DE69626759T2

DE69626759T2 - Verfahren zur Herstellung eines Schleifkörpers mit verbesserten Eigenschaften

Info

Publication number: DE69626759T2
Application number: DE69626759T
Authority: DE
Inventors: Francis Raymond Corrigan; Henry Samuel Marek
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Diamond Innovations Inc
Priority date: 1995-12-12
Filing date: 1996-12-10
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2016-12-11
Also published as: EP0779129A3; US5855996A; JPH09254039A; KR970033481A; DE69626759D1; EP0779129A2; EP0779129B1; US6132675A; KR100402986B1; ES2194963T3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf mit Träger versehene polykristalline Diamant(PCD)-Presslinge, die unter Verarbeitungs-Bedingungen hoher Temperatur/hohen Druckes (HTIHP) hergestellt sind und mehr im Besonderen auf mit Träger versehene PCD- Presslinge mit einem verbesserten Verbinden von Diamant- zu Diamantteilchen und mit einer erhöhten Diamantdichte in PCD-Presslingen.
Ein Pressling kann allgemein als eine integral gebundene Struktur charakterisiert werden, die aus einer gesinterten polykristallinen Masse von Schleifteilchen, wie Diamant oder CBN, gebildet ist. Obwohl solche Presslinge ohne die Unterstützung einer Bindematrix oder zweiten Phase selbstgebunden sein können, ist es allgemein bevorzugt, wie in den US- PSn 4,963,909 und 4,601,423 diskutiert, eine geeignete Bindematrix einzusetzen, die üblicherweise ein Metall, wie Cobalt, Eisen, Nickel, Platin, Titan, Chrom, Tantal oder eine Legierung oder Mischung davon ist. Die Bindematrix, die in einer Menge von etwa 10 bis 30 Vol.-% vorhanden ist, kann zusätzlich einen Umkristallisations- oder Wachstums-Katalysator, wie Aluminium für CBN oder Cobalt für Diamant, enthalten.
Für viele Anwendungen ist es bevorzugt, dass der Pressling durch Verbinden mit einem Substrat-Material zur Bildung eines Laminates oder einer mit Träger versehenen Presslings-Anordnung, abgestützt ist. Typischerweise ist das Substrat-Material ein Metallcarbid-Hartmetall, das, z. B., Wolfram-, Titan oder Tantalcarbid-Teilchen oder eine Mischung davon umfasst, die mit einem Binder von etwa 6 bis etwa 25 Gew.-% eines Metalles, wie Cobalt, Nickel oder Eisen oder einer Mischung oder Legierung davon, miteinander verbunden sind. Wie, z. B., in den US-PSn 3,381,428; 3,852,078 und 3,876,751 gezeigt, haben Presslinge und abgestützte Presslinge Annahme in einer Vielfalt von Anwendungen als Teile oder Rohlinge für Schneid- und Bearbeitungs-Werkzeuge, als Bohrereinsätze und als Abriebsteile oder -oberflächen gefunden.
Das grundlegende HT/HP-Verfahren zum Herstellen der polykristallinen Presslinge und abgestützten Presslinge der hier involvierten Art, schließt das Anordnen einer kristallinen Masse aus kristallinen Schleifteilchen, wie Diamant oder CBN oder einer Mischung davon, innerhalb einer schützend abgeschirmten Metallhülle ein, die innerhalb der Reaktionszelle einer HT/HP-Vorrichtung einer Art angeordnet ist, wie sie weiter in den US-PSn 2,947,611; 2,941,241; 2,941,248; 2,609,818; 3,767,371; 4,289,503; 4,673,414 und 4,958,139 beschrieben ist. Zusammen mit den Schleifteilchen kann in der Hülle zusätzlich ein Metall- Katalysator angeordnet sein, wenn das Sintern von Diamant-Teilchen vorgesehen ist, ebenso wie eine vorgeformte Masse eines Metallcarbid-Hartmetalles zum Tragen der Schleifteilchen, und um damit einen abgestützten bzw. mit Träger versehenen Pressling zu bilden. Der Inhalt der Zelle wird dann Verarbeitungs-Bedingungen ausgesetzt, die derart ausgewählt sind, dass sie ein interkristallines Verbinden zwischen benachbarten Körnern der Schleifteilchen bewirken und, wahlweise, das Verbinden der gesinterten Teilchen mit dem Hartmetallträger. Solche Verarbeitungs-Bedingungen schließen allgemein eine Temperatur von mindestens 1.300ºC und einen Druck von mindestens 20 kbar für etwa 3 bis 120 Minuten ein.
