DE2845792C2

DE2845792C2 -

Info

Publication number: DE2845792C2
Application number: DE2845792A
Authority: DE
Inventors: Minyoung Schenectady N.Y. Us Lee; Lawrence Edward Scotia N.Y. Us Szala; Robert Charles Burnt Hills N.Y. Us Devries
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1977-10-21
Filing date: 1978-10-20
Publication date: 1990-02-15
Also published as: SE7810972L; GB2006731A; GB2006731B; FR2414032A1; NL7810518A; IT7828924A0; ES474393A1; IN150314B; US4124401A; AU526017B2; FR2414032B1; DE2845792A1; ATA754178A; JPS6213306B2; IE782087L; AT371402B; BE871434A; DK469178A; SE445839B; JPS5485213A

Description

Die Erfindung betrifft einen porenfreien polykristallinen Diamantkörper, bei dem die Diamantkristalle durch ein Bindemittel miteinander verbunden sind, sowie ein Verfahren zum Herstellen.

Aus der US-PS 32 39 321 ist ein polykristalliner Diamantkörper bekannt, bei dem die Diamantkristalle durch eine metallische Matrix miteinander verbunden sind, die aus Titan, Vanadium, Zirkonium, Chrom oder Silicium oder aus einer Legierung dieser Metalle mit Nickel, Mangan oder Eisen besteht. Bei dem aus der vorgenannten Patentschrift bekannten Herstellungsverfahren werden die Diamantkristalle mit dem für die Matrix vorgesehenen Metallpulver zu einem homogenen Gemisch vermischt. Das Gemisch wird dann in einer zur Erzeugung von hohen Drücken und hohen Temperaturen geeigneten Hochdruckapparatur verpreßt. Dabei wird zunächst der Druck auf einen Wert erhöht, bei dem Graphitisierung von Diamant verhindert wird, worauf dann unter Beibehaltung des Druckes auf eine zum Schmelzen des Matrixmetalls ausreichende Temperatur erwärmt wird. Anschließend läßt man unter Aufrechterhaltung des Druckes den gebildeten Diamantkörper abkühlen. Der bekannte Diamantkörper kann nur in verhältnismäßig kleinen Abmessungen hergestellt werden, da die zur Herstellung erforderlichen hohen Druck- und Temperaturbedingungen nur in aufwendigen Hochdruckapparaturen erzeugt werden können, deren Preßkammer nur ein verhältnismäßig kleines Volumen besitzt.

Aus der GB-PS 13 07 713 ist ein polykristalliner Diamantkörper bekannt, bei dem die Diamantkristalle durch eine Bindemittelphase aus einem Hartstoff miteinander verbunden sind. Der Hartstoff besteht aus einer einzigen Verbindung, beispielsweise Siliciumkarbid. Zur Herstellung ist wiederum eine aufwendige Hochdruckapparatur erforderlich, da bei im diamantstabilen Bereich des Zustandsdiagramms von Kohlenstoff liegenden Druck- und Temperaturbedingungen gearbeitet wird.

Aus der US-PS 39 82 911 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Schichtkörpers bekannt, bei dem auf einer Unterlagen aus Sinterhartmetall eine kubische Bornitridteilchen enthaltende Schicht angeordnet wird. Als Bindemittel für die kubischen Bornitridteilchen wird eine Nickel-Aluminium- Legierung, eine Kobalt-Aluminium-Legierung, eine Eisen- Aluminium-Legierung oder eine Nickel-Chrom-Legierung verwendet. Diese Schichtanordnung wird dann in einem Pulvermedium zu einem formstabilen isostatischen System verpreßt, das dann heißgepreßt wird, wobei verflüssigte Legierung in die Schicht aus kubischem Bornitridkristallen eindringt und diese dadurch mit der Unterlage fest verbunden werden.

Aus der DE-AS 21 17 056 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundkörpers bekannt, der eine auf einer Sinterhartmetallunterlage aufgebrachte Diamantschicht aufweist. Es wird in Anwesenheit einer als Katalysator für die Diamantbildung wirkenden Metallkomponente bei Druck- und Temperaturbedingungen innerhalb des diamantstabilen Bereichs des Zustandsdiagramms von Kohlenstoff gearbeitet, so daß die Diamantkristalle zum Teil zusammenwachsen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen porenfreien, polykristallinen Diamantkörper zu schaffen, der in verhältnismäßig einfacher Weise in größeren Abmessungen hergestellt werden kann.

Gelöst wird diese Aufgabe durch einen porenförmigen polykristallinen Diamantkörper, der durch Heißpressen unter Anwendung eines Druckes von 35 bis 1400 bar hergestellt ist, dessen Diamantkristalle eine Größe von 1 bis 1000 µm besitzen und 70 bis unter 90 Vol.-% des Körpers ausmachen, der bis zu 30 Vol.-% eines Bindemittels enthält, das Siliciumkarbid und ein Silicid und ein Karbid eines ein Silicid bildenden Metalles umfaßt und insgesamt mehr als 50 Atomprozent Silicium enthält, wobei mehr als 50% des in direktem Kontakt mit der Oberfläche der Diamantkristalle stehenden Teils des Bindemittels aus Siliciumcarbid bestehen.

Der polykristalline Diamantkörper nach der Erfindung kann in einfacher Weise in größeren Abmessungen hergestellt werden, da das zum Aneinanderbinden der Diamantkristalle eingesetzte Bindemittel unter Anwendung verhältnismäßig geringer Drücke gebildet wird.

Aufgabe der Erfindung ist weiterhin die Schaffung eines Verfahrens zum Herstellen des polykristallinen Diamantkörpers nach der Erfindung.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 5.

Vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale sind in den Unteransprüchen beansprucht.

Die Erfindung wird nun anhand von Zeichnungen erläutert, in denen zeigt

Fig. 1 einen Ausschnitt des Zustandsdiagramms des Systems Silicium-Zirkonium,

Fig. 2 einen Schnitt durch eine bei der Durchführung des Verfahrens der Erfindung eingesetzte Zelle,

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Ausüben eines leichten Druckes auf die Zelle gemäß Fig. 2, wobei die Zelle zur Erhöhung der Packungsdichte der Diamantkristalle gerüttelt werden kann,

Fig. 4 einen Schnitt durch eine Vorrichtung zum Ausüben eines zumindest isostatischen Druckes auf die Zelle gemäß Fig. 2 mittels eines Druck übertragenden Pulvermediums zum Zwecke der Stabilisierung der Abmessungen der Zelle und damit zur Ausbildung eines im wesentlichen isostatischen Systems,

Fig. 5 einen Schnitt durch eine Graphitform zum gleichzeitigen Anwenden von Wärme und Druck, d. h. zum Heißpressen des im wesentlichen isostatischen Systems mit der eingeschlossenen Zelle und

Fig. 6 eine Photographie (690fache Vergrößerung) eines polierten Schnittes eines nach dem Verfahren der Erfindung hergestellten polykristallinen Diamantkörpers.

Bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung wird eine Diamantkristallmasse und eine damit in Berührung stehende Feststoffmasse einer Kaltpressung bei Umgebungstemperatur oder Zimmertemperatur unterworfen, um die Abmessungen der Masse im wesentlichen gleichförmig zu stabilisieren. Dann wird eine Heißpressung durchgeführt, wobei Feststoffmasse verflüssigt wird, welche in die zusammengepreßte Diamantkristallmasse eingeschwemmt wird.

Gemäß einer alternativen Ausführungsform kann die Diamantkristallmasse in Berührung mit mindestens einer der Komponenten der Feststoffmasse angeordnet werden. Die Diamantkristallmasse sowie die Komponenten der Feststoffmasse werden zunächst bei Zimmertemperatur oder Raumtemperatur kaltgepreßt, um im wesentlichen ihre Abmessungen zu stabilisieren, und dann heißgepreßt, wobei flüssige Masse gebildet und in die zusammengepreßte Diamantkristallmasse eingebracht wird. Die Komponenten der Feststoffmasse werden so angeordnet, daß die Bildung der flüssigen Masse einsetzt, bevor die Heißpreßtemperatur erreicht wird.

Die Diamantkristallmasse und die Feststoffmasse können eine Reihe von Formen aufweisen. Beispielsweise kann jede Masse die Form einer Schicht haben, wobei die beiden Schichten übereinander angeordnet sind. Die Feststoffmasse kann auch die Form eines Rohres oder eines Hohlzylinders besitzen, wobei dann in den Innenraum des Hohlzylinders oder des Rohres Diamantkristalle gepackt sind. Bei einer weiteren Ausführungsform nach der Erfindung kann die Feststoffmasse in Form eines Blockes oder einer Stange in der Mitte eines Behälters angeordnet werden, wobei dann im Zwischenraum zwischen dem Block oder der Stange und der Innenwand des Behälters Diamantkristalle gepackt sind.

