DK153536B - Kompositmateriale omfattende et polykrystallinsk diamantlegeme og et siliciumcarbid- eller siliciumnitridsubstrat, og en fremgangsmaade til fremstilling af materialet - Google Patents

Description

DK 153536 B

Opfindelsen angår et kompositmateriaie omfattende et poiykry-stallinsk diamantiegeme og et siiiciumcarbid- eller siliciumnitrld-substrat.

Fra US patentskrift nr. 4.042.347 kendes der polykrystaliinske 5 diamantlegemer, hvori der som bindemiddel anvendes en metal- og poiyrnermatrix, men en teknisk hindring for et diamantkompositmatenaie med høj tæthed (stort volumenindhold af diamant) og fremstillet under diamantstabilitetstrykområdet har hidtil været en manglende udvikling af et egnet bindemiddei, som var 5 stand til at trænge ind i eller 10 infiltrere kaplliarhulrummene i et tætpakket diamantpulver af fin partikelstørreise. Bindemidlet skal endvidere danne en termisk stabii, stærk binding med diamant og må ikke omdanne diamanten ti! grafit eller reagere for vidtgående med diamanten.

Denne hindring er nu bievet overvundet med kompositmaterialet 15 ifølge den foreliggende opfindelse, hvilket kompositmateriaie omfatter et polykrystaliinsk diamantiegeme og et siiiciumcarbid- elier siiicium-nitridsubstrat og er ejendommeligt ved, at det polykrystaliinske diamantiegeme er sammenbundet med et polykrystaliinsk substrat af siiiciumcarbid eller siliciumnitrid til et enkelt stykke, hvorhos det 20 polykrystaliinske diamantiegeme består af en masse af diamantkry-staiier, som er solidt bundet ti! hinanden med et siliciumatomhoidigt bindemiddel, der omfatter siiiciumcarbid og et carbid og/ei!er siiicid af en metal komponent, som med silicium danner et siiicid, diamant-krystallerne har en størrelse på fra 1 til 1000 pmf diamantkrv-25 staltætheden udgør fra 70% til 90% af legemets volumen, det siiiciumatomholdsge bindemiddel udgør op til 30% af legemets volumen og er i det mindste i alt væsentligt ensartet fordelt i legemet, den del af bindemidlet, der er i kontakt med diamantkrystallernes overflade, består i det mindste for størstedelen af siiiciumcarbid, 30 diamantiegemet i det mindste i ait væsentligt er porefrit, substratet varierer i tæthed fra 85% til 100% af den teoretiske tæthed for siiiciumcarbid eller fra 80% til 100% af den teoretiske tæthed for siliciumnitrid og indeholder siiiciumcarbid eiier siiiciumnitrid i er· mængde pi mindst 90% af substratets vægt, det polykrystailinske 35 diamantiegeme danner en grænseflade med siiiciumcarbid- eller siliciumnitridsubstratet, og bindemidlet strækker sig fra det krystallinske diamantiegeme tli substratets kontaktflade og udfylder i det mindste i alt væsentligt porerne i grænsefladen, saledes as grænsefladen i det mindste i alt væsentligt er porefri.

2

DK 153536 B

I kompositmateriaiet iføige den foreliggende opfindelse anvendes en eutektikumholdig (eng.: eutectiferous), siliciumrig legering, der trænger godt ind i kapillarhulhederne i en komprimeret diamant-krystalmasse, og som væder krystallerne til dannelse af et stærkt, 5 sammenbundet diamantlegeme. Desuden danner den indtrængende legering en stærk binding ]n s itu med et silfciumcarbid- eiler siliciumnitridsubstrat. Den siliciumrige legering kan endvidere indføres i en komprimeret diamantkrystalmasse under tryk, der er væsentfigt lavere end de, der er påkrævet i diamantstabilitets” 10 emrådet, til tilvejebringelse af et "poiykrystallinsk diamantlegeme/ siliciumcarbid- eiler siliciumnitridsubstraf'-kompositmateriaie, der kan have mange forskellige konfigurationer og størrelser inden for et bredt størrelsesområde.

Kompositmateriaiet er anvendeligt som slibemateriale, skære” 15 værktøj, dyse eller anden slidbestandig komponent.

Opfindelsen angår også en fremgangsmåde ti! fremstilling af kompositmateriaiet iføige opfindelsen, hvilken fremgangsmåde er ejendommelig ved, a) at en eutektikumholdig, siliciumrig faststofiegering eiier 20 faststof komponenter, der frembringer en eutektikumholdig siliciumrig legering, en diamantkrystalmasse og et silicium” carbid- eller siliciumnitridsubstrat anbringes i en beskyttelsesbeholder eller -kop, idet diamantkrystalmassen anbringes mellem og i kontakt med substratet og den 25 eutektikumholdige, siliciumrige faststoflegering eiler mindst en af de komponenter, der frembringer en eutektikumholdig, siiiciumrig legering, og den eutektikumholdige, siliciumrige legering består af silicium og et metal, som med siliciumet danner et siiicid, 30 b) at beholderen og dens indhold anbringes i et tryktrans mitterende pulvermedium, der overfører påført tryk i alt væsentligt uformindsket og forbliver i alt væsentligt usintret under varmepresning, c) at der påføres et tilstrækkeligt, i alt væsentligt isostatisk 35 tryk pi beholderen og dens indhold via puivermediet til i alt væsentligt fuldstændig ensartet stabilisering af dimensionerne af beholderen og indholdet til tilvejebringelse af et forrnstabiit, i alt væsentligt, isostatisk system, der omfatter den puiveromsluttede beholder, hvorved den 3

DK 153536 B

tilvejebragte; komprimerede diamantkrystalmasses tæthed udgør mere end 70 volumenprocent af voluminet af de komprimerede diamantkrystal ler, d) at det tilvejebragte, i alt væsentligt isostatiske system 5 varmpresses til frembringelse af en flydende, eutektikum- holdig, siiiciumrig legering, som trænger ind i de tomme mellemrum i den komprimerede diamantkrystalmasse og kommer i kontakt med den kontaktoverflade af substratet, der danner en grænseflade til den komprimerede diamant-10 krystalmasse, hvorhos varmpresningen udføres ved en varmpresningstemperatur under 1600°C ved et varmpresningstryk, der er tilstrækkeligt til at bringe den flydende, siliciumrige legering til at trænge ind i de tomme mellemrum i den komprimerede diamantkrystalmasse, og den eutekti-15 kumholdige, siliciumrige faststof legering eiler de ti! frembringelse af en eutektikumhoidig, siliciumrig legering benyttede faststofkomponenter anvendes i en mængde, der er tilstrækkelig til at tilvejebringe tilstrækkeligt med flydende, eutektikumhoidig, siiiciumrig legering til ved 20 varmpresningstemperaturen at fylde de tomme mellemrum i den komprimerede diamantkrystalmasse og befugte substratets kontaktflade, hvorved porerne i grænsefladen udfyldes, således ax denne i det mindste i alt væsentligt bliver porefri. og hvorhos mindre end 5 volumenprocent af 25 diamantkrystal lerne under varmpresningen omdannes til frit, ikke-diamantcarbon, og dette ikke-diamantcarbon elier diamantkrystallernes overflader reagerer med den flydende, siliciumrige legering under dannelse af carbid-, e) at det tilvejebragte, varmpressede, I alt væsentligt 30 isostatiske system afkøles og herunder holdes under et tilstrækkeligt tryk til i det mindste i alt væsentligt at bevare dimensionerne af det varmpressede system, og f) at det frembragte kompositmateriale, hvori det poiykry-stallinske legeme er bundet til et siiiclumcarbld- elier 35 siliciumnitridsubstrat, og diamantkrystal lerne forekommer i en mængde, der udgør mindst 70 volumenprocent af det polykrystaillnske legeme, blotlægges.

Varmpresningen i trin d) bør udføres i en atmosfære, som ikke har nogen væsentlig skadelig virkning på diamantkrystallerne eller

DK 153536 B

4 på den indtrængende, flydende, siliciumrige legering eller på siiiciumcarbid- eller slliciumnitridsubstratet.

Ved en udførelsesform for fremgangsmåden ifølge opfindelsen anvendes der i trin a) som beskyttelsesbeholder eller -kop en udspa-5 ring, der er indpresset i det pulvermedium, som overfører påført tryk i alt væsentligt uformindsket, og som forbliver i alt væsentligt usintret under varmpresningen, og i trin b) tildækkes udsparingen og dets indhold med en yderligere mængde trykoverførende pulvermedium, hvorved udsparingen omsluttes af det trykoverførende pul-10 vermedium, og hvorpå trin d) til f) udføres.

Udsparingen i det tryktransmitterende pulver kan ved denne udførelsesform dannes ved forskellige fremgangsmåder. F.eks. kan det tryktransmitterende pulvermedium anbringes i en matrice, en fast form af ønsket størrelse kan indskydes i pulveret, og det fremkomne 15 system presses ved omgivelsestemperaturen under et tryk, der er tilstrækkeligt til at gøre pulveret stabilt med hensyn til form, dvs. give det pressede pulver tilstrækkelig styrke, således at formen kan fjernes derfra og efterlade den udsparing, som den har udpresset deri, således at den kan fungere som beholder for siliciumcarbid-20 eller siiiciumnitridsubstratet, diamantmassen og den siliciumrige legering. Efter at siiiciumcarbid- eller siiiciumnitridsubstratet, diamantmassen og den siliciumrige legering er anbragt 5 udsparingen med diamantmassen mellem substratet og legeringen, tilføres en yderligere mængde tryktransmitterende pulvermedium til tildækning af udsparin-25 gen, og hele systemet koldpresses ved omgivelsestemperatur tit dimen-slonsmasssig stabilisering af udsparingen og dens indhold under tilvejebringelse af et praktisk taget isostatisk system omfattende den puiveromsiuttede udsparing og indholdet.

Opfindelsen vil 1 det følgende blive nærmere forklaret i forbin-30 deise med nogle udførelsesformer og under henvisning til tegningen, hvor:

Fig. 1 viser en de! af et fasediagram for en siliclum-2irconiurn-iegering og viser iigevægtsdiagrammet for eutektikumhol-dige, siliciumrige zirconiumlegeringer, der er anvendelig 35 ved den foreliggende opfindelse: fig. 2 viser et tværsnit af en celle, dvs. beholder og indhold til frembringelse af indtrængning af siliciumrig legering ifølge opfindelsen j 5

DK 153536 B

fig. 3 viser skematisk et apparat til påføring af et let tryk på cellen i fig. 2 samtidig med, at cellen sættes i vibrerende bevægelse til forøgelse af diamantkrystalmassens tæthed; flg. 4 viser et tværsnit af et apparat til påføring af et i det 5 mindste i alt væsentligt isostatisk tryk pi cellen ved hjælp af et tryktransmitterende pulvermedium til dimensionsmæssig stabilisering af cellen under tilvejebringelse af et i ait væsentligt isostatisk system; fig. 5 viser et tværsnit af en grafitform til samtidig påføring af 10 varme og tryk, dvs. varmpresning, til det i det væsent lige isostatiske system, hvilket tværsnit viser cellen indesluttet deri; fig. 6 viser et lodret snit i et "polykrystallinsk diamantlegeme/ siliciumcarbid- eller siliciumnitridsubstraf-kompositmateria-15 le, der er fremstillet I henhold til den foreliggende opfin delse; og fig. 7 viser et mikrofotograf! (forstørret 690X) af en poleret tværsnitsflade i et kompositmatenaie ifølge den foreliggende opfindelse.

20

Ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen dannes der en tagkonstruktion, i hvilken diamantkrystaimassen er anbragt mellem et siliciumcarbid- eller siliciumnltridsubstrat og en eutektikumholdig, siliciumrig faststoflegering og er i kontakt med substratet og legeringen.

25 Ved udførelse af fremgangsmåden underkastes tagkonstruktionen en koldpresning ved omgivelses- eller stuetemperatur til en i ait væsentlig ensartet stabilisering af lag konstruktionens dimensioner. Lagkonstruktionen underkastes derefter en varmpresning, ved hvilken der af siliciumlegeringen frembringes en flydende, siiiciumrig legering, 30 som bringes til at trænge ind mellem de sammenpakkede diamantkrystaller til kontakt med siliciumcarbidsubstratet.

Alternativt kan diamantkrystaimassen være i kontakt med mindst én af de komponenter, der anvendes til dannelse af den eutektikum-holdige, siliciumrige legering in situ, dvs. silicium eller legerende 35 metal, og siiiciumcarbid- eller siliciumnltridsubstratet, diamantkrystaimassen og komponenterne til dannelse af den silicliumrige legering underkastes et koldpresningstrin ved omgivelsestemperatur eiier stuetemperatur til praktisk taget fuldstændig stabilisering af deres dimensioner, og derpå et varmpresningstrin, hvorved der frembringes

DK 153536 B

6 flydende, eutektikumholdig, siliciumrig legering, som bringes til at sive ind gennem hele massen af sammenpressede diamantkrystaller og opnå kontakt med siliciumcarbid- eller siliciumnitridsubstratet. Komponenterne til tilvejebringelse af siliciumlegeringen anbringes siledes, 5 at dannelsen af siliciumlegeringen påbegyndes inden varmpresningen, dvs. Inden varmpresningstemperaturen er nået.

Diamantkrystalmassen, massen af fast, siiiciumrig udgangslegering eller faste komponenter til tilvejebringelse af den siliciumrige legering og siliciumcarbid- eller siliciumnitridsubstratet kan have ‘10 mange forskellige former. F.eks. kan hver masse have form af et lag med diamantkrystallaget mellem de andre lag. Alternativt kan den siSiciumrige udgangslegering have form af et rør eller en cylinder med en gennemgående kerne, hvor legeringsrøret er støbt således, at det danner en tæt pasning med beholderens indre væg, og sub-15 stratet kan foreligge i form af en stang, der kan være placeret centra It i legeringsrørets kerne, og det omsluttende rum mellem silicium-iegeringsrøret og substratstangen kan være pakket med diamantkrystaller.

De diamantkrystaller, der anvendes ved den foreliggende frem-20 gangsmåde, kan være naturlige eller syntetiske, dvs. menneskeskabte. De varierer f størrelse med hensyn tii største dimension fra ca. 1 pm til ca. 1000 pm, cg den bestemte størrelse eller de bestemte størrelser, der anvendes, afhænger i det væsentlige af den nærmere bestemte pakning eller diamantkrystaltæthed, der Ønskes, og også 25 af den nærmere bestemte anvendelse af det frembragte legeme. Ti! de fleste slibemiddelanvendelser foretrækkes f.eks. diamantkrystaller, der ikke er større end omkring 60 pm. For at gøre pakningen af diamantkrystalierne maksimal ved den foreliggende fremgangsmåde, skal diamantkrystalierne fortrinsvis være sorteret efter størrelse, 30 siledes at de indeholder en række størrelser, dvs. krystaller af lilie, middel og stor størrelse. De størrelsessorterede krystaller skal fortrinsvis være på fra ca. 1 pm tii ca, 60 pm, og i dette størrelsesområde skal fortrinsvis fra 60 til 80 volumenprocent af den totale krystalmasse tilhøre den størrelsesmæssigt større del af området, 5 35 tii 10 volumenprocent være af middeistørreise, og resten udgøres af slørrelsesmæssigt små krystaller eller partikler.

Klassificeringen af diamantkrystalierne lettes ved behandling af større diamantkrystaller i strålemølle. Diamantkrystalierne er fortrinsvis kemisk rensede, således at eventuelle oxider eller andre urenheder 7

DK 153536 B

er fjernet fra deres overflade Inden anvendelsen ved den foreliggende fremgangsmåde. Dette kan udføres ved at opvarme diamantkrystallerne i hydrogen ved omkrig 900°C i omkring 1 time.

Den ved fremgangsmåden ifølge opfindelsen benyttede faste, 5 eutektikumholdige, siliciumrige udgangslegering, hvor betegnelsen '’legering11 i denne tekst også indbefatter en intermetailisk forbindelse, består af silicium og metal, dvs. et legerende metal, som danner et silicid med siliciumet. Den foreliggende eutektikumholdige, silicium-rige legering omfatter fortrinsvis silicium og et af metallerne kobolt 10 (Co), krom (Cr), jern (Fe), hafnium (Hf), mangan (Mn), molybdæn (Mg), niob (Nb), nikkel (Ni), palladium (Pd), piatin (Pt), rhenium (Re), rhodium (Rh), ruthenium (Ru), tantal (Ta), thorium (Th), titan (Ti), uran (U), vanadium (V), wolfram (W), yttrium (Y), zirconium (2r) og blandinger heraf.

15 Den foreiiggende eutektikumholdige, siliciumrige udgangsiege- ring er fast ved stuetemperatur og indeholder over 50 atomprocent men under 100 atomprocent silicium. Sædvanligvis indeholder den maksimalt omkring 99,5 atomprocent silicium, idet siliciumindholdet i stor udstrækning afhænger af den specifikke virkning, som det lege-20 rende metal har på den fremkomne siliciumrige legering. Den foreiiggende faste, siiiciumrige udgangslegering er eutektikumholdig, dvs. den indeholder nogen eutektisk struktur og kan være af hypo-eutektisk, hypereutektisk eller af eutektisk sammensætning.

Af fig. 1 fremgår eksempelvis, at den eutektiske sammensætning 25 2 er en legering med en bestemt sammensætning, som, under lige vægtsbetingelser, ved afkøling størkner ved konstant temperatur under dannelse af et fast stof med mindst to faser, og som ved opvarmning smelter fuldstændigt ved den samme konstante temperatur, hvor denne konstante temperatur, der kaldes den eutektiske tempe-30 ratur, også er betegnet med 2. Den eutektiske sammensætning 2 er den sammensætning, ved hvilken to nedadgående likviduslinier 3 og 4 mødes i det eutektiske punkt 2, og den eutektiske sammensætning har således et iavere smeltepunkt end de tilgrænsende hypoeutek-tiske eller hypereutektiske sammensætninger. Likviduslinien er er.

