DE2407412A1

DE2407412A1 - Verfahren zur vereinigung von diamant und metall

Info

Publication number: DE2407412A1
Application number: DE19742407412
Authority: DE
Inventors: Donald R Johnson; Jun James Richard Sawers
Original assignee: EI Du Pont de Nemours and Co
Current assignee: EIDP Inc
Priority date: 1973-02-16
Filing date: 1974-02-15
Publication date: 1974-08-29
Also published as: JPS49113725A; US3856480A

Description

Patentanwälten
Dr. Ing. Walter Abltl

Dr. Dieter F. Morf · _Λτ. „ .

η- L, _{Λ η} 15. Februar

Dr. Hans-Α. Brauns IPD-33

I HQnchea Se₁ Plaazuuunntr. 21

E. I. DU PONT DE NEMOURS AND COMPANY lOth and Market Streets, Wilmington, Del. 19898, V.St.A.

Verfahren zur Vereinigung von Diamant raid Ketal!

Es ist vertraut, dass Metalle rächt allgemein zufriedenstellende Bindungen an Dianao.tc.ri ergeben^ was hauptsächlich darauf "beruht, dass die meisten Metalle im fließfähigen Zuotr-iid den Diamant nicht oder ungenügend benetzen, so dass die Bildung einer Haftbindimg schwierig ist.

Es gibt Ausnahmen hiervon. Die US-PS 3 192 620 beschreibt eine zufriedenstellende Methode zum Verbinden von Diamanten mit Metall, v/ob ei eine sehr befriedigende Eaftvereinigun«; zwischen Diamant und einem Metall erzielt werden kann, indem man eine Legierung des Goldes mit einem Gehalt von mit:= eiq?jtens 1 Gew.% an Tantal und/oder Miob als Lot einsetzt- Die vorliegende Erfindung arbeitet mit der in dieser Patentschrift beschriebenen Legierung.

Für viele Zwecke jedoch genügt die Kenntnis, dass sich unter Verwendung dieser speziellen Legierung eine feste Bindimg zwischen einem Meta.ll und Diamant bilden lässt, nicht, ma

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die Herstellung brauchbarer Fertigungsgegenstände, wie eines Diamantschneidwerkzeugs, in technisch praktikabler Weise zu erlauben. Z. B. liegt in Abhängigkeit von der Zusammensetzung der Legierung die Temperatur, bei der die Legierung schmilzt, in der liähe oder über der Graphitierungstemperatur des Diamanten. Zur Erzielung bester Ergebnisse muss man dann die Legierung sehr rasch auf ihre Schmelztemperatur erhitzen und dann sehr rasch abkühlen. Einen gebräuchlichen und in der Tat den bevorzugten Weg zur Erzielung rascher Erhitzung stellt das Induktionserhitzen dar. Wie sich gezeigt hat, vollführt der Diamant während der Erhitzungsstufe, insbesondere während Induktionserhitzung, eine Bewegung, wenn er nicht festgehalten wird. Selbst bei Pestklemmen bzw. Einspannen kenn aber eine gewisse Drehung des Diamanten eintreten. Dies bedeutet, dass man für irgendein Mittel sorgen muss, das eine Bewegung des Diamanten verhindert, wenn eine Orientierung einer gegebenen Oberfläche des Diamanten in Bezug auf eine gegebene Oberfläche des Hetallschafts bzw. -haltex*s gewünscht wird.

Darüberhinaus muss eine besonders wirksame Bindung zwischen allen gegenüberliegenden Flächen des Diamant r> und des Ketallschafts bzw. -halters erreicht v/erden, wenn Halter und Diamant in einem Schleifprozess zu behandeln sind, um bei dem Diamanten eine freiliegende, scharfe Schneidkante auszubilden. Anderenfalls führen die sich während der Schleifstufe ergebenden Schwingungen zum Auftreten von Brüchen oder Spalten im Diamant während oder nach der Herstellung und damit zur Zerstörung des Schneidvermögens der Diamaiitkante.

