DE2705824A1

DE2705824A1 - Verfahren zum sintern von pulverisierten stoffen

Info

Publication number: DE2705824A1
Application number: DE19772705824
Authority: DE
Inventors: Akio Hara
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1976-02-11
Filing date: 1977-02-11
Publication date: 1977-09-01
Also published as: FR2340918A1; DE2705824B2; CA1095212A; FR2340918B1; SE421382B; DE2705824C3; SE7701518L; GB1537212A

Description

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Sumitomo Electric Industries Ltd., Osaka / Japan

Verfahren zum Sintern von pulverisierten Stoffen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Sintern von pulverförmigen Stoffen, aus denen unter hohem Druck und hoher Temperatur die Preßlinge entstehen.

Beim Sintern von pulverisierten Stoffen arbeitet man mit sehr hohem, gleichförmigem Druck und hoher Temperatur, beispielsweise zur Herstellung von Diamanten. Wenn die Teilchengröße des pulverisierten Stoffes mehr als einige 100 Mikron

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•ν.

beträgt ergeben sich kehe Schwierigkeiten. Bei Korngrößen von einigen zig Mikron, insbesondere aber bei veniger als einem Mikron, erhält man keine dichten Preßlinge mehr, wenn die Gasanteile nicht vollständig aus dem pulverisierten Material beseitigt werden können, so daß der fertige Preßling zahlreiche Poren aufweist.

Das Gas kann sowohl chemisch als auch physikalisch adsorbiert sein und in Form- von Oxyden, Hydroxyden usw. in Vertiefungen oder auf der Oberfläche der Teilchen vorhanden sein. Wenn man den pulverisierten Stoff bei Zimmertemperatur einem hohen Vakuum aussetzt, entstehen beim anschließenden Presseh unter

und hoher Temperatur
hohem Druck/durch die Gaseinschlüsse Poren im Preßling.

Man erhält so Gase, wie HpO, CO₂, CO und H₂, wenn ein WC-Co-Pulvergemisch zunächst bei Zimmertemperatur einem Vakuum ausgesetzt und dann auf eine Temperatur von über 1000⁰C erwärmt wird.

Man geht davon aus, daß ein WC-Co-Pulvergemisch gewöhnlich ca. 0,3 bis 0,6 % von O₂ enthält.

Das spezifische Gewicht einer WC-Legierung mit 10 % Co beträgt 14, 6, d.h. ein ecm wiegt 14,6 p. Unter der Annahme, daß das Pulvergemisch 0,5 % O₂ enthält, ergibt sich:

14,6 χ 0,005 x 1/32 χ 22,4 x 10³ m 51.1 (ecm).

Unter einem gleichförmigen Druck von 2000 atm und einer Temperatur von 1400°C erhält man aus diesen 51,1 ecm:

51,1 χ 1/2000 χ 1673/298 (Zimmertemperatur) = 0,14 (ecm). Infolgedessen muß der WC-Preßling mit 10 % Co somit 14 % xptx&sOQ aufweisen, d.h. man kann keinen Preßling mit einer Dichte von 100 % erreichen.

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Für sehr hohen Druck und hohe Temperatur, wie sie zur Herstellung von DiamariBn benötigt werden, wird das zu sinternde Material in ein festes Preßmedium, z.B. Pyrophyllit, eingeschlossen. Trotz des hohen Drucks von 500 bis 600 kp/mm², der auf das Preßmedium wirkt, können praktisch keine Gase entweichen, ähnlich wie bei einem luftdichten Behälter. Man stößt somit beim Sintern von Diamanten oder auch von kubischen, d.h. isometrischen Bornitrid, das auch verarbeitet wird, auf das gleiche Problem wie bei der obengenannten WC-Co-Pulvermischung.

Das gleiche gilt für das Sintern von Tonerdepulver, das bei einer Gasanalyse oft 1 % Gas liefert.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren zum Sintern von Preßlingen, wobei das zu sinternde Material pulverförmig in ein Gefäß gefüllt wird, werden diese Nachteile vermieden. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, daß die öffnung des Gefäßes zunächst durch ein eine Abdeckung und ein Lötmittel umfassendes Oberteil so bedeckt wird, daß eine Lüftung des Gefäßes gegeben ist, daß das Gefäß dann zur Entgasung des pulverförmigen Materials unter Wärmezufuhr einem Vakuum ausgesetzt wird und daß schließlich das Lötmittel durch fortgesetzte Wärmezufuhr geschmolzen und das Gefäß durch die Abdeckung luftdicht so verschlossen wird, daß der luftdichte Gefäßverschluß auch beim anschließenden, unter hohem Druck und hoher Temperatur erfolgendem Sintern des Gefäßinhalts zu einem Preßling erhalten bleibt.

