DE4024518A1

DE4024518A1 - Thermisch stabile bornitrid-presslinge und verfahren zu dessen herstellung

Info

Publication number: DE4024518A1
Application number: DE4024518A
Authority: DE
Inventors: David Bruce Cerutti
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1989-08-15
Filing date: 1990-08-02
Publication date: 1991-02-21
Also published as: FR2650998B1; FR2650998A1; GB2234987B; CA2019531A1; US4985050A; GB9016686D0; GB2234987A; JPH03122063A; IE902398A1; IE64293B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf ther misch stabile schleifende Preßlinge oder Werkzeugrohlinge, umfaßend eine schleifende oder schneidende Schicht aus poly kristallinem kubischen Bornitrid (CBN) oder wurtzitartigem Bornitrid (WBN), die mit einem Trägermaterial, wie einem Carbidhartmetall verbunden ist. Mehr im besonderen bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Verfahren zum Herstel len solcher thermisch stabilen Werkzeugrohlinge durch Anord nen einer metallischen Sperrscheibe zwischen dem Trägermateri al und einer sinterbaren, Katalysator-freien Schicht aus Teil chen aus kubischem oder wurtzitartigem Bornitrid und Aus setzen einer solchen Anordnung gegenüber Temperatur- und Druckbedingungen, die zur Bildung eines Verbundpreßlings wirk sam sind.

Werkzeugrohlinge aus polykristallinem kubischem Bornitrid ha ben weite Anwendung beim maschinellen Bearbeiten, insbesondere von eisenhaltigen Legierungen, gefunden. Die US-PS 37 43 489 offenbart einen solchen Werkzeugrohling, bei dem eine einheit liche Masse mit mehr als 70 Vol.-% CBN-Kristallen mit einem größeren Träger aus Sintercarbid verbunden ist. Die Masse aus kubischen Bornitridkristallen enthält eine metallische Phase, die Aluminiumatome sowie Atome mindestens eines legierenden Elementes enthält, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Nickel, Kobalt, Mangan, Eisen, Vanadium und Chrom. Werkzeug rohlinge dieser Art werden wegen der Anwesenheit der Aluminium legierung in der CBN-Schicht nicht für thermisch stabil ange sehen. Da die Aluminiumlegierung einen thermischen Ausdehnungs koeffizienten hat, der sich von dem des kubischen Bornitrids merklich unterscheidet, dehnt sich die Aluminiumlegierung bei erhöhten Temperaturen, wie sie beim Schneiden oder Bohren auftreten, aus und läßt die CBN-Schicht reißen oder brechen.

Die US-PS 37 67 371 beschreibt polykristalline CBN-Werkzeug rohrlinge, umfaßend eine einheitliche Masse mit mehr als 70 Vol.-% CBN-Kristallen, die an eine metallgebundene Carbid trägermasse gebunden ist. Das Carbidmaterial ist hauptsächlich Wolframcarbid, Titancarbid, Tantalcarbid oder irgendeine Mi schung davon und das metallische Bindematerial ist ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Kobalt, Nickel, Eisen und deren Mischungen. Werkzeugrohlinge dieser Art sind nicht thermisch stabil, weil das metallische Bindematerial aus dem Carbidträ ger in die CBN-Schicht wandert, wo es als Bindematerial dient. Die thermische Instabilität ist wieder der Tatsache zuzuschrei ben, daß das metallische Bindematerial einen thermischen Aus dehnungskoeffizienten hat, der sich von dem des kubischen Bor nitrids merklich unterscheidet.

Die US-PS 40 63 909 betrifft Preßlinge aus kubischem Bornitrid, die von Wolframcarbid-Hartmetall getragen sind und zwischen der CBN-Schicht und dem Carbidträger ein hochtemperaturbestän diges Hartlotmetall in einer Dicke von weniger als 0,5 mm auf weist. Solche Schleifkörper können in situ hergestellt werden, indem man die Schleifteilchen aus CBN, das Hartlotmetall und den Carbidhartmetall-Träger oder das Carbid-Formpulver Tempe raturen und Drucken in dem Bereich des Bornitrid-Phasendia grammes aussetzt, in dem kubisches Bornitrid stabil ist. Ge eignete Hartlotmetalle schließen Titan, Nickel, Kobalt, Eisen, Chrom, Mangan, Vanadium, Molybdän, Tantal, Platin und Legie rungen ein, die ein oder mehrere dieser Metalle enthalten.

