EP3765428A1 - SiC-GEBUNDENE DIAMANTHARTSTOFFPARTIKEL, PORÖSES BAUTEIL, DAS MIT SiC-GEBUNDENEN DIAMANTPARTIKELN GEBILDET IST, VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG SOWIE DEREN VERWENDUNG - Google Patents

SiC-GEBUNDENE DIAMANTHARTSTOFFPARTIKEL, PORÖSES BAUTEIL, DAS MIT SiC-GEBUNDENEN DIAMANTPARTIKELN GEBILDET IST, VERFAHREN ZU DEREN HERSTELLUNG SOWIE DEREN VERWENDUNG

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EP3765428A1
EP3765428A1 EP19713380.4A EP19713380A EP3765428A1 EP 3765428 A1 EP3765428 A1 EP 3765428A1 EP 19713380 A EP19713380 A EP 19713380A EP 3765428 A1 EP3765428 A1 EP 3765428A1
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EP
European Patent Office
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particles
diamond
sic
volume
particle size
Prior art date
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Application number
EP19713380.4A
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English (en)
French (fr)
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Björn Matthey
Steffen Kunze
Mathias Herrmann
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Definitions

  • the invention relates to SiC-bonded diamond hard particles, porous construction formed with SiC-bonded diamond particles, process for their preparation as well as their use.
  • the most diverse hard material particles are embedded alone or in the form of granules or in a material matrix, used for under different applications, in particular for a machining in the form of loops.
  • diamond particles which are known to have a very high hardness are used as the hard material particles. Dia mant alone but may have disadvantages in various applications, which may be disadvantageous, for example, in thermal cycling or binding behavior in a matrix material.
  • diamond particles can also chemically under certain environmental conditions decompose or dissolve from a matrix or a composite material.
  • the hard material particles according to the invention are formed from SiC bonded diamond and can be obtained in particle sizes between 20 pm and 5 mm.
  • the hard material particles are formed with 30% by volume - 65% by volume of diamond, 70% by volume - 35% by volume of SiC and 0% by volume to 30% by volume of Si.
  • Preferred are 40% by volume - 60% by volume of diamond 60% by volume - 40% by volume of SiC and 2% by volume to 20% by volume of Si.
  • the particle size distribution of the diamond particles may be multimodal to increase the packing density of interconnected diamond particles in hard particles.
  • a fine fraction which is 0.1 to 0.3 times the size of the diameter of a coarse diamond particle fraction and has a content of 5% by volume to 50% by volume of the coarse particle size fraction.
  • 5% by volume to 30% by volume of the coarse particle size fraction should be used in a multimodal particle size fraction.
  • the average particle size d 50 of diamond particles in the material should be kept in the range 5 pm to 500 pm, preferably 5 pm-100 pm.
  • the particle size distribution of the diamond particles in a hard material particle may be multimodal to increase the packing density. It is thus possible to use at least two different particle size fractions.
  • the finer particle size fraction should have 0.1 to 0.3 times the size of the diameter of the coarse particle size fraction and with a share of 5 vol .-% - 50 vol .-% of coarse
  • Particle size fraction may be contained in a hard material particles. Very particular advantageous are 5 vol .-% - 30 vol .-% of the coarse particle size fraction complied with.
  • the procedure is that a suspension in which diamond particles and an organic binder are contained, or Dia mantp appeal which are used with a suspension or a dispersion in which a orgasmic African binder is used.
  • a suspension in which diamond particles and an organic binder are contained or Dia mantp
  • a siliconization is carried out.
  • the addition of the powdered silicon can be done before the siliconization.
  • silicon carbide is formed by chemical reaction, so that hard material particles containing 30% by volume - 65% by volume of diamond, 70% by volume - 35% by volume of SiC and 0 to 30 Vol .-% Si are formed can be obtained.
  • the resulting diamond granules should be mixed with powdered silicon and, if appropriate, in addition with particulate spacers so that the granules are not or only minimally destroyed and they at least partially separate the diamond particles. This simplifies or allows a separation of the resulting SiC-bonded diamond hard particles without intensive grinding or the like, which would lead to strong wear on aggregates.
  • the organic binder and / or its amount to which the diamond particles are coated or contained in the suspension should be selected so that the organic binder is used as carbon source in a proportion of between 1.5% by mass and 20% by mass Relative to the total mass of a set diamond particles is used.
  • the SiC used for the binding of the diamond particles is obtained essentially from the chemical reaction of the carbon released during the pyrolysis with silicon. This improves the properties of the hard material particles thus obtained, as follows:
  • the incorporation of the diamond particles in the SiC matrix can be influenced. Higher temperatures for longer times lead to faster break-out of the diamond particles under severe tribological stress.
  • siliconizing at 1650 ° C and 20 min holding time interfaces of non-diamond carbon are formed in a thickness of> 50 nm. This causes the diamond particles are released when the SiC bond is partially worn.
  • the associated reduced strength of the bond between the diamond particles and the SiC and the Si sometimes has a positive effect when the hard material particles are used in a grinding process.
  • the diamond particles in hard-material particles may additionally be bonded to Si in a material-bonded manner, which has not been reacted in a reactive manner.
  • this free Si is typically separated from the diamond by an SiC layer thick to nm.
  • a maximum of 90%, more preferably 80% maximum of the surfaces of the diamond particles should be materially bonded to SiC and Si.
  • the added amount and type of organic binder and silicon can be selected accordingly.
  • the organic binder forms the main source of carbon for the reactive in situ formation of SiC.
  • a superficial reaction of the diamond particles with the Si occurs during the infiltration to SiC. This ensures the solid chemical bonding of the diamond particles to the SiC.
  • the carbon from the binder reduces the amount of reactive diamond and thus allows higher diamond contents to be achieved.
  • the reaction preferably leads to the formation of ⁇ -SiC.
  • a granulate possibly mixed SiC (usually the low-cost a-SiC) can also be incorporated into the formed SiC matrix / network.
  • this reduces the density of the diamond particles so that, as a rule, it does not bring any advantage over them. For special applications, in particular to reduce the price but you could add a-SiC.
  • the preparation of the hard material particles can by granulation with minimal amounts of organic binder and solvent content means
  • Dish granulator or e.g. in an Eirich mixer or by fluidized bed or spray granulation. It is also a pressing of the granules and then subsequent crushing possible. This can be higher
  • the organic binder which is pyrolyzed in an inert atmosphere at 400 ° C - 1400 ° C, may result in a non-diamond content of 1.5% by mass to 20% by mass, based on the diamond content in the pyrolyzed state.
  • the particle size distribution of the individual silicided hard material particles can be determined by means of classification / comminution, e.g. refined by screening and adapted to the needs. Before classification, a mechanical separation can be carried out, for example with a jaw crusher.
  • organic binder which can be used in the invention may be an organic chemical compound or a mixture selected from polyvinyl alcohol, acetate, polyethylene glycol, a sugar, cellulose, and phenolic resins.
  • binder is here used as a collective term for the ge used organic components, since the bond between the diamond particles in the granulated state is the main function.
  • the organic components can also be found next to the actual binder,
  • Dispersing agents wetting agents, plasticizers (e.g., PEG), defoaming agents.
  • plasticizers e.g., PEG
  • Hard material particles are infiltrated with silicon.
  • the granules with ore particles and the organic binder formed granules before or preferred after pyrolysis in the thermal treatment with Si powder having an average particle size d 50 in the range of 5 pm - 1000 pm, preferably in the range 10 pm - 150 pm and in this range with a volume of 10 vol .-% - 200 vol. -% preferably 20 vol .-% - 100 vol.% Of the content of Dia mantpumblen be added and mixed.
  • the silicon powder should have a particle size which is between 5 pm and twice the particle size of the granules of the granules formed with diamond particles and the organic binder in order to ensure sufficient spacing between the individual granules.
  • the distances are conducive to easy comminution after siliciding.
  • the content of silicon should not exceed twice that which is necessary to carry out the reactive bond. Better is 1.5 times or even only 1.1 times.
  • the infiltration can be carried out in the thermal treatment, in which the Pyroly se is carried out, but also in a second subsequently performed th thermal treatment.
  • a maximum temperature of 1650 ° C and FITS preferred should vacuum conditions are met.
  • a particle size fraction of fine silicon powder should be used in the range 5 pm - 20 pm with a volume of 10 vol .-% - 30 vol .-% of the SiC diamond granules. This finer fraction makes it possible, by the remaining porous oxide / SiC surface layers of the original Si grains, to easily singulate the SiC-bonded diamond hard-material particles.
  • components can be admixed before the siliconization or pyrolysis as spacers, which are difficult to wet by Si, do not form an alloy with Si and do not react with Si.
  • Such chemical elements or compounds can be used for coating in order to minimize a firm connection (sticking) of the granules to one another.
  • chemical elements or compounds can be preferably selected from BN, Si 3 N 4 , AlN, Al 2 0 3 , Si0 2 , Zr0 2 and a nitride, carbide of the transition metals, in particular groups 4 and 5 of the periodic table (in particular of Ti, Zr, Hf, V, Nb).
  • This route is particularly effective when the Si necessary for the reaction bonding has already been added to the granules and does not have to be supplied from the outside to the granules during the siliconization.
  • the silicated granulate streams can easily be comminuted and then classified (eg, jaw crusher, sieve, air classifier, etc.) when the Si particles have been mixed into the granules ,
  • the obtained SiC bonded hard material particles may still be agglomerated after the siliconization. Therefore, they should usually be mechanically comminuted and then classified (e.g., jaw crusher, ball mill, sieve,
  • Air classifier, etc. By the measures described above, this goes without great abrasion and wear on the units.