Somit kann man durch das erfindungsgemäße \6?fahren einen vollkommen dichten und entgasten Preßling erzielen, der keine Poren aufweist. Das gleiche gilt auch für die Verarbeitung eines noch unfertigen Preßlings in einem luftdicht verschlossenen Gefäß, wobei keine besonderen Einrichtungen benötigt werden.

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Zur auführlicheren Erläuterung der Erfindung wird auf die in der Zeichnung im Schnitt gezeigten vier Ausführungsformen von Gefäßanordnungen mit zu sinterndem Pulver oder einem noch unfertigen Preßling verwiesen.

Gemäß Fig. 1 und 2 enthält ein zylindrisches Gefäß 10 ein zu sinterndes, pulverisiertes Material A, das in dem Gefäß pulverförmig oder als kaltgepreßter, unfertiger Preßling enthalten sein kann. Ein auf das Gefäß 10 gesetztes Entlüftungsteil 11 aus einem Lötmittel ist gasdurchlässig. Auf dem Lötmittelteil 11 liegt eine Abdeckung 12, die ebenfalls die Lüftung des Gefäßes 10 erlaubt.

Die Entlüftung 11 kann gemäß Fig. 1 ein Gitter oder Netz aus Lötmitteldraht oder gemäß Fig. 2 eine gevellte Platte sein. Ebenso kann das Teil 11 ein geteilter Ring aus einem Lötdraht sein, der auf der Öffnung des Gefäßes 10 liegt, oder ein pulverisiertes Lötmittel, das die öffnung des Gefäßes 10 bedeckt. Auch andere Lötmittelanordnungen kommen in Betracht, soweit sie eine Entlüftung gestatten.

Das zu sinternde Material A besteht aus Diamant, kubischem Bornitrid oder ihren Mischungen. Dem Material kann außerdem als Binder Nickel oder Titannitrid zugesetzt verden.

Bei einer Partikelgröße des Materials von einigen Mikron oder veniger oder bei Vermischung des Materials mit einem Binder, etwa Nickelpulver, einem anderen Metallpulver, Titannitridpulver oder einem anders zusammengesetzten Pulver, kann das Material zunächst unter einem Druck von 10 bis 1000 oder mehr kp/cm² zu einem noch unfertigen Preßling kalt verformt verden. Ebenso kann man andere, pulverförmige Stoffe sintern, vie etva Tonerde, Mischungen von Wolframkarbid mit Kobalt und Titandiborid.

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Beispiele für Kombinationen von Lötmittelteil 11 und Gefäß mit der Abdeckung 12 zeigt die folgende Tabelle I.

Tabelle I	Lötmittel
Gefäß und Abdeckung	Cu und seine Legierungen
Fe und seine Legierungen	Cu ^w " ^w
Mo " " "	Silberlot
	Co oder eutektische Legierung W-C-Co
WC	Cu-Legierung
W	Ni-Legierung
W

Obige Kombinationen werden mit Rücksicht auf die Temperatur gewählt, die zur vollständigen Entgasung des zu sinternden, pulverisierten Materials erforderlich ist und mit Rücksicht auf die Reaktionsfähigkeit des Materials.

Die Kombinationen von Fe oder seine Legierungen und Co oder seinen Legierungen sind dabei am billigsten und am einfachsten zu verarbeiten.

Gemäß obigem Beispiel liegt die Entlüftung 11 zwischen dem Gefäß 10 und der Abdeckung 12. Jedoch kann die Abdeckung selbst gemäß Fig. 3 und 4 auch aus einem porösen Material bestehen, beispielsweise aus gesintertem Eisenpulver, so daß eine Lüftung vorhanden ist, auf dem ein Stück Lötmittel 13 liegt.

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Außerdem kann die Abdeckung 12 gemäß Fig. 4 in die Öffnung des Gefäßes 10 eingepaßt verden.

Das Sefäß 10 kann ferner ganz oder teilveise aus einem porösen Material bestehen, beispielsveise gesintertem Eisenpulver, wobei das Lötmittelstück an dem porösen Teil liegt·

Die folgende Tabelle II zeigt als Ausfuhrungsbeispiel Kombinationen von Gefäß 10, Abdeckung 12 und Lötmittelstück

Tabelle II

Gefäß Abdeckung Lötmittelstück

Ni gesintertes Cu-Legierung

Fe-Pulver

Fe und seine gesintertes Cu-Legierung oder Legierungen Fe-Pulver Sn-Pb-Lot

kaltgepreßtes kaltgepreßtes Co-C-W oder Ni WC-Pulver WC-Pulver

Co gesintertes Cu-Legierung

Fe-Pulver

kaltgepreßtes kaltgepreßtes Cu Fe-Pulver Fe-Pulver

Diese Materialien besitzen vorzugsweise eine Porosität von 20 bis 60 %.

