DE3706496C1 - Verfahren zur Herstellung eines diamanthaltigen UEberzuges - Google Patents

Verfahren zur Herstellung eines diamanthaltigen UEberzuges

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf die Technologie des Maschinenbaus und betrifft insbesondere ein Herstellungsverfahren für einen diamanthaltigen Überzug.
Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich bei der Herstellung eines diamanthaltigen Werkzeuges für die Bearbeitung von Metallen und nichtmetallischen Werkstoffen anwenden, die im Maschinenbau, der Bau- und Schmuckwarenindustrie, Landwirtschaft und Medizin eingesetzt werden.
Es ist ein Verfahren zur Herstellung von diamanthaltigen Überzügen durch elektrolytische Abscheidung eines Metalls aus einem Elektrolyten und durch Befestigung von Diamantteilchen auf der Werkzeugfläche mit dessen Hilfe (SU-Urheberschein 3 51 689, B 24D 17/00 vom 6.7.1970) bekannt.
Der nach diesem Verfahren auf dem Werkzeug hergestellte Überzug weist eine niedrige Haftfestigkeit (10 bis 40 MPa), eine hohe Porigkeit und geringe Dicke auf, die durch den Fraktionsbestand des Diamantpulvers bestimmt wird. Dessen unbefriedigende Kennwerte sind auf die Unvollkommenheit der Herstellungsbedingungen für den Kontakt zwischen dem aus dem Elektrolyten zu fällenden Metall, dem Diamanten und der Werkzeugfläche zurückzuführen.
Das Anwendungsgebiet eines derartigen Werkzeuges ist beschränkt. Die Produktivität solch eines Prozesses ist wegen der niedrigen Bildungsgeschwindigkeit des Überzuges gering.
Es ist ein Herstellungsverfahren für einen diamanthaltigen Überzug (JP-PS 51-752, B24D3/06) bekannt, bei welchem auf ein Werkstück ein aus einem Diamantpulver und einem plastischen Grundmetall bestehendes Gemenge aufgetragen und unter dessen anschließender Dauersinterung in einer zu überwachenden Atmosphäre bei einer Temperatur zusammengepreßt wird, die die Zersetzungstemperatur des Diamanten nicht überschreitet.
Die nach diesem Verfahren hergestellten Überzüge werden bei hoher Haftfestigkeit durch eine hohe Porigkeit (von 20 bis 40%) und eine geringe Diamantkonzentration (bis 40 Vol.-%) gekennzeichnet, wodurch deren kurze Betriebsdauer bedingt ist.
Das Verfahren weist eine niedrige Produktivität, hohe Energieintensität wegen der Anwendung einer leistungsstarken Preß-Ausrüstung und einer Dauersinterung in Öfen in einer zu überwachenden Atmosphäre auf.
Darüber hinaus bietet das Verfahren keine Möglichkeit, Überzüge auf Werkstücken komplizierter Konfiguration zu erzeugen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines diamanthaltigen Überzuges durch die Wahl der Sinterbedingungen anzugeben, das eine hohe Produktivität besitzt und die Erzeugung eines Überzuges mit einer hohen Haftfestigkeit und einem hohen Diamantgehalt gewährleistet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Patentanspruch 1 angegebene Verfahren gelöst.
Das erfindungsgemäße Verfahren sorgt für eine Erhöhung der Haftfestigkeit des Überzuges um 30 bis 50% durch Schaffung günstiger Bedingungen für den Ablauf von Diffusionsprozessen in der Kontaktzone der Gemengeteilchen mit der Metalloberfläche.
Die Porigkeit der erzeugten Überzüge beträgt durch Realisierung des Effektes der Warmverdichtung bei der Sinterung maximal 3%.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, die Produktivität des Vorganges durch Schnellerwärmung des Gemenges gegenüber den bekannten Verfahren um das 5- bis 10fache zu steigern, was durch die Wärmeeinwirkung der elektrischen Stromimpulse gesintert wird.