Beim Verfahren nach der Erfindung können sowohl natürliche als auch synthetische Diamantkristalle verwendet werden. Die verwendeten Diamantkristalle haben in Richtung ihrer größten Abmessung eine Größe im Bereich von ungefähr 1 bis ungefähr 1000 Mikrometer, wobei die Korngröße oder die Korngrößen weitgehend von der gewünschten Packungsdichte und auch vom Verwendungszweck des resultierenden Diamantkörpers abhängen. Bei Einsatz des Diamantkörpers für Schleifzwecke bevorzugt man Diamantkristalle mit einer Korngröße von nicht über 60 Mikrometer. Zur Optimierung der Packung der Diamantkristalle in der Diamantmasse sollten die Diamantkristalle vorzugsweise größenmäßig sortiert oder abgestuft sein und daher einen Bereich von Korngrößen umfassen, der kleine, mittlere und große Kristalle enthält. Vorzugsweise liegen die größenmäßig abgestuften Kristalle im Teilchengrößenbereich von ungefähr 1 bis 60 Mikrometer, wobei innerhalb dieses Bereiches vorzugsweise etwa 60 bis etwa 80 Volumenprozent der gesamten Kristallmasse eine im oberen Teil des Teilchengrößenbereiches liegende Teilchengröße, etwa 5 bis 10 Volumenprozent eine im mittleren Bereich des Teilchengrößenbereiches liegende Größe und der Rest eine im unteren Teil des Teilchengrößenbereiches liegende Größe aufweisen.

Die entsprechende Kornzusammensetzung der Diamantkristalle kann man durch Zerkleinern von größeren Diamantkristallen in einer Strahlmühle erreichen. Vorzugsweise werden die Diamantkristalle chemisch gereinigt, um auf der Oberfläche vorhandene Oxide oder andere Verunreinigungen zu entfernen, bevor sie beim Verfahren nach der Erfindung verwendet werden. Zur Reinigung können die Diamantkristalle in Wasserstoff bei etwa 900°C ungefähr eine Stunde lang erwärmt werden.

Die beim Verfahren nach der Erfindung eingesetzte Feststoffmasse besteht aus Silicium und einem Metall, das mit Silicium ein Silicid bildet. Der Ausdruck Feststoffmasse schließt Legierungen und intermetallische Verbindungen ein. Die Feststoffmasse besteht vorzugsweise aus Silicium und einem Metall aus der Kobalt, Chrom, Eisen, Hafnium, Mangan, Molybdän, Niob, Nickel, Palladium, Platin, Rhenium, Rhodium, Ruthenium, Tantal, Thorium, Titan, Uran, Vanadium, Wolfram, Yttrium, Zirkon und Mischungen der vorgenannten Metalle umfassenden Gruppe.

Die Feststoffmasse enthält mehr als 50 Atomprozent Silicium. Gewöhnlich enthält sie maximal etwa 99,5 Atomprozent Silicium. Die Feststoffmasse enthält Eutektikum, d. h. eine gewisse Menge eutektisches Gefüge, und kann von untereutektischer, übereutektischer oder von eutektischer Zusammensetzung sein. Am Beispiel von Fig. 1 ersieht man, daß das Eutektikum (2) eine Masse mit spezieller Zusammensetzung ist, die unter Gleichgewichtsbedingungen beim Abkühlen bei konstanter Temperatur zu einem Feststoff mit mindestens zwei Phasen erstarrt und die beim Erwärmen bei der gleichen konstanten Temperatur vollständig schmilzt. Diese sogenannte eutektische Temperatur ist auch bei (2) dargestellt. Am eutektischen Punkt (2) schneiden sich die zwei abfallenden Liquiduskurven (3) und (4), so daß das Eutektikum einen niedrigeren Schmelzpunkt als die benachbarten untereutektischen oder übereutektischen Zusammensetzungen hat. Die Liquiduskurve oder Liquiduslinie in einem Phasendiagramm stellt unter Gleichgewichtsbedingungen die Temperaturen dar, bei denen beim Erwärmen der Masse diese zu schmelzen oder beim Auskühlen zu erstarren beginnt. Insbesondere handelt es sich bei der erfindungsgemäß verwendeten Masse um eine Legierung aus der Reihe von Legierungen auf einer eutektischen Horizontalen (1), d. h. der durch den eutektischen Punkt (2) verlaufenden Horizontalen, die sich von einer Legierung, deren Zusammensetzung links vom eutektischen Punkt (2) in einem Gleichgewichtsdiagramm liegt und die im gewissen Maße eutektisches Gefüge enthält, d. h. untereutektisch ist, bis zu einer Legierung erstreckt, deren Zusammensetzung rechts vom eutektischen Punkt (2) im Gleichgewichtsdiagramm liegt und die im gewissen Maße eutektisches Gefüge enthält, d. h. übereutektisch ist.

Die Feststoffmasse braucht jedoch nicht die gleiche Zusammensetzung wie die in die Diamantkristallmasse eindringende Masse aufzuweisen. Falls die Feststoffmasse bei der Heißpreßtemperatur insgesamt flüssig wird, hat sie die gleiche Zusammensetzung wie die in die Diamantkristallmasse eindringende Masse. Falls jedoch nur ein Teil der Feststoffmasse, bei der Heißpreßtemperatur flüssig wird, hat die flüssige, in die Diamantkristallmasse eindringende Masse nicht die gleiche Zusammensetzung wie die Feststoffmasse.

Wie am Beispiel von Fig. 1 dargestellt, liegt die Zusammensetzung der eindringenden, Eutektikum enthaltenden siliciumreichen Masse und ihre Schmelztemperatur auf den Liquiduskurven (3) und (4) und schließt auch den eutektischen Punkt (2) ein. Die durch (1), (2) und (4) festgelegte Fläche (5) umfaßt eine feste Phase (Si) und eine flüssige Phase, nämlich die eindringende flüssige Masse. Mit zunehmendem Abstand entlang der Horizontalen (1) nach rechts vom eutektischen Punkt (2), d. h., wenn der Siliciumgehalt der Feststoffmasse größer wird als der Siliciumgehalt des Eutektikums, nimmt der Anteil der festen Phase zu und der Anteil der flüssigen Phase dementsprechend ab. In der gleichen Weise umfaßt die durch (1), (2) und (3) festgelegte Fläche (6) eine feste Phase ZrSi₂ und eine flüssige Phase, wobei der Anteil der festen Phase zunimmt und der Anteil der flüssigen Phase entsprechend abnimmt, wenn entlang der Horizontalen (1) der Abstand vom eutektischen Punkt (2) nach links zunimmt, d. h., wenn der Siliciumgehalt der Masse gegenüber dem Siliciumgehalt, der im Eutektikum enthalten ist, verringert wird.

Bei der Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung findet man die gewünschte Zusammensetzung der verflüssigten Masse und ihren Schmelzpunkt als einen Punkt auf den Liquiduskurven einschließlich dem eutektischen Punkt im Phasendiagramm der eingesetzten Feststoffmasse. Die Heißpreßtemperatur ist die Temperatur, bei der die Masse mit der gewünschten Zusammensetzung flüssig ist, d. h. ausreichend fließfähig, um in die gepreßte Diamantmasse einzudringen. Wenn eine Feststoffmasse verwendet wird, die die gleiche Zusammensetzung hat wie die gewünschte flüssige Masse, ist die Heißpreßtemperatur diejenige Temperatur, bei welcher die Feststoffmasse flüssig ist und die von etwa 10°C bis vorzugsweise maximal etwa 100°C höher liegt als der Schmelzpunkt der Feststoffmasse. Je nach der gerade eingesetzten Feststoffmasse werden auch häufig Heißpreßtemperaturen über diesem bevorzugten Maximum verwendet. Jedoch sind Heißpreßtemperaturen von über 1600°C ungeeignet, da dann Neigung zu übermäßiger Graphitisierung der Diamanten besteht.

Wenn die Feststoffmasse nicht die gleiche Zusammensetzung hat wie die gewünschte flüssige Masse, jedoch auf den Schmelzpunkt der gewünschten flüssigen Masse erwärmt wird, entsteht eine solche als flüssige Phase. Die Heißpreßtemperatur ist dann die Temperatur, bei welcher die eindringende Masse verflüssigt wird, was bei etwa 10°C über dem Schmelzpunkt der eindringenden Phase der Fall ist.

Wie am Beispiel von Fig. 1 ersichtlich ist, liegt der Schmelzpunkt einer bestimmten Masse mit übereutektischer Zusammensetzung auf der Liquiduslinie (4). Falls beispielsweise die flüssige Masse 95 Atomprozent Si enthalten soll, findet man ihren Schmelzpunkt auf der Liquiduslinie (4) bei etwa 1400°C, wie dies durch die Linie (7) dargestellt ist. Wenn die Feststoffmasse die gleiche Zusammensetzung hat wie die gewünschte flüssige Masse, die durch die Linie (7) dargestellt ist, würde die gesamte Feststoffmasse beim Schmelzpunkt von 1400°C schmelzen und die Heißpreßtemperatur würde von etwa 1410°C bis vorzugsweise 1510°C oder gegebenenfalls bis zu unterhalb 1600°C reichen. Wenn jedoch die Feststoffmasse eine übereutektische Zusammensetzung aufweist, die im Gleichgewichtsdiagramm nach Fig. 1 auf der Horizontalen 1 rechts von der Linie (7) liegt, ist die Heißpreßtemperatur die Temperatur, bei welcher die gewünschte flüssige Masse aus 95 Atomprozent Si und 5 Atomprozent Zr gebildet ist, was bei etwa 1410°C der Fall wäre.