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Zur vollständigen Entgasung des pulverförmigen Materials A wird diese Gefäßanordnung unter Vakuum erhitzt. Bei ausreichender Erhitzung schmilzt das Lötmittelteil 11 bzw. Lötmittelstück 13 und verschließt das Gefäß 10 luftdicht. Im Ausfihrungsbeispiel nach den Fig. 1 und 2 werden durch das Lötmittelteil 11 die Abdeckung 12 und das Gefäß 10 hart verlötet. Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 3 und dringt das geschmolzene Lötmittelstück 12 in die poröse Abdeckung 12 ein, wodurch diese hart mit dem Gefäß 10 verlötet wird, so daß ein luftdichter Gefäßverschluß entsteht.

Die Temperatur liegt vorzugsweise über 500°C. Falls das zu sinternde Material Diamant oder kubisches Bornitrid ist, bei dem Phasenumkehr auftreten kann, wird die Temperatur unter 1300°C gewählt.

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Das Vakuum beträgt mindestens 10 mmHg oder mehr, das auf ein begrenztes Teil mit Lüftung einwirken kann, beispielsweise an der Öffnung des Gefäßes 10 durch ein angeschlossenes Rohr.

Das so verarbeitete Gefäß läßt sich bei hoher Temperatur und hohem Druck komprimieren, ohne daß der luftdichte Verschluß verloren geht.

Zur Herstellung eines Diamanten bzw. eines gesinterten Preßlings wird das Gefäß anschließend bei hohem Druck und hoher Temperatur gepreßt. Bei Diamant oder einer Hochdruckform von Bornitrid wird mehrere Minuten oder mehrere Stunden bei einer Temperatur von 1000⁰C oder mehr und einem Druck von mindestens 20 kbar (Kb) gepreßt. Bei Stoffen wie Tonerde, Titandiborid und Mischungen von Wolframkarbid mit Kobalt beträgt der Druck bis zu einige 1000 kp/cm und die Temperatur 1200 bis 2000°C.

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Der so hergestellte, gesinterte Preßling ist von einem Mantel umgeben, der entfernt werden muß.

Ein Diamantpreßling, dessen Matrix hauptsächlich aus Kupfer besteht, ist unmagnetisch und eignet sich für verschleißfeste Teile und Elemente in Elektronenrechnern, elektrischen Haushaltsgeräten, Bandaufzeichnungsgeräten usw. Der Preßling besitzt eine höhere Wärmeleitfähigkeit. Gegenüber einem Preß-r ling mit einer Matrix aus Eisen oder einem Element dieser Gruppe kann jedoch die Härte niedriger sein. Insbesondere bei Verwendung als Schneidspitze ist die Festigkeit bei höherer Temperatur nicht mehr ausreichend, da der Schmelzpunkt von Kupfer niedriger liegt als bei einem Element der Eisengruppe·

Praktisch entgegengesetzte Eigenschaften erzielt man bei einem Diamantpreßling, dessen Matrix hauptsächlich aus Nickel besteht.

Wie Versuche zeigen, gelangt man zum ersten Resultat durch Verwendung eines Gefäßes aus Eisen oder Kobalt mit einem Lot aus Kupfer oder seinen Legierungen, während das zweite Resultat durch Verwendung eines Gefäßes aus Nickel oder seinen Legierungen und mit Kupfer oder KupferIegierungen als Lötmittel erreicht wird.

Wie bereits erwähnt, ist der bei hohem Druck und hoher Temperatur gesinterte Preßling von einem Mantel umgeben, der aus dem komprimierten Gefäß besteht. Zur Freilegung des Preßlings muß der Mantel entfernt werden· Dies bereitet insbesondere dann Schwierigkeiten, wenn der Preßling sehr klein ist, beispielsweise ein Diamant, da der Mantel im allgemeinen sehr fest an dem Preßling sitzt. Wie Versuche ergaben, läßt sich bei Verwendung eines Gefäßes aus Bisen

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oder seinen Legierungen der Mantel jedoch ohne veiteres entfernen.

Hierzu wird ein konisches Stück Eisen unten in der Mitte des Eisengefäßes angesetzt, wobei der Diamantpreßling in seiner Mitte eine konische Vertiefung besitzt, so daß sich der konische Block ohne weiteres abnehmen läßt. Man kann beispielsweise einen Diamantpreßling herstellen, dessen Form einem endgültigen Produkt ähnelt, beispielsweise einem Ziehstein zum Drahtziehen. Natürlich kann man auch einen Eisenstab od. dgl. in das Gefäß einsetzen. Mit Rücksicht auf die großen Schwierigkeiten bei Bearbeitung eines Diamantpreßlings bietet dies große Vorteile.

