DE2418101A1 - Verfahren zur herstellung einer verbindung zwischen diamanten und einem metall - Google Patents
Verfahren zur herstellung einer verbindung zwischen diamanten und einem metallInfo
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Description
D-4150 Krefeld 1 · Moerser Straße 140 · Telefon (02151) 28222 α 20469
Datum 11. April 1974
■ Bei Antwort bitte angeben Mein Zeichen 2 St 74 104
DE BEERS INDUSTRIAL DIAMOND DIVISION LIMITED, Johannesburg, 2001,
Main Street 45, Südafrika
Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen Diamanten und einem Metall
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung
einer Verbindung zwischen Diamanten und einem Metall.
Diamanten werden in großem Umfange in Schleifwerkzeugen wie Stirnschleifern, Spitzenschleifern, Schleifscheiben mit
Harz und Metallbindung, Sägen und Verbundstoffen verwendet. · Dabei sind die Hafteigenschaften von Diamanten in dem Gefüge
dieser Werkzeuge von großer Bedeutung, da eine schlechte Haftung an der Grenzfläche zwischen Diamant und dem Gefüge zum Ausbrechen der Diamanten aus der Matrix während des Schleifvorganges
führt. Dies führte zur Entwicklung von metallbeschichteten Diamantteilchen, die hauptsächlich in harzgebundenen Schleifscheiben
verwendet werden. Derartige mit Metall beschichtete Teilchen haben, wie festgestellt, gute Hafteigenschaften in
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harzgebundenen Schleifscheiben, die "besser sind als die nicht
"beschichteten Diamantteilchen. .
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbindung von Diamanten mit einem bestimmten Metall zu finden, die eine
feste Verbindung der Grenzflächen zwischen Diamant und Metall gewährleistet.
Zur lösung dieser Aufgabe wird die Verwendung eines Metalls vorgeschlagen, in dem Kohlenstoff gelöst werden kann, das
jedoch unter normalen Temperatur-und Druckbedingungen keine
stabilen Karbide bildet, wobei zunächst ein- inniger Kontakt zwischen den Diamanten und dem Metall in einer nicht oxydierenden
Atmosphäre hergestellt wird und dann diese Diamant-Metall-Verbindung
einer Hitzebehandlung bei Temperaturen über 500° C , aber unter der Schmelztemperatur des Metalls, ebenfalls in einer
nicht oxydierenden Atmosphäre unterworfen wird. Dieses Verfahren ergab erstaunlicherweise ein Haftvermögen an der Grenzflache
zwischen Diamant und Metall, das größer ist als wenn es nur auf physikalischen Kräften beruhen würde.
Geeignete Metalle zur Beschichtung sind nach einem weiteren Merkmal der Erfindung Nickel, Kobalt und Eisen.
Die nicht oxydierende Atmosphäre kann durch Helium, Argon, Wasserstoff, Stickstoff und/oder ein Vakuum von mindestens 10
mm Hg erzeugt werden.
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Die Erfindung sieht ferner vor, daß die Temperatur im Bereiche von 500° C "bis 50° C unterhalb des Schmelzpunktes des Metalles
liegt. Werden dabei Metalle mit sehr hohem Schmelzpunkt verwendet, dann werden die Temperaturen vorzugsweise unterhalb
der Temperatur gehalten, bei der Graphitbildung des Diamanten einsetzt.
Im übrigen ist es von Vorteil, wenn die Metall-Diamant-Grenzfläche
vollkommen frei von Verunreinigungen gehalten wird. Es hat sich nämlich herausgestellt, daß das Haftvermögen verringert
wird, wenn Verunreinigungen auftreten.
Werden bei dem erfindungsgemässen Verfahren kleinere Diamantpartikel
verwendet, so kann nach einer weiteren Fortbildung der Erfindung der innige Kontakt mit dem Metall dadurch erreicht
werden, daß die Partikel beschichtet werden. Dabei bedient man sich zweekmässig der an sich bekannten nicht elektrischenelektrolytischen
- oder Vakuumniederschlag - Technik. Die Techniken in dem Buch "Vakuumniederschlag von dünnen Filmen"
von L. Holland, Chatman und Hall, 1. Auflage 1956, veröffentlicht
worden. Gerade die Techniken des Vakuumniederschlages werden bei der Erfindung bevorzugt, weil sie eine sehr reine Metallbeschichtung
erzeugen.
Solche Diamantpartikel können vom ED- SD- oder MD- Typ sein, um in harzgebundenen oder metallgebundenen Schleifscheiben, Sägen,
Verbundstoffen, Stirnschleifern oder Spitzenwerkzeugen Verwen-
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dung zu finden. Es hat sich dabei herausgestellt, daß besonders Sägen* die Diamanten aufweisen, und die gemäß dem Verfahren nach
der Erfindung beschichtet worden sind, verbesserte Eigenschaften zeigten im Vergleich zu Sägen, die Diamanten aufwiesen, die
nach der "bisher üblichen Technik beschichtet worden waren.
