DE69011555T2

DE69011555T2 - Verfahren zur Herstellung von Werkzeugrohlingen aus Polykristallinen Verbundmaterial mit ebenen Karbidträger / Diamant oder CBN Zwischenflächen.

Info

Publication number: DE69011555T2
Application number: DE69011555T
Authority: DE
Inventors: David Bruce Cerutti
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Diamond Innovations Inc
Priority date: 1989-03-31
Filing date: 1990-02-23
Publication date: 1995-01-19
Anticipated expiration: 2010-02-24
Also published as: KR900014246A; JP3059738B2; US4954139A; EP0389800A1; ES2057209T3; ZA90480B; AU622766B2; EP0389800B1; AU4991490A; ATE110018T1; DE69011555D1; CA2008847A1; JPH0328166A

Description

. . . . Dr. rer. iiat. Rolf Sieb .. .. .. D-69514 LAUDENBACH PATENTANWALT Finstertal 12 Telefon: (06201) 7 4765 Telefax: (06201) 47 7425 690 11 555.5-08 540 II4-60SD-00437

10 GENERAL ELECTRIC COMPANY

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf polykristalline Preßlinge aus Diamant (PCD) oder kubischem Bornitrid (CBN), die durch ein Verfahren unter hohem Druck und bei hoher Temperatur (HP/HT) hergestellt sind, und sie bezieht sich mehr im besonderen auf solche Preßlinge in einer mit Träger versehenen Konfiguration, die im wesentlichen ebene Trägergrenzflächen haben.
Ein Preßling ist eine gesinterte polykristalline Masse von Schleifteilchen (z. B. Diamant), die unter Bildung einer integralen, zähen, zusämmenhängenden, eine hohe Festigkeit aufweisenden Masse miteinander verbunden sind. Ein Verbundpreßling ist ein Preßling, der an ein Substratmaterial, wie gebundenes Metallcarbid (z. B. Cobalt-gebundenes Wolframcarbid) gebunden ist. Die metallgebundene Carbidmasse ist im allgemeinen ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Wolfram-, Titan-, Tantalcarbiden und deren Mischungen mit einem Metallbindematerial, das normalerweise in einer Menge von etwa 6 bis 25 Gew.-% vorhanden und ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cobalt, Nickel, Eisen und deren Mischungen. Es können auch andere Metallcarbide benutzt werden.
Preßlinge oder Verbundpreßlinge können als Rohlinge für Schneidwerkzeuge, Bohrereinsätze, Werkzeuge zum Abrichten bzw. Nachbearbeiten und als Verschleißteile benutzt werden. Preßlinge, die in einer zylindrischen Konfiguration hergestellt wurden, hat man zur Herstellung von Durchziehmatrizen benutzt (siehe US-PS 3,831,428).
Ein Verfahren zum Herstellen von Diamant-Preßlingen schließt die Stufen ein:
A. Anordnen innerhalb einer Metall-Schutzhülle, die in der Reaktionszelle einer HP/HT-Vorrichtung angeordnet ist:
(1) einer Masse von Diamantkristallen
(2) einer Masse von Katalysatormetall oder Katalysatormetall enthaltender Legierung in Kontakt mit der Masse aus Diamantkristallen und
(3) ggf. einer Masse von metallgebundenem Carbid und
(B) Unterwerfen des Inhaltes der Zelle den Bedingungen der Temperatur, des Druckes und für eine Zeit [typischerweise mindestens 5 x 10&sup9; Pa (50 kbar), mindestens 1300ºC und für 3- 120 Minuten], die genügen, um ein Verbinden zwischen benachbarten Kristallkörnern zu ergeben.
Die Masse des Katalysatormetalles könnte in Form einer Scheibe eines der bekannten Katalysatoren oder einer mindestens ein Katalysatormetall für die Diamantkristallisation enthaltenden Legierung vorliegen. Unter den HP/HT- Bedingungen wandert eine Welle aus flüssigem Metall durch das dichte Diamant (oder CBN-, wie unten beschrieben)-Material und das Katalysatormetall (in flüssiger Form) ist als ein Katalysator oder Lösungsmittel für die Rekristallisation oder das Verwachsen von Kristallen verfügbar. Die Begriffe Katalysator und Katalysator/Lösungsmittel werden austauschbar benutzt. Dieses Verfahren wird manchmal als das "Durchstreich-Verfahren" bezeichnet, d. h. der Katalysator streicht (oder bewegt sich oder diffundiert) durch die kristalline Masse.
Die relativen Gestalten der Schleifmasse und des Katalysators können variiert werden. So kann z. B. die Masse aus Diamant zylindrisch sein und der Katalysator kann sich in einer ringförmigen Gestalt um den Zylinder aus Schleifkristallen befinden oder er kann eine Scheibe auf oder unter der Diamantmasse sein.
Die Katalysatorquelle kann auch gebundenes Metallcarbid oder Carbid-Formpulver (das kalt gepreßt ist) sein, wobei das Bindemittel ein Katalysator oder ein Lösungsmittel für die Rekristallisation oder das Wachstum von Diamant ist.
Der Katalysator ist im allgemeinen ausgewählt aus Cobalt, Nickel, Eisen, doch kann er aus jedem der bekannten Katalysatoren ausgewählt sein, die auch Ruthenium, Rodium, Palladium, Platin, Chrom, Mangan, Tantal oder Mischungen oder Legierungen von Katalsysatoren einschließen. Der Katalysator kann, statt eine separate Masse benachbart den Schleifkristallen zu sein, mit den Schleifkristallen vermischt sein oder in beiden Formen vorliegen.
Es werden hohe Temperatur und hoher Druck in dem Bereich, in dem Diamant stabil ist für eine genügende Zeit angewendet, um die Diamantkristalle zu verbinden oder zusammenzusintern. Der Bereich, in dem Diamant stabil ist, ist der Bereich von Druck/Temperatur-Bedingungen, unter denen Diamant thermodynamisch stabil ist. Auf einem Druck/Temperatur-Phasendiagramm ist es die Hochdruckseite, oberhalb der Gleichgewichtslinie zwischen Diamant und Graphit. Der resultierende Preßling ist besonders durch eine Verbinden von Diamant an Diamant charakterisiert, d. h. eine Verbindung zwischen benachbarten Körnern, wobei es Teile des Kristallgitters gibt, die benachbarten Kristallkörnern gemeinsam sind (aus der Rekristallisation bei den HP/HT-Bedingungen resultierend). Die Diamantkonzentration beträgt vorzugsweise mindestens 70 Vol.- % der Diamantmasse (d. h. unter Ausschluß irgendeiner Substratmasse). Verfahren zum Herstellen von Diamantpreßlingen sind detailliert in den US-PSn 3,141,746; 3,745,623; 3,609,818; 3,831,428 und 3,850,591 beschrieben.