Der weiteren, eingehenden Erläuterung der Erfindung dienen die folgenden Beispiele.

Beispiel 1

Ein Gefäß aus Weicheisen mit einem Außendurchmesser von 14 mm, einem Innendurchmesser von 7 mm und einer Höhe von 19 mm wurde mit Diamantpulver einer mittleren Teilchengröße von Mikron gefüllt und geschüttelt. Die gesamte Diamantmenge war 1,6 p.

Als Lötmittel lag auf der Öffnung des Gefäßes ein geteilter Ring aus einem Kupferdraht mit einem Durchmesser von 1,5 mm. Darauf lag eine Veicheisenabdeclcung mit einem Durchmesser von 14 mm und einer Stärke von 3 mm.

Das so zusammengesetzte Gefäß wurde in einen Ofen mit einem Vakuum von 10"⁴ mmHg gebracht, pro Stunde um 500⁰C bis auf 1150°C erwärmt, 10 Minuten auf dieser Temperatur gehalten und dann wieder ab^kühlt. Nach der Herausnahme aus dem Ofen

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war das Gefäß durch das geschmolzene Kupfer luftdicht verschlossen.

Zur Herstellung des Diamanten wurde das Gefäß bei hohem Druck und hoher Temperatur gepreßt. Das Gefäß wurde hierzu zunächst einem Druck von 55 kbar (Kb) ausgesetzt, dann auf 145O°C erwärmt, 5 Minuten auf dieser Temperatur gehalten und dann abjskühlt.

Zur Freilegung des Diamantpreßlings wurde das Stahlgefäß abgeschliffen. Der Diamantpreßling mit einem spezifischen Gewicht von 4,0 war ohne jede Poren dicht gesintert.

Anschließend wurde der Preßling mit einer Diamantschleifscheibe weiterbearbeitet. Eine mikroskopische Untersuchung ergab, daß die Diamantpulverteilchen miteinander verbunden waren und daß die Zwischenräume von Metall ausgefüllt waren. Gemäß einer Mikroanalyse mit Röntgenstrahlen bestand das verbindende Metall aus Kupfer und 15 Jt Eisen.

Vor dem Pressen bei hoher Temperatur wurde das luftdicht verschlossene Gefäß geöffnet, wobei sich zeigte, daß das luftdicht verschlossene Gefäß auf der Innenseite mit einem Kupferfilm überzogen war, der eine Stärke von ca. 0,15 mm aufwies, wobei das Kupfer zur Hartlötung von Abdeckung und Gefäß diente. Kupfer und Stahl des Gefäßes waren in die Zwischenräume des Diamantpulvers eingedrungen und hatten eine Metallmatrix gebildet.

Beispiel 2

Kubisches Bornitridpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 4 Mikron und Titannitridpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 1 Mikron wurde mit einem Volumenverhältnis von 3:2 gemischt und eingefüllt/ein Gefäß aus Molybdän mit einem

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Außendurchmesser von 14 mm, einem Innendurchmesser von 10 mm und einer Höhe von 6 mm.

Auf die Gefäßöffnung wurde als Lötmittel ein Gitter der Maschengröße 32 (US-Standard) aus Bronze gelegt. Das Gitter hatte einen Durchmesser von 14 mm. Darauf lag eine Abdeckung aus Molybdän ebenfalls mit einem Durchmesser von 14 mm und einer Stärke von 3 mm.

Das ganze Gefäß kam vie in Beispiel 1 in einen Ofen mit einem Vakuum von 10 mmHg, wurde auf 1100⁰C erwärmt und abgekühlt. Durch die geschmolzene Bronze war das Gefäß anschließend luftdicht verschlossen.

Das dem Ofen entnommene Gefäß wurde dann wieder wie in Beispiel 1 bei hoher Temperatur komprimiert. Man erhielt einen dicht gesinterten Preßling mit einer Vickershärte von 3600.

Beispiel 3

Bs wurde ein Gefäß aus reinem Titan mit den Abmessungen gemäß Beispiel 2 verwendet.

Anschließend wurde Diamantpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 5 Mikron gemischt mit 19 Gew.-% elektrolytischem Kupferpulver und 3,5 Gew.-% Nickelpulver mit einer Teilchengröße von -325 Maschen (^H-325 Mesh"). Das Gemisch wurde in einer Kugelmühle aus rostfreiem Stahl mit zementierten Karbidkugeln gemahlen und in das Titangefäß eingefüllt.

Auf die Gefäßöffnung wurde ein geteilter Ring aus Silberlot gelegt (entsprechend JIS, Japanese Industrial Standard, BAg-2, Schmelzpunkt 700°C). Darauf wurde eine Abdeckung aus

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Titan gelegt.