Hinsichtlich des Sinterns polykristalliner Diamant-Presslinge oder abgestützter Presslinge, kann das Katalysator-Metall in einer vorgepressten Form benachbart den Kristallteilchen angeordnet sein. So kann, z. B., der Metall-Katalysator als ein Ring konfiguriert sein, in dem ein Zylinder aus Schleifkristall-Teilchen aufgenommen wird, oder als eine Scheibe, die oberhalb oder unterhalb der kristallinen Masse angeordnet ist. Alternativ kann der Metall- Katalysator oder das Lösungsmittel, wie es auch bekannt ist, in einer Pulverform vorgesehen und mit den kristallinen Schleifteilchen vermischt sein oder als ein Hartmetall- oder Carbid- Formpulver, das kalt in die Form gepresst ist und worin das Bindemittel als ein Katalysator oder Lösungsmittel für die Diamant-Umkristallisation oder das -Wachstum vorhanden ist. Typischerweise wird der Metall-Katalysator oder das Lösungsmittel aus Cobalt, Eisen oder Nickel oder einer Legierung oder Mischung davon ausgewählt, doch können auch andere Metalle, wie Ruthenium, Rhodium, Palladiun, Chrom, Mangan, Tantal und Legierungen und Mischungen davon eingesetzt werden.
Unter den angegebenen HT/HP-Bedingungen wird der Metall-Katalysator, in welcher Form er auch vorhanden ist, dazu veranlasst, in die Schleifschicht mittels entweder Diffusion oder Kapillarwirkung einzudringen, und wird dadurch als ein Katalysator oder Lösungsmittel für die Umkristallisation oder das Kristall-Verwachsen verfügbar gemacht. Die HT/HP- Bedingungen, die in der für Diamant stabilen thermodynamischen Region oberhalb des Gleichgewichtes zwischen Diamant- und Graphit-Phasen liegen, bewirken ein Zusammenpressen der Schleifkristall-Teilchen, was durch ein interkristallines Verbinden von Diamant zu Diamant charakterisiert ist, wobei Teile jedes kristallinen Gitters benachbarten Kristallkörnern gemeinsam sind. Vorzugweise beträgt die Diamant-Konzentration im Pressling oder in der Schleiftafel des abgestützten Presslings mindestens etwa 70 Vol.%. Verfahren zum Herstellen von Diamant-Presslingen und abgestützten Presslingen sind detaillierter in den US-PSn 3,141,746; 3,745,623; 3,609,818; 3,850,591; 4,394,170; 4,403,015; 4,797,326 und 4,954,139 beschrieben.
Polykristalline CBN-Presslinge und abgestützte Presslinge werden in allgemeiner Übereinstimmung mit den für Diamant-Presslinge geeigneten Verfahren hergestellt. Bei der Herstellung von CBN-Presslingen nach dem vorbeschriebenen Verfahren muss das Metall, das durch die kristalline Masse dringt, nicht notwendigerweise ein Katalysator oder Lösungsmittel für die CBN-Umkristallisation sein. Eine polykristalline Masse von CBN kann daher durch das Hindurchdringen des Cobalts vom Substrat und in die Zwischenräume der kristallinen Masse mit einem mit Cobalt gebundenen Wolframcarbid verbunden werden, ungeachtet der Tatsache, dass Cobalt kein Katalysator oder Lösungsmittel für die Umkristallisation von CBN ist. Das Zwischenraum-Cobalt wirkt vielmehr als ein Binder zwischen dem polykristallinen CBN-Pressling und dem gebundenen Wolframcarbid-Substrat.