Die vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Vereinigung eines Diamanten mit einem Hetallhalter unter Aufbringung einer Legierung aus der Gruppe Gold-Tantal-Legierungen mit einem Gehalt von etwa 1 bis 25 Gew.% an Tantal und Gold-Kiob-Legierungen mit einen Niobgehalt von etwa 1 bis ΊΟ Gew.% auf gegenüberliegende Flächen des Diamanten und des Metallhalters und dann Schmelzen der Legierung in einer

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inerten Umgebung, wie Edelgas oder Vakuum, zur Verfugung, "bei dem man in eine in dem Met allhalt er ausgebildete Vertiefung eine erste Lage der Legierung und dann den Diamanten eingibt, den Raum um den Diamanten herum mit einem inerten Pulvermaterial füllt, den Diamant und das Pulvermaterial mit einer zweiten Lage Legierung bedeckt und die vorgenannten Teile mit einer Metallabdeckung mit genügender Kraft festklemmt, um eine Bewegung des Diamanten während des Schmelzens der Legierung zu verhindern.

Der so erhaltene Fertigungsgegenstand weist einen Metallhalter, eine Legierung aus der Gruppe Gold-Tantal-Legierungen mit einem Tantalgehalt von etwa 1 bis 25 Gew.% und GoId-Niob-Legierungen mit einen Hiob-Gehalt von etwa 1 bis Ί0 Gew.%, ein inertes Pulvermaterial, dessen Schmelztemperatur über der Schmelztemperatur der Legierung liegt und das in mindestens einem Teil der Legierung dispergiert bzw. verteilt ist sov?ie Diamant auf, der durch die Legierung an dem Ketallhalter auf allen gegenüberliegenden Flächen von Metallhalter und Diamant zur Haftung gebracht ist.

Das Pulvermaterial für die Zwecke der Erfindung ist in dem Sinne inert, dass es das Bindungsvermögen der Lotlegierung nicht störend beeinflussen kann, liach einer bevorzugten Ausführungsforiu ist das Pulvermaterial ein Metallpulver, das bei der Temperatur, bei der das Lot dem Schmelzen unterliegt, nicht schmilzt, insbesondere Molybdänpulver. Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform werden der Metallhalt.er, das pulvrige Material und die Metallabdeckung aus dem gleichen Material gefertigt.

Wenn der Fertigungsgegenstand als Werkzeug zu verwenden ist, werden bei dem Verfahren in einer weiteren Stufe Halter und Diamant einem Schleifprozess zur Bildung einer freiliegenden Schneidfläche bei dem Diamanten unterworfen. Der nach dem Verfahren gemäss der Erfindung erhaltene Fertigungsgegen-

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stand hat eine weitaus höhere Beständigkeit gegen mechanische Zerstörung oder Schädigung, insbesondere während der Herstellung und im Einsatz, als die nach jeglichem anderen bekannten Verfahren erhaltenen Erzeugnisse.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 in Draufsicht das Einbringen der Metallegierung und des Diamanten in die im Metallhalter ausgebildete Vertiefung während der ersten Stadien der Herstellung,

Fig. 2 im Schnitt nach Linie 2-2 von Fig. 1 von der Seite die Lage der zur Bindung des Diamanten an dem Metallhalter verwendeten Bestandteile in der im Halter ausgebildeten Vertiefung in einem späteren Stadium der Herstellung, und

Fig. 5 im Schnitt durch den fertiggestellten Gegenstand von der Seite, wie der an den Metallhalter gebundene Diamant zur Bildung einer freiliegenden Schneidfläche des Diamanten abgeschliffen worden ist.