Die US-PS 42 24 380 betrifft thermisch stabile Werkzeugkompo nenten, die zwischen 70 und 90 Vol.-% selbstgebundene CBN- Teilchen umfassen, wobei diese im wesentlichen gleichmäßig mit einer metallischen Phase infiltriert sind, die zwischen 0,05 und 3 Vol.-% der CBN-Schicht umfaßt und diese Phase aus gewählt ist aus Kobalt, Kobaltlegierungen und Legierungen von Aluminium mit einem Metall, ausgewählt aus der Gruppe be stehend aus Nickel, Mangan, Eisen, Vanadium und Chrom und die Komponenten ein Netzwerk miteinander verbundener Poren verteilt durch die ganze Komponente enthalten. Obwohl CBN- Werkzeugrohlinge dieser Art thermisch stabil sind, ist es trotzdem erwünscht, thermisch stabile CBN-Werkzeugrohlinge ohne ein Netzwerk miteinander verbundener Poren zu schaffen.

Die US-PS 46 73 414 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen nachgesinteter Preßlinge aus polykristallinem kubischen Bor nitrid, umfassend das Anordnen gesinterter borreicher poly kristalliner CBN-Teilchen in einer Vorrichtung zur Ausübung hohen Druckes und hoher Temperatur (HP/HT) und Aussetzen der borreichen CBN-Teilchen gegenüber einem Druck und einer Temperatur, die angemessen sind, die CBN-Teilchen nachzusin tern. Produkte dieser Art werden normalerweise ohne einen Carbidträger hergestellt, um einen thermisch stabilen Werk zeugrohling zu schaffen. Wird ein Carbidhartmetall-Träger benutzt, dann infiltriert das metallische Bindematerial, wie Kobalt, die CBN-Schicht mit dem Ergebnis, daß diese CBN- Schicht nicht länger thermisch stabil ist. Bei Abwesenheit eines Carbidhartmetall-Trägers ist der Werkzeugrohling natür lich völlig aus CBN zusammengesetzt, und er ist daher recht teuer. Bei Abwesenheit eines Trägers ist die CBN-Schicht darüber hinaus bruchanfälliger.

Die US-PS 47 97 326 schafft ein Verfahren zur Herstellung ge tragener CBN-Preßlinge durch separates Bilden eines gesinter ten CBN-Preßlings und eines plastisch verformbaren Trägers, Anpassen des CBN-Preßlings und des Trägers, Aussetzen des angepaßten CBN-Preßlings und Trägers gegenüber Bedingungen erhöhten Druckes und erhöhter Temperatur, die zum plastischen Deformieren der Trägeroberfläche in Eingriff mit der Preßling oberfläche genügen und Gewinnen des gebildeten getragenen Preßlings. Obwohl dieses Verfahren zur Schaffung getragener, thermisch stabiler CBN-Werkzeugrohlinge geeignet ist, wäre es erwünscht, solche Werkzeugrohlinge in einem Verfahren zu schaffen, das nicht die separate Herstellung des CBN-Preß lings und der Trägermasse erfordert.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, getragene, thermisch stabile Werkzeugrohlinge aus kubischem oder wurtzit artigem Bornitrid zu schaffen, bei denen die CBN- oder WBN- Schicht im wesentlichen frei ist von anderen Materialien als kubischem oder wurtzitartigem Bornitrid.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaf fung eines Verfahrens zum Herstellen getragener, thermisch stabiler CBN- oder WBN-Werkzeugrohlinge, bei denen die Schleifschicht und die Trägermasse nicht separat hergestellt werden müssen.

Gemäß den vorgenannten Aufgaben werden getragene, thermisch stabile polykristalline Preßlinge geschaffen, die eine CBN oder WBN-Schleifschicht, eine metallgebundene Trägermasse und eine Sperrschicht umfassen, die zwischen der Schleifschicht und der Trägermasse angeordnet ist, wobei die Schleifschicht im wesentlichen frei ist von Katalysator und metallischem Bin dematerial.

Gemäß dem Verfahren nach der Erfindung werden getragene, ther misch stabile Preßlinge hergestellt durch Schaffen einer Masse von Teilchen aus kubischem oder wurtzitartigem Bornitrid, die im wesentlichen frei ist von irgendwelchen anderen Materialien und einer vorgebundenen Trägermasse oder einem geeigneten Formpulver für die Herstellung der Trägermasse in situ, An ordnen einer geeigneten Sperrschicht zwischen den CBN- oder WBN-Teilchen und der Trägermasse oder dem Formpulver dafür und Aussetzen einer solchen Baueinheit gegenüber Bedingungen des Druckes und der Temperatur, die zur Bildung eines Verbund preßlings wirksam sind.

Im folgenden wird der Begriff "kubisches Bornitrid" oder ab gekürzt "CBN" in dem Sinne verwendet, daß er wurtzitartiges Bornitrid oder Mischungen von kubischem und wurtzitartigem Bornitrid einschließt.