Bei der Heißpreßtemperatur sollte auch aus der Feststoffmasse die gewünschte flüssige Masse in einer Menge erzeugt werden, die zum Ausfüllen der Hohlräume der zusammengepreßten Diamantmasse ausreicht, deren Diamantkristalldichte über 70 Volumenprozent liegt. Die flüssige Masse sollte bei der Heißpreßtemperatur praktisch in einer Menge von mindestens ungefähr 1 Volumenprozent des Volumens Feststoffmasse erzeugt werden.

Das Heißpressen wird unter einem Druck durchgeführt, der lediglich auszureichen braucht, um in der Diamantmasse zwischen gegenüberliegenden Diamantflächen vorhandene Zwischenschichten aufzureißen, die das Eindringen von verflüssigter Masse in die Zwischenräume der Diamantmasse verhindern. Dazu ist gewöhnlich ein Mindestdruck von etwa 35 bar erforderlich. Der Heißpreßdruck kann insbesondere von etwa 35 bis etwa 1400 bar reichen, liegt jedoch gewöhnlich im Bereich von etwa 70 bis etwa 700 bar. Heißpreßdrücke von über 1400 bar bringen keinen merklichen Vorteil.

Die verflüssigte Masse wird bei einer etwa 10°C über ihrem Schmelzpunkt liegenden Temperatur leicht fließfähig und wird in die kapillarartigen Kanäle, Zwischenräume oder Poren der zusammengepreßten Diamantkristallmasse eingeschwemmt. Bei noch weiterer zusätzlicher Erhöhung der Temperatur wird das Fließvermögen der verflüssigten Masse noch weiter gesteigert, so daß sie noch schneller in die zusammengepreßte Diamantkristallmasse eindringt.

Die Feststoffmasse mit eutektischer Zusammensetzung schmilzt bei einer Temperatur unter etwa 1430°C. Für die hier bevorzugte Gruppe von Feststoffmassen reicht der eutektische Schmelzpunkt von 870°C für eutektische SiPd-Legierung mit etwa 56 Atomprozent Si bis zu 1410°C für eutektische SiMo-Legierung mit etwa 97 Atomprozent Silicium. Aus Fig. 1 ist ersichtlich, daß die eutektische SiZr-Legierung (2) 90,4 Atomprozent Silicium enthält und einen Schmelzpunkt von 1360°C aufweist.

Die Feststoffmasse oder ihre Komponenten können in massiver oder in pulverförmiger Form verwendet werden. Die jeweils zur Anwendung gelangende Menge hängt von der entstehenden Menge verflüssigter Masse und von der Kapazität der Vorrichtung ab. Im allgemeinen wird verflüssigte Masse in einer Menge von etwa 25 Volumenprozent bis etwa 80 Volumenprozent, jedoch vorzugsweise zur Erzielung optimaler Ergebnisse im Bereich von etwa 30 bis etwa 60 Volumenprozent, bezogen auf das Volumen der zusammengepreßten Diamantkristallmasse, eingesetzt.

Die Heißpressung wird in einer Atmosphäre durchgeführt, die keinen merklichen schädlichen Einfluß auf die Eigenschaften der Diamantkristalle oder der verflüssigten Masse hat. Das Heißpressen kann speziell unter Vakuum oder in einem Inertgas wie Argon oder Helium oder aber auch unter Stickstoff oder Wasserstoff durchgeführt werden. Das Heißpressen wird ausreichend schnell durchgeführt, so daß keine merkliche Reaktion zwischen der verflüssigten Masse und Stickstoff oder Wasserstoff stattfindet. Das Heißpressen kann nicht in Luft durchgeführt werden, da Diamant bei über 800°C schnell graphitisiert und die verflüssigte Masse unter Bildung von festem Siliciumoxid oxidieren würde, bevor eine merkliche Menge an verflüssigter Masse in die Diamantmasse eingedrungen wäre.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Anordnung besteht die Zelle 10 aus einem Napf 11 (Zylinderwand mit kreisförmigem Querschnitt und Boden). Innerhalb des Napfes 11 ist eine Scheibe 12 aus Feststoffmasse, eine Diamantkristallmasse 13 in Kontakt mit der Scheibe 12 und ein dicker Stopfen 14, beispielsweise ein genau in den Napf 11 passender und als Verschluß dienender Zylinder, angeordnet. Gegebenenfalls kann eine weitere Scheibe aus Feststoffmasse zwischen der Diamantmasse 13 und dem Stopfen 14 angeordnet sein.

Der Stopfen 14 besteht aus einem Werkstoff, der beim Heißpressen im wesentlichen inert ist, d. h. keine merkliche Schädigung des Diamantkörpers bewirkt. Auch darf der Stopfen 14 beim Verfahren nach der Erfindung mit dem entstehenden Diamantkörper keine hochfeste Verbindung eingehen. Der Stopfen 14 kann beispielsweise aus einem Preßkörper aus hexagonalem Bornitrid oder einem Metall wie Molybdän bestehen. Der Stopfen 14 sollte eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen, so daß die verflüssigte Masse im wesentlichen innerhalb des Behälters gehalten wird.

Anstelle des Stopfens 14 kann auch eine nicht dargestellte Kappe verwendet werden, die einen etwas größeren Durchmesser als der Napf 11 aufweist und zum Verschließen des Napfes über das offene Ende des Napfes 11 gestülpt werden kann. Die Kappe sollte möglichst genau auf den Napf 11 passen, damit beim Heißpressen die verflüssigte Masse im wesentlichen innerhalb des Napfes gehalten wird.

Der Napf 11 und die dazugehörige Kappe bestehen aus einem Werkstoff, der beim Heißpressen im wesentlichen inert ist, d. h. keinen merklich schädigenden Einfluß auf die Eigenschaften des Diamantkörpers hat. Ein derartiger Werkstoff kann ein Nichtmetall, wie beispielsweise gepreßtes hexagonales Bornitrid sein. Vorzugsweise wird jedoch als Werkstoff für den Napf und die dazugehörige Kappe ein Metall aus der Wolfram, Yttrium, Vanadium, Tantal und Molybdän umfassenden Gruppe verwendet.

Innerhalb des verschlossenen Napfes sollte kein freier Raum verbleiben, der ein Vermischen oder eine freie Bewegung des Inhaltes gestattet.

Die Verwendung von Diamantkristallen abgestufter Korngröße erfolgt zum Zwecke der Erzielung maximaler Packungsdichte der Diamantkristalle. Als Alternative oder zusätzliche Maßnahme kann auch die in Fig. 3 dargestellte Anordnung zur Erhöhung der Packungsdichte der Diamantkristalle eingesetzt werden. Bei der Anordnung nach Fig. 3 wird die Zelle 10 auf einen Schwingtisch 16 gestellt und dort während der Schwingbewegung unter einem leichten Druck (etwa 3,5 bar) gehalten, so daß sich die Diamantkristalle zur Ausfüllung der Hohlräume entsprechend umordnen können, wodurch der Anteil der Hohlräume verringert und damit die Dichte der Diamantmasse auf über 70 Volumenprozent, bezogen auf das Volumen der Diamantmasse, erhöht wird. Die entsprechende Verdichtung kann durch Versuche festgestellt werden, die mit Diamanten der gleichen Korngröße in einer Matrize mit festen Abmessungen durchgeführt werden.

Die gefüllte Zelle 10 wird dann in der in Fig. 4 gezeigten Weise bei Zimmertemperatur oder Umgebungstemperatur kaltgepreßt. Dabei braucht lediglich ein zur Ausbildung eines dimensionsstabilen, im wesentlichen isostatischen Systems ausreichender Druck angewendet zu werden. Die Zelle 10 wird speziell innerhalb des zylindrischen Kerns einer Preßform 20 derart angeordnet, daß sie von einer Masse 19 aus Druck übertragendem Pulvermedium umschlossen ist. Das Pulvermedium besteht aus sehr feinen Teilchen mit einer Teilchengröße von vorzugsweise unter 95 µm, wobei wiederum Teilchen mit einer Teilchengröße von etwa 2 bis etwa 20 µm bevorzugt werden. Das Druck übertragende Pulvermedium bleibt unter den hier zur Anwendung gelangenden Druck- und Temperaturbedingungen im wesentlichen ungesintert. Als Druck übertragendes Pulvermedium ist beispielsweise hexagonales Bornitrid oder Siliciumnitrid geeignet. Das Pulvermedium gewährleistet, daß auf die Zelle 10 ein angenähert bzw. im wesentlichen isostatischer Druck ausgeübt wird, wodurch die Zelle 10 und ihr Inhalt hinsichtlich ihrer Abmessungen im wesentlichen gleichmäßig stabilisiert, d. h. verdichtet werden, so daß ein im wesentlichen isostatisches System entsprechender Form entsteht, welches die vom Pulver umschlossene Zelle enthält, in der die Dichte der zusammengepreßten Diamantkristallschicht über 70 Volumenprozent der zusammengepreßten Kristalle beträgt. Die Preßform 20 (Ring 22 und Preßstempel 23, 23 a) kann aus Werkzeugstahl bestehen, wobei gegebenenfalls der Ring 23 mit einer Sinterhartmetallbuchse 22 a versehen ist, um beim Kaltpressen die Anwendung von Drücken von bis zu 14 000 bar zu ermöglichen. Kaltpreßdrücke über 14 000 bar bringen keinen merklichen Vorteil. Innerhalb des vom Preßstempel 23, der Buchse 22 a und dem Preßstempel 23 a umschlossenen Raumes wird beim Kaltpressen auf das Druck übertragende Pulvermedium durch die Preßstempel ein vorzugsweise im Bereich von 1400 bis 7000 und gewöhnlich bis zu 3500 bar liegender Druck ausgeübt, wenn die Preßstempel in herkömmlicher Weise bewegt werden, bis sich der angewendete Druck in der beim Verdichten von Pulver bekannten Weise stabilisiert hat.

