DE2827425A1

DE2827425A1 - Verfahren zum verbinden eines diamantcompacts oder kubischem bornitrid

Info

Publication number: DE2827425A1
Application number: DE19782827425
Authority: DE
Inventors: Rainer Dietrich
Original assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Current assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Priority date: 1977-06-24
Filing date: 1978-06-22
Publication date: 1979-01-11
Also published as: JPS6159270B2; IT1098312B; US4228942A; FR2395237B1; FR2395237A1; IT7824384A0; CH630834A5; BE868421A; SE439610B; SE7807099L; GB1588483A; ZA773813B; JPS5411588A

Description

VON KREISLER SCHONWALD MEYER EISHOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING

- 3·

PATENTANWÄLTE Dr.-Ing. von Kreisler + 1973

Dr.-Ing. K. Schönwald, KpIn Dr.-Ing. Th. Meyer, Köln Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden Dr. J. F. Fues, Köln Dipl.-Chem. AIeIc von Kreisler, Köln Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln Dipl.-Ing. G. Selling, Köln

5 KÖLN 1

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

2o. Juni 1978 AvK/Ax

De Beers Industrial Diamond Division (Proprietary)

Limited

Main Street, Johannesburg, Südafrika

Verfahren zum Verbinden eines Diamantcompacts oder kubischem Bornitrid

-'■■•non 8Q9882/087S

' '■ ' I I Telefon: (0221) 23 45 41-4 Telex: 8882307 dopa d · Telegramm: Dompotenl Köln

-Δ -

• 4-

Die Erfindung betrifft Schleifmittel, insbesondere Schleifmittel, die Schleifkörper, sog. Schleifcompacts, enthalten

Schleifkörper sind allgemein bekannt. Sie bestehen im wesentlichen aus einer Masse von Schleifteilchen, die im allgemeinen in einer Menge von wenigstens 70%, vorzugsweise 80 bis 90 Vol.-% des Schleifkörpers vorhanden und zu einem harten Konglomerat gebunden sind. Schleifkörper oder Compacts sind polycristalline Massen und können große Einzelkristalle ersetzen. Die Schleifteilchen der Schleifkörper sind stets superharte Schleifmittel, z.B. Diamant und kubisches Bornitrid.

Schleifkörper, insbesondere Diamentcompacts und kubische Bornitridcompacts können selbstgebunden sein, d.h. dir· einzelnen Schleif teilchen des Compacts können ohne Hilfe eines Metalls oder ähnlichen Bindemittels oder ähnlicher Bindematrix miteinander verschmolzen und gebunden nein. Stärkere und haltbarere Schleifkörper werden jedoch erhalten, wenn eine geeignete Bindematrix vorhanden ist.

Im Falle von kubischen Bornitridcompacts, d.h. bei Compacts, in denen die Schleifteilchen überwiegend aus kubischem Bornitrid bestehen, enthält das gegebenenfalls verwendete Bindemittel vorzugsweise einen Katalysator (auch als Lösungsmittel bezeichnet) für das Wachstum des kubischen Bornitrids, ζ'.B. Aluminium oder eine Legierung von Aluminium mit Nickel, Kobalt, Eisen, Mangan oder Chrom. Diese Katalysatoren pflegen weich zu sein. Um das Verschmieren des Katalysators während des Gebrauchs des Compacts weitgehend auszuschalten,

808882/0875

enthält das Bindemittel vorzugsweise außerdem ein keramisches Material, z.B. Siliciumnitrid, das mit dem Katalysator unter Bildung eines harten Materials reaktionsfähig ist.

Im Falle von Diamantcompacts, d.h. Schleifkörpern, in denen die Schleifteilchen überwiegend aus Diamant bestehen, enthält das Bindemittel oder die Bindematrix, falls es oder sie verwendet werden, vorzugsweise ein Lösungsmittel für das Diamantwachstum. Als Lösungsmittel eignen sich Metalle der Gruppe VIII des Periodensystems, z.B. Kobalt, Nickel oder Eisen oder eine Legierung, die ein solches Metall enthält.

Für Diamentcompacts und Compacts aus kubischem Bornitrid ist die Anwesenheit eines Lösungsmittels oder Katalysators für die jeweils im Schleifkörper verwendeten Schleifteilchen erwünscht, weil dann unter den zur Herstellung solcher Schleifkörper notwendigen Bedingungen Zusammenwachsen (intergrowth) zwischen den Teilchen stattfindet. Bekanntlich werden diamentschleifkörper und Schleifkörper auf Basis von kubischem Bornitrid im allgemeinen unter Temperatur- und Druckbedingungen hergestellt, unter denen die Schleifteilchen kristallographisch stabil sind.