  • excess Si can be partially or completely dissolved out with alkaline solutions (e.g., 20% NaOH) at room temperature or elevated temperatures in the range of 60 ° C to boiling point. This too can be used to separate the hard material particles.
  • alkaline solutions e.g., 20% NaOH
  • the resulting hard particles can be used as abrasives, but they can also be introduced as a hard material particles in other matrix materials and so novel with plastic, metal or ceramic gebun dene grinding wheels / discs are produced.
  • the SiC-bonded diamond hard material particles can be processed into grinding wheels, for example with a glass matrix or metal matrix.
  • the hard materials according to the invention have, in addition to the advantage of better grinding behavior, the advantage of greater thermal stability in comparison to pure diamond.
  • SiC bonded diamond hard material particles into a mat Rixwerkstoff can be done according to typical ceramic technologies. These hard material particles can also be added separately to a dried granulate before molding. However, they can also be supplied to the starting composition and then further processed with correspondingly common ceramic molding technologies, such as, for example, by granulation, pressing, slip casting, extrusion, injection molding, hot casting or by means of additive manufacturing processes.
  • the SiC bonded diamond hard material particles essentially consist of diamond and SiC, they have a different fracture behavior than pure diamond granules. Thereby, the grinding wheels, which can be formed with a fiction, contemporary granules, under certain conditions more effective than those formed with pure diamond.
  • the fracture behavior of the SiC bonded diamond hard material particles can be adjusted.
  • different diamond qualities can be set to also adjust the fracture behavior of the hard particles.
  • the bond between diamond particles and SiC can be adjusted.
  • diamond particles containing larger residuals of catalyst Fe, Ni
  • they can be internally reduced and, by varying the siliciding temperature between 1425 ° C and 1650 ° C, breaking the diamonds under application conditions controlled (higher temperatures lead to breaking under a lower load).
  • SiC bonded diamond hard particles of defined shape are advantageous.
  • the particles can be brought into any desired shape, preferably spherical, cylindrical, prismatic, pyramidal, in particular by extrusion or by casting prior to siliconizing.
  • the hard material particles can also be used as an additive to other materials to increase the stiffness, hardness or wear resistance who the. This can e.g. in metals as particle reinforcement or in other materials intended to have anti-burglary function (e.g., concrete) or to provide extremely durable rough surfaces, for example to prevent wet slides in safety-related areas.
  • an agglomerate formed with diamond particles can be enclosed with SiC.
  • an abrasive grain has a higher thermal stability or is much more stable when interacting with oxydic or metallic matrices. This improves the incorporation of hard particles in critical matrix materials, such as carbide, Al 2 0 3 , etc ..
  • inside hollow hard material particles can by application of a suspension, in addition to diamond particles also an organic binder is contained, on silicon particles with a particle size in the range 50 pm - 150 pm or the use of a suspension in addition to diamond particles, organic binder also in the thermal treatment decomposing powdered poly merer material, preferably polyurethane is included and subsequent thermal treatment in which a pyrolysis and a reactive formation of SiC takes place, are produced.
  • organic binder also in the thermal treatment decomposing powdered poly merer material, preferably polyurethane is included and subsequent thermal treatment in which a pyrolysis and a reactive formation of SiC takes place, are produced.
  • Polystyrene, polymethyl methacrylate, polyethylene or polypropylene or starch may also be added as a preferred polymeric material.
  • Polymeric material should have a medium
  • Particle size d 50 are added in the range 30 pm to 100 pm before thermal treatment and pyrolyzed during the thermal treatment. Also, this form of hard material particles has advantageous properties in an application for grinding processing, as well as the strength of the cohesive connection between diamond particles and in particular the SiC and optionally with the Si is reduced. As a result, an improved erosion of diamond particles during grinding can be achieved, which is beneficial because of the formation of new cutting.
  • the effect is similar to the use of reduced surface areas where cohesive connections have been formed, as already described.
  • Such components have a porosity in the range 10% to 40%, preferably between 10% and 30%, an average Po renificat between 10 pm - 100 pm, preferably between 20 pm - 50pm. They consist of 30% by volume - 65% by volume of diamond 70% by volume - 35% by volume of SiC and 1% by volume to 30% by volume of Si, preferably 40% by volume - 60 % By volume of diamond, 60% by volume
  • the diamond particles contained have an average particle size in the range from 5 ⁇ m to 500 ⁇ m, preferably in the range from 30 ⁇ m to 100 ⁇ m, particularly preferably > 50 pm - 200 pm.
  • a material formed with the SiC bonded diamond particles may contain, for example, 20 vol .-% - 50 vol .-% of at least one soft phase, which primarily wears at tribological or abrasive stress and thus creates pores in the material can with a mean particle size of 10 pm
  • a porosity can be considered as it can lead to the same result in the product.
  • this phase (s) (apart from diamond, SiC and Si) can be contained in one material.
  • the production of a component can also be carried out so that diamond particles with SiC, an organic binder and particles of an organic material, be preferentially powdered plastic as pore formers, in particular polystyrene, polymethyl methacrylate, polyurethane, polyethylene or polypropylene or starch preferably having an average particle size d 50 be mixed in the range 30 pm to 100 pm before the thermal treatment and formed by a molding process.
  • This shaped body is then subjected to a thermal treatment in an oxygen-free atmosphere in which a pyrolysis of the organic constituents takes place and in the pyrolysis of the organic binder formed in situ carbon deposits in a glassy form on surfaces of diamond particles.
  • a siliconization is carried out.
  • the carbon deposited on surfaces of diamond particles and the diamond by chemical reaction silicon carbide is formed, so that
  • the component material has a composition of 30% by volume - 65% by volume of diamond, 70% by volume - 35% by volume of SiC and 0 to 30% by volume of Si and a porosity in the range from 10% to 40% having.
  • Particles of an organic material, in particular powdered plastic should be te with a share in the range 20 vol .-% to 40 vol .-% who added the.
  • the starting material for the production of the components can be admixed with silica powder with a mean particle size d 50 between 20 pm and 100 pm before the shaping, the particle size of which is retained during the shaping and can thus be formed during the siliconization of pores. Otherwise, the same parameters and procedures can be selected in the manufacture of components, as they can be used for the production of hard material particles, which in particular features of claims 5 to 7, in part from claim 8 to 11 and 13 concerns.
  • the granules should preferably be subjected to a shaping process prior to siliconization prior to pyrolysis, e.g. Pressing, isostatic pressing, extruding or molding subjected to the who.
  • siliconization which leads to a three-dimensional Bin tion of diamond particles in a SiC matrix / scaffold, as in the above-described hard material particles within the particles.
  • the granules formed at least with diamond particles and organic binder can be silicon or silicide particles supplied in a number and size, which corresponds to the number of desired pores.
  • the pores or the faster-wearing particles replacing them can be generated as follows:
  • Pore formers organic particles such as PMMA, starch, polypropylene, polystyrene may be added which may pyrolyze and form dense surface layers during siliconization, which may cause the formation of a
  • the granules may be supplied with Si or silicide particles in a number and size corresponding to the number of pores. Capillary forces are then used to in situ infiltrate the workpiece during a heat treatment, preferably in a vacuum, and no Si need be added from the outside. the.
  • faster-wearing particles in the component material can be done according to typical ceramic technologies. These particles can be mixed in between the granulated diamond granules or hard material particles, for example dry, or the starting suspension can be added. This is followed by shaping and further processing by means of pyrolysis / siliconization.
  • SiC bonded diamond hard material particles according to the invention in the finished form with diamond particles and binder and then to shape these and then pyrolyzed according to and silicify accordingly.
  • the necessary Si can be supplied either from the outside, or even directly in the diamond particle binder mixture, suspension are introduced. In the latter case, the Si particle sizes should approximate the desired pore size.
  • excess Si can be partially or completely dissolved out with alkaline solutions (e.g., 20% NaOH) at room temperature or elevated temperatures (60 ° C - boiling temperature) so as to clear the pores.
  • alkaline solutions e.g., 20% NaOH
  • the SiC bound diamond granules and porous construction parts according to the invention may also be used in multiple layers on / in one component.
  • a substrate made of SSiC or SiSiC or also short or long fiber reinforced SiC ceramic to achieve a higher rigidity or better connection to tools, can thereby form a base on which hard material particles can be arranged and fixed.
  • SiC bonded hard particles or components can be advantageously used as abrasive grains, for the production of abrasive articles, with hard material particles Verstärkk th components for protection and applications for wear protection, as an abrasive, grinding pin or for protection and applications for wear protection.
  • the invention will be explained in more detail by way of examples.
  • FIG 1 in schematic form possibilities for the production of SiC bound diamond hard particles
  • Figure 2 in schematic form possibilities for producing a
  • a shaped body is made of a mixture consisting of diamond particles which have a glass-like carbon layer on their surface by means of pyrolyzed binder.
  • particles P of polyurethane are included as pore formers.
  • the state after a siliconization is shown.
  • the diamond particles are embedded in a matrix formed with reactively formed SiC.
  • islands of Si and pores are contained.
  • Si and the pores Po form quasi "predetermined breaking points", so that with a mechanical and / or tribological stress diamond particles break out together with SiC residues from the component material and can be achieved by adapting to abrasive or tribological requirements during use
  • the pores may serve as reservoirs for abrasion or cooling or additional abrasives.
  • example 1 For the production of diamond powder with an average particle size d 50 of 50 pm is granulated together with an organic binder.
  • the Diamantpul ver is thereby mixed aqueous or in a solvent with the organic Bin and agglomerated via a Granulationstechnologie (eg Sprühgranulie tion, fluidized bed granulation, build-up granulation, etc.).