Der beim Kaltpressen verwendete Druck kann insbesondere empirisch bestimmt werden. Eine Erhöhung des Druckes über einen Druckwert, der ein hinsichtlich der Abmessungen stabiles, im wesentlichen isostatisches System liefert, ergibt keine zusätzliche Verdichtung oder Dimensionsstabilisierung der Zelle 10 und ihres Inhalts.

Beim Kaltpressen wird die Größe der Hohlräume zwischen den Kristallen verringert, so daß es zur optimalen Ausbildung von kapillarartigen Hohlräumen oder Poren in der Diamantmasse kommt. Weiterhin wird die Diamantkristallmasse auf die erforderliche Packungsdichte von über 70 Volumenprozent gebracht. Diese Verringerung des Hohlraumvolumens hat auch eine Verringerung des schließlich im Diamantkörper vorhandenen Gehaltes an nichtdiamantförmigem Material zur Folge und ergibt mehr dicht einander gegenüberliegende Kristallflächen, die wirksam miteinander verbunden werden können.

Nach dem Kaltpressen sollte die Dichte der zusammengepreßten Diamantkristalle in der Zelle 10 über 70 Volumenprozent des Kristallvolumens betragen. Die Dichte der zusammengepreßten Diamantkristallschicht liegt im Bereich von etwa 71 bis etwa unter 95 Volumenprozent und häufig im Bereich von etwa 75 bis etwa 90 Volumenprozent, bezogen auf das Volumen der Kristalle. Je höher die Dichte der zusammengepreßten Kristallmasse ist, desto geringer wird der Anteil des zwischen die Kristalle gelangenden nichtdiamantförmigen Materials, so daß auch ein dementsprechend härterer Diamantkörper entsteht.

Das durch Kaltpressen gebildete, im wesentlichen isostatische System 21 des mit Pulver umhüllten Behälters wird dann heißgepreßt, wobei das System gleichzeitig der Heißpreßtemperatur und dem Heißpreßdruck unterworfen wird.

Nach dem Kaltpressen wird speziell einer der beiden Preßstempel 23 oder 23 a zurückgezogen und das nunmehr in Form eines kompakten Formkörpers vorliegende, im wesentlichen isostatische System 21 aus der Buchse 22 a entfernt und in die in Fig. 5 dargestellte Graphitform überführt, die ein Loch mit dem gleichen Durchmesser wie die Buchse 2 a aufweist. Das überführte System 21 wird dann im Loch 31 zwischen Graphitstempeln 32 und 32 a eingeschlossen. Zur Anzeige der Temperatur des dimensionsstabilisierten, im wesentlichen isostatischen Systems 21 ist in der Graphitform 30 ein Thermoelement 33 vorgesehen. Die Graphitform 30 mit dem eingeschlossenen System 21 wird dann in einen herkömmlichen Heißpreßofen (nicht gezeigt) gegeben. Die Ofenkammer wird zumindest im wesentlichen evakuiert, wodurch auch eine Evakuierung des Systems 21 einschließlich der Zelle 10 bewirkt wird, so daß sich das System 21 und die Zelle 10 im wesentlichen unter einem Vakuum befinden, in dem die Heißpressung durchgeführt werden kann. Während mit Hilfe der Graphitstempel 32 und 32 a ein in axialer Richtung wirkender Heißpreßdruck auf das System 21 ausgeübt wird, erfolgt eine Erhöhung der Temperatur des Systems auf die Heißpreßtemperatur, bei welcher aus der Scheibe 12 flüssige Masse entsteht, die in die Diamantmasse eindringt.

Beim Heißpressen sollte die Heißpreßtemperatur möglichst schnell erreicht werden. Die Heißpreßtemperatur wird dann unter dem Heißpreßdruck gewöhnlich mindestens eine Minute lang aufrechterhalten, um eine ausreichende Durchtränkung der Diamantkristallmasse zu gewährleisten. Gewöhnlich ist eine Heißpreßdauer im Bereich von etwa 1 bis etwa 5 Minuten ausreichend. Da die Umwandlung von Diamant in nichtdiamantförmigen elementaren Kohlenstoff weitgehend von der Zeit und Temperatur abhängt und insbesondere die Wahrscheinlichkeit der Umwandlung in nichtdiamantförmigen elementaren Kohlenstoff um so größer ist, je höher die Temperatur ist und je länger die Temperatur aufrechterhalten wird, muß das Heißpressen erfolgt sein, bevor 5 Volumenprozent Diamant in nichtdiamantförmigen elementaren Kohlenstoff umgewandelt sind. Das Ausmaß der Umwandlung kann empirisch bestimmt werden. Bei der Umwandlung von 5 oder mehr Volumenprozent Diamant in nichtdiamantförmigen elementaren Kohlenstoff kann gegebenenfalls im Endprodukt eine Phase aus nichtdiamantförmigem elementarem Kohlenstoff verbleiben, die sich ungünstig auf die mechanischen Eigenschaften des Endproduktes auswirken könnte.

Der beim Heißpressen auf die verflüssigte Masse einwirkende Druck bewirkt ein Aufbrechen von in Form einer schwer schmelzbaren Schicht vorhandenen Schlacke, größtenteils aus Oxid aber auch aus Karbid, die gewöhnlich zwischen der flüssigen Masse und den Diamantflächen gebildet wird, wodurch das kapillare Hohlraumsystem geöffnet wird und dann die flüssige Masse aufgrund von Kapillarwirkung in die Hohlräume eindringen kann. Bei Versuchen hat sich herausgestellt, daß ein Eindringen der verflüssigten Masse in die Diamantmasse nicht auftritt, falls beim Heißpressen auf das System 21 ein Druck ausgeübt und aufrechterhalten wird, der zum Aufbrechen der Schlacke nicht ausreicht.

Wenn beim Heißpressen die flüssige Masse in die Diamantmasse eindringt und diese durchsetzt, umhüllt die flüssige Masse die Oberflächen der zusammengepreßten Diamantkristalle und reagiert mit den Diamantoberflächen oder gegebenenfalls mit entstehendem nichtdiamantförmigem elementarem Kohlenstoff unter Bildung von Karbid, bei dem es sich zumindest überwiegend und gewöhnlich im wesentlichen um Siliciumkarbid handelt. Es entsteht ein einstückiger Diamantkörper mit fester Bindung.

Es ist besonders wichtig, daß beim Heißpressen im wesentlichen isostatische Bedingungen aufrechterhalten werden, so daß beim Verflüssigen die Masse nicht zwischen die Diamantmasse 13 und den Napf 11 austreten und in merklichem Maße entweichen kann, sondern vielmehr in die Diamantkristallmasse 13 hineingezwungen wird.

Nach Beendigung des Heißpressens sollte während der Abkühlung des heißgepreßten Systems 21 zumindest ein solcher Druck aufrechterhalten werden, daß auf die im System 21 befindliche Zelle 10 beim Abkühlen ein im wesentlichen zur Aufrechterhaltung ihrer Formstabilität ausreichender isostatischer Druck einwirkt. Vorzugsweise läßt man das heißgepreßte System 21 auf Raumtemperatur abkühlen und entfernt dann den gebildeten Diamantkörper. Gegebenenfalls am Diamantkörper haftendes Metall kann in herkömmlicher Weise, beispielsweise durch Abschleifen, entfernt werden.

Der polykristalline Diamantkörper nach der Erfindung enthält Diamantkristalle, die fest aneinander durch ein Siliciumatome enthaltendes Bindemittel verbunden sind. Die Diamantkristalle besitzen eine Korngröße von etwa 1 bis etwa 1000 Mikrometer. Die Diamantdichte des polykristallinen Körpers reicht von mindestens etwa 70 bis etwa unter 90 Volumenprozent und häufig bis etwa 89 Volumenprozent, bezogen auf das Volumen des Körpers. Der polykristalline Diamantkörper enthält bis zu ungefähr 30 Volumenprozent Siliciumatome enthaltendes Bindemittel, das zumindest im wesentlichen gleichmäßig im polykristallinen Diamantkörper verteilt ist. Der in Kontakt mit den Oberflächen der Diamantkristalle stehende Teil des Bindemittels besteht zumindest überwiegend aus Siliciumkarbid, d. h. mehr als 50 Volumenprozent des in direktem Kontakt mit den Oberflächen der Diamantkristalle stehenden Teils des Bindemittels ist Siliciumkarbid. Vorzugsweise besteht der mit den Oberflächen der Diamantkristalle in Kontakt stehende Teil des Bindemittels zumindest im wesentlichen aus Siliciumkarbid, d. h. mindestens etwa 85 und vorzugsweise 100 Volumenprozent des in direktem Kontakt mit den Oberflächen der Diamantkristalle stehenden Teils des Bindemittels ist Siliciumkarbid. Der polykristalline Diamantkörper ist porenfrei oder zumindest im wesentlichen porenfrei.