Preßlinge aus kubischem Bornitrid werden in einer ähnlichen Weise, wie gerade für Diamant beschrieben, hergestellt. Stellt man jedoch einen CBN-Preßling nach dem Durchstreich-Verfahren her, dann kann das durch den CBN-Kristall bewegte Metall ein Katalysator oder ein Lösungsmittel für die CBN-Rekristallisation sein, braucht es aber nicht. Eine Masse aus polykristallinem CBN kann an ein Cobalt-gebundenes Wolframcarbid-Substrat gebunden werden, indem der Cobaltbestandteil unter den HP/HT-Bedingungen in die Zwischenräume der CBN-Masse wandert, obwohl Cobalt kein Katalysator für CBN ist. Dieses Zwischenraum-Cobalt bindet das polykristalline CBN an das gebundene Woframcarbid-Substrat. Der Begriff Katalysator wird der Bequemlichkeit halber trotzdem benutzt, um das Binde- oder Sintermetall zu beschreiben, das in eine CBN- Teilchenmasse wandert.
Das HP/HT-Sinterverfahren für CBN wird in dem Bereich ausgeführt, in dem CBN stabil ist, was der Bereich der Druck- und Temperatur-Bedingungen ist, unter denen CBN thermodynamisch stabil ist. Die CBN-Konzentration beträgt vorzugsweise mindestens 70 Vol.-% der CBN-Masse. Verfahren zum Herstellen von CBN-Preßlingen, sind detailliert in den US-PSn 3,233,988; 3,743,489 und 3,767,371 beschrieben, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Es wird angenommen, daß eine Kristallverwachsung oder ein Verbinden von Kristall an Kristall zwischen benachbarten CBN-Körnern (wie für Diamantpreßlinge beschrieben) vorhanden ist.
Eine andere Form eines polykristallinen Preßlings, der ein interkristallines Verbinden enthalten mag oder nicht, umfaßt eine Masse aus Diamant oder CBN-Teilchen, die eine zweite Phase enthält, umfassend ein Metall oder eine Legierung, ein Keramikmaterial oder deren Mischungen, wobei das zusätzliche Material, oder die zusätzliche Phase, als ein Bindemittel für die Schleifteilchen wirkt. Polykristalline Diamant- oder polykristalline CBN-Preßlinge, die ein gebundenes Carbidmaterial enthalten, sind ein Beispiel für eine solche verbundene polykristalline Schleifmittelmasse oder einen solchen Preßling.
Feines Diamant-Ausgangsmaterial war immer schwierig nach dem Durchstreich-Verfahren zu sintern. Im allgemeinen wird das Sintern mit abnehmender Teilchengröße des Ausgangsmaterials zunehmend schwierig. Kleinere Größen des Diamant- Ausgangsmaterials (Teilchen mit einer größten Nominalabmessung von 4-8 um oder weniger) waren einige Zeit ein Problem, weil ihre große Oberfläche und ihre geringe Größe mehr Schwierigkeiten beim Säubern, Behandeln oder Einfüllen des feinen Pulvers in eine Reaktionszelle verursachte. Es war jedoch auch bekannt, daß mit abnehmender Diamantkorngröße in den Preßlingen die Quer-Bruchfähigkeit zunimmt, was Preßlingen aus kleineren Teilchen einen Vorteil gibt. Ein anderer Vorteil ist die feinere Schneidkante des Preßlings, die zu weniger Beschädigung des Werkstückes führen kann. Unter den hohen Drucken (z. B. 5 x 10&sup9; Pa (50 kbar) oder mehr), die während des HP/HT-Verfahrens angewendet werden, hat der Preßling aus feinen Schleifkristallen eine ziemlich hohe Pakkungsdichte und eine sehr feine Porenstruktur. Die resultierende Diamantmasse ist daher dicht und setzt dem Hindurchsickern oder Durchstreichen des Katalysatormetalles durch die Zwischenräume daher Widerstand entgegen.
Die JP-A 5681605 offenbart ein HP/HT-Verfahren zum Herstellen von zwei Verbund-Schneidkörpern gleichzeitig, bei dem jeder Träger einen äußeren konkaven Teil hat, der mit CBN- oder Diamant-Pulver gefüllt ist, ein Träger einen inneren konkaven Teil hat, der andere einen inneren konvexen Teil, wobei die inneren Teile der Träger durch zwei Metallplatten, die ein Druckmedium enthalten, voneinander getrennt sind. Es gibt keine Offenbarung hinsichtlich der Einstellung des Profils der Trägeroberfläche, um eine erwünschte Grenzflächengeometrie in dem fertigen Verbundkörper zu erhalten.
Es ist bei der kommerziellen Herstellung mit Trägern versehener Preßlinge üblich, mehrere in der gleichen innerhalb der Reaktionszelle der HP/HT-Vorrichtung angeordneten Hülle herzustellen. Nachdem die mit Träger versehenen Preßlinge aus der HP/HT-Vorrichtung herausgenommen wurden, werden sie üblicherweise Endbearbeitungen unterworfen, die das Abschleifen anhaftenden Hüllenmetalles von den äußeren Oberflächen der Preßlinge und häufig ein zusätzliches Schleifen einschließen, um z. B. einen zylindrischen Preßling mit einer Diamant- oder CBN-Plattendicke und/oder Carbidträger- Dicke herzustellen, die in die vom Hersteller vorgeschriebenen Produkt-Spezifikationen fällt. Besonders bei den PCD- und CBN-Preßlingen ist eine im wesentlichen gleichmäßige Schleifschichtdicke erwünscht, da die Rohlinge durch den Hersteller oder Verwender oft in eine Vielfalt von Konfigurationen (z. B. tortenstückenförmige Keile) geschnitten werden und die Schleifplatte oder -schicht auf jedem der Endprodukte im wesentlichen gleichmäßig sein sollte. Die mit Träger versehenen Preßling-Rohlinge, die aus der HP/HT-Vorrichtung gewonnen wurden, waren bereits einer hohen Temperatur ausgesetzt, gefolgt vom Abkühlen auf etwa Raumtemperatur. Während der Endbearbeitung kann die Temperatur des Preßlings aufgrund der Schleifoperationen, Schneidoperationen (z. B. unter Anwendung von Laser- oder Elektroentladungs-Bearbeitungstechniken) erhöht werden. Die Rohlinge oder daraus geschnittenen Produkte, werden außerdem häufig innerhalb von Werkzeugen montiert, die eine Vielfalt von Hartlöt-Techniken benutzen, die die Rohlinge oder die Produkte daraus weiter erhöhter Temperatur aussetzen. Bei jedem diesem Erhitzen wird sich der Carbidträger zu einem sehr viel größeren Ausmaß ausdehnen als die daran gebundenen PCD- oder CBN-Schichten. Beim Abkühlen werden die Restspannungen in den vorerhitzten Preßlingen auf natürliche Weise beseitigt. Eine solche Spannungsbeseitigung wird häufig durch einen Preßling mit einer nicht planar gebundenen Oberfläche zwischen der Schleifschicht und dem Carbidträger manifestiert, was zu Preßlingen mit im wesentlichen ungleichmäßiger Dicke führt, wie in den Fig. 1 oder 2 veranschaulicht (die detailliert weiter unten beschrieben werden). Es gibt daher im Stand der Technik einen Bedarf zur Herstellung von Preßling-Rohlingen und daraus hergestellten Produkten, die eine im wesentlichen planare Grenz- bzw. Zwischenfläche aufweisen, um fertige mit Träger versehene Preßlinge zu ergeben, die eine im wesentlichen gleichmäßige PCD- oder CBN-Preßlingsdicke aufweisen.

