DE3601478C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Warmpressen eines Diamant oder kubisches Bornitrid enthaltenden Verbundwerkstoffs, wie sie gebraucht wird zur Herstellung von Werkstücken für Bohr-, Abricht- oder andere Werkzeuge, die bei ihrem Einsatz einem intensiven Reibungsverschleiß ausgesetzt sind.

Eine mit dem Erfindungsgegenstand artverwandte Einrichtung ist aus der DE-OS 22 32 227 bekannt. Bei dieser Ausbildung ist das Preßstück umschlossen von einem zylindrischen Futter aus Salz, das seinerseits von einer Graphitbuchse umgeben ist, welche wiederum von einem Salzzylinder als Reaktionsgefäß umgeben ist. Diese Anordnung ist ihrerseits umschlossen von einer mehrfach unterteilten, komplizierten Dichtungsanordnung aus Pyrophyllitteilen, auf die von außen der Druck von Stempeln und Matrizenteilen wirkt.

Ein erster Nachteil dieser bekannten Einrichtung ist deren komplizierte Ausbildung. Hinzu kommt, daß der Werkstoff der Dichtungsanordnung Pyrophyllit oder auch Lithografiestein eine beträchtliche Hysterese der Abhängigkeit Kraftbeaufschlagung/Druck aufweist, was dazu führt, daß es bei der Entlastung der Einrichtung, gleichgültig mit welcher Geschwindigkeit, zu sprunghaften Veränderungen des Drucks im Preßstück kommen kann. Die hieraus resultierenden Stoßbeanspruchungen des gepreßten Werkstücks können zur Zerstörung desselben führen. Dies kann auch nicht durch den Reaktionsgefäß- Salzzylinder verhindert werden, der zwar die wirkenden Drücke gut überträgt, aber eine geringe Festigkeit aufweist.

Ähnliches gilt für eine aus der FR-PS 20 89 415 bekannte Einrichtung zum Warmpressen eines Verbundwerkstoffs, der Diamant oder kubisches Bornitrid in einem Grundkörper aus schwer schmelzbaren Übergangsmetallverbindungen enthält. Diese Einrichtung hat Matrizenhälften, in denen sich ein Behälter mit einem dessen Außenwand im Zusammenwirkungsbereich der Matrizenhälften umgebenden Dichtglied, das mit einer Graphitbuchse zur Aufnahme eines Preßstückes aus dem Verbundwerkstoff versehen ist, befindet. Die Buchse ist im Behälter in Achsrichtung angeordnet, und an jeder ihrer Stirnflächen sind Stromzuführungselemente vorgesehen.

Das Graphit, aus dem die Buchse besteht, und der gepreßte Verbundwerkstoff haben unterschiedliche Verdichtbarkeit. Nach Aufheben der Belastung rufen infolgedessen die beträchtlichen Spannungen, die beim Pressen im Verbundwerkstoff auftreten, die Bildung von Abschichtungen und Mikrorissen hervor. Dadurch wird die Verschleißfestigkeit des gewonnenen Verbundwerkstoffkörpers wesentlich vermindert.

Aus dem SU-Erfinderschein 869 968 ist schließlich noch eine Einrichtung zum Warmpressen eines zweischichtigen Verbundwerkstoffes bekannt, der Diamant und/oder kubisches Bornitrid in einem Grundkörper aus Hartmetall enthält. Diese Einrichtung enthält Matrizenhälften, in denen sich ein Behälter befindet, in dem unter Belassen eines Zwischenraumes ein Preßstück aus einem zweischichtigen Verbundwerkstoff untergebracht wird. An jeder Stirnseite des Preßstückes sind Stromzuführungselemente angeordnet.

In den Zwischenraum wird ein Pulver aus der Eisengruppe oder ein Pulvergemisch dieser Metalle eingeschüttet. Danach erfolgt der Warmpreßvorgang bei einer Temperatur von 1450 bis 1470°C und einem Druck von 45 bis 100 kbar.

Als Ergebnis des Warmpressens wird in dieser Einrichtung ein Verbundwerkstoff mit einem sich schwer loslösenden Metallüberzug aus der Eisengruppe gewonnen, wodurch eine mechanische Nachbearbeitung erforderlich wird.