Das Bindemittel enthält stets Siliciumkarbid. Das Bindemittel enthält neben Siliciumkarbid Metallsilicid und/oder Metallkarbid und gegebenenfalls elementares Silicium.

Bei der Metallkomponente des im Bindemittel vorhandenen Metallsilicids handelt es sich vorzugsweise um ein Metall der Kobalt, Chrom, Eisen, Hafnium, Mangan, Rhenium, Rhodium, Ruthenium, Tantal, Thorium, Titan, Uran, Vanadium, Wolfram, Yttrium, Zirkonium und Legierungen dieser Metalle umfassenden Gruppe.

Bei der Metallkomponente des im Bindemittel vorhandenen Metallkarbids handelt es sich um einen starken Karbidbildner, der ein stabiles Karbid ergibt, und vorzugsweise um ein Metall aus der Chrom, Hafnium, Titan, Zirkonium, Tantal, Vanadium, Wolfram, Molybdän und Legierungen dieser Metalle umfassenden Gruppe.

Der Anteil an gegebenenfalls vorhandenem elementarem Silicium und Siliciumkarbid im Bindemittel des polykristallinen Diamantkörpers kann je nach dem Ausmaß der Reaktion zwischen den Oberflächen der Diamantkristalle und der eindringenden flüssigen Masse sowie zwischen nichtdiamantförmigem elementarem Kohlenstoff und eindringender flüssiger Masse mehr oder weniger schwanken. Geht man davon aus, daß alle anderen Faktoren gleich sind, dann hängt die im Bindemittel vorhandene Menge an Siliciumkarbid hauptsächlich von der angewandten Heißpreßtemperatur und der Zeitdauer ab, innerhalb der die angewendete Heißpreßtemperatur aufrechterhalten worden ist. Der Siliciumkarbidgehalt des Bindemittels steigt mit zunehmender Heißpreßtemperatur und/oder Zeitdauer. Man kann daher beispielsweise empirisch die Verfahrensbedingungen ermitteln, die eingehalten werden müssen, um einen polykristallinen Diamantkörper mit einem bestimmten Siliciumkarbidgehalt zu erzielen. Das Bindemittel enthält speziell stets eine zumindest nachweisbare Menge an Siliciumkarbid und zumindest eine nachweisbare Menge an Silicid und/oder Karbid der in der eindringenden flüssigen Masse vorhandenen Metallkomponente. Das Metallsilicid liegt gewöhnlich in Form eines Disilicids vor. Das Bindemittel kann auch zumindest eine nachweisbare Menge an elementarem Silicium enthalten. Mit nachweisbarer Menge an Siliciumkarbid, Metallsilicid, Metallkarbid oder elementarem Silicium ist dabei diejenige Menge gemeint, die mit einem Elektronenmikroskop bei Durchstrahlung eines dünnen Teils des Diamantkörpers aufgrund der auftretenden Elektronenstrahlbeugung nachgewiesen werden kann. Im allgemeinen enthält jedoch das Bindemittel Siliciumkarbid in einer Menge von etwa 1 bis etwa 25 Volumenprozent, bezogen auf das Volumen des polykristallinen Diamantkörpers, und gewöhnlich Metallsilicid in einer zumindest nachweisbaren Menge, die häufig mindestens etwa 0,1 Volumenprozent des polykristallinen Diamantkörpers beträgt. Die vorhandene Menge an Metallsilicid hängt größtenteils von der Zusammensetzung der eindringenden flüssigen Masse ab. Die Metallsilicide sind hart und haben häufig niedrigere lineare thermische Ausdehnungskoeffizienten als die Metalle oder in einigen Fällen als Diamant, wie beispielsweise Rhenium, wobei eine derartige Eigenschaft für eine Phase in einem Diamantkörper erwünscht ist. Die jeweils vorhandene Menge an Siliciumkarbid und elementarem Silicium hängt großenteils von der Zusammensetzung der eindringenden flüssigen Masse sowie auch vom Ausmaß der Reaktion zwischen der eindringenden flüssigen Masse und Diamant oder nichtdiamantförmigem Kohlenstoff ab. Die jeweils vorhandene Menge an Metallkarbid hängt großenteils von der Zusammensetzung der eindringenden flüssigen Masse ab.

Der polykristalline Diamantkörper nach der Erfindung ist porenfrei oder zumindest im wesentlichen porenfrei, d. h., er kann Hohlräume oder Poren in einer Menge von unter 1 Volumenprozent, bezogen auf das Volumen des Körpers, enthalten, sofern die Poren oder Hohlräume klein (unter 0,5 Mikrometer) und ausreichend gleichmäßig im Körper verteilt sind, so daß sie keine merkliche nachteilige Wirkung auf die mechanischen Eigenschaften des Diamantkörpers haben. Der Hohlraum- oder Porengehalt des polykristallinen Diamantkörpers kann durch herkömmliche metallographische Verfahren ermittelt werden, beispielsweise optisch durch Beobachtung eines polierten Querschnitts des Körpers.

Der polykristalline Diamantkörper nach der Erfindung ist auch frei von elementarem, nichtdiamantförmigem Kohlenstoff, d. h. er enthält keine durch Röntgenstrahlenbeugungsanalyse nachweisbare Menge an elementarem, nichtdiamantförmigem Kohlenstoff.

Ein besonderer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß polykristalline Diamantkörper mit verschiedenartigen Abmessungen und Formen hergestellt werden können. Beispielsweise kann der Diamantkörper eine Breite oder Länge von bis zu 25 mm oder darüber besitzen. Polykristalline Diamantkörper, die eine Länge von 25 mm oder darüber besitzen und einen Diamantgehalt im Rahmen der Erfindung aufweisen, können praktisch nicht nach Verfahren hergestellt werden, bei denen im diamantstabilen Bereich des Zustandsdiagramms von Kohlenstoff liegende Druck- und Temperaturbedingungen zur Anwendung gelangen, da die zur Erzielung und Aufrechterhaltung derartiger hoher Druck- und Temperaturbedingungen erforderlichen Apparaturen einen außerordentlich aufwendigen Aufbau erfordern und daher nur eine beschränkte Kapazität besitzen. Andererseits können auch polykristalline Diamantkörper nach der Erfindung außerordentlich dünn bis herunter zu einer Schichtdicke von nur einer Diamantkristallschicht hergestellt werden.

Die Erfindung wird nun näher anhand von Beispielen erläutert, bei denen in folgender Weise, falls nichts anderes angegeben ist, vorgegangen wurde:

Als Druck übertragendes Medium wurde Pulver aus hexagonalem Bornitrid feiner Teilchengröße, d. h. einer von etwa 2 bis etwa 20 Mikrometer reichenden Teilchengröße, verwendet.

Es wurde mit einer Vorrichtung gearbeitet, die im wesentlichen der in den Fig. 4 und 5 dargestellten Vorrichtung entsprach.

Das Kaltpressen der Beschickung wurde bei Raumtemperatur in der in Fig. 4 gezeigten Weise bis etwa 5600 bar durchgeführt. Die zum Einschwemmen bzw. Tränken der verpreßten Diamantmasse zur Verfügung stehende Menge verflüssigter Masse reichte zur vollständigen Durchtränkung der verpreßten Diamantmasse aus.

Die verflüssigte Masse besaß mit Ausnahme von Beispiel 6 eine eutektische oder im wesentlichen eutektische Zusammensetzung.

Der polykristalline Diamantkörper wurde in Form einer Scheibe hergestellt.

Unter Verwendung von Hammer und Meißel wurde jede Scheibe im wesentlichen in zwei Hälften auseinandergebrochen. Die Bruchstellen wurden unter einem Mikroskop bei etwa 100facher Vergrößerung betrachtet.

Die Bruchfläche des polykristallinen Körpers wurde auf einem Gußeisenblock poliert.

Eine jeweils in Volumenprozent des Körpers angegebene Diamantdichte wurde nach der normierten Punktzähltechnik ermittelt, wobei eine Mikroaufnahme der polierten Querschnittsfläche in 690facher Vergrößerung verwendet wurde und der analysierte Oberflächenbereich eine das Mikrogefüge des gesamten Körpers ausreichend repräsentierende Größe aufwies.