  • the granules thus obtained have an average particle size of 500 pm.
  • the granules produced are then pyrolyzed under Ar atmosphere at 800 ° C, wherein the organic constituents of the binder are converted into a glasarti gene carbon.
  • This vitreous carbon acts as a binder phase between the diamond granules in the agglomerates or a bed thereof and reacts further to silicon carbide during the reactive silicon infiltration.
  • the siliconization is carried out under vacuum conditions at 1550 ° C as bulk material.
  • the carbon-coated diamond granules produced are mixed with a mixture of coarse silicon powder having an average particle size d 50 of about 200 ⁇ m and a further fine fraction of powdered silicon having an average particle size d 50 of 10 ⁇ m.
  • the fine fraction of the silicon powder acts primarily as a spacer to prevent bridge formation between the individual granules formed with crystallized silicon and SiC.
  • the SiC bonded diamond hard particles can be easily singled in the jaw crusher and then classified by sieving again.
  • a narrow grain band can be produced, for example with particle sizes between 450 pm and 550 pm.
  • the SiC bound diamond hard particles consist of diamond and reactively formed silicon carbide and residual silicon not reacting with silicon carbide.
  • a build-up granulation should be used.
  • diamond powder with an average particle size d 50 of 50 ⁇ m is dispersed with an organic binder in a suspension for the production.
  • a two-component agglomerate is obtained, wherein the suspension containing diamond particles during the granulation on coarse silicon particles with a average particle size d 50 of 100 miti sprayed during the granulation (fluidized bed granulation).
  • the granules obtained had an average particle size d 50 of 500 pm.
  • the granules thus prepared are then pyrolyzed under non-oxidizing atmosphere at 800 ° C, wherein the organic constituents of the binder Be are converted into a glassy carbon.
  • This glassy carbon acts as a binder phase between the diamond particles on the surfaces of which a coating of this glassy carbon has formed and this carbon reacts during the reak tive silicon infiltration on to silicon carbide.
  • the resulting granules are silicided from the inside out.
  • a further fine fraction of pulverförmi gem silicon having an average particle size of 10 pm, added to who.
  • the fine fraction of the silicon powder primarily acts as a spacer to prevent bridging between granules consisting of diamond, crystallized silicon and SiC.
  • silicization results in the formation of hollow granules from the inside.
  • the granules produced consist of diamond and reactive silicon silicon carbide and possibly, remaining unreacted silicon. They can be classified and applied after siliciding.
  • Residual adherent unreacted Si could be dissolved in 20% NaOH at 60 ° C. within 1 h with stirring.
  • porous diamond abrasive bodies is based on a diamond-containing suspension. In this will be a bimodal
  • Diamond particle size fraction consisting of mean particle sizes d 50 of 50 pm and 5 pm used. Furthermore, as a further solid material component is a silicon powder having an average particle size d 50 of 100 pm in the suspension. As a placeholder is a polystyrene powder with a average particle size d 50 used by 200 pm. The ratios of the solids diamond to silicon to polystyrene amount to 2 to 2 to 1 volume. As binder in the aqueous suspension comes an aqueous
  • the processing and shaping of the suspension takes place by slip casting.
  • the diamond-containing molding is pyrolyzed under non-oxidizing atmosphere at 800 ° C and then reaction-bonded under vacuum conditions at 1550 ° C.
  • the organic binder transforms into a glassy carbon with the outgassing of volatile constituents. This glassy carbon acts as a binder phase between the diamond particles in the agglomerates and reacts during the subsequent reactive
  • Silicon infiltration on to silicon carbide The polystyrene spacers are almost completely broken down into volatiles so that they are present as pores in an abrasive article formed with the granules.
  • the silicon present in the material melts and reacts with the existing carbon formed from the pyrolyzed organic binder and settles on diamond particle surfaces. This forms a porous diamond SiC-Si-containing composite material, which can be used as an abrasive body.
  • porous diamond abrasive bodies takes place on the basis of a diamond-containing suspension. This is a bimodal diamond particle size fraction with diamond particles of a middle
  • Particle size d 50 of 50 pm and 5 pm used. Furthermore, a silicon powder having an average particle size d 50 of 100 ⁇ m is in the suspension as the second solid component.
  • the mass ratios of the solids diamond to silicon are 2 to 1.
  • Polyvinyl acetate dispersion which crosslinks on drying used.
  • the Sus pension is further added a surfactant as a foaming agent.
  • the suspension is foamed by means of a high-speed stirrer and then poured into a non-sucking mold and freeze-dried net. After removal from the mold, the heat treatment steps follow.
  • the diamond-containing molded part is pyrolyzed under non-oxidizing atmosphere at 800 ° C and then reaction bonded under vacuum conditions at 1550 ° C.
  • the organic constituents of the binder transform under gasification of volatiles into a glassy carbon coated with the surfaces of the diamond particles who the.
  • the present silicon melts and reacts with the existing carbon of the pyrolyzed binder and the diamond particle surfaces. This forms a porous diamond SiC-Si-containing composite material.
  • porous diamond abrasive bodies is based on a diamond-containing granules.
  • the granules are agglomerated by conventional granulation technology (e.g., spray granulation, fluid bed granulation, granulation, etc.) and have an average size of 200 ⁇ m-1000 ⁇ m.
  • the produced granules include a
  • the granules are bound by an organic sugar-based binder in aqueous suspension.
  • the ratios of the solids diamond to silicon to polystyrene amount to 1 to 1 to 1 volume.
  • the granules produced are then formed by a pressing process (eg by isostatic pressing or uniaxial pressing) to a Formkör by. Subsequently, the pyrolysis takes place under non-oxidative atmosphere at 800 ° C. In this case, organic constituents of the bin are converted to a vitreous carbon with the outgassing of volatile constituents, with which surfaces of diamond particles are coated. The polystyrene particles as placeholders are almost completely split into volatile components, so that they are present as pores in the finished product. at In the following reaction bonding, the silicon present in the material melts and reacts with the existing carbon obtained from the pyrolyzed binder, and diamond particle surfaces are coated with silicon carbide. This forms a porous diamond SiC-Si-containing composite material.
  • a pressing process eg by isostatic pressing or uniaxial pressing

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Abstract

Die Erfindung betrifft SiC-gebundene Diamanthartstoffpartikel, poröses Bauteil, das mit SiC-gebundenen Diamantpartikeln gebildet ist, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung. Diamanthartstoffpartikel und Bauteile weisen eine Zusammensetzung von 30 Vol.-% - 65 Vol.-% Diamant, 70 Vol.-% - 35 Vol.-% SiC und 0 bis 30 Vol.-% Si auf und ein Bauteil weist eine Porosität im Bereich 10 % bis 40 %, auf.

Description

SiC-gebundene Diamanthartstoffpartikel, poröses Bauteil, das mit SiC- gebundenen Diamantpartikeln gebildet ist, Verfahren zu deren Herstellung sowie deren Verwendung Die Erfindung betrifft SiC-gebundene Diamanthartstoffpartikel, poröses Bau teil, das mit SiC-gebundenen Diamantpartikeln gebildet ist, Verfahren zu de ren Herstellung sowie deren Verwendung.
Üblicherweise werden die unterschiedlichsten Hartstoffpartikel allein oder in Form eines Granulates oder in einer Werkstoffmatrix eingebettet, für unter schiedlichste Anwendungen, insbesondere für eine spanende Bearbeitung in Form von Schleifen eingesetzt. U.a. werden als Hartstoffpartikel Diamantpar tikel eingesetzt, die bekanntermaßen eine sehr hohe Härte aufweisen. Dia mant allein kann aber bei verschiedenen Anwendungen Nachteile aufweisen, die beispielsweise bei Temperaturwechselbeanspruchungen oder dem Binde verhalten in einem Matrixwerkstoff nachteilig sein können. Außerdem können sich Diamantpartikel bei bestimmten Umgebungsbedingungen auch chemisch zersetzen oder aus einer Matrix oder einem Werkstoffverbund lösen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Granulate bzw. Bauteile zur Verfügung zu stellen, die gegenüber reinen aus Diamantpartikeln gebildetem Granulat ver besserte Eigenschaften aufweisen, die auf bestimmte Anwendungsgebiete angepasst werden können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit Hartstoffpartikeln, die die Merkmale des Anspruchs 1, einem Bauteil, das die Merkmale des Anspruchs 14 aufweist, gelöst. Anspruch 4 definiert ein Herstellungsverfahren für Hartstoffpartikel und Anspruch 16 für Bauteile. Anspruch 23 betrifft Verwendungen von Hart stoffpartikeln und Bauteilen. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildun gen können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Mit der Erfindung können superharte Schleifwerkstoffe aus SiC gebundenem Diamant zur Verfügung gestellt werden.
Die erfindungsgemäßen Hartstoffpartikel sind aus SiC gebundenem Diamant gebildet und können in Partikelgrößen zwischen 20 pm und 5 mm erhalten werden. Die Hartstoffpartikel sind mit 30 Vol.-% - 65 Vol.-% Diamant, 70 Vol.- % - 35 Vol.-% SiC und 0 Vol.-% bis 30 Vol.-% Si gebildet. Bevorzugt sind 40 Vol.- % - 60 Vol.-% Diamant 60 Vol.-% - 40 Vol.-% SiC und 2 Vol.-% bis 20 Vol.-% Si.
Die Partikelgrößenverteilung der Diamantpartikel kann multimodal sein, um die Packungsdichte von miteinander verbundenen Diamantpartikeln in Hart stoffpartikeln zu erhöhen.