Gemäß einem Aspekt schafft die vorliegende Erfindung Schleif preßlinge mit einer nicht-porösen, thermisch stabilen Schicht aus kubischem Bornitrid, wobei die CBN-Schicht im wesentlichen frei ist von irgendwelchen anderen Materialien, einer Träger masse und einer Sperrschicht, die zwischen der CBN-Schicht und der Trägermasse angeordnet ist und die Wanderung von Bindemetall aus der Trägermasse in die CBN-Schicht im wesent lichen verhindert.

Die bei der Herstellung der getragenen Preßlinge der vorlie genden Erfindung eingesetzten CBN-Teilchen können mit irgend einer geeigneten Technik hergestellt werden. Eine Technik schließt die Herstellung von borreichen polykristallinen CBN- Teilchen durch Verarbeiten von Mischungen aus hexagonalem Bornitrid (HBN)-Pulver und entweder elementarem Bor oder ver schiedenen borhaltigen Verbindungen, z. B. AlB₁₂, ein, wie in der GB-PS 15 13 990 beschrieben.

Ein anderes Verfahren schließt das Erzeugen von überschüssigem Bor auf der Oberfläche oxidfreien HBN vor seiner Umwandlung in kubisches Bornitrid ein. Das überschüssige Bor wird durch eine Vorbehandlung erzeugt, die bei einer Temperatur im Zer setzungsbereich des hexagonalen Bornitrids durch Glühen im Vakuum und Erhitzen unter einer inerten Atmosphäre ausgeführt wird, gefolgt von einer Umwandlung in CBN durch Behandlung bei hohem Druck und hoher Temperatur (HP/HT), wie in der US-PS 42 89 503 beschrieben.

Ein besonders bevorzugtes CBN-Material zur Verwendung bei der Ausführung der vorliegenden Erfindung ist von der General Electric Company unter der Handelsbezeichnung "Borazon CBN 550". erhältlich.

Unabhängig von dem angewendeten Verfahren wird borreiches polykristallines CBN im allgemeinen in großen Klumpen erzeugt, die zu Teilchen zermahlen werden, die zur Anwendung für einen besonderen Zweck geeigneter sind. Für die Zwecke der vorlie genden Erfindung ist die Teilchengröße nicht kritisch, und allgemein ist es die gleiche Größe wie die der üblichen CBN- Teilchen, die zur Bildung üblicher polykristalliner CBN-Preß linge HP/HT-Bedingungen unterworfen werden, wie in der US-PS 37 67 371 beschrieben.

Borreiche polykristalline CBN-Teilchen sind bei ihrer Her stellung bereits "gesintert" worden, so daß die CBN-Teilchen beim Verfahren der vorliegenden Erfindung "nachgesintert" wer den. Anders als übliche kubische Bornitrid-Teilchen, die unter Anwendung eines Katalysators oder anderer Bindemittel zu ge sinterten Preßlingen verarbeitet werden, benutzt die vorlie gende Erfindung nur Teilchen aus kubischem Bornitrid, die ohne Hilfe eines Katalysators bei Temperatur- und Druckbedingungen nachgesintert werden können, die ähnlich denen sind, die bei Verfahren angewendet werden, bei denen ein Katalysator einge setzt wird.

Die Trägermasse oder das Formpulver für die In-Situ-Herstellung einer Trägermasse kann irgendeines der bekannten Materialien sein. Vorzugsweise ist die Trägermasse ein metallgebundenes Carbid, wobei das Carbid ausgewählt ist aus der Gruppe beste hend aus Wolframcarbid, Titancarbid, Tantalcarbid und deren Mischungen, und das metallische Bindematerial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kobalt, Nickel, Eisen und deren Mischungen. Insbesondere wird Kobalt-gebundenes Wolframcarbid als Trägermasse benutzt.

Es ist bekannt, daß metallisches Bindematerial, wie Kobalt, aus dem Träger aus Hartmetall während des HP/HT-Bearbeitens in die CBN-Schicht wandert. In der vorliegenden Erfindung wurde festgestellt, daß die Anwesenheit einer Sperrschicht, deren Umfang im wesentlichen dem des Carbidträgers identisch ist, die Wanderung des metallischen Bindematerials in die CBN-Schicht für eine Zeit verzögern kann, die wirksam ist für das Nachsintern der CBN-Teilchen, während das wirksame Ver binden der CBN-Schicht mit der Trägermasse stattfindet. Es werden folglich thermisch stabile, nicht poröse CBN-Preßlinge geschaffen, deren CBN-Schicht im wesentlichen frei ist von an deren Materialien als CBN.