Bei der in Fig. 1 erläuterten Arbeitsweise ist im Metallhalter bzw. -schaft 10 eine Vertiefung 18 in Form eines Blindlochs mit rechteckigen Schultern ausgebildet. Der Metallschaft 10 kann aus sehr verschiedenen Metallen hergestellt v/erden; vorzugsweise wird er von Metallen gebildet, deren Wärmeausdehnungskoeffizienten ungefähr demjenigen des Diamanten entsprochen (z. B. Molybdän). Man gibt in die Vertiefung 18 ein oder mehrere Folienstücke aus dem Legierungsmaterial ein und auf diese ein Diamantstück 11 auf, wobei im Falle der hier gezeigten Ausführungsform der Diamant die Form eines Körpers von dreieckigen Grundriss hat, dessen Hauptflächen Spaltungsebenen sind und parallel zum Boden des Blindlochs liegen. Bei der hier veranschaulichten Ausführungsform hat der Diamant eine solche Lage, dass die beim Abschleifen freigelegte Schneidkante des Diamanten parallel zur Kante des Schafts verlä.uft und kristallographisch relativ hax*t ist.

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Der Diamant kann aber in ^eder jeweils gewünschten Richtung angeordnet werden. Der wesentliche Paktor liegt nicht aarin, wie der Diamant ursprünglich orientiert wird oder geformt ist, sondern darin_s dass die ursprüngliche Orientierung des Diamanten aufrechterhalten wird.

Dann wird um den Diamant herum ein Pulvermaterial (allgemein in I¹Ig. 2 mit 15 bezeichnet) so aufgebracht, dass es diesen Baum in der Ebene des Diamanten, der nicht von dein Diamanten selbst eingenommen wird, füllt. In der Praxis wird raan um den Diamanten herum das Pulver so zusammen- b?,w. fest drück en, dass es den Diamant sicher in seiner Lage hält. Dabei kann jede Art von inertem Pulvermaterial, wie gepulvertca Molybdän, Verwendung finden\ nach einar bevorzugten Ausführungsform wird das Pulver aus dem gleichen Material wie der Kalter hergestellt * Eine Korngrosse-Begrenzung des Pulvers kann sich nur in Form der Notwendigkeit ergeben, dass der Diament von einer Anzahl von Pulverkörnern umgeben ist, aber ein Bereich von etwa 1 bis 10 Mikron wird bevorzugt.

Nachdem das Pulver um den Diamant herum festgedrückt ist, legt man auf den Diamant und das Pulvermaterial eine oder mehrere Folien 13 aus der Legierung und auf diese sweite Legierungslage eine Metallabdeckung 14 auf, die eng in das Blindloch 18 passt. Die Metallabdeckung 14 kann aus jedem zweckentsprechenden Metallmaterial gefertigt werden, wird aber vorzugsweise wiederum von einem ähnlichen Material wie der Halter gebildet.

In der nächsten Verfahrensstufe wird, der gesamte Aufbau auf eine Temperatur aufgeheizt, bei der die Legierung r.-chmilzt. Während dieser Stufe wird zwisehen Abdeckung 14 und Metallschaft 10 Druck zur Einwirkung gebracht, um den Diamant in seiner Lage festzuklemmen und die geschmolzene Legierung in alle Teile des Hohlraumes zu treiben, den Metallschaffc 10 und Metallabdeckung 14 bilden, insbesondere in die inter-

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stitiellen Bereiche zwischen den Körnern des Materials 15· Der angewandte Druck hängt von den jeweils vorliegenden Umständen ab, aber ein Druck von einigen Gramm je Quadratzentimeter genügt.

Da die eingesetzten Materialien bei LegierungsSchmelztemperaturen reaktiv sind, bewirkt man den Schmelzvorgang in einer inerten Umgebung, wie sie in einem Vakuum (z. B. 10""^ εκ Kg) oder in einer EdelgasatmoSphäre erzielbar ist. Der Schmelzpunkt der Legierung hängt von der Konzentration des Tantals ödere ITj obs in. clerr Goldlegierung ab. Bei oder unter 2^lj Gew.% Tantal oder 1G Gsv7.% Niob tritt ein Schmelzen bei Temperaturen zwischen 1100 und 1300° G ein, aber man kann, wenn notwendig, auch höhere Temperaturen anwenden. Das Erhitzen kann in jeder sweckbequemen Weise bex^irkt werden, v:oboi ein möglichst schnell verlaufender Erhitzungsprozess erwünscht ist, um eine Graphitierung des Diamanten zu vermeiden. Die Induktionserhitzung ist gut geeignet«