Vorteilhaft ist eine feine Fraktion, die die 0,1- bis 0,3-fache der Größe des Durchmessers einer groben Diamantpartikelfraktion aufweist und einen Anteil von 5 Vol.-% - 50 Vol.-% der groben Partikelgrößenfraktion aufweist. Vorteil hafterweise sollten 5 Vol.-% - 30 Vol.-% der groben Partikelgrößenfraktion bei einer mehrmodalen Partikelgrößenfraktion eingesetzt sein.
Dabei sind Diamantpartikel an Oberflächenbereichen in einzelnen Hartstoff partikeln mit dem bei der thermischen Behandlung gebildeten SiC und Si stoffschlüssig miteinander verbunden.
Dabei müssen und vorteilhaft sollten nicht die gesamten Oberflächenbereiche von Diamantpartikeln mit dem reaktiv gebildeten SiC stoffschlüssig miteinan der verbunden sein. Dadurch lassen sich quasi Sollbruchstellen ausbilden, an denen es bei ausreichend hoher mechanischer Belastung zu einem Bruch kommen kann. So können beispielsweise bei einer Schleifbearbeitung Dia mantpartikel und/oder Bereiche an SiC aus dem stoffschlüssigen Verbund herausbrechen, was bei einer Schleifbearbeitung vorteilhaft auswirken kann.
Die mittlere Partikelgröße d50 von Diamantpartikeln im Werkstoff sollte im Bereich 5 pm bis 500 pm, bevorzugt 5 pm - 100 pm gehalten sein. Die Partikelgrößenverteilung der Diamantpartikel in einem Hartstoffpartikel kann multimodal sein, um die Packungsdichte zu erhöhen. Es können also mindes tens zwei unterschiedliche Partikelgrößenfraktionen eingesetzt werden.
Besonders vorteilhaft ist eine feine und eine gröbere Partikelgrößenfraktion an Diamantpartikeln, die feinere Partikelgrößenfraktion sollte die 0.1- bis 0.3- fache Größe des Durchmessers der groben Partikelgrößenfraktion aufweisen und mit einem Anteil von 5 Vol.-% - 50 Vol.-% der groben
Partikelgrößenfraktion in einem Hartstoffpartikel enthalten sein. Ganz beson ders vorteilhaft sind 5 Vol.-% - 30 Vol.-% der groben Partikelgrößenfraktion eingehalten.
Bei der Herstellung des Granulats wird so vorgegangen, dass eine Suspension, in der Diamantpartikel und ein organischer Binder enthalten sind, oder Dia mantpartikel die mit einer Suspension oder einer Dispersion, in der ein orga nischer Binder enthalten ist, eingesetzt werden. Bei dem Granulier- und Trocknungsprozess kommt es zu einer teilweisen oder vollständigen Beschich tung der Diamantkörner. Dadurch werden diese als Granulat zusammengehal ten.
Bei einer thermischen Behandlung in einer sauerstofffreien Atmosphäre er folgt eine Pyrolyse, bei der Bestandteile des organischen Binders thermisch zersetzt und sich bei der Pyrolyse aus dem organischen Binder in situ gebilde ter Kohlenstoff in glasartiger Form an Oberflächen von Diamantpartikeln ab- setzt.
Während dieser thermischen Behandlung oder bei einer nachfolgenden zwei ten thermischen Behandlung mit zugegebenem pulverförmigem Silicium wird eine Silicierung durchgeführt. Die Zugabe des pulverförmigen Siliciums kann vor der Silicierung erfolgen.
Mit dem an Oberflächen von Diamantpartikeln abgesetzten Kohlenstoff wird durch chemische Reaktion Siliciumcarbid gebildet, so dass Hartstoffpartikel, die mit 30 Vol.-% - 65 Vol.-% Diamant, 70 Vol.-% - 35 Vol.-% SiC und 0 bis 30 Vol.-% Si gebildet sind, erhalten werden.
Die erhaltenen Diamantgranulate sollten mit pulverförmigem Silicium und oder ggf. zusätzlich mit partikelförmigen Abstandshaltern so gemischt wer den, dass die Granulate nicht oder nur minimal zerstört werden und sie die Diamantpartikel zumindest bereichsweise separieren. Dies vereinfacht bzw. ermöglicht eine Vereinzelung der so erhaltenen SiC-gebundenen Diamant hartstoffpartikel ohne intensive Mahlung oder ähnliches, was zu starkem Ver schleiß an Aggregaten führen würde.
Der organische Binder und/oder seine Menge, mit der die Diamantpartikel beschichtet werden oder der in der Suspension enthalten ist, sollte so gewählt werden, dass der organische Binder als Kohlenstoffquelle mit einem Anteil zwischen 1,5 Masse-% bis 20 Masse-% in Bezug zu der Gesamtmasse an ein gesetzten Diamantpartikeln eingesetzt wird. Das für die Bindung der Dia mantpartikel genutzte SiC wird im Wesentlichen aus der chemischen Reaktion des bei der Pyrolyse freigesetzten Kohlenstoffs mit Silicium erhalten. Dadurch verbessern sich die Eigenschaften der so erhaltenen Hartstoffpartikel, wie folgt:
Erhöhte thermische Stabilität ,
- Gezielt einstellbares Bruchverhalten der Hartstoffpartikel, ( Wenn Di amanten, die größere Reste an Katalysator enthalten ( Fe, Ni) einge setzt werden, dann werden diese intern geschwächt und es kann durch die Variation der Siliciertemperatur zwischen 1425 °C und 1650°C, das Zerbrechen der Diamantpartikel unter Anwendungsbedin gungen gesteuert werden ( höhere Temperatur führen zum Brechen unter geringerer Last)
Durch Verlängerung der Haltezeit bei der Silicierung bei Temperaturen > 1525°C kann die Einbindung der Diamantpartikel in der SiC-Matrix beeinflusst werden. Längere Zeiten höhere Temperaturen führen zu schnellerem Ausbrechen der Diamantpartikel unter starker tribologischer Beanspruchung. Bei der Silicierung bei 1650 °C und 20 min Haltezeit bilden sich Grenzflächen aus nichtdiamantenem Kohlen stoff in einer Dicke von > 50 nm. Das führt dazu, dass die Diamantpar tikel freigesetzt werden, wenn die SiC Bindung partiell verschlissen ist. Bei Silicierung<= 1600 °C und Silicierzeiten von < 60 min gibt es eine feste Einbindung der Diamantpartikel, so dass es zu keinem Herausfal len der Diamantpartikel kommt, selbst wenn die harte SiC Bindung partiell verschlissen ist. Integrale Knoop-Härten von > 40-45 GPa kön nen für solche Hartstoffpartikel gemessen werden.
Die damit verbundene reduzierte Festigkeit der Verbindung zwischen den Diamantpartikeln und dem SiC sowie dem Si wirkt sich mitunter positiv bei einem Einsatz der Hartstoffpartikel bei einer schleifenden Bearbeitung aus.
Neben der Bindung mit dem reaktiv gebildeten SiC können die Diamantparti kel in Hartstoffpartikeln zusätzlich auch stoffschlüssig mit Si gebunden sein, das nicht reaktiv umgesetzt worden ist. Dieses freie Si ist aber typischer Weise durch eine nm bis pm dicke SiC-Schicht vom Diamant getrennt.
Vorteilhaft sollten maximal 90 %, besonders vorteilhaft sollten maximal 80 % der Oberflächen der Diamantpartikel stoffschlüssig mit SiC und Si verbunden sein. Dazu kann die zugegebene Menge und Art an organischem Binder sowie Silizium entsprechend gewählt werden. Der organische Binder bildet dabei die wesentliche Kohlenstoffquelle für die reaktive in situ Bildung des SiC. Daneben erfolgt eine oberflächliche Reaktion der Diamantpartikel mit dem Si während der Infiltrierung zu SiC. Dadurch wird die feste chemische Anbindung der Dia mantpartikel an das SiC gewährleistet. Durch den Kohlenstoff aus dem Binder wird der Anteil an reagierendem Diamant reduziert und dadurch können hö here Diamantanteile erreicht werden.
Durch die Reaktion erfolgt bevorzugt die Bildung von ß-SiC. Ein dem Granulat möglicher Weise zugemischtes SiC (meist das kostengünstige a- SiC ) kann auch in die gebildete SiC-Matrix-/Netzwerk mit eingebaut werden. Dies redu ziert aber die Dichte der Diamantpartikel, so dass es in der Regel keinen Vor teil bringt diese zuzumischen. Für spezielle Anwendungen insbesondere zur Reduktion des Preises könnte man aber a-SiC zugeben.
Die Herstellung der Hartstoffpartikel kann durch Granulierung mit minimalen Anteilen an organischem Binder- und Lösungsmittelgehalt mittels
Tellergranulator oder z.B. in einem Eirich-Mischer oder mittels Wirbelschicht oder Sprühgranulierung erfolgen. Es ist auch ein Verpressen des Granulats und dann nachfolgendes Zerkleinern möglich. Dabei können höhere
Diamantpartikeldichten erreicht werden.
Der organische Binder, der in inerter Atmosphäre bei 400 °C - 1400°C pyrolysiert wird, kann zu einem Gehalt an nichtdiamantenem Kohlenstoff von 1.5 Masse-% - 20 Masse-%, bezogen auf den Diamantgehalt im pyrolisierten Zustand führen.
Die Partikelgrößenverteilung der einzelnen silicierten Hartstoffpartikel kann mittels Klassierung/Zerkleinerung, z.B. durch Siebung verfeinert und den Be dürfnissen angepasst werden. Vor einer Klassifizierung kann eine mechani sche Vereinzelung, beispielsweise mit einem Backenbrecher durchgeführt werden.