Allgemeine Darlegung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines mit Träger versehenen PCD- oder CBN-Preßlings, umfassend das Anordnen einer Bechereinheit mit einer Masse aus Diamant- oder CBN-Teilchen, die eine Oberfläche aufweist und einer Masse aus gebundenem Metallcarbid, die eine Oberfläche aufweist und vorzugsweise einem Katalysator für die Diamant-(oder ggf. CBN)-Rekristallisation, wobei die genannten Oberflächen benachbart angeordnet sind und eine Grenzfläche bilden, in einer Hülle. Die Hülle wird dann einem Verfahren unter hohem Druck und hoher Temperatur unterworfen, das zu Diamant- oder CBN-Preßlingen führt, die durch Bindungen von Diamant an Diamant oder CBN an CBN gekennzeichnet sind, verbunden mit einem gebundenem Carbidträger an ihren jeweiligen Oberflächen. Alternativ wird ein polykristalliner Preßling gebildet, charakterisiert durch Kristalle, die durch ein Metall, eine Legierung, ein gebundenes Carbid oder ein anderes keramisches Material verbunden sind. Der mit Träger versehene Preßling wird aus der Hülle und der Bechereinheit entnommen und endbearbeitet. Der endbearbeitete, mit Träger versehene Preßling hat eine nicht planare gebundene Grenzfläche, die in PCD- oder CBN-Preßlingen im wesentlichen ungleichmäßiger Dicke resultiert. Die Verbesserung im Verfahren der vorliegenden Erfindung umfaßt, daß die Oberfläche der Carbidmasse nahezu ein Spiegelbild der endbearbeiteten nicht planaren PCD- oder CBN-Grenzfläche ist, um einen fertigen mit Träger versehenen Preßling erwünschter (z. B. im wesentlichen gleichmäßiger) Diamant- oder CBN-Preßlingsdicke und -konfiguration herzustellen. Vorzugsweise werden mindestens zwei Preßlinge bei dem Verfahren hergestellt, und ein Katalysator für die Diamant-Kristallisation wird von der gebundenen Metallcarbidmasse geliefert.
Vorteile der vorliegenden Erfindung schließen die Möglichkeit ein, fertige PCD- oder CBN-Preßlinge herzustellen, die eine im wesentlichen gleichmäßige (oder eine andere erwünschte Konfiguration aufweisende) Schleifschichtdicke haben, so daß größere Teilausbeuten resultieren. Ein anderer Vorteil ist die Möglichkeit, zuverlässig und reproduzierbar solche mit Träger versehenen Preßlinge mit gleichmäßiger Schleif schichtdicke in einem kommerziellen Maßstab herzustellen. Noch ein anderer Vorteil ist die Möglichkeit, eine solche gleichmäßige Preßlingsdicke in verschiedenen Stadien während der Bearbeitung der gewonnenen Preßling-Rohlinge zu schaffen, einschließlich Hartlotoperationen der Rohlinge oder Teile in Maschinenwerkzeugen. Diese und andere Vorteile werden für den Fachmann aufgrund der hier enthaltenen Offenbarung deutlich.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Figg. 1 und 2 veranschaulichen entweder mit Träger versehene PCD- oder CBN-Preßlinge, die nicht planare gebundene Oberflächen aufweisen oder die erfindungsgemäße Oberfläche der Carbidmasse, die ein Spiegelbild des fertigen Preßlings ist, der eine solche nicht planare Oberfläche aufweist, worin die Oberfläche der Carbidmasse gekrümmt ist;
Fig. 3 und 4 zeigen erfindungsgemäße Spiegelbildoberflächen der Carbidmasse, die eine konische Konfiguration haben;
Fig. 5 veranschaulicht eine beispielhafte metallische Schutzhülle zum Einsatz in einer HP/HT-Vorrichtung, die für das Verfahren der vorliegenden Erfindung brauchbar ist;
Fig. 6 zeigt eine repräsentative Bechereinheit, die in der in Fig. 5 abgebildeten Hülle angeordnet ist;
Fig. 7 repräsentiert diagrammartig die nicht planaren gebundenen Oberflächen polykristalliner Diamantpreßlinge mit Wolframcarbidträger, die ohne den Nutzen der vorliegenden Erfindung hergestellt sind und
Fig. 8 repräsentiert die Diamantpreßlingdicke der beiden inneren von vier Schneidrohlingen aus polykristallinem Diamant, die gemäß dem Verfahren der vorliegenden Erfindung unter Einsatz einer Carbidmasse mit gekrümmter Oberfläche und einer Carbidmasse mit konischer Oberfläche hergestellt sind.
Die Zeichnung wird in der folgenden detaillierten Beschreibung detailliert beschrieben.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

