EP1751320A1 - Wearing part consisting of a diamantiferous composite - Google Patents

Wearing part consisting of a diamantiferous composite

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EP1751320A1
EP1751320A1 EP05743117A EP05743117A EP1751320A1 EP 1751320 A1 EP1751320 A1 EP 1751320A1 EP 05743117 A EP05743117 A EP 05743117A EP 05743117 A EP05743117 A EP 05743117A EP 1751320 A1 EP1751320 A1 EP 1751320A1
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Abstract

The invention relates to a wearing part consisting of a diamantiferous composite material and to a method for producing the same. The wearing part consists of a diamantiferous composite material comprising 40 to 90 % by volume of diamond grains, 0.001 to 12 % by volume of a carbide phase, constituted by one or more elements from the group including Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, B, Sc, Y, lanthanides and 7 to 49 % by volume of a metallic or intermetallic alloy having a liquidus temperature < 1400 DEG C. The metallic or intermetallic alloy contains the carbide-forming element(s) in dissolved or precipitated form and has a roughness at room temperature > 250 HV.

Description

VERSCHLEISSTEIL AUS EINEM DIAMANTHALTIGEN VERBUNDWERKSTOFF WEARING PART FROM A DIAMOND-COMPOSITE COMPOSITE
Die Erfindung betrifft ein Verschleißteil aus einem diamanthaltigen Verbundwerkstoff und ein Verfahren zu dessen Herstellung.The invention relates to a wear part made of a diamond-containing composite material and a method for its production.
Unter einem Verschleißteil versteht man ein Bauteile, das einer hohen verschleißenden Beanspruchung unterliegt. In Abhängigkeit von der Beanspruchung kommt eine Vielfalt von Werkstoffen zum Einsatz, wie gehärtete Stähle, Schnellarbeitstähle, Steinte, Hartmetalle und Hartstoffe. Mit den steigenden Anforderungen an die Verschleißbeständigkeit finden diamanthaltige Verbundwerkstoffe oder Werkstoffverbunde vermehrt Interesse.A wearing part is a component that is subject to high wear and tear. Depending on the stress, a variety of materials are used, such as hardened steels, high-speed steels, stones, hard metals and hard materials. With the increasing demands on wear resistance, diamond-containing composites or material composites are becoming increasingly interesting.
So beschreibt die US 4,124,401 einen polykristallinen Diamantwerkstoff, bei dem die einzelnen Diamantkörner durch Siliziumkarbid und ein Metallkarbid oder Metallsilizid zusammengehalten werden. Werkstoffe gemäß der US 4,124,401 sind zwar sehr hart, jedoch nur sehr aufwendig formgebend zu bearbeiten.No. 4,124,401 describes a polycrystalline diamond material in which the individual diamond grains are held together by silicon carbide and a metal carbide or metal silicide. Although materials according to US Pat. No. 4,124,401 are very hard, they can only be machined in a very complex manner.
In der EP 0 116 403 wird ein diamanthaltiger Verbundwerkstoff offenbart, der aus 80 bis 90 Vol.% Diamant und 10 bis 20 Vol.% Ni und Si haltige Phase besteht, wobei Ni als Ni oder Ni-Silizid und Si als Si, SiC oder Ni-Silizid vorliegt. Zwischen den Diamantkörnern liegen keine weiteren Phasenbestandteile vor. Um eine ausreichende Bindung zwischen den einzelnen Diamantkörnern zu erreichen, sind Sintertemperaturen > 1400°C erforderlich. Da Diamant bei Normaldruckbedingungen bei diesen Temperaturen nicht mehr stabil ist, sind gemäß dem Druck-Temperatur Diagramm entsprechend hohe Drücke erforderlich, um ein Zersetzen des Diamants zu vermeiden. Die dazu erforderlichen Anlagen sind teuer. Zudem weist der so hergestellte Diamantverbundwerkstoff eine sehr geringe Bruchzähigkeit und schlechte Bearbeitbarkeit auf.EP 0 116 403 discloses a diamond-containing composite material which consists of 80 to 90% by volume of diamond and 10 to 20% by volume of Ni and Si-containing phase, Ni as Ni or Ni silicide and Si as Si, SiC or Ni silicide is present. There are no other phase components between the diamond grains. In order to achieve a sufficient bond between the individual diamond grains, sintering temperatures> 1400 ° C are required. Since diamond is no longer stable at these temperatures under normal pressure conditions, correspondingly high pressures are required according to the pressure-temperature diagram in order to prevent the diamond from decomposing. The systems required for this are expensive. In addition, the diamond composite material produced in this way has very low fracture toughness and poor machinability.
