DE3789335T2

DE3789335T2 - Abrasives und verschleissfestes Material.

Info

Publication number: DE3789335T2
Application number: DE3789335T
Authority: DE
Inventors: John Dodsworth; Henry Brooke Dyer; Stephen Anthony Parson
Original assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Current assignee: De Beers Industrial Diamond Division Pty Ltd
Priority date: 1986-08-11
Filing date: 1987-08-10
Publication date: 1994-07-14
Anticipated expiration: 2007-08-11
Also published as: JPS6345346A; DE3789335D1; EP0256829A2; EP0256829A3; EP0256829B1; US4944913A; ATE103013T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein schleifendes und verschleißfestes Material.
Sintercarbid ist ein Material, das in der Industrie für eine Vielzahl von Anwendungen weit verbreitete Verwendung findet, sowohl als Schleifmaterial als auch als verschleißfestes Material. Sintercarbide bestehen im allgemeinen aus Teilchen geeigneter Carbide wie Wolframcarbid, Tantalcarbid oder Titancarbid, die mit Hilfe eines Metalls wie Cobalt, Eisen oder Nickel oder einer Legierung derselben miteinander verbunden werden. Typischerweise beträgt der Metall-Gehalt von Sintercarbiden 3 bis 35 Gew.-%. Sie werden hergestellt durch Sintern der Carbid-Teilchen und des Metalls bei Temperaturen der Größenordnung 1400ºC.
Sintercarbide werden als Träger für Compacts aus Diamant oder kubischem Bornitrid verwendet. In solchen Schleifmittel-Produkten ist es eine Kante des Compacts, die beim Gebrauch den Schneidvorgang durchführt. Während der Schneidvorgänge können Schleifspäne gegen den Carbid-Träger stoßen und eine Unterschneidung in demjenigen Bereich verursachen, die das Produkt schwächt. Ein typisches Beispiel hierfür ist beim Bohren zu finden, bei dem ein Einsatz verwendet wird, der einen länglichen sintercarbid-Stift umfaßt, an dessen Ende ein Diamant-Compact befestigt ist. Das unterschneiden des Stiftes tritt unmittelbar hinter dem Compact auf.
JP-A-57-116742 offenbart die Herstellung eines modifizierten Sintercarbids unter Bedingungen des Heißpressens, d. h. bei Temperaturen in der Größenordnung von 1400ºC bis 1500ºC, wobei nur ein geringer oder gar kein Druck angelegt wird. Diese sind nicht Bedingungen, bei denen kubisches Bornitrid kristallographisch stabil ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines schleifenden und verschleißfesten Materials bereitgestellt, das eine Masse von Carbid-Teilchen, eine Masse von Teilchen aus kubischem Bornitrid und ein bindendes Metall oder eine bindende Legierung umfaßt, die zu einer zusammenhängenden gesinterten Form gebunden sind, wobei der Gehalt des Materials an Teilchen aus kubischem Bornitrid 20 Gew.-% nicht übersteigt und das Material im wesentlichen frei von hexagonalem Bornitrid ist, wobei das Verfahren das In-Berührung-Bringen geeigneter Mengen einer Masse von Carbid-Teilchen und einer Masse von Teilchen aus kubischem Bornitrid mit einem bindenden Metall oder einer bindenden Legierung und das Sintern der Teilchen und des Metalls oder der Legierung unter Temperatur- und Druck-Bedingungen, bei denen das kubische Bornitrid kristallographisch stabil ist, umfaßt.
Das hergestellte Material ist sinngemäß ein Sintercarbid, das durch den Zusatz von Teilchen aus kubischem Bornitrid modifiziert ist. Der Zusatz dieser Teilchen liefert ein Sintercarbid mit größerem Schleifvermögen und höherer Verschleißfestigkeit.
Das Material muß im wesentlichen frei von hexagonalem Bornitrid sein, d. h. der beim Abbau des kubischen Bornitrids entstehenden Form. Die Anwesenheit irgendeiner signifikanten Menge von hexagonalem Bornitrid reduziert das Schleifvermögen und die Verschleißfestigkeit des Materials. Bei der Herstellung des Materials ist es wichtig, daß die Bedingungen so gewählt werden, daß dies erreicht wird.