In den Fig. 1 und 2 sind PCD-oder CBN-Preßlinge 10 und 12 dargestellt, die an metallgebundene Carbidträger 14 bzw. 16 gebunden sind, In Fig. 1 ist die Schleifmitteloberfläche 18 des Preßlings 10 unter Bildung einer Grenzfläche 18/20 an die Carbidoberfläche 20 des Carbidträgers 14 gebunden. In ähnlicher Weise ist die Oberfläche 22 des Schleifmittelpreßlings 12 unter Bildung einer Grenzfläche 22/24 in Fig. 2 an die Oberfläche 24 des Trägers 16 gebunden. Es wird ersichtlich, daß die Preßlinge 10 und 12 nicht planare gebundene Oberflächen aufweisen, die zu Schleifschichten im wesentlichen ungleichmäßiger Dicke führen. Die mit Träger versehenen Preßlinge, die in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind, wurden als Schneidrohlinge eingesetzt. Ungeachtet der sich aus dem Verfahren ergebenden Konfiguration ist ersichtlich, daß eine ungleichmäßige Schleifschicht erzeugt worden ist. Selbst wenn der aus der HP/HT-Vorrichtung gewonnene Rohling eine im wesentlichen planare Grenzfläche hat, können Endbearbeitungen, die Befestigungsoperationen, wie Hartlöten, einschließen, zu Werkzeugrohlingen und daraus geschnittenen Produkten führen, die die nicht planaren gebundenen Oberflächen aufweisen, wie sie in den Fig. 1 und 2 dargestellt sind.
Verschiedene der während einer Herstellung mehrerer Preßlinge erhaltenen Preßlinge weisen im wesentlichen planare Grenzflächen zwischen der Schleifmittelpreßling-Schicht und dem Carbidträger auf. Selbst unter solchen Umständen können die Endbearbeitungs- und Montageoperationen eine solche erwünschte planare Grenzfläche ändern, was die Ausführung der Erfindung erfordert. Andere Preßlinge, die während der Herstellung mehrerer Preßlinge erhalten worden sind, können jedoch die Grenzflächen aufweisen, die in den Fig. 1 und 2 gezeigt sind. Endbearbeitungs- und Montageoperationen verschlimmern manchmal die nicht planaren Grenzflächen der gewonnenen Werkzeug-Rohlinge. Ungeachtet des Grundes für solche nicht planaren gebundenen Oberflächen ist es erwünscht, daß die aus solchen Schneidrohlingen hergestellten Produkte eine im wesentlichen gleichmäßige Dicke des Schleifmittelpreßlings aufweisen. Für Schneidrohlinge und Produkte, die eine Konfiguration wie in Fig. 1 aufweisen, beruht die Erfindung auf der Konfigurierung der Oberfläche der Carbidmasse, die innerhalb der Bechereinheiten angeordnet ist, so daß sie eine Konfiguration wie in den Fig. 2 und 3 aufweist.
In den Fig. 3 und 4 haben die Schleifteilchenmassen 26 und 28 Oberflächen 30 bzw. 32. Massen 34 und 36 haben Oberflächen 38 und 40, die benachbart den Oberflächen 30 und 32 angeordnet sind, um Grenzflächen 30/38 bzw. 32/40 zu bilden. Beide Massen werden innerhalb einer Hülle für die HP/HT- Verarbeitung angeordnet. Für einen Rohling oder ein Produkt, das ansonsten eine Konfiguration wie in Fig. 1 haben würde, schließt die Erfindung das Konfigurieren der Grenzfläche derart ein, daß sie ein Spiegelbild davon ist. Hinsichtlich der Fig. 1 - 3 umfaßt z. B. das Spiegelbild der Grenzfläche 18/20 (Fig. 1) eine gekrümmte Grenzfläche 22/24 (Fig. 2) oder eine konische Grenzfläche 30/38 (Fig. 3). Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird unter "Spiegelbild" verstanden, daß die Grenzfläche an der Carbidmasse um eine Linie, die die äußeren Orte 6 und 8 (Fig. 1) der Grenzfläche zwischen Schleifmittelpreßling und Carbidträger verbindet, das Spiegelbild (oder nahezu das Spiegelbild) der Schleifmittelpreßling-Grenzfläche ist. Eine solche Spiegelbildkonfiguration umfaßt für die vorliegenden Zwecke die Konfiguration der Diamantoberfläche, obwohl nicht notwendigerweise bei einer 1:1-Vergrößerung. Die Carbid-Spiegelbildoberfläche schließt für die vorliegende Zwecke ungeachtet der Konfiguration der Oberfläche des Schleifmittelpreßlings gekrümmte, konische und andere Konfigurationen ein.
Weist der resultierende Rohling oder das Produkt eine nicht planare Grenzfläche auf, wie sie in Fig. 2 abgebildet ist, dann umfaßt die vorliegende Erfindung, daß die Spiegelbildoberfläche der Carbidmasse gekrümmt ist, wie in Fig. 1 gezeigt oder konisch, wie in Fig. 4 gezeigt. Das Testen der vorliegenden Erfindung hat gezeigt, daß das erwünschte Ergebnis der Herstellung von Preßlingen mit im wesentlichen planaren Grenzflächen, das in Schleifmitttelschichten im wesentlichen gleichmäßiger Dicke resultiert, nicht merklich davon beeinflußt wird, ob das Spiegelbild konisch oder gekrümmt ist, obwohl die Ausführungsform mit der gekrümmten Grenzfläche derzeit bevorzugt ist.