In der WO 99/12866 ist ein Verfahren zur Herstellung eines Diamant-Siliziumkarbid-Verbundwerkstoffes beschrieben. Die Herstellung erfolgt durch Infiltration eines Diamantskelettes mit Silizium oder einer Siliziumlegierung. Aufgrund des hohen Schmelzpunktes von Silizium und der dadurch bedingten hohen Infiltrationstemperatur wird Diamant in hohem Maße in Grafit bzw. in weiterer Folge in Siliziumkarbid umgewandelt. Auf Grund der hohen Sprödigkeit ist die mechanische Bearbeitbarkeit dieses Werkstoffes höchst problematisch und aufwendig.WO 99/12866 describes a method for producing a diamond-silicon carbide composite material. It is manufactured by infiltration of a diamond skeleton with silicon or one Silicon alloy. Due to the high melting point of silicon and the resulting high infiltration temperature, diamond is converted to a large extent into graphite and subsequently into silicon carbide. Due to the high brittleness, the mechanical workability of this material is extremely problematic and complex.
Die US 4,902,652 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines gesinterten Diamantwerkstoffes. Auf Diamantpulver wird dabei mittels physikalischer Beschichtungsverfahren ein Element aus der Gruppe der Übergangsmetalle der Gruppen 4a, 5a und 6a, Bor und Silizium abgeschieden. Anschließend werden die beschichteten Diamantkörner mittels eines Festphasensinterprozesses miteinander verbunden. Nachteilig ist, dass das entstehende Produkt eine hohe Porosität, eine geringe Bruchzähigkeit und schlechte Bearbeitbarkeit aufweist.US 4,902,652 describes a method for producing a sintered diamond material. An element from the group of transition metals from groups 4a, 5a and 6a, boron and silicon is deposited on diamond powder by means of physical coating processes. The coated diamond grains are then connected to one another by means of a solid phase sintering process. It is disadvantageous that the resulting product has a high porosity, low fracture toughness and poor machinability.
Die US 5,045,972 beschreibt einen Verbundwerkstoff, in dem neben Diamantkörnern mit einer Größe von 1 bis 50 μm eine metallische Matrix vorliegt, die aus Aluminium, Magnesium, Kupfer, Silber oder deren Legierungen besteht. Nachteilig dabei ist, dass die metallische Matrix nur mangelhaft an die Diamantkörner angebunden ist, so dass dadurch die mechanische Integrität in nicht ausreichendem Maße gegeben ist. Auch die Verwendung von feinerem Diamantpulver, beispielsweise mit einer Korngröße < 3 μm, wie dies aus der US 5,008,737 hervorgeht, verbessert die Diamant / Metall Haftung nicht.No. 5,045,972 describes a composite material in which, in addition to diamond grains with a size of 1 to 50 μm, there is a metallic matrix consisting of aluminum, magnesium, copper, silver or their alloys. The disadvantage here is that the metallic matrix is poorly bonded to the diamond grains, so that the mechanical integrity is not given to a sufficient degree. The use of finer diamond powder, for example with a grain size <3 μm, as is apparent from US Pat. No. 5,008,737, does not improve the diamond / metal adhesion.
Die US 5,783,316 beschreibt ein Verfahren, bei dem Diamantkörner mit W, Zr, Re, Cr oder Titan beschichtet, die beschichteten Körner in weiter Folge kompaktiert werden und der poröse Körper z.B. mit Cu, Ag oder Cu-Ag Schmelzen infiltriert wird. Die hohen Beschichtungskosten und nicht ausreichende Verschleißbeständigkeit begrenzen das Einsatzgebiet derartig hergestellter Verbundwerkstoffe.US 5,783,316 describes a method in which diamond grains are coated with W, Zr, Re, Cr or titanium, the coated grains are compacted in a wide sequence and the porous body is e.g. is infiltrated with Cu, Ag or Cu-Ag melts. The high coating costs and insufficient wear resistance limit the field of use of composite materials produced in this way.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit, ein Verschleißteil aus einem diamanthaltigen Verbundwerkstoff bereitzustellen, das eine hohe Verschleißbeständigkeit aufweist und sich durch eine ausreichende formgebende Bearbeitbarkeit vergleichsweise kostengünstig herstellen lässt.The object of the present invention is thus to provide a wearing part made of a diamond-containing composite material which has a high Has wear resistance and can be produced comparatively inexpensively by a sufficient formability.
Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verschleißteil gemäß Anspruch 1.This object is achieved by a wearing part according to claim 1.
Durch den Diamantanteil, die karbidische Phase und die harte metallische oder intermetallische Legierung weist das erfindungsgemäße Verschleißteil eine ausgezeichnete Verschleißbeständigkeit auf. Unter einer metallischen Legierung ist ein ein- oder mehrphasigen Werkstoff, der neben metallischen Gefügebestandteilen auch intermetallische, halbmetallische oder keramische Gefügebestandteile enthalten kann, zu verstehen. Unter einer intermetallischen Legierung versteht man einen Werkstoff, der überwiegend aus intermetallischer Phase besteht.Due to the diamond content, the carbidic phase and the hard metallic or intermetallic alloy, the wearing part according to the invention has excellent wear resistance. A metallic alloy is understood to mean a single-phase or multi-phase material which, in addition to metallic structural components, can also contain intermetallic, semi-metallic or ceramic structural components. An intermetallic alloy is a material that mainly consists of an intermetallic phase.