Durch den Einsatz des im Patentanspruch 2 beschriebenen Gemenges wird es möglich, Überzüge mit einem maximalen Diamantgehalt (von 60 Vol.-%) zu erzeugen, was ihnen eine hohe Verschleiß- und Korrosionsfestigkeit verleiht.
Die Verwendung des gelochten Elements gemäß Patentanspruch 3 gestattet es, Überzüge mit vorbestimmten Eigenschaften in deren Tiefe zu erzeugen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird wie folgt durchgeführt.
Das Verfahren umfaßt die Auftragung eines ein Diamantpulver enthaltenden Gemenges auf eine Metalloberfläche mit dessen anschließender Sinterung unter einem Druck von 10 bis 50 MPa und der Einwirkung eines Impulsstroms mit einer Dichte von 0,3 bis 1,5 kA/mm² bei einem Impulstastverhältnis von 0,25 bis 1,0 in Richtung Gemenge - Metall.
Um diamanthaltige Überzüge mit guten physikalisch-mechanischen Eigenschaften zu erzeugen, ist es erforderlich, Bedingungen für den Effekt einer Warmpressung zu schaffen. Diese Bedingungen werden bei Einwirken eines Drucks und eines eine hohe Erwärmungsgeschwindigkeit von (5 bis 8) · 10³ °C/s sichernden elektrischen Impulsstroms auf das Gemenge realisiert. Eine derartige Erwärmungsgeschwindigkeit intensiviert den Ablauf von Diffusionsvorgängen mit einer Geschwindigkeit, die die Ablaufgeschwindigkeit von Oxidationsvorgängen im Metall überschreitet, was die Bildung eines Überzuges mit einer hohen Haftfestigkeit und einer niedrigen Porigkeit ermöglicht.
Die gewählten Parameter des Sintervorganges gewährleisten eine derart kurzzeitige Wärmeeinwirkung auf den Diamanten, daß er selbst bei einer Temperatur, die die Zersetzungstemperatur des Diamanten überschreitet, nicht graphitisiert wird.
Das Gemenge kann auf die Metalloberfläche durch gasthermische Bedampfung oder durch freie Ausbildung unter Benutzung eines elektrisch leitenden gelochten Elements aufgetragen werden.
Die Realisierung des Verfahrens unter derartigen Verhältnissen sieht die Verwendung entweder eines elektrisch leitenden Gemenges oder eines aus einem Diamantpulver zusammengesetzten Gemenges vor, das in einem elektrisch leitenden gelochten Element verteilt ist, das die Rolle eines Grundmetalls übernimmt.
Das erfindungsgemäße Verfahren erfordert keine spezielle Preß-Ausrüstung beim Auftragen des Gemenges auf das Metall, weil die Ausbildung der Struktur des Überzuges auf der Sinterungsstufe bei hohen Erwärmungsgeschwindigkeiten des Gemenges erfolgt.
Deshalb wird das Verfahren durch eine hohe Produktivität von 0,6 bis 1 m²/h und einen niedrigen Energieaufwand von 0,3 bis 0,4 kW/kg gekennzeichnet.
Zum gasthermischen Aufspritzen wird empfohlen, ein elektisch leitendes Gemenge mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,05 · 10-6 bis 0,3 · 10-3 Ω·m mit folgender Zusammensetzung (in Vol.-%) einzusetzen:
Diamantpulver24 bis 60 Grundmetall mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von
(0,014 bis 1,7) · 10-6 Ω·mbis zu 100.