Wie für Diamant, wird das HT/HP-Sinterverfahren für CBN unter Bedingungen ausgeführt, unter denen CBN die thermodynamisch stabile Phase ist. Es wird davon ausgegangen, dass unter diesen Bedingungen auch ein interkristallines Verbinden zwischen benachbarten Kristallkörnern bewirkt wird. Die CBN-Konzentration im Pressling oder in der Schleiftafel des abgestützten Presslings beträgt vorzugsweise mindestens etwa 50 Vol.%. Verfahren zum Herstellen von CBN-Presslingen und Presslingen mit Träger sind vollständiger in den US-PSn 2,947,617; 3,136,615; 3,233,988; 3,743,489; 3,745,623; 3,831,428; 3,918,219; 4,188,194; 4,289,503; 4,673,414; 4,797,326 und 4,954,139 beschrieben. Beispielhafte CBN-Presslinge sind in der US-PS 3,767,371 offenbart, und sie enthalten mehr als etwa 70 Vol.-% CBN und weniger als etwa 30 Vol.-% eines Bindermetalles, wie Cobalt. Solche Presslinge werden kommerziell von der General Electric Company unter der Bezeichnung BZN 6000® hergestellt.
Wie in der US-PS 4,334,928 beschrieben, schließt noch eine andere Form eines polykristallinen Presslings, die nicht notwendigerweise ein direktes oder interkristallines Verbinden aufweisen muss, eine polykristalline Masse von Diamant- oder CBN-Teilchen mit einer zweiten Phase aus einem Metall oder einer Legierung, einer Keramik oder einer Mischung davon ein. Die Zweitmaterial-Phase wirkt als ein Bindemittel für die Schleifkristall-Teilchen. Polykristalline Diamant- und polykristalline CBN-Presslinge, die eine zweite Phase aus einem Hartmetall enthalten, sind beispielhaft für diese polykristallineen "Verbund"-Schleifpresslinge. Solche Presslinge können als "thermisch stabil" angesehen werden, verglichen mit Metallhaltigen Presslingen, da sie Einsatz-Temperaturen oberhalb etwa 700ºC aufweisen. Presslinge, wie sie in der US-PS 4,334,928 beschrieben sind, die 80 bis 10 Vol.% CBN und 20 bis 90 Vol.-% einer Nitridbinders, wie Titannitrid, umfassen, können auch als beispielhaft für ein thermisch stabiles Material angesehen werden. Solche CBN-TiN-Presslinge werden kommerziell durch die General Electric Company unter der Bezeichnung BZN 8100® hergestellt.
Hinsichtlich mit Träger versehenen Presslingen wird davon ausgegangen, wie detailliert in der US-PS 4,797,326 ausgeführt, dass das Verbinden des Trägers mit der polykristallinen Schleifmasse eine physikalische Komponente zusätzlich zu einer chemischen Komponente einschließt, die sich an der Verbindungslinie entwickelt, wenn die die entsprechenden Schichten bildenden Materialien interaktiv sind. Die physikalische Komponente des Verbindens scheint sich aus dem relativ geringeren CTE der polykristallinen Schleifschicht, verglichen mit der Trägerschicht aus Hartmetall, zu entwickeln. Beim Abkühlen des mit Träger versehenen Pressling-Rohlings von den HT/HP-Verarbeitungs-Bedingungen auf Umgebungs- Bedingungen wurde beobachtet, dass die Trägerschicht restliche Zugspannungen beibehält, die eine radiale zusammenpressende Belastung auf den darauf abgestützten polykristallinen Pressling ausüben. Diese Belastung hält den polykristallinen Pressling in Kompression, was Bruchzähigkeit, Schlagzähigkeit und Scherfestigkeits-Eigenschaften des Laminates verbessert.
