DE2443949C3 - Verfahren zur Herstellung von Diamantenteilchen und deren Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Diamantenteilchen, bei dem in einer Reaktionszone ein Lösungsmittel-Metall mit einem kohlenstoffhaltigen Material in Berührung gebracht wird, wobei das kohlenstoffhaltige Material in Form einer Hülle um einen Kern des Lösungsmittel-Metalls angeordnet ist, und bei dem der Inhalt der Reaktionszone erhöhten Temperaturen und Drücken unterworfen ist, die für die Umwandlung des kohlenstoffhaltigen Materials in Diamant geeignet sind, und die erhöhten Temperaturen und Drücke für eine für das Wachstum von Diamanten ausreichende Zeit aufrechterhalten werden. Die Erfindung betrifft weiterhin die Verwendung der Diamantenteilchen zur Herstellung harzgebundener Schleifscheiben.

Die Herstellung von künstlich erzeugten oder synthetischen Diamanten ist seit vielen Jahren bekannt und besteht im wesentlichen darin, kohlenstoffhaltiges Material, wie Graphit oder amorphen Kohlenstoff, in Gegenwart eines geeigneten Lösungsmittel-Metalls Temperatur- und Druckbedingungen zu unterwerfen, die zur Bildung von Diamanten ausreichen (vgl. z. B. die DE-OS 21 37 742). Es sind sehr hohe Temperaturen und Drucke notwendig. Eine geeignete Vorrichtung zur Bereitstellung solcher Drucke und Temperaturen ist die sogenannte »belt«-Vorrichtung, die in der US-PS 29 41 248 beschrieben ist. Erläuterungen zur synthetischen Herstellung von Diamanten, einschließlich genauer Angaben bezüglich verschiedener geeigneter bekannter Lösungsmittel-Metalle können z. B. den US-PS29 47 610und29 47 609 entnommen werden.

Es können wenigsiens drei Arten von synthetischen Diamanten hergestellt werden. Eine erste Art ist als harzbindbarer bzw. hnrzgebundener Diamant (RD), eine zweite Art als meiallgebundener Diamant (MD) und

eine dritte Art als Sägediamant (SD) bekannt. Die /?D-Diamanten haben eine unregelmäßige Form und neigen zum Bruch, so daß sie, wenn sie geschliffen werden, kontinuierlich frische Oberflächen zeigen. MD- und SD-Diamanten sind andererseits blockartige Kristalle mit hoher Schlagfestigkeit. Diese Teilchen neigen eher dazu, sich durch Abriebsverfahren als durch Bruch abzunutzen bzw. abzuschleifen.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Herstellung von Diamantenteilchen, bei dem Diamantenteilchen erhalten werden, die sich vorzüglich zu Schleifzwecken eignen.

Diese Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Verhältnis der Breite der Hülle zum Durchmesser des Kerns im Bereich von I : 20 bis 1 :5 liegt. Die im erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Diamantenteilchen sind flD-Diamanten, d. h., sie sind zerreibbar und neigen beim Schleifen zum Bruch, so daß kontinuierlich frische, scharfe Schneidpunkte gebildet werden.

Vorzugsweise wird im erfindungsgemäßen Verfahren die Breite der Hülle so gewählt, das sie etwa 1/10 des Durchmessers des Kerns beträgt.

Weiterhin ist es bevorzugt, als Lösungsmittel-Metall eine Legierung eines Carbid-bildenden Metalls und eines Metalls der VIII. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente zu verwenden. Solche Lösungsmittel-Metalle sind für das erfindungsgemäße Verfahren besonders geeignet. Das Carbid-bildende Metall ist vorzugsweise Mangan, und das Metall der VIII. Gruppe ist vorzugsweise Kobalt.

Im erfindungsgemäßen Verfahren werden längliche, synthetische, harzgebundene Diamantenteilchen geschaffen, die eine lange Achse und eine kurze Querachse aufweisen, wobei das Verhältnis der langen Achse zur kurzen Achse wenigstens 3 :1 isi. Die Teilchen können ein Verhältnis der langen Achse zur kurzen Achse von wenigstens 5 :1 aufweisen.

