DE60127853T2

DE60127853T2 - Verfahren zur herstellung von ultraharten schleifteilchen

Info

Publication number: DE60127853T2
Application number: DE60127853T
Authority: DE
Inventors: Robert Forest Town FRIES; Iacovos Linden SIGALAS; Manfred Nebelung; Geoffrey John Linden Extension Davies
Original assignee: Element Six Pty Ltd
Current assignee: Element Six Pty Ltd
Priority date: 2000-11-09
Filing date: 2001-11-06
Publication date: 2008-01-17
Anticipated expiration: 2021-11-07
Also published as: KR20030097789A; KR100806457B1; CN1273212C; JP2004513986A; WO2002038264A3; US20040076748A1; AU2002212594A1; DE60127853D1; WO2002038264A2; CN1473071A; EP1331990A2; ATE359115T1; US6979357B2; EP1331990B1; JP4159353B2

Description

Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung ultraharter abrasiver Partikel, insbesondere Diamantpartikel.
Verfahren zur synthetischen Herstellung abrasiver Partikel aus Diamant und kubischem Bornitrid sind im Stand der Technik bekannt. Das Verfahren kann maßgeschneidert werden, um Partikel mit bestimmten Eigenschaften zu erzeugen. Zum Beispiel kann das Verfahren maßgeschneidert werden, um zerbröckelnde Diamantpartikel herzustellen, welche in Anwendungen wie etwa Schleifen verwendet werden. Alternativ kann das Verfahren maßgeschneidert werden, um einen starken, blockförmigen Diamanten guter Qualität zu erzeugen. Solche Diamanten werden typischerweise in Sägen und Schleifanwendungen verwendet.
Diamanten werden synthetisiert, indem eine Kohlenstoffquelle, d. h., ein Diamantvorläufer, erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen unterworfen wird, bei welchen Diamant kristallographisch stabil ist, im Allgemeinen in Gegenwart eines Diamant-Lösemittels/Katalysators. In ähnlicher Weise werden Partikel aus kubischem Bornitrid synthetisiert, indem hexagonales Bornitrid, d. h. der Vorläufer von kubischem Bornitrid, in Gegenwart eines Lösemittels/Katalysators für kubisches Bornitrid erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen unterworfen wird, bei welchen kubisches Bornitrid kristallographisch stabil ist.
Die EP 737510 beschreibt ein Verfahren zum Synthetisieren von Diamantpartikeln durch Beschichten feiner Diamantpartikeln mit zumindest einer Schicht eines Nichtdiamant-Kohlenstoff-Materials, einem Katalysator/Lösemittel in Form eines Metallpulvers und einem organischen Bindemittel, Verdichten der beschichteten Partikeln auf eine solche Weise, dass diese zumindest zum Teil mit einander in Kontakt gelangen, Einbringen der verdichteten Anordnung in ein geeignetes Synthesegefäß und Unterwerfen der verdichteten Anordnung derartiger Temperatur- und Druckbedingungen, bei welchen Diamant kristallographisch stabil ist.