Sowohl die Bruchzähigkeit des diamanthaltigen Verbundwerkstoffes, als auch die daraus resultierenden technologischen Eigenschaften, wie beispielsweise die mechanische Bearbeitbarkeit, sind auf Grund der duktilen, metallischen oder intermetallischen Phasenbestandteile in einem ausreichenden Maße gegeben. Bruchzähigkeitssteigernd wirkt sich die hohe Haftfestigkeit zwischen den Diamantkörnern und der metallischen / intermetallischen Legierung durch die sich dazwischen bildende karbidische Phase aus. Als karbidbildende Elemente sind die Übergangselemente der lllb, IVb, Vb, Vlb Gruppen des Periodensystems, Lanthanide, B und Si geeignet. Unter Nichtberücksichtung der radioaktiven und sehr teuren Elemente sind dies Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, B, Sc, Y und Lanthanide. Auch Mischkarbide, bestehend aus zwei oder mehreren der zuvor erwähnten Elemente, führen zu einer guten Anbindung zwischen den Diamantkörnern und der metallischen / intermetallischen Legierung. Die karbidische Phase entsteht dabei bevorzugt aus einer Umsetzung des karbidbildenden Elementes mit Diamant. Um eine gute Anbindung zu erzielen, reicht bereits eine Dicke dieser karbidischen Phase im Nanometerbereich, bzw. ein Bedeckungsgrad von > 60 Prozent aus. Unter Bedeckungsgrad ist dabei der Anteil der Diamantkornoberfläche zu verstehen, der von der karbidischen Phase umhüllt ist. Entsprechend dieser Prämissen entspricht dies einem Volumengehalt der karbidischen Phase von > 0,001 %. Wird eine Obergrenze von 12 Vol.% überschritten, so sinkt die Bruchzähigkeit unter einen kritischen Wert und eine kostengünstige Bearbeitung ist nicht mehr gegeben.Due to the ductile, metallic or intermetallic phase components, both the fracture toughness of the diamond-containing composite material and the resulting technological properties, such as mechanical machinability, are sufficient. The high bond strength between the diamond grains and the metallic / intermetallic alloy increases the fracture toughness due to the carbide phase that forms between them. The transition elements of the IIIb, IVb, Vb, Vlb groups of the periodic table, lanthanides, B and Si are suitable as carbide-forming elements. Disregarding the radioactive and very expensive elements, these are Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, B, Sc, Y and lanthanides. Mixed carbides, consisting of two or more of the elements mentioned above, also lead to a good bond between the diamond grains and the metallic / intermetallic alloy. The carbidic phase preferably arises from a reaction of the carbide-forming element with diamond. To achieve a good connection, a thickness of this carbidic phase in the nanometer range or a degree of coverage of> 60 percent is sufficient. The degree of coverage is to be understood as the proportion of the diamond grain surface which is enveloped by the carbidic phase. According to these premises, this corresponds to a volume content of the carbidic phase of> 0.001%. If an upper limit of 12 vol.% Is exceeded, the fracture toughness decreases below a critical value and inexpensive processing is no longer possible.
Das oder die karbidbildenden Elemente liegen auch in der metallischen / intermetallischen Legierung in gelöster oder ausgeschiedener Form vor und bewirken alleine oder zusammen mit weiteren Legierungselementen eine Verfestigung der metallischen / intermetallischen Legierung. Um eine ausreichende Verschleißfestigkeit des diamandhaltigen Verbundwerkstoffes zu erzielen, ist eine Mindesthärte der metallischen / intermetallischen Legierung bei Raumtemperatur von > 250 HV, bevorzugt > 400 HV, einzustellen. Die Auswahl des karbidbildenden Elements hängt vom Matrixmetall der metallischen / intermetallischen Legierung, dem Herstellprozess und der Geometrie des Verschleißteils ab. Starke Karbidbildner, wie beispielsweise Ti, Zr, Hf, Cr, Mo, V und W bilden beim Infiltrationsprozess oberflächennah dicke Karbidschichten aus, wodurch es lokal zu einer Verarmung des karbidbildenden Elements kommt, bzw. der Infiltrationsprozess behindert wird. Diese Elemente eignen sich daher bevorzugt für die Herstellung kleinerer Verschleißteile. Größere Verschleißteile lassen sich vorteilhafterweise unter Verwendung von Si, B, Y und La als karbidbildende Elemente herstellen. Diese Elemente sind vergleichsweise schwache Karbidbildner. Die sich ausbildendenThe carbide-forming element or elements are also present in the metallic / intermetallic alloy in dissolved or precipitated form and, on their own or together with other alloying elements, cause the metallic / intermetallic alloy to solidify. In order to achieve sufficient wear resistance of the diamond-containing composite material, a minimum hardness of the metallic / intermetallic alloy at room temperature of> 250 HV, preferably> 400 HV, must be set. The selection of the carbide-forming element depends on the matrix metal of the metallic / intermetallic alloy, the manufacturing process and the geometry of the wear part. Strong carbide formers, such as Ti, Zr, Hf, Cr, Mo, V and W, form thick carbide layers near the surface during the infiltration process, which leads to a local depletion of the carbide-forming element or the infiltration process. These elements are therefore particularly suitable for the production of smaller wear parts. Larger wear parts can advantageously be produced using Si, B, Y and La as carbide-forming elements. These elements are comparatively weak carbide formers. The developing ones
Karbidschichten sind daher vergleichsweise dünn. Versuche mit Si haben gezeigt, dass für eine hinreichende Anbindung der metallischen Legierung an die Diamantkörner bereits Si-C Anreicherungen an der Diamantkornoberfläche im Bereich einiger Atomlagen ausreichen.Carbide layers are therefore comparatively thin. Experiments with Si have shown that Si-C enrichments on the surface of the diamond grains in the region of a few atomic layers are sufficient for the metallic alloy to be adequately bonded to the diamond grains.