Hinsichtlich der Amplitude der Spiegelbild-Grenzfläche des Carbids ist es nicht notwendigerweise eine 1:1- Beziehung, die erfordert, daß die Tiefe der Oberfläche der Carbidmasse die gleiche ist, wie die Tiefe der Oberfläche des Schleifmittelpreßlings, gemessen von der Linie (oder Ebene), die die Außenkante der Grenzfläche verbindet, sondern sie kann kleiner oder größer sein, was von einer Vielfalt von Faktoren abhängt, einschließlich z. B. den Endbearbeitungs- und Montageoperationen, die für das Produkt geeignet sind, der Größe und Verteilung der Schleifteilchen, die zum Herstellen des polykristallinen Preßlings aus den Schleifteilchen benutzt werden, den Bedingungen bei der HP/HT-Verarbeitung usw. Es wird erkannt werden, daß ein gewisses Experimentieren oder Testen erforderlich ist, um die vorliegende Erfindung auszuführen. Die unerwünschten Preßlinge müssen anfänglich hergestellt werden, um den Grad der Ungleichförmigkeit der resultierenden Grenzfläche zwischen den Schleifmittelpreßlingen und dem Carbidträger zu beurteilen. Auch müssen die Behandlungsbedingungen, die für den speziellen gewonnenen Preßling geeignet sind, ausgewertet werden, um diese Grenzflächenkonfiguration zu bestimmen. Danach kann die Spiegelbildoberfläche des Carbides festgelegt werden. Die Erfahrung wird den Fachmann dazu führen, daß er das Design der Spiegelbildkonfiguration der Karbidoberfläche rasch begreift, um Rohlinge oder daraus hergestellte Produkte zu produzieren, die eine im wesentlichen gleichmäßige Schleifschichtdicke und eine planare Grenzfläche aufweisen. Ein ausdehntes Testen hat gezeigt, daß die Erfindung in kommerziellen Produktionseinrichtungen reproduzierbar ist.
Während der Schub der Erfindung in Verbindung mit dem Wunsch beschrieben worden ist, fertige polykristalline Preßlinge oder Teile herzustellen, die im wesentlichen gleichmäßige Schleifteilchenschichten aufweisen, hat die Arbeit an der vorliegenden Erfindung ihre Flexibilität hinsichtlich der Herstellung von Produkten gezeigt, die Flächen aufweisen, in denen die Teilchenschichtdicke aufgrund des Designs vergrößert (oder vermindert) worden ist. Für einige Schleifoperationen, die auf polykristallinenen Preßlingen beruhen, erfahren gewisse Flächen des Preßlings die Hauptwucht des Schleifens, und sie verschleißen sich daher rascher als andere Flächen des Preßlings. Unter diesen Umständen ist vorstellbar, daß der Nutzer des Produktes es vorteilhaft finden mag, daß die Bereiche starken Abriebs mit einer größeren Dicke der polykristallinen Schleifschicht hergestellt werden, so daß die Nutzungsdauer des Preßlings verlängert ist.
Die vorliegende Erfindung schafft den erforderlichen Grad der Flexibilität, um bewußt fertige Teile herzustellen, die vorbestimmte Flächen von einer vorbestimmten Dicke aufweisen, die größer (oder geringer ist, wenn erwünscht) als die anderer Flächen des Teiles. Das fertige Teil mit der unerwünschter Grenzflächenkonfiguration C&sub1; wird daher so hergestellt, daß es eine erwünschte Konfiguration C&sub2; hat. Unter solchen Umständen beruht die Erfindung auf der Erkenntnis, daß es die Grenzflächenkonfiguration des fertigen Produktes oder Teiles ist, die kontrolliert werden muß. Die Erfindung gestattet dem Benutzer, die erfindungsgemäßen Preßlinge in im wesentlichen der gleichen Art zu handhaben, wie sie vorher gehandhabt worden sind, sie verschafft dem Benutzer jedoch in einzigartiger Weise vorkonfigurierte Grenzflächenteile. Es ist der Hersteller, der das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ändert, die es dem Benutzer erspart, die konventionellen Verfahren zu ändern, um die durch die vorliegende Erfindung hergestellten einzigartigen Teile zu handhaben. Dies ist auch wichtig, da bei der Handhabung eines konventionellen Produktes durch den Benutzer die Verfahren des Benutzers nicht geändert zu werden brauchen. Der Hersteller kann gemäß der vorliegenden Erfindung einzigartige Produktlinien von polykristallinen Preßlingen mit einzigartig konfigurierten Grenzflächen zwischen Träger und Schleifteilchenschicht schaffen, die im Endprodukt auftreten und im Herstellungsverfahren verursacht werden.
