DE3880214T2 - Diamant ethaltendes werkzeug zum gesteinsbohren und bearbeiten. - Google Patents
Diamant ethaltendes werkzeug zum gesteinsbohren und bearbeiten.Info
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Description
- Die Erfindung betrifft ein verschleiß- und schlagfestes Material, das polykristallinen Diamant und Sintercarbid oder andere Kombinationen harter Werkstoffe umfaßt.
- Auf dem Markt wurde bereits eine Anzahl verschiedener bei hohem Druck und hoher Temperatur gesinterter Werkzeuge eingeführt, die als den Hauptbestandteil polykristallinen Diamant enthalten. Die Werkzeuge werden für verschiedene Zwecke verwendet, unter denen die wichtigsten das drehende Gesteinsbohren (Ölbohren), Metallschneiden und Drahtziehen sind.
- Die Herstellung solcher polykristallinen Diamantwerkzeuge unter Anwendung einer Technik mit hohem Druck und hoher Temperatur (HP/HT) wurde in einer Reihe alter Patentschriften beschrieben, z. B. in den US-Patentschriften Nr. 2 941 248, 3,141 746, 3 239 321 und 3 407 445. Alle diese Patentschriften beschreiben die Verwendung eines Druckes und einer Temperatur während des Sinterns in dem Bereich der stabilen Phase von Diamant. Werkzeuge werden beschrieben, die mehr als 50 Vol.-% Diamant und ein Bindemittelmetall, wie z. B. Co oder Ni, haben, doch sind keine Trägerkörper erwähnt.
- In einigen späteren Patentschriften, z. B. den US-Patentschriften Nr. 3 745 623 und 3 767 371, sind bei hohem Druck und hoher Temperatur gesinterte polykristalline Diamantwerkzeuge beschrieben, bei denen der mehr als 70 Vol.-% Diamant enthaltende superharte Körper an einen Sintercarbidkörper gebunden ist.
- Die US-Patentschrift Nr. 4 311 490 beschreibt einen bei hohem Druck und hoher Temperatur gesinterten Körper mit wenigstens zwei Diamantschichten (oder cBN-Schichten) übereinander und an einen Sintercarbidkörper gebunden.
- Die US-Patentschrift Nr. 4 403 015 beschreibt die Verwendung von Zwischenschichten, die aus kubischem Bornitrid (unter 70 Vol.-%) und einem oder mehreren Carbiden, Nitriden, Carbonitriden oder Boriden zwischen der superharten polykristallinen Diamantschicht und dem Trägerkörper bestehen. Mit solchen Schichten wird die Wärmeleitfähigkeit vermindert.
- Eine Anzahl anderer Patente beschreibt die Verwendung von Zwischenschichten, die als Pulver oder Folien zwischen der Diamantschicht (cBN-Schicht) und dem Trägerkörper aufgebracht werden, z. B. US-Patentschriften Nr. 4 063 909, 4 108 614, 4 228 942, 4 229 186, 4 293 618 und 4 411 672. Die DE-A-0 180 243 beschreibt eine Sandwichstruktur, in welcher ein verdichteter Diamantkörper an einen verdichteten Körper durch Diffundieren einer blockierenden Bindungsschicht eines hitzebeständigen Materials aus einem Pulvergemisch gebunden wird.
- Die Erfindung betrifft bei hohem Druck und hoher Temperatur gesinterte Körper von Diamant auf einem Sintercarbid-Trägerkörper oder von anderen Kombinationen harter Werkstoffe mit einer nicht-ebenen Berührungsfläche. Zwischen dem Diamant oder anderem superharten Werkstoff und dem Trägerkörper wurde eine dünne Titannitridschicht (TiN) durch PVD oder CVD aufgebracht.
- Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert. Eine bevorzugte Ausführungsform ist in Anspruch 2 gezeigt.
- Eine Anzahl von Beispielen von Verbundwerkstoffen mit einem Trägerkörper mit nicht-ebenen Berührungsflächen ist in den Fig. 1 bis 3 gezeigt, in denen
- A den Diamantkörper,
- B den Trägerkörper und
- C die Titannitridschicht bezeichnet.
- Gemäß der Erfindung bekommt man einen Verbundkörper mit mehr als 50 Vol.-% polykristallinem Diamant, der an einen Trägerkörper von Sintercarbid gebunden ist, oder von anderen Kombinationen harter Werkstoffe, worin eine durch CVD oder PVD aufgebrachte Zwischenschicht von Titannitrid vorliegt. Die Berührungsfläche des Trägerkörpers ist nicht-eben. Diese Fläche sollte kugelig oder zylindrisch sein oder mit Vertiefungen, Hinterschneidungen oder Nuten in einem mehr oder weniger regelmäßigen Muster versehen sein. Eine solche nicht-ebene Fläche kann leicht mit einer Zwischenschicht einer Folie oder eines Pulvers zwischen dem Trägerkörper und dem polykristallinen Diamant oder anderem superharten Werkstoff versehen werden.