Der Diamant, der synthetisiert wird, ist ein relativ großer Diamant. Dieses Verfahren zur Herstellung relativ großer Diamanten hat mehrere Nachteile. Erstens sind die feinen Partikel schwer zu beschichten, insbesondere unter Verwendung des in dem Patent beschriebenen Fluidisierungsverfahrens. Als Folge neigen die Keime zur Agglomeration. Wenn größere Partikel als Keime verwendet werden, können Reste der Keime im synthetisierten Diamant sichtbar bleiben. Des Weiteren sind die Keime in der verdichteten Anordnung während der Wachstumsphase einer variablen Umgebung ausgesetzt. Diese Variabilität führt zu Unregelmäßigkeiten in dem synthetisierten Diamanten.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von diskreten, ultraharten abrasiven Partikeln die Schritte, dass eine Vielzahl von Granulaten, welche jeweils zumindest ein ultrahartes abrasives Partikel, einen Vorläufer für das abrasive Partikel und ein/einen Lösemittel/Katalysator für das abrasive Partikel oder einen Vorläufer eines solchen Lösemittels/Katalysators umfassen, bereitgestellt wird, dass das Granulat mit einem Trennmedium zwischen benachbarten Granulaten in die Reaktionszone einer Hochdruck-/Hochtemperatur-Vorrichtung eingebracht wird, dass der Inhalt der Reaktionszone erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen, bei welchen das ultraharte abrasive Partikel kristallographisch stabil ist, unterworfen wird, dass das so behandelte Material aus der Reaktionszone wiedergewonnen wird und dass das Trennmedium aus dem behandelten Material entfernt wird, um eine Vielzahl von diskreten abrasiven Partikeln herzustellen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 bis 4 zeigen diagrammatisch die Schritte einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Beschreibung der Ausführungsformen
Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst als einen ersten Schritt die Herstellung einer Vielzahl von Granulaten. Jedes Granulat enthält ein ultrahartes abrasives Partikel und vorzugsweise nur ein solches Partikel. Das Granulat enthält auch ein/einen Lösemittel/Katalysator für das ultraharte abrasive Partikel oder einen Vorläufer eines solchen Lösemittels/Katalysators sowie einen Vorläufer für das ultraharte abrasive Partikel. Die Granulate sind eine kohärente Masse der verschiedenen Komponenten in beliebiger geeigneter Gestalt oder Größe und können durch Verfahren wie etwa Granulation, Pelletbildung oder Sprühbeschichtung hergestellt werden.
Die Granulate können ein organisches oder anorganisches Bindemittel enthalten. Beispiele für solche Bindemittel sind Zelluloseether und organische Polymere. Solche Bindemittel werden im Allgemeinen entfernt, bevor die Granulate den Hochtemperatur-/Hochdruck-Wachstumsbedingungen unterworfen werden.
Die ultraharten abrasiven Partikel sind im Allgemeinen Partikel aus Diamant oder kubischem Bornitrid. Das Verfahren findet insbesondere Anwendung auf die Herstellung von Diamantpartikeln. Die Partikel in dem Granulat sind im Allgemeinen fein, z. B. haben sie eine Größe von weniger als 100 Mikrometer. Wie oben erwähnt, ist die bevorzugte Form der Erfindung, dass jedes Granulat nur ein einzelnes ultrahartes abrasives Partikel enthält.
Das/der Lösemittel/Katalysator oder Vorläufer desselben und der Vorläufer für das ultraharte abrasive Partikel können in Schichtform oder als ein Gemisch in jedem Granulat vorgesehen werden, wobei letzteres bevorzugt wird. Diese Komponenten liegen im Allgemeinen in Pulverform in den Granulaten vor.
Lösemittel/Katalysatoren für Diamant und kubisches Bornitrid sind im Stand der Technik bekannt. Besonders geeignete Beispiele für Diamant-Lösemittel/Katalysatoren sind Übergangsmetalle wie etwa Kobalt, Eisen, Nickel oder Legierungen, die eines oder mehrere dieser Metalle enthalten. Ein Vorläufer des Lösemittels/Katalysators kann ebenfalls verwendet werden.
Beispiele für Vorläufer von Diamant-Lösemitteln/Katalysatoren sind Oxide wie etwa Nickeloxid, Kobaltoxid oder Eisenoxid oder Verbindungen, welche zu einem Oxid reduzieren oder pyrolysieren, wie etwa Karbonate und Oxalate von Metallen wie etwa Eisen, Kobalt oder Nickel. Werden Vorläufer verwendet, so wird bevorzugt, dass die Granulate einer Wärmebehandlung unterzogen werden, um die Vorläufer zu den Metallen zu reduzieren, bevor die Granulate der Hochtemperatur-/Hochdruck-Sinterung unterzogen werden. Die Wärmebehandlung für die Reduktion variiert mit der Art des Granulats, dessen Inhalt und der Art des Vorläufers. Die Vorläufer des Lösemittels/Katalysators reduzieren sich zu dem Metall in einer besonders feinen Partikelgröße, so dass ein fein unterteiltes und homogenes Gemisch der Komponenten der Schicht um das ultraharte abrasive Partikel herum geschaffen wird.