Das Verhältnis von Länge zu Breite ist bei den größeren Teilchen ausgeprägter. Die Teilchen haben vorzugsweise etwa eine Größe, daß sie ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,25 mm passieren und ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,088 mm nicht passieren und insbesondere eine Größe, daß sie entweder ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0.149 mm passieren bzw. ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,125 mm nicht passieren oder ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,177 mm passieren bzw. ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,149 mm nicht passieren.

Die erfindungsgemäß hergestellten Teilchen haben vorzugsweise längs der langen Achse eine gerippte Struktur, wobei die Rippen der Struktur Spuren der (11 Ij-kristallographischen Ebenen sind und die lange Achse das Gerüst oder Rückgrat de: Struktur bildet und in der kristallographischen (100)-Richtung angeordnet ist. Die erfindungsgemäß hergestellten Teilchen können ein vergrößertes Ende aufweisen. Das Rückgrat ist vorzugsweise von unregelmäßiger Form.

Die erfindungsgemäß hergestellten Teilchen, insbe-

hi sondere jene, die vergrößerte Enden aufweisen, haben im allgemeinen nicht gleichförmige Breiten. Deshalb wird in diesen Fällen die kurze Achse bei der größten Abmessung gemessen, wenn das Verhältnis der langen

Achse zur kurzen Achse bestimmt wird. Die lange Achse ist im allgemeinen eindeutig definiert, wenn sie dies jedoch nicht ist, wird die lange Achse mit größter Dimension zur Bestimmung der Verhältnisse verwendet.

Die F i g. 1 und 2 zeigen Photographien von Beispielen erfindungsgemäß hergestellter Diamententeilchen. Fig. 1 ist eine Photographic mit 550facher Vergrößerung und Fig.2 eine Photographie mit 2750facher Vergrößerung.

In den Fig. 1 und 2 ist das mit »X« bezeichnete Teilchen ein gutes Beispiel eines länglichen Teilchens gemäß der Erfindung. Dieses Teilchen hat ein vergrößertes Ende 30 und pin schmales Ende 32. Das Teilchen hat eine lange Achse 34. Die kurze Achse ist, wie vorstehend erwähnt, die Breite des breiten Endes, d. h., die Querachse größter Abmessung. Diese liegt zwischen 36 und 38. Die lange Achse 34 stellt das Rückgrat für die gerippte Struktur dar, wobei die Rippen bei 40 gezeigt sind. Das Rückgrat liegt in der kristallographischen (100>-Richtung, wie dies durch Pfeil A gezeigt wird, und die Rippen 40 sind Spuren der kristallographischen (lll(-Ebenen. Die kristallographischen (111 (-Ebenen sind auf den beiden Figuren deutlich angezeigt Es ist festzuhalten, daß die Teilchen aus den Richtungen B oder C oder von der nicht gezeigten Rückseile der Teilchen ein ähnliches Aussehen haben.

Die erfindungsgemäß hergestellten Diamantenteilchen können mit einem Metall überzogen sein, wobei allgemein bekannte Arbeitsweisen verwendet werden können. Das zum Überziehen verwendete Metall ist vorzugsweise Nickel. Solche überzogenen Teilchen finden insbesondere eine Anwendung in harzgebundenen Schleifscheiben.

Im erfindungsgemäßen Verfahren werden in einer Reaktionszone das Lösungsmittel-Metall mit einem kohlenstoffhaltigen Material in Berührung gebracht. In dem kohlenstoffhaltigen Material werden Schwächezonen erzeugt, und das Lösungsmittel wird in diese Schwächezonen eindringen gelassen. Der Inhalt der Reaktionszone wird Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt, die für das Wachstum der /?D-Diamanten geeignet sind.