Das Sintern der Teilchen und des Metalls oder Legierung kann bei höherer Temperatur, typischerweise einer Temperatur oberhalb von 1350ºC, unter sorgfältig kontrollierten nicht-oxidierenden Bedingungen stattfinden. Die nicht-oxidierenden Bedingungen können durch Vakuum, beispielsweise ein Vakuum von weniger als 1 mbar, geschaffen werden.
Die Verfahrensweise des Sinterns umfaßt das Sintern unter Bedingungen höherer Temperatur und höheren Drucks, bei denen kubisches Bornitrid kristallographisch stabil ist. Typischerweise umfassen diese Bedingungen Temperaturen in der Größenordnung von 1400ºC bis 1600ºC und Drücke in der Größenordnung von 50 bis 70 kbar. Diese Bedingungen können eine Zeitspanne von 5 bis 30 min aufrechterhalten werden.
Das Metall oder die Legierung wird vorzugsweise in pulverisierter Form bereitgestellt. Diese pulverisierte Form kann dann mit den Teilchen des Carbids und des kubischen Bornitrids vermischt werden. Die Mischung kann als solche gesintert oder kaltgepreßt werden, um vor dem Sintern einen schwachen, jedoch zusammenhängenden Körper zu bilden.
Für das Sintern bei hoher Temperatur/hohem Druck wird eine konventionelle Hochtemperatur/Hochdruck-Apparatur eingesetzt. Die oben erwähnte Mischung kann direkt in die Reaktionskapsel einer solchen Apparatur geladen werden. Alternativ kann die Mischung auf einen Sintercarbid-Träger oder in eine in einem Sintercarbid-Träger gebildete Vertiefung gebracht und in dieser Form in die Kapsel geladen werden. Eine Schicht aus einem Material wie Molybdän oder Tantal muß zwischen den Carbid-Träger und die Mischung gebracht werden, um das Entfernen des gesinterten Materials von dem Träger nach dem Sintern zu erleichtern und zu verhindern, daß Metall aus dem Träger in die Mischung eindringt.
Die Carbid-Teilchen und das Metall oder die Legierung können beliebige solche Stoff sein, die bei der Herstellung konventioneller Sintercarbide verwendet werden. Beispiele für geeignete Carbide sind Wolframcarbid, Tantalcarbid oder Titancarbid und deren Mischungen. Beispiele für geeignete Metalle und Legierungen sind Cobalt, Eisen, Nickel und Legierungen, die eines oder mehrere dieser Metalle enthalten. Vorzugsweise ist das Metall Cobalt, und das Carbid ist Wolframcarbid.
Die Teilchen des kubischen Bornitrids können fein oder grob sein. Je gröber die Teilchen sind, desto geringer ist die Tendenz, daß sie während des Sinters abgebaut werden.
Der Gehalt des Materials an Teilchen des kubischen Bornitrids liegt typischerweise im Bereich von 5 bis 15 Gew.-%. Der Metall- oder Legierungs-Gehalt des Materials liegt typischerweise im Bereich von 5 bis 15 Gew.-%.
Es wurde gefunden, daß dann, wenn flüchtige Stoffe von den Teilchen des Metalls oder der Legierung entfernt worden sind, z. B. durch Erhitzen der Teilchen unter Vakuum, und die Teilchen dann vor dem Sintern unter Vakuum eingeschlossen werden, beispielsweise durchElektronenstrahl-Verschweißen, Materialien mit verbessertem Schleifvermögen und verbesserter Verschleißfestigkeit produziert werden. Das Vakuum kann beispielsweise ein Vakuum von 1 mbar oder weniger sein, und das Erhitzen kann auf eine Temperatur im Bereich von 500ºC bis 1200ºC durchgeführt werden.
Das Material der Erfindung kann als Schleifmittel zum Abt ragen von Materialien, z. B. durch Schneiden, eingesetzt werden. Das Material kann auch als verschleißfestes Material eingesetzt werden, beispielsweise bei Werkzeug-Komponenten oder -Einsätzen, die aus einem Schleifmittel-Compact, der an einen Sintercarbid- Träger gebunden ist, bestehen. Typischerweise wird das Material verwendet zur Herstellung des Trägers oder wenigstens einer Region oder einer Zone des Carbid-Trägers, die während des Gebrauchs der verschleißenden oder abtragenden Wirkung von Spänen ausgesetzt ist. Ein Beispiel für einen solchen Werkzeug-Einsatz ist der Einsatz einer Bohrkrone.
Die Erfindung wird nunmehr anhand der folgenden Beispiele erläutert.