Bei der kommerziellen Herstellung mit Träger versehener Presslinge ist es üblich, dass das Produkt oder der Rohling, das bzw. der aus der Reaktionszelle der HT/HP-Vorrichtung gewonnen wird, einer Vielfalt von Endbearbeitungs-Operationen unterworfen wird, die Schneiden, wie durch Elektrodenentladung-Bearbeiten oder mit Lasern, Bohren und insbesondere Schleifen einschließen, um benachbartes Abschirmungs-Metall von den äußeren Oberflächen des Presslings zu entfernen. Solche Endbearbeitungs-Operationen werden zusätzlich angewandt, um den Pressling in eine zylindrische Gestalt oder Ähnliches zu bringen, die Produkt-Spezifikationen hinsichtlich der Dicke der Diamant- oder CBN-Schleiftafel und/ oder der Dicke des Carbidträgers erfüllt. Insbesondere hinsichtlich mit Träger versehenen Diamant- und CBN-Presslingen ist eine im Wesentlichen gleichmäßige Schleifschichtdicke erwünscht, da die Schleiftafeln auf den Rohlingen häufig durch den Benutzer zu Endprodukten verarbeitet werden, die etwas komplizierte Konfigurationen haben, z. B. Sägezahn-förmige Keile, die für besondere Anwendungen zurecht gemacht sind. Es sollte jedoch klar sein, dass während solcher Endbearbeitungs-Operationen die Temperatur des Rohlings, der vorher während seines HT/HP-Verarbeitens und Abkühlens auf Raumtemperatur einem thermischen Zyklus ausgesetzt worden ist, aufgrund der thermischen Wirkungen des Schleifens oder Schneidens erhöht werden kann. Darüber hinaus kann der Rohling oder das daraus hergestellte Produkt auf den Stahlschaft einer Vielfalt von Schneid- oder Bohrwerkzeugen unter Einsatz von Hartlot- oder Lot-Techniken montiert werden, die Temperaturen von etwa 750 bis etwa 800ºC erfordern, um die Füllstoff-Legierung zu schmelzen. Dies setzt die Presslinge und Träger thermischen Gradienten und Spannungen aus. Während jedes der thermisches Zyklen des abgestützten Rohlings hat sich der Carbidträger aufgrund seines relativ höheren Koeffizienten der Wärmeausdehnung (CTE) zu einem größeren Ausmaß ausgedehnt als der darauf getragene Schleifpressling. Beim Erhitzen und Abkühlen werden die erzeugten Spannungen prinzipiell durch Verformung der Schleifplatte vermindert, was zu Spannungsrissen derselben und ihrer Ablösung vom Träger führen kann.
Um die Bindefestigkeit an der Grenzfläche zwischen insbesondere PCD-Presslingen und ihren Hartmetallträgern zu verbessern, wurde vorgeschlagen, eine Zwischenschicht zwischen der PCD- und Carbidschicht anzuordnen. Wie detailliert in den US-PSn 4,403,05 und 5,037,704 ausgeführt, enthält die vorgesehene Zwischenschicht weniger als etwa 70 Vol.-% CBN und als Rest ein Nitrid, wie TiN, und wird unter Benutzung des traditionellen HT/HP- Verfahrens direkt zwischen der PCD- und Carbidschicht gesintert. Es wurde beobachtet, dass die Einführung einer CBN-TiN-Bindeschicht das eindringen des Cobaltbinders von der Carbidschicht in die PCD-Schicht verhindert, wo er sonst die Rückumwandlung von Diamant in Graphit katalysiert haben würde, was die Grenzfläche zwischen der PCD- und Carbidschicht schwächen würde.
Hinsichtlich PCD-Presslingen mit Träger ist es im Stande der Technik bekannt, Zuführungs-Pulver verschiedener Größe bei der Bildung gesinterten Diamant-Presslinge einzusetzen. Der Einsatz feiner Diamant-Teilchen allein verursacht jedoch üblicherweise eine unakzeptable Verringerung der hohen Abriebs-Beständigkeit. Benutzt man allein große Diamantteilchen, dann führt das zu einer Verringerung der Diamantdichte und des Verbindens von Diamant zu Diamant. Da bisher im Stande der Technik bekannte PCD-Presslinge mit Träger eine weite Akzeptanz beim Einsatz in Schneid- und Bearbeitungs-Werkzeugen, Bohrereinsätzen und Ähnlichem