Die für das Wachstum der Diamanten notwendigen Bedingungen sind allgemein bekannt; Details hierzu können in den vorstehend erwähnten US-PSen entnommen werden. In Fig.4 ist der Bereich des Diamantenwachstums in dem gestrichelten Bereich der Zeichnung gezeigt, d. h. der Bereich oberhalb der Linie A und rechts von der Linie B. Die Linie A bezeichnet die Berman-Simon-Linie (Zeitschr. f. Elektrochemie, 59 (1955), S. 355), und Linie B ist die eutektische Schmelztemperatur des Lösungsmittel-Metalls. Die Lage der Linie B ändert sich in Abhängigkeit des verwendeten Lösungsmittel-Metalls.

Um /?D-Diamanten herzustellen, werden die Temperatur- und Druckbedingungen in dem Bereich des Diamantenwachstums verhältnismäßig kurze Zeit aufrechterhalten d. h. im allgemeinen zwischen 4 und 10 min. Es wird bevorzugt, daß die Temperatur- und Druckbedingungen von Raumtemperatur bis zum Bereich des Diarnantenwachstums stufenweise erhöht werden.

Es ist festzuhalten, daß die oben beschriebene Methode eine Mischung von Teilchen mit vergrößerten Köpfen, wie sie in Firj-1 und 2 gezeigt sind, ähnlichen Teilchen, bei denen die vergrößerten Köpfe abgebrochen sind, anderen länglichen Teilchen als mit »X« in Fig. 1 bezeichnet und einigen nicht länglichen Teilchen ergibt.

Das kohlenstoffhaltige Material wird vorzugsweise zwischen dem Lösungsmittel-Metall und einer Wand der Reaktionszone angeordnet. Das kohlenstoffhaltige Material kann mit der Wand in Berührung stehen. Die Reaktionszone kann mit einer dünnen Folie eines nicht reaktiven Metalls, wie Tantal, ausgekleidet sein, das die Bildung der notwendigen Schwächezonen nicht verhindert.

Das kohlenstoffhaltige Material wird in Form einer Hülle um einen Kern des Lösungsmittel-Metalls angeordnet Die Hülle kann eine kontinuierliche Hülle oder eine Anzahl von Segmenten, die zusammen eine Hülle bilden, sein. Eine kohlenstoffhaltige Scheibe kann an jedem Ende des Kerns vorgesehen werden. Das Gew.-Verhältnis von Metall zu kohlenstoffhaltigem Material ist im allgemeinen größer als 1. Der Kernkörper ist im allgemeinen kohärent. Das kohlenstoffhaltige Material ist vorzugsweise Graphit.

Das Erhitzen der Reaktionszone ^ann indirekt erfolgen, es wird jedoch bevorzugt, direk durch die Reaktionszone zu erhitzen.

Das Lösungsmittel-Metall kann jedes der für das Diamantenwachstum bekannten Lösungsmittel-Metalle sein, wie sie z. B. in den vorerwähnten US-PSen beschrieben sind, auf deren Offenbarung hier Bezug genommen wird. Der Ausdruck »Lösungsmittel-Metall«, wie er hier verwendet wird, umfaßt sowohl Legierungen als auch reine Metalle. Bei Verwendung einer Legierung eines Carbid-bildenden Metalls mit einem Metall der VIII. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente liegt das Gewichtsverhältnis von Carbid-bildendem Metall zu dem Metall der VIII.

J5 Gruppe vorzugsweise im Bereich von 70 : 30 bis 30 : 70.

Die Erfindung betrifft ferner die Verwendung der

erfindungsgemäß hergestellten Diamantenteilchen zur Herstellung harzgebundener Schleifscheiben. Solche Schleifscheiben haben zweckmäßig einen Nabenteil jnd einen damit verbundenen Arbeitsteil, wobei der Arbeitsteil eine Arbeitsseite oder Arbeitsfläche der Scheibe darstellt und eine wirksame Menge der erfindungsgemäß hergestellten Diamantenteilchen in einer Harzmatrix so eingebettet enthält, daß deren lange Achsen im wesentlichen quer zur Arbeitsseite ausgerichtet sind. Außer den ausgerichteten Teilchen kann der Arbeitsbereich einige nicht ausgerichtete Teilchen gemäß der Erfindung und einige bekannte Teilchen enthalten.