35 kurve eller linie i et fasediagram, hvor kurven eller linien repræsenterer de temperaturer under ligevægtsbetingelser, ved hvilke smeltning er tilendebragt under opvarmning af siliciumlegeringen eller størkning begynder ved afkøiing af denne. Den ved fremgangsmåden iføige opfindelsen benyttede faste, eutektikumholdige, sificiumhoidige

DK 153536 B

8 udgangslegering er én af en række legeringer på en vandret eutek-tikumlinie 1, dvs. den vandrette linie, der passerer gennem det eutektiske punkt 2, og som strækker sig fra legeringer, hvis sammensætning ligger til venstre for den eutektiske 2 i et ligevaegtsdiagram, 5 og som indeholder nogen eutektisk struktur, dvs. en hypoeutek-tisk legering, til legeringer, hvis sammensætning ligger til højre for den eutektiske 2 i !igevægtsdiagrammet, og som indeholder nogen eu-tektisk struktur, dvs. en hypereutektisk legering.

Den faste, siiiciumrige udgangslegering kan, men behøver det 10 ikke, være af samme sammensætning som den indtrængende, silicium-rige legering. Hvis ai fast, siiiciumrig udgangslegering bliver flydende ved varmpresningstemperaturen, vil den have samme sammensætning som den indtrængende, siliciumrige legering. Hvis imidlertid kun en del af den siiiciumrige udgangslegering, dvs. et hypoeu-15 tektlkum eller hypereutektikum, bliver flydende ved varmpresningstemperaturen, har udgangslegeringen ikke samme sammensætning som den flydende, indtrængende, siliciumrige legering, og i så fald vil den indtrængende, siiiciumrige legering indeholde mere silicium end den hypoeutektiske; eutektiske udgangslegering, men indeholde mindre 20 silicium end den hvpereutektiske siliciumholdige udgangslegering.

Af fig. 1 fremgår endvidere, at sammensætningen af den ifølge opfindelsen anvendte indtrængende eutektikumhoidige, siliciumrige legering og dennes smeltetemperatur findes på likviduslinlerne 3 og 4 og omfatter det eutektiske punkt 2. Området 5, der afgrænses af 1, 25 2 og 4, omfatter en fast fase (51) og en væskefase, dvs. en fly dende, indtrængnlngsiegeringsfase, hvor mængden af fast fase stiger, og mængden af væskefase falder tilsvarende, når afstanden til højre fra det eutektiske punkt 2 langs den vandrette linie 1 øges, dvs. nar mængden af silicium i legeringen øges fra den mængde, der er 30 indeholdt i eutektikumet. På samme måde omfatter området 6, der afgraenses ved 1, 2 og 3, en fast fase ZrSi^ og en væskefase, dvs. en flydende, indtrængnlngsiegeringsfase, hvor mængden af fast fase stiger cg mængden af væskefase falder tilsvarende, når afstanden til venstre fra det eutektiske punkt 2 langs den vandrette linie 1 øges, 35 dvs. når mængden af silicium i legeringen mindskes fra den mængde, dm- er indeholdt i eutektikumet.

Ved udøvelse af den foreliggende fremgangsmåde findes den ønskede sammensætning af den foreliggende eutektikumhoidige, siiiciumrige indtrængningslegering og dens smeltepunkt som et punkt 9

DK 153536 B

på likviduslinierne, herunder det eutektiske punkt, i fasediagrammet for den foreliggende siliciumrige legering, og varmpresningstemperaturen er den temperatur, ved hvilken en sådan ønsket siliciumrig indtrængningslegeringssammensætning er flydende, dvs.

5 tilstrækkeligt i stand til at flyde og trænge ind gennem den komprimerede diamantmasse. Når der anvendes en fast, siliciumrig udgangslegering, som har samme sammensætning som den Ønskede indtrængningslegering, er varmpresningstemperaturen den temperatur, ved hvilken legeringen er flydende, hvilken temperatur ligger 10 meliem fra ca. 10°C tii fortrinsvis et maksimum på ca. 100°C over legeringens smeltepunkt, men om ønsker er varmpresningstemperaturer over dette foretrukne maksimum anvendelige ait i afhængighed af den særlige iegering, der anvendes. Dog er varmpresningstemperaturer over 1600°C ikke anvendelige, eftersom sådanne tempera-15 turer har tilbøjelighed ti! at omdanne diamanterne til grafit i for vidtgående udstrækning.

Har udgangslegeringen imidlertid ikke samme sammensætning som den ønskede indtrængningsiegering, men tilvejebringer den en sidan indtrængningslegering som væskefase, når den opvarmes tit 20 smeltepunktet for den ønskede indtrængningsiegering, da er varmpresningstemperaturen en temperatur, ved hvilken en sådan indtrængningslegeringsfase tilvejebringes i flydende form, dvs. omkring 10°C over smeltepunktet for indtrængningsiegeringsfasen.

Af fig, 1 fremgår også, at for en bestemt indtrængningsiegering 25 af hypereutektisk sammensætning findes smeltepunktet pi iikvidus-iinie 4. Hvis f.eks. den ønskede Indtrængende, hypereutektiske isgering indeholder 95 atomprocent Si, findes dens smeltepunkt på itkvidusiinien 4 at være ca. 1400°C, som det er vist ved linien 7. Når den siliciumrige udgangslegering har samme sammensætning som den 30 ønskede indtrængningsiegering, som det er vist ved linien 7, vil al udgangslegering smelte ved smeltetemperaturen pi 1400°C, og væske- eller varmpresningstemperaturen vil ligge mellem 1410°C og fortrinsvis 1510°C, elier om ønsket op til højst 1600°C. Når der. siliciumrige udgangslegering imidlertid er en hypereutektisk iegering 35 til højre for linien 7 på den vandrette linie 1 i ligevægtsdiagrammet i fig. 1, er varmpresningstemperaturen den temperatur, ved hvilken den ønskede indtrængningsiegering indeholdende 95 atomprocent Si og 5 atomprocent Zr tilvejebringes i væskeform, hvilket vil være

Q

omkring 1410 C.

DK 153536 B

10

Ved varmpresningstemperaturen skal udgangsiegeringen tilvejebringe den ønskede indtrængningslegering i væskeform i en mængde, aer er tilstrækkelig ti! at fylde hulrummene i den foreliggende komprimerede diamantmasse, der har en krystaitæthed pi over 70 5 volumenprocent, og frembringe kontakt med kontaktfladerne af sili-ciumcarbidsubstratet under udfyldning af porerne eller hulrummene I grænsefladen mellem det kontaktdannende poly kry stal! i nske legeme og substratet, således at det resulterende kompositmateriale har en grænseflade, som er porefri eller i hvert fald i alt væsentligt porefri.

'0 I praksis bør den flydende indtrængningslegering ved varmpresningstemperaturen tilvejebringes i en mængde på mindst ca. 1 volumenprocent af den siiiciumholdige udgangslegering.

Varmpresningen udføres ved en temperatur, ved hvilken den indtrængende siliciumhoidige legering er fiydende under et tryk, der 15 kun behøver at være tilstrækkeligt tii ved varmpresningstemperaturen at nedbryde modstandsdygtige grænsefiadelejringer (eng.: interfaciai refractory layers) I diamantmassen, som forhindrer penetrering med den flydende legering gennem hulrummene deri, og sædvanligvis kræver dette et minimumstryk på omkring 34,5 bar overtryk. Specielt 20 kan varmpresningstrykket iigge mellem ca. 34,5 bar overtryk cg 1,4 kilobar overtryk, men sædvanligvis ligger det meliam ca. SS bar overtryk og S90 bar overtryk. Varmpresningstryk ved fremgangsmåden ifølge den foreliggende opfindelse over 1,4 kiiobar overtryk tilveje-bringer ingen væsentlig fordel.

25 Med en temperatur, ved hvilken den indtrængende legering er flydende, menes i denne tekst en temperatur, ved hvilken den indtrængende legering er i stand til at fiyde let. Specielt er den indtrængende legering ved sit på Hkvlduslinien givne smeltepunkt eller ved det eutektiske punkt i tilfælde af en eutektisk legering en væs-30 keformig, tyk, viskøs substans, men når dens temperatur øges fra smeltepunktet, biiver den indtrængende legering mindre viskøs, og ved en temperatur omkring 10 C over sit smeltepunkt bliver den væskeformige, indtrængende legering villigt i stand ti! at flyde, dvs. flydende. Den temperatur, ved hvilken den indtrængende, silicium-35 rige legering er flydende, er den temperatur, ved hvilken den vil gennemtrænge eller sive ind gennem de kapiliarstore passager, hulrum eller tomme mellemrum i den foreliggende komprimerede diamant-krystaimasse, der har en krystaitæthed på over 70 volumenprocent.

Ved stadig yderi [gere temperaturstigning stiger flydeevnen for den 11

DK 153536 B

flydende, indtrængende, siliciumrige legering, hvilket medfører en øget penetrationshastighed igennem heie diamantkrystalmassen, og ved en temperatur omkring 10G°C over sit smeltepunkt har den indtrængende legering sædvanligvis sin største flydeevne, og tempera-5 turer over dette maksimum er det almindeligvis ikke nødvendigt at anvende.

Den foreliggende siliciumrige legering af eutektisk sammensætning smelter ved en temperatur under omkring 1430°C. For den foretrukne gruppe af siliciumholdige legeringer ifølge opfindelsen ligger 10 det eutektiske smeltepunkt mellem 870°C for en eutektisk SiPd-lege-ring, nemlig ved omkring 56 atornprocent Si, og 1410°C for en eutektisk SiMo-legeringssammensætning, nemlig ved omkring 97 atomprocent Si. Som vist i fig. 1 indeholder den eutektiske SiZr-!egering 2 90,4 atomprocent Si og har en eutektisk smeitetemperatur pi 1360°C.

15 Hovedfasen af den foreliggende faste, siliciumrige eutektiske legering er næsten rent silicium.

Den foreliggende indtrængende eutektikumhoidige, siliciumrige legering har et smeltepunkt på under 1500°C, sædvanligvis mellem O o 850 C og 1450 C, og den temperatur, ved hvilken den bliver tydende, 20 er mindst omkring 10°C over smeltepunktet.

Den faste, siiiciumrige udgangsiegering eller de ti! tilvejebringelse af den foreliggende siiiciumrige legering faste komponenter kan foreligge i form af et kontinuert fast legeme eller i form af et puiver.

Den bestemte mængde eller det bestemte rumfang af fast, siliciumrig 25 udgangslegering, der anvendes, kan variere i afhængighed af den mængde af flydende, siliciumrig ind+rængningslegering, som den tilvejebringer, og af materiellets kapacitet. Almindeligvis ligger mængden af den indtrængende siliciumholdige legering på fra 25 volumenprocent til 80 volumenprocent, men for at opnå de bedste resultater 30 ligger den fortrinsvis mellem 30 og 60 volumenprocent af den foreliggende komprimerede diamantkrystaimasse, der har en krystaltæthed pi over 70 volumenprocent.

Det benyttede varmpresningstrin udføres i en atmosfære, der ikke har nogen væsentlig skadelig effekt på dismantkrystallerne eller 35 den indtrængende, siliciumrige legering eiier siliciumcarbidsubstratet. Specielt kan varmpresningstrinnet udføres i praktisk taget vakuum eller i en inert gas, som f.eks. argon eller helium, eller det kan udføres i nitrogen eller hydrogen. Den foreliggende varmpresning udføres tilstrækkeligt hurtigt, således at der ikke finder nogen

DK 153536 B

12 væsentlig reaktion sted mellem den indtrængende, siliciumrige legering og nitrogenet eller hydrogenet. Varmpresningstrinnet kan ikke udføres i atmosfærisk luft, da diamant i atmosfærisk luft ved mere end 800°C hurtigt omdannes til grafit, og den flydende, ind-5 trængende, siliciumrige legering ville oxyderes under dannelse af fast kiselsyreanhydrid inden nogen væsentlig infusion af flydende legering i diamantmassen har fundet sted.

Siliciumcarbidsubstratet er et poiykrystailinsk legeme, der har en tæthed på mellem 85% og 100% af den teoretiske tæthed for silicium-10 carbid. Den siiiciumcarbidtæthed, der er angivet heri, er den relative tæthed baseret på siiiciumcarbids teoretiske tæthed, som er 3,21 3 g/cm . Et polykrystailinske siliciumcarbidlegeme med en tæthed under 85% er ikke anvendeligt, da det ikke vil have den til de fleste anvendelser, som f.eks. anvendelse som værktøjsindsats, påkrævede 15 mekaniske styrke. Almindeligvis gælder, at jo større sliiciumcarbid-iegemets tæthed er, desto større er dets mekaniske styrke.

Siiiciumnitridsubstratet er et poiykrystailinsk legeme med en tæthed pi meiiem 80% og 100% af slliciumnitrids teoretiske tæthed.

Den siliciummtndtæthed, der er angivet heri, er den relative tæthed 20 baseret på siiiciumnitrids teoretiske tæthed, der er 3,18 g/cm . Et poiykrystailinsk siiiciumnitridlegeme med en tæthed under 80% er ikke anvendeligt, da det ikke vil' have den for de fieste anvendelser, f.eks. til anvendelse som værktøjsindsats, påkrævede mekaniske styrke. Almindeligvis gælder, at jo større siliciumnitridlegemets tæt-hed er, desto større er dets mekaniske styrke.

i forbindelse med den foreliggende opfindelse er det polykrys-tai’inske siliciumcarbid- eller sillciumnitridsubstrat et varmpresset eller sintret iegeme, der indeholder siliciumnitnd, dvs, det indeholder siliciumnitrid i en mængde pi mindst 90 vægtprocent og sæd-30 vanligvis mindst 95 vægtprocent og almindeligvis meilem 96 vægtprocent og 99 vægtprocent eller mere af substratlegemets vægt. Andre bestanddele eller komponenter ud over siliciumnitrid i det foreliggende polykrystailinske siiiciumnitridlegeme bør ikke have nogen væsentlig forringende effekt på de mekaniske egenskaber af det resul-35 terende kompositmateriaie. Specielt bør de ikke have nogen væsentlig forringende effekt på egenskaberne af siiiciumnitridet og alle de øvrige materialer, der anvendes ved den foreliggende fremgangsmåde til fremstilling af kompositmateriaiet, eiler på selve kompositmaterialets egenskaber.

13

DK 153536 B

Det foreliggende siliciumcerbidlegeme kan fremstilles ved sintringsprocesser, der er kendt fra U.S.A. patent nr. 4.004.934.

Kort beskrevet kan det sintrede siliciumcarbidiegeme fremstilles ved tilvejebringelse af en submikronpartikelblanding af B-si!icium~ 5 carbid, boradditiv og et carbonholdigt additiv i form af frit kulstof eller et carbonholdigt organisk materiale, der er varmenedbrydeiigt under dannelse af frit carbon, og formning af blandingen til et ’’grønt11 iegeme. Ved en alternativ metode blandes A-SiC af submi- kronstørrelse, men med en gennemsnitlig partikelstørrelse lig to '10 gange partikelstørrefsen for B-SiC, med partikelblandingen i en mængde på meliem 0,05 vægtprocent og 5 vægtprocent på basis af A-SiC’et. Det "grønne" iegeme sintres ved en temperatur på mellem 1900°C og 2300°C til den påkrævede tæthed.

Boradditivet kan foreligge som rent borcarbid eller som en bor-15 forbindelse, der dekomponerer ved en temperatur under sintringstemperaturen under dannelse af bor eller borcarbid og gasformige nedbrydningsprodukter, og anvendes i en mængde svarende til 0.3 til 3,0 vægtprocent rent bor beregnet ud fra mængden af silicium-earbid. Under sintringen går boradditivet i fast opløsning med sin-20 ciumcarbidet, og når der anvendes mængder af additivet, der overstiger hvad der svarer ti i omkring 1 vægtprocent rent bor, udskilles der desuden en borcarbidfase.

Det carbonholdige additiv anvendes i en mængde svarende tit fra ca. 0,1 til ca. 1,0 vægtprocent fmt carbon beregnet ud fra 25 mængden af siliciumcarbid. Additivet kan være frit carbon eller et fast eller væskeformigt, carbonholdigt organisk materiale, der dekomponerer fuldstændigt ved en temperatur på 50°C - 1000°C til frit carbon af submikronstørrelse og gasformige nedbrydningsprodukter. Eksempler på carbonholdige additiver er polymere af aromatiske car-30 bonhydrider som f.eks. polyphenylen eller polymethyiphenylen, som er opløselig i aromatiske carbonhydrider.

Det sintrede iegeme omfatter siliciumcarbid og beregnet ud fra mængden af siliciumcarbid fra 0,3 til 3,0 vægtprocent bor og indtil 1 vægtprocent frit carbon. Boret foreligger i fast opløsning med siii-35 ciumcarbidet eller alternativt som borcarbidfase i fast opløsning med siliciumcarbidet. Det frie carbon foreligger, såfremt det kan detek» teres, som submikronpartikler spredt fordelt i hele det sintrede gerne.

De varmpressede siiiciumcarbidlegemer kan fortrinsvis fremstiles

DK 153536 B

14 ved fremgangsmåder, der er beskrevet i beskrivelsen ti! US patent nr. 3.853.566 og US patent nr. 4.108.929.

En dispersion af siliciumcarbidsubmikronpulver og en bor- eller borcarbidmængde svarende ti! 0,5 - 3,0 vægtprocent bor varmpresses 5 ved en varmpresningsproces ved 1900 - 2000°C og 345 - 690 bar overtryk til tilvejebringelse af et borholdigt siliciumcarbidlegeme. Ved en anden varmpresningsproces Inkluderes der 0,5 - 3,0 vægtprocent frit carbon eller carbonholdigt additiv, der kan varmedekomponeres til frit carbon, i dispersionen.