Bei der Herstellung von mit Träger versehenen polykristallinen Schleifmittel-Preßlingen kann eine HP/HT-Vorrichtung benutzt werden, wie sie z. B. in der US-PS 2,941,248 beschrieben ist. Ein Abschnitt einer solchen Vorrichtung ist in Fig. 5 dargestellt. Ein Reaktionsgefäß 42 schließt einen hohlen Salzzylinder oder eine Buchse 44 ein. Der Zylinder 44 kann aus anderem Material hergestellt sein, wie Talk, das während des HP/HT-Betriebes nicht in einen festeren steiferen Zustand umgewandelt wird, und das im wesentlichen frei von Volumendiskontinuitäten unter der Anwendung von HP/HT ist.
Materialien, die diese Kriterien erfüllen, sind in der US-PS 3,030,662 angegeben und brauchbar zur Herstellung des Zylinders 44.
Konzentrisch innerhalb eines benachbarten Zylinders 44 befindet sich ein elektrisches Widerstandsheizrohr 46 aus Graphit. Innerhalb des Heizrohres 46 aus Graphit ist konzentrisch eine zylindrische Salzauskleidung 48 angeordnet. Die Enden der Auskleidung 48 sind an Salzstopfen 50 und 52 angepaßt, die am Boden bzw. am Oberteil angeordnet sind. Wie unten beschrieben, kann die Auskleidung 48 einen zylindrischen hohlen Kern aufweisen, um eine große Hülle aufzunehmen, die verschiedene Bechereinheiten enthält. Es sollte klar sein, daß die Auskleidung 48 wahlweise verwendet wird, da einige HP/HT-Verfahren dieses Teil weggelassen haben.
Elektrisch leitende Metallendscheiben 54 und 56 werden an jedem Ende des Zylinders 44 benutzt, um eine elektrische Verbindung zur Graphitheizröhre 46 zu schaffen. Benachbart jeder Scheibe 54 und 56 befindet sich eine Endkappen-Baueinheit, von denen jede Phyrophylit-Stopfen oder -scheiben 58 und 60 umfaßt, die von elektrisch leitenden Ringen 62 und 64 umgeben sind.
Innerhalb des Reaktionsgefässes 42 befinden sich Bechereinheiten 66 - 72, zwischen denen Abschirmungsscheibeneinheiten 74 - 82 liegen und die Bechereinheiten umgeben. Die Abschirmungsscheibeneinheiten umfassen eine oder mehrere Abschirmungsscheiben, die aus einem feuerbeständigen Metall, wie Titan oder Zirkonium oder aus Glimmerscheibe, Aluminiumoxidscheibe, Salzscheibe oder deren Kombinationen zusammengesetzt sein können.
Die Bechereinheiten 66 - 72 sind in Fig. 6 dargestellt. In Fig. 6 ist ersichtlich, daß die Bechereinheit 84 eine Hülle 86 aus einem feuerbeständigen Metall, wie Molybdän, Tantal, Titan, Wolfram, Zirkonium usw. einschließt, in der eine Masse 88 aus Diamantteilchen oder CBN-Teilchen und eine Masse 90 aus gebundenem Metallcarbid enthalten ist. Die Masse 88 hat eine Oberfläche 92 und die Masse 90 hat eine Oberfläche 94, die innerhalb der Hülle 86 benachbart angeordnet sind. Feuerfeste Metallscheiben 96 und 98, die in einer größeren oder geringeren Anzahl vorhanden sein können, sind am Mund der Hülle 86 angeordnet, um ihn abzuschließen. Es wird klar sein, daß die Anzahl der Bechereinheiten, die innerhalb des Reaktionsgefäßes 42 angeordnet ist, größer oder kleiner als die gezeigte sein kann. Mindestens eine Bechereinheit wird benutzt und häufig werden der Wirtschaftlichkeit und Effizienz wegen mindestens zwei benutzt. Die Orientierung der Bechereinheit 84 kann sein wie in Fig. 6 abgebildet oder sie kann zur Anordnung innerhalb des Reaktionsgefässes 42 umgekehrt sein. Das Abwechseln der Orientierung der Bechereinheit 84 ist eine bekannte Technik im Stand der Technik.
Die Kristallitgröße des Diamant oder CBN kann im Bereich von Submikron bis zu 100 um oder mehr liegen, vorzugsweise bis zu etwa 1000 um, wobei die Gradientenverteilung der Größe wie erforderlich oder erwünscht ist. Die vorliegende Erfindung hat eine größere Anwendbarkeit, wenn Teilchen feiner Kristallitgröße benutzt werden, z. B. 2 - 8 um oder weniger. Die Biegewirkung, die im Stand der Technik ein Problem ist, ist weniger ernst, wenn größere Kristallite benutzt werden, obwohl sie noch immer vorhanden ist. Hinsichtlich des Katalysator/Sinterhilfsmittels ist dieses Material erwünschterweise innerhalb des gebundenen Metallcarbids vorhanden und infiltriert die Kristallmasse von dort aus. Alternativ kann Katalysator/Sinterhilfsmittel mit der Masse von Schleifteilchen vermischt sein oder sich in einer separaten Schicht befinden, die benachbart der Masse von Diamantteilchen angeordnet ist, oder zwischen der Masse von Diamantteilchen und der Masse von gebundenem Metallcarbid vorhanden ist, wobei alle diese Techniken im Stand der Technik offenbart sind.
Die folgenden Beispiele zeigen, wie die vorliegende Erfindung ausgeführt wurde. In dieser Anmeldung sind alle Prozentsätze und Anteile auf das Gewicht bezogen, sofern nichts anderes ausdrücklcih angegeben ist.