so Harzgebundene Schleifscheiben sind allgemein bekannt und ebenso Verfahren zu deren Herstellung. Sie können hergestellt werden, indem eine geeignete Form um einen im allgemeinen· aus einem Material wie FormakMyd-Phenol-Kunstharz hergestellten Nabenteil angeordnet wird, eine Mischung aus pulverförmigen Harzstarterbestandtellen, Diamanten und Füllstoffen in die Form eingebracht wird und der Inhalt der Form unter Druck gesetzt und erhitzt wird, um das Harz zu härten und auszuformen. Dieses Harz kann ein

W) Polyimidharz oder ein Phenol-Formaldehyd-Harz sein.

Die Menge an Diamanten in dem Arbeitsteil der Scheibe variiert entsprechend der Art der Scheibo. Im allgemeinen liegt der Diamantengehalt (einschließlich ausgerichteten Diamanten gemäß der Erfindung und

h-, anderen Diamantenteilchen) bei etwa 10 bis 25 Vol.-% des Arbeitsteils.

Die erfindungsgemäß hergestellten Teilchen können in dem Arbeitsteil mit Hilfe eines angelegten Kraftfei-

des unter Verwendung bekannter Arbeitsweisen ausgerichtet werden. Das angelegte Feld kann ein elektrostatisches Feld sein. Alternativ können die Teilchen mit einem magnetischen Material, wie einem fcrromagnetischen Metall, überzogen und die Teilchen mit Hilfe eines äußeren, angelegten magnetischen Feldes ausgerichtet werden.

Fig.3 zeigt schematisch einen Ausschnitt einer harzgebundenen Scheibe, die ausgerichtete Teilchen gemäß der Erfindung enthält. Der Nabenteil der Scheibe ist mit IO bezeichnet und der Arbeitsteil mit 12. Die Teilchen 14 gemäß der Erfindung werden in einer Harzmatrix so gehalten, daß deren lange Achsen im wesentlichen quer zur Arbeitsseite 16 liegen, d.h., die langen Achsen sind im wesentlichen radial orientiert.

Eine Alisführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die F i g. I bis 4 wurden schon vorstehend beschrieben. F i g. 5 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht einer Keaktionskapsel, die einen Lösungsmittel-Metallkern und eine Graphithülle zur Diamantenherstellung enthält; F i g. 6 ist eine Schnittansicht längs der Linie 6-6 der F i g. 5.

In F i g. 5 und 6 ist eine Mangan-Kobalt-Legierungskern 18 innerhalb einer Graphithülle 20 angeordnet. Graphitscheiben 22 sind an beiden Enden des Kerns 18 vorgesehen, und das Ganze ist in einer Pyrophyllithülle 24 angeordnet.

Der Kern 18 wurde hergestellt, indem pul>"^rf^^rrrii₆cs Mangan und Kobalt in gleichen Gewichtsmengen gemischt wurden und die Mischung in einer zylindrischen Form bei einem Druck von etwa 4015 at komprimiert wurde. Das Manganpulver hatte eine Teilchengröße, daß es ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,177 mm passierte und eines mit einer lichten Maschenweite von 0,149 mm nicht passierte; das Kobaltpulver hatte eine Teilchengröße, daß es ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0.074 mm passierte.

Der komprimierte Preßkörper hatte ein Verhältnis von Höhe zu Durchmesser von 1:1.

Die Graphithülle bzw. -hülse und die Graphitscheiben wurden aus im Handel erhältlichem Elektrodengraphit hergestellt. Die Breite der Hülle betrug etwa 1/10 des Durchmessers des Kerns.

Das Gew.-Verhältnis des Graphits zur Mangan-Kobalt-Legierung betrug etwa 1 ; 4.

