DE3232869C2

DE3232869C2 -

Info

Publication number: DE3232869C2
Application number: DE3232869A
Authority: DE
Inventors: Tetsuo Nakai; Shuji Itami Hyogo Jp Yazu
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1981-09-04
Filing date: 1982-09-03
Publication date: 1992-05-14
Also published as: US4505746A; FR2512430B1; SE8204983D0; SE457537B; GB2107298A; GB2107298B; DE3232869A1; FR2512430A1; SE8204983L

Description

Die Erfindung betrifft einen gesinterten Diamantkörper bzw. Diamantpreßling für Werkzeuge und ein Verfahren zur Herstellung desselben und befaßt sich insbesondere mit einem gesinterten Diamantkörper oder Diamantpreßling für Werkzeuge, der grobe Diamantkörner und einen Binder aufweist, der ultrafeine Diamantkörner enthält, und ein Verfahren zur Herstellung desselben.

Gegenwärtig werden Diamantpreßlinge, die mehr als 70 Vol.-% an Diamant enthalten kommerziell für Drahtziehsteine oder Schneidwerkzeuge für nichteisenhaltige Metalle, Kunststoffe oder Keramik vertrieben. Vor allem feinkörnige Diamantpreßlinge werden als günstig beurteilt, weil bei ihrer Verwendung als Ziehstein zum Ziehen eines relativ weichen Drahtstranges, wie beispielsweise Kupferdraht, nach dem Ziehen durch diese ein Draht mit einer sehr glatten Oberfläche erhalten wird. Es hat jedoch noch niemand einen Diamantpreßling mit zufriedenstellenden Eigenschaften zum Ziehen eines hochfesten Drahtstranges, wie beispielsweise einen messingbeschichteten Stahldraht mit hohem Kohlenstoffgehalt, entwickelt. Wenn die kommerziell vertriebenen Diamantpreßlinge als Keramikschneidwerkzeuge oder Bohrerschneiden verwendet werden, besitzt der aus feinen Diamantkörnern bestehende Preßling ein Problem mit der Verschleißfestigkeit, und ein aus groben Diamantenkörnern bestehender Preßling neigt zu einem derartigen Brechen, daß die Wiederverwendung unmöglich ist. Andere Werkzeugwerkstoffe, die den oben beschriebenen Diamantpreßlingteil aufweisen, der an einem Substrat aus gehärteten Carbid gebunden ist, sind ebenfalls vertrieben und günstig beurteilt worden, insbesondere als Schneidwerkzeug einer Al-Si-Legierung oder hochfesten Cu-Legierungen, trotz ihrer höheren Preise.

Die Erfinder haben Untersuchungen über die Eigenschaften dieser Werkzeugwerkstoffe vorgenommen und festgestellt, daß diese Werkstoffe als überwiegende Komponente Diamantkristalle besitzen, die miteinander zur Bildung einer Gitterstruktur in Berührung stehen, die einen besseren Verschleißwiderstand als die üblicherweise verwendeten gehärteten Carbide besitzen.

Es ist jedoch auch ermittelt worden, daß diese hervorragenden Diamantpreßlinge andererseits verschiedene Nachteile aufweisen. Der erste Nachteil besteht darin, daß deren Preis zu hoch ist, obwohl der Verschleißwiderstand sehr exzellent ist, und überdies auch hohe Kosten mit dem Nachschleifen verbunden sind. Wegen des hohen Preises kann sogar das einmal verschlissene Einsatzteil nicht weggeworfen werden, ohne daß es zuvor schon einmal nachgeschliffen wurde, während die Einsatzteile der gehärteten Carbide normalerweise Wegwerfartikel sind. Wenn ein Einsatzteil aus einem Diamantpreßling einem demgemäßen Nachschleiftest unterzogen wird, scheint eher ein dafür verwendetes Diamantrad geschliffen zu werden, als das Einsatzteil. Das liegt daran, daß die Nachschleifwirkung sehr gering und der Verbrauch des Diamantrads sehr groß ist.

Der zweite Nachteil besteht darin, daß bei einem spanabhebenden Bearbeiten einer nicht-eisenhaltigen Legierung und der Betrachtung der bearbeiteten Oberfläche beispielsweise die Oberflächenrauhigkeit nicht so gering ist, wie wenn ein Schneidwerkzeug aus einem natürlichen Einkristalldiamant verwendet wird, und daß man keine schöne spiegelnde Oberfläche findet. Wenn zudem kleine Elemente, wie beispielsweise Uhrenteile oder dünne Werkstücke spanabhebend bearbeitet werden, ergeben sich die Probleme, daß der Schneidwiderstand zu groß ist, um die Abmaßgenauigkeit einzuhalten, und daß die Werkstücke dazu neigen, verformt zu werden. Bei den kommerziell vertriebenen Diamantpreßlingen sind, wie oben ausgeführt wurde, die Diamantkristalle zur Bildung einer Gitterstruktur miteinander in Berührung, und unter den Diamantkörnern mit einer Teilchengröße von 3 bis 8 µm befindet sich Kobalt. Wenn die Kante eines Schneidwerkzeugs, das diesen Preßling enthält, beobachtet wird, ist festzustellen, daß die Rauhigkeit im wesentlichen der Größe der Kristallkörner entspricht. Dies wird für einen Grund dafür gehalten, daß eine schöne endbearbeitete Oberfläche kaum zu erzielen ist. Weiterhin neigt die metallische Co-Binderphase, die zwischen den Diamantkörnern vorliegt, dazu, an dem Werkstückmetall anzuhaften, was besonders in dem Fall ein Problem darstellt, in dem eine endbearbeitete spezifische Oberfläche erforderlich ist.

Um diese Probleme zu lösen, hat einer der Erfinder einen Preßling mit einem verminderten Anteil an Diamantkorn und einen Preßling, der aus Diamantkörnern mit einer Größe von weniger als 1 µm (US-Patente Nummer 41 71 973 und 43 03 442) entwickelt und vorgeschlagen. Diese Preßlinge sind sicherlich in ihrer Feinschleifbarkeit ebenso wie in ihrer Kantenschärfe verbessert, es hat sich jedoch herausgestellt, daß sie einige Nachteile hinsichtlich des Verschleißwiderstandes und des Adhäsionswiderstandes zeigen, die von der Verschiedenartigkeit der Werkstücke abhängt.

Aus der EP 00 19 824 A1 ist ein pulvermetallurgisch hergestellter diamanthaltiger Körper für Schleifwerkzeuge bekannt, der aus Diamantkristallen besteht, die mit einem Silicium enthaltenden Bindemittel gebunden sind. Der Binder besteht aus Siliciumcarbid und einem Carbid und/oder einem Silicid einer Metallkomponente, die mit Silicium ein Silicid bildet. Die Diamantkristalle besitzen eine Teilchengröße von 1 µm bis 1000 µm. Die Menge an Diamantkörnern beträgt bis zu 90 bis 95 Vol.-%. Ein Teil der Diamantkörnern kann jedoch auch eine Teilchengröße unter 1 µm aufweisen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Diamantpreßling oder einen gesinterten Diamantkörper zu schaffen, der sowohl einen hervorragenden Verschleißwiderstand als auch eine hervorragende Festigkeit aufweist, und ein Verfahren zur Herstellung desselben aufzuzeigen.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen der Ansprüche 1, 8 und 16. Die Unteransprüche beschreiben bevorzugte Ausführungsformen.

Der Diamantpreßling kann zum Ziehen hochfester Drahtstränge, zum Schneiden von Keramik und als Bohrspitze verwendet werden. Es kann auch ein Werkzeug geschaffen werden, das den Diamantpreßling enthält, der von einem Halteteil gehalten wird.

Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung sind in dem anschließenden Beschreibungsteil enthalten, in dem unter Bezugnahme auf beigefügte Zeichnungen das Wesen und die Vorzüge der vorliegenden Erfindung detaillierter erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Ansicht des Berührungszustandes eines Ziehsteins mit einem Drahtstrang während des Ziehens;

Fig. 2 ein Mikrobild, das die Struktur des Preßlings gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt (Vergrößerung 1500-fach);

Fig. 3 eine schematische Ansicht zur Veranschaulichung des Schleifvorgangs des erfindungsgemäßen Werkzeugs durch eine Diamantscheibe;

Fig. 4 eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen der Bruchscherfestigkeit und der Diamantteilchengröße eines Diamantpreßlings zeigt;

Fig. 5(A) und (B) Mikrobilder, die jeweils die Strukturen des erfindungsgemäßen Preßlings und des marktüblichen Preßlings mit einer Diamantteilchen größe von 30 bis 60 µm zeigen;

Fig. 6 eine graphische Darstellung, die für den Preßling gemäß der vorliegenden Erfindung den Zusammenhang zwischen dem Steinschneiden und der Teilchengröße der groben Diamantkörner darstellt;

Fig. 7 eine graphische Darstellung, die den Zusammenhang zwischen dem Steinschneiden und dem Anteil an groben Diamantkörnern zeigt;

Fig. 8 (A) und (B) jeweils Rasterelektronenmikroskopaufnahmen (Vergrößerung 30-fach und 500-fach) der Kante des Preßlings gemäß der vorliegenden Erfindung nach dem Steinschneiden; und

Fig. 9 (A) und (B) jeweils Rasterelektronenmikroskopaufnahmen (Vergrößerung 30-fach und 500-fach) der Kante des kommerziell vertriebenen Diamantpreßlings für eine Bohrspitze nach dem Steinschneiden.

Es wurde ein Werkstoff entwickelt, der gut feinschleifbar ist oder eine scharfe Kante ergibt und hervorragend hinsichtlich der Verschleiß- und Adhäsionsfestigkeit ist. Es wurde ermittelt, daß dies durch einen Preßling erreicht werden kann, der zu 20- bis 85 Vol.-% aus Diamantkörnern mit einer Teilchengröße von wenigstens 3 µm, vorzugsweise wenigstens 10 µm, und im übrigen aus einem Binder besteht, der zu 20 bis 95 Vol.-% aus ultrafeinen Diamantkörnern mit einer Teilchengröße von höchstens 1 µm, aus Carbid, Nitrid, Carbonitrid oder Borid der Gruppe 4a, 5a oder 6a des periodischen Systems der Elemente oder aus deren festen Lösungen oder aus deren Mischkristallen und aus Eisengruppenmetallen wie Eisen, Kobalt und Nickel zusammengesetzt ist. Das Carbid, Nitrid, Carbonitrid, Borid, oder deren feste Lösungen oder Mischungen weisen eine Teilchengröße von höchstens 1 µm, vorzugsweise 0,5 µm auf und stehen im allgemeinen mit dem Eisengruppenmetall in einem Gewichtsverhältnis von wenigstens 50%. Insbesondere besteht ein Verhältnis zwischen dem Carbid und dem Eisengruppenmetall derart, daß der Anteil des Carbids größer als der der eutektischen Mischung entsprechende ist.