Der Vorläufer für Diamant ist ein Nichtdiamant-Kohlenstoff wie etwa Graphit oder amorpher Kohlenstoff. Der Vorläufer für kubisches Bornitrid ist hexagonales Bornitrid.
In einer Form der Erfindung werden die ultraharten abrasiven Partikel jeweils mit einer Schicht aus Lösemittel/Katalysator beschichtet, bevor die Granulate gebildet werden. Vorzugsweise wird das/der Lösemittel/Katalysator, wenn es sich um ein Metall handelt, auf das abrasive Partikel durch stromlose Beschichtung aufgebracht.
Zwischenbenachbarten Granulaten wird ein Trennmedium vorgesehen, wenn sie sich in der Reaktionszone der Hochdruck-/Hochtemperatur-Vorrichtung befinden. Vorzugsweise wird das Trennmedium als eine Beschichtung auf die Granulate aufgebracht, bevor die Granulate in die Reaktionszone eingebracht werden. Die Beschichtung kann auch durch im Stand der Technik bekannte Verfahren aufgebracht werden. Zum Beispiel kann die Beschichtung durch Sprühbeschichtung in einem fluidisierten Medium vorgesehen werden. Das Trennmedium muss aus einem Material bestehen, welches die Hochtemperatur/Hochdruck-Behandlung des Inhalts der Granulate nicht negativ beeinflusst. Vorzugsweise hat das Trennmedium die Fähigkeit, den Druck, der in dem Reaktionsraum erzeugt wird, in geeigneter Weise zu übertragen. Es wird auch bevorzugt, dass das Trennmedium nach der Behandlung einfach durch Lösen in Wasser oder einer verdünnten Säure, optional mit der Hilfe von Ultraschallbehandlung, oder durch mechanische Mittel von dem Granulat entfernt wird. Des Weiteren wird bevorzugt, dass das Trennmedium ein guter thermischer Leiter ist. Beispiele für geeignete Trennmedien sind Salz, Graphit, hexagonales Bornitrid, Karbonate, Oxide und Phosphate. Das Trennmedium kann im Fall von Diamant auch ein Metall wie etwa Molybdän sein. Das Trennmedium kann mehr als eine Schicht umfassen.
Das Trennmedium kann zwischen benachbarten Granulaten auf anderen Wegen vorgesehen werden. Zum Beispiel können die Granulate in einen Behälter, z. B. in eine Kapsel, eingebracht werden, und das Trennmedium in flüssiger oder in Pulverform in den Behälter hinein und um die Granulate herum hineingeschüttet werden. Falls erforderlich kann eine gute Dispersion und Mischung durch ein gewisses Maß an mechanischer Umwälzung oder Rüttelung gefördert werden, um sicherzustellen, dass keine Lücken vorhanden sind und dass die Granulate alle eingebettet und gleichmäßig in dem Trennmedium dispergiert sind.
Das Trennmedium stellt sicher, dass die Granulate getrennt sind und dass das ultraharte abrasive Partikel in jedem Granulat somit einem gleichmäßigen Wachstumsmedium ausgesetzt ist. In der Folge tritt ein gleichmäßigeres und konsistenteres Diamantenwachstum auf. Das Trennmedium schafft eine Reaktionsbarriere um jedes Granulat herum, und verringert dadurch auch die Auswirkungen von Temperaturgradienten in der Reaktionszone, welche andernfalls zu einer inhomogenen Kristallisation innerhalb der Reaktionszone führen.
Die Granulate können auf Basis der Größe ausgewählt werden. Zum Beispiel können Granulate einer bevorzugten Größe durch Sieben aus einer Masse von Granulaten, oder mittels eines Zyklons oder jedes beliebige geeignete Verfahren zur Größenklassifikation ausgewählt werden.
Im Allgemeinen werden die Granulate und das Trennmedium als eine Beschichtung oder auf andere Art in eine Reaktionskapsel eingebracht und in die Kapsel hinein gepresst oder verdichtet, um den verfügbaren Raum auszufüllen.