Diamantschleifkörper und Schleifkörper mit kubischem Bornitrid werden zum Bearbeiten, z.B. zum Abspanen von Metallen und Naturstein verwendet. Im Gebrauch werden die Compacts an einer geeigneten Halterung, z.B. einer Spindel, unter Bildung eines Schleifwerkzeugs befestigt. Die Compacts können an eine Unterlage, z.B. eine Unterlage aus cementiertem Carbid oder aus Sinterhartmetall gebunden werden. Die Unterlage kann dann unter Bildung des Schleifwerkzeugs mit der Halterung verbunden werden. Diamantcompacts und Compacts aus kubischem Bornitrid, die an eine Unterlage aus

809882/0875

■(*■

gesintertem oder cementiertem Wolframcarbid gebunden sind, werden in den GB-PSen 1 349 385, 1 407 393 und 1 489 130 beschrieben.

Die Erfindung ist auf die Bindung eines Diamentcompacts oder Compacts auf Basis von kubischem Bornitrid mit einem weiteren Schleifkörper dieser Art oder an Sinterhartmetallunterlagen oder cementierten Metallcarbidunterlagen. mit Hilfe einer als Bindung dienenden Legierungsschicht eines Typs ähnlich dem in der GB-PS 1 489 130 beschriebenen Typs gerichtet.

Gegenstand der Erfindung ist demgemäß ein Verfahren zum Verbinden eines Diamentcompacts oder eines Compacts aus kubischem Bornitrid mit einem zweiten Schleifkörper dieser Art oder mit einer Unterlage aus cementiertem Metallcarbid bzw. Sinterhartmetall. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß man auf den ersten Compact eine Schicht eines Übergangsmetalls aufbringt, auf die Übergangsmetallschicht eine Schicht aus einem Hartlötmetall aufbringt, das einen Schmelzpunkt im Bereich von 650 bis 75O°C hat und mit dem Übergangsmetall eine Legierung zu bilden vermag, den zweiten Schleifkörper oder die Unterlage aus cementiertem Metallcarbid bzw. Sinterhartmetall auf die Hartlötmetallschicht aufbringt und das ganze auf eine Temperatur zwischen 650° und 75O°C erhitzt und hierdurch die Bindung zwischen dem ersten Compact und dem zweiten Compact oder der Unterlage aus cementiertem Metallcarbid bzw. Sinterhartmetall bewirkt.

Dieses Verfahren ist ein sehr wirksamer Weg zum Verbinden eines Diamantschleifkörpers oder eines Schleifkörpers auf Basis von kubischem Bornitrid mit einem anderen Schleifkörper oder insbesondere mit einer Unterlage aus cementiertem Metallcarbid bzw. Sinterhartmetall. Das Verbinden ist wirksam, weil es bei einer verhältnismäßig niedrigen Temperatur stattfindet

808682/0875

und dennoch eine Legierungsbindungsschicht erzeugt, die einen verhältnismäßig hohen Schmelzpunkt hat. Das Übergangsmetall, das die Legierung mit der Hartlötmetallschicht bildet, erhöht den Schmelzpunkt des Hartlötmetalls. Dies ist von besonderer Wichtigkeit für

Diamantcompacts, bei denen bei Temperaturen über 75O°C leicht Graphitisierung stattfindet.

Die Übergangsmetallschicht ist im allgemeinen unterbrochen, kann jedoch auch geschlossen oder kontinuierlieh sein. Unterbrochene oder diskontinuierliche Übergangsmetallschichten können durch Übergangsmetallpulver gebildet werden. Wenn eine Schicht aus Übergangsmetallpulver gebildet wird, beträgt die Dicke der Schicht im allgemeinen etwa 10 bis 100 um. Die übergangsmetallschicht kann auch durch eine Folie aus dem Übergangsmetall gebildet werden. In diesem Fall ist die Schicht zusammenhängend und geschlossen. Vorzugsweise wird eine unterbrochene Schicht verwendet. Die Metallfolie hat, wenn sie verwendet wird, ebenfalls im allgemeinen eine Dicke in der Größenordnung von 10 bis 100 um.

Als Übergangsmetall wird vorzugsweise Titan verwendet.