Det polykrystai'inske siiiciumnitridlegeme kan fremstilles ved sintringsprocesserne, der er beskrevet i beskrivelsen ti! US patent nr. 4.119.689 og nr. 4.119.690.

I beskrivelsen til US patent nr. 4.119.689 beskrives et sintret siiiciumnitridlegeme, der fremstilles ved tilvejebringelse af en homo-"'5 gen dispersion af suhmikronstørreise, og som omfatter siiiciumnitrid og et berylliumadditiv, der kan være beryllium, beryHiumcarbid, beryiiiumfluorid, berylUumnitrid, berylliumsiiiciumnitrid og blandinger heraf i en mængde, hvori beryllium komponenten svarer til fra 0,1 vægtprocent ti! 2 vægtprocent rent beryllium på basis af mængden af siiiciumnitrid, formning af dispersionen ti! et “grønt legeme" og sintring af det "grønne legeme" ved fra 1S00°C ti! 2200°C i en nitrogen-sintringsatmosfærs ved et superatmosfærisk tryk, der ved sintringstemperaturen forhindrer væsentlig termisk dekotnponering af silicium-nitridet og tilvejsbringer et sintret legeme med en tætned på mindst 25 ca. 80% af den teoretiske tæthed for siiiciumnitrid, hvor minimumstrykket for det nævnte nitrogen ligger på mellem ca. 20 atmosfære ved en sintringsterr.peratur pi 19G0°C og et tryk på ca. 130 atmosfære ved en sintringstemperatur på 2200°C.

Fremgangsmåden ifølge US patentskrift nr. 4 119.6S0 svarer til ^ fremgangsmåden iføige US patentskrift nr. 4.119.689 bortset fra, at der inkluderes et magnesiumadditiv i dispersionen, som omfatter sili-ciumnitrid og berytSiumadditiv, at det. grønne legeme sintres ved fra ca. 1800°C tii ca. 2200°C i en nitrogensintringsatmosfære ved et su-peratmosfærlsk. tryk, der ligger mellem et minimum på 10 atmosfære 43 ved en sintringstemperatur på 1800 C og et minimum pa 130 atmosfære ved en sintringstemperatur på 2200°C. Magnesiumadditivet er udvalgt fra gruppen, der omfatter magnesium, magnesiumcarbid, magnesiumnitrld, magnesiumcyanid, magnesiumfluorid, magnesium-siiicid, magnesiumsiliclumnltrid og blandinger heraf. Magnesium- 15

DK 153536 B

addivet anvendes i en mængde, hvori magnesiumkomponenten svarer lii fra 0,5 vægtprocent ti! 4 vægtprocent rent magnesium på basis af mængden af sUiciumnitrid,

Det poiykrystailinske legeme, der beskrives i US patentskrift 5 nr, 4.119.689, har en tæthed på mellem 80% og 100% af den teoretiske tæthed af siliciumnitrid og indeholder siliciumnitrid og beryllium i en mængde på fra mindre end 0,1 vægtprocent, til mindre end 2 vægtprocent af siliciumnitridet. Det poiykrystailinske legeme, der er beskrevet I US patentskrift nr. 4.119.690 svarer til det, der er be-10 skrevet i US patentskrift nr. 4.119.689 bortset fra. at det også indeholder magnesium i ert mængde på fra mindre end 0,5 vægtprocent dl mindre end 4,0 vægtprocent af siliciumnitridet.

De varmpressede, poiykrystailinske siliciumnitridlegemer kan fremstilles ved fremgangsmåder, der er beskrevet I beskrivelserne tii 15 US patentskrift nr. 4.093.687 og US patent nr. 4.122,140, I US patentskrift nr. 4.093.687 beskrives et varmpresset sil·'-ciumnttridlegeme, der fremstilles ved tilvejebringelse af en homogen puiverdispersion af submikronstørrelse af siliciumnitrid og magnesium-silicid i en mængde på mellem 0,5 og 3,0 vægtprocent på basis af 20 mængden af siliciumnitrid og varmpresning af dispersionen i en ni-trogenatmosfæ^e ved fra 1600°C tii 1850°C under et minimumstryk på 138 bar overtryk. Det resulterende poiykrystailinske siliciumnitrid-legeme har en tæthed på 80 tii 100 procent af den teoretiske tæthed for siliciumnitrid og indeholder siliciumnitrid og magnesium i en 25 mængde på fra 0,3 vægtprocent tii ca i,9 vægtprocent af siliciumnitridet.

! US patentskrift nr, 4.122.140 beskrives et varmpresset poiy-krystailinsk siliciumnitridiegeme, der fremstilles ved tilvejebringelse af en puiverdispersion af submikronstørrelse, og som indeholder sili-30 ciumnitrid og et beryiiiumadditiv, der er udvaigt fra gruppen bestående af beryllium, berylliumnitrid, beryliiumfluond, berylirum-siiiciumnitrid og blandinger heraf, i en mængde, hvori beryliiumkom-ponenten svarer til fra 0,1 vægtprocent til 2 vægtprocent rent beryllium på basis af mængden af siliciumnitrid, og varmpresning af dis-35 persionen i en nitrogenatmosfære ved fra 1600 C tii 1850 C under et minimumstryk på 138 bar overtryk. Det resulterende poly-krystailsnske siliciumnitridiegeme har en tæthed på fra ca. 80% til cs. 100% af den teoretiske tæthed for siliciumnitrid og indeholder siliciumnitrid og beryllium i en mængde på fra 0,1 vægtprocent til ?.f) af cilir.mmnitridet

DK 153536 B

16

Tykkeisen af siliciumnitridsubstratet kan variere i afhængighed aF slutanvendelsen af det tilvejebragte kompositmateriale, men det bør mindst være tilstrækkeligt tykt tii at tilvejebringe et tilstrækkeligt stærkt bærerunderiag for det poiykrystaiiinske diamantlegeme, ^ der fastgøres hertil. For at tilvejebringe en tilstrækkelig stærk understøttelse af det fastgjorte poiykrystaiiinske diamantiegeme er sili-ciumnitridsubstratet tii de fleste anvendelser fortrinsvis mindst dobbelt så tykt som det fastgjorte poiykrystaiiinske diamantiegeme.

I opstillingen, der er vist i figur 2, består en celle 10 af et ',J kopformet organ 11 (retvinklet, cirkulær, cylindrisk væg med bund).

I det kopformede organ 11 er der anbragt en skive 12 af en eutek-tikumholdig, siliciumrig legering, en masse 13 af diamantkrystaller i kontakt med den siiiciumrlge legering 12 og en tyk prop 14, f.eks. en cylinder af polykrystaliinsk siiiciumnitridsubstrat, hvilken cylinder passer nøje Ind i det kopformede organ 11 og fungerer som et lukke derfor.

Det kopfcrrnede organ 11 er fremstillet af et materiale, der stort set er inert under varmpresningstrsnet, dvs. et materiale, som ikke har nogen væsentlig forringende effekt på det foreliggende dia-^ mantiegemes egenskaber. Et sådant materiale kan være et Ikke-metai som f.eks. komprimeret hexagonalt bornitrid, men det er fortrinsvis et metal og fortrinsvis et af metallerne fra gruppen, der omfatter wolfram, yttrium, vanadium, tantal og molybdæn.

Der bør, da dette ville muliggøre en sammenblanding eller fri bevægelse af -ndholdet i det kopformede organ, ikke være fri plads tH overs i det tiiproppede kopformede organ, således at. indholdet udsættes for det i alt væsentligt isostatiske tryk under koidpres-ningstrinet 1 det mindste i alt væsentligt i den oprindelige placering.

Formålet med at anvende størrelsessorterede diamantkrystaller ^ er 3t tilvejebringe en maksimal pakning af diamantkrystallerne. Alternativt eller herudover er den opstilling, der er vist i figur 3, anvendelig tii at øge diamantkrystallernes tæthed eller pakning. Cellen 10 er anbragt på en vibrerende plade 16 og holdes dér under let trykpåføring (ca. 3,45 bar) under vlbrering af cellen 10 tii fremme af & repiacering af diamantkrystaiierne eller partiklerne til udfyldning af mellemrummene og nedsættelse af hulrumsindhoidet til øgning diamant-krystalmassens tæthed til over 70 volumenprocent af diamantmassen.

Den fornødne komprimeringsgrad kan bestemmes ved en uafhængig 17

DK 153536 B

undersøgelse udført på diamanter af ens størrelse i en matrice med faste dimensioner.

Ceiien 10 underkastes et koidpresningstrin som vist i figur 4, hvilket koldpresningstrin udføres ved stue- eiler omgivelsestempera-5 tur, hvorved det kun er påkrævet, at der påføres et tilstrækkeligt tryk til at tilvejebringe et dimensionsmæssigt stabiliseret praktisk taget isostatisk system. Ceiien 10 er anbragt i den cylindriske kerne af en trykform 20 og er omgivet af en masse 19 bestående af fine partikler (fortrinsvis sigtestørrelse 0,037 rnm ( -400 mesh)) og helst 10 med størrelser fra ca. 2 pm til ca. 20 pm af et tryktransmitterende pulvermedium, der som f.eks. hexagonalt bornitrid og siiiciumnitnd forbliver praktisk caget usintret under tryk- og ternperaturbetingel· serne ved den foreliggende fremgangsmåde. Dette tryktransmitterende pulver eller pufvermedium sørger for påføring af et tilnærmelsesvis 15 eller i alt væsentligt isostatisk tryk på ceiien 10, hvorved ceiien 10 og dens indhold stabiliseres dimensionsmæssigt, dvs. densificeres, i alt væsentligt ensartet under tilvejebringelse af et formet, i alt væsentligt isostatisk system bestående af den puiveromsiuttede cehe, hvori tætheden af det frembragte komprimerede k^ystallag er over 70 20 voulmervprocent af de komprimerede krystallers rumfang. Trykformen 20 (ring 22 og stemplerne 23, 23a) kan være fremstillet af værktøjs-stål og om ønsket kan ringen 22 som vist anbringes ; en sintercarbid-bøsning 22a for af muliggøre påføring af tryk på indtil 13.7S0 bar overtryk. Tryk over 13.790 bar overtryk tilvejebringer Ingen væsent-25 lig fordel. Inden for rammerne af stemplet 23, bøsningen 22a og stemplet 23a udøves der fortrinsvis tryk <' området fra 1380 bar overtryk og indtil 6,895 bar overtryk og sædvanligvis indtil 3.447 bar overtryk på det tryktransmitterende pulvermedium ved hjæip af stemplerne, der drives på konventionel måde, Indtil det påførte tryk bliver 20 stabilt, således som det gøres ved konventionel puiverpakningstek-nologi.

Det kan bemærkes, at det specifikt påførte koldpresningstryk,, der anvendes, kan bestemmes empirisk, og tryk over det tryk, de*-frembringer et dirnensionsmæssigt stabiliseret, i alt væsentligt iso-35 statisk system, tilvejebringer ingen væsentlig yderligere densrikation eiier dimensionsmæssig stabilisering af cellen 10 og dens indhold.

Det foreliggende tryktransmitterende puivermediurn, som f.eks. hexagonalt bornitrid og siliciumnitrid, er af en sådan natur, at det resulterer i en tilnærmelsesvis hydrostatisk virkning scm reaktion på

DK 153536 B

18 et uniaksiait påført tryk ti! udøvelse af et i alt væsentligt isostatisk tryk på hele overfladen af cellen 10. Det antages, at det påførte tryk transmitteres i alt væsentligt uformindsket til cellen 10. Koldpresningstrinet mindsker størrelsen af mellemrummene og gør 5 derved forekomsten af porer med kapilarstørrelse i dimantmassen maksimal, og det frembringer ligeledes den fornødne diamantkrystal-tæthed på over 70. volumenprocent af diamantmassen. Denne reduktion af porevoiuminet nedsætter også det endelige indhold af ikke-diamantmateriale i diamantmassen og tilvejebringer tiere, for effektiv 10 binding til hinanden passende placerede, side om side stillede, krystal-mod-krysta! områder.

Efter afslutning af koide^esningstrinet skal tætheden af de komprimerede diamantkrystalier * cellen 10 være over 70 volumenprocent af krystallernes rumfang. Tætheden af det komprimerede I5 diamantkrystalmasseiag er pi fra 71 volumenprocent til højst 95 volumenprocent og ofte fra 75 volumenprocent til SO volumenprocent af diamantkrystaliernes rumfang. Jo større krystaltælheden er, desto mindre vil mængden af ikke-diamar.tmatsriaie, der forekommer mellem krystallerne vær®, hvilket resulterer ' et forholdsvis hårdere 23 diamantlegeme.

Det ved koidpresningstrinet frembragte, i alt væsentligt iso-statike sysler.·. 21, som omfatte.·· den puiveromsluttede beholder, underkastes et varmpresn.ngstrin, hvorved det underkastes varmpresningstemperatur og -tryk samtidigt, cb Når koidpresningstrinet er tilendebragt, trækkes et af stemplerne 23, 23a tilbage, og det- resulterende konsoliderede, S alt væsentligt isostatiske, formede system 21 tvinges ud sf foringsrøret 22a og snd i et hul med identisk diameter i en grafit form 30, således at det overførte system 21 nu indesluttes af væggene i hullet 31 30 mellem to grafitstempier 32, 32a. Grafitformen 30 er forsynet med et termoelement 33, til tilvejebringelse af en angivelse af den temperatur, der påføres det dimensionsmæssigt stabiliserede, i alt væsentligt isostatiske system 21. Formen 30 med det i ait væsentligt isostatiske system 21, vier er Indesluttet på den ovenfor omtalte 35 måde, anbringes I en ikke vist konventionel varmpresningsovn. Ovnkammeret evakueres eller evakueres i det mindste næsten fuldstændigt, hvilket medfører evakuering af systemet 21 inklusive cellen 10, og derved forsynes systemet 21 og ceiien 10 med et næsten fuldstændigt vakuum, i hvilket varrnpresningstrinet kan ud- 19

DK 153536 B

føres. På dette sted kan der imidlertid otrt ønsket ledes nitrogen eller hydrogen eller en inert gas, som f.eks. argon, ind i ovnkammeret til tilvejebringelse af en passende varmpresningsatmosfære i ovn kammeret såve! som i systemet 21, inklusive det indre af cellen 10. Mens 5 stemplerne 32, 32a påfører et uniaksialt tryk, nemlig varmpresningstrykket, på systemet 21. hæves dets temperatur til en værdi, ved hvilken den siliciumrige legeringsskive 12 frembringer flydende siliciumrig indtrængningslegering.

Under varmpresningstrinet skal varmpresningstemperaturen nås 10 hurtigt og opretholdes i almindeligvis mindst 1 minut på denne værdi under varmpresningstrykket for at sikre tilfredsstillende indtrængning gennem hulrummene i diamantkrystaimassen. Almindeligvis er en varmpresningstidsperiode på fra omkring 1 minut til omkring 5 minutter tilfredsstillende. Eftersom omdannelse af diamant ti! frit Ikke-15 diamantcarbon stort sel afhænger af tid og temperatur, dvs. jo højere temperatur og jo længere tid ved en sadan temperatur, jo mene sandsynlig er omdannelsen til frit ikke-diamantcarbon, må varmpres-ningstrinet udføres inden 5 volumenprocent, af diamanten er omdannet tli frit ikke-diamantcarbon, og dette kan bestemmes empirisk. Omdan-£0 nesse af 5 volumenprocent eller mere af diamanten ti! frit Ikke-diamant-carbon fører sandsynligvis til, at der vi i være en fr; ikke-diamantcar-bonfase tilbage i slutproduktet, hvilket vi; have en væsentlig skadelig .virkning på dets mekaniske egenskaber.

Under varmpresningstrinet fører udøvelse af varmpresningstrvK-25 ket på den flydende, indtrængende, sii-ciumrige legering til opbrydning af det modstandsdygtige grænsefladeiag eller grænsefladeslaggen, som hovedsagelig består af oxid eller -carbid, der sædvanligvis dannes mellem den flydende, siliciumrige legering og diamantfladerne, og herved udsættes kapillarporesystemet for den siliciumrige legering, 30 hvorefter indtrængning ved hårrørsvirkning finder sted. Undersøgelser har vist, at indtrængning af siliciumrig legering i diamantmassen ikke vil finde sted, med mindre der under hele varmpresningen, og medens den siliciumrige legering er flydende, på systemet 21 udøves og opretholdes et tryk, som er tilstrækkeligt til at opbryde 35 slaggen.

Når den flydende, siliciumrige legering under varmpresningen siver og strømmer gennem diamantmassen og kommer i kontakt mec substratet, indkapsler det de komprimerede diamantkrystallers overflader og reagerer med diamantoverfladerne eller det eventuel se frie

DK 153536 B

20 ikke-diamantcarbon, som eventuelt dannes, og tiivejebringer derved et carbid, der i det mindste for en stor dei og sædvanligvis overvejende er siliciumcarbid. Under varmpresningen fylder denne indtrængningslegering ligeledes grænsefladen mellem kontaktfladerne af 5 det polykrystallinske diamantlegeme og substratet, hvilket resulterer i frembringelse af en stærk sammenbinding in situ. Det frembragte produkt er et velsammenbundet integrai-kompositmateriale. Den indtrængende legering kan ogs! penetrere eller difundere ind i substratet.

10 Det er under dette varmpresningstrin, at det er særligt vigtigt, at der opretholdes i alt væsentligt isostatiske betingelser således, at når den siiiciumrigs legering er omdannet til det flydende stadium, vil denne væske ikke >,æra * stand til at passere mellem massen '13 og det kopformede organ Π :,y undslippe i væsentligt omfang men vil ’S tvinges ti! at bevæge sig gennem hele diamantkrystalmassers 13.

