DE2646945C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Diamantverbundwerkstoffe, die aus 70 bis 90 Vol.-% Diamantteilchen und 10 bis 30 Vol.-% Bindemetall bestehen.

Diese Diamantverbundwerkstoffe sollen insbesondere für Abschleifarbeitsgänge verwendet werden, wie Schneiden, Bohren, Schleifen und Läppen.

Die Diamantteilchen sind Schleifteilchen, gewöhnlich in fein pulverisierter Form, die durch ein Bindemedium in den Verbundwerkstoff bzw. ein Konglomerat eingebunden sind.

Bekannt ist ein gesinterter Schleifkörper als Diamantver­ bundwerkstoff, der außer feinverteilten Diamantkristallen oder Diamantbort eine Verbundmasse enthält, die unter anderem aus Eisen, Nickel und 0,4 bis 0,7% Bor besteht (DE-AS 15 33 424). Die zur Herstellung dieses gesinterten Schleifkörpers verwendete Diamantschleifmasse enthält insbesondere 25 bis 35% feinverteilte Diamantkristalle. Das Bindemittel, aus dem durch Sintern die Verbundmasse entsteht, wird üblicherweise unter einem Druck von 1,05 bis 1,4 · 10⁵ Pa gesindert, wodurch das Volumen des Binde­ mittelpulvers um etwa 50% vermindert wird. Das verwendete metallische Bindemittel mit dem Borbestandteil soll bei nicht zu hohen Temperaturen in die Verbundmasse umge­ wandelt werden, d. h. es soll bei Temperaturen unterhalb 1010°C gesintert werden, wodurch ein thermischer Abbau der Diamantpartikel auf ein Minimum beschränkt werden soll.

Das Bindemittel und insbesondere das in ihm enthaltene Bor soll während des Sinterns, bei dem zumindest Teile der Metalle schmelzen, für eine Flußwirkung sorgen, um Oxyde an der Oberfläche der Pulverteilchen zu reduzieren, wo­ durch die gewünschte Bindung der entstehenden Verbundmasse mit den Diamantschleifteilchen erreicht wird. - Damit ist jedoch keine unmittelbare Anregung dafür gegeben, wie bei einem Diamantverbundwerkstoff, in dem die Diamantteilchen nicht lediglich in einer Verbundmasse eingelagert sind, sondern untereinander unmittelbar zu einem Diamantverbund­ werkstoff verwachsen, die Diamant-zu-Diamant-Verbindung gefördert und deren reproduzierbare Herstellung verbessert werden kann. Der bekannte Schleifkörper soll nämlich nicht bei Drücken und Temperaturen gesintert werden, die zur Er­ zeugung kristallographisch stabiler Diamantverbände als typisch bekannt sind:

Es ist bekannt, einen solchen Diamantverbundwerkstoff, in dem die Diamantkristalle direkt miteinander verbunden sind, aus wenigstens 70% Diamantteilchen und einem Pulver her­ zustellen, welches Wolframkarbid, Titankarbid, Tantal­ karbid, deren Mischungen sowie wenigstens ein Bindemetall enthält, das aus der Gruppe Kobalt, Nickel und Eisen aus­ gewählt ist (US-PS 37 45 623). Die Herstellung des Verbund­ werkstoffs erfolgt in einem Temperaturbereich von 1300 bis 1600°C bei Drücken um 5,5 · 10⁹ Pa. Die Dicke der Schicht aus dem Diamantverbundwerkstoff, der auf einem Karbid­ träger aufgebracht wird, beträgt minimal ungefähr 0,012 mm. Das bei der Herstellung des Diamantverbundwerkstoffs ver­ wendete Karbidschmelzpulver hat aufgrund des Kobaltgehalts die beiden Wirkungen, daß es die metallische Verbindung zum Sintern des Karbids darstellt und als Katalysator zur Diamanterzeugung wirkt, der zur Umwandlung des Graphits der die Diamantenpartikel enthaltenden Masse in Diamant erforderlich ist. Selbst wenn die letztgenannte Masse vollständig aus Diamantkristallen besteht, wird eine Diamantbildung gleichwohl gewünscht, um Diamant aus dem sich während des Herstellungsprozesses aus dem Diamant bildenden Kohlenstoff sowie zum Ausgleich des sich in das Katalysatormetall in den Bereichen hoher freier Energie und hoher Temperatur auflösenden Diamants (wieder-)-herzu­ stellen.