Die Graphit/Metall/Pyrophyllitanordnung wurde in eine Hochtemperatur/Druck-Vorrichtung einer Art. wie sie in der US-PS 29 41 248 beschrieben ist. in üblicher Weise eingebracht.

Temperatur und Druck des Inhalts der Reaktionszone wurden bis zum Bereich des Diamantenwachstums, wie er in F i g. 4 angegeben ist, stufenweise erhöht, d. h. der Druck wurde um eine gewisse Anzahl Kilobar erhöht, und dann wurde die Temperatur um eine gewisse Anzahl Grad erhöht, und so weiter, bis die gewünschten Bedingungen erhalten wurden. Es wurde eine Anzahl von Versuchen bei Drucken im Bereich von 55 bis 65 Kilobar und Temperaturen im Bereich von 1300 bis 1600°C durchgeführt. Bei jedem Versuch wurden die Temperatur- und Druckbedingungen zum Diamantenwachstum zwischen 4 und 10 min aufrechterhalten, wobei während dieser Zeit das Wachstum der /?D-Diamanten stattfand. Anschließend wurde die Reaktionskapsel in üblicher Weise abgekühlt und der Druck auf Umgebungstemperatur abgesenkt Der Diamanteninhalt der Reaktionskapsel wurde gemäß üblicher Arbeitsweisen gewonnen.

Es wurde gefunden, daß die erhaltenen Diamanten aus einer Mischung von normalen /?D-Diamanten und länglichen /?D-Diamanten mit einem Verhältnis von Länge zu Breite von 3: 1 oder mehr bestanden.

Beispiele dieser Teilchen sind in den Photographien gezeigt, die vorstehend ausführlicher beschrieben wurden. Die Teilchen hatten unterschiedliche Größen, und es wurde gefunden, daß das Verteilungsmaximum im allgemeinen bei einer solchen Größe liegt, daß die Teilchen ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von O.I77mm passieren, jedoch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0.149 mm nicht passieren. Etwa 60% jedes Versuchs bestanden aus länglichen Teilchen.

Ks ist darauf hinzuweisen, daß bei jedem Versuch das Erhitzen der Reaktionszonc durch direktes elektrisches Erhitzen der Graphithülse und des Metallkcrns erfolgte.

Es wird angenommen, daß das Wachstum der

ländlichen Teilchen auf folgende Weis? stattfindet. Die Ausübung von t 'ruck auf den Pyrophyiüt fuhrt zu dessen Deformierung. Dies wiederum fiihri zu einer Schwächung der Graphithülse, die sich nicht merklich deformieren kann, in gewissen longitudinalen Zonen. Die Legierung dringt beim Schmelzen in diese Zonen ein und löst dabei den Graphit, der als Diamant ausfällt.

Wenn die Legierung weiter in die Zonen und nach außen zur Pyrophyllithülse vordringt, werden die länelir^ :n Teilchen gebildet.

Es wurde eine Anzahl weiterer Versuche in gleicher Weise durchgeführt, wobei eine Eisen-Mangan-Legie-

JO rung und eine Kobalt-Nickel-Mangan-Legierung verwendet wurden. In jedem Fall entniel: Vr aus der Reaktionskapsel gewonnene Diamant einen gewissen Anteil an länglichen Teilchen der in den Photographien mit »X« bezeichneten Art.

Es wurde die Wirksamkeit der länglichen RD-D\amantenteilchen bei harzgebundenen Scheiben untersucht. RD-Diamantenteilchen mit einer Größe in einem solchen Bereich, daß sie ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,177 mm passierten, jedoch ein Sieb mit einer lichten Maschenweite von 0,149 mm nicht passierten, die etwa 80% längliche Teilchen gemäß der Erfindung enthielten, wurden unter Verwendung bekannter Arbeitsweisen mit Nickel überzogen (55 Gew.-%. bezogen auf das Gewicht des überzogenen Teilchens). Die überzogenen Teilchen wurden in einer Menge von 12.5 Vol.-%, bezogen auf die unüberzogenen Teilchen, mit 25 Vol.-% Phenol-Formaldehyd-Harzstarter und etwa 62,5% üblichen pulverförmigen anorganischen Füllstoffen, wie Siliciumcarbid, gemischt. Die Mischung wurde in eine Form um eine Formaldehyd-Phenol-Kunstharznabe in der oben beschriebenen Weise gegossen. Vor dem Abbinden und Härten des Harzes wurden die länglichen Teilchen so orientiert, daß im wesentlichen alle langen Achsen quer zur Arbeitsseite der Scheibe angeordnet waren, d. h. radial orientiert waren, wobei ein Magnetfeld verwendet wurde. Auf die Mischung in der Form wurde Druck angewandt und die Temperatur erhöht, um das Abbinden und Härten des Harzes zu erreichen. Die erhaltene Scheibe hatte einen