Als organischer Binder, der bei der Erfindung eingesetzt werden kann, kann eine organische chemische Verbindung oder ein Gemisch sein, die ausgewählt ist aus Polyvinylakohol, -acetat, Polyethylenglycol, einem Zucker, Zellulose, und Phenolharzen. Der Begriff Binder steht hier als Sammelbegriff für die ge nutzten organischen Komponenten, da die Bindung zwischen den Diamant partikeln im granulierten Zustand die Hauptfunktion ist. Die organischen Komponenten können auch noch neben dem eigentlichen Binder,
Dispergatoren, Benetzungsmittel, Weichmacher (z.B. PEG), Entschäumer ent halten.
Hartstoffpartikel werden mit Silicium infiltriert. Dazu kann das Granulat mit Diamantpartikeln und dem organischen Binder gebildete Granulat vor oder bevorzugt nach der Pyrolyse bei der thermischen Behandlung mit Si Pulver einer mittleren Partikelgröße d50 im Bereich von 5 pm - 1000 pm, bevorzugt im Bereich 10 pm - 150 pm und bei diesem Bereich mit einem Volumen von 10 Vol.-% - 200 Vol.-% bevorzugt 20 Vol.-% - 100 Vol. % des Gehaltes an Dia mantpartikeln zugegeben und gemischt werden.
Bevorzugt sollte das Silicium-Pulver eine Partikelgröße, die zwischen 5 pm und der doppelten Partikelgröße der Granulen des mit Diamantpartikeln und dem organischen Binder gebildeten Granulates liegen, aufweisen, um genügend Abstand zwischen den einzelnen Granulen zu gewährleisten. Die Abstände sind für eine problemlose Zerkleinerung nach der Silicierung förderlich. Der Gehalt an Silicium sollte das 2-fache dessen, was notwendig ist um die reakti ve Bindung durchzuführen nicht überschreiten. Besser ist das 1,5-fache oder sogar nur das 1,1-fache.
Die Infiltration kann bei der thermischen Behandlung, bei der auch die Pyroly se durchgeführt wird, aber auch bei einer zweiten nachfolgend durchgeführ ten thermischen Behandlung durchgeführt werden. Bei der weiteren thermi schen Behandlung sollte eine maximale Temperatur von 1650 °C und beson ders bevorzugt sollten Vakuumbedingungen eingehalten werden.
Es kann auch grobes Silicium-Pulver genutzt werden. Zusätzlich sollte dann aber eine Partikelgrößenfraktion von feinem Silicium-Pulver im Bereich 5 pm - 20 pm mit einem Volumen von 10 Vol.-% - 30 Vol.-% des SiC-Diamantgranulats genutzt werden. Diese feinere Fraktion ermöglicht durch die übrigbleibenden porösen Oxid-/ SiC- Oberflächenschichten der ursprünglichen Si Körner die Möglichkeit der problemlosen Vereinzelung der SiC gebundenen Diamant hartstoffpartikel.
Um die SiC gebundenen Diamanthartstoffpartikel einfacher nach der
Silicierung vereinzeln zu können, können Komponenten vor der Silicierung oder Pyrolyse als Platzhalter zugemischt werden, die von Si schwer benetzbar sind, mit Si keine Legierung bilden und mit Si nicht reagieren. Solche chemi schen Elemente oder Verbindungen können zum Beschichten genutzt werden, um eine feste Verbindung (Verkleben)der Granulate miteinander zu minimie- ren. Dazu können chemische Elemente oder Verbindungen bevorzugt ausge wählt sein aus BN, Si3N4, AIN, Al203, Si02, Zr02 und einem Nitrid, Carbid der Übergangsmetalle, insbesondere der Gruppe 4 und 5 des Periodensystems (insbesondere von Ti, Zr, Hf, V, Nb).
Dieser Weg ist besonders effektiv, wenn das zur Reaktionsbindung notwendi ge Si dem Granulat schon zugefügt worden ist und nicht von außen dem Gra nulat während der Silicierung zugeführt werden muss.
Da um die Siliciumpartikel SiC bzw. SiC-Si02-Hüllen verbleiben können, können die silicierten Granulathaufen problemlos zerkleinert und dann klassiert wer den (z.B. Backenbrecher, Sieb, Windsichter, etc.), wenn die Si-Partikel in das Granulat gemischt worden sind.
Die erhaltenen SiC gebundenen Hartstoffpartikel können nach der Silicierung noch agglomeriert sein. Daher sollten sie in der Regel mechanisch zerkleinert und dann klassiert werden (z.B. Backenbrecher, Kugelmühle, Sieb,
Windsichter, etc.). Durch die oben beschriebenen Maßnahmen geht das auch ohne großen Abrieb und Verschleiß an den Aggregaten.
Zusätzlich kann überschüssiges Si mit alkalischen Lösungen (z.B. 20%-ige NaOH) bei Raumtemperatur oder erhöhten Temperaturen im Bereich 60 °C - bis zum Siedepunkt teilweise oder vollständig herausgelöst werden. Auch das kann zu einer Vereinzelung der Hartstoffpartikel genutzt werden.
Die erhaltenen Hartstoffpartikel können als Schleifmittel genutzt werden, sie können aber auch als Hartstoffpartikel in andere Matrixwerkstoffe einge bracht werden und so neuartige mit Kunststoff, Metall oder Keramik gebun dene Schleifkörper/-scheiben hergestellt werden.
Die SiC gebundenen Diamant-Hartstoffpartikel können zum Beispiel mit einer Glasmatrix oder auch Metallmatrix zu Schleifscheiben verarbeitet werden.
Die erfindungsgemäßen Hartstoffe haben neben dem Vorteil des besseren Schleifverhaltens auch den Vorteil größerer thermischer Stabilität im Ver gleich zu reinem Diamant.
Die Einbringung der SiC gebundenen Diamant-Hartstoffpartikel in einen Mat- rixwerkstoff kann entsprechend typischer keramischer Technologien erfolgen. Diese Hartstoffpartikel können auch separat einem getrocknetem Granulat vor der Formgebung zugemischt werden. Sie können aber auch der Ausgangs zusammensetzung zugeführt werden und dann mit entsprechend gängigen keramischen Formgebungstechnologien, wie z.B. durch Granulieren, Pressen, Schlickergießen, Extrudieren, Spritzgießen, Heißgießen oder mittels additiven Herstellungsverfahren weiterverarbeitet werden.
Da die SiC gebundenen Diamant-Hartstoffpartikel im Wesentlichen aus Dia mant und SiC bestehen, haben sie ein anderes Bruchverhalten als reine Dia mantgranulate. Dadurch sind die Schleifscheiben, die mit einem erfindungs gemäßen Granulat gebildet werden können, unter bestimmten Bedingungen effektiver als die mit reinem Diamant gebildeten.
Das Bruchverhalten der SiC gebundenen Diamant-Hartstoffpartikel kann ein gestellt werden. Zusätzlich können unterschiedliche Diamantqualitäten einge setzt werden, um ebenfalls das Bruchverhalten der Hartstoffpartikel einstellen zu können.
Mittels thermischer Behandlung kann die Bindung zwischen Diamantpartikeln und SiC eingestellt werden. Wenn Diamantpartikel, die größere Reste an Kata lysator enthalten ( Fe, Ni) eingesetzt werden, dann können diese intern ge schwächt werden und es kann durch die Variation der Siliciertemperatur zwi schen 1425 °C und 1650 °C, das Zerbrechen der Diamanten unter Anwen dungsbedingungen gesteuert werden (höhere Temperaturen führen zum Brechen unter geringerer Last).
Durch Verlängerung der Haltezeit bei der Silicierung bei Temperaturen > 1550 °C kann die Einbindung der Diamantpartikel in der SiC-Matrix beeinflusst wer den. Längere Zeiten und höhere Temperaturen führen zu schnellerem Aus brechen der Diamantpartikel unter starker tribologischer Beanspruchung. Bei einer Silicierung bei 1650 °C und 20 min Haltezeit können sich Grenzflächen aus nichtdiamantenem Kohlenstoff in einer Dicke von > 50 nm bilden. Das führt dazu, dass die Diamantpartikel freigesetzt werden, wenn die SiC- Bindung partiell verschlissen ist. Bei Silicierung <= 1600 °C und Silicierzeiten von < 60 min gibt es eine feste Einbindung der Diamantpartikel, so dass es zu keinem Herausfallen der Diamantpartikel kommen kann, selbst wenn die SiC- Bindung partiell verschlissen ist. Integrale Knoop-Härten von > 40 GPa - 45 GPa können für solche Hartstoffpartikel gemessen werden.
Für bestimmte Schleifanwendungen sind SiC gebundenen Diamant- Hartstoff partikel definierter Form von Vorteil. Mittels keramischer Formge bungsverfahren, wie insbesondere Extrusion oder Gießverfahren oder Pres sen, können die Partikel vor dem Silicieren in jede gewünschte Form, bevor zugt kugelförmig, zylindrisch, prismatisch, pyramidal insbesondere durch Ex trusion oder durch Gießverfahren gebracht werden.
Die Hartstoffpartikel können auch als Zuschlagstoff zu anderen Werkstoffen zur Erhöhung der Steifigkeit, Härte oder Verschleißfestigkeit verwendet wer den. Dies kann z.B. in Metallen als Partikel Verstärkung oder in anderen Werk stoffen, die einbruchshemmende Funktion haben sollen (z.B. Beton) oder um extrem langlebige raue Oberflächen zu schaffen, um zum Beispiel Rutschen bei Nässe in sicherheitsrelevanten Bereichen zu verhindern, genutzt werden.