Eine andere bekannte Legierungszusammensetzung enthält 10 bis 80 Gew.-% Diamantbort und 10 bis 90 Gew.-% einer pulverför­ migen Matrixlegierung, die unterhalb 1316°C schmilzt (US-PS 34 96 682). Die Matrixlegierung kann aus einer Gruppe von Nickellegierungen ausgewählt werden, die kleinere Anteile Silicium, Bor und Chrom enthalten, von Kobaltlegierungen, die kleinere Anteile an Bor enthalten, von Kupferlegierungen, die kleinere Anteile an Silicium enthalten und von Kupfer­ legierungen, die kleinere Anteile Zinn enthalten. Im einzelnen sind Legierungen dieser Art bekannt, die als Nickellegierung mit einem Borgehalt von 1,5 bis 5 Gew.-%, als Kobaltlegierung mit einem Borgehalt von 1 bis 3 Gew.-%, von einer Kupferlegierung mit einem Borgehalt von 1,5 bis 2,5 Gew.-% sowie als Kupferlegierung mit einem Borgehalt von 0,03 bis 0,5 Gew.-% zusammengesetzt sind. Alle diese Legierungen sollen unterhalb 1316°C schmelzen. Obwohl diese Legierungen verwendet werden und es bekannt ist, daß die Partikel von Diamantbort über 1316°C zu oxidieren beginnen und zerspringen, so daß sie für Werkzeuge nutzlos werden, können die bekannten Legierungen mit Diamantbort in einem Flammensprühverfahren in einer sauerstoff-brenn­ stoffhaltigen Atmosphäre sehr kurzfristig höheren Temperaturen unterworfen werden, und zwar in einem Be­ reich von 3040 bis 3320°C. Die Ausgangsstoffe werden dabei nur für Mikrosekunden diesen Temperaturen ausgesetzt. Bei diesem Flammsprühverfahren tritt ein inniger Kontakt zwischen dem geschmolzenen Bindemetall und im wesentlichen der gesamten Oberfläche der einzelnen Partikel des Diamant­ bort ein, die während dieses Vorgangs sowohl physikalisch als auch chemisch unverändert bleiben. Die Diamantpartikel, die eine Partikelgröße von ca. 44 µm bis ca. 845 µm auf­ weisen, wachsen so nicht unmittelbar zusammen.

Zum Stand der Technik gehört auch die Diamantsynthese aus Kohlenstoffen, wobei die Umwandlung des Kohlenstoffes in Diamant bei Drücken von 5 bis 11,5 · 10⁹ Pa und Temperaturen zwischen ungefähr 1200°C bis ungefähr 2600°C durchgeführt wird (US-PS 29 47 609). Die Umwandlung des Kohlenstoffs, der beispielsweise als Graphit vorliegt, kann aber nur in engeren Druck- und Temperaturbereichen in Gegenwart be­ stimmter Katalysatoren erfolgen. Mit den Katalysatoren ist es möglich, die Umwandlung rasch und reproduzierbar bei verhältnismäßig niedrigen Drücken um 5 . 10⁹ Pa durch­ zuführen. Zu den vorgefertigten Legierungen gehören Legierungen wie Nickel-Chrom, Eisen-Mangan, Eisen-Nickel, Eisen-Kobalt, Eisen-Nickel-Kobalt, jedoch in jedem Fall ohne Bor. Als Reaktionstemperaturen werden solche um 1400°C bis 1650°C bevorzugt.

Jeder der Legierungsbestandteile beträgt mindestens 2, vorzugsweise 10 Gew.-% der vorgefertigten Legierung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Diamantverbundwerkstoff in leicht reproduzierbarer Weise herzustellen, was beinhaltet, daß die Festigkeits­ eigenschaften, insbesondere die Härte, primär durch zuver­ lässiges Zusammenwachsen der Diamantteilchen gewährleistet werden.

Diese Aufgabe wird durch die in den Ansprüchen 1 oder 2 angegebenen Erfindungen gelöst. Beide Erfindungen zeichnen sich u. a. dadurch aus, daß durch den Zusatz von Bor die Reproduzierbarkeit der gebildeten Diamantverbundwerkstoffe in­ folge zuverlässiger direkter Verbindung der Diamantteilchen untereinander bei großer Härte hoch ist.

Nach Anspruch 1 ist das Bor in der angegebenen Menge pulverförmig der Pulvermischung aus Bindemetall und Diamant­ teilchen zugesetzt.

Nach Anspruch 2 erfolgt im Unterschied dazu der Borzusatz in Form von Diamantteilchen, die mit Bor dotiert sind.

Vorzugsweise ist der Diamantgehalt des Werkstoffes etwa 80 bis 90 Vol.-% des Werkstoffes.

Das Bor ist nur in einer sehr kleinen Menge vorhanden, und zwar in einer Menge von 0,3 bis 0,7 Gew.-% der Diamantteilchen, wenn das Bor pulverförmig zugesetzt ist.

Das Bindemetall kann von den Metallen ausgewählt werden, die als Katalysator bei einer Diamantsynthese wirken. Solche Metalle sind Kobalt, Eisen, Nickel, Mangan und Tantal sowie durch Legierungen.

Die Pulver, welche für die Ausgangsmischung verwendet werden, sind sehr fein. Die Durchschnittsgröße der Partikel bzw. Teilchen der Mischung ist geringer als 40 Mikron.