Når varmpresningstr.net er tilendebragt, skal der I det mindste opretholdes et tlitrækkeligt tryk under afkøling af det varmpressede system 21 tb. at den varmpressede ceiie 10 udsættes for et · alt væsentligt isostalisk tryk., der e?‘ tilstrækkeligt stort til at bevare dets 20 dlmensionsmæssige stabilitet. Det varmpressede system ?:' får fortrinsvis lov tli at køle ned til stuetemperatur. Den varmpressede ceiie fjernes derpå fra systemet, og det frembragte kompcsitmateriaie 36 afdækkes og omfatter et poly krystallinsk diamantlegeme 13a, der er bundet in situ direkte u> et substrat 14a. Eventuelt „ednængende 25 metal fra beskytteisesbehclderen og eventuelt udpresset overskuds-siticiumlegering på de ydre flader af komposftmateriaiet kan fjernes ved konventionelle metoder, som f.eks ved slibning. Nå- den foreliggende fremgangsmåde gennemføres med komponenterne forliggends som lag, der alle har samme udstrækning, kan det frembragte kom-30 positmaterialestykke have mange forskellige former, som f.eks. en skive, en terning eller et rektangel, en stav eller stang., og kan have en plan flade af bundne diamanter.

Når den foreliggende fremgangsmåde gennemføres med deri sUi-ciumrige legering foreliggende som et rør eller en cylinder med en 35 gennemgående kerne eller et gennemgående hul, og når substratet har stangform og er placeret centralt i rørets kerne, og det omsluttende rum mellem siliciumlegeringsrøret og substratet er pakket med diamantkrystaller, opnås det resulterende kompositmateriaie i form af en cirkulær stang.

21

DK 153536 B

Det foreliggende kompositmateriale omfatter et poiykrystallinsk diamantlegeme, som integrait er bundet til et substrat af polykrystal-iinsk siliciumcarbid eller et siliciumnitridlegeme ved en binding dannet in situ.

5 Det adhærerede polykrystailinske diamantiegeme i det foreliggende kompositmateriale omfatter diamantkrystailer, der er stærkt bundne til hinanden af et siliciumatomholdigt bindemedium, hvor diamantkrystallerne med hensyn til størrelse er på fra omkring 1 pm til omkring 1000 pm, tætheden af de nævnte diamantkrystailer er på fra 10 mindst 70 volumenprocent ti! højst 90 volumenprocent og ofte ca. 89 volumenprocent af det polykrystailinske diamantlegeme, hvor det sili-ciumatomhoidige bindemedium forekommer s det nævnte diamantiegeme i en mængde på ind tii 30 volumenprocent af legemet, hvor binde-mediet er I alt væsentlig ensartet fordelt igennem hele det poiykrys-15 tallinske diamantiegeme, hvor den de! eller overflade af det nævnte oinderr.edium, der er i kontakt med de bundne diamanters overflader, I det mindste for en større del er siliciumcarbid, dvs. at over 50 volumenprocent af den de! siler den overflade af bindemediet, der er i direkte kontakt med diarosntkrys fallernes overflader, er silicium-20 carbid- Fortrinsvis er den de! eller der overflade af det nævnte bin-demedium, der er i kontakt med de bundne diamantkrystaliers overflader, i det mindste for er. større del siiic-iumcarbid, dvs. at i det mindste 85 volumenprocent og fortrinsvis 100 volumenprocent af det bindemedium, der er i direkte kontakt med ae bundne diamantkrys-25 tallers overflader, er siliciumcarbid. Dsamantiegemet i det foreliggende kompositmateriale er poret rit eller I det mindste praktisk talt porefrit.

1 kompositmaterialet er tætheden af det polykrystailinske sliici-umnitridsubstrat på mellem 80% og 100% af den teoretiske tæthed for 59 siiiciumnitrid, og det indeholder siliciumnitrid i en mængde på mindst 90 vægtprocent af legemet og indeholder ikke bestanddele, der har nogen væsentlig skadelig virkning på kompositmaterialets mekaniske egenskaber.

I kompositmaterialet er tætheden af det polykrystailinske stlici-55 umcarbidsubstrat pi mellem 85% og 100% af den teoretiske tæthed for siliciumcarbid og det polykrystailinske siliciumcarbidsubstrat indeholder siliciumcarbid i en mængde på mindst 90 vægtprocent af legemet og indeholder ikke bestanddele, der har nogen væsentlig skadelig virkning pi de mekaniske egenskaber af kompositmaterialet.

DK 153536 B

22 I kompositmaterialet strækker bindemediet sig i grænsefladen mellem det poiykrystaiiinske diamantlegeme og siiiciumcarbid- eller siiiciumnitridsubstratet fra det poiykrystaiiinske diamantlegeme til kontakt med substratet og udfylder i det mindste i alt væsentligt alle 5 porer i heie grænsefladen, således at grænsefladen er porefri eller i det mindste i alt væsentligt porefri, det vi! sige, at forudsat at sådanne hulrum eller porer er små (mindre end 0,5 pm) og tilstrækkelig ensartet fordelt over hele grænsefladen, således at de ikke har nogen væsentlig skadelig virkning pi den stærke binding i grænse-10 fladen, kan grænsefladen indeholde hulrum eller porer i en mængde pi under 1 volumenprocent af grænsefladens totale rumfang. Hulrums-eller poreindholdet i grænsefladen kan bestemmes ved metal I ografiske standardmetoder, som f.eks. optisk undersøgelse af et tværsnit af kompositmaterialet. Generelt er fordelingen og tykkelsen af binde-15 mediet i grænsefladen i ait væsentligt som fordelingen og tykkeisen af bindemediet i heie det poiykrystaiiinske diamantlegeme i komposit-materiaiet. Betragtet pa et poleret tværsnit i kompositmaterialet vil den gennemsnitlige tykkelse af bindemediet i grænsefladen være i alt væsentligt som den gennemsnitlige tykkelse af bindemediet mellem de 20 kontaktdannende diamantkrystailer i det poiykrystaiiinske diamantlegeme i kompositmaterialet. Tilsvarende vil den maksimale tykkelse af bindemediet i grænsefladen pi et poleret tværsnit i kompositmaterialet være praktisk taget ækvivalent med tykkelsen af bindemediet meliem de største kontaktdannende diamantkrystailer i det polykrys-25 tailinske diamantlegeme i kompositmaterialet. Alternativt kan maksimaltykkelsen af bindemediet ved grænsefladen angives som ca. 50% af de største diamantkrystallers størrelse i det poiykrystaiiinske diamant-legeme, nar disses størrelse måles langs deres længste dimension. Siiiciumcarbidsubstratet kan også indeholde bindemedium tilvejebragt 30 ved penetration eller diffusion deri af indtrængningslegeringen under varmpresningen.

Det siiiciumatomholdige bindemedium indeholder altid silicium-carbid. I en udførelsesform indeholder bindemediet siiiciumcarbid og metalsiiicid. i en anden udføreisesform indeholder bindemediet siiici-35 umcarbid, metalsiiicid og frit silicium. I endnu en udførelsesform indeholder bindemediet siiiciumcarbid, metalsiiicid og metalcarbid. I en yderligere udførelsesform indeholder bindemediet siiiciumcarbid, metalsiiicid, metalcarbid og frit silicium. I yderligere en udføreisesform indeholder bindemediet siiiciumcarbid, metalcarbid og frit silicium.

23

DK 153536 B

Metal komponenten f metalsilicidet og metalcarbidet i bindemediet tilvejebringes af det legerende metal eller de legerende metaller, der forekommer i den indtrængende legering.

Metal komponenten i metalsilicidet i bindemediet er fortrinsvis 5 udvalgt fra gruppen bestående af cobalt, krom, jern, hafnium, mangan, rhenium, rhodium, ruthenium, tantal, thorium, titan, uran, vanadium, wolfram, yttrium, zirconium og legeringer heraf.

Metal komponenten i metalcarbidet i bindemediet er en stærk car-biddanner, der danner et stabilt carbid og er fortrinsvis udvalgt fra 10 gruppen bestående af krom, hafnium, titan, zirconium, tantal, vanadium, wolfram, molybdæn og legeringer heraf.

Den eventuelle andel af frit silicium og siliciumcarbid i bindemediet i det adhærerede polykrystallinske diamantiegeme kan variere i afhængighed af graden af reaktion mellem diamantkrystallernes over-15 flader og den indtrængende, siliciumrige legering og af reaktionen mellem frit ikke-diamantcarbon og indtrængende siliciumrig legering.

Alt andet lige afhænger den specifikke andel af siliciumcarbid, der forekommer i bindemediet i det adhærerede polykrystallinske diamantlegeme i alt væsentligt af den specifikke varmpresningstemperatur, 20 der anvendes, og af opholdstiden ved denne temperatur. Specielt øges andelen af siliciumcarbid, mens andelene af frit silicium aftager eller reduceres til en ikke-detekterbar mængde, nar tiden og/el!er temperaturen øges. Fremstillingen af et legeme af sammenbundne diamantkrystaller med et bestemt ønsket siliciumcarbidindhold, f.eks. til 25 opnåelse af visse ønskelige egenskaber, kan bestemmes empirisk.

Bindemediet i det adhærerede polykrystallinske diamantlegeme vil altid indeholde i det mindste en detekterbar mængde siliciumcarbid og i det mindste en detekterbar mængde silicid og/eller carbid af det legerende metal, der forekommer i den indtrængende legering. Metal-30 silicidet foreligger sædvanligvis, afhængig af den nærmere bestemte indtrængende legering, der anvendes, som et disilicid. Bindemediet kan desuden indeholde i det mindste en detekterbar mængde frit silicium. Ved en detekterbar mængde siliciumcarbid, metalsilicid, metal-csrbid eiler frit silicium forstås her en mængde, der er detekterbar 35 ved selektiv overfladediffraktionsanalyse ved transmissionseiektron-mikroskopi af et tyndt snit af diamantlegemet. Almindeligvis indeholder bindemediet i diamantlegemet imidlertid siliciumcarbid i en mængde på fra 1 volumenprocent til 25 volumenprocent af det polykrystallinske diamantiegeme og sædvanligvis metalsilicid i i det mindste en

DK 153536 B

24 detekterbar mængde og ofte i en minimumsmængde på omkring 0,1 volumenprocent af det polykrystailinske diamantiegeme. Den nærmere bestemte mængde metalsilicid, der forekommer, afhænger i det væsentlige af den indtrængende siliciumhoidige legerings sammensætning.

5 Metalsiliciderne er hårde og har desuden ofte, som f.eks, rhenium, en mindre varmelængdeudvidelseskoefficient end metallerne eller i nogle tilfælde mindre end diamant, hvilket er en ønskelig egenskab for en fase i et polykrystallinsk diamantlegeme. Den bestemte mængde siliciumcarbid og frit silicium, der forekommer, afhænger i stor ud-10 strækning af den indtrængende, siliciumrige legerings sammensætning og af graden af reaktion mellem den indtrængende siliciumrige legering og diamant eller ikke-diamantcarbon. Den bestemte mængde me-talcarbid, der forekommer, afhænger stort set af sammensætningen af den indtrængende siiiciumrige legering.

15 Selektiv overftadediffraktionsanalyse ved transmissionseiektron- mikroskopi af et tyndt snit af det foreliggende kompositmateriale viser, at den del af bindemediet, der er i kontakt med de bundne diamanters overflader, for i det mindste en større del udgøres af sHicium-carbid.

20 Det foreliggende adhærerede legeme af bundne diamantkrystaifer er hulrums- eller porefrit eiier i det mindste i alt væsentligt porefrit, det vi! sige, at det, forudsat at hulrummene eller porerne er små (mindre end 0,5 pm) og tilstrækkelig ensartet fordeit igennem hele legemet, således at de ikke har nogen væsentlig skadelig virkning pi 25 dets mekaniske egenskaber, kan indeholde hulrum eller porer i en mængde på under 1 volumenprocent af legemet. Hulrums- eller poreindholdet i det foreliggende legeme kan bestemmes ved metal log raf i ske standardmetoder, som f.eks. optisk undersøgelse af et poleret tværsnit af legemet.

30 Det foreliggende adhærerede diamantlegeme indeholder heller ingen ikke-diamant carbonfase, da det ikke indeholder nogen fase af frit ikke-diamantcarbon i mængder, der kan detekteres ved røntgendiffraktionsanaiyse.

Et særligt fordelagtigt træk ved den foreliggende opfindelse er, 35 at det polykrystailinske diamantlegeme i det foreliggende kompositmateriale kan tilvejebringes i mange forskellige størrelser og former.

F.eks. kan det adhærerede diamantlegeme være så bredt eller så langt som 25 mm eller mere. Polykrystailinske diamantlegemer på 25 mm eller mere i længden og med den foreliggende diamanttæthed kan, 25

DK 153536 B

på grund af begrænsningerne i den indretning, der er nødvendig for at modstå de høje tryk- og temperaturkrav i den påkrævede tid i praksis ikke fremstilles eller lader sig overhovedet ikke fremstille ved fremgangsmåder, der benytter de ultrahøje tryk og temperaturer 5 i diamantstabiiitetsornrådet, da fremstillingsapparaturet bliver så kompleks og massiv, at dets kapacitet bliver begrænset. På den anden side kan det foreliggende adhærerede polykrystallinske diamantlegeme være så lille eller så tyndt som ønsket, men det vil dog altid svare ti! mere end et lag diamantkrystailer.

10 Det foreliggende kompositmateriale er meget anvendeligt som slibemiddel, skærende værktøj, dyse eller anden slidbestandig komponent.

Opfindelsen belyses yderligere af de følgende eksempler, hvor fremgangsmåden, med mindre andet er angivet, var som følger: 15

SI LI CIUMCARB IDSUBSTRAT

Hexagonait bornitridpuiver af fin partikelstørrelse, f.eks. størrelser på fra omkring 2 pm til omkring 20 pm, anvendtes som det tryktransmitterende pulvermedium.

20 Det polykrystallinske siliciumcarbidsubstrat havde form af en skive, der var omkring 3,05 mm tyk.

Det apparatur, der anvendtes, var praktisk taget magen til det, der er vist i figurerne 4 og 5.

Koldpresning af chargen udførtes ved stuetemperatur som vist i 25 figur 4 ved indtil omkring 5,5 kilobar overtryk.

Mængden af indtrængningslegering var tilstrækkelig til fuldstændig at gennemtrænge den komprimerede diamantmasse og frembringe kontakt med kontaktfladen af substratet og fylde porerne i grænsefladen.

30 Den indtrængende legering var en eutektikumholdig, siliciumrig legering.

Den tæthed, der angives heri, for det polykrystallinske siii-ciumcarbidlegeme, der anvendes som substrat, er den relative tæthed beregnet ud fra den teoretiske tæthed på 3,21 g/cm for silicium-35 carbid.

Alle de polykrystallinske siliciumcarbidlegemer, sintrede såvel som varmpressede, der anvendtes som substrater, var af i alt væsentligt samme sammensætning og indeholdt siliciumcarbid, 1-2 vægtprocent bor beregnet på grundlag af siliciumcarbidet og mindre end

DK 153536 B

26 1 vægtprocent submikront, frit carbon, beregnet på grundlag af sili-ciumcarbidet. Carbonet forelå i partikelform af submikron størrelse.

Det anvendte diamantpulver var af partikelstørrelse fra 1 pm til omkring 60 pm, og heraf var mindst 40 vægtprocent af diamantpul-5 veret mindre end 10 pm.

Hvor en bestemt diamanttæthed er angivet som volumenprocent af det polykrystallinske diamantlegeme, bestemtes denne ved stan-dardpunkttællemetoden (eng.: the standard point count technique) ved anvendelse af et mikrofotograf) af en poleret overflade forstørret 10 690 gange, og det overfladeareal, der undersøgtes, var tilstrækkeligt stort til at repræsentere hele legemets mikrostruktur.

Hvor diamanttastheden er angivet som et interval på fra over 70 volumenprocent til under 90 volumenprocent af det polykrystallinske diamantlegeme, er dette interval baseret pi erfaring, resultater fra 15 tilsvarende arbejdsgange, navnlig arbejdsgange, ved hvilke alene det polykrystallinske diamantlegeme fremstilledes, og på udseendet af det adhærerede polykrystallinske legeme taget som et hele og desuden på rumfanget af den afdækkede rensede, polykrystallinske diamantiege-medel af kompositmaterialet sammenlignet med rumfanget af udgangs-20 diamantpul veret ud fra den forudsætning, at mindre end 5 volumenprocent af diamantpuiveret var omdannet til en fase af ikke-diamant frit carbon.

I tabe! i i eksemplerne 1 til 5 anvendtes et kopformet moiyb-dænorgan med et zirconium foringsrør, og en støbt legering i skive-25 form af den angivne sammensætning og tykkelse og med i alt væsentligt samme diameter som zirconiumforingsrøret blev anbragt i zirconi-umforingsrøret i bunden af det kopformede organ. Den angivne mængde af diamantpuiveret blev pakket oven på skiven. Endelig biev den angivne polykrystallinske siiiciumcarbidskive anbragt oven på 30 diamantpuiveret for at udgøre en prop i det kopformede organ, som det er vist ved 14 i figur 2.

Det resulterende tiiproppede kopformede organ biev som vist i figur 4 derpå pakket i hexagonalt bornitridpulver, og hele chargen blev presset ved stuetemperatur, dvs. koldpresset, i en stålma-35 trice til omkring 5,5 kilobar overtryk på en sådan mide, at det kopformede organ og indholdet udsattes for et i alt væsentligt isostatisk tryk, indtil trykket blev stabiliseret, og derved tilvejebragtes et dimensionsmæssigt stabiliseret, formet, praktisk taget isostatisk system omfattende det pulveromsluttede, tilproppede, kopformede organ.