Geeignete Matrixmetalle für die metallische Legierung sind AI, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Pb und Sn, wobei die ersten sechs genannten Elemente besonders geeignet sind. Die karbidbildenden Elemente und optional weitere Legierungselemente sind in der metallischen Legierung gelöst oder in diese zum Beispiel in Form von Ausscheidungen oder intermetallischenSuitable matrix metals for the metallic alloy are Al, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Ag, Pb and Sn, the first six elements mentioned being particularly suitable. The carbide-forming elements and optionally further alloy elements are dissolved in the metallic alloy or in this, for example in the form of precipitates or intermetallic
Phasenbestandteilen eingelagert. Die Legierungszusammensetzung ist dabei so zu wählen, dass die Liquidustemperatur < 1400°C und die Solidustemperatur bevorzugt < 1200°C beträgt. Dies ermöglicht eine entsprechend niedrige Verarbeitungstemperatur, beispielsweise Infiltrations- oder Heißpresstemperatur. Damit ist es möglich, entsprechend dem Druck / Temperatur Phasendiagramm für Grafit / Diamant eine Verarbeitung bei vergleichsweise niedrigen Gasdrücken von < 1 kbar, bevorzugt < 50 bar durchzuführen. Im Vergleich zu üblichem polykristallinem Diamanten (PCD) bedeutet dies deutlich verringerte Herstellkosten.Phase components stored. The alloy composition should be chosen so that the liquidus temperature is <1400 ° C and the solidus temperature is preferably <1200 ° C. This enables a correspondingly low one Processing temperature, for example infiltration or hot pressing temperature. It is thus possible to carry out processing at comparatively low gas pressures of <1 kbar, preferably <50 bar, in accordance with the pressure / temperature phase diagram for graphite / diamond. Compared to conventional polycrystalline diamond (PCD), this means significantly reduced manufacturing costs.
Um eine Raumtemperaturhärte von > 250 HV, bevorzugt > 400 HV einzustellen, kann auf die üblichen festigkeitssteigernden Mechanismen, im besonderen Mischkristall- und Ausscheidungshärtung, zurückgegriffen werden. Als besonders geeignet sind dabei die ausscheidungsgehärteten AI-Legierungen, wie beispielsweise Al-Mg-Si-Cu, Al-Cu-Ti, Al-Si-Cu und Al-Si-Mg, übereutektischeIn order to set a room temperature hardness of> 250 HV, preferably> 400 HV, the usual strength-increasing mechanisms, in particular mixed crystal and precipitation hardening, can be used. The precipitation-hardened Al alloys, such as Al-Mg-Si-Cu, Al-Cu-Ti, Al-Si-Cu and Al-Si-Mg, are particularly suitable
Al-Si Legierungen, aushärtbare Cu-Legierungen, und hier wieder bevorzugt Legierungen mit Zusatz von Si und weiters Cr und/oder Zr, übereutektische Ag-Si Legierungen, sowie Fe, Co und Ni Legierungen zu nennen, deren Liquidus- bzw. Solidustemperatur durch Zugabe von Si und / oder B auf die in Anspruch 1 angegebenen Werte erniedrigt wird.Al-Si alloys, hardenable Cu alloys, and here again preferably alloys with the addition of Si and further Cr and / or Zr, hypereutectic Ag-Si alloys, as well as Fe, Co and Ni alloys, to name their liquidus or solidus temperature Addition of Si and / or B is reduced to the values specified in claim 1.
Bereits bei Diamantgehalten von 40 Vol.% kann eine ausgezeichnete Verschleißbeständigkeit erzielt werden. Die obere Grenze des Diamantgehaltes von 90 Vol.% stellt eine Barriere für eine kostengünstige Herstellung dar. Zudem wäre bei höheren Diamantgehalten eine hinreichende Bruchzähigkeit des Diamantverbundwerkstoffes nicht mehr gewährleistet. Durch Variation des Diamant-, Karbid- und Metallphasengehaltes ist es möglich, in Hinblick auf Verschleißbeständigkeit, Bearbeitungseigenschaften und Kosten maßgeschneiderte Verschleißteile für unterschiedlichste Anforderungen herzustellen.Excellent wear resistance can be achieved with diamond contents of 40% by volume. The upper limit of the diamond content of 90% by volume represents a barrier to cost-effective production. In addition, a sufficient fracture toughness of the diamond composite material would no longer be guaranteed at higher diamond contents. By varying the diamond, carbide and metal phase content, it is possible to manufacture customized wear parts for a wide variety of requirements with regard to wear resistance, machining properties and costs.