Um den Grund zu untersuchen, daß eine zufriedendstellende Bearbeitung nicht vorliegt, wenn ein hochfester Drahtstrang durch einen kommerziell vertriebenen Diamantpreßling gezogen wird, werden Ziehsteine hergestellt, die drei Diamantpreßlinge mit einer Teilchengröße von 30 bis 60 µm, 2 bis 6 µm und höchstens 1 µm verwenden und diese zum Ziehen von messingbeschichteten Stahldrähten eingesetzt. Wenn man die Drahtoberfläche und die Innenfläche betrachtet, so ist die Innenfläche jedes Ziehsteins in Längsrichtung zerkratzt und aufgerauht, und die Kratzer werden auf die Oberfläche des gezogenen Drahtes übertragen. Die Kratzer haben eine Größe von etwa 1 bis 3 µm und sind sehr tief. Für die Bildung der Kratzer auf der inneren Oberfläche des Ziehsteins wird folgendes angenommen. In jedem der verwendeten Diamantpreßlinge sind Diamantkörner zusammenhängend miteinander gebunden, um ein Diamantgitter zu bilden; bei dem Diamantpreßling mit einer Teilchengröße von 30 bis 60 µm werden jedoch die Kanten der Diamantkörner oder Diamantgitterteile anscheinend aufgebrochen und fallen bei dem reduzierten Abschnitt 1 heraus, bei dem der Draht und der Ziehstein, wie in Fig. 1 dargestellt, zuerst in Berührung treten, wodurch die innere Oberfläche des Ziehsteins zerkratzt wird. Bei dem Diamantpreßling mit einer Teilchengröße von 2 bis 6 µm wird angenommen, daß eher Diamantkörner von etwa 2 µm zum Zerkratzen der inneren Oberfläche herausfallen, als daß das Diamantgitter am reduzierten Abschnitt 1 aufbricht. Andererseits wird angenommen, daß bei dem aus Diamantkörnern mit einer Teilchengröße von höchstens 1 µm bestehende Preßling das Herausfallen jedes Diamantkorns und der Anhäufung mehrerer Diamantkörner auftritt, was feine und lange Kratzer auf der inneren Oberfläche des Ziehsteins bildet, wodurch die Drahtoberfläche zerkratzt wird.

Der Grund, warum vorbekannte Diamantpreßlinge sich nicht eignen, liegt darin, daß die innere Oberfläche eines Ziehsteins aufgrund des Aufbrechens des Diamantgitterteils und des Herausfallens von Diamantkörnern verkratzt wird und die Kratzer auf die Oberfläche eines Drahtes übertragen werden. Die Ursache für das Brechen des Diamantgitterteils und der Herausfallens vom Diamantkörnern wird nachfolgend betrachtet.

Beim Drahtziehen wird die innere Oberfläche eines Ziehsteins durch einen Drahtstrang mit Normalkraft und Reibkraft beaufschlagt. Wenn üblicherweise Normalkraft und Reibkraft zwischen den festen Berührungsflächen wirksam sind, werden Scherbeanspruchung und Hauptspannung erzeugt. In Fig. 1 wird die größte Hauptspannung auf der inneren Oberfläche des Ziehsteins 5 an dem Berührungspunkt des Drahtstranges 6 und des Ziehsteins 5 im reduzierten Abschnitt 1 erzeugt, und die größte Scherbeanspruchung wird nahe dem Schnittpunkt des zurückstehenden Teils 3 und des Führungsteils 2 erzeugt, von dem der Drahtstrang 6 abgeht. 4 zeigt einen Rampenteil. Beim Ziehen eines hochfesten Drahtstrangs werden insbesondere die Normalkraft und die Reibkraft vergrößert, was zu einem Anstieg der maximalen Hauptspannung und der maximalen Scherbeanspruchung führt. Das Diamantgitterteil eines Diamantpreßlings, das Verunreinigungen, wie beispielsweise katalytische Metalle enthält, ist für die Festigkeit des Preßlings der schwächste Teil. Wenn demzufolge auf diesen Teil eine Hauptspannung oder eine Scherbeanspruchung gebracht wird, wird auf die die Verunreinigung enthaltenden Seite des Gitters eine konzentrierte Beanspruchung ausgeübt. Insbesondere auf den reduzierten Abschnitt 1 wird eine wiederholte Beanspruchung mit einem Wechsel des Berührungsteils mit dem Drahtstrang 6 aufgegeben, und es bilden sich Risse, die zum Bruch führen.

Bei einem Preßling aus Diamantkörnern mit einer größeren Teilchengröße, beispielsweise 30 bis 60 µm, wird die größte Hauptspannung nahe der Oberfläche des reduzierten Abschnitts 1, wie zuvor beschrieben, erzeugt, so daß der Gitterteil um die Diamantkörner nicht aufbricht, sondern nur der Gitterteil nahe der Oberflächenschicht aufbricht und herausfällt. Große Diamantkörner selbst fallen kaum heraus. Andererseits ist auch bei einem Diamantpreßling mit einer Korngröße von 2 bis 6 µm oder höchstens 1 µm das Gitterteil wegen der kleineren Diamantkörnern klein, und selbst wenn das Gitterteil aufgebrochen wird und herausfällt, gibt es einige Kratzer auf der inneren Oberfläche eines Ziehsteins. Es werden jedoch alle Gitter um Diamantkörner aufgebrochen und auf diese Weise fallen oft einer oder mehrere Diamantkörner in geballter Form heraus, was zu großen Kratzern auf der inneren Oberfläche führt.

Um die oben erwähnten Nachteile vorbekannter Diamantpreßlinge zu überwinden, ist es nicht nur erforderlich, die Diamantkörnern an dem Herausfallen zu hindern, sondern auch einem großen Aufbrechen bei den Diamantgitterteilen zu begegnen. Um das Herausfallen von Diamantkörnern zu verhindern, ist die Verwendung von Diamantkörnern, die eine Teilchengröße von mehr als einige µm aufweisen, wie oben beschrieben, günstig, da jedoch die Anwesenheit eines großen Diamantgitters zu einem Aufbrechen des Gitters führt, ist es erforderlich, ein Material auszuwählen, was keine großen Diamantgitter bildet. Falls ein Binder gegenüber Diamant ein geringeres Adhäsionsvermögen besitzt, neigen Diamantkörner dazu, herausfallen, selbst wenn Diamantkörner mit einer Teilchengröße von mehr als einigen µm verwendet werden. Wenn andererseits ein Binder mit geringerer Verschleißfestigkeit verwendet wird, verschleißt zuerst der Binderteil, und die Diamantkörner fallen während des Ziehens heraus. Demzufolge sind die Anforderungen für einen Binder hervorragendes Adhäsionsvermögen zu Diamanten und eine hohe Verschleißfestigkeit. Es ist weiterhin wünschenswert, einen Werkstoff zu verwenden, der einen verhältnismäßig kleineren Bereich an Gitterteil aufweist, der dazu neigt, herauszufallen.

Verschiedenartige Werkstoffe sind im Hinblick auf die oben beschriebenen Probleme hergestellt und untersucht worden, und es wurde in der Folge ein gute Funktionen aufweisender Preßling ermittelt, der Diamantkörner mit einer Teilchengröße von 3 µm oder mehr, vorzugsweise 10 µm oder mehr, und einen Binder aufweist, der aus Diamantkörnern mit einer Korngröße von 1 µm, oder weniger, vorzugsweise 0,5 µm oder weniger, aus Körnern mit einer Teilchengröße von 1 µm oder weniger, aus Carbid, Nitrid, Carbonitrid oder Borid der Gruppe 4a, 5a oder 6a des periodischen Systems der Elemente, deren feste Lösungen oder deren Mischkristallen und aus einem Eisengruppenmetall zusammengesetzt ist.

Da der in dem Preßling verwendete Binder aus feinen Körnern mit einer Teilchengröße von 1 µm oder weniger besteht, wird kein Gitter unter großen Diamantkörnern gebildet, noch wird die innere Oberfläche eines Ziehsteins aufgrund des Ausbrechens und Herausfallens von Diamantgittern zerkratzt. Man nimmt an, daß die Diamantkörner nicht herausfallen, weil die Diamantkörner mit Diamantkörnern in einer Teilchengröße von höchstens 1 µm, die in dem Binder enthalten sind, gebunden sind, und die Affinität des Carbids, Nitrids, Carbonitrids oder Borids der Gruppe 4a, 5a oder 6a des periodischen Systems der Elemente, oder des Eisengruppenmetalls wie beispielsweise Fe, Ni und Co zu Diamant hervorragend ist. Der Binder enthält zusätzlich feine Diamantkörner mit einer Teilchengröße von 1 µm oder weniger, und die Verschleißfestigkeit des Binders ist hervorragend, so daß der Binder während des Ziehens keinen abnormalen Abrieb aufweist. Wenn der Preßling in einen Ziehstein eingearbeitet wird, ist die Verschleißfestigkeit des Binders hervorragend, liegt jedoch unter der der groben Diamantkörner mit einer Teilchengröße von 10 µm oder mehr, und der Binderteil wird im Vergleich mit den groben Diamantkörnern zu einem gewissen Maß zusammengedrückt. Wenn in diesem Zustand das Drahtziehen ausgeführt wird, nimmt die Belastung auf den Diamantteil zu, während die auf den Binderteil abnimmt. Demgemäß fallen die feinen Diamantkörner in dem Binderteil weder als einzelne Massen heraus, noch wird die innere Oberfläche eines Ziehsteins zerkratzt.

Der oben beschriebene Diamantpreßling wird hergestellt, indem eine Mischung aus Diamantpulver mit einer Teilchengröße von wenigstens 3 µm, aus ultrafeinem Diamantpulver mit einer Teilchengröße von höchstens 1 µm, und wenigstens einem Carbid, Nitrid, Carbonitrid oder Borid der Gruppe 4a, 5a und 6a des periodischen Systems der Elemente, mit einer Teilchengröße von höchstens 1 µm sowie wenigstens einem Eisengruppenmetall hergestellt und die resultierende Pulvermischung heiß bei einer Temperatur und einem Druck, bei denen der Diamant beständig ist und bei einer Temperatur von wenigstens 1200°C und einem Druck von wenigstens 45 Kbar unter Verwendung einer Ultrahochdruck- und Hochtemperaturvorrichtung gepreßt wird. Beispielsweise weist das grobe Diamantpulver eine Teilchengröße von wenigstens 10 µm auf und wird in einem Verhältnis von 20 bis 85 Vol.-% vermischt, und das ultrafeine Diamantpulver weist mit dem Carbid, Nitrid, Carbonitrid und Borid eine Teilchengröße von höchstens 0,5 µm auf.

Bei dem Preßling beträgt die Teilchengröße des Diamanten wenigstens 3 µm, und die obere Grenze ist nicht besonders festgelegt, beträgt jedoch im allgemeinen höchstens 1 mm. Derartige Diamantkörner machen zwischen 20 und 85 Vol.-%, insbesondere 50 bis 70 Vol.-% aus. Die Teilchengröße von Diamantkörnern in dem Binder beträgt höchstens 1 µm, vorzugsweise höchstens 0,5 µm, wobei die untere Grenze etwa 0,1 µm beträgt und derartige Diamantkörner machen 20 bis 95 Vol.-%, insbesondere 50 bis 80 Vol.-% des Binderwerkstoffs aus.

Bei dem Preßling ist das Verhältnis des Carbids der Gruppe 4a, 5a und 6a des Periodischen Systems der Elemente und des Eisengruppenmetalls, die als Komponenten des Binders verwendet werden, im allgemeinen so, daß der Anteil des Carbids größer als der der eutektischen Mischung entsprechende ist.

Fig. 2 ist ein Mikrobild, das eine typische Struktur des Preßlings zeigt, in dem sich Diamantkörner mit einer Teilchengröße von höchstens 1 µm, Körner aus Carbid, Nitrid, Carbonitrid oder Borid der Gruppe 4a, 5a oder 6a des periodischen Systems der Elemente und eines Eisengruppenmetalls als Binder um Diamantkörner mit einer Teilchengröße von wenigstens 3 µm befinden. Beim Schleifen dieses Preßlings treten zwar die scharfen Kanten des Diamantenschleifrades mit dem Preßling, wie in Fig. 3 dargestellt, in Berührung, da jedoch der Preßling Binderteile besitzt, die leichter als Diamantkristalle feinschleifbar sind, wird er eine bessere Feinschleifbarkeit als ein Preßling aufweisen, bei dem Diamantkristalle von 3 µm oder mehr Gitter bilden. In Fig. 3 stellen die Bezugsziffern 1 das Werkzeugmaterial, 2 die Diamantkörner, 3 den ultrafeinen Diamantkörner enthaltenden Binder, 4 den Schleifstein und 5 die Diamantkristalle im Schleifstein dar.