Wie bei Beispiel 1 kam das Gefäß in einen Ofen mit einem Vakuum von 10"⁴ mmHg, wurde auf 9OO°C erwärmt und anschließend abgekühlt. Das dem Ofen entnommene Gefäß war durch das Silberlot luftdicht verschlossen.

Das Gefäß wurde unter einem Druck von 60 kbar (Kb) wie in Beispiel 1 gepreßt, anschließend wurde die Temperatur auf 15OO°C erhöht. Druck und Temperatur wurden 5 Minuten lang aufrechterhalten.

Nach der Entnahme aus dem Ofen wurde das Gefäß zur Entnahme des dicht gesinterten Diamantpreßling abgeschliffen. Dieser wurde mit einem Diamantfräser geschnitten und ein Teil zur Herstellung eines Schneidwerkzeuges mit Silberlot auf einen Werkzeugschaft hart gelötet.

Ein zementierter Karbidstab aus Wolframkarbid mit 12 % Co mit einer Vickersharte von 1300 konnte mit diesem Schneidwerkzeug geschnitten werden.

Beispiel 4

Pulverisiertes Titandiborid (TiB₂) mit einer mittleren Teilchengröße von 3 Mikron wurde in ein Titangefäß mit einem Außendurchmesser von 14 mm, einem Innendurchmesser von 10 mm und einer Höhe von 6 mm gefüllt. Es wurde Nickellötpulver (Schmelzpunkt 1024°C, Teilchengröße: -120 Maschen, +200 Maschen) bestehend aus Ni-4,5 Si-2,9 B eingefüllt, mit Äthylzellulose gelöst in Toluol als Binder und umgerührt. Das ganze wurde auf die Öffnung des Gefäßes ca. 3 mm dick aufgetragen und eine Tantalabdeckung von 2 mm Stärke darübergelegt.

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Wie in Beispiel 1 wurde dann das ganze in einem Vakuumofen mit einem Vakuum von 10 mmHg gebracht, darin auf 1100⁰C erwärmt und abgekühlt.

Das dem Ofen entnommene Gefäß war durch Hartlötung ohne jeden Spalt mit der Tantalabdeckung ^bunden.

Anschließend wurde das Gefäß in einer Hochdruckeinrichtung bei 50 kbar und 1800°C 10 Minuten lang gesintert.

Der gewonnene Preßling hatte eine Dichte von 99 %. Die Strukturprüfung nach dem Polieren und Schleifen des Preßlings mit Diamantpaste zeigte, daß der gesinterte Preßling keine Poren aufwies.

Beispiel 5

Diamantpulver mit einer mittleren Teilchengröße von 5 Mikron wurde mit 20 Gew.-Jt Karbonyl-Nickel-Pulver 24 Stunden lang in einem rostfreien Stahlbehälter mit zementierten Karbidkugeln mit 10 % Co 24 Stunden lang gemahlen und gemischt. Die Pulvermischung erhielt als Schmiermittel 2 % Kampfer und wurde unter einem Druck von 1 t/cm zu einem Pellet von 5 mm Durchmesser und 5 mm Höhe kalt gepreßt.

Das Pellet wurde in ein Gefäß aus Nickel mit einem Innendurchmesser von 5 mm, einem Außendurchmesser von 7 nun gebracht und darauf eine poröse Abdeckung mit einem Durchmesser von 5 mm aus gesintertem Eisenpulver mit einer Teilchengröße von 120 bis 100 Maschen gelegt, worauf eine Kupferlegierung folgte, mit 5 % Eisen und 5 % Mangan, von einem Durchmesser von 2,5 mm und einer Höhe von 2 mm.

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Das ganze Gefäß kam in einen Vakuumofen mit einer Diffusionspumpe, wurde pro Stunde um 5OO°C bis auf 115O°C erwärmt und abgekühlt. Nach Entnahme aus dem Ofen war die Kupferlegierung vollständig in die poröse Abdeckung eingedrungen und diese durch Hartlötung mit dem Niekelgefäß verbunden.

Das ganze wurde zur Bildung eines Diamanten unter hohem Druck und hoher Temperatur gepreßt. Hierbei diente Graphit als Heizelement, wobei sich zwischen dem Graphit und dem Nickelgefäß Salz befand. Das Gefäß wurde bei einem Druck von 60 kbar und einer Temperatur von 1600°C 10 Minuten lang gepreßt, wodurch ein Diamantpreßling mit der Vickerhärte 6500 entstand. Der Preßling war in Dichte und Härte einem nach üblichen Verfahren hergestellten und nicht entgasten Preßling weit überlegen.