Die Diamantverbundwerkstoffe können durch im übrigen be­ kannte Verfahren hergestellt werden, bei denen die Bor enthaltende Mischung aus Diamantteilchen und Bindemetall Bedingungen von Temperatur und Druck unterworfen werden, bei denen Diamant kristallographisch stabil (Definition gemäß US-PS 29 47 609) ist, und für etwa 10 bis 50 Minuten unter diesen Bedingungen gehalten werden. Die Drücke, die gewöhnlich zur Herstellung von Verbundwerkstoff verwendet werden, liegen im Bereich von 4 bis 7 · 10⁹ Pa und die verwendeten Temperaturen im Bereich von 1200 bis 1600°C. Man läßt die Temperatur dann wieder auf die Umgebungs­ temperatur absinken, und danach wird der Druck entlastet. Der Werkstoff wird in üblicher Weise gewonnen bzw. auf­ gearbeitet. Eine zur Durchführung des Verfahrens ge­ eignete Vorrichtung ist dem Fachmann an sich bekannt (US-PS 29 47 609).

Die Quelle für das Bor kann, wie obenerwähnt, Bor in fein pulverisierter Form sein, das der Ausgangsmischung zugeführt wird. Statt dessen können in der Ausgangs­ mischung mit Bor dotierte Diamantteilchen verwendet werden. Mit Bor dotierte Diamantteilchen können vorbe­ reitet werden, indem Graphit oder ein anderes solches kohlenstoffhaltiges Material Drücken oberhalb 4 · 10⁹ Pa und Temperaturen oberhalb 1200°C in Gegenwart von Bor oder einer Borverbindung mit einem Lösemetall ausge­ setzt werden, wie es eingehender in der US-PS 31 48 161 beschrieben ist. Mit Bor dotierte Diamantteilchen können auch durch das Verfahren hergestellt werden, das in der US-PS 31 41 855 beschrieben ist, wobei Bor in ein Diamant­ gitter diffundiert, indem Diamantteilchen Drücken ober­ halb von ca. 8,5 · 10⁸ Pa und Temperaturen oberhalb von 1300°C in Gegenwart von Bor oder einer Borverbindung ausgesetzt werden.

Es wurde gefunden, daß die Gegenwart des Bor in der Pulvermischung zu einer leichteren Reproduzierbarkeit des daraus erzeugten Diamantverbundstoffs führt.

In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde ein Diamantverbundwerkstoff hergestellt, indem ein Gemisch von 99,6% Diamantteilchen, 20% Kobalt und 0,4% Bor, alles Gewichtsprozente des Gemischs, hergestellt wurde. Die Durchschnittsgröße der Teilchen des Gemischs war 3 bis 6 Mikron. Das Gemisch wurde mit reduzierendem Wasserstoffgas behandelt. Das behandelte Gemisch wurde in eine Kapsel eingebracht, und die Kapsel wurde in die Reaktionszone einer üblichen Vorrichtung für hohe Tempe­ raturen und Drücke von derjenigen Bauart eingesetzt, wie sie in der US-PS 29 47 609 beschrieben ist. Der Druck in der Reaktionszone wurde auf etwa 7 · 10⁹ Pa gesteigert und die Temperatur auf etwa 1500°C. Diese Bedingungen wurden für etwa 40 Minuten aufrechterhalten. Danach durften die Temperatur und der Druck auf die Bedingungen der Umgebung absinken. Aus der Kapsel wurde ein Diamantverbundwerkstoff mit etwa 79 Vol.-% Diamantteilchen und einer Knoop-Härte von mehr als 5000 kg/mm² gewonnen.

Claims (2)

1. Diamantenverbundwerkstoff aus 70 bis 90 Vol.-% Diamant­ teilchen und 10 bis 30 Vol.-% Bindemetall, das aus 0,3 bis 0,7 Gew.-% Bor bezogen auf die Diamantteilchen und Rest Kobalt, Nickel, Eisen, Mangan und/oder Tantal besteht, hergestellt aus einer Pulvermischung mit einer durchschnittlichen Teilchengröße kleiner als 40 µm, die aus Diamantteilchen und einem Pulver aus dem Bindemetall besteht, bei einer Temperatur im Bereich von 1200 bis 1600°C und einem Druck von 4 · 10⁹ bis 7 · 10⁹ Pa unter Bedingungen, bei denen Diamant kristallographisch stabil ist.

2. Diamantverbundwerkstoff aus 70 bis 90 Vol.-% Diamant­ teilchen und 10 bis 30 Vol.-% Bindemetall, das aus Kobalt, Nickel, Eisen, Mangan und/oder Tantal besteht, hergestellt aus einer Pulvermischung mit einer durchschnittlichen Teilchengröße kleiner als 40 µm, die aus Bor dotierten Diamantteilchen und einem Pulver aus Kobalt, Nickel, Eisen, Mangan und/oder Tantal besteht, bei einer Temperatur im Bereich von 1200 bis 1600°C und einem Druck von 4 · 10⁹ bis 7 · 10⁹ Pa unter Bedingungen, bei denen Diamant kristallographisch stabil ist.