Der Impulsstrom mit einer Dichte von 0,3 bis 1,5 kA/mm² fließt im Fall stabil, wenn der spezifische elektrische Widerstand des Gemenges unterhalb von 0,3 bis 10-3 Ω·m bleibt. Das Gemenge wird unter stabilen Temperaturverhältnissen und unter Bildung eines eine Porigkeit von unter 3% und eine Haftfestigkeit von bis zu 100 MPa aufweisenden diamanthaltigen Überzuges gesintert. Ein Überschreiten dieses Widerstandswertes führt zu einer Instabilisierung des Sintervorganges unter lokalem Ausschmelzen im Gemenge an manchen Stellen. Die hergestellten Überzüge werden durch eine hohe Porigkeit, niedrige Haftfestigkeit gekennzeichnet.
Bei Verwendung eines Gemenges mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von unter 0,05 · 10-6 Ω·m findet keine Sinterung statt.
Der erforderliche elektrische Widerstand des Gemenges wird im wesentlichen durch die elektrophysikalischen Eigenschaften des Grundmetalls bestimmt, denn das Diamantpulver besitzt einen hohen spezifischen elektrischen Widerstand.
Das Grundmetall mit derartigen elektrophysikalischen Eigenschaften übernimmt die Rolle eines Leiters, dessen Wirkwiderstand bei der Einwirkung des elektrischen Impulsstroms mit den Sollparametern auf dieses eine für die Sinterung des Gemenges erforderliche Wärmemenge entwickelt.
Das Grundmetall tritt auch als Plattierschicht auf, die einer Zersetzung des Diamanten beim gasthermischen Aufspritzen entgegenwirkt.
Die untere Grenze von 0,014 · 10-6 Ω·m des spezifischen elektrischen Widerstandes des Grundmetalls wird durch den maximalen Diamantgehalt (60 Vol.-%) im Überzug festgelegt. Derartige Überzüge besitzen eine hohen Verschleiß- und Haftfestigkeit. Als Grundmaterial können Metalle mit einer hohen Schmelztemperatur eingesetzt werden. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, Überzüge zu erzeugen, in deren Struktur die physikalisch-mechanischen Eigenschaften des Diamanten und des Grundmaterials im Höchstmaß zur Geltung kommen.
Die obere Grenze von 1,7 · 10-6 Ω·m des spezifischen elektrischen Widerstandes des Grundmetalls wird durch die Methode der Auftragung des Gemenges auf die Metalloberfläche bestimmt.
Um Überzüge mit vorgegebenen Eigenschaften zu erzeugen, wird ein aus einem Diamantpulver bestehendes Gemenge eingesetzt, das in einem auf der Metalloberfläche liegenden gelochten Element verteilt ist, das aus einem Metall mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von (0,014 bis 1,7) · 10-6 Ω·m hergestellt ist.
Als gelochtes Element kommen Metallbänder mit Löchern oder Gitter in Betracht. Es übernimmt die Rolle des oben beschriebenen elektrisch leitenden Grundmetalls. Beim Durchfluß des elektrischen Impulsstroms in Richtung Gemenge - Metall wird das gelochte Element plastisch verformt, wodurch der Diamant auf der Metalloberfläche befestigt wird. In Abhängigkeit von der Anordnung der Löcher und deren Geometrie wird ein variabler Gehalt an Diamantpulver im Volumen des Überzuges erreicht, was seine Eigenschaften festlegt. Dieser aus dem Gemenge gleicher Zusammensetzung gebildete Überzug kann über dessen Querschnitt abweichende physikalisch-mechanische Kennwerte aufweisen. Dies erweitert den Anwendungsbereich und die Effektivität der Anwendung der diamanthaltigen Überzüge. Die Verwendung der gelochten Elemente gestattet es, komplizierte geometrische Oberflächen zu beschichten.
Die physikalisch-mechanischen Eigenschaften und Betriebseigenschaften der Überzüge, wie Haftfestigkeit, Porigkeit und Schneidbedingungen, wurden nach Standardmethoden ermittelt.
Nachstehend werden konkrete Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgeführt.