Beispiel 6

Tonerdepulver von höchster Reinheit und mit einer mittleren Teilchengröße von 0,4 Mikron wurde mit 0,5 % Magnesiapulver gemischt und in einer mit äußerst reiner Tonerde ausgelegten Kugelmühle unter Verwendung von Tonerdekugeln höchster Reinheit 100 Stunden lang naß gemahlen. Das Pulver wurde anschließend getrocknet, mit 3 % Kampfer versetzt und unter einem Druck von 1 t/cm zu einem noch unfertigen Preßling von 60 mm Durchmesser und 50 mm Höhe kalt gepreßt.

Außerdem wurde ein Gefäß von 60 mm Innendurchmesser, einer Tiefe von 70 mm und einer Stärke von 1 mm aus Kohlenstoffarmen Stahl hergestellt. In dieses Gefäß wurde der noch unfertige Preßling eingesetzt. Darüber wurde eine poröse Abdeckung mit einem Durchmesser von 60 mm und einer Stärke von 1 mm aus gesintertem Eisenpulver mit einer Teilchengröße von bis 50 Maschen gelegt. Darüber kam wiederum eine Kupferlegierung mit 5 % Eisen und 5 % Mangan.

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- ve -

•Α.

Das ganze Gefäß wurde in einem Vakuumofen mit einer Diffusionspumpe eingebracht und pro Stunde um 2üü°C bis auf 115u°C erhitzt.

Mach der Entnahme aus dem Ofen war die Kupferlegierung vollständig in die poröse Eisenabdeckung eingedrungen und hatte die Gefäßöffnung verschlossen. Auf die Öffnung des Gefäßes wurde dann eine Scheibe aus kohlenstoff armen iitahl von einem Durchmesser von 60 mm und einer Starke von 1 mm hart gelotet, so daß das Gefäß ganz von kohlenstoffarmen Stahl umgeben war.

Das ganze wurde in einer Argonatmosphäre 1 Stunde lang mit 2000 atm und 14üü°C gepreßt.

Nach der Entnahme aus der Presse wurde das den Tonerdepreßling umgebende Metallgefäß mittels HNO₃ abgeätzt. Die Oberfläche wurde in einer Stärke von mehreren mm abgeschliffen, so daß man einen Preßling erhielt mit der idealen Dichte von 99 % (P = 3,99 p/ccm).

Die Untersuchung der Kristallteilchen durch ein Elektronenmikroskop ergab, daß diese um ca. 0,8 Mikron kleiner als die auf übliche Weise hergestellten Teilchen waren.

Beispiel 7 Aus kalt gepreßtem WC-Pulver mit einer mittleren Teilchengröße

von 4 Mikron vurde ein zylindrisches Gefäß mit eingepaßter unterer Abdeckung hergestellt. Das Gefäß hatte eine Stärke von 2 mm, einen Innendurchmesser von 5 mm und eine Hefe von 2 mm.

Eine obere Abdeckung hatte eine Stärke von 10 nun und bestand aus dem gleichen Material.

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In ddS Gefäß wurde ein noch unfertiger Preßling aus einer Pulvernd schung aus kubischem Bornitrid und 2u % Titannitrid eingesetzt. Darauf wurde die obere Abdeckung gelegt, worauf eine Schicht einer kaLt gepreßten Pulvermischung folgte, die aus Co-C-W in Form einer eutektischen Legierung bestand.

Die ganze Gefäßanordnung wurde gemäß Beispiel 5 in einem Vakuumofen entgast, allerdings mit einer höchsten Temperatur von nur 135O°C. Nach der Entnahme aus dem Ofen wurde die überflache glatt geschliffen und das Gefäß gemäß Beispiel 5 heiß gepreßt, wodurch ein gesinterter Körper mit einem Durchmesser von IU nun und einer Stärke von ca. 6 mm entstand. Durch Abschleifen der WC-Co-Legierung seitlich und oben erhielt man einen Preßling aus kubischem Bornitrid mit zementiertem Karbid als Substrat. Diese Form ist für Schneidwerkzeugspitzen äußerst vorteilhaft.

Beispiel 8

Aus Wolframpulver mit einer Teilchengröße von 10 Mikron und Sioux NickeJng wurde ein Gefäß mit den Abmessungen nach Beispiel 5 hergestellt.

Der Vakuumofen hatte eine höchste Temperatur von 1500°C. Es wurde ein ausreichend gesinterter Preßling erzielt.

Beispiel 9

Aus Kohlenstoffstahl wurde ein Gefäß mit einem Innendurchmesser von 5 mm, einem Außendurchmesser von 8 mn und einer Tiefe von 10 mm hergestellt. Auf dem Rütteltisch wurde Diamantpulver mit einer Teilchengröße von weniger als 400 Maschen in das Gefäß 8 mm hoch eingefüllt. Darauf folgte eine poröse Abdeckung aus gesintertem Bisenpulver von +140 bis -100 Maschen,

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-yf -

worauf ein Stück Kupferlegierung mit 5 % Eisen und 5 % Mangan folgte.