Die Ursache, daß die Schnittkantenschärfe des Preßlings nach der vorliegenden Erfindung hervorragend ist, wird wie folgt betrachtet. Bei den kommerziell vertriebenen Preßlingen, die Diamantkörner von 3 bis 8 µm und einen Binder aus Co aufweisen, werden die einen Gitteraufbau bildenden Diamantkörner und/oder der Binder aus Co leicht entfernt, wobei eine Rauhigkeit zurückbleibt, die im wesentlichen der Größe der Kristallkörner an der Kante entspricht, während bei dem Preßling nach der vorliegenden Erfindung der Binder feine Diamantkörner enthält und auf diese Weise einen Teil der Kante bildet, der entsprechend nicht so abgetragen wird, wie bei der Verwendung von Co als Binder. Somit hat die Kante eine geringe Rauhigkeit und bietet eine hervorragende Schnittkantenschärfe.

Die Festigkeit eines Diamantpreßlings nimmt mit dem Anstieg der Teilchengröße der Diamantkörner, wie in Fig. 4 dargestellt, ab. Ein Preßling aus feinen Diamantkörnern ist so hervorragend, sowohl in seiner Bruchscherfestigkeit als auch seiner Zähigkeit, daß die Kante nicht ausbricht; da aber einzelne Körner durch kleine Gitter gehalten werden und deren Bindungsfestigkeiten schwach sind, neigt das einzelne Korn dazu, während des Schneidens herauszufallen, was zu einer geringeren Verschleißfestigkeit führt. Andererseits besitzen bei einem Preßling aus groben Diamantkörnern, die durch große Gitter gehalten werden, die einzelnen Diamantkörner eine hohe Bindungsfestigkeit, um eine hervorragende Verschleißfestigkeit zu liefern; einmal gebildete Risse neigen jedoch dazu, sich aufgrund der großen Gitteranteile auszubreiten, was zu einem Brechen der Kante führt.

Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden die Diamantkörner, die eine Teilchengröße von 3 bis 10 µm besitzen, von ultrafeinen Diamantkörnern gehalten, wodurch eine gute Verschleißfestigkeit der Diamantkörner, die eine Teilchengröße von 3 bis 10 µm besitzen und eine hohe Zähigkeit der ultrafeinen Diamantkörner erreicht wird. Da der Preßling nach der vorliegenden Erfindung ultrafeine Diamantkörner und Carbid, Nitrid oder Carbonitrid der Gruppe 4a, 5a oder 6a des Periodischen Systems der Elemente enthält, ist die Adhäsionsfestigkeit vorzüglich.

Die Teilchengröße der in dieser Ausführungsform verwendeten groben Diamantkörner sollte 3 µm oder mehr betragen. Wenn sie kleiner als 3 µm ist, entstehen Probleme bei der Verschleißfestigkeit. Bei der Verwendung als Schneidwerkzeug für nicht-eisenhaltige Metalle ist es zum Erreichen einer ähnlichen endbearbeiteten Oberfläche wie bei einem Einzeldiamantkristall wünschenswert, die Teilchengröße der Diamantkörner in dem Bereich von 3 bis 10 µm zu halten. Wenn diese mehr als 10 µm beträgt, werden die Rauhigkeit einer bearbeiteten Oberfläche und die Feinschleifbarkeit zerstört.

Diamantkörner mit einer Teilchengröße von 3 bis 10 µm stehen vorzugsweise in einem Verhältnis von 20 bis 85 Vol.-%. Wo eine höhere Verschleißfestigkeit gefordert ist, ist es nötig, den Anteil von Diamantkörnern mit einer Teilchengröße von 3 bis 10 µm zu erhöhen, wenn jedoch der Anteil 25 Vol.-% des Preßlings übersteigt, wird die Feinschleifbarkeit zerstört und die Kante während des Schneidens bruchanfällig. Wenn andererseits der Anteil weniger als 20 Vol.-% beträgt, wird die Verschleißfestigkeit problematisch.

Das ultrafeine Diamantkorn in dem Binder hat eine Teilchengröße von 1 µm oder weniger, vorzugsweise 0,5 µm oder weniger. Falls die Teilchengröße der feinen Diamantkörner 1 µm übersteigt, werden die Bearbeitbarkeit und die Zähigkeit herabgesetzt. Der Anteil von feinen Diamantkörnern in dem Binder beträgt vorzugsweise 20 bis 95 Vol.-%, da dann, wenn er weniger als 20 Vol.-% beträgt, die Verschleißfestigkeit der Binderphase verringert wird, die Binderphase während des Schleifens verkratzt wird, keine scharfe Kante erzielt wird oder die Binderphase frühzeitig während des Schneidens derartig verschleißt, daß die Diamantkörner von 3 µm oder mehr herausfallen, während dann, wenn er mehr als 95 Vol.-% beträgt, das Bindermaterial spröde wird, oder Diamantkörner von 1 µm oder weniger die Zähigkeit zunehmend verringern, weil der Anteil des Carbids, Nitrids oder Borids der Gruppe 4a, 5a oder 6a des Periodischen Systems der Elemente abnimmt. Der Preßling nach der vorliegenden Erfindung besitzt zudem eine hervorragende Zähigkeit und ist auf diese Weise für unterbrochenes Schneiden von nicht-eisenhaltigen Metallen wirkungsvoll.

Falls der Preßling insbesondere als Drahtziehstein benutzt wird, beträgt die Teilchengröße der Diamantkörner vorzugsweise 10 µm oder mehr. Wenn sie geringer als 10 µm ist, fallen Diamantkörner zum Zerkratzen der inneren Oberfläche des Ziehsteins heraus. Der Anteil an Diamantkörnern mit einer Teilchengröße von 10 µm oder mehr liegt vorzugsweise in dem Bereich von 20 bis 85 Vol.-%. Wenn der Anteil an Diamantkörnern mit einer Teilchengröße von 10 µm oder mehr geringer als 20 Vol.-% ist, wird der Binderanteil erhöht, die auf den Binder aufgebbare Belastung vergrößert und die Diamantkörner in dem Binder fallen in einigen geballten Formen zum Zerkratzen der inneren Oberfläche eine Ziehsteins heraus. Falls er mehr als 85 Vol.-% beträgt, werden Diamantkörner mit einer Teilchengröße von 10 µm oder mehr miteinander zur Bildung eines großen Diamantgitters in Berührung gebracht, und während des Drahtziehens bricht dieser Teil und kann zum tiefen Zerkratzen der inneren Oberfläche eines Ziehsteins herausfallen. Wenn die Teilchengröße der feinen Diamantkörner in dem Binder 1 µm übersteigt, wird die innere Oberfläche eines Ziehsteins tief verkratzt, wenn sie herausfallen, und deren gleichmäßige Verteilung in dem Binder ist kaum zu erreichen. Die Teilchengröße sollte allgemein im Schnitt 1 µm oder weniger, vorzugsweise 0,5 µm oder weniger, betragen.

Der Anteil feiner Diamantkörner sollte 20 bis 95 Vol.-% des Binders betragen, da dann, wenn er geringer als 20 Vol.-% ist, die Verschleißfestigkeit des Binders geringer ist, was zu einem frühen Verschleiß und Herausfallen der Diamantkörner führt, während dann, wenn er mehr als 95 Vol.-% beträgt, der Binder spröde wird oder der Anteil an Carbid, Nitrid, Borid usw. der Gruppenelemente 4a, 5a oder 6a verringert wird, so daß die Diamantkörner von 1 µm oder weniger wachsen und das Ziel der vorliegenden Erfindung nicht erreicht werden kann. Das Kornwachstum der feinen Diamantenkörner wird bei einer hohen Temperatur und bei einem hohen Druck vorgenommen, bei der der Diamant in Anwesenheit einer flüssigen Phase eines Eisengruppenmetalls, das Diamanten aufzulösen vermag, beständig ist. Dieses Kornwachstum findet aufgrund des Auflösungs- und Ablagerungsphänomens statt. Das wirksamste Mittel für das Hemmen dieses Kornwachstums besteht, wie von den Erfindern vorgeschlagen, darin, ein feines Pulver aus Carbid, Nitrid, Carbonitrid oder Borid der Elemente der Gruppe 4a, 5a oder 6a des Periodischen Systems zuzusetzen. Von den Carbiden der Elemente der Gruppen 4a, 5a und 6a des Periodischen Systems zeigt insbesondere WC oder (Mo,W)C, das dasselbe Kristallsystem wie WC besitzt, die größte Wirksamkeit zum Hemmen des Kornwachstums.

Die Erfinder haben die Gründe untersucht, warum kommerziell vertriebene Diamantpreßlinge nicht zum Schneiden von Keramik oder Steinbohren brauchbar sind. Aus kommerziell vertriebenen Diamantpreßlingen mit unterschiedlicher Teilchengröße wurden Schneidwerkzeuge hergestellt und zum Schneiden von Granit verwendet. Es wurde als Ergebnis ermittelt, daß ein Preßling, der aus feinen Diamantkörnern mit einer Teilchengröße von 1 µm oder weniger besteht, einige Probleme aufweist und eine aus dem Preßling hergestellte Kante in der ersten Phase des Schneidens rund wird. Wenn andererseits die Teilchengröße der Diamantkörner gröber wird, z. B. 10 µm oder mehr, wird eine Kante bruchanfällig während des Schneidens, obwohl die Verschleißfestigkeit hervorragend ist, weil, wie man annimmt, die Bruchscherfestigkeit eines Diamantpreßlings mit der Zunahme der Teilchengröße abnimmt. Ein Preßling aus feinen Diamantkörnern ist sowohl in der Bruchscherfestigkeit als auch der Zähigkeit so hervorragend, daß die Kante nicht bricht, da jedoch einzelne Körner durch kleine Gitter gehalten werden und ihre Bindekräfte schwach sind, neigen einzelne Körner dazu, während des Schneidens herauszufallen, was zu einer geringeren Verschleißfestigkeit führt. Andererseits besitzen bei einem Preßling mit groben Diamantkörnern, die durch große Gitter gehalten werden, die einzelnen Diamantkörner eine große Bindungsfestigkeit zur Erzielung einer hervorragenden Verschleißfestigkeit, jedoch neigen einmal gebildete Risse dazu, sich aufgrund der großen Gitterteile auszubreiten, was zu einem Bruch der Kante führt. Diamantpreßlinge, die zu der oben beschriebenen Anwendung verwendet werden können, sollten eine hervorragende Verschleißfestigkeit und eine hohe Zähigkeit besitzen. Ausgehend von der Überlegung, daß ein Preßling, der die hervorragende Verschleißfestigkeit eines groben Diamantkorns mit der hohen Zähigkeit eines Preßlings aus feinem Diamantkorn vereinigt, durch die Verwendung desselben Materials wie das des Diamantpreßlings für Ziehsteine verwirklicht werden kann, wird die Zusammensetzung eines Preßlings wie folgt untersucht.