Durch die Silicierung kann ein mit Diamantpartikeln gebildetes Agglomerat mit SiC umschlossen werden. Dadurch besitzt ein Schleifkorn eine höhere thermi sche Stabilität bzw. ist es sehr viel stabiler bei der Wechselwirkung mit oxydi- schen oder metallischen Matrizes. Das verbessert den Einbau der Hartstoff partikel in kritische Matrixwerkstoffe, wie z.B. Hartmetall, Al203, etc..
Innen hohle Hartstoffpartikel können durch Aufbringen einer Suspension, in der neben Diamantpartikeln auch ein organischer Binder enthalten ist, auf Siliciumpartikel mit einer Partikelgröße im Bereich 50 pm - 150 pm oder dem Einsatz einer Suspension in der neben Diamantpartikeln, organischem Binder auch sich bei der thermischen Behandlung zersetzender pulverförmiger poly merer Werkstoff, bevorzugt Polyurethan enthalten ist und anschließender thermischer Behandlung bei der eine Pyrolyse und eine reaktive Bildung von SiC erfolgt, hergestellt werden. Als polymerer Werkstoff kann auch Polystyrol, Polymethylmethacrylat, Polyethylen oder Polypropylen oder Stärke bevorzugt zugegeben werden. Polymerer Werkstoff sollte mit einer mittleren
Partikelgröße d50 im Bereich 30 pm bis 100 pm vor der thermischen Behand lung zugegeben und bei der thermischen Behandlung pyrolisiert werden. Auch diese Form von Hartstoffpartikeln weist vorteilhafte Eigenschaften bei einem Einsatz zur schleifenden Bearbeitung auf, da auch damit die Festigkeit der stoffschlüssigen Verbindung zwischen Diamantpartikeln und insbesondere dem SiC sowie ggf. mit dem Si reduziert ist. Dadurch kann ein verbessertes Ausbrechen von Diamantpartikeln während der Schleifbearbeitung erreicht werden, was sich günstig wegen der Ausbildung neuer Schneiden auswirkt.
Der Effekt ist ähnlich, wie bei der Nutzung reduzierter Oberflächenbereiche an denen stoffschlüssige Verbindungen ausgebildet worden sind, wie dies bereits beschrieben worden ist.
Aus SiC gebundenem Diamant können aber auch direkt Schleifscheiben als poröse Bauteile hergestellt werden. Solche Bauteile weisen eine Porosität im Bereich 10 % bis 40 %, bevorzugt zwischen 10 % und 30%, eine mittlere Po rengröße zwischen 10 pm - 100 pm, bevorzugt zwischen 20 pm - 50pm auf. Sie bestehen aus 30 Vol.-% - 65 Vol.-% Diamant 70 Vol.-% - 35 Vol.-% SiC und 1 Vol.-% bis 30 Vol.-% Si, bevorzugt aus 40 Vol.-% - 60 Vol.-% Diamant, 60 Vol.-%
- 40 Vol.-% SiC und 2 Vol.-% bis 20 Vol.-% Si, und die enthaltenen Diamantpar tikel weisen eine mittlere Partikelgröße im Bereich 5 pm bis 500 pm, bevor zugt im Bereich 30 pm - 100 pm, besonders bevorzugt > 50 pm - 200 pm auf.
Ein mit dem SiC gebundenen Diamantpartikeln gebildeter Werkstoff kann bei spielsweise 20 Vol.-% - 50 Vol.-% mindestens einer weichen Phase enthalten, die bei tribologischer oder abrasiver Belastung primär verschleißt und damit Poren im Werkstoff schafft, kann mit einer mittleren Partikelgröße von 10 pm
- 50 pm, bevorzugt 15 pm - 30 pm bzw. 10 pm - 20 pm von Hartstoffpartikeln gebildet sein. Diese Ausführung ist insbesondere für Schleifscheiben aus SiC gebundenem Diamant vorteilhaft.
Diese weiche(n) Phase(n), die eine geringere mechanische Festigkeit im Ver gleich zu den Diamantpartikeln und dem SiC aufweist/-weisen, kann/können nichtdiamantener Kohlenstoff, BN, Si3N4, welche auch angesintert sein kön nen, Al203, oder Übergangstonerde, dichten oder porösen Glaskugeln, hoch schmelzendem Silicid oder Borid (z.B. TiSi2, MoSi2, WSi2, TiB2,W2B5, WB2, Zr02)mit verschiedensten Dotierungen, mindestens einem anderen hoch schmelzendem Oxid oder Silikat (z.B. MgO, Talk,...), mindestens einem Über- gangsmetallcarbid oder Oxicarbid oder auch Nitrid oder Borid insbesondere der Gruppe 4 und 5 des Periodensystems (insbesondere von Ti, Zr, Hf, V, Nb) sein. Als Phase in diesem Sinne kann auch eine Porosität aufgefasst werden, da sie zum gleichen Ergebnis im Produkt führen kann.
Vorzugsweise können 20 Vol.-% - 30 Vol.-% dieser Phase(n) (neben Diamant; SiC und Si) in einem Werkstoff enthalten sein. .
Die Herstellung eines Bauteils kann auch so erfolgen, dass Diamantpartikel mit SiC, einem organischen Binder und mit Partikeln eines organischen Stoffs, be vorzugt pulverförmigem Kunststoff als Porenbildner, insbesondere Polystyrol, Polymethylmethacrylat, Polyurethan, Polyethylen oder Polypropylen oder Stärke bevorzugt mit einer mittleren Partikelgröße d50 im Bereich 30 pm bis 100 pm vor der thermischen Behandlung vermischt und über einen Formge bungsprozess geformt werden. Dieser Formkörper wird dann einer thermi schen Behandlung in einer sauerstofffreien Atmosphäre unterzogen, bei der eine Pyrolyse der organischen Bestandteile erfolgt und sich bei der Pyrolyse aus dem organischen Binder in situ gebildeter Kohlenstoff in glasartiger Form an Oberflächen von Diamantpartikeln absetzt. Während dieser thermischen Behandlung oder bei einer nachfolgenden zweiten thermischen Behandlung mit von außen zugeführtem bevorzugt pulverförmigem-Silicium wird eine Silicierung durchgeführt. Dabei wird mit dem an Oberflächen von Diamantpar tikeln abgesetzten Kohlenstoff und dem Diamant durch chemische Reaktion Siliciumcarbid gebildet, so dass
der Bauteilwerkstoff eine Zusammensetzung von 30 Vol.-% - 65 Vol.-% Dia mant, 70 Vol.-% - 35 Vol.-% SiC und 0 bis 30 Vol.-% Si und eine Porosität im Bereich 10 % - 40 % aufweist.
Partikel eines organischen Stoffs, insbesondere pulverförmiger Kunststoff soll te dabei mit einem Anteil im Bereich 20 Vol.-% bis 40 Vol.-% zugegeben wer den.
Dem Ausgangswerkstoff für die Herstellung der Bauteile kann Silicumpulver mit einer mittleren Partikelgröße d50 zwischen 20 pm - 100 pm vor der Form gebung zugemischt werden, dessen Partikelgröße während der Formgebung erhalten bleibt und sich damit während der Silicierung Poren bilden lassen. Ansonsten können bei der Herstellung von Bauteilen die gleichen Parameter und Vorgehensweisen gewählt werden, wie sie auch für die Herstellung von Hartstoffpartikeln eingesetzt werden können, was insbesondere Merkmale der Ansprüche 5 bis 7, teilweise von Anspruch 8 bis 11 und 13 betrifft.
Um Schleifscheiben herzustellen, sollte das Granulat vor der Silicierung bevor zugt auch vor der Pyrolyse einem Formgebungsprozess, wie z.B. Pressen, isostatisches Pressen, Extrudieren oder Gießformgebung unterworfen wer den. Danach erfolgt dann die Silicierung, die zu einer dreidimensionalen Bin dung der Diamantpartikel in eine SiC-Matrix/-Gerüst führt, so wie in den oben beschriebenen Hartstoffpartikeln innerhalb der Partikel. Die Einbringung der Porenbildner oder der weichen Phase, die bei tribologischer oder abrasiver Belastung primär verschleißt und damit Poren im Werkstoff schafft, in einen Matrixwerkstoff, kann entsprechend typischer keramischer Technologien er folgen. Diese können auch separat einem getrockneten Granulat vor dem Pressen zugemischt werden.
Dem zumindest mit Diamantpartikeln und organischem Binder gebildeten Granulat können Silicium- oder Silicid-Partikel in einer Anzahl und Größe zuge führt werden, die der Anzahl der gewünschten Poren entspricht. Durch Kapil larkräfte kann dann während einer Wärmebehandlung, bevorzugt im Vakuum eine ln-situ Infiltration des Werkstoffs erfolgen und es muss kein Silicium von außen zugefügt werden.
Die Poren bzw. die sie ersetzenden schneller verschleißenden Partikel können wie folgt generiert werden:
1) Es können Porenbildner (organische Partikel, wie z.B. PMMA, Stärke, Polypropylen, Polystyrol) zugeführt werden, die pyrolysieren und während der Silicierung dichte Oberflächenschichten bilden können, welche die
Siliciuminfiltration verhindern oder für das Si schlecht benetzende Oberflä chen, wie z.B. BN oder Si02 bilden.
2) dem Granulat können Si- oder Silicid-Partikel in einer Anzahl und Größe zugeführt werden, die der Anzahl der Poren entspricht. Durch Kapillarkräfte erfolgt dann während einer Wärmebehandlung bevorzugt im Vakuum eine ln- situ Infiltration des Werkstücks und es muss kein Si von außen zugefügt wer- den.