Außerdem wird beim Pressen der Verbundwerkstoff mit Schmelzgut getränkt, wodurch die Härte des Grundkörpers abnimmt, was eine Minderung seiner Verschleißfestigkeit mit sich bringt. Eine geringe Verschleißfestigkeit des Grundkörpers führt zum schnellen Freilegen und Herausfallen von Diamanten und somit zu einer erheblichen Minderung der Verschleißfestigkeit des gewonnenen Verbundwerkstoffes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zum Warmpressen eines Diamant oder bornitridhaltigen Verbundwerkstoffes zu schaffen, bei der Abschichtungen und Mikrorißbildungen in dem erhaltenen Verbundwerkstoffkörper nicht mehr auftreten, so daß dieser eine erhöhte Verschleißfestigkeit aufweist.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die im Patentanspruch 1 angegebene Einrichtung. Bei dieser erfindungsgemäßen Ausbildung bilden während des Warmpressens die Graphitbuchse und die Druckübertragungsbuchse eine einheitliche Konstruktion, die nach Aufheben der Belastung eine rasche Spannungsrelaxation in dem gewonnenen Verbundwerkstoff und damit die Gefahr einer Abschichtungs- und Mikrorißbildung verhindert. Dies trägt zu einer Erhöhung der Verschleißfestigkeit des gewonnenen Werkstücks bei. Wegen der Zusammensetzung der Druckübertragungsbuchse fügt sich der Werkstoff gut mit dem Graphit zusammen und besitzt auch gute Fertigungseigenschaften, was eine einfache Herstellung von Buchsen vorgegebener Form ermöglicht.

Zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nachstehend wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der beigefügten Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Warmpreßeinrichtung im schematischen Längsschnitt;

Fig. 2 die wesentlichen Teile der Einrichtung und ein Preßstück aus einem Verbundwerkstoff in einer perspektivischen, teilweise geschnittenen Explosionsdarstellung in vergrößertem Maßstab.

Die Einrichtung zum Warmpressen eines diamant- oder bornitridhaltigen Verbundwerkstoffes enthält in Stahlmantelrohre 2 mit Schrumpfmaß eingepreßte Matrizenhälften 1. In diesen befindet sich ein Behälter 3 mit einem dessen Außenwand im Zusammenwirkungsbereich der Matrizenhälften 1 umgebenden Dichtglied 4. Der Behälter 3 ist mit einer in Axialrichtung angeordneten Graphitbuchse 5 zur Unterbringung eines Preßstücks 6 aus dem Verbundwerkstoff versehen. Die Außenwand 7 der Buchse 5 und die Wand 8 des Behälters 3 bilden einen ringförmigen Hohlraum, in dem sich eine Druckübertragungsbuchse 9 aus einem metallhaltigen Werkstoff befindet. Der metallhaltige Werkstoff besteht aus (in Vol.-%)

Metall oder Metallgemisch30 bis 80 Füllstoff20 bis 70.

Mit einem Füllstoffgehalt von weniger als 20 Vol.-% und einem Metall- oder Metallgemischgehalt von mehr als 80 Vol.-% wird die Preßbarkeit der Buchse 9 beenträchtigt. Mit einem Füllstoffgehalt von mehr als 70 Vol.-% und einem Metall- oder Metallgemischgehalt von weniger als 30 Vol.-% hat der Werkstoff keine genügende mechanische Festigkeit. Die Metallbestandteile sind zweckmäßigerweise Aluminium, Eisen, Nickel, Mangan oder Magnesium und die Füllstoffe Talk, Graphit, Natriumchlorid oder Bornitrid. An jedem Stirnende der Buchse 5 sind als konzentrische Ringe 10 ausgebildete Stromzuführungselemente angeordnet, deren Außendurchmesser mit dem Durchmesser der Buchse 9 übereinstimmt. Die Ringe 10 sind aus einem Pulvergemisch von Graphit und Lithographiestein oder Natriumchlorid zusammengepreßt. Im Ring 10 befindet sich eine wärmedämmende Scheibe 11. Um ein Zusammenwirken der Stromzuführungsringe 10 mit dem zu pressenden Verbundwerkstoff zu verhindern, sind Graphitscheiben 12, 13, deren Durchmesser dem Außendurchmesser der Ringe 10 entspricht, an jedem Stirnende der Buchse 5 vorgesehen. Zwischen den Scheiben 12 und 13 kann eine Scheibe 14 aus einem metallhaltigen Werkstoff, der Graphit oder Bornitrid enthält, angeordnet werden. Dadurch können mit der Verwirklichung des Grundprozesses zusätzlich hochwertige überharte Werkstoffe wie Diamant und kubisches Bornitrid gewonnen werden.

Das Warmpressen mit der beschriebenen Einrichtung verläuft wie folgt:

Um in der Einrichtung einen Druck von 5 bis 100 kbar zu erzeugen, wird sie unter eine Presse gebracht und durch eine Axialkraft beaufschlagt. Dabei nähern sich die Matrizenhälften einander und drücken den Behälter 3 mit dem Dichtglied 4 zusammen. Im Behälter 3 werden die Graphitbuchse 5 mit dem darin untergebrachten Preßstück 6 aus einem Verbundwerkstoff und die Buchse 9 aus einem metallhaltigen Werkstoff zusammengedrückt. Dabei dringen Metallteilchen des Werkstoffes der Buchse 9 in den Graphit der Buchse 5 ein.

Ein Teil des Werkstoffes des Behälters 3 wird in den Spalt zwischen den Matrizenhälften 1 herausgedrückt, wobei er eine den Hochdruckraum abdichtende Einlage bildet. Die Gleichmäßigkeit dieser Einlagenbildung wird durch das Dichtglied 4 gewährleistet.