Infolgedessen wurde ermittelt, daß ein Preßling den oben beschriebenen Anforderungen genügen kann, der zu 20 bis 85 Vol.-% Diamantkörner mit einer Teilchengröße von 10 µm oder mehr und im übrigen aus einem Binder besteht, der zu 20 bis 95 Vol.-% aus Diamantenkörnern mit einer Teilchengröße von 1 µm oder weniger, aus wenigstens einem Carbid, Carbonitrid, Nitrid, Borid der Gruppe 4a, 5a und 6a des Periodischen Systems der Elemente, deren feste Lösungen und deren Mischkristallen mit einer Teilchengröße von 1 µm oder weniger und aus wenigstens einem Eisengruppenmetall zusammengesetzt ist. Der Preßling dieser Ausführungsform, der Diamantkörner mit einer Teilchengröße von 10 µm oder mehr enthält, besitzt eine exzellente Verschleißfestigkeit. Wo eine gute Verschleißfestigkeit besonders erforderlich ist, ist es wünschenswert, den Anteil von Diamantkörnern mit einer Teilchengröße von 10 µm oder mehr zu vergrößern, wenn jedoch deren Anteil 85 Vol.-% des Preßlings übersteigt, wird die Kante bruchanfällig. Wo eine Zähigkeit benötigt wird, ist es erwünscht, den Anteil an Diamantkörnern mit einer Teilchengröße von 10 µm oder mehr zu verringern, wenn jedoch der Anteil geringer als 20 Vol.-% ist, wird die Verschleißfestigkeit problematisch. Wenn die Teilchengröße der groben Diamantenkörner geringer als 10 µm ist, wird die Verschleißfestigkeit verringert, und demzufolge ist eine Teilchengröße von 10 µm oder mehr vorzuziehen. Die Teilchengröße der feinen Diamantkörner beträgt im allgemeinen 1 µm oder weniger, vorzugsweise 0,5 oder weniger. Falls die Teilchengröße der feinen Diamantkörner 1 µm übersteigt, wird die Zähigkeit herabgesetzt. Der Anteil an feinen Diamantkörnern in einem Binder beträgt vorzugsweise 20 bis 95 Vol.-%. Wenn der Anteil an feinen Diamantkörnern geringer als 20 Vol.-% ist, wird die Verschleißfestigkeit der Binderphase herabgesetzt, und die Binderphase früh verschlissen, wodurch die groben Diamantkörner herausfallen können. Wenn andererseits der Anteil an feinen Diamantkörnern 95 Vol.-% übersteigt, wird der Binder spröder oder Diamantkörner von 1 µm oder weniger wachsen, wobei wegen der Abnahme des Anteils an Carbid, Nitrid, Carbonitrid oder Borid der Gruppenelemente 4a, 5a oder 6a des Periodischen Systems die Zähigkeit herabgesetzt wird.

Um die Ursache zu untersuchen, daß sich bei Verwendung kommerziell vertriebener Diamantpreßlinge als Bohrspitze keine zufriedenstellenden Funktionen ergeben, wird Andesit unter Verwendung von drei Diamantpreßlingen mit einer Teilchengröße von höchstens 1 µm, 30 bis 60 µm und 80 bis 100 µm bearbeitet. Als ein Ergebnis dieses Versuchs ist ermittelt worden, daß der Diamantpreßling mit höchstens 1 µm zwar keinen Kantenbruch besitzt, jedoch eine große Menge Verschleiß zeigt, während es bei beiden Diamantpreßlingen von 30 bis 60 µm und 80 bis 100 µm in der Anfangsphase zu einem Kantenbruch kommt. Als Ursache für diese Erscheinung kann folgendes angenommen werden. Die Festigkeit eines Diamantpreßlings wird mit der Zunahme der Teilchengröße, wie in Fig. 4 dargestellt, herabgesetzt. Ein Preßling aus feinen Diamantkörnern besitzt eine ebenso hervorragende Bruchscherfestigkeit wie Zähigkeit, so daß die Kante nicht ausbricht; da jedoch einzelne Körner durch kleine Gitter gehalten werden und deren Bindungskräfte schwach sind, neigen die einzelne Körner während des Schneidens bzw. Bearbeitens dazu, herausfallen, was zu einer geringeren Verschleißfestigkeit führt. Andererseits besitzen bei einem Preßling mit groben Körnern, die von großen Gittern gehalten werden, die einzelnen Diamantkörner eine hohe Bindekraft für eine hervorragende Verschleißfestigkeit, jedoch neigen einmal gebildete Risse dazu, sich aufgrund der großen Gitteranteile auszubreiten, was zum Bruch der Kante führt. Diamantpreßlinge, die für die oben beschriebene Anwendung benutzt werden können, sollten eine hervorragende Verschleißfestigkeit und eine hohe Zähigkeit besitzen.

Die Erfinder haben Anstrengungen unternommen, um einen Diamantpreßling mit hervorragender Verschleißfestigkeit und Zähigkeit zu entwickeln und haben infolgedessen ermittelt, daß ein Preßling, der die hervorragende Verschleißfestigkeit eines Preßlings mit einem groben Diamantkorn mit der hohen Zähigkeit eines Preßlings mit einem feinen Diamantkorn vereinigt, Diamantkörner mit einer Teilchengröße von 10 bis 100 µm und einen Binder aufweist, der aus ultrafeinen Diamantkörnern mit einer Teilchengröße von höchstens 1 µm, aus WC-Pulver oder (Mo,W)C, das dieselbe Kristallstruktur wie WC besitzt, mit einer Teilchengröße von höchstens 1 µm, aus einem Eisengruppenmetall und wahlweise aus einer sehr kleinen Menge Bor oder borhaltigen Mischungen zusammengesetzt ist.

Um die optimale Mischung der oben beschrieben Werkstoffe zu finden, haben die Erfinder versuchsweise Diamantpreßlinge hergestellt, bei denen die Teilchengröße und der Anteil an groben Diamantkörnern und der Anteil an Diamantkörnern mit Teilchengröße von höchstens 1 µm, die in dem Binder enthalten ist, variiert, und dann diese Muster einem Schneid- bzw. Bearbeitungstest an Andesit unterzogen. Die Ergebnisse sind in den Fig. 6 und 7 dargestellt, bei denen die Ziffer 1 die normale Verschleißzone und 2 die Kantenbruchzone kennzeichnet. Wenn die Teilchengröße von groben Diamantkörnern weniger als 10 µm beträgt, wird die Verschleißfestigkeit herabgesetzt, und wenn sie größer als 100 µm ist, werden Risse in den Diamantkörnern während des Sinterns gebildet, die zu einem Ausbrechen der Kante und zur Zunahme der Verschleißmenge führt. Der Anteil an groben Diamantkörnern beträgt vorzugsweise 50 bis 85 Vol.-%, da dann, wenn der Anteil von groben Diamantkörnern geringer als 50 Vol.-% ist, der an Binder, der feine Diamantkörner enthält, anwächst und die Verschleißfestigkeit dadurch herabgesetzt wird, während, wenn er mehr als 85 Vol.-% beträgt, die groben Diamantkörner miteinander gebunden werden und so die Zähigkeit herabgesetzt wird. Die Teilchengröße der feinen Diamantkörner in dem Binder beträgt vorzugsweise höchstens 1 µm, insbesondere 0,5 µm. Wenn die Teilchengröße der feinen Diamantkörner 1 µm übersteigt, wird die Zähigkeit herabgesetzt. Der Anteil an feinen Diamantkörnern in dem Binder beträgt vorzugsweise 60 bis 90 Vol.-%, da dann, wenn der Anteil an feinen Diamantkörnern geringer als 60 Vol.-% ist, die Verschleißfestigkeit der Binderphase herabgesetzt und die Binderphase frühzeitig verschlissen wird, wobei grobe Diamantkörner herausfallen können, während dann, wenn er größer als 90 Vol.-% ist, der Binder spröde wird oder die Diamantkörner von 1 µm oder weniger wachsen, wobei die Zähigkeit wegen der Abnahme des Anteils an WC oder (Mo,W)C, das dieselbe Kristallstruktur wie WC besitzt, herabgesetzt wird.

Insbesondere, wenn 0,005 bis 0,15 Gew.-% Bor oder borhaltiges Gemisch, wie beispielsweise TiB₂, ZrB₂, B₄C oder dergleichen in den Preßling nach dieser Ausführungsform der Erfindung hineingebracht wird, werden die Funktionen deutlich verbessert. Die Diamantkörner werden üblicherweise bei einem ultrahohen Druck und einer hohen Temperatur durch das Auflösungs- und Abscheidungsphänomen in Gegenwart eines Katalysators, wie beispielsweise Eisengruppenmetalle, gesintert. Der Zugabeeffekt von Bor oder Boriden ist möglich, weil ein Eisengruppenmetallborid gebildet wird, und die Auflösungs- und Abscheidungsgeschwindigkeit wird erhöht, wodurch die aneinander gebundenen Teile der Diamantkörner wachsen können (Diamantgitterteil) und die Retention von Diamantkörnern wächst. Wenn der Anteil an Bor oder Boriden geringer als 0,005% ist, ist die Bildung von Diamantgitterteilen gering, während dann, während sie mehr als 0,15% ist, eine große Menge Bor in die Diamantgitterteile eintritt, wodurch deren Festigkeit herabgesetzt wird.

Der Preßling nach der vorliegenden Erfindung verfügt über so eine hervorragende Zähigkeit, daß er auch für das unterbrochene Schneiden bzw. Bearbeiten von nicht-eisenhaltigen Metallen geeignet ist. Wo eine gute Oberflächenrauhigkeit erforderlich ist, ist es insbesondere wirksam, die Teilchengröße der Diamantkörner zu reduzieren, wenn jedoch die Teilchengröße kleiner als 3 µm ist, wird manchmal die Verschleißfestigkeit problematisch, die von der Verschiedenartigkeit der zu schneidenden bzw. zu bearbeitenden Werkstücke abhängt. Demzufolge weisen vorzugsweise bei einer derartigen Anwendung die Diamantkörner als Binderbestandteil eine Teilchengröße von höchstens 1 µm, und Diamantkörner als verschleißfester Bestandteil eine Teilchengröße von wenigstens 3 µm auf.

Als Rohstoffe für den Preßling nach der vorliegenden Erfindung werden Diamantkörner, die eine Teilchengröße von 3 µm oder mehr und Diamantkörner, die eine Teilchengröße von 1 µm oder weniger, vorzugsweise 0,5 µm oder weniger besitzen, verwendet. Jeder synthetische oder natürliche Diamant kann benutzt werden.

Diese Diamantpulver werden gleichförmig mit wenigstens einem der oben beschriebenen Pulverkomponenten und mit wenigstens einem der Eisengruppenmetallpulver durch Kugelmahlen vermischt. Das Eisengruppenmetall kann während des Sinterns aufgelöst werden, anstatt in dieser Phase eingemischt zu werden. Weiterhin können Diamantpulver mit der Pulvermischung und dem Eisengruppenmetallpulver durch Kugelmahlen vermischt werden, indem ein Tiegel und Kugeln benutzt werden, die aus einem gesinterten Körper aus der Pulvermischung und dem Eisengruppenmetallpulver hergestellt sind, wie bereits in unserer älteren Patentanmeldung (japanische Patentanmeldung Nr. 51-381/1977) vorgeschlagen worden ist. Die gemischten Pulver werden in einer Ultrahochdruckvorrichtung eingebracht und unter Bedingungen gesintert, bei denen der Diamant beständig ist. Zu dieser Zeit ist es erforderlich das Sintern bei einer Temperatur vorzunehmen, bei der die eutektische flüssige Phase zwischen der verwendeten Verbindung, beispielsweise Carbide und das Eisengruppenmetall, auftritt, oder bei einer höheren Temperatur. Falls beispielsweise TiC als Verbindung und Co als das Eisengruppenmetall verwendet wird, erscheint die flüssige Phase bei einer Temperatur von etwa 1260°C bei normalem Druck. Bei höheren Drücken wird der Anstieg dieser eutektischen Temperatur um einige 10° beobachtet, und in diesem Fall wird das Sintern bei einer Temperatur von wenigstens 1300°C ausgeführt.

Das Verhältnis der Mischung beispielsweise aus Carbiden und dem Eisengruppenmetall, die als Binder der Diamanten in dem Preßling verwendet wird, kann nicht einfach definiert werden, es ist jedoch erforderlich, sie in einem derartigen Bereich zu halten, daß die Mischung in fester Form, wenigstens während des Sinterns, vorliegt. Wenn beispielsweise WC als Mischung bzw. Verbindung und Co als Bindermetall verwendet wird, sollten WC und Co in einem quantitativen Verhältnis von wenigstens 50 Gew.-% mit dem ersteren und im übrigen mit dem letzteren sein.

Wenn ein hochfester Drahtstrang durch den Diamantpreßling der vorliegenden Erfindung gezogen wird, wird ein hoher Druck auf der inneren Oberfläche des Diamantpreßling-Ziehsteins erzeugt, und insbesondere wo der Diamantpreßling einen kleinen Außendurchmesser und eine geringe Dicke aufweist, neigt er manchmal dazu, während des Drahtziehens in Längsrichtung zu brechen. Das Brechen in Längsrichtung während des Drahtziehens kann verhindert werden, indem der äußere Umfang des Diamantpreßlings mit einem Träger, z. B. aus gehärteten Carbiden umgeben und diese von dem äußeren Umfang mit Druck beaufschlagt werden.