Die aufzuwendende Metallmenge für das Beschichten variiert naturgemäß
entsprechend dem Typ der einzelnen Diamantpartikel und dem Anwendungsbereich, für den die Partikel bestimmt sind. Die Beschichtung
besteht im allgemeinen aus einer dünnen Schicht auf der Oberfläche des Diamanten, die dort gemäß der Erfindung aufgebracht
worden ist und aus einer dickeren Schicht, die auf die dünne Schicht durch irgendeine der bekannten ebenfalls bereits
erwähnten Techniken aufgebracht ist. Die dünne und die dickere Schicht können aus dem gleichen Metall oder aus verschiedenen
Metallen bestehen, die verschmelzen.
Bei massiven Diamantenobjekten, z.B. Platten, kann der innige
Kontakt dadurch zu Stande gebracht werden, daß der Diamant und das Metall aufeinander gedrückt werden, wobei das Metall verformt
wird.
Es hat sich ferner herausgestellt, daß das erreichte Haftvermögen zwischen Metall und Diamanten mit der Zeit und Temperatur
der Hitzebehandlung variiert. Erfindungsgemäß wird bei der Anwendung
von Nickel in bevorzugter Weise die Hitzebehandlung bei 800° 0 durchgeführt, wobei die Behandlung ca. 2 Stunden dauert.
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Schließlich sieht die Erfindung vor, daß die Hitzebehandlung bei Temperaturen über 500° C, aber unter der Schmelztemperatur
des Metalls in einer nicht oxydierenden Atmosphäre auch dann vorgesehen werden kann, wenn bereits nach einem anderen Verfahren
metallbeschichtete Diamanten vorliegen.
An Hand der nachfolgenden Beispiele sei die Erfindung näher veranschaulicht:
Reines Nickel wurde zu einem Barren von gewünschtem Durchmesser, beispielsweise 1,5 mm geschmiedet, und der Barren wurde dann in
Stücke gewünschter Länge geschnitten. Eines dieser Stücke wurde innerhalb einer Kammer auf eine Diamantplatte gelegt, die ihrerseits
auf einem Graphitamboss lag. Die Kammer wies im übrigen eine Quarzröhre auf, die zwischen dem wassergekühlten oberen
Ende der Kammer und einer unteren Lagerplatte angeordnet war.
Die Kammer wurde dann mittels einer Pumpe auf einen Druck von
10 mm Hg evakuiert und während der Hitzebehandlung auf diesem Druck gehalten. Ein Silikatkolben drang anschließend in die
Vakuumkammer durch eine Wilson-Dichtung in der Platte am oberen Ende ein und beaufschlagte das Stück auf dem Amboss mit Druck.
Der angewendete Druck genügt© 9 um einen innigen Kontakt zwischen
dem Nickel und dem Diamant zu gewährleisten. Der Druck lag zwischen 3 und 795 kg / mm. B Eine !Induktionsheizung brachte -dann
di© Semperatur Innerhalb der Kammer auf 800°. G1 die über 2 Stunden
aufrechterhalten wurdeo xteeii dies® Behandlung wurde ein®
Haftfestigkeit von 25 »8 leg / mm2 erreiehto Diese Haftfestigkeit
4 0 9 8 4 4 / 0 Ί 8 S
wurde in der üblichen Art gemessen, wobei eine Separiermaschine benutzt wurde, an der ein Hounsfield-Spannungsmesser angebracht
war.
An Hand dieses Beispieles soll die Abhängigkeit des Haftvermögens an der Granzfläcbe Metall / Diamant von der Zeit der
Hitzebehandlung veranschaulicht werden. Die vorgenommene Prozedur war die gleiche wie im Beispiel 1 geschildert, jedoch
wurde im ersten Fall die Hitzebehandlung nur 30 Minuten und im zweiten Fall über 16 Stunden durchgeführt. Die erhaltenen
Haftfestigkeiten betrugen 12,5 kg / mm im ersten Pail und
8,8 kg / mm im zweiten Fall.
Auf eine Diamantenscheibe wurde eine dünne ITickelschicht durch
die Technik des Vakuumniederschlages, wie sie in dem Buch von
Holland beschrieben ist, aufgebracht. Anschließend fand eine Hitzebehandlung statt, wie sie im Beispiel 1 beschrieben ist»
Auf die so aufgebrachte Schicht wurde dann eine Hiokeloberschicht
auf elektrolytischem Wege aufgebracht. Die Haftfsstigkeit
der Grenzfläche Diasiaat / Ilekel betrug 22 kg / mm .