27

DK 153536 B

Fra tidligere eksperimenter var det kendt, at den resulterende pressede samling af elementer, dvs. det resulterende formede, i alt væsentligt isostatiske system omfattende det pulveromsluttede, tilproppede, kopformede organ havde en diamantkrystaltæthed på over 75 5 volumenprocent af den komprimerede diamantmasse.

Den resulterende pressede samling af elementer 21 omfattende det pulveromsluttede, tilproppede, kopformede organ blev derpå varmpresset, dvs. den blev skubbet ind i en grafitform af samme diameterstørrelse som stilmatricen, som det er vist i figur 5, og gra-10 fitformen blev anbragt i en induktionsvarmeovn. Det indre af det tilproppede kopformede organ evakueredes og en nitrogenatmosfære blev indledt deri ved evakuering af varmeovnen ti! omkring 1.330 Pa (10 torr), inden den blev fyldt igen med nitrogen. Et tryk på omkring 345 bar overtryk blev/ påført den pressede samling elementer 15 21 og opretholdt pi den ved hjælp af grafitmatricen, som derpå op varmedes af induktionsvarmeovnen med en sådan hastighed, at den givne maksimalvarmpresningstemperatur nåedes i løbet af omkring 5 til 7 minutter. Efterhånden som samlingen af elementer opvarmedes, steg trykket til de givne maksimalvarmpresningstryk på grund af 20 systemets ekspansion.

Ved den givne temperatur, ved hvilken en indsivning begyndte eller skred frem, sank stemplet, og trykket faldt til omkring 345 bar overtryk, hvilket viste, at legeringen var blevet flydende og fortsatte med at sive ind gennem den komprimerede diamantmasse. Tryk-25 ket. blev derpå igen hævet til det givne maksimalvarmpresningstryk, og blev holdt på denne værdi ved den givne maksimalvarmpresnings-temperatur Ϊ 1 minut til sikring af fuldstændig indtrængning af legeringen i de små kapillarhulrum i den komprimerede diamantmasse. Energitilførslen blev derpå afbrudt, men der blev ikke påført yder-30 ligere tryk. Dette frembragte et fast tryk ved høj temperatur, men nedsat tryk ved lav temperatur, og derved tilvejebragtes fyldestgørende geometrisk stabilitet, dvs. det bevarede dimensionerne af den varmpressede samling af elementer, indtil den var tilstrækkelig kold til at kunne håndteres.

35 Det fremkomne kompositmateriale blev blotlagt ved at kappemetal, dvs. det kopformede molybdænorgan og zirconiumbøsningen, og overskudslegering på kompositmaterialets ydre overflader blev slebet eller sandblæst væk.

DK 153536 B

28

Det fremkomne rensede integralkompositmatenafeiegeme havde form som en i alt væsentligt jævn skive, der i eksemplerne 1 til 3 havde en tykkelse på tilnærmelsesvis 4,95 mm og i eksempel 4 tilnærmelsesvis 4,06 mm.

5 I eksempel 6 og 7 i tabel I anvendtes der ingen metallisk beholder, foring eller substrat, men det udstyr, der anvendtes, var i alt væsentligt magen til det, der er vist i figur 4 og 5. Ved gennemførelsen af eksemplerne 6 og 7 blev det hexagonale bornitridpulver pakket i matricen i figur 4, og en som form anvendt cylinder blev presset ind 10 i pulveret. Cylinderen var fremstillet af sintret hårdtmetal (eng.: cemented metal carbide) og var omkring 8,89 mm i diameter og 6,35 mm i tykkelsen. Cylinderens akse bragtes til at flugte tilnærmelsesvis med matricens centerakse.

Efter at cylinderen var indført i pulveret, anbragtes yderligere 15 hexagonalt bornitridpuiver i matricen, således at det dækkede cylinderen fuldstændigt, og den fremkomne pulveromsluttede cylinder blev presset ved stuetemperatur under et tryk på 3,45 kilobar overtryk. Stemplet 23a blev derpå trukket tilbage, og stemplet 23 anvendtes til at skubbe den fremkomne pressede pulveromsluttede cylinder delvis 20 ud af matricen.

Den blottede de! af det pressede pulver blev fjernet således at cylinderen blev efterladt delvis blottet. Cylinderen blev derpå fjernet, og efterlod hulheden, som den havde udpresset deri. I eksemplerne 6 og 7 blev en støbt legeringsskive af den givne sammensætning og 25 tykkelse og med i alt væsentligt samme diameter som hulhedens indre diameter anbragt i bunden af hulheden. Et diamantpuiverlag af given størrelse, mængde og tykkelse blev pakket oven pi legeringen.

En skive varmpresset hexagonalt bornitridpuiver med omtrent samme diamanter som hulhedens indre diameter blev anbragt i huihe-30 cien oven pi dtamantpulveret som en prop til sikring af, at overfladen af det resulterende polykrystaliinske diamantlegeme ville blive plant.

Hele massen blev derpå skubbet ind i matricens center ved hjælp af stemplet 23a, som derpå blev trukket tilbage. En yderligere mæng-35 de hexagonalt bornitridpuiver tiiførtes matricen til dækning af den varmpressede skive af hexagonalt bornitrid, hvorved hulheden og indholdet blev omsluttet af hexagonalt bornitrid, som det er illustreret i figur 4. Den resulterende charge blev derpå presset ved stuetemperatur, dvs. koldpresset, i stålmatricen under et tryk på 5,5 ktlobar 29

DK 153536 B

overtryk som vist i figur 4, idet hulheden og dens indhold udsattes for et i a!t væsentligt isostatisk tryk indtil trykket stabiliseredes, hvorved der tilvejebragtes et dimensionsmæssigt stabiliseret, formet, praktisk talt isostatisk system omfattende den pulveromsluttede hulhed 5 og indeholdet. Fra tidligere eksperimenter var det kendt, at diamant-krystaltætheden i den frembragte pressede samling af elementer, dvs. i det frembragte formede, i alt væsentligt isostatiske system omfattende den pulveromsluttede hulhed og indholdet, var over 75 volumenprocent af den komprimerede diamantmasse.

10 Den fremkomne pressede samling af elementer omfattende den pulveromsluttede hulhed og indholdet, der var tilnærmelsesvis magen til 21 bortset fra, at der ikke anvendtes nogen metaibeholder, blev derpå varmpresset, dvs. den blev skubbet ind i en grafitform af samme diameterstørrelse som stilmatricen, som vist i figur 5, og an-15 bragt i en induktionsvarmeovn. Hulhedens indre evakueredes og en riitrogenatmosfære blev indledt deri, idet varmeovnen blev evakueret til omkring 1.330 Pa (10 torr), inden den blev fyldt igen med flydende, tør nitrogen. Et tryk på omkring 345 bar overtryk blev afgivet ti! den pressede samling af elementer og opretholdt på denne 20 ved hjælp af grafitmatricen, som derpå opvarmedes af induktionsvarmeovnen med en sådan hastighed, at den nåede den givne maksi-malvarmpresningstemperatur i løbet af omkring 5 til 7 minutter. Efterhånden som samlingen af elementer blev opvarmet, steg trykket til det givne maksimalvarmpresningstryk på grund af hele systemets 25 ekspansion.

Ved den givne temperatur, ved hvilken infiltrering begynder eller skrider frem, sank stemplet og trykket faldt til omkring 345 bar overtryk, hvilket viste, at den givne legering var smeltet og blevet flydende og var trængt ind i diamantmassen. Trykket blev 30 derpå hævet, ti! det igen var lig det givne maksimalvarmpresningstryk, på hvilken værdi det blev holdt i 1 minut til sikring af fuldstændig indtrængning af legeringen i de mindre kapillarhulrum i den komprimerede diamantmasse. Energitilførslen blev derpå afbrudt, men der blev ikke påført yderligere tryk. Dette tilvejebragte et fast tryk 35 ved høj temperatur, men nedsat tryk ved lavere temperatur, og derved tilvejebragtes fyldestgørende geometrisk stabilitet. Ved stuetemperatur blev det frembragte poiykrystallinske diamantlegeme afdækket. Proppen bandt ikke til diamantlegemet. Efter fjernelse af overflade-skaller af hexagonalt bornitridpulver og overskudslegering ved slib-

DK 153536 B

30 ning og sandblæsning havde det fremkomne polykrystaiiinske integral-diamantlegeme skiveform med den givne tykkelse.

I tabel I er den varmpresningstemperatur, ved hvilken indtrængningen begynder, den temperatur, ved hvilken legeringen er flydende og vedbliver at sive ind gennem den komprimerede diamantmasse.

Den givne maksimalvarmpresningstemperatur og maksimalvarmpres-ningstrykket blev opretholdt samtidigt i 1 minut til sikring af fuldstændig indtrængning i de mindre kapillarhulrum Ϊ den komprimerede diamantmasse.

De i tabel I angivne røntgendiffraktionsanalyser for eksemplerne 6 og 7 blev udført på det polykrystaiiinske diamantlegeme i knust form.

DK 153536 B

31

O

O H

w <o • o. irt in in irt o ir» o

Cl «o S rt* r·* cn r-*. © O' -i a^iwfrt cn tn co <t '•f irt

U S] rH rH rH H rH T*H rH

*> S3 oc

Pi 00

•HØM

0 ·η « Μ 0 Ό irt »Λ irtirtO O irt 0 > ø cn rt* r-* f- m cr> *3* Μ ·Η p« ¢0 M co cn o> cn co

O. Λ OC rH rH *h *h rH rH

EU« S a Xi

«0 M

> /-v

1 Μ M

g fr &

(0 P <M

> tn M <t* co %* co cn <0 rH 00 O *· *· - ~ ~ ~ «J 0 > 00 00 rH 00 rH \£> S ·Η O irt irt vø m Ό O' O' •Hørt* r* eo r* 00. 00 00

tn w M

M o; « tt u & 1 XS Ck ^ Ό

I -H

O M

I 00 -H

•U I /Η N CN CN S « ·Η \f> <0 1 O Ό Μ X 0

+J & 4J M *J »H O* · * «UH

« O O 4J « CO H Xl CO CO to >,00 to MMtOtoZl « 4-> Jtf Λί Ai X3

4-> a CO XJ 4J M (U U o O «H-Μ O

<0 4» ø 3* O 4-1 +J « ty *J H

£l · M CO 00 M 0J *H ‘Η Ή t# Η ϋ ·Η ØrHpilcnr-s+J.Øa* ft W W > „ CO U B CJ *000106 G G OUdtHØ

Η ·Η l OJ -H W O' O O o MWOØO

CO w ^ x: W 03 CO CO pLiAMacO

> I

w M 4J o

! O 01 0 l« M

iHOEcCIO. rH rH rH rH

• « r-i M 00 Η Η ·Η ·Η ·Η ·Η C 0 *J +J Ο Q Η CN « . . · · U 0) ? 4) Λ ή o mb« B w B w S « «ο eo weaifti'ddojii o jrf o a: o j* ø ø χ> o o <υ -π co <u w u co o w u w m

Μ « X G M

hø ω oo i >—v

cq Ή X S

5 rH >» E

Η M jJ ' O ti M rH rH rHCN|lrtrt* Γ"*· > jj 4j dj in in m Ό r- σι σ'

r-H Μ > CQ νθ νθ νθ rt* irt <rt CO

ØjJrHrH»· * * » » «· *

P< 6 ø 0 rH rH rH O rH rH rH

4.) O p< X

ø

<Q

S CJ

«3 Ό /—\

•HCOOCO O O O O O O

Q06O O 0<-O0irt irt 8 ^ cn co ro «-η es cn csi 00 •η oj rH «

tatHrsvO vO Ό v£> vO vrt vD

G ti 1) E rH rH rH rH rH rH rH

•h od o ^ s o o o o o o o β K ϋ ^ - - r - -

h H 4) > H rH rH rH rH rH rH

<U H g 4*1

rH OJ O rH OC

1) 0)

rH 4) OVCOOCOO O

U *0/-nvO irt <N CO rH VO rH

C 4J 00 0C CN CN cn CN CO CN CN

GO 0 S CN

0 0 Jj ^

00 D S

ØM

W li -HØ ·Η Μ ·ιΗ 4-> ·Η iH -rH JØ *H 1) -Η ·Η

MM CO 0 CO CJ COCMOOHCÆOicnpi COH

4J *J

Ό rH Λ ** S* 3* 3* a^a^S·*********** frS 3« ti ή e s se sbsssbss se h-H m O O O O OQOOOOOO 00

6 4-> «Μ 4J4H +J4_>+J+J4-»4J4-J4-> 4-> 4J

O <3 (Q <Q flj ««««««ti« <Q<Q

4J

<3 in in mm oovo<fro\rHtnin vont

O' CQ rH O' rH 00 rH rt* CN O' ¢0 rH

tn X r-< cn ro <r in Ό r*.

b3 32

DK 153536 B

O

til ft OQ I * I

x p i w i o ti «η <u ffl ft CJ P P M W 00 a W ft <H CO Ή fl 5J ti

ft O W W O W W rH ft H

ft tf O OP P « P

ft E 60 tf ft tf tf d ti <ooo a w β « P (0 ρ X o o BO s 63 P X - X P IQ P< ti ο» p e p a ή β *h P ti « Ρ β Ρ « Ό T3 X Ρ B ti ® ti Θ 00

>i ti « PEP« X O X CM

ft ti Ρ ·Η ti « ti ft tt W ft OSfljn P ft P Q ti CM au ft ti Λ S Q S ‘«H ft ft ft

6C T3 /-> Λ j3 ft W ft H

^ O Q (I *3 ti *3 ti ft ti ft II H e ti B ti B titf «00 »3 Ρ ft ti ti ti Ρ p o ti ti oo ft 00 ft 00 tt 09

ft « ti CJ ti ti ti >v U >vU

ti S ti rH 1-4 ft M ft W Ή

« *3 Ρ ti P ti P X W X W

ti ti ·Η ti fl Ό C Ό fl >i >> E W Ό iH ti ti« titi ft r ft

ti >* ft S ft β rH E OP OP

et h « ft « m « ft α ftd ti W P ft ft ·Η ti ti ft d ti ·3 P *3 Ρ Ό Ρ E p a Ρ « M ti ti ti ti ti Uti (0 ti aadr-t U ft tt t—i 3 ft 3 ft ti ti ti «3 c ti a « d ο ae e 00 P ft ti ft ti ft x x

«4-) P P P P P

••H d 4-i ti ti ti* ft ft r"\ T3 Ό. « P ft P ft Ρ O I I «ti «ti

tf '-'ti «« ««•Hii'-'B ' E

x s ^ e ^ a w a co a o i a o ·η p i •h · to α ti e ft P O *P> 3 1 I-i I ti Ρ P ft ft « « *3 fl ti P U ti P ft fi ti O ft > tt Ό CQ 3 00 P ti ft ft t>. ti ti pQ O tt *3 ft 00 P ft ft ft -Η α ti W · o

X 03 d i ti P CD ti tt P

Ρ» fl ft iO d > »3 ti ft ft Ό ti ft ft X P tt ti Ρ P 60 ti ti ft ti s-\ O ft ti 00 0i ft rH ftftO«tiCPfiX> P ft p P p rH o Λ tf « ft Ή ·Η « tt 03 ti ti · · · · ft Β B 00 P tt tt ·η s a > p to α uttrpH co a p a P P P ti OCX X XXP tt *3 *3 ft « ti P ti ft 60 ti β ti ti ti ti ft ti 3 rH di d · 0 ft tt ti Ρ B P ft > »3 *3 d ft ρ x o ft w p ft ή ft ft ft x p d ft ti ti w « tf ft > ft tiPfttitttfOO'e p ε d a a a aepwwptfpftd

i-i «OttPtiO O OOOPftft«J«tiP

tf « E 03 d CO CO WMtftt>titfti>tf

>P

tf tf

P

titi ε tt o?

P Η A CO CO CO a\ <t CM

«tiBr^ r-. r- co cm in d X B r*- f-* r** co t in -

rH X ' - - - I rH

•H >» ft rH rH O rH

Ε-» P

ti Ό a /-* ti ft oo »O ti a p tf a a ρ > ftp ft •tid CO /-> r-s r-\

a P w p Vi P

ft « WWW

ρ p /-% a a a p p ti 00 P ft ft ft oo 0PA->«a tf *q tf « ft ρ a to c w ft Ο Ό ft P P ft Ό

PrHw3^3 O tf H 3

X w p P

a O - ·> - O

3 00 ft ft ft ft ft

Pi β WWW

ti ft y-s W W W /-s

p P O O

ft ti m w o o in o ti oo cm co w cn cm <o

Stift co co co i ft co Μ H v ft ft ft I s—' ft tt X rH CM CO -*tf· in '«P h" tf

DK 153536 B

33 i eksemplerne 1 til 5 kunne grænsefladen for hver komposlt-materialeskive mellem det adhærerede poiy krystal linske diamantiegeme og siliciumcarbidsubstratet ikke detekteres. Hvert kompositmateriale syntes at være en kontinuert struktur gennem hele sin tykkelse, og 5 kun kornstørrelsen i diamantdelen adskilte denne fra substratet. Den ydre overflade af hvert adhæreret poly krystal linsk diamantiegeme syntes at være velgennemtrængt af bindemedium, som syntes at være jævnt fordelt. Diamanterne forekom at være velbundet til hinanden.

Det adhærerede polykrystaliinske diamantiegeme i kompositmate-10 rialerne i eksempel 1 til 4 havde en diamanttæthed på over 70 volumenprocent men under 90 volumenprocent af det polykrystaliinske legemes rumfang.

Diamantfladen af kompositmaterialet i eksempel 5 blev poleret på et støbejernsdiamantpoleringsapparat. Undersøgelse af den polerede 15 fiade viste ingen hulrækker dannet ved udtrækning af diamantfragmenter, hvilket viser den stærke binding deri. Diamantkrystaltætheden var omkring 73 volumenprocent af det adhærerede polykrystaliinske diamantiegeme.