Im Bereich von über 70, jedoch unter 90 Volumenprozent, bezogen auf das Volumen des polykristallinen Körpers, liegende Diamantdichteangaben basieren auf unter ähnlichen Bedingungen durchgeführten Versuchen. Bei den Diamantdichteangaben sowie bei den Angaben über das Aussehen sowohl des ganzen polykristallinen Körpers als auch der Querschnittsflächen des polykristallinen Diamantkörpers, aber auch die Angaben des Volumens des gebildeten, gereinigten polykristallinen Diamantkörpers im Vergleich zum Volumen des eingesetzten Diamantpulvers beruhen auf der Annahme, daß weniger als 5 Volumenprozent des Diamantpulvers in nichtdiamantförmigen elementaren Kohlenstoff umgewandelt worden sind.

Bei den Beispielen 1 bis 4, 12 und 13 war die verflüssigte Masse eine in situ gebildete Legierung aus Silicium und Zirkonium.

Beispiel 1

Eine gegossene Siliciumscheibe mit einem Gewicht von 330 mg wurde innerhalb einer Zirkoniumhülse in einem Molybdännapf angeordnet. Etwa 500 mg feines Diamantpulver, dessen Korngröße im Bereich von etwa 1 bis etwa 60 Mikrometer lag und von dem mindestens 40 Gew.-% eine Korngröße von unter 10 Mikrometer aufwies, wurde über die Siliciumscheibe gepackt. Ein Molybdännapf, der einen etwas größeren Durchmesser aufwies als der mit Silicium und Diamanten beschickte Napf, wurde als Deckel über die Öffnung des mit Silicium und Diamanten beschickten Napfes gestülpt.

Der auf diese Weise gebildete Behälter wurde dann in der in Fig. 4 dargestellten Weise in Pulver aus hexagonalem Bornitrid eingepackt und die gesamte Beschickung bei Raumtemperatur, d. h. kalt, in einer Stahlmatrize bis auf einen Druck von etwa 5600 bar verpreßt, wobei auf den Behälter und den Inhalt ein im wesentlichen isostatischer, d. h. ein von allen Richtungen im wesentlichen gleichmäßig einwirkender Druck, ausgeübt wurde. Der Preßdruck wurde solange aufrechterhalten, bis er sich unter Bildung eines dimensionsstabilen Formkörpers, d. h. eines im wesentlichen isostatischen Systems des mit Pulver umschlossenen Behälters, stabilisiert hatte. Aus vorausgegangenen Versuchen war bekannt, daß die zusammengepreßte Diamantmasse in dem als Formkörper vorliegenden System eine Diamantdichte von über 75 Volumenprozent, bezogen auf das Volumen der zusammengepreßten Diamantmasse, aufweist. Silicium war in einer Menge von etwa 80 Volumenprozent, bezogen auf die zusammengepreßte Diamantmasse, vorhanden.

Die gebildete Anordnung 21 des vom Pulver umschlossenen Behälters wurde dann heißgepreßt. Zu diesem Zweck wurde die Anordnung 21 in der aus Fig. 5 ersichtlichen Weise in eine Graphitform mit dem gleichen Durchmesser wie die Stahlmatrize eingeführt und die Graphitform dann in einen Induktionsheizofen gegeben. Der Induktionsheizofen wurde auf einen Druck von ungefähr 1,3 mbar evakuiert und dann mit Stickstoff gefüllt, so daß der Innenraum des Behälters zunächst evakuiert und dann mit einer Stickstoffatmosphäre gefüllt wurde. Auf die in der Graphitform befindliche Anordnung 21 wurde dann ein Druck von ungefähr 35 bar ausgeübt und aufrechterhalten. Die unter Druck stehende Anordnung 21 wurde dann in sieben Minuten auf eine Temperatur von 1500°C induktiv aufgeheizt. Beim Aufheizen stieg der Druck aufgrund der Wärmeausdehnung des Systems auf etwa 700 bar an. Nach Erreichen einer Temperatur von etwa 1350°C fiel der Druck auf etwa 350 bar ab. Dieser Druckabfall deutet darauf hin, daß sich siliciumreiche Zirkoniumlegierung gebildet hatte, flüssig geworden war und begonnen hatte, in die zusammengepreßte Diamantmasse einzudringen. Der Druck wurde auf den maximalen Heißpreßdruck von 700 bar erhöht und nach Erreichen der Temperatur von 1500°C wurde die Anordnung eine Minute lang auf der Heißpreßtemperatur von 1500°C unter dem Druck von 700 bar gehalten, um eine vollständige Durchtränkung der kleineren kapillarartigen Hohlräume in der zusammengepreßten Diamantmasse sicherzustellen. Die Heizung wurde dann abgestellt, jedoch wurde kein zusätzlicher Druck ausgeübt. Auf diese Weise wurde für einen hohen Druck bei hoher Temperatur und für einen verringerten Druck bei niedriger Temperatur und damit für eine ausreichende geometrische Stabilität gesorgt, d. h. die heißgepreßte Anordnung behielt ihre Abmessungen bei, bis sie auf eine zur Handhabung ausreichende Temperatur abgekühlt war.

Der gebildete polykristalline Diamantkörper wurde entnommen und das anhaftende Metall, d. h. der Molybdännapf und der Rest der Zirkoniumhülse, sowie überschüssiges Silicium an der Außenseite des Körpers wurden durch Abschleifen und Sandstrahlen entfernt.

Der resultierende einstückige polykristalline Diamantkörper hatte die Form einer Scheibe mit einer Dicke von etwa 3 mm. Der Diamantkörper schien gut durchtränkt zu sein und eine feste Bindung aufzuweisen.

Durch Röntgenstrahlenbeugungsanalyse der Oberfläche, durch welche die Legierung eindrang, wurde festgestellt, daß der Körper aus Diamant, Siliciumkarbid und elementarem Silicium bestand und Siliciumkarbid und elementares Silicium in einer Menge von mindestens 2 Volumenprozent des Körpers vorhanden waren. Bei der Röntgenstrahlenbeugungsanalyse konnte kein nichtdiamantförmiger elementarer Kohlenstoff festgestellt werden.

Eine Prüfung der Bruchstellen der Scheibe zeigte, daß die Bruchfläche quer durch die Kristalle und nicht entlang den Kristallflächen verlief. Dies deutet darauf hin, daß die durch das Bindemittel bewirkte Bindung sehr gut und ebenso fest ist wie die Diamantkristalle selbst.

Bei der Prüfung der Bruchflächen ergab sich, daß diese porenfrei waren und das Bindemittel gleichmäßig über den Körper verteilt war.

Bei Prüfung der polierten Bruchfläche wurde festgestellt, daß die polierte Fläche keine auf ausgebrochene Diamantteilchen zurückzuführende Löcher besaß, was darauf hindeutet, daß eine feste Bindung vorliegt und der Diamantkörper als Schleifmittel geeignet ist.

Die Diamantkristalldichte des Körpers betrug etwa 81 Volumenprozent, bezogen auf das Volumen des polykristallinen Diamantkörpers.

Eine Mikroaufnahme der polierten Oberfläche mit 690facher Vergrößerung zeigte eine weiße Phase. Bei einer Röntgenstrahlenspektralanalyse dieser Phase stellte sich heraus, daß sie aus Zirkonium und Silicium bestand, was darauf hinweist, daß es sich bei dieser Phase um Zirkoniumsilicid handelte.

Beispiel 2

Eine gegossene Siliciumscheibe mit einem Gewicht von 170 mg wurde innerhalb einer Zirkoniumhülse in einem Molybdännapf angeordnet. Auf der Siliciumscheibe wurden 250 mg Diamantpulver aufgebracht, das aus einer Mischung von 75 Volumenprozent Diamantteilchen mit einer Siebgröße von 90/110 Maschen/cm, d. h. Diamantteilchen mit einer Korngröße von unter etwa 62, jedoch über 53 Mikrometer, und aus 25 Volumenprozent Diamantteilchen der Körnung 3 (3200 Maschen/cm), d. h. mit einer Teilchengröße von etwa 1-5 Mikrometer. Anstelle des in Beispiel 1 verwendeten Metalldeckels wurde eine durch Heißpressen von hexagonalem Bornitrid hergestellte Scheibe in der in Fig. 2 dargestellten Weise als Stopfen 14 verwendet.

Der verschlossene Napf wurde dann in der in Beispiel 1 beschriebenen Weise in Pulver aus hexagonalem Bornitrid eingepackt und die gesamte Beschickung wurde unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 kaltgepreßt. Aus vorangegangenen Versuchen war bekannt, daß im resultierenden Preßkörper die Diamantkristalldichte der zusammengepreßten Diamantmasse größer als 75 Volumenprozent war. Silicium war in einer Menge von etwa 80 Volumenprozent, bezogen auf die zusammengepreßte Diamantmasse, vorhanden. Die kaltgepreßte Anordnung 21 mit dem vom Pulver umschlossenen Napf wurde dann in der gleichen Weise und unter den gleichen Bedingungen wie in Beispiel 1 heißgepreßt.

Der gebildete polykristalline Diamantkörper wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 gewonnen. Es war keine Bindung mit dem Stopfen aus hexagonalem Bornitrid festzustellen, was auch keinen schädlichen Einfluß auf den polykristallinen Diamantkörper hatte.