Die Wachstumsbedingungen erhöhter Temperatur und erhöhten Drucks, welchen die Granulate unterworfen werden, sind im Stand der Technik bekannt. Typische Drücke liegen in dem Bereich von 3 bis 8 GPa und die Temperaturen liegen typischerweise in dem Bereich von 1000 bis 2100 °C.
Das behandelte Material wird aus der Reaktionszone der Hochtemperatur-/Hochdruck-Vorrichtung entfernt. Das wiedergewonnene Material ist gesintert und kohärent und besteht aus einer Vielzahl von behandelten Granulaten, die durch das Trennmedium getrennt sind. Die diskreten, einzelnen ultraharten abrasiven Partikel können freigesetzt werden, indem zuerst das Trennmedium entfernt wird und dann das/der übrige Lösemittel/Katalysator und der Vorläufer entfernt werden. Diese Wiedergewinnungsschritte sind im Stand der Technik bekannt.
Eine Ausführungsform der Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben. Unter Bezugnahme zuerst auf 1 wird ein Diamantkeim 10, typischerweise mit einer Größe von weniger als 100 Mikrometer, mit einer Schicht 12, welche den Keim 10 vollständig umgibt, aus einem Metall-Lösemittel/Katalysator beschichtet. Ein Beispiel für ein solches Metall ist Nickel. Diese Beschichtung erfolgt vorzugsweise durch stromlose Beschichtung.
Der beschichtete Diamant aus 1 wird dann mit einer Beschichtung aus Lösemittel/Katalysator oder aus Vorläufer desselben sowie mit einem Trennmedium beschichtet. Ein solches Verfahren zur Beschichtung wird durch 2 veranschaulicht. Unter Bezugnahme auf diese Figur wird ein für die Fluidisierung geeigneter Behälter vorgesehen. Eine Masse 20 der beschichteten Keime aus 1 wird in den Behälter eingebracht und Luft oder ein anderes Gas durch den Boden 22 des Behälters 18 eingeleitet, wie durch die Pfeile 24 dargestellt, um die Masse 20 zu fluidisieren. Zuerst wird eine stabile Suspension aus Lösemittel/Katalysator oder Vorläufer und Graphit hergestellt und eine Schicht der Suspension durch die Sprüheinheit 26 auf die fluidisierten Partikel aufgesprüht. Danach wird durch dieselbe Sprüheinheit 26 ein Trennmedium auf die fluidisierten Partikel aufgebracht. So wird ein beschichtetes Partikel oder ein beschichtetes Granulat hergestellt.
Ein Beispiel des beschichteten Partikels oder des beschichteten Granulats, die/das hergestellt werden, ist durch 3 veranschaulicht. Unter Bezugnahme auf diese Figur umfasst das beschichtete Partikel oder Granulat den Diamantkeim 10, eine Lösemittel-/Metall-Beschichtung 12, eine Schicht 14 aus Lösemittel/Katalysator oder Vorläufer und Graphit und eine äußere Schicht 16 aus einem Trennmedium. Wird ein Vorläufer des Lösemittels/Katalysators verwendet, können die Granulate behandelt werden, um den Vorläufer vor dem nächsten Schritt zu dem Lösemittel/Katalysator zu reduzieren. Das/der Lösemittel/Katalysator 12 kann sich von dem Lösemittel/Katalysator von Schicht 14 unterscheiden.