Die Anwendung des Preßlings nach der vorliegenden Erfindung schließt die in Schneidwerkzeugen, Bohrspitzen und Spannhämmern zusätzlich zu der bei Ziehsteinen ein. In diesen Fällen kann der Diamantpreßling an einen Halter aus gehärtetem Carbid während des Sinterns unter Ultrahochdruck derart befestigt werden, daß die Zähigkeit des Diamantpreßlings weiter erhöht wird.

Wenn der Bohrversuch jedoch unter Verwendung eines Bohrkerns ausgeführt wird, der durch unmittelbares Anheften des Diamantpreßlings nach der vorliegenden Erfindung an ein WC-Co- Substrat hergestellt wird, und das sich ergebende Muster beispielsweise an einem Hauptbohrkörper hart verlötet wird, entsteht unter schwereren Bohrbedingungen das Problem, daß der Diamantpreßling von dem WC-Co-Substrat abgestreift wird, obwohl der Preßling nicht zerbricht. Insbesondere, wenn die Hartlöttemperatur hoch ist, nimmt die Abscherfrequenz zu. Betrachtet man zur Untersuchung der Ursache die Struktur in der Nähe des befestigten Teils, so gibt es dort eine Co-angereicherte Schicht an der Grenze zwischen dem Diamantpreßling und dem gehärteten Carbid. Außerdem findet man in dem gehärteten Carbid nahe der Grenze freien Kohlenstoff. Die Hartlöttemperatur beträgt im allgemeinen zwischen 750 und 800°C, und man nimmt an, daß der Diamant durch Co, das im großen Ausmaß an der Grenze vorliegt, graphitisiert wird, wodurch die Festigkeit herabgesetzt wird und woraus das Abscheren resultiert. Weiterhin verhindert die Existenz von freien Kohlenstoff in den gehärteten Carbidlegierungen deren Festigkeit, was somit zum Abscheren führt.

Die Erfinder haben Untersuchungen vorgenommen, um eine hohe Bindungsfestigkeit zu erhalten und infolgedessen ermittelt, daß es wirkungsvoll ist, eine Zwischenschicht zu verwenden, die zu 70 Vol.-% oder weniger aus hochverfestigtem Bornitrid und im übrigen aus wenigstens einem Carbid, Nitrid oder Carbonitrid der Gruppe 4a und 5a des Periodischen Systems der Elemente enthält.

Danach besteht eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aus einem zusammengesetzten Diamantpreßling für Werkzeuge, bei dem ein harter Preßling, der 50 bis 85 Vol.-% grobe Diamantenkörner mit einer Teilchengröße von 10 bis 100 µm und im übrigen einen Binder besitzt, der zu 60 bis 90 Vol.-% aus ultrafeinen Diamantkörnern mit einer Korngröße von 1 µm oder weniger, aus WC-Pulver oder (Mo,W)C-Pulver, das dieselbe Kristallstruktur wie WC aufweist, wobei das WC (Mo,W)C-Pulver eine Korngröße von 1 µm oder weniger aufweist, zusammengesetzt ist, und bei dem ein Eisengruppenmetall an eine Cermetmatrix gebunden ist, die aus einer WC-Co-Legierung oder Carbidkristallen des (Mo,W)C-Typs besteht, die Mo als überwiegenden Bestandteil enthalten, der durch ein Eisengruppenmetall über eine Zwischenschicht mit einer Dicke von 2 mm oder weniger gebunden ist, die 70 Vol.-% oder weniger an hochverfestigten Bornitriden und im übrigen wenigstens ein Carbid, Nitrid, Carbonitrid der Gruppe 4a und 5a des Periodischen Systems der Elemente, oder deren festen Lösungen und aus deren Mischkristallen enthält, wahlweise mit 0,1 Gew.-% oder mehr wenigstens eines aus der aus Aluminium, Silicium und deren Mischungen bestehenden Gruppe ausgewählten Bestandteils.

Nach Untersuchungen sind der Diamantpreßling und das gehärtete Carbidlegierungssubstrat fest durch die Zwischenbindungsschicht unter Ultrahochdruck- und Hochtemperaturbedingungen miteinander verbunden, die für die Herstellung des Diamantpreßlings geeignet sind. Bei dem oben beschriebenen zusammengesetzten Preßling, der die Zwischenschicht mit hochverfestigten Bornitriden und Carbiden oder Nitriden besitzt, gibt es nicht viel Lösungsmetall des Diamanten, wie beispielsweise Co, das aus dem gehärteten Carbidsubstrat an der Grenze der Diamantpreßlingschicht und der Zwischenhaftschicht fließt, und es gibt einen großen Bereich, in dem die Diamantkörner und die Zwischenhaftschicht unmittelbar in Berührung sind. Dementsprechend tritt eine Herabsetzung der Festigkeit aufgrund des Wiedererhitzens nicht auf. Da weiterhin freier Kohlenstoff in der gehärteten Carbidlegierung nahe der Grenze kaum vorliegt, ist die Bindungsfestigkeit hoch.

Nach dieser Ausführungsform kann die Diamantpreßlingschicht fest an der gehärteten Carbidlegierungsstruktur, wie oben beschrieben, haften, und diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist für die Praxis sehr nützlich. Als Ursache für eine derartige starke Haftung kann folgendes angenommen werden.

Zunächst bilden bezüglich der Haftung der Zwischenschicht und des gehärteten Carbidlegierungssubstrats, Carbide oder Nitride der Elemente der Gruppe 4a oder 5a der Tabelle des periodischen Systems, die in der Zwischenschicht enthalten sind, feste Lösungen mit WC als überwiegendem Bestandteil des gehärteten Carbidlegierungssubstrats und außerdem reagiert das hochverfestigte Bornitrid in der Zwischenschicht mit WC-Co als gehärtete Carbidlegierung zur Bildung von Boriden, was zu starken Bindungen führt.

Zweitens haben hinsichtlich der Haftung der Zwischenschicht und des Diamantpreßlings Diamantpulver und Eisengruppenmetalle, Carbide oder Nitride, die als Binder des Diamanten verwendet werden, eine hohe Affinität zu Carbiden oder Nitriden der Elemente der Gruppen 4a oder 5a des Periodischen Systems in der Zwischenschicht, und dort existiert eine gemischte und gesinterte Schicht der Zwischenschicht und der Diamantpreßlingschicht, da die Zwischenschicht und die Diamantpreßlingschicht in Pulverform zusammengebracht und dann gesintert werden, was zu starken Bindungen führt.

Die Sintereigenschaft der Zwischenschicht selbst und die Affinität von deren Carbiden oder Nitriden mit Diamantkörnern kann weiter durch Zugabe von 0,1 Gew.-% oder mehr von Aluminium und/oder Silicium zu den Carbiden oder Nitriden verbessert werden. Insbesondere ist die Verwendung von TiN als Nitrid der Elemente der Gruppe 4a des Periodischen Systems mit 0,1 Gew.-% oder mehr Aluminium noch wirkungsvoller.

Die Zwischenhaftschicht nach der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die hochverfestigte Bornitride enthält, weist eine hohe Wärmeleitfähigkeit, hervorragende hohe Temperaturfestigkeit und eine ähnliche thermische Ausdehnung wie der Diamantpreßling auf. Wenn der Anteil an hochverfestigte Bornitrid mehr als 70 Vol.-% beträgt, die Menge der Carbide oder Nitride der Elemente der Gruppe 4a oder 5a des Periodischen Systems geringer als 30 Vol.-% ist, die Menge der festen Lösungen, die aus dem Carbid oder Nitrid und WC als überwiegendem Bestandteil des gehärteten Carbidlegierungssubstrats gebildet sind, herabgesetzt werden und die Boride, die durch die Reaktion des hochverfestigten Bornitrids in der Zwischenhaftschicht mit WC-Co spröde sind, führt dies zu einer Herabsetzungstendenz für die Bindungsfestigkeit der Zwischenhaftschicht und des gehärteten Carbidsubstrats. Deshalb beträgt der Anteil an hochfesten Bornitriden in der Zwischenschicht vorzugweise höchstens 70 Vol.-%.

Als Substrat, das durch die Zwischenhaftschicht angebunden wird, sind gehärtete Carbide aus WC-Co oder Cermets aus Carbidkristallen des (Mo,W)C-Typs vorgesehen, die Mo als Hauptkomponente enthalten, welche an Eisengruppenmetalle gebunden sind. Da WC-Co oder (Mo,W)C-Eisengruppenmetallsubstrate eine hohe Steifigkeit, hervorragende Wärmeleitfähigkeit und wegen des Aufweisens eines metallischen Binders eine gute Zähigkeit aufweisen, sind diese Substrate besonders als die eines Diamantpreßlings für Bohrspitzen nützlich.

Die in der Zwischenhaftschicht der vorliegenden Erfindung verwendeten Carbide und Nitride enthalten beispielsweise Carbide wie TiC, HfN, NbC und TaC, Nitride wie TiN, ZrN, HfN, NbN und TaN, deren Mischungen und Carbonitride wie Ti(C,N) und Zr(C,N). Insbesondere, wenn TiN verwendet wird, zeigt die Zwischenschicht die besten Wirkungen.

Die oben beschriebenen Diamantkörner der vorliegenden Erfindung können auch in dem Diamantpreßling dieser Ausführungsform verwendet werden, es werden jedoch vorzugsweise Diamantkörner von 10 µm oder mehr und feine Diamantkörner von 1 µm oder weniger, vorzugsweise 0,5 µm, benutzt. Jeder synthetische oder natürliche Diamant kann verwendet werden.

Diese Diamantpulver werden gleichförmig mit WC- oder (Mo,W)C- Pulver und einem Eisengruppenmetallpulver, wie beispielsweise Fe-, Co- oder Ni-Pulver durch Kugelmahlen gemischt, wobei hierzu Bor- oder Boridpulver wahlweise zugegeben wird. Das Eisengruppenmetall kann während des Sinterns aufgelöst oder getränkt werden, anstatt in diesem Stadium eingemischt zu werden. Die Diamantpulver können weiterhin mit WC- oder (Mo,W)C-Feinpulver und Eisengruppenmetallpulver durch Kugelmahlen gemischt werden, indem ein Tiegel und aus gesinterten Werkstoffen von WC oder (Mo,W)C und aus einem Eisengruppenmetall hergestellte Bälle verwendet werden, wie bereits in unserer älteren Patentanmeldung (japanische Patentanmeldung Nr. 51-381/1977) vorgeschlagen ist. Das Tränken mit einem Eisengruppenmetall kann ausgeführt werden, indem gemischte Pulver aus Diamantpulver und WC- oder (Mo,W)C-Pulver aufgegeben werden und auf diese eine Schicht aus einem oder mehreren Eisengruppenmetallen angeordnet wird, wonach eine Ultrahochdruck- und Hochtemperaturbehandlung erfolgt.

Für die Herstellung des Preßlings nach dieser Ausbildungsform wird eine Pulverschicht aus Bornitridpulver in hochverfestigter Phase und Carbid- oder Nitridpulver in Form von Pulver oder in zusammengepreßter Form zwischen einem gehärteten Carbidlegierungssubstrat und gemischten Pulvern zur Bildung einer diamanthaltigen harten Schicht vorgesehen oder wird auf ein gehärtetes Carbidsubstrat in Form eines dünnflüssigen Schlamms in einem geeigneten Lösungsmittel aufgegeben, und die resultierende Zusammensetzung wird dann einem Heißpressen unter ultrahohem Druck und hoher Temperatur ausgesetzt, um dadurch die diamanthaltige harte Schicht zu sintern, die Zwischenhaftschicht, die die Carbide oder Nitride enthält, zu sintern und die beiden Schichten und die Zwischenschicht an dem Substrat zur selben Zeit zu binden.