gefunden haben, wird klar sein, dass weitere Verbesserungen in den Festigkeits- und Schlagzähigkeits-Eigenschaften solcher Materialien von der Industrie gut aufgenommen werden würden. Besonders erwünscht wären mit Träger versehene Diamant-Presslinge mit verbesserter thermischer Stabilität, verbessertem Abrieb und verbesserter Abriebs-Beständigkeit und Schlagbeständigkeit, was die Anwendungen für solche Materialien ausdehnen würde, indem ihre maschinelle Bearbeitbarkeit, Leistungsfähigkeit und Abriebs-Eigenschaften verbessert würden. Es blieb daher ein Bedarf an mit Trägern versehenen PCD-Presslingen mit verbesserten physikalischen Eigenschaften.
Die vorliegende Erfindung ist auf mit Träger versehene polykristalline Diamant (PCD)-Presslinge gerichtet, die unter Verarbeitungs-Bedingungen hoher Temperatur/hohen Druckes (HTIHP) hergestellt sind und auf ein Verfahren zu deren Herstellung und mehr im Besonderen auf mit Träger versehene PCD-Presslinge mit verbesserter thermischer Stabilität, verbesserter Schleif und Abriebs-Beständigkeit und verbesserten Schlagbeständigkeits- Eigenschaften, bei dem feine Diamantteilchen in der Zuführungsmischung zum Herstellen von Diamant-Presslingen enthalten sind. Indem sie die unterschiedlichen Löslichkeits/Auflösungsraten-Wirkungen als Antriebskraft beim Sintern polykristallinen Diamants nutzt, führt das Verfahren der vorliegenden Erfindung zu mit Träger versehenen PCD-Presslingen mit physikalischen Eigenschaften, die gegenüber konventionellen mit Träger versehenen PCD-Presslingen verbessert sind, bei denen die großen oder feinteiligen Diamantteilchen allein benutzt wurden. Die mit Träger versehenen Presslinge nach der vorliegenden Erfindung haben deutlich weniger Poren, wie durch die Mikrofotografien gezeigt, und sie weisen größere Scherfestigkeit und Schlageigenschaften auf, die gegenüber konventionellen mit Träger versehenen Presslingen verbessert sind, die nur eine Diamantteilchengröße aufweisen.
Es ist daher ein Merkmal der vorliegenden Erfindung, einen verbeserten PCD-Pressling mit Hartmetall-Träger bereitzustellen. Gemäß der Erfindung wird ein gesinterter PCD- Pressling bereitgestellt, wie in Anspruch 3 definiert.
Es ist ein weiteres Merkmal der Erfindung, ein Verfahren hohen Druckes/hoher Temperatur (HP/HT) zum Herstellen eines mit Metallcarbid-Träger versehenen polykristallinen Diamant(PCD)-Presslings zu schaffen. Gemäß der Erfindung wird ein Verfahren geschaffen, wie in Anspruch 1 definiert. Die HT/HP-Bedingungen sind so ausgewählt, dass sie wirksam sind zum Sintern der Masse von Diamantteilchen zu einer PCD-Presslingschicht und zum Verbinden der PCD-Presslingschicht mit der Trägerschicht aus Hartmetall, indem sie ein im Wesentlichen gleichmäßiges Hindurchdringen des Bindermetalles von der Hartmetail-Trägerschicht durch die Masse der Diamantteilchen bewirken.
Vorteile der vorliegenden Erfindung schließen das Bereitstellen sehr leistungsfähiger PCD-Rohlinge mit Träger ein, die einen erhöhten Diamantgehalt und eine stärkere Diamant- Bindung in den PCD-Presslingen aufweisen. Solche Rohlinge wären sehr erwünscht zum Schneiden, Bohren und anderen Anwendungen. Zusätzliche Vorteile der vorliegenden Erfindung schließen mit Träger versehene Rohlinge mit verbesserten Bindefestigkeiten zwischen der Schleiftafel und dem Träger ein, was zu höheren Einsatz-Temperaturen führt und Bearbeitungs-, Hartlöt- oder andere Endbearbeitungs-Verfahren gemäß Produkt-Spezifikationen bei verringertem Risiko von Spannungsrissen, Schichtablösung oder Ähnlichem erleichtert. Diese und andere Vorteile werden für den Fachmann auf der Grundlage der vorliegenden Offenbarung deutlich.