3) Die Einbringung von schneller verschleißenden Partikeln, in den Bauteil werkstoff kann entsprechend typischer keramischer Technologien erfolgen. Diese Partikel können zwischen das granulierte Diamantgranulat bzw. Hart stoffpartikel zum Beispiel trocken untergemischt werden oder auch der Aus gangssuspension zugemischt werden. Danach erfolgen die Formgebung und die Weiterverarbeitung mittels Pyrolyse / Silicierung.
4) Es ist auch möglich die erfindungsgemäßen SiC gebundenen Diamant Hart stoffpartikel in der fertigen Form mit Diamantpartikeln und Binder zu mischen und dann diese zu formen und dann entsprechend zu pyrolysieren und zu silicieren. Das dafür notwendige Si kann sowohl von außen zugeführt werden, oder auch direkt in das Diamantpartikel-Binder-Gemisch, Suspension einge bracht werden. In letzterem Fall sollten die Si-Partikelgrößen ungefähr der erwünschten Porengröße entsprechen.
Zusätzlich kann überschüssiges Si mit alkalischen Lösungen (z.B. 20%-iger NaOH) bei Raumtemperatur oder erhöhten Temperaturen (60 °C - Siedetem peratur) teilweise oder vollständig herausgelöst werden, um so die Poren frei zu machen.
Auf gleiche Weise kann die Porosität von SiC-gebundenen Hartstoffpartikeln erreicht werden.
Die erfindungsgemäßen SiC gebundenen Diamatgranulate und porösen Bau teile können auch mehrlagig an/in einem Bauteil eingesetzt sein. Ein Substrat aus SSiC oder SiSiC oder auch kurz oder langfaserverstärkter SiC Keramik um eine höhere Steifigkeit oder bessere Anbindung an Werkzeuge zu erreichen, kann dabei eine Unterlage bilden, auf der Hartstoffpartikel angeordnet und fixiert werden können.
SiC gebundene Hartstoffpartikel oder Bauteile können vorteilhaft als Schleif körner, für die Herstellung von Schleifkörpern, mit Hartstoffpartikeln verstärk ten Komponenten für Schutz und Anwendungen zum Verschleißschutz, als Schleifkörper, Schleifstift oder zum Schutz und Anwendungen zum Ver schleißschutz verwendet werden. Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
Figur 1 in schematischer Form Möglichkeiten zur Herstellung von SiC gebundenen Diamanthartstoffpartikeln und
Figur 2 in schematischer Form Möglichkeiten zur Herstellung eines
Bauteils.
In der linken Darstellung von Figur 1 sind die Granulate, bestehend aus Dia mantpartikeln und einem pyrolysierten Binder (dicke schwarze Umrandung der Diamanten) dargestellt. Sie werden vom Si und Abstandshaltern S sepa riert. Das ist der Zustand vor der Silicierung und reaktiven Bildung von SiC.
Bei der Silicierung bildet sich aus dem pulverförmigen Si und glasartigem Koh lenstoff, der bei einer Pyrolyse an Oberflächen von Diamantpartikeln gebildet worden ist und partiell aus Diamant eine SiC-Matrix in der die Diamantpartikel eingebunden sind. Auch nach der Silicierung sind sie durch die Platzhalter se pariert und daher einfach zu vereinzeln.
In der linken Darstellung von Figur 2 ist ein Formkörper aus einer Mischung bestehend aus Diamantpartikeln, die an ihrer Oberfläche mittels pyrolisiertem Binder eine glasartige Kohlenstoffschicht aufweisen. Zusätzlich sind Partikel P aus Polyurethan als Porenbildner enthalten.
In der rechten Darstellung von Figur 2 ist der Zustand nach einer Silicierung gezeigt. Die Diamantpartikel sind in einer Matrix, die mit reaktiv gebildetem SiC gebildet ist, eingebettet. In der Matrix sind Inseln aus Si und Poren Po ent halten. Si und die Poren Po bilden quasi„Sollbruchstellen", so dass bei einer mechanischen und/oder tribologischen Beanspruchung Diamantpartikel auch gemeinsam mit SiC-Resten aus dem Bauteilwerkstoff herausbrechen und da durch eine Anpassung an abrasive oder tribologische Erfordernisse während der Nutzung erreicht werden kann. Gleichzeitig können die Poren als Reser voir für Abrieb oder Kühl oder zusätzliche Schleifmittel dienen.
Beispiel 1 Zur Herstellung wird Diamantpulver mit einer mittleren Partikelgröße d50 von 50 pm gemeinsam mit einem organischen Binder granuliert. Das Diamantpul ver wird dabei wässrig bzw. in einem Lösungsmittel mit dem organischen Bin der gemischt und über eine Granulierungstechnologie (z.B. Sprühgranulie rung, Wirbelschichtgranulierung, Aufbaugranulierung, etc.) agglomeriert. Das so erhaltene Granulat hat dabei eine mittlere Partikelgröße von 500 pm. Die hergestellten Granulate werden anschließend unter Ar-Atmosphäre bei 800 °C pyrolysiert, wobei die organischen Bestandteile des Binders in einen glasarti gen Kohlenstoff umgesetzt werden. Dieser glasartige Kohlenstoff fungiert als Bindephase zwischen den Diamantgranulat in den Agglomeraten oder einer Schüttung davon und reagiert während der reaktiven Siliciuminfiltration wei ter zu Siliciumcarbid. Die Silicierung wird unter Vakuumbedingungen bei 1550 °C als Schüttgut durchgeführt. Hierzu werden die hergestellten mit Kohlen stoff beschichteten Diamantgranulate mit einer Mischung aus grobem Siliciumpulver mit einer mittleren Partikelgröße d50 von ca. 200 pm und einer weiteren feinen Fraktion von pulverförmigem Silicium mit einer mittleren Partikelgröße d50 von 10 pm gemischt. Dabei wirkt die feine Fraktion des Siliciumpulvers primär als Abstandshalter um eine Brückenbildung zwischen den einzelnen Granulat, die mit kristallisiertem Silicium und SiC gebildet sind, zu verhindern. Dadurch können die SiC gebundenen Diamanthartstoffpartikel einfach im Backenbrecher vereinzelt werden und dann durch Siebung noch mals klassiert werden. Dadurch kann ein enges Körnungsband, z.B. mit Partikelgrößen zwischen 450 pm und 550 pm hergestellt werden.
Die SiC gebundene Diamanthartstoffpartikel bestehen aus Diamant und reak tiv gebildetem Siliciumcarbid und restlichem nicht zu Siliciumcarbid reagier tem Silicium.
Beispiel 2
Zu Herstellung von Hohlkugelgranulat soll eine Aufbaugranulierung genutzt werden. Dazu wird zur Herstellung Diamantpulver mit einer mittleren Partikelgröße d50 von 50 pm mit einem organischen Binder in einer Suspensi on dispergiert. Im Folgenden wird mittels Aufbaugranulierung ein Zwei- Komponenten Agglomerat erhalten, wobei die Diamantpartikel enthaltende Suspension während der Granulierung auf grobe Siliciumpartikel mit einer mittleren Partikelgröße d50 von 100 miti während der Granulierung aufge sprüht wird (Wirbelschichtgranulierung).
Die erhaltenen Granulen wiesen dabei eine mittlere Partikelgröße d50 von 500 pm auf. Die so hergestellten Granulen werden anschließend unter nicht- oxidierender Atmosphäre bei 800 °C pyrolysiert, wobei die organischen Be standteile des Binders in einen glasartigen Kohlenstoff umgesetzt werden. Dieser glasartige Kohlenstoff fungiert als Bindephase zwischen den Diamant partikeln an deren Oberflächen sich eine Beschichtung aus diesem glasartigen Kohlenstoff ausgebildet hat und dieser Kohlenstoff reagiert während der reak tiven Siliciuminfiltration weiter zu Siliciumcarbid.
Während der abschließenden Wärmebehandlung unter Vakuumbedingungen bei 1550 °C wird das so erhaltene Granulat von innen heraus siliciert. Zur Un terstützung der Silicierung kann eine weitere feine Fraktion an pulverförmi gem Silicium mit einer mittleren Partikelgröße von 10 pm, hinzugegeben wer den. Dabei wirkt die feine Fraktion des Siliciumpulvers primär als Abstandshal- terum eine Brückenbildung zwischen Granulen, die aus Diamant, kristallisier tem Silicium und SiC bestehen, zu verhindern.
Aufgrund der eingesetzten Technologie der Aufbaugranulierung kommt es durch die Silicierung von innen heraus zur Ausbildung von hohlem Granulat. Die hergestellten Granulate, bestehen dabei aus Diamant und reaktiv gebilde tem Siliciumcarbid und evtl, restlichem nicht reagierten Silicium. Sie können nach der Silicierung klassiert und angewendet werden.
Restliches anhaftendes nicht reagiertes Si konnte in 20 %-iger NaOH bei 60 °C innerhalb 1 h unter rühren aufgelöst werden.
Beispiel 3
Die Herstellung von porösen Diamantschleifkörpern erfolgt auf der Grundlage einer diamanthaltigen Suspension. In dieser wird eine bimodale
Diamantpartikelgrößenfraktion, bestehend aus mittleren Partikelgrößen d50 von 50 pm und 5 pm, verwendet. Des Weiteren befindet sich als weitere Fest stoffkomponente ein Siliciumpulver mit einer mittleren Partikelgröße d50 von 100 pm in der Suspension. Als Platzhalter wird ein Polystyrolpulver mit einer mittleren Partikelgröße d50 von 200 pm verwendet. Die Verhältnisse der Fest stoffe Diamant zu Silicium zu Polystyrol betragen 2 zu 2 zu 1 Volumenanteile. Als Bindemittel in der wässrigen Suspension kommt eine wässrige
Polyvinylacetat-Dispersion, die beim Trocknen vernetzt, zum Einsatz.