Weitere Gefügebestanteile verschlechtern die Eigenschaften nicht in einem unzulässigen Ausmaß, solange deren Gehalt 5 Vol.% nicht übersteigt. Zudem können solche Gefügebestanteile, wie beispielsweise geringe Anteile an amorphen Kohlenstoff, teilweise herstelltechnisch nur mit relativ großem Aufwand vollständig vermieden werden.Further structural constituents do not deteriorate the properties to an inadmissible extent as long as their content does not exceed 5% by volume. In addition, such structural remnants, such as, for example, small amounts of amorphous carbon, can only be completely avoided in part from a manufacturing point of view with relatively great effort.
Besonders vorteilhafte Gehalte an karbidischer Phase und metallischer / intermetallischer Legierung liegen bei 0,1 bis 10 Vol.% bzw. bei 10 bis 30 Vol.%. Versuche haben gezeigt, dass Diamantpulver in einem breitenParticularly advantageous contents of carbidic phase and metallic / intermetallic alloy are 0.1 to 10% by volume and 10 to 30% by volume. Trials have shown that diamond powder comes in a wide range
Korngrößenspektrum verarbeitet werden können. Neben Naturdiamanten lassen sich auch preisgünstigere synthetische Diamanten verarbeiten. Auch mit den gängigen beschichteten Diamantsorten wurden gute Verarbeitungsergebnisse erzielt. Daraus ergibt sich, dass auf die jeweils kostengünstigste Sorte zurückgegriffen werden kann. Eine besonders vorteilhafte Verschleißbeständigkeit kann bei Verwendung von Diamantpulver mit einer Korngröße von 20 bis 200 μm erreicht werden. Durch Verwendung von Diamantpulver mit bimodal verteilter Korngröße, mit einem ersten Verteilungsmaximum bei 7 bis 60 μm und einem zweiten Verteilungsmaximum bei 80 bis 260 μm, ist es möglich, hohe Diamantpackungsdichten und damit Volumengehalte zu erzielen.Grain size spectrum can be processed. In addition to natural diamonds, cheaper synthetic diamonds can also be processed. Good processing results were also achieved with the common coated diamond grades. This means that the cheapest variety can be used. A particularly advantageous wear resistance can be achieved when using diamond powder with a grain size of 20 to 200 μm. By using diamond powder with a bimodally distributed grain size, with a first distribution maximum at 7 to 60 μm and a second distribution maximum at 80 to 260 μm, it is possible to achieve high diamond packing densities and thus volume contents.
Verschleißteile sind in den unterschiedlichsten Anwendungsbereichen zu finden. Erste ausgezeichnete Resultate konnten bei Wasserstrahldüsen, Bohrkroneneinsätzen, Sägezähnen und Bohrerspitzen erzielt werden. Der erfindungsgemäße Werkstoff ist auf Grund seiner ausgezeichneten Wärmeleitfähigkeit, speziell bei Verwendung einer metallischen Phase basierend auf Cu, AI oder Ag, besonders auch für Anwendungen geeignet, bei denen die Verschleißbeanspruchung mit Wärmeentwicklung verbunden ist. Exemplarisch seien hier nur Bremsscheiben für Flugzeuge, Schienenfahrzeuge, Automobile und Motorräder angeführt.Wear parts can be found in a wide variety of applications. The first excellent results were achieved with water jet nozzles, drill bit inserts, saw teeth and drill tips. Due to its excellent thermal conductivity, especially when using a metallic phase based on Cu, Al or Ag, the material according to the invention is also particularly suitable for applications in which wear is associated with heat development. Only brake discs for airplanes, rail vehicles, automobiles and motorcycles are mentioned here as examples.