BEISPIEL 1

Eine Masse von Teilchen aus kubischem Bornitrid wurde mit einer Masse von Teilchen aus Wolframcarbid und pulverisiertem Cobalt gründlich vermischt, um eine einheitliche Mischung der Teilchen herzustellen. Die Mischung wurde kalt gepreßt, um einen schwachen, jedoch zusammenhängenden Klumpen zu bilden. Dieser Klumpen wurde in die Reaktionskapsel eines Standard-Hochtemperatur/Hochdruck-Apparats geladen, und die beladene Kapsel wurde in die Reaktionszone dieses Apparats gebracht. Der Inhalt der Kapsel wurde einer Temperatur von 1450ºC und einem Druck von etwa 50 kbar ausgesetzt, und diese Bedingungen erhöhter Temperatur und erhöhten Drucks wurden eine Zeitspanne von 10 min aufrechterhalten. Isoliert aus der Reaktionskapsel wurde ein zusammenhängendes gebundenes Material von guter Verschleißfestigkeit. Der Cobalt-Gehalt des Materials betrug 11 Gew.-%, bezogen auf das Cobalt/Carbid-Gemisch.
Unter Anwendung dieser Verfahrensweise wurde eine Vielfalt von Materialien unter Einsatz von kubischem Bornitrid verschiedener Teilchengrößen hergestellt. Es wurde gefunden, daß sämtliche Materialien gute Zähigkeit - d. h. die Fähigkeit, ein Weiterreißen zu verhindern - und ausgezeichnete Härte besaßen. Die Abriebfestigkeit der Materialien wurde mit Hilfe von Dreh-Tests unter Anwendung von mit Siliciumdioxid-Mehl gefülltem Epoxy-Harz geprüft, wobei die folgenden Bedingungen des Schneidens angewandt wurden:
Probenformat: 90º-Quadrant, 3,2 mm dick
Werkzeughalter: neutral
Anlegewinkel (Rate angle): 0º
Freiwinkel: 6º
Schneidgeschwindigkeit: 10 m/min
Schneidtiefe: 1,0 mm
Vorschubgeschwindigkeit: 0,3 mm/Umdrehung
Dauer des Tests: 30 s
Die erhaltenen Ergebnisse sind in der nachstehenden Tabelle aufgeführt. TABELLE I Größe des eingesetzten CBN Wc-Co/CBN-Verhältnis Freiflächen-Verschleiß

BEISPIEL 2

Eine weitere Serie gebundener zusammenhängender Materialien wurde unter Anwendung der Arbeitsweise von Beispiel 1 hergestellt, jedoch mit der Abänderung, daß die Mischung nicht kalt gepreßt wurde und unter einem Vakuum von weniger als 1 mbar auf 700ºC erhitzt wurde, um flüchtige Stoffe zu entfernen, und dann in der Kapsel unter Vakuum eingeschlossen wurde, bevor die Kapsel in die Reaktionszone der Hochdruck/Hochtemperatur-Apparatur eingeführt wird. Die Materialien wurden dem gleichen Dreh- Test unterzogen, wie er in Beispiel I angegeben ist, und die erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle II aufgeführt. TABELLE II Größe des eingesetzten CBN WC-Co/CBN-Verhältnis Freiflächen-Verschleiß
Es ist darauf hinzuweisen, daß die Werte des aufgezeichneten Freiflächen-Verschleißes (in mm) für die Materialien der Tabelle II niedriger sind als diejenigen der Tabelle I. Je geringer der Freiflächen-Verschleiß ist, desto abriebfester ist das Material. Diese Ergebnisse demonstrieren die Wichtigkeit der Entfernung der flüchtigen Stoffe aus dem teilchenförmigen Material vor dem Sintern.