Für ein vollständigeres Verstehen der Natur und der Aufgaben der Erfindung, wird auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung Bezug genommen, in der zeigen:
Fig. 1A und 1B Mikrofotografien eines gesinterten PCD-Presslings, hergestellt aus einer Mischung von 15% Diamantteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 um und 85% Diamantteilchen mit einer Teilchengröße im Bereich von 57 bis 97 um, mit einer mittleren Teilchengröße von etwa 70 um,
Fig. 1C, 2B, 3B und 4B Mikrofotografien eines gesinterten PCD = Presslings, hergestellt aus einer Mischung von 5% Diamantteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 um und 95% Diamantteilchen mit Teilchengrößen im Bereich von 10 bis 45 um, bei einer mittleren Teilchengröße von etwa 28 um,
Fig. 2C, 3C und 4C Mikrofotografien eines gesinterten PCD-Presslings, hergestellt aus einer Mischung von 8% Diamantteilchen mit einer mittleren Teilchengröße von 0,5 um und 92% Diamantteilchen mit Teilchengrößen im Bereich von 10 bis 45 um, bei einer mittleren Teilchengröße von etwa 28 um,
Fig. 2A, 3A und 4A Mikrofotografien eines gesinterten PCD-Presslings, hergestellt aus 100% Diamantteilchen mit Teilchengrößen im Bereich von 10 bis 45 um, bei einer mittleren Teilchengröße von etwa 28 um:
Die Zeichnung wird weiter in Verbindung mit der folgenden detaillierten Beschreibung der Erfindung erläutert.
Ein PCD-Diamant-Pressling mit Metallcarbid-Träger gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine gesinterte PCD-Presslingschicht, die mit einer Trägerschicht aus Hartmetall verbunden ist. Vorzugsweise ist die PCD-Presslingschicht als eine pulverförmige Masse von Diamantteilchen mit einer Mischung relativ großer Diamantteilchen, dispergiert in kleinen Diamantteilchen, bereitgestellt. Die großen Diamantteilchen liegen im Bereich von etwa 5 bis etwa 100 um, vorzugsweise von etwa 10 bis etwa 100 um und am bevorzugtesten von etwa 10 bis etwa 45 um. Die feinen Diamantteilchen liegen im Bereich von etwa 0,01 bis etwa 1 um, vorzugsweise von etwa 0,05 bis etwa 1 um und am bevorzugtesten von etwa 0,1 bis etwa 1 um. Die feinteilige Diamant-Komponente liegt im Bereich von 2 bis 15 Gew.-% der gesamten Diamantteilchen, vorzugsweise von 2 bis 8% und am bevorzugtesten von 4 bis 8%.
Allgemein ist die Trägerschicht aus Hartmetall ausgewählt aus Teilchen eines Metallcarbids, wie Wolframcarbid, Titancarbid, Tantalcarbid und Molybdäncarbid und deren Mischungen, die mit einem Metallbinder, wie Cobalt, Nickel und Eisen oder einer Mischung oder Legierung davon, gehalten werden, der in einer Menge von etwa 6 bis 25 Gew.-% vorhanden ist. Um das Sintern der Diamantteilchen zu der PCD-Presslingschicht zu bewirken, ist es jedoch bevorzugt, dass das Bindermetall als ein Diamant-Katalysator oder -Lösungsmittel, wie als Cobalt, Eisen, Nickel, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Platin, Chrom, Mangan, Tantal, Osmium, Iridium oder eine Mischung oder Legierung davon, bereitgestellt ist, wobei Cobalt oder eine Cobaltlegierung oder -mischung aus Leistuagsfghigkeits- und Verarbeitungs-Betrachtungen begünstigt wird.