I eksempel 6 og 7 var de polykrystaliinske diamantlegemer vel-20 gennemtrængte og velbundne. Under anvendelse af en hammer og en kile blev' hver skive, dvs. det polykrystaliinske diamantiegeme, fraktureret så at sige midt over og brudfiaderne blev undersøgt optisk forstørret omkring 100 gange under et mikroskop. Undersøgelse af disse brudflader viste, at de var porefri, at bindemediet var ens-25 artet fordelt igennem hele legemet, og at bruddene var transgranulære snarere end intergranulære, dvs. at hvert legeme var fraktureret igennem diamantkornene snarere end langs korngrænserne. Dette viser, at bindemediet var stærkt vedhængende og var lige så stærkt som selve diamantkornene eller krystallerne.

30 Skivens diamanttæthed i eksempel 6 var over 70 volumenprocent men mindre end 90 volumenprocent af legemet.

En brudflade i skiven i eksempel 7 poleredes på et støbejerns-diamantpoleringsapparat, og undersøgelse af den polerede flade viste ingen hul rækker dannet ved udtrækning af diamantfragmenter, hvilket 35 viser den stærke binding deri. Diamantkrystaltætheden var omkring 80 volumenprocent af det polykrystaliinske diamantiegeme.

η 34

DK 1535S6B

EKSEMPEL 8

Det i eksempel 1 frembragte kompositmateriale blev bedømt som skæreværktøj. Den blottede flade af det polykrystalllnske diamantlegeme i kompositmaterialet blev slebet med en diamantslibeskive for 5 at gøre den glat og tilvejebringe en skarp skærende kant. Substratet af kompositmateriale blev derpå fastgjort i en værktøjsholder.

En dei af den skærende kant blev vurderet på en drejebænk (eng.: lathe turning) fra Jackfork Sandstone ved en fødehastighed pr. omdrejning på 0,127 mm og en skæredybde på 0,508 mm.

10 Ved skærehastigheden 49,8 cm/s blev slidhastigheden bestemt til -6 3 at være 0,0210 X 10 cm/s. En anden del af den skærende kant vurderedes ved skærehastigheden 140,2 cm/s og bestemtes til at have —6 3 en slidhastighed på 0,145 X 10 cm /s. Endnu en anden del af den skærende kant vurderedes ved skærehastigheden 147,3 cm/s og be- -6 3 15 stemtes til at have en slidhastighed pi 0,3988 X 10 cm /s.

Kompositmaterialet fjernedes fra værktøjsholderen, og undersøgelse af grænsefladen mellem diamantlegemet og substratet viste, at det ikke var blevet påvirket af disse undersøgelser ved spåntagende bearbejdning.

20 EKSEMPEL 9

Den i dette eksempel benyttede fremgangsmåde var magen til den i eksempel 8 beskrevne fremgangsmåde bortset fra, at det anvendte kompositmateriale var det i eksempel 2 fremstillede.

25 En del af den skærende kant havde ved skærehastigheden 55,88 cm/s en slidhastighed på 0,0554 X 10 3 cm3/s. En anden del af den skærende kant havde ved skærehastigheden 162,6 cm/s en slidhastighed på 0,4042 X 10 3 cm3/s.

Undersøgelse af kompositmaterialet efter den spåntagende bear-30 bejdning viste, at grænsefladen mellem det polykrystallinske diamantlegeme og siliciumcarbidsubstratet ikke var påvirket af disse spåntagende bearbejdningsafprøvninger.

35

DK 153536 B

35 EKSEMPEL 10

Fremgangsmåden, der anvendtes i dette eksempel, var magen til den i eksempel 8 beskrevne fremgangsmåde bortset fra, at koposittet 5 tfølge eksempel 3 anvendtes.

En del af den skærende kant udviste ved skærehastigheden “fi o 55,88 cm/s en slidhastighed 0,06391 X 10 cm /s. En anden del af den skærende kant udviste ved skærehastigheden 162,6 cm/s en slidhastighed på 0,5053 X 10 ® cm3/s.

10 Undersøgelse af kompositmaterialet efter den spåntagende bear bejdning viste, at grænsefladen mellem det polykrystallinske diamantlegeme og siliciumcarbidsubstratet ikke var påvirket af disse spåntagende bearbejdningsafprøvninger.

15 EKSEMPEL 11

Den i dette eksempel anvendte fremgangsmåde var magen tii den i eksempel 8 beskrevne fremgangsmåde bortset fra, at kompositmaterialet ifølge eksempel 4 anvendtes.

Efter 4 minutter vellykket skæring ved skærehastigheden 49,8 20 cm/s (98 surface feet per minute) brækkede små stykker af den skærende kant. Ved anvendelse af en anden del af den skærende kant brækkede efter 6 minutters vellykket skæring ved skærehastigheden 142,2 cm/s små stykker af den skærende kant. Det menes, at brud-det pi den skærende kant skyldtes, at varmpresningstemperaturerne 25 ikke havde været tilstrækkeligt høje til at opnå fuldstændig indtrængning i de små kapillarhulrum i den polykrystallinske diamantmasse under varmpresningen. Sammenligning med eksempef 7 i tabel i viser, at de højere varmpresningstemperaturer tilvejebringer et velgennem-trængt og velbundet polykrystallinsk diamantlegeme.

30 EKSEMPEL 12

Fremgangsmåden tii fremstilling af kompositmaterialet svarede i alt væsentligt til den i eksempel 2 beskrevne fremgangsmåde bortset fra, at der anvendtes 260 mg af silicium-cromlegeringen, og lege-35 ringsskiven var 1,270 mm tyk.

Desuden anvendtes 250 mg diamantpulver, hvori 60 vægtprocent var af størrelser fra 53 til 62 pm, 30 vægtprocent var mellem 8 og 22 pm og 10 vægtprocent var mellem 1 og ca. 5 pm. Diamantpul veret blev pakket til en omtrentlig tykkelse pi omkring 1,397 mm. Der DK 153536Β Ί 36 anvendtes desuden et kopformet zirconiumorgan med en zirconium-foring.

Maksimalvarmpresningstrykket var omkring 0,9 kilobar overtryk og varmpresningstemperaturen lå på fra omkring 1.250°C, hvor ind-5 sivningen begyndte, til en maksimalvarmpresningstemperatur på om kring 1.500°C. Kompositmateriaiet blev blotlagt på samme måde som i eksempel 2 og havde form af en praktisk taget Jævn skive med en tykkelse pi ca. 1,52 mm.

Siliciumcarbidsubstratet blev slebet af kompositmateriaiet, og det 10 resulterende poiykrystaliinske diamantlegeme udsattes for en varmestabilitetsundersøgelse. Nærmere beskrevet opvarmedes det i luft til temperaturen 900°C, der var ovnens grænsetemperatur. Efterhånden som det opvarmedes, bestemtes dets termiske længdeudvidelseskoefficient ved temperaturer fra 100°C til 900°C. Ved 900°C blev energi-15 tilførslen afbrudt.

Undersøgelsesresultaterne og den synsmæssige undersøgelse af prøven, dvs. det poiykrystaliinske diamantlegeme efter undersøgelsen viste, at der ikke var nogen pludselig længdeændring for prøven under hele opvarmningsforløbet, og der var ingen tegn på permanent 20 beskadigelse af prøven forårsaget af opvarmningscyklusen.

EKSEMPEL 13

Den i dette eksempel anvendte fremgangsmåde var i det væsentlige magen til den, der er beskrevet i eksempel 2, bortset fra, at 25 siliciumskiven anvendtes i et kopformet zirconiumorgan med en zirco-niumforing til dannelse af en siliciumrig zirconiumlegering in situ.

Der fremstilledes seks kompositmaterialer. Ved fremstillingen af tre af kompositmaterialerne anvendtes et diamantpulver, hvori 60 vægtprocent var af størrelser fra 53 til 62 pm, 30 vægtprocent var 30 p| fra 8 til 22 pm og 10 vægtprocent var på fra 1 til omkring 5 pm.

De tre øvrige kompositmaterialer fremstilledes ved anvendelse af et diamantpulver, der var på fra 1 ti! 60 pm med hensyn til størrelse, hvoraf mindst 40 vægtprocent var mindre en 10 pm af størrelse.

Maksimalvarmpresningstrykket var omkring 0,9 kilobar overtryk 35 (13,000 psi), og varmpresningstemperaturen varierede fra ca. 1.340°C, hvilket er den temperatur, ved hvilken infiltreringen skrider frem, hvilket viser, at den siliciumrige zirconiumlegering var blevet dannet in situ og var blevet flydende, til en maksimalvarmpresningstempera-tur pi omkring 1.500°C.

37 ru/ ή ί--7 Γ~ ~7

Ui\ 1 D O 5ό

Hvert kompositmaterialeemne blev blotlagt pi i alt væsentligt samme mide som i eksempel 2, og hvert emne havde form af en skive.

Top- og cylinderfladerne af det adhærerede polykrystallinske 5 diamantlegeme i alle seks kompositmaterialer blev overfladeslebet. Vanskeligheden ved at slibe disse kompositmaterialer med et diamant-siibehjul viste, at slidbestandigheden af disse adhærerede diamantlegemer kunne sammenlignes med kommercielt tilgængelige polykrystai-linske diamantprodukters.

10 De tre kompositmaterialer, der var fremstillet med det diamant pulver, der var på fra 1 til 60 pm, hvad angår størrelse, havde utilstrækkeligt blandede aggregater af diamantpulver på under 2 pm størrelse, og en undersøgelse af det adhærerede polykrystallinske legemes slebne kanter viste ufuldstændig indtrængning af legeringen i disse 15 aggregater, men resten af det slebne diamantområde var velsammenbundet.

Optisk undersøgelse af kompsitmaterialet viste ingen detekter-bare defekter eller noget skelneligt forskelligt mellemlag mellem siii-ciumcarbidsubstratet og diamantlaget. Fire af kompositmaterialerne 20 blev brækket, for at den indre struktur kunne iagttages. Optisk undersøgelse af brudfladerne viste intet synligt mellemlag eller synlige defekter ved grænsefladen mellem siliciumcarbidsubstratet og det adhærerede polykrystallinske diamantlag.

Strukturkontinuiteten ved substrat-diamantlagsgrænsefladen var 25 udmærket og kun kornstørrelsesforskellen mellem diamant og siiicium-carbid muliggjorde erkendelse af grænselinien mellem substrat- og diamantlagene.

To af kompositmaterialerne blev bedømt som skæreværktøj ved afdrejning af en meget slibende, sandfyldt gummistang. Skæreparame-30 trene var: skæredybde 0,762 mm, tilspænding pr. omdrejning 0,13 mm, og skærehastighed 304,8 cm/s. Efter skæring i 16 minutter og 22 sekunder viste begge værktøjsstykker et ca. 0,13 mm stort, ensartet sideslid, hvilket viste, at slidbestandigheden af den skærende kant var udmærket.

35 EKSEMPEL 14

Det i eksempel 1 fremstillede kompositmateriale blev fraktureret praktisk taget midt over ved hjælp af en hammer og en kile, og brudfladerne blev undersøgt ved en forstørrelse på ca. 100 X under et mikroskop. Undersøgelse af brudfladerne viste, at det polykrystal- -r?------- 38

DK 153536 B

iinske legeme samt kompositmaterialets grænseflade var porefri, at bindemediet var fordelt ensartet igennem hele diamantlegemet og at bruddet var transgranulært snarere end intergranulært, dvs., at bruddet skete gennem diamantkornene snarere end langs korngræn-5 serne. Dette viser, at bindemediet var stærkt vedhængende og var lige si stærkt som selve diamantkornene eller krystallerne. Heller ikke kunne der detekteres noget synligt mellemlag eller synlige defekter i grænsefladen mellem siliciumcarbidsubstratet og det adhære-rede poly krystal linske diamantlag. Kompositmaterialets brudflade syn-10 tes at have en kontinuert struktur, og kun forskellen i kornstørrelse mellem diamanten og det stærkt adhærerede substrat muliggjorde erkendelse af grænselinien mellem substratet og det adhærerede poly-krystallinske diamantlegeme.

Brudfladen vinkelret på kompositmaterialet poleredes på et støbe-15 jernsdiamantpoleringsapparat. Optisk undersøgelse af den polerede tværsnitsfiade, der er vist i figur 7, viste ingen hulrækker dannet ved udtrækning af diamantfragmenter, hvilket viser den stærke binding deri. Det poly krystallinske diamantlegeme er vist i den øvre del og substratet i den nedre del af figur 7, og grænsefladen derimellem 20 kan skeines ved forskellen i krystalstruktur mellem diamantlegemet og substratet. Diamantkrystal lernes tæthed var omkring 71 volumenprocent af det polykrystailinske legeme i figur 7.

SILICIUMNITRIDSUBSTRAT

25 Hexagonalt bornitridpulver af fin parti kel størrelse, det vil sige størrelser på fra ca. 2 pm til ca. 20 pm, blev anvendt som tryktransmitterende pulvermedium.

Det polykrystailinske siliciumnitridsubstrat forelå i form af en skive, der i eksemplerne 16 og 17 havde en tykkelse på ca. 3,18 mm 30 og i eksempel 19 og 20 en tykkelse på ca. 2,54 mm. Substratet var et kommercielt tilgængeligt, varmpresset materiale med en tæthed over 99%, dvs. at det næsten var 100% tæt, og omfattede, angivet som vægtprocent af det varmpressede siliciumnitridlegeme, ½ % NlgO, ca. \ % Fe, ca. 1/200 % metalliske urenheder som f.eks. Ca, Al og 35 Cr, 2 % frit Si og 1 % SiC, medens den resterende del var silicium-nitrid.

Det anvendte udstyr var i det væsentlige magen til det, der er vist i figur 4 og 5.

DK 153536 B

39

Koldpresning af chargen udførtes ved stuetemperatur som vist I figur 4 ved indtil ca. 5,5 kilobar overtryk, og i den resulterende pressede samling af elementer udgjorde diamantkrystaltætheden over 75 volumenprocent af den komprimerede diamantmasse.

5 Mængden af indtrængende legering var tilstrækkelig til fuld stændig at gennemtrænge den komprimerede diamantmasse og opnå kontakt med kontaktfladen af substratet samt fylde porerne i grænsefladen.

Den indtrængende legering var en eutektikumholdig, silicium-10 holdig legering.

Den tæthed, der heri angives for det polykrystallinske silicium-nitridiegeme, der anvendtes som substrat, er den relative tæthed beregnet på grundlag af den teoretiske tæthed for siliciumnitrid, der er 3,18 g/cm^.

15 Frakturering af et kompositmateriale eller et poiykrystallinsk diamantlegeme udførtes med en hammer og kile.

Optisk undersøgelse udførtes ved omkring 100X forstørrelse under et mikroskop.

Polering udførtes på et støbejernsdimantpoleringsapparat.

2S) Hvor en bestemt diamanttæthed er angivet som volumenprocent af det polykrystallinske diamantlegeme, blev denne bestemt ved stan-dardpunkttælleteknikken ved anvendelse af et mi krofotografi af en poieret flade forstørret 690 gange, og det overfladeareal, der undersøgtes, var tilstrækkeligt stort til at repræsentere hele legemets mik-rostruktur.

Hvor diamanttætheden er angivet som et interval på fra over 70 voiumenprocent men under 90 volumenprocent af det polykrystallinske diamantlegeme, er dette interval baseret på erfaring, resultater fra tilsvarende forsøg, specielt forsøg, hvor det polykrystallinske dia-3Φ mantiegeme fremstilledes alene, samt det adhærerede polykrystallinske diamantlegemes udseende taget som et hele, og desuden på rumfanget af den afdækkede, rensede, polykrystallinske diamantiegemedel af kompositmaterialet sammenholdt med udgangsdiamantpuiverefs rumgang på den forudsætning, at mindre end 5 volumenprocent af diamantpul-3i6 veret var omdannet til en fase af frit ikke-diamantcarbon.

i eksemplerne 15 og 16 var den indtrængende siliciumrige legering en legering af silicium og zirconium dannet in situ.

DK 153536 8 40 EKSEMPEL 15 [ dette eksempel fremstilledes et polykrystallinsk diamantlegeme uden substrat.

En støbt siliciumskive vejende 330 mg blev anbragt i en zirco-5 niumbøsning i et kopformet molybdænorgan.

Omkring 500 mg fint diamantpulver med partikelstørreiser fra 1 μηη til omkring 60 pm og med mindst 40 vægtprocent af diamantpulveret mindre end 10 pm blev pakket oven pi siliciumskiven. Et kopformet molybdænorgan med lidt større diameter end det oprindeligt anvendte 10 kopformede organ, dvs. det kopformede organ, der indeholder silicium og diamanter, anbragtes over åbningen i det oprindelige kopformede organ som et låg.

Den resulterende beholder blev derpå pakket i hexagonalt bor-nitridpulver, som vist i figur 4, og hele chargen blev presset ved 15 stuetemperatur, dvs. koldpresset, i en stilmatrice ved indtil ca.

5,5 kilobar overtryk, således at beholderen og dens indhold udsattes for et i alt væsentligt isostatisk tryk, indtil trykket stabiliseredes, og herved tilvejebragtes et dimensionsmæssigt stabiliseret, formet, l alt væsentligt isostatisk system omfattende den pulveromsiuttede be-20 holder. Fra tidligere undersøgelser var det kendt, at diamantkrystal-tætheden i den fremkomne pressede samiing af elementer, dvs. i det fremkomne formede, I alt væsentligt isostatiske system omfattende den pulveromsiuttede beholder, var over 75 volumenprocent af den komprimerede diamantmasse. Den tilstedeværende mængde silicium 25 udgjorde ca. 80 volumenprocent af den komprimerede diamantmasse.