Beispiele

Beispiel 1

Dies ist ein Vergleichsbeispiel, daß das Grenzflächenbiegen veranschaulicht, das sich bei der Herstellung von mit Träger versehenen Preßlingen aus polykristallinem Diamant ergibt. Die hergestellten Preßlinge benutzten Diamantkristalle von etwa 6 um mittlerer Teilchengröße und cobaltgebundenes Wolframcarbid für den Träger. Die zylindrischen Preßlinge hatten etwa 34 mm Durchmesser, und die vorgeschriebene Dicke der Diamantschicht betrug mindestens etwa 0,4 mm. Die vorgeschriebene Gesamtdicke von Diamantschicht und Carbidträger betrug etwa 1,5 oder 3,2 mm. Es wurden Bechereinheiten innerhalb der HP/HT-Vorrichtung, wie sie oben beschrieben ist, angeordnet, und die Behandlungsbedingungen schlossen eine Temperatur von etwa 1.450ºC und einen Druck von etwa 5 x 10&sup9; Pa (50 kbar) ein, die für etwa 20 Minuten angewendet wurden. Die aus der abschirmenden Metallhülle gewonnenen Bechereinheiten wurden geschliffen, um anhaftendes Metall zu entfernen, und sie wurden in Hälften geschnitten, um die Menge des Biegens zu inspizieren oder zu messen oder sie wurden einer akustischen Abtast-Mikroskopie unterworfen. Die Rohlinge 1 und 4 waren die äußeren gebildeten Rohlinge, während die Rohlinge 2 und 3 die gebildeten inneren Rohlinge waren. Die typischerweise erhaltenen Ergebnisse sind in Fig. 7 aufgetragen.
In Fig. 7 ist der Abstand von der Ebene bzw. vom planaren der Diamantoberfläche an der Grenzfläche über den Durchmesser der hergestellten Schneidrohlinge aufgetragen. Es ist ersichtlich, daß die Rohlinge 1 und 4 eine im wesentlichen gleichmäßige Grenzfläche aufweisen, während die Rohlinge 2 und 3 im Zentrum im wesentlichen gebogen sind, wie in Fig. 1 dargestellt. Die Variation der Dicke der Diamantschicht soll erwünschtermaßen ± 0,1016 mm (± 0,004 Zoll) betragen.
Es sollte erkannt werden, daß selbst die Rohlinge 1 und 2 von Fig. 7 in Abhängigkeit von Endbearbeitungs- und Montagebedingungen, denen das Produkt ausgesetzt wird, z. B. beim Hartlöten, später ein Biegen zeigen können. Obwohl das Produkt, wie es hergestellt ist, innerhalb der Spzifikation liegt, kann ein solches späteres Bearbeiten zu einem Produkt führen, das zu einem solchen Ausmaß gebogen ist, daß es nicht mehr innerhalb der Spezifikation liegt, was die Ausführung der vorliegenden Erfindung erfordert.

Beispiel 2

Dieses Beispiel veranschaulicht die vorliegende Erfindung. Das Verfahren wurde, wie in Verbindung mit Beispiel 1 beschrieben, wiederholt. Das Zentrum der Carbidmasse, wo die Spiegelbildvertiefung am größten war, betrug etwa 0,254 mm (0,010 Zoll). Von diesem Mittelpunkt wurden die "A"- Schneidrohlinge mit einem gradlinigen Winkel konfiguriert, so daß eine konische Oberfläche gebildet wurde, wie in Fig. 3 veranschaulicht. Die "R"-Schneidrohlinge wiesen einen Krümmungsradius auf, um eine gekrümmte Carbidoberfläche zu schaffen, wie in Fig. 2 veranschaulicht. Die Ergebnisse für verschiedene Versuche sind in Fig. 8 dargestellt.
In Fig. 8 wurden nur die beiden inneren Rohlinge aufgetragen, da sie die Rohlinge waren, die das größte Biegen oder Verformen aufwiesen, wie in Fig. 1 dargestellt. Fig. 8 trägt die Dicke der Diamantschicht (in mm) gegenüber dem Durchmesser der Schneidrohlinge auf. Es ist festzustellen, daß alle Schneidrohlinge eine Dicke von mindestens 0,4 mm aufwiesen, was die erwünschte Spezifikation ist. Während einige Unterschiede zwischen konischen und gekrümmten Konfigurationen bemerkbar sind, werden sie nicht für bedeutsam gehalten, wie ein zusätzliches Testen gezeigt hat.
Die Ergebisse dieses Beispiels wurden hunderte von Malen beständig, wie hier berichtet, wiederholt. Die Beständigkeit der Ergebnisse macht die Erfindung besonders wertvoll für die Ausführung im kommerziellen Maßstab.