Die in der vorliegenden Erfindung benutzte Sperrschicht kann aus irgendeinem Material bestehen, das zum Verzögern oder Ver hindern der Wanderung des metallischen Bindematerials aus der Trägermasse in die CBN-Schicht während des HP/HT-Verarbeitens geeignet ist. Tantal, Wolfram und Titan sind zur Verwendung als Sperrschicht bevorzugt, wobei Tantal besonders bevorzugt ist.

Die Dicke einer solchen Sperrschicht kann in Abhängigkeit vom eingesetzten Material variieren, doch sollte sie allgemein zwischen etwa 0,02 mm und 1 mm liegen. Wird Tantal für die Sperrschicht benutzt, dann hat sich eine Dicke von etwa 0,05 mm bis etwa 0,4 mm als besonders wirksam erwiesen.

Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen getragener bzw. abgestützter, thermisch stabiler Preßlinge geschaffen, umfassend das Schaf fen einer Masse aus sinterbarem kubischem Bornitrid, das im wesentlichen frei von katalytischem Material ist und einer metall gebundenen Trägermasse oder einem Formpulver für die In-Situ- Herstellung einer metallgebundenen Trägermasse, das Anordnen einer Sperrschicht zwischen der CBN-Masse und der Trägermasse oder dem Formpulver dafür und das Aussetzen einer solchen Bau einheit gegenüber Druck- und Temperaturbedingungen für eine Zeit, die wirksam sind für das Nachsintern der Teilchen aus kubischem Bornitrid, während die Wanderung des metallischen Bindematerials aus der Trägermasse oder dem Formpulver in die CBN- Schicht verzögert oder im wesentlichen verhindert wird. Natürlich müssen die Bedingungen derart sein, daß die Sperr schicht nicht schmilzt, so daß keine ungeregelte Infiltration des metallischen Bindematerials in die CBN-Schicht stattfindet.

Dem Fachmann ist klar, daß die vorliegende Erfindung benutzt werden kann zur Herstellung von Drahtziehmatritzen, indem man die Sperrschicht zwischen dem CBN-Kern und dem metallgebunde nen Ring anordnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert. Alle angegebenen Teile sind Gewichtsteile, sofern nichts anderes ausdrücklich ausgeführt.

Beispiel 1

Es wurde selbst-sinterbares, borreiches polykristallines ku bisches Bornitrid gemäß dem Verfahren der US-PS 46 73 414 her gestellt. Das Material wurde zu einem feinen Pulver gemahlen und neben einem Kobalt-gebundenen Wolframcarbid-Substrat in einer üblichen HP/HT-Reaktionszelle angeordnet. Nach der Reak tion erwiesen sich die erhaltenen von Wolframcarbid getragenen CBN-Preßlinge als gut gesintert, doch gab es keine befriedigen de Bindung zwischen der CBN-Schicht und dem Wolframcarbid- Substrat. Die Analyse der Preßlinge zeigte, daß Kobalt aus dem Wolframcarbidhartmetall-Substrat in die CBN-Schicht gewandert war, wo es die thermische Stabilität der CBN-Schicht und die Bindung zwischen der CBN-Schicht und dem Wolframcarbid-Sub strat beeinträchtigte.

Beispiel 2

Das Verfahren des Beispiels 1 wurde mit der Ausnahme wieder holt, daß das Kobalt-gebundene Wolframcarbid-Substrat in einer Tantalfolie eingeschlossen war. Die HP/HT-Bedingungen ausge setzten Preßlinge erwiesen sich nicht nur als gut gesintert, sondern sie hatten auch eine ausgezeichnete Haftung zwischen der CBN-Schicht und dem Carbidhartmetall-Träger. Ein Quer schnitt des Preßlings wurde analysiert, um festzustellen, ob Kobalt aus dem Carbidträger in die CBN-Schicht gewandert war. Die Analyse zeigte, daß das Kobalt auf das Wolfram carbidhartmetall begrenzt war, obwohl es eine geringe Kon zentration von Kobalt an der Grenzfläche zwischen der Tantal sperre und dem Wolframcarbid-Substrat gab. Somit wurde ein Preßling geschaffen, bei dem die thermische Stabilität der CBN-Schicht bewahrt und eine ausgezeichnete Haftung des Tantals sowohl an der CBN-Schicht als auch am Wolframcarbid substrat erzielt war.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen getragener, thermisch stabiler Preßlinge oder Drahtziehmatritzen aus kubischem oder wurtzit artigem Bornitrid umfassend:
Schaffung einer Masse aus sinterbaren Teilchen aus kubischem oder wurtzitartigem Bornitrid, die im wesentlichen frei von katalytischem Material ist, und einer metallgebundenen Trägermasse oder eines solchen Ringes oder eines Formpulvers für die Bildung einer metallgebundenen Trägermasse oder eines solchen Ringes in situ,
Anordnen einer Sperrschicht zwischen der Masse aus sinter baren Teilchen aus kubischem oder wurtzitartigem Bornitrid und der metallgebundenen Masse oder des Ringes oder des genannten Formpulvers und
Aussetzen einer solchen Materialanordnung gegenüber Druck und Temperaturbedingungen für eine Zeit, die zum Sintern der Teilchen aus kubischem oder wurtzitartigem Bornitrid wirksam sind und im wesentlichen die Wanderung von Metall bindematerial aus der Trägermasse oder dem genannten Form pulver in die Masse aus kubischem oder wurtzitartigem Bor nitrid verhindert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Druck- und Temperatur bedingungen nicht ausreichen, ein Schmelzen der Sperr schicht zu verursachen.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Sperrschicht ausge wählt ist aus der Gruppe bestehend aus Tantal, Wolfram und Titan.