Der gewonnene aus einem Stück bestehende polykristalline Diamantkörper hatte die gleichmäßige Form einer Scheibe mit einer Dicke von etwa 1,5 mm. Die Scheibe schien gut durchtränkt und festgebunden zu sein. Sie besaß eine gleichmäßigere Form als der nach Beispiel 1 hergestellte polykristalline Diamantkörper, da der Stopfen 14 für eine bessere geometrische Stabilität des Körpers sorgte als die Metallkappe in Beispiel 1.

Eine Prüfung der Bruchstellen der Scheibe zeigte, daß der Bruch quer durch die Kristalle und nicht entlang der Kristallflächen verlief. Dies deutet darauf hin, daß die durch das Bindemittel bewirkte Bindung sehr gut und ebenso fest ist wie die Diamantkristalle selbst.

Eine Prüfung der Bruchflächen ergab, daß diese porenfrei waren und das Bindemittel gleichmäßig über den Körper verteilt war.

Die Prüfung der polierten Flächen ergab, daß diese keine auf ausgebrochene Diamantteilchen zurückzuführenden Löcher aufwiesen, was darauf hindeutet, daß eine sehr feste Bindung vorliegt.

Die Diamantkristalldichte des Körpers betrug 73 Volumenprozent, bezogen auf das Volumen des Körpers.

Die Mikroaufnahme der polierten Oberfläche zeigte eine weiße Phase von Zirkoniumsilicid.

Beispiel 3

Es wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 2 vorgegangen, außer daß der Stopfen 14 aus einer Molybdänscheibe mit einer Dicke von 3,18 mm bestand.

Die Molybdänscheibe hatte weder eine nachteilige Wirkung auf den polykristallinen Diamantkörper noch war sie an den polykristallinen Diamantkörper gebunden. Die Molybdänscheibe konnte genauso gut wie die Metallhülse entfernt werden und nach dem Abschleifen von überschüssigem Silicium verblieb ein polykristalliner Diamantkörper mit gleichmäßiger Dicke und mit einer gut glatten Oberfläche.

Bei der Prüfung der Bruchflächen der Scheibe ergab sich, daß der Bruch quer durch die Kristalle und nicht entlang den Kristalloberflächen verlief. Dies deutet darauf hin, daß die durch das Bindemittel bewirkte Bindung sehr gut ist und ebenso fest ist wie die Diamantkristalle selbst.

Die Überprüfung der Bruchflächen zeigte, daß sie porenfrei waren.

Die Diamantdichte des polykristallinen Diamantkörpers lag bei über 70, jedoch unter 90 Volumenprozent.

Beispiel 4

Es wurde nach dem gleichen Verfahren wie in Beispiel 2 gearbeitet, außer daß der Stopfen 14 aus einer Scheibe aus gesintertem Aluminiumoxid mit einer Dicke von 3,18 mm bestand.

Der gebildete polykristalline Diamantkörper war nicht an der Aluminiumoxidscheibe gebunden und konnte leicht vom Hülsenmetall abgelöst werden. Nach dem Abschleifen von überschüssigem Silicium verblieb ein Diamantkörper mit gleichmäßiger Dicke und einer gut glatten Oberfläche.

Bei Prüfung der Bruchflächen der Scheibe zeigte sich, daß der Bruch durch die Diamantkristalle verlief. Dies deutet darauf hin, daß das Bindemittel sehr stark haftet und die Bindung ebenso fest ist wie die Diamantkristalle selbst.

Die Prüfung der Bruchflächen ergab, daß diese porenfrei waren.

Die Diamantdichte des polykristallinen Diamantkörpers lag über 70, jedoch unter 90 Volumenprozent.

Die Erfindung wird nun näher anhand von Tabelle 1 erläutert. Bei den Beispielen 5 bis 9 wurde kein metallischer Behälter verwendet, sondern lediglich die gleiche Anordnung wie in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Bei der Durchführung der Beispiele 5 bis 9 wurde aus hexagonalem Bornitrid bestehendes Pulver in die in Fig. 4 dargestellte Matrize gepackt und ein als Preßwerkzeug dienender Zylinder in das Pulver gepreßt. Der Zylinder bestand aus Sinterhartmetall und besaß einen Durchmesser von etwa 9 mm sowie eine Dicke von etwa 6 mm. Die Achse des Zylinders fluchtete im wesentlichen mit der Mittelachse der Matrize.

Nach dem Einsetzen des Zylinders in das Pulver wurde zusätzliches pulverförmiges hexagonales Bornitrid in die Matrize gegeben, um den Zylinder vollständig abzudecken. Der vom Pulver umschlossene Zylinder wurde bei Raumtemperatur unter einem Druck von 3500 bar verpreßt. Der Preßstempel 23 a wurde dann herausgezogen und mit Hilfe des Preßstempels 23 wurde der gebildete Formkörper mit dem vom Pulver umschlossenen Zylinder teilweise aus der Matrize gepreßt.

Der freiliegende Teil des gepreßten Pulvers wurde entfernt, um den Zylinder teilweise freizulegen. Nach dem Herausziehen des Zylinders verblieb der vom Zylinder eingepreßte Hohlraum. In den Beispielen 5 bis 8 wurde eine Scheibe aus einer gegossenen Siliciumlegierung mit der angegebenen Zusammensetzung auf dem Boden der Aussparung angeordnet. Die Scheibe besaß die angegebene Dichte und einen Durchmesser, der im wesentlichen dem Innendurchmesser der Aussparung entsprach. Im Beispiel 9 wurde die Gußlegierung zu einem Pulver zerkleinert und das Pulver auf dem Boden der Aussparung angeordnet. Eine Schicht aus Diamantpulver mit der angegebenen Korngröße wurde in der angegebenen Menge und Dicke auf die Legierung gepackt.

Eine durch Heißpressen von hexagonalem Bornitridpulver hergestellte Scheibe mit ungefähr dem gleichen Durchmesser wie der Innendurchmesser der Aussparung wurde innerhalb der Aussparung auf dem Diamantpulver als Deckel angeordnet, um sicherzustellen, daß die Oberfläche des entstehenden polykristallinen Diamantkörpers flach wird.

Die gesamte Masse wurde dann mit Hilfe des Preßstempels 23 a in die Mitte der Matrize geschoben und der Preßstempel 23 a dann zurückgezogen. Eine zusätzliche Menge an hexagonalem Bornitridpulver wurde in die Matrize gegeben, um die Scheibe aus hexagonalem Bornitrid abzudecken, wodurch die Aussparung samt Inhalt in der aus Fig. 4 ersichtlichen Weise vollständig von hexagonalem Bornitrid umschlossen war. Die resultierende Beschickung der Matrize wurde dann bei Raumtemperatur, d. h. kalt, unter einem Druck von 5600 bar in der in Fig. 4 dargestellten Weise verpreßt, wobei auf die Aussparung und den Inhalt ein im wesentlichen isostatischer Druck ausgeübt wurde. Der Preßdruck wurde solange aufrechterhalten, bis er sich unter Bildung eines im wesentlichen isostatischen Systems stabilisiert hat, bei dem es sich um die vom Pulver umschlossene Aussparung samt Inhalt handelt. Aus vorausgegangenen Versuchen war bekannt, daß der resultierende Preßkörper, d. h. das im wesentlichen isostatische System der vom Pulver umschlossenen Aussparung samt Inhalt, eine zusammengepreßte Diamantmasse mit einer Diamantkristalldichte von über 75 Volumenprozent enthält.

Der gebildete Preßkörper mit der vom Pulver umschlossenen Aussparung samt Inhalt entspricht im wesentlichen der Anordnung 21, enthält jedoch keinen Metallbehälter. Der Preßkörper wurde dann einer Heißspressung unterzogen, d. h. in die in Fig. 5 dargestellte Graphitfrom mit dem gleichen Durchmesser wie die Stahlmatrize geschoben und in einen Induktionsheizofen gegeben. Der Innenraum der Aussparung wurde evakuiert und dann mit einer Stickstoffatmosphäre aufgefüllt, indem der Heizofen auf etwa 1,3 mbar evakuiert wurde und dann wieder mit trockenem Stickstoff aufgefüllt wurde. Auf die in der Graphitform befindliche Anordnung wurde dann ein Druck von etwa 350 bar ausgeübt und aufrechterhalten. Die unter Druck stehende Anordnung wurde dann in etwa 5 bis 7 Minuten auf die angegebene maximale Heißpreßtemperatur aufgeheizt. Beim Aufheizen stieg der Druck aufgrund der Wärmeausdehnung des gesamten Systems auf den angegebenen maximalen Heißpreßdruck an.

Bei der angegebenen Temperatur, bei welcher die Tränkung begann, fiel der Druck auf etwa 350 bar ab. Dieser Druckabfall deutet darauf hin, daß die angegebene Feststoffmasse geschmolzen, flüssig geworden und begonnen hatte, in die Diamantmasse einzudringen. Der Druck wurde dann wieder auf den angegebenen maximalen Heißpreßdruck erhöht und bei der angegebenen maximalen Heißpreßtemperatur eine Minute lang aufrechterhalten, um eine vollständige Durchtränkung der kleineren kapillarartigen Zwischenräume der zusammengepreßten Diamantmasse mit der verflüssigten Masse sicherzustellen. Die Heizung wurde dann abgestellt, wobei jedoch kein zusätzlicher Druck ausgeübt wurde. Dadurch wurde bei hoher Temperatur für einen hohen Druck und bei niedriger Temperatur für einen verringerten Druck und damit für eine ausreichende geometrische Stabilität gesorgt. Der gebildete polykristalline Diamantkörper wurde bei Zimmertemperatur entfernt.