Die Carbide oder Nitride der Elemente der Gruppe 4a oder 5a des Periodischen Systems, die nach der vorliegenden Erfindung in der Zwischenhaftschicht verwendet werden, sind Verbindungen mit einer hohen Festigkeit, werden jedoch bei ultrahohem Druck, z. B. 20 bis 90 Kbar zum Sintern einer diamanthaltigen Schicht unter einem Druck zusammengedrückt, der nahe ihrer idealen Scherfestigkeit liegt. Auf diese Weise werden diese Verbindungskörner deformiert, gebrochen und dicht in einen gepreßten Zustand gepackt, die in der Lage sind, einen dichten Preßling durch nachfolgendes Erhitzen zu ergeben.

Die Diamantpulverschicht kann außerdem mit einer Schmelze aus katalytischem Metall zur Bildung von Diamant- oder einem anderen Bindermetall unter einem ultrahohen Druck und einer hohen Temperatur getränkt werden. Bei dem oben beschriebenen auf dem Markt befindlichen Diamantpreßling, der direkt an einem gehärteten Carbidsubstrat befestigt ist, treten Co und Bindermetall, das in dem gehärteten Carbidsubstrat enthalten ist, in die Diamantpulverschicht als Bindermetall des Diamantpreßlings ein. Demgegenüber kann bei der vorliegenden Erfindung das Bindermetall unabhängig von dem Bindermetall des gehärteten Carbidsubstrats ausgewählt werden.

Die folgenden Beispiele sollen die vorliegende Erfindung detaillierter erläutern, ohne diese zu begrenzen.

Beispiel 1

Synthetische Diamantpulver mit einer Korngröße von 0,5 µm, WC-Pulver und Co-Pulver wurden fein gemahlen und unter Verwendung eines Tiegels und von Kugeln vermischt, die aus einer WC-Co-gehärteten Carbidlegierung hergestellt sind, um Pulvermischungen mit einer Zusammensetzung zu erhalten, die 80 Vol.-% feine Diamantkörner mit einer hauptsächlichen Teilchengröße von 0,3 µm, 12 Vol.-% WC-Pulver und 8 Vol.-% Co-Pulver enthält, die anschließend mit groben Diamantpulver mit einer Korngröße von 3 bis 6 µm in einem Vol.-Verhältnis von 4 : 6 gemischt wurden. Die vollständigen Pulver wurden dann in ein Ta-Gefäß mit einem Innendurchmesser von 10 mm und einem Außendurchmesser von 14 mm gegeben, und auf diese eine Scheibe aus einer gehärteten Carbidlegierung mit einer Mischung von WC-10% Co. Das Gefäß wurde dann in eine Ultrahochdruckvorrichtung eingebracht, bei der zunächst ein Druck von 55 Kbar ausgeübt wurde, und dann für 20 min auf 1450°C erhitzt. Als das Ta-Gefäß herausgenommen und die Struktur des gesinterten Körpers betrachtet wurde, waren Diamantkörner von 3 bis 6 µm gleichmäßig verteilt, wobei sich um jedes der ultrafeine Diamantkörner enthaltende Binderwerkstoff befand. Die Feinschleifbarkeit des so erhaltenen Diamantpreßlings und das eines kommerziell vertriebenen Diamantpreßlings aus gesinterten Diamantkörnern mit Co wurde untersucht. Wenn die Feinschleifbarkeit des letzteren durch eine Diamantscheibe mit 100 angesetzt wurde; betrug die Feinschleifbarkeit des ersteren 150.

Unter Verwendung dieser Preßlinge wurden Einsätze zum Schneiden hergestellt und einem Kupferlegierungschneidtest unter folgenden Bedingungen unterzogen:
Werkstück: runder Kupferlegierungsstrang mit einem Durchmesser von 100 mm,
Schneidgeschwindigkeit: 300 m/min,
Schnittiefe: 0,1 mm,
Vorschub: 0,02 mm/Umdrehung.

Zum Vergleich wurde ein natürliches Diamantwerkzeug einem ähnlichen Test unterzogen. Die Schnittoberfläche durch den Preßling nach der vorliegenden Erfindung war der des Naturdiamantwerkzeugs ähnlich und konnte wie eine Spiegelfläche endbearbeitet werden. Demgegenüber erzielten die kommerziell vertriebenen Preßlinge eine Oberfläche, die weit von der einer Spiegelfläche entfernt war.

Beispiel 2

Binderpulver, wie in Tabelle 1 dargestellt, wurden unter Verwendung von ultrafeinen Diamantkörnern, die eine Teilchengröße von 0,3 µm besitzen, hergestellt.

Tabelle 1

Diese Binderpulver und Diamantkörner mit einer Teilchengröße von wenigstens 3 µm wurden zur Herstellung fertiger Pulvermischungen in Verhältnissen gemischt, wie in Tabelle 2 dargestellt.

Tabelle 2

Diese fertigen Pulver wurden gesintert und einer Prüfung der Feinschleifbarkeit durch eine Diamantscheibe unterzogen, um die in Tabelle 2 dargestellten Ergebnisse zu erhalten. Die Ergebnisse werden durch die Anzahl angegeben, die mit einer festgelegten Schnittiefe für eine bestimmte Zeitdauer verarbeitet werden kann, wenn die Anzahl bei dem marktüblichen Diamantpreßling mit einer Diamantteilchengröße von 3 bis 6 µm, der unter denselben Bedingungen bearbeitet wird, als "100" angenommen wird.

Unter Verwendung dieser Preßlinge wurden Einsätze zum Schneiden hergestellt, und unter den folgenden Bedingungen einem Schneidtest bei einer gehärteten Carbidlegierung unterzogen:
Werkstück: WC-15% Co mit einem Durchmesser von 60 mm,
Schneidgeschwindigkeit: 10 m/min,
Schnittiefe: 0,2 mm,
Vorschub: 0,2 mm/Umdrehung,
Schnittzeit: 10 min.

Die Ergebnisse der Flankenverschleißbreite sind in Tabelle 2 dargestellt.

Beispiel 3

Das bei dem Beispiel 1 hergestellte Binderpulver und Diamantpulver mit einer Teilchengröße von 3 µm wurden in einem Volumenverhältnis von 60 : 40 gemischt, in ein Ta-Gefäß eingebracht und dann bei 53 Kbar und 1400°C 10 min lang gesintert. Unter Verwendung des erhaltenen Preßlings wurde ein Schneidwerkzeug hergestellt, und dann unter den folgenden Bedingungen einem Schneidtest unterzogen:
Werkstück: Al-25% Si,
Schneidgeschwindigkeit: 300 m/min,
Schnittiefe: 0,5 mm,
Vorschub: 0,2 mm/Umdrehung,
Schneidzeit: 60 min.

Zum Vergleich wurde der gleiche Test mit einem kommerziell vertriebenen Diamantpreßling mit Teilchengrößen von 3 bis 8 µm, mit Co gebunden, durchgeführt. Auf diese Weise wurde ermittelt, daß der Preßling nach der vorliegenden Erfindung eine sehr glatte Schnittoberfläche mit einer Flankenverschleißbreite von 0,03 mm ergab, während der Vergleichspreßling eine rauhe Schnittoberfläche mit einer Flankenverschleißbreite von 0,05 mm ergab.

Beispiel 4

Synthetisches Diamantpulver mit einer Teilchengröße von 0,5 µm, WC-Pulver und Co-Pulver wurden unter Verwendung eines Tiegels und aus WC-Co-gehärteter Carbidlegierung hergestellten Kugel kugelgemahlen, um Pulvermischungen mit einer Zusammensetzung zu erhalten, die zu 80 Vol.-% aus feinen Diamantkörnern mit einer hauptsächlichen Teilchengröße von 0,3 µm, zu 12 Vol.-% aus WC-Pulver und zu 8 Vol.-% aus Co-Pulver besteht, die anschließend mit grobem Diamantpulver mit einer Teilchengröße von 40 µm in einem Volumenverhältnis von 4 : 6 vermischt wurden. Die fertigen Pulver wurden in einem Gefäß mit WC- 10% Co eingebracht. Dann wurde das Gefäß in eine Ultrahochdruckvorrichtung eingesetzt, zunächst auf diese ein Druck von 55 Kbar ausgeübt und sie dann 20 min lang auf 1450°C erhitzt.

Wenn der gesinterte Körper entnommen und die Struktur betrachtet wurde, waren die Diamantkörner mit einer Teilchengröße von 40 µm nicht aneinander gebunden und bildeten keine Gitterteile, jedes war von Diamantkörnern von 0,5 µm und WC-Co als Binder, wie in Fig. 5 (A) gezeigt, umgeben. Zum Vergleich ist ein Mikrobild der Struktur eines kommerziell vertriebenen Diamantpreßlings in Fig. 5 (B) dargestellt, der aus Diamantkörnern mit einer Teilchengröße von 30 bis 60 µm besteht, die mit Co gebunden sind. Die beiden Diamantpreßlinge wurden jeweils zu einem Ziehstein endbearbeitet, der einen Lochdurchmesser von 0,175 mm besitzt. Unter Verwendung dieser Ziehsteine wurde ein messingplatierter Stahldraht bei einer linearen Geschwindigkeit von 800 m/min in ein Schmiermittel gezogen. Der aus den kommerziell vertriebenen Diamantpreßlingen geformte Ziehstein ergab Längskratzer auf der Oberfläche des Drahtes, wenn 500 kg gezogen waren, während der Preßling nach der vorliegenden Erfindung den Draht selbst nach dem Ziehen von 3000 kg kaum verkratzte.

Beispiel 5

Es wurden Binderpulver, wie in Tabelle 3 dargestellt, unter Verwendung von feinem Diamantpulver mit einer Teilchengröße von 0,3 µm hergestellt.

Tabelle 3

Diese Binderpulver und Diamantkörner mit einer Teilchengröße von wenigstens 10 µm wurden in den in Tabelle 4 dargestellten Verhältnissen gemischt, um fertige Pulver herzustellen.

Tabelle 4

Diese fertigen Pulver wurden gesintert und zu einem Ziehstein mit einem Lochdurchmesser von 0,250 mm in entsprechender Weise wie bei Beispiel 4 endbearbeitet. Unter Verwendung dieser Ziehsteine wurde ein messingplatierter Stahldraht in ein Schmieröl mit einer linearen Geschwindigkeit von 800 m/min gezogen, wobei die in Fig. 4 dargestellten Ergebnisse erhalten wurden. Zum Vergleich wurden bei zwei Ziehstangen, die aus einem kommerziell vertriebenen Diamantpreßling hergestellt sind, der aus Diamantkörnern mit einer Teilchengröße von 30 bis 60 µm, mit Co gebunden, und aus einem gehärteten Carbid besteht, und die dem gleichen Test unterworfen wurden, nur 1300 kg bzw. 300 kg gezogen.

Beispiel 6

Es wurden Binderpulver, wie in Tabelle 5 gezeigt, hergestellt.

Tabelle 5

Diese Binderpulver und Diamantkörner mit einer Teilchengröße von 10 µm oder mehr wurden in Verhältnissen, wie in Tabelle 6 dargestellt, zur Herstellung fertiger Pulver gemischt, in entsprechender Weise wie bei Beispiel 4 gesintert und zu Ziehsteinen verarbeitet, die jeweils einen Lochdurchmesser von 1,185 mm und 1,2 mm besitzen. Unter Verwendung dieser Ziehsteine wurden jeweils ein kupferplatierter Stahldraht und Edelstahldraht durch den Ziehstein, der einen Lochdurchmesser von 1,185 mm und den Ziehstein, der einen Lochdurchmesser von 1,2 mm aufweist, in ein Schmieröl und bei einer linearen Geschwindigkeit von 400 m/min gezogen. Zum Vergleich wurde ein ähnlicher Test mit einem kommerziell vertriebenen Preßling ausgeführt, der Diamantkörner mit einer Teilchengröße von 30 bis 60 µm, mit Co gebunden, enthält. Die Ergebnisse sind zusammen in Tabelle 6 dargestellt.

