DE602005000536T2

DE602005000536T2 - Verfahren zur Herstellung von Diamant enthaltenden Metalleinsätzen

Info

Publication number: DE602005000536T2
Application number: DE602005000536T
Authority: DE
Inventors: Luca Risso
Original assignee: MIMITALIA Srl VADO LIGURE; MIMITALIA Srl
Current assignee: MIMITALIA Srl VADO LIGURE; MIMITALIA Srl
Priority date: 2004-05-18
Filing date: 2005-05-17
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2025-05-18
Also published as: ITTO20040328A1; EP1598173B1; ES2282948T3; CN1714990A; DE602005000536D1; BRPI0501764A; EP1598173A1; US20050271539A1; ATE353280T1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft Diamantinstrumente und insbesondere:

– Diamanteinsätze für Drähte, die verwendet werden zum Schneiden von Blöcken in Marmor- und Granitbrüche sowie für die Produktion von Platten und zum Schneiden von Beton bei Eingriffen auf dem Gebiet der Gebäudeerhaltungsarbeiten; und
– Diamantsegmente und allgemeiner jede gesinterte Diamantschleifkomponente, besonders wenn es eine mit einer komplexen Form ist.

Stand der Technik
Herkömmlicherweise, die Produktionstechnologien von Diamanteinsätzen, aus welchen der Diamantdraht gebildet ist, bestehen aus Trockenpressen einer Mischung von Metallstäuben – typischerweise Co, Fe, WC, W, Cu, Sn – und Diamantkörnern in Formen aus Stahl oder Hartmetall, gefolgt durch Sintern. Auf der anderen Seite werden Heißpresssysteme unter Verwendung von Sintermaschinen aufgegeben aufgrund der Tatsache, dass sie weit weg von wirtschaftlich lukrativ sind.
Die Ausgangszusammensetzungen bestehen aus einer Mischung mit variabler Rezeptur aus:

1) feinem Metallstaub, üblicherweise mit einem Durchmesser zwischen 1 μm und 10 μm, unter welchem zum Beispiel, aber nicht ausschließlich, Ni, Cu, Fe, Sn und Zn sind;
2) einem Metallbindemittel, üblicherweise Kobalt;
3) groben Körnern aus industriellem synthetischem Diamant; und
4) Körnern aus Schleif- oder Verstärkungsmaterial (zum Beispiel, aber nicht ausschließlich, SiO₂, WC/W₂C, B₄C, SiC, TiC, MO₂C, CrC, Al₂O₃, in Korngrößen bis zu 250 μm).

Die hohen Drücke verbunden mit der Reibung zwischen der Mischung aus Stäuben und den Teilen der Form ebenso wie zwischen den verschiedenen Teilen der Form untereinander, erreicht während des Formens der Stäube, bewirken üblicherweise Defektentstehung aufgrund der Heterogenität der Mischung und aufgrund der Verteilung der Spannungen in der Form. Dies gilt insbesondere in dem Extraktionsschritt nach Druck (Bildung von Rissen und Splittern). Weiterhin ist die Verteilung der Spannung innerhalb der Form inhomogen, da sie wesentlich höher in der Nähe des Kontaktpunkts zwischen der Mischung und dem Kraftstecker (d.h. der Teil der Form, welcher die Druckkraft ausübt) ist. Die herkömmlichen Drucktechnologien mit kalten Formen beschränken die Möglichkeit, Diamantinstrumente herzustellen mit wesentlich einfachen Formen. Ein anderer Nachteil in Bezug zu den konventionellen Technologien ist verbunden mit der Anwesenheit des Diamanten, welcher eine beachtliche Reibungswirkung auf die Formen hat, was zu deren rascher Abnutzung führt.
Die US-Patentanmeldung Nr. US-2002/0178862 enthüllt die Anwendung von Technologien wie Metallspritzguss (MIM) zu der Herstellung von Formen aus einer Legierung aus Wolfram-Kobalt-Carbid, voraussehend die folgenden Vorbereitungsschritte einer Legierung aus Wolfram-Kobalt-Carbid mit möglicher Zusetzung anderer Komponenten oder Elemente, Mischen mit Kunstharzadditive n, Spritzgießen mit MIM-Technologie, Entfernen der Kunstharzadditive und schließlichem Sintern. Die Sintertemperaturen, besonders bezeichnet in dem vorausgehenden Dokument US 2002/0178862 (bis zu 1370° C) sind nicht kompatibel mit der Produktion von Einsätzen mit Diamanten in der Form von Körnern.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Herstellungsverfahren für Diamantelemente und Einsätze bereitzustellen, das es ermöglicht, die oben beschriebenen Nachteile zu überwinden, d.h. eine Reduzierung in den Formdrücken der Instrumente und demnach in der Abnützung der Formen erreichen wird, unter Ausnutzung der Vorteile bekannter Technologien wie MIM.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Fehlerhaftigkeit in dem Gießschritt wesentlich zu reduzieren. Noch ein weiterer Zweck der Erfindung besteht im Garantieren einer hohen Homogenität der Verteilung des Drucks innerhalb der gepressten Komponente. Ein anderer Zweck der Erfindung ist es, die Möglichkeit zu garantieren, auch komplexe Formen zu erhalten.
Die obigen Aufgaben werden erreicht über ein Verfahren angewendet auf eine Mischung aus Metallstäuben und Diamantkörnern, umfassend die folgenden aufeinanderfolgenden Schritte:

1) Vorbereitung einer Ausgangszusammensetzung aus Metallstäuben;
2) Plastifizieren der Metallstaubausgangszusammensetzung mittels Zugabe von Kunstharzadditiven speziell für Spritzguss von Metallstäuben (MIM-Verfahren);
3) Zugabe von Diamantkörnern mit einer Korngröße umfassend zwischen 10 μm und 300 μm, vorzugsweise mittels heißem Plastifizieren, Homogenisieren, Kühlen und Granulierung;
4) Spritzgießen (MIM) sowohl bei hohem und niedrigem Druck der Mischung zum Erhalten von Diamantelementen der gewünschten Form;
5) Entfernen der Kunstharzadditive;
6) Sintern der Diamantelemente; und
7) Infiltrierung der gesinterten Elemente mit einer eutektischen Legierung zur Vernichtung jeglicher restlicher Porositäten.

Sintern der Diamantelemente kann durchgeführt werden bei Temperaturen umfassend zwischen 900° C und 1100°C. Es ist ebenso möglich, die Sinterabläufe mit heiß-isostatischem Pressen (HIP) oder Heißpresstechnologien durchzuführen. Es kann wahrscheinlich ein möglicher weiterer Abschluss-HIP-Schritt vorausgesehen werden.
Die bevorzugten Zusammensetzungen der Ausgangszusammensetzung der Stäube sind in der folgenden Tabelle aufgelistet:
Die Korngröße des Staubes aus Co, Fe, WC, W, Cu und Sn umfasst üblicherweise zwischen 0,01 μm und 100 μm. Die Korngröße des Diamantabriebs umfasst typischerweise zwischen 10 und 200 Maschen (Maschen entsprechend B.S.I. 1943, Tyler 1910 und US-Standard 1940).
Die verwendeten Kunstharzadditive können z.B. ausgewählt werden aus:

1) thermoplastischen Mischungen mit einer Basis aus Polyolefinen wie: Polyethylen, Polypropylen, Ethylvinylacetat, Wachs, Stearinsäure;
2) wasserlöslichen thermoplastischen Mischungen mit einer Basis aus Polyvinylalkohol, Zellulosekomponenten und Polysacchariden;
3) polyacetalischen thermoplastischen Mischungen; und
4) duroplastischen Mischungen.

Mischen der Metallstäube mit den Kunstharzadditiven wird als Heißmischverfahren durchgeführt, z.B. in Vorrichtungen des Doppelschraubenextrudertyps oder Doppelrollernmischertyps.
Der Diamantabrieb wird folglich zugegeben mittels heißer Plastifizierung, Homogenisierung, Kühlen und Granulierung. Für diesen Schritt kann ein Planetenmischer mit Z-formigen Schaufeln oder Σ-formigen Schaufeln z.B. verwendet werden.
Die so erhaltene Mischung wird dann unter Verwendung von MIM (Metallspritzgießen-)Technologie spritzgegossen mit den folgenden kritischen Parameter: Druck zwischen 1 bar und 1000 bar und Temperatur zwischen 50° C und 300° C.
Es werden so diamantgegossene Körper erhalten, welche dann dem Entwachsen unterworfen werden, d.h. Entfernen der Kunstharzadditive.
Entwachsen kann z.B. in verschiedenen alternativen Arten ausgeführt werden.

1) Verwendung von Hitze mittels thermischer Behandlung in Ofen in einer kontrollierten Atmosphäre oder Luft;
2) Verwendung organischer Lösungsmittel wie Alkohol, Benzol, Cylen usw. oder anderer wässriger Lösungen; und
3) mittels Katalyse in Ofen, gesättigt mit Salpetersäure.