Die Gefäßanordnung wurde in einem Vakuumofen mit einer Diffusionspumpe gebracht und um i>OO°C pro Stunde bis auf 1120°C erhitzt.

Nach der Entnahme aus dem Ofen war die Kupferlegierung in die poröse Eisenabdeckung eingedrungen und hatte diese durch Hartlötung mit dem Stahlgefäß verbunden.

Das Gefäß wurde unter hohem Druck und hoher Temperatur zur Herstellung eines Diamanten gepreßt. Als Heizelement diente ein Graphitrohr mit Salz zwischen dem Rohr und dem Gefäß.' Außerdem wurde als Druckmittel Pyrophyllit benutzt.

Zunächst wurde der Druck auf 60 kbar erhöht und darauf die Temperatur durch allmähliche Stromzufuhr auf 1600°C erhöht. Dann wurden Druck und Temperatur wieder abgesenkt. In dem so gewonnenen Preßling waren die Diamantteilchen vollständig mit Kupfer imprägniert und machten einen guten Eindruck. Die Vickershärte betrug etwa 6000.

Beispiel 10

Anstelle desStahlgefäßes nach Beispiel 9 wurde rostfreier Stahl 18-8, Nickel bzw. Kobalt verwendet. Jedes Gefäß wurde ebenso wie in Beispiel y behandelt und lieferte auch das gleiche Resultat.

Beispiel 11

Zerstäubtes Eisenpulver wurde zu einem Gefäß mit einer Porosität von 37 % kalt gepreßt. Die Gefäßabmessungen stimmten

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mit Beispiel 9 überein. Nach dem Einfüllen von Diamantpulver mit -400 Maschen in das Gefäß wurde eine aus dem gleichen Material wie das Gefäß bestehende Abdeckung in das Gefäß eingepaßt und darüber kurze Stücke Kupferdraht mit einem Durchmesser von 1 mm gehäuft.

Das ganze Gefäß kam in einen Vakuumofen nach Beispiel 9. Während des Erhitzens wurde Wasserstoff zur Reduktion der Oxyde auf der Oberfläche von Eisen- und Diamantpulver zugeführt, bis die Temperatur 95O°C erreicht hatte. Der Wasserstoffdruck im Ofen wurde auf 300 mmHg gehalten. Nach Erhöhung der Temperatur auf 95O°C wurde der Ofen mittels einer Diffusionspumpe

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auf einen Druck von 10 bis 10 mmHg gehalten.

Durch anschließendes Sintern in einer Hochdruckeinrichtung wie in Beispiel 9 erhielt man einen dichten Preßling.

Beispiel 12

Aus einem Nickelstab wurde ein Gefäß von einem Innendurchmesser von 5 mm, einem Außendurchmesser von 8 mm und einer Tiefe von 10 mm hergestellt. In das Gefäß wurde Diamantpulver von -400 Maschen bis zu einer Höhe von 8 mm eingefüllt, worauf eine poröse Abdeckung mit einem Durchmesser von 5 mm und einer Stärke von 1 mm gelegt wurde, die aus gesintertem Eisenpulver von +140 Maschen und -100 Maschen bestand. Darüber wurde außerdem ein Kupferstück gelegt.

Die Gefäßanordnung wurde in einem Vakuumofen mit einer Diffusionspumpe eingebracht und pro Stunde um 500°C bis auf 1150°C erwärmt. Zur Herstellung eines Diamanten wurde anschließend bei hohem Druck und hoher Temperatur gepreßt. Als Heizelement diente ein Graphitrohr und zur elektrischen Isolation befand sich Salz zwischen dem Gefäß und dem Rohr.

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Als Druclcmedium wurde Pyrophyllit verwendet. Der Druck wurde anfangs auf 60 kbar erhöht und dann die Temperatur durch allmähliche Stromzufuhr auf 1500⁰C gebracht. Auf dieser Temperatur wurde das Gefäß 5 Minuten lang gehalten.

Der so gewonnene Rohling wurde zerbrochen und unter dem Mikroskop untersucht. Die Bruchflächen ließen keine Poren erkennen. Durch eine Mikroanalyse mit Röntgenstrahlen konnte nur Nickel ermittelt werden.

Beispiel 13

Im Gegensatz zum Beispiel 12 wurde Diamantpulver von +300 Maschen und -200 Maschen verwendet. Außerdem wurde das Lötmittelstück nach Beispiel 12 durch ein Lötmittelstück aus einer Kupferlegierung mit 40 % Nickel ersetzt.

Die Gefäßanordnung wurde im Vakuum gemäß Beispiel 12 behandelt, wobei jedoch die höchste Temperatur 1300⁰C betrug.