Als Lötlegierung können beliebige bekannte Lötlegierungen, die den erforderlichen Schmelzpunkt und die erforderliche Fähigkeit, mit dem Übergangsmetall eine Legierung zu bilden, aufweisen, verwendet werden. Die verschiedensten bekannten Lötlegierungen erfüllen diese Voraussetzung. Als Standard-Handbuch, das geeignete Legierungen beschreibt, ist das von der American Society for Metals herausgegebene "Metals Handbook",

8. Auflage, Band 6 "Weidung and Brazing", 1974, zu nennen. Besonders bevorzugt werden Legierungen, die überwiegend aus einem oder mehreren der Metalle Gold, Silber und Kupfer bestehen. Ferner enthalten die Legierungen vorzugsweise eine geringe Menge eines Metalls wie Cadmium und Zink, insbesondere Zink.

809882/0876

Die Schicht der Lötlegierung ist im allgemeinen etwas dicker als die Übergangsmetallschicht. Im allgemeinen hat die Schicht der Lötlegierung eine Dicke im Bereich von 0,05 bis 0,5 mm. Besonders bevorzugt wird für die Schicht der Lötlegierung eine Dicke im Bereich von 0,1 bis 0,2 mm.

Das Verbinden wird vorgenommen, indem die zusammengefügten, aber nicht verbundenen Teile der Anordnung

einer Temperatur im Bereich von 650° bis 75O°C ausgesetzt werden. Die Temperatur wird im allgemeinen schnell auf den erforderlichen Wert erhöht und dann während einer zum Verbinden genügenden Zeit bei diesem erhöhten Wert gehalten. Im allgemeinen liegt die Geschwindigkeit, mit der die Temperatur auf den erforderlichen erhöhten Wert erhöht wird, im Bereich von 20 bis 500°C/Minute. Nachdem die erhöhte Temperatur erreicht ist, wird sie im allgemeinen etwa 2 bis 180 Minuten aufrecht erhalten.

Das Erhitzen, insbesondere im Falle von Diamantcompacts, findet stets in einer nicht oxydierenden Atmosphäre statt, so daß eine nachteilige Veränderung der Schleifteilchen des Schleifkörpers oder der Schleifkörper weitgehend ausgeschaltet wird. Wie bereits erwähnt, neigt Diamant zu Graphitisierung, und dies ist der Grund, weshalb in der Praxis in nicht oxydierender Atmosphäre gearbeitet wird. Eine nicht oxydierende Atmosphäre kann durch ein Intertgas, z.B. Neon oder

—4 Argon, oder durch ein Vakuum von 10 Torr oder niedriger geschaffen werden.

Zur Erzielung einer einwandfreien Verbindung muß während des Erhitzens für innige Berührung zwischen den ungebundenen Komponenten des Schleifwerkzeugs gesorgt werden. Der durch das Gewicht der verschiedenen Komponenten des ungebundenen Schleifwerkzeugs ausgeübte Druck kann genügen, um innige Berührung zwischen den

809882/0875

. a.

verschiedenen Komponenten des Schleifwerkzeugs aufrecht zu erhalten. Innige Berührung kann jedoch auch gewährleistet werden, indem der erste Compact und der zweite Compact vor dem Erhitzen unter einem Druck zwischen 0,5 und 10 MPa zusammengeklemmt werden.

Beliebige bekannte Sintercarbidmetalle bzw. cementierte Carbidmetalle können verwendet werden. Im allgemeinen werden als Sintercarbidmetalle cementiertes Wolframcarbid, cementiertes Titancarbid, cementiertes Tantalcarbid oder ihre Gemische verwendet. Beliebige geeignete Bindemetalle für das Carbid können verwendet werden. Im allgemeinen werden Nickel, Kobalt oder Eisen oder Gemische dieser Metalle verwendet. Das Bindemetall wird gewöhnlich in einer Menge im Bereich von 3 bis 35 Gew.-% des Carbids verwendet. Bevorzugt als Carbid wird cementiertes Wolframcarbid, und als Bindemetall, insbesondere für cementiertes Wolframcarbid, wird vorzugsweise Kobalt verwendet.

Die Erfindung wird durch die folgenden Beispiele weiter erläutert.

Beispiel 1

Ein Diamantcompact wurde mit einer Unterlage aus cementiertem Wolframcarbid verbunden. Der Diamantschleifkörper bestand aus einer Masse von Diamantteilchen, die mit Kobalt als Bindemittel zu einem harten Konglomerat gebunden waren. Die Diamantteilchen machten 80 Vol.-% des Compacts aus, und der Rest bestand aus Kobalt. Als Sinterhartmetall wurde Wolframsintercarbid verwendet.