Claims

1. Verfahren zum Herstellen eines mit Träger versehenen Preßlings aus polykristallinem Diamant (PCD) oder kubischem Bornitrid (CBN), umfassend:

Anordnen einer Bechereinheit, enthaltend eine eine Oberfläche aufweisende Masse aus Diamant- oder CBN-Teilchen, eine Masse gebundenen Metallcarbids mit einer Oberfläche und, für Diamantteilchen, gegebenenfalls einen Katalysator zum Umkristallisieren von Diamant, wobei die genannten Oberflächen benachbart liegen, um eine Grenzfläche zu bilden, in einer Hülle;

Unterwerfen der Hülle einem Verfahren unter hohem Druck und hoher Temperatur (HP/HT), das zu einem Preßling führt, der an der Grenzfläche an einen Träger aus gebundenem Carbid gebunden ist;

Gewinnen des mit Träger versehenen Preßlings aus der Hülle und der Bechereinheit und

Endbearbeiten des mit Träger versehenen Preßlings, wobei der fertig bearbeitete, mit Träger versehene Preßling, der eine nichtplanare Grenzfläche aufweist, zu einem PCD- oder CBN-Preßling im wesentlichen ungleichförmiger Dicke führt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Carbidmasse, die in der Einheit angeordnet ist, das Spiegelbild der fertigen nichtplanaren Grenzfläche des PCD oder CBN ist, um einen fertigen, mit Träger versehenen Preßling im wesentlichen gleichmäßiger Preßlingsdicke herzustellen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin mindestens zwei der Bechereinheiten innerhalb der Hülle angeordnet sind.

3. Verfahren nach Anspruch 1, worin der mit Träger versehene Preßling einen mit Träger versehenen Preßling aus polykristallinem Diamant umfaßt

4. Verfahren nach Anspruch 1, worin der mit Träger versehene Preßling einen mit Träger versehenen Preßling aus kubischem Bornitrid umfaßt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, worin das Metall des gebundenen Metallcarbids ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wolfram, Titan, Tantal oder deren Mischungen.

6. Verfahren nach Anspruch 5, worin das gebundene Metallcarbid mit einem Metall gebunden ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cobalt, Nickel, Eisen oder deren Mischungen.

7. Verfahren nach Anspruch 1, worin das HP/HT-Verfahren einen Druck von mehr als etwa 5 x 10&sup9; Pa (50 Kbar) und eine Temperatur von mehr als 1.300ºC benutzt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, worin der Katalysator für das Umkristallisieren von Diamant ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cobalt, Nickel, Eisen, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Chrom, Mangan, Tantal oder deren Mischungen oder Legierungen.

9. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Größe der Teilchen von Diamant oder CBN in einem Bereich von bis zu etwa 1000 um liegt.

10. Verfahren nach Anspruch 9, worin die Teilchen eine Teilchengröße bis zu etwa 8 um aufweisen.

11. Verfahren nach Anspruch 1, worin die mit Träger versehenen PCD- oder CBN-Preßlinge zylindrisch sind.

12. Verfahren nach Anspruch 1, worin die Spiegelbildoberfläche der Carbidmasse eine gekrümmte oder konische Gestalt hat.

13. Verfahren zum Herstellen eines Preßlings aus polykristallinem Diamant (PCD) oder kubischem Bornitrid (CBN), der an einen Träger aus gebundenem Metallcarbid gebunden ist, umfassend die Stufen:

(a) Anordnen einer Bechereinheit, enthaltend eine eine Oberfläche aufweisende Masse aus Diamant- oder CBN-Teilchen, eine Masse aus gebundenem Metallcarbid mit einer Oberfläche und gegebenenfalls einen Katalysator für das Umkristallisieren von Diamant, wobei die Oberflächen benachbart liegen und eine Grenzfläche dazwischen bilden, in einer Hülle,

(b) Unterwerfen der Hülle einem Verfahren unter hohem Druck und hoher Temperatur (HP/HT), das zu einem PCD- oder CBN-Preßling führt, der an den Träger aus gebundenem Carbid gebunden ist,

(c) Gewinnen des mit Träger versehenen Preßlings aus der Hülle und der Bechereinheit,

(d) Messen der Grenzflächenverformung des mit Träger versehenen Preßlings und

(e) Wiederholen der Stufen (a), (b) und (c) mit einer Bechereinheit, in der die Oberfläche der Masse aus gebundenem Metallcarbid auf der Grundlage der in Stufe (d) gemessenen Grenzflächenverformung eingestellt wird, um einen mit Träger versehenen Preßling zu schaffen, der eine erwünschte Grenzflächenkonfiguration aufweist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, worin mindestens zwei der Bechereinheiten innerhalb der Hülle angeordnet sind.

15. Verfahren nach Anspruch 13, worin der mit Träger versehene Preßling einen mit Träger versehenen Preßling aus polykristallinem Diamant umfaßt.

16. Verfahren nach Anspruch 13, worin der mit Träger versehene Preßling einen mit Träger versehenen Preßling aus kubischem Bornitrid umfaßt.

17. Verfahren nach Anspruch 13, worin das Metall des gebundenen Metallcarbids ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wolfram, Titan, Tantal oder deren Mischungen.

18. Verfahren nach Anspruch 17, worin das gebundene Metallcarbid mit einem Metall gebunden ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cobalt, Nickel, Eisen oder deren Mischungen.

19. Verfahren nach Anspruch 13, worin das HP/HT-Verfahren einen Druck von mehr als etwa 5 x 10&sup9; Pa (50 Kbar) und eine Temperatur von mehr als 1.300ºC benutzt.

20. Verfahren nach Anspruch 13, worin der Katalysator für das Umkristallisieren von Diamant ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Cobalt, Nickel, Eisen, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Chrom, Mangan, Tantal oder deren Mischungen oder Legierungen.

21. Verfahren nach Anspruch 13, worin die Größe der Teilchen von Diamant oder CBN in einem Bereich von bis zu etwa 1000 um liegt.

22. Verfahren nach Anspruch 21, worin die Teilchen eine Teilchengröße bis zu etwa 8 um aufweisen.

23. Verfahren nach Anspruch 13, worin die mit Träger versehenen PCD- oder CBN-Preßlinge zylindrisch sind.