Tabelle 6

Beispiel 7

Das in Beispiel 4 hergestellte Binderpulver und Diamantpulver mit einer Teilchengröße von 100 µm wurden in einem Vol.-Verhältnis von 35 : 65 gemischt. Die sich daraus ergebenden fertigen Pulver wurden in einen Tiegel aus Ta eingegeben und 20 min lang einem Sintern bei 55 Kbar und 1450°C unter Verwendung einer Ultrahochdruckvorrichtung unterzogen. Aus diesem gesinterten Körper wurde eine Schneide hergestellt, und einem Granitschneidtest bei einer Schneidgeschwindigkeit von 30 m/min, einer Schnittiefe von 1 mm und einem Vorschub von 0,5 mm/Umdrehung unter Verwendung von Wasser als Schneidflüssigkeit unterzogen. Zum Vergleich wurde ein ähnlicher Schneidtest mit einem kommerziell vertriebenen Diamantpreßling für eine Bohrspitze ausgeführt, der aus Diamantkörnern mit einer Teilchengröße von etwa 100 µm, mit Co gebunden, enthält. Auf diese Weise wurde ermittelt, daß die Kante des Preßlings selbst nach 60-minütigem Schneiden kaum brach, während die Kante des kommerziell vertriebenen Preßlings bereits nach 10-minütigem Schneiden brach.

Beispiel 8

Das in Beispiel 4 hergestellte Binderpulver und Diamantpulver mit einer Teilchengröße von 3 µm wurden in einem Volumenverhältnis von 60 : 40 gemischt, in ein Ta-Gefäß eingegeben und dann bei 53 Kbar und 1400°C gesintert. Unter Verwendung des sich daraus ergebenden Preßlings wurde ein Schneidwerkzeug hergestellt und dann einem Schneidtest unter den folgenden Bedingungen unterzogen:
Werkstück: Al-25% Si,
Schneidgeschwindigkeit: 300 m/min,
Schnittiefe: 0,5 mm,
Vorschub: 0,2 mm/Umdrehung,
Schnittzeit: 60 min.

Zum Vergleich wurde ein ähnlicher Test mit einem kommerziell vertriebenen Diamantpreßling ausgeführt, der aus Diamantkörnern mit einer Teilchengröße von 3 bis 8 µm, mit Co gebunden, enthält. Auf diese Weise wurde ermittelt, daß der Preßling nach der vorliegenden Erfindung eine sehr glatte Schnittoberfläche mit einer Flankenverschleißbreite von 0,03 mm erzielte, während der kommerziell vertriebene Preßling eine rauhe Schnittoberfläche mit einer Flankenverschleißbreite von 0,05 mm ergab.

Beispiel 9

Unter Verwendung der Binderpulver B, C, D, E und F, die beim Beispiel 5 hergestellt worden sind, wurden fertige Pulver, wie in Tabelle 7 gezeigt, hergestellt.

Tabelle 7

Nach dem Einsetzen einer Scheibe aus WC-10% Co in ein Gefäß aus Mo, werden diese fertigen Pulver in dieses gegeben und unter ultrahohem Druck in entsprechender Weise wie bei Beispiel 4 gesintert. Jeder der Diamantpreßlinge wurde an der WC-Co-gehärteten Carbidlegierung angeheftet. Um die Verwendbarkeit dieser Diamantpreßlinge für eine Bohrspitze zu untersuchen, wurden Schneidwerkzeuge aus diesen hergestellt und 30 min einem Naßverfahren-Schneidtest unter den folgenden Bedingungen unterzogen:
Werkstück: Andesit mit einer Druckfestigkeit von 1372,93 · 10⁵ N/m² (1400 kg/cm²),
Schnittgeschwindigkeit: 25 m/min,
Schnittiefe: 0,5 mm,
Vorschub: 0,2 mm/Umdrehung.

Zum Vergleich wurde ein ähnlicher Test mit einem kommerziell vertriebenen Diamantpreßling ausgeführt, der aus Diamantkörnern mit einer Teilchengröße von 100 µm, mit Co gebunden, enthält. Die Ergebnisse sind in Tabelle 7 zusammengestellt.

Beispiel 10

Synthetisches Diamantpulver mit einer Teilchengröße von 0,5 µm, WC-Pulver und Co-Pulver wurden unter Verwendung eines Tiegels und aus WC-Co-gehärteter Carbidlegierung hergestellten Kugeln kugelgemahlen, um Pulvermischungen mit einer Zusammensetzung zu erhalten, die 80 Vol.-% feiner Diamantkörner mit einer hauptsächlichen Teilchengröße von 0,3 µm, 12 Vol.-% WC-Pulver und 8 Vol.-% Co-Pulver enthält, diese dann mit groben Diamantpulver mit einer Korngröße von 20-30 µm in einem Volumenverhältnis von 75 : 25 gemischt. Die fertigen Pulver wurden in ein Mo-Gefäß eingegeben. Dieses Gefäß wurde dann in eine Ultrahochdruckvorrichtung eingegeben, zunächst ein Druck von 55 Kbar aufgebracht und dann 30 min lang bei 1450°C erhitzt.

Als der gesinterte Körper aus der Vorrichtung entnommen und die Struktur betrachtet wurde, wurde ermittelt, daß die Diamantkörper mit einer Teilchengröße von 20 bis 30 µm über den Binder, der ultrafeine Diamantkörner enthält, gebunden waren. Ein Schneidwerkzeug wurde durch Schleifen dieses Preßlings hergestellt und 1 h lang unter den folgenden Bedingungen einem Schneidtest unter Verwendung eines Stoßmeißels unterzogen:
Werkstück: Andesit mit einer Druckfestigkeit von 1470,99 · 10⁵ N/m² (1500 kg/cm²),
Schneidgeschwindigkeit: 20 m/min,
Schnittiefe: 1 mm,
Vorschub: 0,4 mm/Umdrehung.

Zum Vergleich wurde ein anderes Schneidwerkzeug aus einem kommerziell vertriebenen Diamantpreßling für eine Bohrspitze hergestellt und gleichzeitig dem Test unterzogen. Fotografien nach dem Schneidtest sind in den Fig. 8 und 9 gezeigt. Wie in den Fig. 8(A) und (B) dargestellt ist, ergab der Preßling nach der vorliegenden Erfindung keinen Kantenbruch, zeigte jedoch ein wenig Verschleiß, während, wie in den Fig. 9(A) und (B) dargestellt, der kommerziell vertriebene Preßling einen starken Kantenbruch zeigte.

Beispiel 11

Binderpulver gemäß Tabelle 8 wurden unter Verwendung ultrafeiner Diamantkörner mit einer Teilchengröße von 0,3 µm hergestellt.

Tabelle 8

Diese Binderpulver und Diamantkörner mit einer Teilchengröße von mindestens 5 µm wurden in Verhältnissen, wie in Tabelle 9 dargestellt, gemischt, um fertige Pulver herzustellen.

Tabelle 9

Die vollständigen Pulver wurden in einer ähnlichen Weise wie in Beispiel 10 gesintert. Schneidwerkzeuge wurden aus den sich daraus ergebenden Preßlingen hergestellt und dann unter den folgenden Bedingungen 20 min lang einem Granitschneidtest unter Verwendung eines Stoßmeißels unterzogen:
Schneidgeschwindigkeit: 30 m/min,
Schnittiefe: 1 mm,
Vorschub: 0,3 mm/Umdrehung.

Die Ergebnisse sind in Tabelle 9 zusammengestellt.

Beispiel 12

Diamantpulver mit einer hauptsächlichen Teilchengröße von 0,3 µm bzw. 0,5 µm, WC-Pulver, Co-Pulver und B-Pulver wurden unter Verwendung eines Tigels und aus WC-Co-gehärteter Carbidlegierung hergestellten Kugeln kugelgemahlen, um Pulvermischungen mit einer Zusammensetzung zu erhalten, die 81 Vol.-% feine Diamantpartikel mit einer hauptsächlichen Teilchengröße von 0,3 µm, 10 Vol.-% WC-Pulver, 9 Vol.-% Co- Pulver und 1,0 Vol.-% B-Pulver enthält, die dann mit groben Diamantpulver mit einer Teilchengröße von 30 bis 40 µm mit einem Vol.-Verhältnis von 2 : 8 zur Herstellung fertiger Pulver gemischt werden. Der gemessene B-Anteil betrug 0,128 Gew.-%.

Die sich daraus ergebenden fertigen Pulver wurden in einer entsprechenden Weise wie bei Beispiel 10 gesintert. Unter Verwendung des Preßlings wurde ein Bohrkern, der drei Schneiden und einen äußeren Durchmesser von 50 mm besitzt, hergestellt und Andesitbohren mit einer Geschwindigkeit von 20 m/min unterzogen. Zum Vergleich wurden Bohrkerne aus demselben Preßling, wie zuvor beschrieben, jedoch ohne B, und ein kommerziell vertriebener Diamantpreßling für eine Bohrspitze hergestellt und dem Bohrtest unterworfen. Der B-haltige Preßling der vorliegenden Erfindung und der B-freie Preßling konnten 20 m bohren. Demgegenüber trat bei dem Bohrkern mit dem kommerziell vertriebenen Preßling ein Kantenbruch bei einer Bohrtiefe von 6 m ein.

Bei Verwendung von TiB₂, ZrB₂, HfB₂ oder B₄C anstelle von V, werden ähnliche Ergebnisse erzielt.

Beispiel 13

Diamantpulver mit einer hauptsächlichen Teilchengröße von 0,3 µm und WC-Pulver wurden in einem Vol.-Verhältnis von 9 : 1 gemischt. Die gemischten Pulver wurden weiterhin mit Diamantkörnern mit einer Teilchengröße von 30 bis 40 µm in einem Volumenverhältnis von 1 : 3 zur Herstellung fertiger Pulver vermischt, in ein Gefäß aus gehärteter Carbidlegierung eingegeben, auf das eine Co-Schicht aufgelegt wurde und dann einem Sintern in einer Ultrahochdruck- und Hochtemperaturvorrichtung unterzogen.

Wenn der auf diese Weise gesinterte Körper aus der Vorrichtung entnommen und die Struktur betrachtet wurde, war Co gleichförmig durchgedrungen, um die Diamantkörner zu sintern. Ein Ziehstein mit einem Innendurchmesser von 0,2 mm wurde aus dem sich daraus ergebenden Diamantpreßling hergestellt und bei einer linearen Geschwindigkeit von 800 m/min dem Ziehen eines messingplatierten Stahldrahtes unterzogen. Zum Vergleich wurde ein anderer Ziehstein aus einem kommerziell vertriebenen Diamantpreßling, der Diamantkörner von 30 bis 40 µm aufweist, hergestellt und in ähnlicher Weise getestet. Im folgenden zeigte der Ziehstein mit dem Preßling nach der vorliegenden Erfindung ein Drahtziehen von 5,3 t, der mit dem kommerziell vertriebenen Preßling jedoch nur ein Drahtziehen von 2 t.

Beispiel 14

Diamantkörner mit einer Teilchengröße von 40 bis 60 µm wurden mit dem im Beispiel 12 hergestellten Binderpulver in einem Volumenverhältnis von 4 : 1 gemischt, in ein aus Mo hergestellten Gefäß gegeben und in entsprechender Weise wie bei Beispiel 12 gesintert. Aus dem sich daraus ergebenden Preßling wurde ein Schlichtwerkzeug hergestellt, und 200mal dem Schlichten einer SiC-Scheibe unterzogen. Vergleichweise wurde ein anderes Schlichtwerkzeug mit einem kommerziell vertriebenen Preßling, der Diamantkörner mit einer Teilchengröße von 40 bis 60 µm aufweist, hergestellt und in ähnlicher Weise getestet. Im Ergebnis zeigte der Preßling nach der vorliegenden Erfindung eines Flankenverschleißbreite von 0,31 mm, während der kommerziell vertriebenen Preßling eine von 0,53 mm aufwies.