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Sperrschicht Tantal ist.

5. Verfahren zum Herstellen getragener, thermisch stabiler Preßlinge aus kubischem Bornitrid umfassend Schaffung einer Masse sinterbarer Teilchen aus kubischem Bornitrid, die im wesentlichen frei von katalytischem Mate rial ist, und von einer metallgebundenen Trägermasse oder einem Formpulver für die Bildung einer metallgebundenen Trägermasse in situ, gekennzeichnet durch Anordnen einer Sperrschicht zwischen der Masse aus sinter baren Teilchen aus kubischem Bornitrid und der metallge bundenen Masse oder des Formpulvers und Aussetzen einer solchen Anordnung von Materialien gegen über Druck- und Temperaturbedingungen für eine Zeit, die zum Sintern der kubischen Bornitrid-Teilchen wirksam ist und die Wanderung von Metallbindematerial aus der Trä germasse oder dem genannten Formpulver in die Masse aus kubischem Bornitrid im wesentlichen verhindert.

6. Preßling oder Drahtziehmatritze aus kubischem oder wurtzitartigem Bornitrid, hergestellt nach einem Ver fahren umfassend
Schaffen einer Masse sinterbarer Teilchen aus kubischem oder wurtzitartigem Bornitrid, die im wesentlichen frei von katalytischem Material ist, und einer metallgebun denen Trägermasse oder eines solchen Ringes oder eines Formpulvers für die Bildung einer metallgebundenen Trä germasse oder eines solchen Ringes in situ,
Anordnen einer Sperrschicht zwischen der Masse aus sinterbaren Teilchen aus kubischem oder wurtzitartigem Bornitrid und der metallgebundenen Masse oder des Ringes oder des genannten Formpulvers und
Aussetzen einer solchen Anordnung von Materialien gegen über Druck- und Temperaturbedingungen für eine Zeit, die zum Sintern der Teilchen aus kubischem oder wurtzitarti gem Bornitrid wirksam ist und die Wanderung von Metall bindematerial aus der Trägermasse oder dem genannten Formpulver in die Masse aus kubischem oder wurtzitarti gem Bornitrid im wesentlichen verhindert.

7. Preßling nach Anspruch 6, worin der Träger aus Carbid hartmetall besteht.

8. Preßling nach Anspruch 7, worin das Carbid ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wolframcarbid, Titan carbid, Tantalcarbid und deren Mischungen.

9. Preßling nach Anspruch 8, worin der Binder ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Kobalt, Nickel, Eisen und deren Mischungen.

10. Preßling nach Anspruch 9, worin der Träger aus Kobalt gebundenem Wolframcarbid besteht.

11. Getragener, thermisch stabiler Preßling aus polykristalli nem kubischem Bornitrid, bestehend im wesentlichen aus:

a) einer gesinterten Masse von kubischem Bornitrid, die im wesentlichen frei von anderen Materialien ist,
b) einer Trägermasse und
c) einer Sperrschicht, die zwischen der gesinterten Masse aus kubischem Bornitrid und der Trägermasse angeordnet ist.

12. Preßling nach Anspruch 11, worin die Teilchen aus kubischem Bornitrid borreich sind.

13. Preßling nach Anspruch 12, worin die Sperrschicht ausge wählt ist aus der Gruppe bestehend aus Tantal, Wolfram und Titan.

14. Preßling nach Anspruch 12, worin die Sperrschicht Tantal ist.

15. Preßling nach Anspruch 13, worin der Träger Carbidhart metall ist.