Beispiel 1
Ein zu 24 Vol.-% aus durch Nickel mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,09 · 10-6 Ω·m plattiertem Diamantpulver einer Korngröße von 50 bis 40 µm bestehendes Gemenge wird im Gasflammenverfahren auf ein getrenntes Stahlwerkstück zum Schneiden von Diamantkristallen aufgespritzt. Das Gemenge weist einen spezifischen elektrischen Widerstand von 2,0 · 10-5 Ω·m auf. Die Spritzentfernung beträgt 200 mm, die Dicke der Schicht 0,1 mm. Das Werkstück wird mit dem Gemenge zwischen an eine Impulsstromquelle angeschlossenen Elektroden angeordnet, unter einem Druck von 26 MPa zusammengepreßt, worauf dieses ein elektrischer Impulsstrom mit einer Dichte von 1,08 kA/mm² bei einem Impulstastverhältnis von 0,25 in Richtung Gemenge - Metall geschickt wird.
Nach der Sinterung weist der diamanthaltige Überzug folgende physikalisch-mechanische Kennwerte auf:
Haftfestigkeit, MPa75 Porigkeit, %2 Schneidbedingungen, mp/min1,75
Beispiel 2
Ein zu 60 Vol.-% aus durch Silber mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,016 · 10-6 Ω·m plattiertem Diamantpulver der Korngröße von 50 bis 40 µm bestehendes Gemenge wird im Gasflammenverfahren auf eine Stahlplatte aufgespritzt. Das Gemenge weist einen spezifischen elektrischen Widerstand von 1,3 · 10-4 Ω·m auf. Die Spritzentfernung beträgt 200 mm, die Dicke der Schicht 0,25 mm. Die Platte mit dem Gemenge wird zwischen den an eine Impulsstromquelle angeschlossenen Elektroden angeordnet, unter einem Druck von 50 MPa zusammengepreßt, worauf durch diese ein elektrischer Impulsstrom mit einer Dichte von 0,31 kA/mm² bei einem Impulstastverhältnis von 0,5 in Richtung Gemenge - Metall geschickt wird.
Nach der Sinterung weist der diamanthaltige Überzug folgende physikalisch-mechanische Kennwerte auf:
Haftfestigkeit, MPa65 Porigkeit, %1
Beispiel 3
Ein zu 40 Vol.-% aus Diamantpulver der Korngröße von 80 bis 63 µm, zu 48 Vol.-% aus Kupfer und zu 12,0 Vol.-% aus Nichrom mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,018 · 10-6 bzw. 1,1 · 10-6 Ω·m bestehendes Gemenge wird im Gasflammenverfahren auf eine Stahlplatte aufgespritzt. Das Gemenge weist einen spezifischen elektrischen Widerstand von 0,1 bis 0,3 · 10-3 Ω·m auf. Die Spritzentfernung beträgt 200 mm, die Dicke der Schicht 0,25 mm. Die Platte mit dem Gemenge wird zwischen den an eine Impulsstromquelle angeschlossenen Elektroden angeordnet, unter einem Druck von 10 MPa zusammengepreßt, worauf durch diese ein elektrischer Impulsstrom mit einer Dichte von 1,2 bis 1,3 kA/mm² bei einem Impulstastverhältnis von 0,30 in Richtung Gemenge - Metall geschickt wird.
Nach der Sinterung weist der diamanthaltige Überzug folgende physikalisch-mechanische Kennwerte auf:
Haftfestigkeit, MPa90 Porigkeit, %3
Beispiel 4
Auf einem Stahlwerkstück für ein Werkzeug zum Drehen von Diamantkristallen wird ein 0,25 mm dickes Zinkband mit Löchern von 0,10 mm Durchmesser und mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,06 · 10-6 Ω·m angeordnet. Ein 25 Vol.-% Diamamtpulver der Korngröße von 80 bis 63 µm enthaltendes Gemenge wird über das Band in der Weise verteilt, daß nur die Löcher mit dem Diamantpulver ganz aufgefüllt sind. Die Platte mit dem Band und dem Pulver wird zwischen den an eine Impulsstromquelle angeschlossenen Bronzeelektroden untergebracht, unter einem Druck von 50 MPa zusammengepreßt, worauf durch diese ein elektrischer Impulsstrom mit einer Dichte von 1,0 kA/mm² bei einem Impulstastverhältnis von 1,0 in Richtung Gemenge - Metall geschickt wird.