BEISPIEL 3

Eine weitere Serie von Materialien wurde unter Anwendung der Arbeitsweise von Beispiel 2 hergestellt, jedoch mit der Abänderung, daß der Cobalt-Gehalt ebenfalls variiert wurde. Die Materialien wurden dem gleichen Dreh-Test unterzogen, wie er in Beispiel 1 angegeben ist, und die erhaltenen Ergebnisse sind in der Tabelle III aufgeführt. TABELLE III CBN : WC (Volumina) Co (Volumen)

BEISPIEL 4

Eine Masse von Teilchen aus kubischem Bornitrid wurde mit einer Masse von Teilchen aus Wolframcarbid und pulverisiertem Cobalt gründlich vermischt, um eine einheitliche Mischung der Teilchen herzustellen. Die Mischung wurde bei einer Temperatur von etwa 1400ºC unter einem Vakuum von 0,12 mbar etwa 1 h gesintert, um ein zusammenhängendes gebundenes Material zu erzeugen. Das Material wurde auf Umgebungs-Temperatur abkühlen gelassen. Der Cobalt-Gehalt betrug 11 Gew.-%, bezogen auf die Co/Carbid- Mischung.
Unter Anwendung dieser Arbeitsweise wurden Materialien produziert, die 5 Gew.-% und 10 Gew.-% kubisches Bornitrid enthielten und bei denen zwei unterschiedliche Teilchengrößen - zum einen 1,5 bis 3 um und zum anderen 30 bis 60 um - eingesetzt wurden. Es wurde gefunden, daß die bei Einsatz der gröberen Teilchen erhaltenen gesinterten Materialien eine geringere Bildung von hexagonalem Bornitrid zeigten als diejenigen, bei denen die feineren Teilchen eingesetzt wurden.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines schleifenden und verschleißfesten Materials, das eine Masse von Carbid-Teilchen, eine Masse von Teilchen aus kubischem Bornitrid und ein bindendes Metall oder eine bindende Legierung umfaßt, die zu einer zusammenhängenden gesinterten Form gebunden sind, wobei der Gehalt des Materials an Teilchen aus kubischem Bornitrid 20 Gew.-% nicht übersteigt und das Material im wesentlichen frei von hexagonalem Bornitrid ist, umfassend das In-Berührung-Bringen geeigneter Mengen einer Masse von Carbid-Teilchen und einer Masse von Teilchen aus kubischem Bornitrid mit einem bindenden Metall oder einer bindenden Legierung und das Sintern der Teilchen und des Metalls oder der Legierung unter Temperatur- und Druck-Bedingungen, bei denen das kubische Bornitrid kristallographisch stabil ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die angewandte Temperatur im Bereich von 1400ºC bis 1600ºC liegt und der angewandte Druck im Bereich von 50 bis 70 kbar liegt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, worin das Metall oder die Legierung in pulverisierter Form vorliegt und eine Mischung aus den Carbid-Teilchen, den Teilchen des kubischen Bornitrids und der pulverisierten Legierung oder dem pulverisierten Metall hergestellt wird.

4. Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 3, worin flüchtige Stoffe aus den Teilchen und dem Metall oder der Legierung entfernt werden, die danach vor dem Sintern unter Vakuum eingeschlossen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, worin die flüchtigen Stoffe durch Erhitzen der Teilchen und des Metalls oder der Legierung unter Vakuum entfernt werden.

6. Verfahren nach Anspruch 5, worin das Erhitzen auf eine Temperatur im Bereich von 500ºC bis 1200ºC unter einem Vakuum von 1 mbar oder weniger durchgeführt wird.

7. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Gehalt an kubischem Bornitrid im Bereich von 5 bis 15 Gew.-% liegt.

8. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin der Metall- oder Legierungs-Gehalt im Bereich von 5 bis 15 Gew.-% liegt.

9. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Metall Cobalt, Eisen oder Nickel oder eine eines oder mehrere dieser Metalle enthaltende Legierung ist.

10. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Carbid Wolframcarbid, Titancarbid oder Tantalcarbid oder eine Mischung aus diesen ist.

11. Verfahren nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Material im wesentlichen aus den Carbid-Teilchen, den Bornitrid-Teilchen und dem bindenden Metall oder der bindenden Legierung besteht.