Beispiel 15

Synthetisches Diamantpulver mit einer Teilchengröße von 0,5 µm, WC-Pulver, und Co-Pulver wurden unter Verwendung eines Tiegels und aus WC-Co-gehärteten Carbiden hergestellten Kugeln kugelgemahlen, um Pulvermischungen in einer Zusammensetzung zu erhalten, die 80 Vol.-% feine Diamantkörner mit einer hauptsächlichen Teilchengröße von 0,3 µm, 12 Vol.-% WC-Pulver, und 8 Vol.-% Co-Pulver enthalten, die dann mit groben Diamantpulver mit einer Teilchengröße von 20 bis 30 µm in einem Volumenverhältnis von 75 : 25 vermischt werden. Zu den gemischten Pulvern wurde 0,15 GEw.-% B-Pulver hinzugefügt.

Auf die obere Oberfläche einer gehärteten Carbidlegierung aus WC-6% Co, die einen äußeren Durchmesser von 10 mm und eine Höhe von 3 mm besitzt, wurde ein dünnflüssiger Schlamm aus einer Mischung geschichtet, die 60 Vol.-% kubisches Bornitrid (CBN)-Pulver und im übrigen TiN-Pulver aufweist, das 20 Gew.-% Al in einem organischen Lösungsmittel (Polvinylalkohol), das Ethylcellulose aufweist, enthält. Dieses gehärtete Carbid wurde in einem Gefäß aus Mo angeordnet, in das das diamanthaltige harte Schichtpulver derart eingegeben wurde, daß es mit der kubischen bornitridhaltigen Zwischenschicht in Berührung gebracht wird. Dann wurde das Gefäß in eine Ultrahochdruckvorrichtung eingesetzt, auf dieses zunächst ein Druck von 55 Kbar ausgeübt und es dann 20 min lang auf 1500°C erhitzt.

Wenn der sich daraus ergebende gesinterte Körper nach dem Abkühlen aus der Vorrichtung entnommen und dessen Struktur betrachtet wurde, wurde ermittelt, daß die Diamantkörner mit einer Teilchengröße von 20 bis 30 µm über den Binder gebunden waren, der die ultrafeinen Diamantkörner enthält, und daß der Diamantpreßling an den Haftgrenzen durch die die kubischen Bornitride enthaltende Zwischenschicht fest an die gehärtete Carbidlegierung angebunden war.

Ein Bohrkern mit vier Schneiden und einem Außendurchmesser von 46 mm wurde aus diesem zusammengesetzten Preßling hergestellt und dem Bohren von Andesit, das eine Druckfestigkeit von 1765,19 · 10⁵ N/m² (1800 kg/cm²) besitzt, bei einer Geschwindigkeit von 250 Umdrehungen/min mit einem Bohrdruck von 800 kg unterzogen. Zum Vergleich wurden andere Bohrkerne experimentell unter Verwendung eines kommerziell vertriebenen Diamantpreßlings für eine Bohrspitze und desselben Diamantpreßlings wie oben beschrieben, jedoch ohne die Zwischenschicht, hergestellt und in ähnlicher Weise getestet. Im Ergebnis zeigte der Bohrkern mit dem Preßling nach der vorliegenden Erfindung keinen Bruch und zeigte selbst nach dem Bohren von 20 m Widerstandsfähigkeit für den weiteren Gebrauch, während bei dem Bohrkern mit dem kommerziell vertriebenen Preßling ein Brechen und Abschälen des Diamantpreßlings auftrat, als die Bohrtiefe 5 m erreichte. Bei dem Bohrkern des Preßlings, der dieselbe harte Schicht wie der Preßling nach der vorliegenden Erfindung, jedoch ohne Zwischenschicht besitzt, wurde der Diamantpreßling von der gehärteten Carbidlegierung bei Erreichen einer Bohrtiefe von 15 m abgelöst.

Beispiel 16

Binderpulver, wie in Tabelle 10, wurden unter Verwendung feinen Diamantpulvers mit einer Teilchengröße von 0,3 µm hergestellt.

Tabelle 10

Diese Binderpulver und Diamantkörner mit einer Teilchengröße von mindestens 10 µm wurden zur Herstellung fertiger Pulver in den wie in Tabelle 11 dargestellten Verhältnissen gemischt.

Tabelle 11

Danach wurden die Pulver für die Zwischenschicht, wie in Tabelle 12 gezeigt, hergestellt.

Tabelle 12

Diese Zwischenschichtpulver wurden jeweils in ein organisches Lösungsmittel gegeben, das Ethylcellulose zur Bildung eines dünnflüssigen Schlamms enthält, und auf eine gehärtete Carbidlegierung mit WC-8% Co geschichtet. Diese gehärtete Carbidlegierung wurde in ein Gefäß aus Mo gegeben und jedes der diamanthaltigen Pulver, die in Tabelle 11 dargestellt sind, wurden derart eingefüllt, daß sie mit dem Zwischenschichtpulver in Berührung gebracht wurden. Diese Zusammensetzung wurde bei einem ultrahohen Druck in entsprechender Weise wie bei Beispiel 15 zur Bildung eines Diamantpreßlings gesintert, und aus dem sich daraus ergebenden Diamantpreßling wurde ein Bohrkern mit drei Schneiden hergestellt. In Tabelle 13 sind Diamantpreßlinge und Zwischenschichten, die experimentell hergestellt wurden, gezeigt. Diese Bohrspitzen wurden einem Bohrtest bei Andesit mit einer einachsigen Druckfestigkeit von 1961,33 · 10⁵ N/m² (2000 kg/cm²) bei einer Geschwindigkeit von 50 m/min zum Bohren von 10 m unterzogen. Die Testergebnisse sind ebenfalls in Tabelle 13 dargestellt.

Tabelle 13

Beispiel 17

Ein Diamantpreßling wurde hergestellt und ein Bohrkern mit Schneiden aus dem Diamantpreßling in entsprechender Weise wie bei Beispiel 15 hergestellt, jedoch ohne die gehärtete Carbidlegierung aus WC-6% Co in (Mo,W)C-10% Ti 10% Co zu ändern. Wenn Andesit mit einer monoaxialen Druckfestigkeit von 1667,13 · 10⁵ N/m² (1700 kg/cm²) mit einer Geschwindigkeit von 100 m/min 20 m unter Verwendung der sich daraus ergebenden Bohrspitze gebohrt wurde, wurden bei dem Diamantpreßling nach der vorliegenden Erfindung weder ein Bruch noch ein Abschälen ermittelt.

Claims

1. Diamantpreßling für ein Werkzeug, der Diamantkörner mit verschiedenen Teilchengrößen enthält, dadurch gekennzeichnet, daß er zu 20 bis 85 Vol.-% aus Diamantkörnern mit einer Teilchengröße von wenigstens 3 µm und im übrigen aus einem Binder besteht, der zu 20 bis 95 Vol.-% aus ultrafeinen Diamantkörnern mit einer Teilchengröße von höchstens 1 µm und aus wenigstens einem Carbid, Carbonitrid, Nitrid, Borid der Gruppe 4a, 5a und 6a des Periodischen Systems der Elemente, deren festen Lösungen und deren Mischkristallen mit einer Teilchengröße von höchstens 1 µm sowie aus wenigstens einem Eisengruppenmetall zusammengesetzt ist.

2. Diamantpreßling für ein Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamantkörner eine Teilchengröße von 3 bis 10 µm besitzen.

3. Diamantpreßling für ein Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamantkörner eine Teilchengröße von wenigstens 10 µm besitzen.

4. Diamantpreßling für ein Werkzeug nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diamantkörner eine Teilchengröße von 10 bis 100 µm besitzen.

5. Diamantpreßling für ein Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Carbide WC und (Mo,W)C sind, die denselben Kristallaufbau wie WC haben.

6. Diamantpreßling für ein Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Carbide und Eisengruppenmetalle in einem derartigen Verhältnis stehen, daß der Anteil an Carbiden größer als der der eutektischen Mischung entsprechende ist.

7. Diamantpreßling für ein Werkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ultrafeinen Diamantkörner eine Teilchengröße von höchstens 0,5 µm besitzen.

8. Diamantpreßling für ein Werkzeug, dadurch gekennzeichnet, daß er zu 50 bis 85 Vol.-% aus groben Diamantkörnern mit einer Teilchengröße von 10 bis 100 µm und im übrigen aus einem Binder besteht, der zu 60 bis 90 Vol.-% aus ultrafeinen Diamantkörnern mit einer Teilchengröße von höchstens 1 µm, aus WC oder (Mo,W)C, das denselben Kristallaufbau wie WC besitzt, mit einer Teilchengröße von höchstens 1 µm und aus einem Eisengruppenmetall zusammengesetzt ist.

9. Diamantpreßling für ein Werkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Binder weiterhin 0,005 bis 0,15 Gew.-% eines Borids und/oder eines borhaltigen Gemischs enthält.

10. Diamantpreßling für ein Werkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß WC oder (Mo,W)C und das Eisengruppenmetall in einem derartigen Verhältnis stehen, daß der Anteil der Carbide größer als der der eutektischen Mischung entsprechende ist.

11. Diamantpreßling für ein Werkzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gesinterte Körper aus Diamantkörnern und Binder mit einem Füllstoff aus einem gehärteten Carbidlegierungssubstrat versehen ist.

12. Diamantpreßling für ein Werkzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Füllstoff eine Zwischenschicht bildet, die eine Dicke von höchstens 2 mm besitzt und zu höchstens 70 Vol.-% aus hochverfestigtem Bornitrid und im übrigen aus wenigstens einem Carbid, Nitrid und Carbonitrid der Gruppe 4a und 5a des Periodischen Systems der Elemente, deren festen Lösungen und deren Mischungen besteht.

13. Diamantpreßling für ein Werkzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenschicht weiterhin wenigstens 0,1 Gew.-% Aluminium, Silicium und/oder deren Mischungen enthält.

14. Diamantpreßling für ein Werkzeug nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die gehärtete Carbidlegierung aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus WC-Co-Legierungen und (Mo,W)C-Kristallen, die als überwiegenden Bestandteil Mo, durch einen Eisengruppenbestandteil gebunden, enthalten.

15. Diamantpreßling für ein Werkzeug nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Boride TiB₂, ZrB₂, HfB₂, B₄C und Gemische derselben sind.

16. Verfahren zur Herstellung eines Diamantpreßlings für ein Werkzeug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Herstellung einer Mischung aus Diamantpulver mit einer Teilchengröße von wenigstens 3 µm, aus ultrafeinem Diamantpulver mit einer Teilchengröße von höchstens 1 µm, aus wenigstens einem Carbid, Carbonitrid, Nitrid, Borid der Gruppe 4a, 5a und 6a des Periodischen Systems der Elemente, deren festen Lösungen und deren Mischkristallen mit einer Teilchengröße von höchstens 1 µm sowie aus wenigstens einem Eisengruppenmetall und deren Heißpressen in einer Ultrahochdruck- und Hochtemperaturvorrichtung, wobei der Diamant beständig ist.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das Kornwachstum des ultrafeinen Diamantpulvers oberhalb einer Temperatur gehemmt wird, bei der das Eutektikum des Carbids und des Eisengruppenmetalls gebildet wird.

18. Verfahren zur Herstellung eines Diamantpreßlings für ein Werkzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß ein Legierungsüberzug aus wenigstens einem Eisengruppenmetall auf Pulvergemische aus Diamantpulver mit einer Teilchengröße von 10 bis 100 µm, aus ultrafeinem Diamantpulver mit einer Teilchengröße von höchstens 1 µm und aus WC- oder (Mo,W)C-Pulver mit einer Teilchengröße von höchstens 1 µm aufgebracht und das Ganze in einer Ultrahochdruck- und Hochtemperaturvorrichtung unter Verwendung eines festen Druckmittels heißgepreßt wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Pulvermischung weiterhin 0,005 bis 0,15 Gew.-% Bor und/oder borhaltige Gemische zugemischt werden.