Der Verschlußstopfen haftete nicht am Diamantkörper. Nach Entfernen von schuppenförmig an der Oberfläche des polykristallinen Diamantkörpers anhaftendem hexagonalem Bornitridpulvers und von überschüssiger Legierung durch Abschleifen und Sandstrahlen hatte der Diamantkörper die Form einer Scheibe mit der angegebenen Dicke.

Beispiele 10 bis 13 wurden, mit Ausnahmen wie in Tabelle I angegeben, im wesentlichen in der gleichen Weise ausgeführt wie Beispiel 1.

In Tabelle I ist die Heißpreßtemperatur, bei der die Tränkung beginnt, die Temperatur, bei welcher die Feststoffmasse flüssig ist und in die zusammengepreßte Diamantmasse einzudringen beginnt. Die angegebene maximale Heißpreßtemperatur und der angegebene maximale Heißpreßdruck wurden gleichzeitig eine Minute lang aufrechterhalten, um eine vollständige Ausfüllung auch der kleinen kapillarartigen Zwischenräume in der zusammengepreßten Diamantkristallmasse sicherzustellen.

Bei den in der Tabelle I angegebenen Beispielen 5 bis 10 hatte der gebildete polykristalline Diamantkörper die Form einer Scheibe.

Die Röntgenstrahlenanalyse mit den in Tabelle I angegebenen Ergebnissen wurde mit dem zerkleinerten polykristallinen Diamantkörper durchgeführt.

Die nach Beispielen 5 und 6 hergestellten polykristallinen Diamantkörper waren gut durchtränkt und gut gebunden. Bei Prüfung ihrer Bruchflächen zeigte sich, daß diese porenfrei waren, das Bindemittel gleichmäßig über den Körper verteilt war und der Bruch durch die Kristalle verlief. Die Diamantdichte jedes Körpers lag höher aus 70, jedoch unter 90 Volumenprozent.

Bei dem nach Beispiel 7 hergestellten Diamantkörper zeigten die Bruchflächen eine Größe von bis zu 100 Mikrometer aufweisende Taschen aus feinem Diamantpulver, das unvollständig durchtränkt war, was wahrscheinlich auf eine inhomogene Mischung der Diamantkristalle zurückzuführen ist. Der Rest des Körpers war jedoch vollständig durchtränkt und wies eine Diamantdichte von über 70, jedoch unter 90 Volumenprozent auf.

Beispiel 8 wurde in der gleichen Weise wie Beispiel 7, jedoch unter Anwendung höherer Heißpreßtemperaturen durchgeführt, wodurch eine vollständige Durchtränkung der zusammengepreßten Diamantmasse erreicht und eine harte Scheibe mit guter Bindung gebildet wurde. Bei Prüfung der Bruchflächen zeigte sich, daß diese porenfrei waren, das Bindemittel gleichmäßig über den Körper verteilt war und der Bruch quer durch die Kristalle verlief. Bei Prüfung der polierten Fläche des nach Beispiel 8 hergestellten Diamantkörpers konnten keine auf herausgebrochene Diamantteilchen zurückzuführenden Löcher festgestellt werden, was auf eine feste Bindung hindeutet. Die polierte Schnittfläche ist in Fig. 6 dargestellt. Die Diamantdichte des Körpers betrug 80 Volumenprozent.

Bei dem nach Beispiel 9 hergestellten Diamantkörper zeigten zwar die Bruchflächen die gleiche unvollständige Tränkung wie bei dem nach Beispiel 7 hergestellten Diamantkörper, jedoch war der Rest des Körpers gut durchtränkt und gut gebunden.

Aus Beispiel 10, 11 und 13 ist ersichtlich, daß ein Sinterhartmetallstopfen aus Wolframkarbid und Kobalt für das Verfahren ungeeignet ist. Bei den gemäß Beispiel 10, 11 und 12 hergestellten Diamantkörpern ergab die Prüfung von nicht durch den Stopfen beeinträchtigten Bruchflächen, daß diese porenfrei waren, der Bruch quer durch die Kristallteilchen verlief, das Bindemittel gleichmäßig im Körper verteilt war und jeder Diamantkörper eine Diamantdichte von über 70 Volumenprozent aufwies.

Bei dem nach Beispiel 12 hergestellten Diamantkörper ergab die Prüfung der Bruchflächen, daß diese porenfrei waren, der Bruch quer durch die Kristallteilchen verlief und das Bindemittel gleichmäßig über den Diamantkörper verteilt war, der eine Diamantdichte von über 70, jedoch unter 90 Volumenprozent aufwies.

Bei Prüfung der Bruchflächen des nach Beispiel 13 hergestellten Diamantkörpers ergab sich, daß die Legierung in feine Kristallrisse eingedrungen war, die beim Heißpressen in größeren Kristallen entstehen können, wodurch eine außerordentlich gute Einbindung dieser Kristalle entsteht.

Claims

1. Porenfreier, polykristalliner Diamantkörper, der durch Heißpressen unter Anwendung eines Druckes von 35 bis 1400 bar hergestellt ist, dessen Diamantkristalle eine Größe von 1 bis 1000 µm besitzen und 70 bis unter 90 Vol.-% des Körpers ausmachen, der bis zu 30 Vol.-% eines Bindemittels enthält, das Siliciumkarbid und ein Silicid und ein Karbid eines ein Silicid bildenden Metalles umfaßt und insgesamt mehr als 50 Atomprozent Silicium enthält, wobei mehr als 50% des in direktem Kontakt mit der Oberfläche der Diamantkristalle stehenden Teils des Bindemittels aus Siliciumcarbid bestehen.

2. Diamantkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel Siliciumcarbid und ein Silicid von Kobalt, Chrom, Eisen, Hafnium, Mangan, Molybdän, Niob, Nickel, Palladium, Platin, Rhenium, Rhodium, Ruthenium, Tantal, Thorium, Titan, Uran, Vanadium, Wolfram, Yttrium, Zirkonium oder von einer Legierung dieser Metalle enthält.

3. Diamantkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel Siliciumcarbid und ein Carbid von Chrom, Hafnium, Titan, Zirkonium, Tantal, Vanadium, Wolfram, Molybdän oder einer Legierung dieser Metalle enthält.

4. Diamantkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel auch noch elementares Silicium enthält.

5. Verfahren zum Herstellen eines Diamantkörpers nach Anspruch 1, bei dem

a) in einem als Abschirmung dienenden Behälter oder in einem Hohlraum, der in ein einwirkenden Druck unvermindert übertragendes und bei einem Heißpreßvorgang nicht sinterndes Pulver eingepreßt ist, eine Diamantkristallmasse in Kontakt mit einer räumlich getrennten Feststoffmasse angeordnet wird, die zusammengesetzt ist aus Silicium und einem Metallsilicid, das mit Silicium ein Eutektikum bildet, oder einem entsprechenden, ein Silicid bildenden Metall, wobei die Feststoffmasse insgesamt mehr als 50 Atomprozent Silicium enthält,
b) der Behälter samt Inhalt in einem Pulver gemäß a) angeordnet wird und bei eingepreßtem Hohlraum mit zusätzlichem Pulver abgedeckt wird,
c) über das Pulver auf Behälter oder Aussparung und Inhalt isostatischer Druck ausgeübt und dadurch die Diamantkristallmasse auf einen Diamantgehalt von über 70 Vol.-% verdichtet sowie ein formstabiles von Pulvermedium umschlossenes isostatisches System gebildet wird,
d) das isostatische System in einer inerten Atmosphäre einer Temperatur von unter 1600°C und eines Druckes von 35 bis 1400 bar unter Umwandlung von weniger als 5 Vol.-% der Diamantkristalle in nicht diamantförmigen elementaren Kohlenstoff heißgepreßt wird, wobei die Zwischenräume zwischen den Diamantkristallen mit der verflüssigten eingeschwemmten Masse ausgefüllt wird und der nicht diamantförmige Kohlenstoff oder die Oberfläche der Diamantkristalle mit der verflüssigten Masse mindestens teilweise zu Siliciumcarbid umgesetzt werden und
e) beim Abkühlen des heißgepreßten isostatischen Systems die Abmessungen des Systems durch auf das System lastenden Druck aufrechterhalten werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß verflüssigte Feststoffmasse in einer Menge von 25 bis 80 Vol.-%, bezogen auf das Volumen der zusammengepreßten Diamantkristallmasse angewendet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffmasse und die Diamantmasse in Form von übereinanderliegenden Schichten angeordnet werden.

8. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffmasse in Form eines Stabes verwendet wird, um den die Diamantkristallmasse angeordnet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Feststoffmasse in Form eines Hohlzylinders verwendet wird, dessen Innenraum mit der Diamantkristallmasse ausgefüllt wird.