Nach Erreichen des erforderlichen Druckes wird das Preßstück 6 aus dem Verbundwerkstoff durch Durchleiten eines elektrischen Stroms durch die Stromzuführungsringe 10, die Scheiben 12, 13, die Buchse 5 und die Buchse 9 auf eine Temperatur von 1000 bis 2700°C erhitzt. Unter der Einwirkung des hohen Drucks und der hohen Temperatur während einer vorgegebenen Zeit wird der diamant- oder bornitridhaltige Verbundwerkstoff warmgepreßt. Der metallhaltige Werkstoff der Buchse 9 fügt sich mit dem Graphit der Buchse 5 zusammen und bildet dabei eine feste einheitliche Konstruktion. Nach Abschalten der Heizung kühlt die Einrichtung aufgrund der Wärmeableitung durch zu kühlende Teile der Presse ab.

Nach Abkühlen wird der Druck weggenommen. Die während des Warmpressens im Verbundwerkstoff aufgetretenen Spannungen nehmen wegen der Dämpfungswirkung der festen Konstruktion aus dem Buchsen 5 und 9 langsam ab. Durch diese langsame Relaxation kommt es nicht zur Abschichtung und Mikrorißbildung, und es wird eine hohe Verschleißfestigkeit erzielt. Diese kann durch den spezifischen Verbrauch an Bornitrid oder Diamanten beim Abrichten von Schleifscheiben angegeben werden.

Danach läßt sich der gewonnene Verbundwerkstoff leicht aus der Einrichtung entfernen.

Ein Verbundwerkstoff aus 92 Masse-% Wolframkarbid, 6 Masse-% Kobalt und 2 Masse-% Diamant, der mit einer Dreckübertragungsbuchse aus 80 Vol.-% Aluminium und 20 Vol.-% Talk warmgepreßt wurde, hatte eine Verschleißfestigkeit von 1,5 bis 1,6 mg/kg.

Ein Verbundwerkstoff aus 93 Masse-% Wolframkarbid, 6 Masse-% Kobalt und 1 Masse-% kubisches Bornitrid, der mit einer Buchse aus 30 Vol.-% Magnesium und 70 Vol.-% Bornitrid warmgepreßt wurde, hatte eine Verschleißfestigkeit von 2,5 bis 3 mg/kg. Dabei wurden außerdem 8,2 Karat kubisches Bornitrid gewonnen.

Ein Verbundwerkstoff aus 92 Masse-% Wolframkarbid, 6 Masse-% Kobalt und 2 Masse-% Diamant, der mit einer Buchse aus 20 Vol.-% Nickel, 20 Vol.-% Mangan und 60 Vol.-% Graphit gepreßt wurde, hatte eine Verschleißfestigkeit von 1,4 bis 1,5 mg/kg. Dabei wurden zusätzlich 9,5 Karat Diamanten gewonnen.

Ein Verbundwerkstoff aus 92 Masse-% Wolframkarbid, 6 Masse-% Kobalt und 2 Masse-% Diamant, der mit einer Buchse aus 30 Vol.-% Eisen und 70 Vol.-% Natriumchlorid warmgepreßt wurde, hatte eine Verschleißfestigkeit von 1,4 bis 1,5 mg/kg.

Im Vergleich zu der Verschleißfestigkeit der mit den bekannten Einrichtungen gewonnenen Verbundwerkstoffe liegen die erzielten Verschleißfestigkeiten um ca. 50% höher.

Claims (5)

1. Einrichtung zum Warmpressen eines Diamant oder kubisches Bornitrid enthaltenden Verbundwerkstoffes

• - mit einem zwischen Matrizenhälften (1) angeordneten Behälter (3),
• - dessen Außenwand im Bereich zwischen den Matrizenhälften (1) von einem Dichtglied (4) umgeben ist,
• - und mit einer in Axialrichtung angeordneten und an jeder Stirnfläche Stromzuführungselemente aufweisenden Graphitbuchse (5) zur Unterbringung eines Preßstücks (6) aus dem Verbundwerkstoff,
• - wobei die Außenwand (7) der Graphitbuchse (5) und die Wand des Behälters (3) einen ringförmigen Hohlraum bilden,
• - der ausgefüllt ist durch eine Druckübertragungsbuchse (9) aus einem metallhaltigen Werkstoff folgender Zusammensetzung (Vol.-%): Metall oder ein Metallgemisch30 bis 80 Füllstoff20 bis 70

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckübertragungsbuchse (9) aus 80 Vol.-% Aluminium und 20 Vol.-% Talk besteht.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckübertragungsbuchse (9) aus 30 Vol.-% Eisen und 70 Vol.-% Natriumchlorid besteht.

4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckübertragungsbuchse (9) aus 20 Vol.-% Nickel, 20 Vol.-% Mangan, 60 Vol.-% Graphit besteht.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckübertragungsbuchse (9) aus 30 Vol.-% Magnesium und 70 Vol.-% Bornitrid besteht.