Der erzielte Preßling war dicht gesintert und hatte eine Matrix hauptsächlich aus Nickel.

Beispiel 14

Im Unterschied zu Beispiel 12 wurde Diamantpulver mit einer Teilchengröße von 2 bis 3 Mikron und ein Lötmittelstück aus einer Kupferlegierung mit ca. 20 % Mangan verwendet.

Die Gefäßanordnung wurde gemäß Beispiel 12 im Vakuum behandelt, wobei jedoch die höchste Temperatur 95O°C betrug.

Der erzielte Preßling war dicht gesintert und hatte eine hauptsächlich aus Nickel bestehende Matrix.

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Beispiel 1 5

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Im Unterschied zu Beispiel 12 erfolgte das Heißpressen bei 1400°C, 15OO°C bzw. 16OO°C. Der bei 1400⁰C gewonnene Preßling hatte ein spezifisches Gewicht von 3,86. Mit ansteigender Temperatur erhöhte sich auch das spezifische Gewicht und erreichte bei 1600⁰C den Wert 4,00. Ebenso erhöhte sich die Nickelmenge in der Matrix mit dem Temperaturanstieg.

Beispiel 16

Im Unterschied zu der porösen Abdeckung nach Beispiel 12 wurde eine poröse Abdeckung aus gesintertem Co-PuIver verwendet.

Das Gefäß hatte die gleichen Abmessungen. Man erzielte wie in Beispiel 12 einen gesinterten Preßling, der auch die gleichen, guten Resultate zeigte.

Nach dem erf indungs gemäßen Verfahren lassen sich somit gesinterte Preßlinge ohne jede Poren wirtschaftlich herstellen. Das zu sinternde Material wird durch Anwendung von Hitze und Vakuum vollständig entgast. Dieser Behandlung wird ein Gefäß ausgesetzt, das mit dem Material gefüllt ist. Gleichzeitig wird ein auf der Gefäßöffnung liegendes Lötmittelstück geschmolzen, so daß das Gefäß luftdicht verschlossen wird. Anschließend wird das Gefäß bei hohem Druck und hoher Temperatur komprimiert.

DIpI. -tngl E. J-der DIpI.-Ing.

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Claims

Patentanwälte — ϋΊ — Dipl.-Ing. E. Fr^r Ülpl-!rig. K. Scfiios ' "> ,-.,:.^:: .1 270582 A Patentansprüche

1. Verfahren zum Sintern von Preßlingen, wobei das zu sinternde Material pulverförmig in ein Gefäß gefüllt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung des Gefäßes durch ein eine Abdeckung und ein Lötmittel umfassendes Oberteil so bedeckt wird, daß eine Lüftung des Gefäßes gegeben ist, daß das Gefäß zur Entgasung des pulverförmigen Materials unter Wärmezufuhr einem Vakuum ausgesetzt wird und daß das Lötmittel durch fortgesetzte Wärmezufuhr geschmolzen und das Gefäß durch die Abdeckung luftdicht so verschlossen wird, daß der luftdichte Gefäßverschluß auch beim anschließenden, unter hohem Druck und hoher Temperatur erfolgenden Sintern des Gefäßinhalts zu einem Preßling« erhalten bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberteil aus einer das Gefäß verschließenden, porösen Abdeckung besteht und daß auf die Abdeckung ein Lötmittelstück gelegt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Oberteil ein Lötmittelstück umfaßt, das auf die Gefäßöffnung gelegt wird, so daß eine Lüftung möglich ist, und daß eine luftdichte Abdeckung auf das Lötmittelstück gelegt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das puVerisierte Material aus der Gruppe Diamant, kubisches Bornitrid, aus Mischungen von Diamant mit kubischem Bornitrid und einer Mischung eines Bindemittels mit diesen Materialien besteht, und daß das Heißpressen zur Herstellung eines Diamanten in an sich bekannter Weise mit hohem Druck und hoher Temperatur erfolgt.

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5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abdeckung und das Gefäß aus Eisen oder seinen Legierungen hergestellt werden und daß als Lötmittel Kupfer oder seine Legierungen verwendet werden.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß aus Nickel oder seinen Legierungen besteht und daß als Lötmittel Kupfer oder seine Legierungen verwendet werden·

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefäß mindestens teilweise aus porösem Material besteht.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das pulverisierte Material vor dem Einfüllen in das Gefäß kalt gepreßt wird.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß gleichzeitig mit der Vakuumbehandlung auch die Wärmebehandlung erfolgt.

10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärme unter einer Wasserstoffgas» atmosphäre zugeführt wird und daß nach einer bestimmten Temperatur das Gefäß einem Vakuum ausgesetzt wird.

SMOndion 40, Bi

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