wi Arbeitsharzteil mit einem Gehalt von 50% Diamantenteilchen. Die Scheibe hatte eine Größe von 12,7 χ 0,48 cm. Deren Wirksamkeit wurde unter Schleifbedingungen unter Verwendung eines Wolframcarbid-Kobalt-Hartmetall-Arbeitsstücks untersucht, wobei

' ? eine Tischbewegung von 16,6 m/min, ein Quervorschub von 0,127 cm, ein Tiefenvorschub von 0,0025 cm, eine Wellengeschwindigkeit von 3700 U/min und ein Gesamttiefen vorschub von 0,102 cm angewandt wurden.

Es wurde gefunden, daß unter diesen Bedingungen das durchschnittliche Schleifverhältnis der untersuchten Scheibe bis zur Zerstörung 82 betrug. Das Schleifverhältnis ist, wie bekannt, das Verhältnis der Menge an entferntem Werkstück zur Menge an Schleifscheibe, die während des Schleifens verbraucht wird. Je höher das Schleifverhältnis, um so besser ist die Scheibe.

Für Vcigleichszwecke wurde eine ähnliche Scheibe hergestellt, wobei ein im Handel erhältlicher RD-Diamantenschrot gleicher Größe verwendet wurde. Die Beschichtung des Schrotes und die Herstellung und Eigenschaften der Scheibe waren die gleichen, wie für die Scheibe, die die länglichen Teilchen gemäß der

Erfindung enthielt, außer daß keine Orientierung vorgenommen wurde. Die erhaltene Scheibe wurde in gleicher Weise wie die Scheibe, die die erfindungsgemäßen Teilchen in radialer Orientierung enthielt, untersucht.

Es wurde gefunden, daß die Scheibe, die den bekannten überzogenen Schrot enthielt, ein Schleifverhältnis von nur 56 aufwies. Ferner war der Kraftverbrauch bei der Scheibe, die den orientierten Schrot gemäß der Erfindung enthielt, größer als der Kraftverbrauch bei der Scheibe, die den orientierten Schrot gemäß der Erfindung enthielt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche;

1. Verfahren zur Herstellung von Diamantenteilchen, bei dem in einer Reaktionszone ein Lösungsmittel-Metall mit einem kohlenstoffhaltigen Material in Berührung gebracht wird, wobei das kohlenstoffhaltige Material in Form einer Hülle um einen Kern des Lösungsmittel-Metalls angeordnet ist, und bei dem der Inhalt der Reaktionszone erhöhten Temperaturen und Drücken unterworfen ist, die für die Umwandlung des kohlenstoffhaltigen Materials in Diamant geeignet sind, und die erhöhten Temperaturen und Drücke für eine für das Wachstum von Diamanten ausreichende Zeit aufrechterhalten werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Breite der Hülle zum Durchmesser des Kerns im Bereich von 1 :20 bis 1 :5 liegt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Hülle etwa 1/10 des Durchmessers des Kerns beträgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Lösungsmittel-Metall eine Legierung eines Carbid-bildenden Metalls und eines Metalls der VIII. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Metalle Mangan und Kobalt eingesetzt werden.

5. Verwendung der nach einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellten Diamantenteilchen zur Herstellung harzgebundener Schiffsche? sn.