Den fremkomne pressede samling af elementer 21 omfattende den pulveromsiuttede beholder blev derpå varmpresset, dvs. den blev skubbet ind i en grafitform med samme diameterstørrelse som stilmatricen, som det er vist i figur 5, og stålmatricen blev anbragt i en 30 induktionsvarmeovn. Beholderens indre evakueredes, og en nitrogen-atmosfære blev indledt deri, idet varmeovnen blev evakueret til omkring 1.330 Pa (10 torr), inden den blev fyldt igen med nitrogen. Et tryk pi ca. 345 bar overtryk blev piført den pressede samling af elementer 21 og opretholdt på denne ved hjælp af grafitmatricen, som 35 derpå opvarmedes ved hjælp af induktionsvarmeovnen til en temperatur på 1.500°C i omkring 7 minutter- Efterhånden som samlingen af elementer opvarmedes steg også trykket til omkring 690 bar overtryk på grund af systemets ekspansion. Da temperaturen nåede omkring 1.350°C sank stemplet 23a, og trykket faldt til omkring 345 bar

DK 153536 B

41 overtryk, hvilket viste, at den siliciumrige zirconiumiegering var dannet, blevet flydende og var begyndt at trænge ind i den komprimerede diamantmasse. Trykket øgedes til maksimalvarmpresnings-trykket på 690 bar overtryk, og da temperaturen nåede 1.500°C, 5 biev samlingen af elementer holdt ved maksimalvarmpresningstempe-raturen på 1.500°C under et tryk på 690 bar overtryk i 1 minut for at sikre fuldstændig indtrængning af legeringen i de mindre kapillar-hulrum i den komprimerede diamantmasse. Energitilførslen blev derpå afbrudt, men der blev ikke påført yderligere tryk. Dette tilvejebrag-10 te et fast tryk ved høj temperatur, men nedsat tryk ved lav temperatur, og derved tilvejebragtes fyldestgørende geometrisk stabilitet, dvs. at det bevarede dimensionerne af den varmpressede samling af elementer, indtil denne var tilstrækkelig kold til håndtering.

Det resulterende polykrystallinske diamantlegeme blev blotlagt 15 ved at slibe og sandblæse beholdermetailet væk, dvs. det kopformede molybdænorgan og zirconiumbøsningen samt overskud af silicium på legemets yderside og flader.

Det resulterende polykrystallinske integraldiamantlegme havde skiveform og var ca. 2,921 mm tykt. Det syntes at være velgennem- 2C trængt og -bundet.

Røntgendiffraktionsanaiyse af den rensede flade, hvorigennem legeringen var trængt, viste, at den indeholdt diamant, siliciumcarbid og frit silicium, og viste, at siliciumcarbidet og det frie silicium forekom i en mængde på mindst 2 volumenprocent af legemet. Røntgendif-25 · fraktionsanaiysen afslørede imidlertid ikke nogen fase af frit ikke-diamantcarbon.

En undersøgelse af skivens tværsnits-brudflader viste, at frak-turen var transgranuiær snarere end intergranuiær, dvs. at den var fraktureret gennem diamantkornene snarere end langs korngræn-30 serne. Dette viste, at bindemediet var stærkt bindende, og at det var Sige så stærkt som selve diamantkornene eller krystallerne.

Undersøgelse af brudfiaderne viste, at de var porefri, og at bindemediet var ensartet fordelt igennem hele legemet.

Undersøgelse af de polerede tværsnitsflader viste ingen huiræk-35 ker dannet ved udtrækning af diamantfragmenter, hvilket viste den stærke binding deri og dets anvendelighed som slibemiddel.

Diamantkrystailernes tæthed udgjorde omkring 81 volumenprocent af det polykrystallinske diamantlegeme.

42

DK 153S36B

Et mikrofotograf! af den polerede overflade forstørret 690 gange viste en hvid fase. Røntgenspektralanalyse af denne fase viste, at den bestod af zirconium og silicium, hvilket viste, at denne fase var zirconiumsilicid.

5 EKSEMPEL 16 ! dette eksempel blev kompositmateriaiet fremstillet under anvendelse af varmpresset polykrystallinsk siliciumnitrid som substrat.

En støbt siliciumskive vejende 142 mg blev anbragt i en zirconi-10 umbøsning i et kcpformet zirconiumorgan. 270 mg Diamantpulver, hvori 85 vægtprocent af diamanten, hvad angår størrelse, var på fra 53 μη til 62 pm, og 15 vægtprocent var omkring 5 pm store, blev pakket oven på siliciumskiven, hvorved der tilvejebragtes en pulvertykkelse på ca. 1,5 mm. I stedet for det metal kappelåg, der anvend-15 tes i eksempel 1, biev der anvendt varmpresset, polykrystallinsk si-liciumnitrid som prop, dvs. som proppen 14 som vist i figur 2.

Det fremkomne tilproppede kopformede organ blev derpå pakket i hexagonalt bornitridpuiver, som det er vist i figur 4, og hele chargen blev koldpresset ved stuetemperatur på samme måde, som be-20 skrevet i eksempel 1, idet det tiiproppede kopformede organ og dets indhold udsattes for et i alt væsentligt isostatisk tryk, indtil trykket blev stabiliseret, og derved tilvejebragtes et dimensionsmæssigt stabiliseret, formet, i det væsentlige isostatisk system omfattende det pulveromsluttede, tilproppede, kopformede organ. Fra tidligere for-25 søg var det kendt, at diamantkrystaltætheden i den fremkomne pressede samling af elementer, dvs. i det fremkomne formede, i alt væsentligt isostatiske system bestående af det pulveromsluttede tilproppede, kopformede organ, var på over 75 volumenprocent af den komprimerede diamantmasse. Den fremkomne pressede samling af ele-30 mementer 21 omfattende det pulveromsluttede, tiiproppede, kopformede organ blev derpå varmpresset på samme måde, som beskrevet i eksempel 15 bortset fra de undtagelser, der er angivet i tabel 11.

Det fremkomne kompositmateriale blev blotlagt ved at kappemetal og overskudssilicium på kompositmaterialets ydre overflade og flader 35 blev fjernet ved sandblæsning og slibning.

Eksemplerne 15 og 16 er anført i tabel II. I eksempel 17, 19 og 20 i tabel II blev en støbt legering i form af en skive af den angivne sammensætning og tykkelse og med i det væsentlige samme diameter som det givne foringsrør anbragt i foringsrøret på bunden af det

DK 153536 B

43 givne kopformede organ. Den givne mængde af diamantpulver blev pakket oven på skiven. Endelig blev det givne polykrystaliinske sili-ciumnitridsubstrat anbragt oven på diamantpulveret og dannede en prop i det kopformede organ som vist ved 14 i figur 2. Det frem-5 komne tilproppede kopformede organ blev derpå koldpresset og varm-presset på den måde, der er beskrevet i eksempel 2, bortset fra de undtagelser, der er angivet i tabel II. Det tilvejebragte komposit-materiale blev blotlagt på i det væsentlige samme måde som beskrevet i eksempel 16.

10 De resulterende rensede integralkompositmaterialelegemer ifølge eksempel 16, 17, 19 og 20 havde form som i alt væsentligt ensartede skiver, som i eksempel 16 og 17 var ca. 4,7 mm tyk og i eksemplerne 19 og 20 ca. 3,8 mm.

I eksempel 18 blev der fremstillet et polykrystallinsk diamant-15 legeme, men der anvendtes ingen metallisk beholder, intet foringsrør eller substrat, men apparaturet, der anvendtes, var i det væsentlige magen tii det, der er vist i figur 4 og 5. Til gennemførelse af eksempel 18 blev det hexagonale bornitridpulver pakket i matricen I figur 4, og en cylinder, der anvendtes som form, blev presset ind i 20 pulveret. Cylinderen var fremstillet af hårdtmetal og var omkring 8,9 mm i diameter og 6,4 mm i tykkelse. Cylinderens akse flugtede stort set med matricens centerakse.

Efter at cylinderen var indført i pulveret blev en yderligere mængde hexagonalt bornitridpulver anbragt i matricen, således at det 25 dækkede cylinderen fuldstændig, og den derved fremkomne pulveromsluttede cylinder blev presset ved stuetemperatur under et tryk på 3,5 kilobar overtryk. Stemplet 23a blev derpå trukket tilbage, og stemplet 23 anvendtes tii at skubbe den tilvejebragte pressede, pulveromsluttede cylinder delvis ud af matricen.

30 Den blottede del af det pressede pulver blev fjernet og efterlod derved cylinderen delvis blottet. Cylinderen blev derpå fjernet og efterlod den hulhed, som den havde udpresset deri. I eksempel 18 blev en støbt legeringsskive af given sammensætning og tykkelse med en diameter, som i alt væsentligt var lig hulhedens indre diameter, 35 anbragt i bunden af hulheden. Et lag diamantpulver af given størrelse, mængde og tykkelse blev pakket oven på legeringsskiven.

En skive af varmpresset, hexagonalt bornitridpulver med omkring samme diameter som hulhedens indre diameter blev anbragt i hulheden oven på diamantpulveret som en prop for at sikre, at over

DK 153536B

44 fladen af det resulterende polykrystallinske diamantlegeme ville blive plan.

Hele massen blev derpå skubbet ind i matricens center ved hjælp af stemplet 23a, som derpå blev trukket tilbage. En yderligere 5 mængde hexagonalt bornitridpulver blev anbragt i matricen til dækning af den varmpressede skive af hexagonalt bornitrid, hvilket medførte at hulheden og indholdet blev omsluttet af hexagonalt bornitrid, som det er vist i figur 4. Den tilvejebragte charge blev derpå presset ved stuetemperatur, dvs. koidpresset, i stlimatricen under 10 et tryk på 5,5 kilobar overtryk, som det er vist i figur 4, idet hulheden og dens indhold udsattes for et i alt væsentligt isostatisk tryk, indtil trykket stabiliseredes, hvorved der tilvejebragtes et dimensionsmæssigt stabiliseret, formet, i det væsentlige isostatisk system omfattende den pulveromsluttede hulhed og indholdet. Fra tidligere 15 undersøgelser var det kendt, at i det tilvejebragte formede, i alt væsentligt isostatiske system omfattende den puiveromsluttede hulhed og indholdet udgjorde diamantkrystaltætheden over 75 volumenprocent af den komprimerede diamantmasse.

Den tilvejebragte pressede samling af elementer omfattende den 20 pulveromsluttede hulhed og indholdet, som i alt væsentligt var identisk med 21 bortset fra, at der ikke blev anvendt nogen metaibe-holder, blev derpå varmpresset, nemlig ved at den blev skubbet ind i en grafitform med samme diameterstørrelse som stålmatricen, som vist i figur 5, og anbragt i en induktionsvarmeovn. Hulhedens indre 25 evakueredes, og en nitrogenatmosfære blev indledt deri, idet varmeovnen blev evakueret til ca. 1.330 Pa (10 torr), inden den igen blev fyldt med flydende, tør nitrogen. Et tryk på omkring 345 bar overtryk blev påført den pressede samling af elementer og oprethold på denne ved hjælp af grafitmatricen, som derpå opvarmedes af in-30 duktionsvarmeovnen med en hastighed, som tilvejebragte den givne maksimal varmpresningstemperatur i løbet af ca. 5 til 7 minutter. Efterhånden som samlingen af elementer opvarmedes, steg trykket til det givne maksimalvarmpresningstryk på grund af hele systemets ekspansion.

35 Ved den givne temperatur, ved hvilken indtrængningen begyndte eller skred frem, sank stemplet, og trykket faldt til omkring 345 bar overtryk, hvilket viste, at den givne legering var smeltet og blevet flydende og var trængt ind i diamantmassen. Trykket hævedes derpå igen til den givne maksimal varmpresningsværdi, 45

DK 153536 B

på hvilken det blev holdt ved den givne maksimalvarmpresningstem-peratur i 1 minut tii sikring af fuldstændig indtrængning af legeringen i de mindre kapillarhulrum i den komprimerede diamantmasse. Energitilførslen blev derpå afbrudt, men der blev ikke påført 5 yderligere tryk. Dette tilvejebragte et fast tryk ved høj temperatur, men nedsat tryk ved lavere temperatur, hvorved der tilvejebragtes fyldestgørende geometrisk stabilitet. Det resulterende polykrystal-linske diamantlegeme blev blotlagt ved stuetemperatur. Proppen bandt ikke til diamantlegemet. Efter fjernelse af overfladeskaller bestående 10 af hexagonalt bornitridpulver og overskudslegering ved slibning og sandblæsning havde det tilvejebragte polykrystallinske integraldia-mantiegeme form som en skive med den angivne tykkelse.

I tabel II er angivet den varmpresningstemperatur, ved hvilken indtrængningen begynder, den temperatur, ved hvilken legeringen 15 bi iver flydende og fortsætter gennemtrængningen af den komprime rede diamantmasse. Den givne maksimal varmpresningstemperatur og maksimalvarmpresnmgstrykket blev opretholdt samtidigt i 1 minut til sikring af fuldstændig indtrængning i de mindre kapiilarhulrum i den komprimerede diamantkrystalmasse.

20 25 30 35

„ DK 153536 B

46

Il I I I

•Η Ρ d P P

tl U U I ft o u

+» ϋ *H P «8 «Ο P P

O P P X Ρ P P

S® Ρ Ρ © Μ Ρ P

S' CO (0 S P (JO (0 o δ «Η

4-1 £ P Ρ P d Ρ P

ft ® © © © Vi © V

O (0 W (0 O to W

P ft ,κ ti ta to ta ^ tn to r8 o <e oc © © 0) 4) c; p p - ¢0 c<5 p 'd P Ό UP P Ό P Ό P ft P V< P ft P ft P 0< H ft P ft Ή

ca © o S P EP S rt ♦ E P SU

p « p j g p p up u d u u p p p S P d O O « Ρ *8 Ρ <8 O © <8 Ρ (8 Ρ u ti η S η > d > C > oo > > d > d

Il II II II II

OP PP OP o o o o

S N NN S N SS SS

p »o ρ*0 P *Ό P T3 Ρ Ό U © © © © 0)0) 1} V © ©

oea is SS EB EB

IOU 0CU 0CU 0C U OOP 00 ppoddoddoddd oddodd

• flJQPiBPPWPPeoP© 4-i (8 P 4-1 <8 P

PPj^ft OOPftOOPftOOPOO ft 06 P ft 00 P

>OOOPOOPOOPOd β o o n o

W g ,Q fcrf O P &rf O Ρ ϊί O P )-t ΰί O Ή ^ O *P

00 I /> P Jrf g i—I c p p w d P o r- 0) tU Ο I 04 o o\ p > to in vo <n p iH *-4 - - - I 1 g JJ © rH rH 1-1 O ft ^

P

ej _ > 0) o l-ι *o ^ o d 60 M o o o o r- oi & d E o ^ σ\ in cm P g ' in CM Ol 04 04 d s 8 ‘Hl g 00 «3 s

§ d P =L I

•HP O rH g Q P > 3.

M .id OJ - S P Ή P BPS _ * O Ό IL E >

P4 d cg 3. Λ P

Cd 4-1 P vO O 3* oo

PQ <8 S I VO P W

< P S S I M > Η OP3.3.P rH rH S W _ © > <c cn m 3. > o w ,c > in i · * · *-h cn rH tfl W (fl Λ Γ-» O E E 3^ 3** .M -Si M *4 P 00

U /-n 3. P 3. Ρ P O O O P O

p E o oo o oo oo ·οΰιΗ- β- α \o « p « « p p p S -η g

pw|>>> > P 3. E

casts e a ε os.

3. o d cm in o o o oftpin p -σ © oo p ca ca ca r* o i i oo

P

P o P ta fl p OOP. CM vO vO 04

P Λ S vO P p vO

P .irf E i r- O O r- E >» w - - -» - i OP ΟΡΡΟ od 4

d •H

P O

o *o P

fi( 60 M O 04 O O CO P

odS<o vo p ro cm pjg'—'co t-η cM 04 p p

O

Ό *H P P ·Η P *rl p O

d w u CA H W H CAOrf c 3 3 be εε sees N 3« ·Η *f4 o o o o o o o o

p PU PU PP PP PP PP

P S.AP .O P (8(8 (8(8 (8(8 (0<8

TJ O «. P ** P

d p p p PP m tn vo <f vo <r mtn i-η < ca ca cota oop oop oop a\ to jrf m \o o* oo σι o N Ρ p Ρ Ρ P 04

Γ\ \ S Si--7 1--? / r-S

47 L/i\ ΙΟΟΟύΟΟ

•H

/-\ W /"N

« cj 4) i *o oc a oo

e QJ 0) «3 0 4i O

43 CO 00 r-4 00

« >» 4) *W Q <L> U

Jl Η H *rt r-4 *tH

Η «β +J +4 W CO

+j d a qj «p CJ CO Q 03 * Cfi OJ d S d *4 d +4 S a) « gj d q d

« 00 ·Η U CO Å C] (I

*h *j ό a a ·η

*Od +4 I« <0 *4H « CO

·©. «W 41 ej *H to *r4 »H

AS Λ β w Q i IWQHI I

03 d Ή

rH

r-4 (0 00 4J *rt W H Of

Sh +4 W rH Ι^'ί O CO

udr-ι^Ν cm σ\ cm r-

J4 1) (I g O' m com 04 rH

>, *J AS g - * * » ·

H iJ ^ W N rH rH rH rH rH

o a ►>

0h O 4J

00 d cj

•Η O

U *9. ** JJ A i) Jj iH 00 Ή 00 00 Sh /-> ODTI« W ii **

Ή H U >/-s>A-sd 0C

« Μ AS «Η «

4JC3>OWOWÆ W

AS Ό lH A >M r .r4 TJ

□ ϋΰσ>·υσ>·Ρ(Η d /-X 3 V +4 » AS I Αί V w

44 ft 00 <9 ·Η 4> ·Η 4» *iH O

<0 4i q KW-PM-PW 4H

a) 4J w cj'—'d'—'d'·—' '—/ •U r-4 U jJ 43 4) u (U4J4JO o mo oo O SO-HVO r\0 r CO CO CO m

*W WCSrHCOlHOOMCOCO (Ο N

W ·Η / rHNJf-HCsJrHrH i-HrH

W

hH · hi ^ w »H 4»

PQ 3 +J

< *4 rH

H tO « m a o m oo mo 4) *h o o cm m -Hf CM-d* ftwom m <fm mm

B rH rH rH rH rH rH

<U (0 *4 as 03 00 oo d d

*r4 *iH

d d Μ oo o; q k 8j η ο Ο O in CM o ftUCJm o \£>Ht CM <f w O co co cm co coco

Η Ό h' rH pH pH pH rH rH

<0 d l

> M AS

& ^ hJ 4J Ai &0 « ^

•r4 00 H

pH fl JJ

4J *rl In <r CO <rco COCO

fl £ OJ ~ * *· P. p

43 W > CT\ \D CO 4) \D 'O

lH 43 O CO σ\ ΙΛ W ON ON

4-> Μ so 00 r* co CO 00 * ? (Q *w> >

W

jfi m vo r»· co σ\ o

Pl3 rH rH rH rH rH CM

48 n Uf 1 Π 7 r 7 < Q υ>\ f OOOjO d

Eksemplerne 16, 17, 19 og 20 Illustrerer fremstillingen af det foreliggende kompositmateriale. i disse eksempler si hvert komposit-materiale ved optisk undersøgelse ud til at være en kontinuert struktur, men grænselinien mellem diamantlegemet og substratet kunne 5 påvises ved kornstørrelsesforskellen og farveforskellen mellem diamantlegemet og substratet, nemlig ved at siliciumnitridsubstratet var af en mørkere farve end det grå diamantlegeme. Den ydre overflade af hvert adhæreret polykrystallinsk diamantiegeme så ud til at være velgennemtrængt af bindemedium, der så ud til at være jævnt fordelt.