Dann werden die so erhaltenen, gegossenen und entwachsten Körper Sintern unterworfen.
Sintern wird typischerweise in einem industriellen Wasserstoffofen durchgeführt, mit charakteristischen Temperaturen zwischen 900° C und 1100°C. Es ist ebenso möglicht, Sintern mit HIP oder anderem Heißpressen durchzuführen.
Die durch Pressen und anschließendes Sintern gebildete Mischung ist nächstmöglich Infiltration mit einer Cu/Ag-eutektischen Legierung oder einer anderen infiltrierenden Legierung unterworfen, um alle möglichen verbliebenen Porositäten, die in den Einsätzen vorhanden sind, zu füllen.
Die so erhaltenen Elemente oder Einsätze (jedes normalerweise ausgestattet mit einer zentralen Metallunterstützung) werden abschließend befestigt auf einem Metallkabel, um Drähte zu erhalten, welche zum Schneiden von Blöcken in Marmor- und Granitbrüchen verwendet werden können ebenso wie für die Produktion von Platten und zum Schneiden von Beton bei Eingriffen auf dem Gebiet der Gebäudeerhaltungsarbeiten.
Dank des beschriebenen Verfahrens ist eine Reduzierung in den Formdrücken der Instrumente möglich – und demnach in der Abnützung der Formen – wie desgleichen eine größere Homogenität in der Dichte des Grünkörpers erreicht ist, der durch Pressen geformt ist und folglich eine bessere Homogenität der physikalisch-mechanischen Eigenschaften des Endprodukts erreicht ist. Es ist weiterhin möglich, Produkte zu erhalten, sogar mit einer komplexen Form, ebenso wie eine Verwendung gängiger MIM-Technologie für die Herstellung der Diamanteinsätze, mit deutlichen Einsparungen in Bezug auf Produktionskosten.
Die Erfindung ermöglicht die Vorteile dank der Besonderheit der kombinierten Schritte des beanspruchten Verfahrens, das die Kombination darstellt als eine einmalige Art, technische Vorurteile bis zu dem heutigen Tag verbunden mit vermeintlich unüberwindbaren Betriebsschwierigkeiten in Bezug zur Zuflucht zu MIM-Technologien zum Formen der Diamantelemente zu überwinden.
Natürlich können die Modalitäten und Schritte des Verfahrens breit variieren in Bezug zu dem, was rein als Beispiel hier beschrieben ist, ohne dabei das Feld der vorliegenden Erfindung, wie in den anschließenden Ansprüchen begrenzt, zu verlassen. Demnach wird die Anwendung der Erfindung von Diamanteinsätzen für Diamantdrähte zum Schneiden rein als ein Beispiel angegeben. Eine ebenso vorteilhafte Anwendung kann tatsächlich für die Herstellung von Diamantsegmenten vorausgesehen werden, welche in der Zukunft die Hauptanwendung sein kann, und neue Formen, die bis jetzt noch nicht hergestellt wurden, werden möglich aufgrund der Vielseitigkeit des MIM-Verfahrens.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Diamantelementen wie Diamanteinsätzen für Schneiddrähte und dergleichen, dadurch gekennzeichnet, dass es die nachfolgenden Schritte aufweist: – Herstellen einer Ausgangsmischung von Metallstäuben; – Plastifizieren der Ausgangsmischung von Metallstäuben mit Hilfe des Hinzufügens von Kunstharzadditiven, spezifisch für das Spritzgießen von Metallstäuben; – Hinzufügen von Diamantkörnerchen mit einer Korngröße zwischen 10 μm und 300 μm; – Spritzgießen mit Hilfe der MIM (Metallspritzgieß)-Technologie der so erhaltenen Mischung zum Erzielen von Diamantelementen mit der gewünschten Form; – Entfernen der Kunstharzadditive; – Sintern der so erhaltenen Diamantelemente; und – Tränken der gesinterten Elemente mit einer eutektischen Legierung zum Entfernen von verbleibenden Porositäten.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Ausgangsmischung von Metallstäuben eine der folgenden Mischungen hat:
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Korngröße des Ausgangsmetallstaubs zwischen 0,1 μm und 100 μm ist.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die hinzugefügten Diamantkörnerchen einen Anteil zwischen 0,5 und 5 Gew.-% der Mischung haben.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die Kunstharzadditive ausgewählt sind aus einer der nachfolgenden Klassen: a. thermoplastische Mischungen mit einer Basis von Polyolefinen wie: Polyethylen, Polypropylen, Ethylvinylacetat, Wachs, Stearinsäure; b. wasserlösliche thermoplastische Mischungen mit einer Basis von Polyvinylalkohol, Zelluloseverbindungen und Polysacchariden; c. polyacetalische thermoplastische Mischungen; und d. aushärtbare Mischungen.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Hinzufügen der Kunstharzadditive zu der Mischung von Stäuben in heißen Zuständen in einem Doppelschraubenextruder erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Hinzufügen der Kunstharzadditive zu der Mischung von Stäuben in heißen Zuständen in einem Doppelrollenmischer erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Hinzufügen von Diamantkörnerchen mit Hilfe eines Planetenmischers mit Z-förmigen Schaufeln erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Hinzufügen von Diamantkörnerchen mit Hilfe eines Planetenmischers mit sigmaförmigen Schaufeln erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Entfernen der Kunstharzadditive durch Wärme in einer kontrollierten Atmosphäre oder Luft erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Entfernen der Kunstharzadditive unter Verwendung von organischen Lösungsmitteln erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Entfernen der Kunstharzadditive mit Hilfe von wässrigen Lösungsmitteln erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Entfernen der Kunstharzadditive mit Hilfe einer Katalyse in Öfen, gesättigt mit Salzpetersäure oder Oxalsäure, erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem Spritzgießen gemäß der MIM-Technologie mit Drücken zwischen 1 bar und 1000 bar erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem Spritzgießen gemäß der MIM-Technologie bei Temperaturen zwischen 50° C und 300° C erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Sintern bei Temperaturen zwischen 900° C und 1000° C durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem das Sintern mit Hilfe isostatischen Heißpressens oder Heißpressens erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem die eutektische Legierung des Tränkens eine Kupfer/Silber-Legierung ist.