- Es wurde nun überraschenderweise gefunden, daß eine dünne zusammenhängende Schicht von Titannitrid (TiN) mit einer Dicke > 3 um, vorzugsweise etwa 10 um, auf dem Trägerkörper mit nicht-ebener Oberflächengeometrie (Sintercarbid oder anderes P/M-Material oder metallisches Material) durch Verwendung der PVD- oder CVD-Beschichtungstechniken, vorzugsweise bei mäßigen Substrattemperaturen (unter 700 ºC) arbeitenden Techniken, genügt, um eine Diffusion in die polykristaline Diamantschicht und eine Versprödung der Oberflächenschicht des Trägerkörpers nahe der Diamantschicht zu verhindern.
- Nach dem Beschichten des Trägers mit der Titannitridschicht in einer PVD- oder CVD-Anlage werden der Trägerkörper und das Diamantpulver bei hohem Druck (> 40 kbar) und hoher Temperatur (> 1000 ºC) zu einem verdichteten Verbundkörper gesintert.
- Die Zwischenschichttechnik nach der Erfindung für gesinterte Diamantkörper erwies sich als besonders wertvoll für Trägerkörper mit komplexer Oberflächengeometrie, wo die bisherigen Techniken mit dünner Metallfolie und Pulver aus technischen Gründen beschränkt sind, z. B. beim Beschichten vertikaler und negativer Oberflächen auf Trägerkörpern mit engen Stegen - Fig. 1 und 2 - oder beim Beschichten von Trägerkörpern mit gekrümmten Oberflächen - Fig. 3.
- Trotz der geringen Dicke der erhaltenen Titannitrid-Zwischenschicht wurde gefunden, daß ihr Zusammenhängen und ihre Stabilität während des Sinterns als eine wirksame Diffusionsbarriere für die metallischen Komponenten wirkt, was eine Verarmung an Bindemittelmetall, besonders Kobalt, in dem Trägerkörper verhindert und in Verbindung damit eine Versprödung in dem darunterliegenden Trägerkörper verhindert. Dies trifft besonders zu, wenn der Oberflächenbereich des Trägerkörpers auf drei Seiten von Diamant umgeben ist, wie beispielsweise im Falle von Trägerkörpern mit schmalen Stegen oder rechteckigen Zähnen - Fig. 1 und 2.
- Ein anderer großer Vorteil mit der Titannitrid-Barrierenzwischenschicht zwischen dem Diamant und dem Träger ist die erhaltene wirksame Steuerung der Menge und Zusammensetzung von Katalysator (Co, Ni, Fe usw.), die zu dem Diamant zugegeben wird, da die gesamte Katalysatormenge unabhängig von der Zusammensetzung des darunterliegenden Trägermaterials vor dem Sintern zu dem Diamantpulver zugegeben werden muß.
- Hammer-Tests von Diamant-/Sintercarbidproben nach der Erfindung zeigten eine ausgezeichnete Bindung in den Grenzflächen zwischen Träger und Titannitridschicht sowie zwischen Titannitridschicht und Diamant. Die Brüche gehen durch den Diamant und den Sintercarbidträger, aber niemals in die Titannitridschicht oder in deren Nähe.
- Es wurde auch gezeigt, daß mit dieser dünnen Titannitridschicht, die mit der vorliegenden Erfindung möglich wird, keine nachteiligen Wirkungen auf die Hartlöteigenschaften erzielt werden.
- Sintercarbidknöpfe vom WC-Co-Typ (WC - 13 Gew.-% Co) mit einer Berührungsfläche komplexer Geometrie ("Claw Cutter"-Typ, US-Patentschrift Nr.4 592 433) wurden mit einer 10 um dicken zusammenhängenden Titannitridschicht unter Verwendung einer PVD-Technik beschichtet.
- Die mit Titannitrid beschichteten Knöpfe wurden dann bei hohem Druck und hoher Temperatur (65 kbar/1400 ºC) mit einem Pulvergemisch von 94 Vol.-% Diamant und 6 Vol.-% Kobalt gesintert.
- Hammer-Tests der erhaltenen Diamant-/Sintercarbid-Verbundkörper zeigten eine ausgezeichnete Bindung in der Grenzfläche zwischen Sintercarbid und Titannitridschicht sowie zwischen Titannitridschicht und Diamantkörper. Die Brüche gingen durch den Diamant oder den Sintercarbidkörper, aber niemals in die Titannitridschicht oder nahe zu dieser.
- Hartlöttests zeigten keine nachteiligen Wirkungen auf die Hartlöteigenschaften infolge des Vorhandenseins des Titannitridzwischenüberzuges.
Claims (2)
1. Polykristallines Diamantwerkzeug mit einer Schicht von mehr als 50 Vol.-%
Diamantpreßkörper, der mit Hilfe einer dünnen, mehr als 3 um dicken zusammenhängenden,
Metalldiffusion blockierenden Bindungszwischenschicht eines hitzebeständigen Materials
an einen Trägerkörper gebunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß das hitzebeständige
Material durch PVD- oder CVD-Technik aufgebrachtes Titannitrid ist und daß die
beschichtete Oberfläche des Trägerkörpers eine nicht-ebene Geometrie hat, bei welcher
die Oberfläche kugelig oder zylindrisch ist oder mit Vertiefungen, Ausnehmungen oder
Nuten versehen ist.
2. Polykristallines Diamantwerkzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Trägerkörper aus Sintercarbid besteht.
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