Der Diamantcompact hatte die Form eines Kreissegments. Feines Titanpulver wurde auf eine der größeren flachen Oberflächen des Compacts unter Bildung einer unterbrochenen Titanschicht einer Dicke von etwa 70 um gestreut. Ein handelsübliches Lötmetall in Folienform,

809882/0875

bestehend aus 44% Silber, 30% Kupfer und 26% Zink, bezogen jeweils auf das Gewicht der Legierung, wurde dann auf das Titan gelegt, wodurch eine 0,1 mm dicke Lötschicht gebildet wurde. Die Unterlage aus Sinterhartmetall wurde dann auf die Lötschicht gelegt. Das ganze wurde zusammengeklemmt und unter ein Vakuum von 10 Torr gebracht. Die Temperatur wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 200°C/Minute auf 675°C, den Schmelzpunkt der Legierung, erhöht. Die Temperatur von 675°C wurde während einer Zeit von 5 Minuten aufrecht erhalten.

In der beschriebenen Weise wurde eine sehr feste Bindung zwischen dem Compact und dem Sinterhartmetall erreicht, ohne daß eine nachweisbare Graphitisierung des Compacts stattfand.

Beispiel 2

Auf die in Beispiel 1 beschriebene Weise wurde ein Diamantcompact mit einer Unterlage aus Wolframsintercarbid verbunden. In diesem Fall bestand die Lötlegierung aus 49% Silber, 16% Kupfer, 26% Zink, 4,5% Nickel und 7,5% Mangan, alles in Gewichtsprozent. Die Temperatur wurde mit einer Geschwindigkeit von etwa 200 C/ Minute auf 700°C erhöht. Als nicht oxydierende Atmosphäre diente wiederum ein Vakuum von 10 Torr.

Die erhöhte Temperatur wurde, nachdem sie erreicht war, während einer Zeit von 2 Stunden aufrecht erhalten. Auch hier wurde eine sehr feste. Verbindung zwischen dem Compact und der Unterlage aus Sinterhartmetall erreicht. Anschließend wurde durch einen Test

festgestellt, daß der Schmelzbereich der Lötschicht etwas über 700°C lag.

•08882/0875

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zum Verbinden eines Diamantcompacts oder - eines Compacts aus kubischem Bornitrid mit einem zweiten Schleifkörper dieser Art oder mit einer Unterlage aus cementiertem Metallcarbid bzw. Sinterhartmetall, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Schicht eines Übergangsmetalls auf den ersten Compact aufbringt, auf die Übergangsmetallschicht eine Schicht einer Lötlegierung aufbringt, die einen Schmelzpunkt im Bereich von 650° bis 75O°C hat und mit dem Übergangsmetall eine Legierung zu bilden vermag, den zweiten Schleifkörper oder die Unterlage aus cementiertem Metallcarbid bzw. Sinterhartmetall auf die Lötmetallschicht aufbringt und das ganze bei einer Temperatur zwischen 650° und 75O°C erhitzt und hierdurch eine Verbindung zwischem dem ersten Compact und dem zweiten Compact oder der Unterlage aus cementiertem Metallcarbid bzw. Sinterhartmetall herstellt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Übergangsmetall in Pulverform verwendet.

Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsmetallschicht eine Dicke im Bereich von 10 bis 100 pm hat.

4. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Übergangsmetall Titan verwendet.

809882/0875 ORIGINAL INSPECTED

5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht der Lötlegierung eine Dicke im Bereich von 0,05 bis 0,5 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,2 mm hat.

6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Legierung verwendet, die überwiegend aus einem oder mehreren der Metalle Gold, Kupfer und Silber besteht.

7. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß man eine Legierung verwendet, die eine geringe Menge Zink oder Cadmium enthält.

8. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schleifkörper ein Diamantcompact ist.

9. Verfahren nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß man die Temperatur mit einer Geschwindigkeit von 20 bis 500°C/Minute auf den zum Verbinden erforderlichen Wert erhöht.

10. Verfahren nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß man die zum Verbinden erforderliche erhöhte Temperatur während einer Zeit von 2 bis 180 Minuten aufrecht erhält.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß man das Erhitzen in einer nicht oxydierenden Atmosphäre vornimmt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,

daß man die nicht oxydierende Atmosphäre durch ein

-4 Inertgas oder ein Vakuum von 10 Torr oder höher schafft.

13. Verfahren nach Anspruch 1 bis 12,·dadurch gekennzeichnet, daß man den ersten Compact und den zweiten Compact vor dem Erhitzen unter einem Druck zwischen 0,5 und 10 MPa zusammenklemmt.

808882/0875