Für die Herstellung können unterschiedlichste Verfahren eingesetzt werden. So ist es möglich, mit einem karbidbildenden Element beschichte Diamantpulver mit Metallpulver unter Temperatur und Druck zu verdichten. Dies kann beispielsweise in Heißpressen oder heißisostatischen Pressen erfolgen. Als besonders vorteilhaft hat sich das Infiltrieren gezeigt. Dabei wird ein Precursor oder Zwischenstoff hergestellt, der neben Diamantpulver auch einen Binder enthalten kann. Besonders vorteilhaft sind dabei Binder, die unter Temperatureinwirkung zu einem hohen Anteil pyrolisieren. VorteilhafteA wide variety of processes can be used for the production. It is thus possible to compact diamond powder coated with a carbide-forming element with metal powder under temperature and pressure. This can be done, for example, in hot presses or hot isostatic presses. Infiltration has proven to be particularly advantageous. A precursor or intermediate is produced which can contain a binder in addition to diamond powder. Binders which pyrolyze to a high degree under the influence of temperature are particularly advantageous. advantageous
Bindergehalte liegen bei 1 bis 20 Gew.%. Diamantpulver und Binder werden in üblichen Mischern oder Mühlen vermengt. Danach erfolgt die Formgebung, wobei diese durch Schüttung in eine Form oder druckunterstützt, beispielsweise durch Pressen oder Metallpulverspritzguss, erfolgen kann. In weiterer Folge wird der Zwischenstoff auf eine Temperatur erhitzt, bei der der Binder zumindest teilweise pyrolisiert. Die Pyrolyse des Binders kann jedoch auch während des Aufheizens beim Infiltrationsprozess erfolgen. Der Infiltrationsprozess kann drucklos oder druckunterstützt erfolgen. Letzteres kann in einer Sinter-Hip-Anlage oder mittels Squeeze-Casting erfolgen. Für die Wahl der Zusammensetzung ist zu berücksichtigen, dass die Liquidustemperatur der jeweiligen Infiltratlegierung (Legierung, die in den porösen Körper infiltriert) nicht höher als 1400°C, vorteilhafterweise nicht höher als 1200°C liegt, da sich ansonsten zu hohe Diamantanteile zersetzen. Besonders gut für das Infiltrieren eignet sich ein Infiltrat mit einer eutektischen Zusammensetzung.Binder contents are 1 to 20% by weight. Diamond powder and binder are mixed in conventional mixers or mills. The shaping then takes place, this being supported by pouring into a mold or by pressure, for example by pressing or metal powder injection molding. The intermediate substance is subsequently heated to a temperature at which the binder at least partially pyrolyzes. However, the pyrolysis of the binder can also take place during the heating up in the infiltration process. The infiltration process can be pressure-free or pressure-supported. The latter can be done in a sinter-hip system or by means of squeeze casting. When choosing the composition, it must be taken into account that the liquidus temperature of the respective infiltrate alloy (alloy that infiltrates into the porous body) is not higher than 1400 ° C, advantageously not higher than 1200 ° C, since otherwise excessive amounts of diamond will decompose. An infiltrate with a eutectic composition is particularly suitable for infiltration.
Im Folgenden wird die Erfindung durch Herstellbeispiele näher erläutert.The invention is explained in more detail below by means of production examples.
Beispiel 1example 1
Synthetisches Diamantpulver mit einer mittleren Korngröße von 90 μm wurde mittels Matrizenpressen bei einem Druck von 200 MPa zu einer Platte derSynthetic diamond powder with an average grain size of 90 μm was made into a plate by means of die pressing at a pressure of 200 MPa
Dimensiondimension
35 mm x 35 mm x 5 mm gepresst. Der Porenanteil der Platte betrug ca. 20 Vol.%.35 mm x 35 mm x 5 mm pressed. The pore content of the plate was approximately 20% by volume.
In weiterer Folge wurde diese Platte mit einem Stück der Infiltratlegierung bedeckt, die bereits in einem vorgelagerten Prozess erschmolzen und deren Liquidus- und Solidustemperatur mittels thermischer Analyse bestimmt wurde. Die Zusammensetzungen der Infiltratlegierungen sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Der poröse Diamantkörper und die Infiltratlegierung wurden in einer Sinter-Hip-Anlage zunächst unter Vakuum auf eine Temperatur von 70°C über der Liquidustemperatur der jeweiligen Infiltratlegierung erhitzt. Nach einer Haltezeit von 10 Min. wurde ein Argon-Gasdruck von 40 bar eingestellt. Nach einer weiteren Haltezeit von 5 Min. wurde die Probe durch Abschalten der Heizung und unter Ar-Gasflutung auf Raumtemperatur abgekühlt und einer weiteren einstündigen Wärmebehandlung bei 200°C unter der jeweiligen Nonvarianz-Temperatur unterzogen. Bei allen untersuchten Varianten kam es zu einer Ausbildung einer karbidischen, die Diamantkörner umhüllenden Phase. Die erfindungsgemäßen Diamant-Verbundwerkstoffe wurden einer Sandstrahlprüfung unterzogen und mit Hartmetall mit einem Co-Gehalt von 2 Gew%. verglichen. Die Abtragraten bezogen auf das Vergleichshartmetall sind in Tabelle 1 wiedergegeben. Subsequently, this plate was covered with a piece of the infiltrate alloy, which had already melted in an upstream process and whose liquidus and solidus temperature was determined by means of thermal analysis. The compositions of the infiltrate alloys are shown in Table 1. The porous diamond body and the infiltrate alloy were first heated in a sinter-hip system under vacuum to a temperature of 70 ° C above the liquidus temperature of the respective infiltrate alloy. After a holding time of 10 minutes, an argon gas pressure of 40 bar was set. After a further holding time of 5 minutes, the sample was cooled to room temperature by switching off the heating and under Ar gas flooding and subjected to a further one-hour heat treatment at 200 ° C. under the respective non-variance temperature. A carbidic phase enveloping the diamond grains was formed in all of the variants examined. The diamond composites according to the invention were subjected to a sandblasting test and with hard metal with a Co content of 2% by weight. compared. The removal rates based on the reference hard metal are shown in Table 1.