!fach den Erhitzen des Aufbans auf über den Schmelzpunkt der Legierung und Abkühlen auf Eamateroporatur ist die Metallabdeckung 14- zu einem Teil des Metallschafts 10 geworden, so dass das Diamantstück 11 vollständig von einem Material umkapselt ist, dass seinerseits in von dem Httallschaft 10 eingekapselter Form vorliegt. Das die Haftung zwischen dem Bianant stück mid dem Iletallschaft ergebende Material 16 v?ird zum Teil von der Legierung und zum Teil von der Legierung sit in dieser dispergiertem Pulvermaterial gebildet.

Zur Erzielung eines Werkzeuges aus dem so anfallenden Aufbau wird durch Schleifen und Polieren des Metallschafts 10, wie in Fig. J gezeigt, ein Teil des Diamanten 11 in Form einer Schneidkante freigelegt.

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Be i - s ρ i e 1

Zur Zubereitung eines Metallschafts von 7»6 mm Breite, 25»4- mm Länge und 2,5 mm Dicke wurde im einen Ende des Schafts ein Blindloch von 7»1 mm Durchmesser und 1,65 mm Tiefe ausgebildet, in das darm zwei Folienstücke aus Legierung smat eri al (95 % Gold und 5 % Tantal) eingegeben wurden, deren Durchmesser etwas unter dem Durchmesser des Lochs in dem Schaft lagen und deren Dicke 0,076 mm betrug. Auf die Legierungsstücke wurde dann ein dreieckiges Diamantstück mit Kantenlängen von 4,0 mm und einer Dicke von 0,6 mm so aufgelegt, dass eine der Dreieckskanten dem lochnahen Schaftende zugewandt war und parallel zu diesem verlief. Dann wurde in den Raum um den Diamant herum Kolybdänpnlver von 0,15 mm Korngrösse (100 Imschen) eingedrückt, worauf auf den Diamant und das Pulvermaterial drei weitere I¹OIienstücke aus Legienmgsmaterial aufgebracht wurden. Schliesslich wurde auf die obere Legierungslage eine Metallabdeckung solcher Foi'm aufgesetzt, dass sie eng in das Loch passte. Zwischen der Metallabdeckung und dem Schaftboden wurde eine Kraft von 10 g zur Einwirkung gebracht. Das gesamte System wurde bei einem Vakuum von 10 ^ Torr 5 Sek. auf eine Temperatur von I5OO⁰ C erhitzt. Der Gegenstand wurde abkühlen gelassen und dann zur Bildung einer scharfen, freiliegenden Schneidkante bei dem Diamant unter Amvendung herkömmlicher Techniken geschliffen.

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Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Vereinigung eines Diamanten mit einem Metallhalter unter Aufbringen einer Legierung aus der Gruppe Gold-Tantal-Legierungen mit einem Tantalgehalt von etwa 1 bis 25 Gew.% und Gold-lTiob-Legierungen mit einem Niobgeha.lt von etwa 1 bis 10 Gew.% auf gegenüberliegende Flächen des Diamanten und des Metallhalters und Schmelzen der Legierung in einer inerten Atmosphäre, dadurch gekennzeichnet, dass man in eine in dem Metallhalter ausgebildete Vertiefung eine erste Lage der Legierung und dann den Diamanten eingibt, den. Raum um den Diamanten herum mit einem inerten Pulvermaterial füllt, den Diamant und das Pulvermaterial mit einer aweiten Lage Legierungg bedeckt und die vorgenannten Bestandteile mit einer Metall abdeckung mit genügender Kraft festklemmt, im ej.iie Bewegung des Diamanten während des Schraelzons der Legierung zu verhindern.

2. Anwendung des Verfahrens geaiäss Anspruch 1 zur Herstellung von Diamantschneidwerkzeug, wobei man zusätzlich durch Schleifen eine Schneidkante ausbildet.

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