Unter "gebunden" wird verstanden, dass die PCD-Presslingschicht und die Metallcarbid-Trägerschicht direkt chemisch und/oder physikalisch unter den HT/HP-Verarbeitungs- Bedingungen mit einer benachbarten Schicht verbunden werden, ohne Einsatz einer Hartlot- Füllstoffschicht unter der HT/HP-Verarbeitung oder Ähnlichem. Unter "Löslichkeit" wird verstanden, dass die Konzentration des gelösten Kohlenstoffes, die im Cobalt-Lösungsmittel in Gegenwart der Diamantteilchen enthalten sein kann, gelöst ist.
Die Reaktionszelle kann, nachdem man sie mit der PCD-Schicht und Carbid-Schichten gefüllt hat, als eine Reaktionszellen-Baueinheit zwischen den Stößeln der HT/HP-Vorrichtung angeordnet werden. Alternativ kann die Zelle als eine einer Anzahl von Unterbaueinheits-Zellen in einer gestapelten axial ausgerichteten Anordnung zur Herstellung von mehreren Presslingen in die HT/HP-Vorrichtung eingeführt werden. Unter den in der HT/HP-Vorrichtung erzielten HT/HP-Bedingungen dringt das Bindermetall von der Trägerschicht durch Diffusion oder Kapillarwirkung durch die PCD-Pulverschicht und steht dort als ein Katalysator oder Lösungsmittel für die Umkristallisation oder das Kristallwachstum der Diamantteilchen zur Bildung der PCD-Presslingschicht bereit. Um ein gleichmäßiges Hindurchdringen durch die Schichten des Presslings zu fördern, kann zusätzlicher Diamant-Katalysator oder Lösungsmittelmetall mit den Diamantteilchen, die die PCD-Presslingschicht bilden, vermischt oder in einer separaten Schicht benachbart dazu angeordnet werden. Allgemein werden die HT/HP-Bedingungen auf die Reaktionszellen-Baueinheit für eine genügende Zeit angewandt, um das Sintern oder direkt interkristalline Verbinden der Diamantteilchen, die die Presslingschicht bilden, zu integralen Schleifkörpern oder polykristallinen Presslingen zu bewirken, die im Wesentlichen porenfrei sind, und um das direkte Verbinden dieser Presslinge mit benachbarten Schichten zu bewirken. Vorteilhafterweise vermeidet das direkte Verbinden zwischen den den Pressling bildenden Schichten die Notwendigkeit des Anordnens einer zusätzlichen Bindeschicht dazwischen, wie es sich aus dem Hartlöten oder Löten der Schichten an ihre benachbarten Schichten ergeben würde. Die HT/HP-Bedingungen, mit denen die HT/HP-Vorrichtung betrieben wird, sind so ausgewählt, dass sie in der thermodynamischen Region liegen, in der Diamant die stabile Phase ist, und in der eine signifikante Rückumwandlung, d. h., Graphitisierung, des kristallinen Diamant nicht auftritt. In dieser Hinsicht wird die Vorrichtung bei einer Temperatur von mindestens etwa 1.000ºC, vorzugsweise von etwa 1.000ºC bis etwa 2.000ºC, und bei einem Druck von mindestens etwa 30 kbar, vorzugsweise von etwa 40 bis etwa 80 kbar, betrieben. Es ist jedoch zu bemerken, dass die hier angegebenen bevorzugten Temperaturen und Drucke wegen der Schwierigkeiten der genauen Messung der hohen Temperaturen und Drucke, die für die Diamant-Bearbeitung erforderlich sind, nur Schätzungen sind. Die angegebenen Druck- und Temperatur-Werte müssen während der Verarbeitung nicht konstant bleiben, vielmehr können sie variiert werden, um vorbestimmte Heiz-, Kühl- und/oder Druck-Schemen zu definieren. Es ist bekannt, dass solche Änderungen die physikalischen Endeigenschaften des resultierenden Produktes beeinflussen können.
Die folgenden Beispiele, in der alle Prozentangaben und Anteile auf das Gewicht bezogen sind, sofern nichts Anderes ausdrücklich ausgeführt, sind beispielhaft für das Ausführen der Erfindung und sollten in keiner Weise einschränkend verstanden werden.