Zusammensetzung der Infiltratlegierung Relative (Angaben in Gew.%) AbtragrateComposition of the infiltrate alloy Relative (data in% by weight) removal rate
Cu 10%Ni 10%Si 0,5Cu 10% Ni 10% Si 0.5
Cu 2%Zr 10%Si 0,6Cu 2% Zr 10% Si 0.6
Erfindungs- Cu 3%Cr 10%Si 0,6 gemäße Werkstoffe AI 3,5%Cu 7%Si 0,7Invention Cu 3% Cr 10% Si 0.6 materials AI 3.5% Cu 7% Si 0.7
AI 30%Si 0,7AI 30% Si 0.7
AI 5%Ti 7%Si 0,75AI 5% Ti 7% Si 0.75
Ni 29%Si 0,6Ni 29% Si 0.6
Ni 15%Cr 7%Fe 2,5%Ti 20%Si 0,35Ni 15% Cr 7% Fe 2.5% Ti 20% Si 0.35
Zn 4%Cr 0,65Zn 4% Cr 0.65
Fe 20%Cr 20%Si 0,45Fe 20% Cr 20% Si 0.45
WC 2%CoWC 2% co
Tabelle 1 Table 1

Claims

Patentansprüche claims
1. Verschleißteil aus einem diamanthaltigen Verbundwerkstoff, der 40 bis 90 Vol.% Diamantkörner, 0,001 bis 12 Vol.% karbidische Phase, gebildet aus einem oder mehreren Elementen aus der Gruppe Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, B, Sc, Y, Lanthanide und 7 bis 49 Vol.% einer metallischen oder intermetallischen Legierung mit einer Liquidustemperatur < 1400°C enthält, wobei die metallische oder intermetallische Legierung das oder die karbidbildenden Elemente in gelöster oder ausgeschiedener Form enthält und eine Härte bei Raumtemperatur > 250 HV aufweist.1. Wear part made of a diamond-containing composite material, the 40 to 90 vol.% Diamond grains, 0.001 to 12 vol.% Carbidic phase, formed from one or more elements from the group Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr , Mo, W, B, Sc, Y, lanthanides and 7 to 49 vol.% Of a metallic or intermetallic alloy with a liquidus temperature <1400 ° C, the metallic or intermetallic alloy containing the carbide-forming element or elements in dissolved or precipitated form and has a hardness at room temperature> 250 HV.
2. Verschleißteil nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Diamantkörner zumindest zu 60% von der karbidischen Phase umhüllt ist.2. Wearing part according to claim 1, characterized in that the surface of the diamond grains is coated at least 60% by the carbide phase.
3. Verschleißteil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische oder intermetallische Legierung eine Solidustemperatur < 1200°C aufweist.3. Wearing part according to claim 1 or 2, characterized in that the metallic or intermetallic alloy has a solidus temperature <1200 ° C.
4. Verschleißteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumenverhältnis der metallischen oder intermetallischen Legierung zu der karbidischen Phase größer 4 ist.4. Wearing part according to one of the preceding claims, characterized in that the volume ratio of the metallic or intermetallic alloy to the carbide phase is greater than 4.
5. Verschleißteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die karbidische Phase von Si gebildet ist.5. Wearing part according to one of the preceding claims, characterized in that the carbidic phase is formed by Si.
6. Verschleißteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die karbidische Phase von einem oder mehreren Elementen der Gruppe Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W gebildet ist.6. Wearing part according to one of claims 1 to 4, characterized in that the carbidic phase is formed by one or more elements from the group Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W.
7. Verschleißteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die karbidische Phase zumindest teilweise durch Umsetzung mit dem Kohlenstoff des Diamants gebildet ist.7. Wearing part according to one of the preceding claims, characterized in that the carbidic phase at least partially Implementation is formed with the carbon of the diamond.
8. Verschleißteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische oder intermetallische Legierung mehr als 50 Gew.% eines Elements aus der Gruppe Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Zn, AI enthält.8. Wearing part according to one of the preceding claims, characterized in that the metallic or intermetallic alloy contains more than 50% by weight of an element from the group Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Zn, Al.
9. Verschleißteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Legierung eine aushärtbare AI-Legierung ist, die Si und / oder Ti enthält.9. Wearing part according to claim 8, characterized in that the metallic alloy is a hardenable Al alloy which contains Si and / or Ti.
10. Verschleißteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Legierung eine übereutektische Al-Si Legierung ist.10. Wearing part according to claim 8, characterized in that the metallic alloy is a hypereutectic Al-Si alloy.
11. Verschleißteil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Legierung eine aushärtbare Cu-Legierung ist, die Zr, Cr und / oder Si enthält.11. Wearing part according to claim 8, characterized in that the metallic alloy is a hardenable Cu alloy which contains Zr, Cr and / or Si.
12. Verschleißteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische oder intermetallische Legierung eine Härte > 400 HV aufweist.12. Wearing part according to one of the preceding claims, characterized in that the metallic or intermetallic alloy has a hardness> 400 HV.
13. Verschleißteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische oder intermetallische Legierung eine Liquidustemperatur < 1200°C aufweist.13. Wearing part according to one of the preceding claims, characterized in that the metallic or intermetallic alloy has a liquidus temperature <1200 ° C.
14. Verschleißteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil weiterer Phasen kleiner 5 Vol.% beträgt.14. Wearing part according to one of the preceding claims, characterized in that the proportion of further phases is less than 5 vol.%.
15. Verschleißteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Diamantkorngröße 20 bis 200 μm beträgt. 15. Wearing part according to one of the preceding claims, characterized in that the average diamond grain size is 20 to 200 microns.
16. Verschleißteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Diamantkorngröße bimodal verteilt ist, mit einem ersten Verteilungsmaximum bei 7 bis 60 μm und einem zweiten Verteilungsmaximum bei 80 bis 260 μm.16. Wearing part according to one of the preceding claims, characterized in that the diamond grain size is bimodally distributed, with a first distribution maximum at 7 to 60 μm and a second distribution maximum at 80 to 260 μm.
17. Verschleißteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff 60 bis 80 Vol.% Diamantkörner, 1 bis 10 Vol.% einer karbidischen Phase und 10 bis 30 Vol.% einer metallischen Legierung enthält.17. Wearing part according to one of the preceding claims, characterized in that the composite material contains 60 to 80% by volume of diamond grains, 1 to 10% by volume of a carbidic phase and 10 to 30% by volume of a metallic alloy.
18. Verschleißteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung als Düse oder Mischrohr für Abrasiv- Wasserstrahlschneidanlagen.18. Wearing part according to one of the preceding claims for use as a nozzle or mixing tube for abrasive water jet cutting systems.
19. Verschleißteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung als Bohrkroneneinsatz oder Bohrerspitze für Bohrwerkzeuge.19. Wearing part according to one of the preceding claims for use as a drill bit insert or drill tip for drilling tools.
20. Verschleißteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung als Bremsscheibe.20. Wearing part according to one of the preceding claims for use as a brake disc.
21.Verschleißteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung als Schleifscheibe.21. Wear part according to one of the preceding claims for use as a grinding wheel.
22. Verschleißteil nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Verwendung als Sägezahn.22. Wearing part according to one of the preceding claims for use as a saw tooth.
23. Verfahren zur Herstellung eines Verschleißteils nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest folgende Prozessschritte umfasst: - Drucklose oder druckunterstützte Formgebung eines Zwischenstoffes, der Diamantkörner mit einer mittleren Korngröße von 20 bis 200 μm und optional eine metallische Phase und/oder Binder enthält, wobei der Diamantanteil bezogen auf das Gesamtvolumen des Zwischenstoffes nach dem Formgebungsschritt 40 bis 90 % beträgt; - Druckloses oder druckunterstütztes Erhitzen des Zwischenstoffes und einer Infiltratlegierung basierend auf Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Zn, Pb, Sn oder AI und zumindest einem Legierungselement aus der Gruppe Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, B, Sc, Y, Lanthanide auf eine Temperatur über der Liquidustemperatur der Infiltratlegierung, jedoch unter 1450°C, wobei es zu einer Infiltration des Zwischenstoffes durch die Infiltratlegierung kommt und die Porenräume des Zwischenstoffes zumindest zu 97% gefüllt werden.23. A method for producing a wearing part according to one of the preceding claims, characterized in that the method comprises at least the following process steps: - Pressure-free or pressure-supported shaping of an intermediate material, the diamond grains with an average grain size of 20 to 200 μm and optionally a metallic phase and / contains or binder, the The proportion of diamond based on the total volume of the intermediate material after the shaping step is 40 to 90%; - Pressure-free or pressure-assisted heating of the intermediate material and an infiltrate alloy based on Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Zn, Pb, Sn or AI and at least one alloy element from the group Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, B, Sc, Y, lanthanides to a temperature above the liquidus temperature of the infiltrate alloy, but below 1450 ° C., whereby the infiltration of the intermediate material by the infiltrate alloy occurs and the pore spaces of the intermediate material are filled at least 97% ,
24. Verfahren zur Herstellung eines Verschleißteil nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren zumindest folgende Prozessschritte umfasst: - Mischen oder Mahlen eines Zwischenstoffes, der zumindest aus Diamantkörnern mit einer mittleren Korngröße von 20 bis 200 μm und einer Infiltratlegierung basierend auf Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Zn, Pb, Sn oder AI und zumindest einem Legierungselement aus der Gruppe Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, B, Sc, Y, Lanthanide besteht; - Füllen einer Matrize einer Heißpresse mit dem Zwischenstoff, Erhitzen auf eine Temperatur T, mit 500°C < T < 1200°C und Heißpressen des Zwischenstoffes.24. A method for producing a wearing part according to one of claims 1 to 22, characterized in that the method comprises at least the following process steps: - Mixing or grinding an intermediate material which is based at least on diamond grains with an average grain size of 20 to 200 μm and an infiltrate alloy on Fe, Co, Ni, Cu, Ag, Zn, Pb, Sn or Al and at least one alloy element from the group Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, Cr, Mo, W, B, Sc, Y , Lanthanide exists; - Filling a die of a hot press with the intermediate material, heating to a temperature T, with 500 ° C <T <1200 ° C and hot pressing the intermediate material.
25. Verfahren nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass die Infiltratlegierung eine eutektische oder nahe-eutektische Zusammensetzung aufweist. 25. The method according to claim 23 or 24, characterized in that the infiltrate alloy has a eutectic or near-eutectic composition.
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