Unter Bezugnahme auf 4 wird das Granulat 28 zusammen mit einer dritten Phase oder einem Übertragungsmedium 32 in eine Reaktionskapsel 30 einer Hochdruck-/Hochtemperatur-Vorrichtung eingebracht. Der Inhalt der Kapsel ist verdichtet, um sicherzustellen, dass keine Leerräume oder Lücken vorhanden sind. Die beladene Kapsel wird dann in die Reaktionszone der Hochtemperatur-/Hochdruck-Vorrichtung eingebracht und dort Diamant-Synthesebedingungen unterworfen. Unter diesen Bedingungen löst sich Graphit in dem Lösemittel/Katalysator auf und wandert zu dem Diamantkeim. An dem Diamantkeim findet ein Wachstum statt. Der Diamantkeim in jedem Granulat wird, in dem eingekapselten und isolierten Zustand, in dem er sich befindet, einer gleichmäßigen, ihn umgebenden Zusammensetzung aus Lösemittel/Katalysator und Graphit ausgesetzt, und somit findet ein gleichmäßiges Wachstum des Diamanten statt. Der Diamant, der aus jedem Granulat wiedergewonnen wird, ist groß und weist ein gutes Kristallwachstum und eine gute Kristallform auf.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Vielzahl von diskreten, ultraharten abrasiven Partikeln, umfassend die Schritte, dass eine Vielzahl von Granulaten, welche jeweils zumindest ein ultrahartes abrasives Partikel, einen Vorläufer für das abrasive Partikel und ein/einen Lösemittel/Katalysator für das abrasive Partikel oder einen Vorläufer eines solchen Lösemittels/Katalysators umfassen, bereitgestellt werden, dass ein Trennmedium als eine Beschichtung auf die Granulate aufgebracht wird, welches die Hochtemperatur-/Hochdruckbehandlung des Inhalts des Granulates nicht störend beeinflusst, dass das mit dem Trennmedium beschichtete Granulat in die Reaktionszone einer Hochdruck-/Hochtemperatur-Vorrichtung eingebracht wird, dass der Inhalt der Reaktionszone erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen unterworfen wird, bei welchen das ultraharte abrasive Partikel kristallographisch stabil ist, dass das so behandelte Material aus der Reaktionszone wiedergewonnen wird und dass das Trennmedium aus dem behandelten Material entfernt wird, um eine Vielzahl von diskreten abrasiven Partikeln herzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, worin jedes Granulat nur ein einzelnes ultrahartes abrasives Partikel enthält.
Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, worin das/der Lösemittel/Katalysator oder Vorläufer davon und der Vorläufer des ultraharten abrasiven Partikels in geschichteter Form oder als ein Gemisch in dem Granulat vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das/der Lösemittel/Katalysator oder Vorläufer davon und der Vorläufer des ultraharten abrasiven Partikels alle in Pulverform in dem Granulat vorgesehen sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das ultraharte abrasive Partikel aus Diamant und kubischem Bornitrid ausgewählt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das ultraharte abrasive Partikel aus Diamant besteht und ein Vorläufer eines Diamantlösemittels/-Katalysators in dem Granulat vorliegt.
Verfahren nach Anspruch 6, worin der Vorläufer ein Oxid eines Metall-Lösemittels/Katalysators oder eine Verbindung ist, welche zu einem Oxid eines Metall-Lösemittels/Katalysators reduziert oder pyrolysiert.
Verfahren nach Anspruch 7, worin der Vorläufer ausgewählt ist aus Eisenoxid, Kobaltoxid und Nickeloxid und einem Gemisch davon.
Verfahren nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, worin das Granulat hitzebehandelt wird, um den Vorläufer auf das Metall zu reduzieren, bevor das Granulat der Hochtemperatur-/Hochdrucksinterung unterzogen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das ultraharte abrasive Partikel in zumindest einem Teil des Granulats vor der Bildung des Granulats mit einer Schicht aus Lösemittel/Katalysator versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 10, worin das/der Lösemittel/Katalysator ein Metall-Lösemittel/Katalysator ist und auf das abrasive Partikel durch stromlose Beschichtung aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die Beschichtung durch Sprühbeschichtung der ultraharten abrasiven Partikel in einem fluidisierten Medium aufgebracht wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das Trennmedium ausgewählt ist aus Salz, Graphit, hexagonalem Bornitrid, einem Karbonat, einem Oxid und einem Phosphat.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin das ultraharte abrasive Partikel Diamant ist und das Trennmedium ein Metall.
Verfahren nach Anspruch 14, worin das Metall Molybdän ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, worin die erhöhten Temperatur- und Druckbedingungen beim Sintern aus einem Druck von 3 bis 8 GPa und einer Temperatur von 1000 bis 2100°C bestehen.