BEISPIELE

Es wurden die folgenden zwei Mischungen von Submicron-Pulver durch feuchtes Kugelmahlen unter Einsatz eines Alkohol-Trägers hergestellt:
Mischung A: 15% Submicron/85% CF100
Mischung B: 2% Submicron/98% CF45
Mischung C: 5% Submicron/95% CF45
Mischung D: 8% Submicron/92% CF45
Das Submicron-Pulver hatte eine mittlere Teilchengröße von 0,5 um. CF100 hatte Teilchengrößen im Bereich von 57 bis 97 um bei einer mittleren Teilchengröße von etwa 70 um. CF45 hatte Teilchengrößen im Bereich von 10 bis 45 um bei einer mittleren Teilchengröße von etwa 28 um.
Der Vergleich der Gefüge bei allen drei Vergrößerungen zeigt klar einen höheren Grad der Porosität (aufgrund des Auslaugens der metallischen Phase) in der Standard-CF45- Probe, verglichen mit den gemischten Proben mit 5% und 8% Submicron. Die gemischten Proben mit 5% und 8% Submicron haben daher eine hohe Diamantdichte und ein verbessertes Binden.

Claims

1. Verfahren hohen Druckes/hoher Temperatur (HP/HT) zum Herstellen eines Presslings aus polykristallinem Diamant (PCD) auf einem Metallcarbidträger, umfassend die Stufen:

(a) Bereitstellen einer Reaktionszellen-Baueinheit, umfassend:

(i) eine Masse von Diamantteilchen, bestehend aus einer Mischung von Submicron- Diamantteilchen mit einer Teilchengröße im Bereich von etwa 0,01 bis etwa 1 um und großen Diamantteilchen mit einer Teilchengröße im Bereich von etwa 6 bis etwa 100 um;

(ii) eine Trägerschicht aus Hartmetall, die benachbart der Masse von Diamantteilchen angeordnet ist, wobei die Hartmetall-Trägerschicht Teilchen eines Metallcarbids umfasst und

(b) Aussetzen der Reaktionszellen-Baueinheit gegenüber HP/HT-Bedingungen, die so ausgewählt sind, dass sie wirksam die Masse der Diamantteilchen zu einer PCD-Presslingsschicht sintern, und die PCD-Presslingsschicht mit der Hartmetall-Trägerschicht verbinden, wobei die Masse der Diamantteilchen in der PCD-Presslingschicht von etwa 2 bis etwa 15 Gew.-% von Submicron-Diamantteilchen umfasst.

2. Verfahren nach Anspruch 1, worin die HP/HT-Bedingungen einen Druck von mindestens 30 kbar und eine Temperatur von mindestens 1.000ºC einschließen.

3. Pressling aus polykristallinem Diamant (PCD) auf einem Metallcarbid-Träger, umfassend:

eine gesinterte PCD-Presslingschicht

eine Hartmetall-Trägerschicht, die an die PCD-Presslingschicht gebunden ist, wobei die Hartmetall-Trägerschicht Teilchen eines Metallcarbids umfasst;

worin die gesinterte PCD-Presslingschicht aus einer Mischung von Submicron-Diamantteilchen mit Teilchengrößen im Bereich von etwa 0,01 bis etwa 1 um und großen Diamantteilchen mit Teilchengrößen im Bereich von etwa 6 bis etwa 100 um besteht und worin die gesinterte PCD-Presslingschicht von etwa 2 bis etwa 15 Gew.-% Submicron-Diamantteilchen umfasst.

4. Metallcarbid-getragener PCD-Pressling nach Anspruch 3, worin das Metallcarbid der Hartmetall-Trägerschicht ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wolframcarbid, Titancarbid, Tantalcarbid und Molybdäncarbid sowie deren Mischungen.

5. Metallcarbid-getragener PCD-Pressling nach Anspruch 3, worin der Hartmetall-Träger weiter ein Bindermetall umfasst, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Cobalt, Nickel, Eisen, Ruthenium, Rhodium, Palladium, Platin, Chrom, Mangan, Tantal, Osmium und Iridium sowie Mischungen und Legierungen davon.

6. Metallcarbid-getragener PCD-Pressling nach einem der Ansprüche 3 bis 5, worin die Submicron-Diamantteilchen Teilchengrößen im Bereich von etwa 0,05 bis etwa 1 um aufweisen.

7. Metallcarbid-getragener PCD-Pressling nach einem der Ansprüche 3 bis 6, worin die großen Diamantteilchen Teilchengrößen im Bereich von etwa 10 bis etwa 100 um aufweisen.

8. Metallcarbid-getragener PCD-Pressling nach Anspruch 7, worin die großen Diamantteilchen Teilchengrößen im Bereich von etwa 40 bis etwa 100 um aufweisen.

9. Metallcarbid-getragener PCD-Pressling nach Anspruch 8, worin die gesinterte PCD- Presslingschicht von etwa 2 bis etwa 8 Gew.-% Submicron-Diamantteilchen umfasst.

10. Metallcarbid-getragener PCD-Pressling nach Anspruch 9, worin die gesinterte PCD- Presslingschicht von etwa 4 bis etwa 8 Gew.-% Submicron-Diamantteilchen umfasst.