10 Diamanterne så ud til at være velbundet til hinanden.

Det adhærerede polykrystaliinske diamantlegeme i kompositmate-rialerne iføige eksemplerne 17 og 18 havde en diamanttæthed på over 70 volumenprocent men under 90 volumenprocent af det polykrystal-linske iegemes rumfang.

15 Diamantfiaden af kompositmateriaiet i eksempel 16 blev poleret og optisk undersøgelse af den polerede flade viste ingen hulrækker dannet ved udtrækning af diamantfragmenter, hvilket viser den stærke binding deri. Diamantkrystaitætheden var på omkring 71 volumenprocent af det adhærerede polykrystaliinske diamantlegeme i eksempel 20 16.

I eksempel 18 var det polykrystaliinske diamantiegeme en velgennemtrængt, velbundet, hård skive. Diamantlegemet blev delt praktisk talt midt over. Optisk undersøgelse af tværsnitsbrudfladerne viste, at de var porefri, at bindemediet var jævnt fordelt 25 igennem hele legemet, og at bruddet var transgranulært snarere end intergranulært, dvs. det var brudt gennem diamantkornene snarere end langs korngrænserne. Dette viser, at bindemediet var stærkt vedhængende og var lige så stærkt som selve diamantkornene eller krystallerne.

30 En brudflade af skiven i eksempel 18 poleredes og undersøgelse af den polerede flade viste ingen huirækker dannet ved udtrækning af diamantfragmenter, hvilket viser den stærke binding deri. I eksempel 18 udgjorde diamantkrystaitætheden omkring 80 volumenprocent af det polykrystaliinske diamantiegeme.

35 EKSEMPEL 21

Det i eksempel 17 fremstillede kompositmateriale blev bedømt som skæreværktøj. Den blottede flade af det polykrystaliinske diamantiegeme i kompositmateriaiet blev slebet med et diamantslibehjul

DK 153536 B

49 for at afglatte den og tilvejebringe en skarp skærende kant. Substratet af kompositmaterialet blev derpå fastspændt i en værktøjsholder.

En del af den skærende kant blev vurderet på en drejebænk, 5 som roterede en Jackfork sandsten, ved en tilspænding på 0,13 mm pr. omdrejning og en skæredybde på 0,51 mm.

Ved skærehastigheden 47,8 cm/s blev slidhastigheden bestemt til -6 3 0,060 X 10 cm /s. En anden del af den skærende kant vurderedes *6 ved skærehastigheden 132 cm/s og sliddet bestemtes til 0,137 X 10 10 cm /s.

Kompositmaterialet fjernedes fra værktøjsholderen, og en undersøgelse af grænsefladen mellem diamantlegemet og substratet viste, at den ikke var blevet påvirket af disse spåntagende bearbejdnings-afprøvninger.

15 EKSEMPEL 22

Den i dette eksempel benyttede fremgangsmåde var magen til den, der er beskrevet i eksempel 21 bortset fra, at der blev anvendt det i eksempel 19 fremstillede kompositmateriale.

20 En del af den skærende kant udviklede ved skærehastigheden 50,8 cm/s i løbet af 2 minutters skæretid meget små siidmærker, hvilket viser dens udmærkede siidbestandighed, men den anvendte Jackfork sandsten havde en dyb indskæring, og da kompositmaterialet var skørt, brækkede et lille stykke af den skærende kant af.

25 Undersøgelse af kompositmaterialet efter skæringen viste, at grænsefladen mellem det polykrystallinske diamantlegeme og silicium-nitridsubstratet ikke blev påvirket af disse ved spåntagende bearbejdningsforsøg.

30 EKSEMPEL 23

Det i eksempel 20 fremstillede kompositmateriale blev brudt praktisk taget midt over, og tværsnitsbrudfladerne undersøgtes optisk. Undersøgelse af brudfladerne viste, at det polykrystallinske diamantlegeme og grænsefladen i kompositmaterialet var porefri, at binde-35 mediet var fordelt ensartet igennem hele legemet, og at bruddet var transgranulært snarere end intergranulært, dvs. at bruddet skete gennem diamantkornene snarere end langs korngrænserne. Dette viser, at bindemediet var stærkt vedhængende og var lige så stærkt som seive diamantkornene eller krystallerne. Desuden kunne der ikke på-

DK 153536 B

50 vises noget synligt mellemlag eller synlige defekter i grænsefladen mellem siliciumnitridsubstratet og det adhærerede polykrystallinske diamantiag. Kompositmaterialets brudflade si ud til at have en kontinuert struktur. Dog muliggjorde kornstørrelsesforskelle mellem dia-5 manterne og det stærkt adhærerede substrat samt substratets mørkere farve en erkendelse af en grænselinie mellem substratet og det adhærerede polykrystallinske diamantlegeme.

Kompositmaterialets brudtværsnit poleredes. Optisk undersøgelse af den polerede tværsnitsflade, der er vist i figur 7, viste ingen 10 hul rækker dannet ved diamantfragmentudtrækning, hvilke viste den stærke binding deri. Det polykrystallinske diamantlegeme er vist i den øvre del og substratet i den nedre del af figur 7, og grænsefladen derimellem kan skelnes på grund af forskellen med hensyn til krystalstruktur og farve mellem diamantlegemet og substratet. Dia-15 mantkrystaltætheden var på omkring 75 volumenprocent af det polykrystallinske diamantlegeme i figur 7.

EKSEMPEL 24

De i eksemplerne 16, 17 og 19 fremstillede kompositmaterialer 20 blev delt praktisk taget midt over, og tværsnitsbrudfiaderne blev undersøgt optisk. Undersøgelse af brudfladerne viste, at det poiy-krystaliinske diamantiegeme og grænsefladen i hvert kompositmateriale var porefri, at bindemediet var fordelt jævnt igennem hele diamantlegemet, og at bruddet var transgranulært snarere end intergranulært, 25 dvs., at bruddene fandtes gennem diamantkornene snarere end langs korngrænserne. Dette viser, at bindemediet var stærkt vedhængende og var lige så stærk som selve diamntkornene eller krystallerne. Der kunne desuden ikke påvises noget synligt mellemlag eller synlige defekter i grænsefladen mellem siliciumnitridsubstratet 30 og det adhærerede polykrystallinske diamantlag. Brudfladen i hvert kompositmateriale si ud til at have en kontinuert struktur. Dog muliggjorde diamantkornstørrelsesforskellen mellem diamanterne og det stærkt adhærerede substrat samt substratets mørkere farve en erkendelse af grænselinien mellem substratet og det adhærerede poly-35 krystallinske diamantlegeme.

Brudfladen i kompositmaterialet i eksempel 19 poleredes. Undersøgelse af den polerede tværsnitsflade viste ingen hulrækker dannet ved diamantfragmentudtrækning, hvilket viser den stærke binding deri.

Et mi krofotografi af den polerede flade forstørret 690 X viste et 51

ηκ i ς7 ς 7/ς R

t—- i ι Ο -3000 SZ5 mellemlag af bindemedium gennem grænsefladen. Skandering af et elektronmikroskopisk billede af den polerede flade forstørret 1000 X viste et mellemlag af bindemedium igennem grænsefladen, som havde en maksimaltykkelse på omkring 3 pm. Røntgenspektraianalyse af 5 bindemediet i mellemlaget og i det polykrystallinske diamantlegeme viste, at begge indeholdt de samme komponenter.

10 15 20 25 30 35

Claims (14)

1. Kompositmateriale omfattende et polykrystallinsk diamantlegeme og et siliciumcarbid- eller siliciumnitridsubstrat, kende- 5 tegnet ved, at det polykrystallinske diamantiegeme er sammenbundet med et polykrystallinsk substrat af siliciumcarbid eller siliciumnitrid tii et enkelt stykke, hvorhos det polykrystallinske diamantlegeme består af en masse af diamantkrystaller, som er solidt bundet til hinanden med et siliciumatomholdigt bindemiddel, der 10 omfatter siliciumcarbid og et carbid og/elier silicid af en metal komponent, som med silicium danner et silicid, diamantkrystallerne har en størrelse på fra 1 til 1000 pm, diamantkrystaltætheden udgør fra 70% til 90% af legemets volumen, det siliciumatomholdige binde-middel udgør op til 30% af legemets volumen og er i det mindste i alt 15 væsentligt ensartet fordelt i legemet, den del af bindemidlet, der er i kontakt med diamantkrystallernes overflade, består i det mindste for størstedelen af siliciumcarbid, diamantlegemet i det mindste i alt væsentligt er porefrit, substratet varierer i tæthed fra 85% til 100% af den teoretiske tæthed for siliciumcarbid eller fra 80% til 100% af 20 den teoretiske tæthed for siliciumnitrid og indeholder siliciumcarbid eller siliciumnitrid i en mængde på mindst 90% af substratets vægt, det polykrystallinske diamantlegeme danner en grænseflade med siliciumcarbid- eller siliciumnitridsubstratet, og bindemidlet strækker sig fra det krystallinske diamantlegeme til substratets kontaktflade 25 og udfylder i det mindste i alt væsentligt porerne i grænsefladen, således at grænsefladen i det mindste i alt væsentligt er porefri.

2. Kompositmatenale ifølge krav 1, kendetegnet ved, at bindemidlet også indeholder frit silicium.

3. Kompositmateriale ifølge krav 1 eller 2, kendeteg- 30 net ved, at tætheden af diamantkrystallerne udgør fra 70% til 89% af diamantlegemets volumen.

4. Kompositmateriale ifølge et hvilket som helst af kravene 1-3, kendetegnet ved, at diamantkrystallerne er størrelsessorteret og har en partikelstørrelse på fra 1-60 pm.

5. Kompositmateriale ifølge et hvilket som helst af kravene 1-4, kendetegnet ved, at bindemidlet består af siliciumcarbid og metalsilicid.

6. Kompositmateriale ifølge krav 5, kendetegnet ved, at metal komponenten i metaJsilicidet er udvalgt fra en gruppe, DK 153536 B der omfatter cobalt, krom, jern, hafnium, mangan, molybdæn, niob, nikkel, palladium, platin, "rhenium, rhodium, ruthenium, tantal, thorium, titan, uran, vanadium, wolfram, yttrium, zirconium og legeringer heraf.

7. Kompositmateriale ifølge et hvilket som helst af kravene 1-4, kendetegnet ved, at bindemidlet består af silicium- carbid og metalcarbid. S. Kompositmateriale ifølge krav 7, kendetegnet ved, at metal komponenten i metalcarbidet er udvalgt fra gruppen, 10 der består af krom, hafnium, titan, zirconium, tantal, vanadium, wolfram, molybdæn og legeringer af disse metaller.

9. Fremgangsmåde til fremstilling af et kompositmateriale ifølge krav 1, kendetegnet ved, a) at en eutektikumhoidig, siliciumrig faststof legering eller 15 faststof komponenter, der frembringer en eutektikumhoidig siliciumrig legering, en diamantkrystalmasse og et silicium-carbid- eller siliciumnitridsubstrat anbringes i en beskyttelsesbeholder eller -kop, idet diamantkrystalmassen anbringes mellem og i kontakt med substratet og den 20 eutektikumholdige, siliciumrige faststoflegering eller mindst en af de komponenter, der frembringer en eutektikum hoidig, siliciumrig legering, og den eutektikumholdige, siliciumrige legering består af silicium og et metal, som med siliciumet danner et silicid, 25 b) at beholderen og dens indhold anbringes i et tryktrans mitterende pulvermedium, der overfører påført tryk ? alt væsentligt uformindsket og forbliver i alt væsentligt usintret under varmepresning, c) at der påføres et tilstrækkeligt, i alt væsentligt isostatisk 30 tryk på beholderen og dens indhold via pulvermediet til i alt væsentligt fuldstændig ensartet stabilisering af dimensionerne af beholderen og indholdet ti! tilvejebringelse af et formstabilt, i alt væsentligt isostatisk system, der omfatter den pulveromsluttede beholder, hvorved den 35 tilvejebragte, komprimerede diamantkrystalmasses tæthed udgør mere end 70 volumenprocent af voluminet af de komprimerede diamantkrystaller, d) at det tilvejebragte, i alt væsentligt isostatiske system varmpresses til frembringelse af en flydende, eutektikum-. ni.< 1ι; 7 r 7 / η 1*^·' i \ ι \J Ο Ο Ο Γ) hoidig, siliciumrig legering, som trænger ind i de tomme mellemrum i den komprimerede diamantkrystalmasse og kommer i kontakt med den kontaktoverflade af substratet, der danner en grænseflade til den komprimerede diamant-5 krystalmasse, hvorhos varmpresningen udføres ved en varmpresningstemperatur under 1600°C ved et varmpresningstryk, der er tilstrækkeligt til at bringe den flydende, siliciumrige legering til at trænge ind i de tomme mellemrum i den komprimerede diamantkrystalmasse, og den 10 eutektikumholdige, siliciumrige faststoflegering eller de til frembringelse af en eutektikumholdig, siliciumrig legering benyttede faststof komponenter anvendes i en mængde, der er tilstrækkelig til at tilvejebringe tilstrækkeligt med flydende, eutektikumholdig, siliciumrig legering til ved 15 varmpresningstemperaturen at fylde de tomme mellemrum i den komprimerede diamantkrystalmasse og befugte substratets kontaktflade, hvorved porerne i grænsefladen udfyldes, således at denne i det mindste i alt væsentligt bliver porefri, og hvorhos mindre end 5 volumenprocent af 20 diamantkrystallerne under varmpresningen omdannes til frit, ikke-diamantcarbon, og dette ikke-diamantcarbon eller diamantkrystaliernes overflader reagerer med den flydende, siliciumrige legering under dannelse af carbid, e) at det tilvejebragte, varmpressede, i alt væsentligt 25 isostatiske system afkøles og herunder holdes under et tilstrækkeligt tryk til i det mindste i alt væsentligt at bevare dimensionerne af det varmpressede system, og f) at det frembragte kompositmateriale, hvori det polykry- stallinske legeme er bundet til et siliciumcarbid- eller 30 siliciumnitridsubstrat, og diamantkrystallerne forekommer i en mængde, der udgør mindst 70 volumenprocent af det poly krystal linske legeme, blotlægges.

10. Fremgangsmåde ifølge krav 9, kendetegnet ved, at der anvendes diamantkrystaller, som er størrelsessorteret og er 35 pi fra 1 til 60 pm.

11. Fremgangsmåde ifølge krav 9 eller 10, kendeteg net ved, at den flydende, siliciumrige intrængningslegering anvendes i en mængde, som udgør fra 25 til 80 volumenprocent af voluminet af den komprimerede diamantkrystalmasse. DK 153536 B

12. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 9-11, kendetegnet ved, at tætheden af den komprimerede masse af diamantkrystaller udgør fra 71 til højst 95 volumenprocent af voluminet af de komprimerede krystaller.

13. Fremgangsmåde ifølge et hvilket som helst af kravene 9-12, kendetegnet ved, at den siliciumrige faststoflegering foreligger i partikelform.

14. Fremgangsmåde ifølge krav 9, kendetegnet ved, at der i trin a) som beskyttelsesbeholder eller -kop anvendes en 10 udsparing, der er indpresset i det pulvermedium, som overfører påført tryk i alt væsentligt uformindsket, og som forbliver i alt væsentligt usintret under varmpresningen, og at i trin b) tildækkes udsparingen og dets indhold med en yderligere mængde trykoverførende pulvermedium, hvorved udsparingen omsluttes af det 15 trykoverførende pulvermedium, hvorpå trin d) til f) ifølge krav 9 udføres.

15. Fremgangsmåde ifølge krav 14, kendetegnet ved, at den siliciumrige faststof legering foreligger i partikelform. 20 25 30 35