einer Härte, die die Ebene eines oktaedrischen Diamanten ritzt.

Beispiel 2

Es wird das Beispiel 1 wiederholt mit der Ausnahme, daß das Graphit-Modell in Form eines Zylinders ausgeführt v/ird und das erfindungsgemäße Material entsprechend in Form eines Zylinders mit Unebenheiten auf der Oberfläche erhalten wird, die im Bereich von 20 bis 60jum liegen und einer Korngröße im Bereich von 1 bis 5 um . Das Zylindermaterial ist durch eine Dichte von

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4,10 g/cm·⁵ und einer Abrasivfestigkeit von 800.000 ausgezeichnet.

Beispiel 3 ;

Es. wird das Beispiel 1 wiederholt mit der Ausnahme, daß das Graphit-Modell in Form von Plättchen ausgeführt wird und das erfindungsgemäße Material dementsprechend- in Form von Plättchen mit Oberflächenunregelmäßigkeiten erhalten wird im Bereich von 10 bis 30 pm und einer Korngröße im Bereich von 0,5 bis 2 pm . Das Plättchenmaterial ist durch eine Dichte von 3,90 g/cm , einer Oxydationsbeginn-Temperatur in Luft von 800⁰G und einer Härte ausgezeichnet,, die die Ebene eines Diamantoktaeders ritzt.

Nach den drei oben angeführtenBeispielen der konkreten Durchführung der Herstellung mikrokristallinen monolithischen Materials mit einer hohen Härte und Diamantstruktur sind die wesentlichen technologischen Maßnahmen eines älteren Verfahrens (P 2 100 188.7) erläutert. Die Anwendung eines pulverförmigen Katalysators, der die Probe zur Herstellung des mikrokristallinen Materials umschließt,und-die Impulserwärmung der Probe in einer Hülle despulverförmigen Katalysators ergibt nach Ansicht der Erfinder im wesentlichen die Besonderheiten, die zur Bildung der neuen individuellen und wertvollen Charakteristiken des mikrokristallinen Materials führt.

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Claims (1)

1. NACHaEREiOHT

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   PAOÜENTAKSPRÜCHB

   1 ,Mikrokristallines in der Diamantstruktur kristallisiertes Monollthmaterlal aus Kohlenstoff, bestehend aus mltefknder verwachsenen Körnern mit Abmessungen von 0,1 Mikrometer bis einige Mikrometer, dadurch gekennzeichnet, daß es eine durch, das Halbzeugmodell aus einem kohlenstoffhaltigen iiichtdiamantmaterial vorgegebene geometrische Form, die dem geforderten Fertigerzeugnie entspricht, aufweist und in beliebig großer vorgegebener Zahl Identischer Exemplare hergestellt ist·

   2f Mikrokristallines Monollthmaterlal aus Kohlenstoff nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es eine reguläre geometrische Form aufweist, die nach der Form und den .Abmessungen dem geforderten Fertigerzeugnis entspricht·

   3. Mikrokristallines Monollthmaterlal aus Kohlenstoff naoh Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Dichte von mehr als 3»55 g/cm t eine SohlelffestigkeIt von mehr als 1OCX)OO, eine Temperatur des Beginns der Oxydation an der Luft von mehr als 70O⁰C, eine Harte, daß es die härteste Diamantfläohe, die Oktaeder fläche, ritzt·

   4. Mikrokristallines Monollthmaterlal aus Kohlenstoff nach Anspruch 1, 2 oder 3» gekennzeichnet durch eine Gitter konstante °£φ s 3»566 A bei einer Temperatur von 25⁰C und einem Druck

   von 1 ata·

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   5· Mikrokristallines MonoTithmaterlal als Kohlenstoff nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß es eine vorgegebene Oberflächenbeschaffenheit im Sere Ich der Größe der Unebenheiten .10 bis 60 Mikrometer aufweist.

   6o Mikrokristallines Monolithmaterial aus Kohlenstoff nach einem beliebigen der Ansprüche 1, 2» 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Materialkörner miteinander gesetzmäßige Verwachsungen bilden«.

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