Nach der Sinterung weist der diamanthaltige Überzug folgende physikalisch-mechanische Kennwerte auf:
Haftfestigkeit, MPa80 Porigkeit, %unter 1 Schneidbedingungen, mp/min1,87
Beispiel 5
Auf einem Stahlwerkstück für ein Werkzeug zum Schruppen von Diamantkristallen wird ein 0,5 starkes Stahlgitter mit Löchern von 0,2 mm Durchmesser und mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,1 · 10-6 Ω·m angeordnet. Ein 24 Vol.-% Diamamtpulver der Korngröße 163 µm enthaltendes Gemenge wird über das Gitter derart verteilt, daß nur die Löcher mit dem Diamantpulver ganz aufgefüllt sind. Die Platte mit dem Gitter und dem Pulver wird zwischen den an eine Impulsstromquelle angeschlossenen Elektroden angeordnet, unter einem Druck von 35 MPa zusammengepreßt, worauf durch diese ein elektrischer Impulsstrom mit einer Dichte von 0,31 kA/mm² bei einem Impulstastverhältnis von 0,3 in Richtung Gemenge - Metall geschickt wird.
Nach der Sinterung weist der diamanthaltige Überzug folgende physikalisch-mechanische Kennwerte auf:
Haftfestigkeit, MPa85 Porigkeit, %unter 1 Schneidbedingungen, mp/min1,91
Beispiel 6
Auf einer Stahlplatte wird ein 0,1 mm starkes Nickelgitter mit Löchern von 0,05 mm Durchmesser und mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,12 · 10-6 Ω·m angeordnet. Ein 50 Vol.-% Diamamtpulver der Korngröße von 50 bis 40 µm enthaltendes Gemenge wird über das Gitter in der Weise verteilt, daß nur die Löcher mit dem Pulver ganz aufgefüllt sind. Die Platte mit dem Band und dem Pulver wird zwischen den an eine Impulsstromquelle angeschlossenen Elektroden untergebracht, unter einem Druck von 10 MPa zusammengepreßt, worauf durch diese ein elektrischer Impulsstrom mit einer Dichte von 1,5 kA/mm² bei einem Impulstastverhältnis von 0,3 in Richtung Gemenge - Metall geschickt wird.
Nach der Sinterung besitzt der diamanthaltige Überzug folgende physikalisch-mechanische Kennwerte auf:
Haftfestigkeit, MPa70 Porigkeit, %unter 1.

Claims (3)

1. Verfahren zur Herstellung eines diamanthaltigen Überzuges, bei dem ein Diamantpulver enthaltendes Gemenge auf eine Metalloberfläche aufgetragen und gesintert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gemenge unter einem Druck von 10 bis 50 MPa und der Einwirkung eines elektrischen Impulsstroms mit einer Dichte von 0,3 bis 1,5 kA/mm² bei einem Impulstastverhältnis von 0,25 bis 1,0 in Richtung Gemenge-Metall gesintert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrisch leitendes Gemenge mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von 0,05 · 10-6 bis 0,3 · 10-3 Ω·m und der Zusammensetzung (in Vol.-%): Diamantpulver24 bis 60 Grundmetall mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von
(0,014 bis 1,7) · 10-6 Ω·mbis zu 100benutzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das aus dem Diamantpulver bestehende Gemenge durch dessen Verteilung in einem auf der Metalloberfläche liegenden gelochten Element aufgebracht wird, das aus einem Werkstoff mit einem spezifischen elektrischen Widerstand von (0,014 bis 1,7) · 10-6 Ω·m hergestellt ist.
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