Um das Verfahren nach der Erfindung mit der früheres. Esolinik
zu vergleichen, wurden folgende lsp@xdm@at@ dsEolig©fHlirts
a) Eine Nickelschicht wurd© auf ©ine Bismantespiatte aufgs»
bracht, wobei eine frühere Technik der nicht elektrischen Aufbringung angewendet wurde. Daran schloß sich keine Hitze—
behandlung an. Es wurden dann Versuche gemacht, um die Haftfestigkeit an der Grenzfläche zu messen unter Verwendung
eines Hounsfield-Spannungsmessers, aber die Spannung war zum Messen zu gering und betrug effektiv 0 kg / mm .
b) Ein dünner Nickelfilm wurde auf eine Diamantplatte aufgebracht,
wobei die Technik des Vakuumniederschlages, wie sie in dem bereits erwähnten Werk von Holland beschrieben ist,
angewendet wurde. Die beschichtete Platte wurde nicht der Hitzebehandlung gemäß der Erfindung unterworfen. Auch diesmal
war die Haftfestigkeit sehr gering, nämlich weniger als 1 kg / mm .
SD-Diamantpartikel der Größe 40 bis 50 mesh wurden mit einer Nickelschicht beschichtet, wobei die Vakuumniederschlagtechnik
nach dem erwähnten Werk von Holland angewendet wurde. Es wurde eine Schicht, deren Gewicht sich auf 1 bis 2# der unbeschichteten
Partikel belief, aufgebracht. Die beschichteten Partikel wurden dann einer Hitzebehandlung bei Temperaturen von 800° C
für 2 Stunden in einem Vakuumbrennofen bei einem Druck von
10 mm Hg unterzogen. Danach wurde auf die behandelten Partikel eine Nickelschicht aufgebracht, wobei die bekannte
nicht elektrische Aufbringungstechnik angewendet wurde. Die äußere Schicht belief sich auf 2Oj6 des Gewichtes der originalbeschichteten Partikel.
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Zum Vergleich wurden mit Nickel beschichtete Partikel wie obenerwähnt
behandelt, wobei jedoch der Verfahrensschritt der Hitzebehandlung gemäß der Erfindung ausgelassen wurde. Das
heißt, es handelte sich um Partikel, die nach der früheren Technik beschichtet waren.
Die beiden Typen der beschichteten Partikel wurden an Sägen angebracht und Tests unterworfen. Es stellte sich heraus, daß
diejenige Säge, welche die Partikel nach der Erfindung aufwies, weniger Abnutzung zeigte als die Säge, die die nach der älteren
Technik beschichteten Partikel besaß.
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Claims (8)
1. Verfahren zur Herstellung einer Verbindung zwischen Diamanten
und einem Metall, gekennzeichnet durch die Verwendung eines Metalls, in dem Kohlenstoff gelöst werden kann,
das jedoch unter normalen Temperatur- und Druckbedingungen keine stabilen Karbide bildet, wobei zunächst ein inniger
Kontakt zwischen den Diamanten und dem Metall in einer nicht oxydierenden Atmosphäre hergestellt wird und dann
diese Diamant - Metall- Verbindung einer Hitzebehandlung bei Temperaturen über 500° C, aber unter der Schmelztemperatur
des Metalls ebenfalls in einer nicht oxydierenden Arnosphäre unterworfen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Nickel, Kobalt oder Eisen gewählt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die nicht oxydierende Atmosphäre durch Helium, Argon,
Wasserstoff, Stickstoff und/oder ein Vakuum von mindestens 10 mm Hg hergestellt wird.
4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Temperatur im Bereiche von 500° C bis 50° C unterhalb des Schmelzpunktes
des Metalles liegt.
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- ίο -
5. "Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Metall- Diamant-Grenzfläche vollkommen frei von Verunreinigungen gehalten
wird.
6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Diamant ein kleinerer Partikel ist und der innige Kontakt durch
Beschichtung des Partikels mit dem Metall erreicht wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung auf dem Partikel durch eine Vakuumniedersehlagtechnik
erfolgt.
8.'Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der innige Kontakt zwischen
Diamant und Metall durch Aufeinanderdrücken beider Teile erfolgt.
9· Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß als Metall Nickel verwendet wird und die Hitzebehandlung bei 800° C mit einer
Dauer von 2 Stunden erfolgt.
10, Abänderung des Verfahrens nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hitzebehandlung bei !Temperaturen über 500° C, aber unter
der Schmelztemperatur des Metalls in einer nicht oxydieren-
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den Atmosphäre auch bei nach anderen Verfahren mit Metall beschichteten Diamanten zur Verbesserung der Haftfestigkeit
angewendet wird.
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