Die Verarbeitung und Formgebung der Suspension erfolgt durch Schlickerguss. Während der abschließenden Wärmebehandlung wird das diamanthaltige Formteil unter nicht-oxidierender Atmosphäre bei 800°C pyrolysiert und an schließend unter Vakuumbedingungen bei 1550°C reaktionsgebunden. Bei der Pyrolyse wandelt sich der organische Binder unter Ausgasung flüchtiger Be standteile in einen glasartigen Kohlenstoff um. Dieser glasartige Kohlenstoff fungiert als Bindephase zwischen den Diamantpartikeln in den Agglomeraten und reagiert während der nachfolgend durchgeführten reaktiven
Siliciuminfiltration weiter zu Siliciumcarbid. Die Polystyrol-Platzhalter werden fast vollständig in flüchtige Bestandteile aufgespalten, so dass diese als Poren in einem mit dem Granulat gebildeten Schleifkörper vorliegen. Bei der Reakti onsbindung schmilzt das im Werkstoff vorliegende Silicium auf und reagiert mit dem vorhandenen Kohlenstoff, der aus dem pyrolysierten organischen Binder gebildet worden ist, und setzt sich an Diamantpartikeloberflächen ab. Dabei bildet sich ein poröser Diamant-SiC-Si-haltiger Werkstoffverbund aus, der als Schleifkörper genutzt werden kann.
Beispiel 4
Die Herstellung von porösen Diamantschleifkörpern erfolgt dabei auf der Grundlage einer diamanthaltigen Suspension. In dieser wird eine bimodale Diamantpartikelgrößenfrakton mit Diamantpartikeln einer mittleren
Partikelgröße d50 von 50 pm und 5 pm, verwendet. Des Weiteren befindet sich als zweite Feststoffkomponente ein Siliciumpulver mit einer mittleren Partikelgröße d50 von 100 pm in der Suspension. Die Massenverhältnisse der Feststoffe Diamant zu Silicium betragen 2 zu 1.
Als organisches Bindemittel in der wässrigen Suspension kommt eine
Polyvinylacetat-Dispersion, die beim Trocknen vernetzt, zum Einsatz. Der Sus pension wird weiterhin ein Tensid als Schäumungsmittel zugesetzt. Die Suspension wird mittels eines schnell laufenden Rührwerks aufgeschäumt und anschließend in eine nichtsaugende Form vergossen und gefriergetrock net. Nach der Entformung schließen sich die Wärmebehandlungsschritte an. Dabei wird das diamanthaltige Formteil unter nicht-oxidierender Atmosphäre bei 800°C pyrolysiert und anschließend unter Vakuumbedingungen bei 1550°C reaktionsgebunden. Bei der Pyrolyse wandeln sich die organischen Bestand teile des Binders unter Ausgasung flüchtiger Bestandteile in einen glasartigen Kohlenstoff um, mit dem Oberflächen der Diamantpartikel beschichtet wer den. Bei der Reaktionsbindung während der Wärmebehandlung schmilzt das vorliegende Silicium auf und reagiert mit dem vorhandenen Kohlenstoff des pyrolysierten Binders und den Diamantpartikeloberflächen. Dabei bildet sich ein poröser Diamant-SiC-Si-haltiger Werkstoffverbund aus.
Beispiel 5
Die Herstellung von porösen Diamantschleifkörpern erfolgt auf der Grundlage eines diamanthaltigen Granulates. Das Granulat wird über eine übliche Granu lierungstechnologie (z.B. Sprühgranulierung, Wirbelschichtgranulierung, Auf baugranulierung, etc.) agglomeriert und besitzt eine mittlere Größe von 200 pm - 1000 pm. Die hergestellten Granulate beinhalten eine
Diamantpartikelgrößenfraktion mit einer mittleren Partikelgröße d50 von 50 pm, eine Siliciumpartikelgrößenfraktion mit einer mittleren Partikelgröße d50 von 50 pm sowie eine Partikelgrößenfraktion eines Polystyrolpulvers mit einer mittleren Partikelgröße d50 von 100 pm. Das Granulat wird durch einen orga nischen Binder auf Zuckerbasis in wässriger Suspension gebunden. Die Ver hältnisse der Feststoffe Diamant zu Silicium zu Polystyrol betragen 1 zu 1 zu 1 Volumenanteile.
Die hergestellten Granulate werden anschließend durch einen Pressvorgang (z.B. durch isostatisches Pressen oder uniaxiales Pressen) zu einem Formkör per geformt. Anschließend erfolgt unter nicht-oxydativer Atmosphäre bei 800°C die Pyrolyse. Bei dieser wandeln sich organische Bestandteile des Bin ders unter Ausgasung flüchtiger Bestandteile in einen glasartigen Kohlenstoff um, mit dem Oberflächen von Diamantpartikeln beschichtet werden. Die Polystyrolpartikel als Platzhalter werden fast vollständig in flüchtige Bestand teile aufgespalten, so dass diese als Poren im fertigen Produkt vorliegen. Bei der folgenden Reaktionsbindung schmilzt das im Werkstoff vorliegende Sili cium auf und reagiert mit dem vorhandenen Kohlenstoff, der aus dem pyrolysierten Binder erhalten worden ist, und Diamantpartikeloberflächen werden mit Siliciumcarbid beschichtet. Dabei bildet sich ein poröser Diamant- SiC-Si-haltiger Werkstoffverbund aus.

Claims

Patentansprüche
1. SiC gebundene Diamanthartstoffpartikel, die eine Zusammensetzung von 30 Vol.-% - 65 Vol.-% Diamant, 70 Vol.-% - 35 Vol.-% SiC und 0 bis 30 Vol.-% Si aufweisen, und Diamantpartikel in einzelnen Hartstoffpar tikeln mit dem bei der thermischen Behandlung gebildeten SiC und Si stoffschlüssig miteinander verbunden sind und eine Partikelgröße im Bereich 50 pm - 5000 pm, bevorzugt < 2000 pm noch mehr bevorzugt < 1000 pm aufweisen.
2. SiC gebundene Diamanthartstoffpartikel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittlere Partikelgröße d50 von Diamantpar tikeln in den Hartstoffpartikeln im Bereich 5 pm bis 500 pm eingehal ten ist.
3. SiC gebundene Diamanthartstoffpartikel nach einem der vorhergehen den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass maximal 90 % der Ober fläche der Diamantpartikel stoffschlüssig mit SiC verbunden sind.
4. Verfahren zur Herstellung von SiC-gebundenen Diamanthartstoffparti- keln nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, dass Diamantpartikel mit einem organischen Binder versetzt und über einen Trocknungs- und Granulierprozess zu Granulat geformt werden, einer thermischen Behandlung in einer sauerstofffreien Atmosphäre unterzogen werden, bei der eine Pyrolyse der organischen Bestandtei le erfolgt und sich bei der Pyrolyse aus dem organischen Binder in situ gebildeter Kohlenstoff in glasartiger Form an Oberflächen von Dia mantpartikeln absetzt und während dieser thermischen Behandlung oder bei einer nachfolgen den zweiten thermischen Behandlung mit zugemischtem pulverförmi- gen Silicium und partikelförmigen Platzhaltern (S) eine Silicierung durchgeführt und dabei mit dem an Oberflächen von Diamantpartikeln abgesetzten Koh lenstoff und/oder mit den Diamantpartikeln durch chemische Reaktion Siliciumcarbid gebildet wird, so dass die Hartstoffpartikel gebildet werden, wobei
Diamantpartikel in den einzelnen Hartstoffpartikeln mit dem bei der thermischen Behandlung reaktiv gebildeten SiC und dem Silicium stoff schlüssig so miteinander verbunden werden, dass die geformten Gra nulate mittels des zugegebenen Siliciums und/oder den Platzhaltern (S) an ihrer Oberfläche überwiegend oder vollständig separiert oder in einem Abstand zueinander gehalten sind.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für Platz halter (S) chemische Elemente oder Verbindungen eingesetzt werden, die von Si schwer benetzbar sind, mit Si keine Legierung bilden und/oder mit Si nicht reagieren werden, um eine feste Verbindung der Granulate miteinander zu minimieren, wobei diese chemischen Ele mente oder Verbindungen bevorzugt ausgewählt sind aus hexagona lem BN, Si3N4, AIN, Al203, Si02, Zr02 und einem Nitrid, Carbid der Übergangsmetalle, insbesondere der Gruppe 4 und 5 des Periodensys tems.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der organische Binder und seine Menge so gewählt sind, dass der organi sche Binder als Kohlenstoffquelle mit einem Anteil zwischen 1,5 Mas- se-% bis 20 Masse-% in Bezug zu der Gesamtmasse an eingesetzten Di amantpartikeln eingesetzt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass Diamantpartikel in mindestens zwei unterschiedlichen
Partikelgrößenfraktionen, bevorzugt einer groben und einer feinen Partikelgrößenfraktion, besonders bevorzugt einer feinen
Partikelgrößenfraktion, die die 0,1- bis 0,3-fache Größe des Durchmes sers der groben Partikelgrößenfraktion aufweist und einen Anteil von 5 V o\.-% - 50 Vol.-% der groben Partikelgrößenfraktion aufweist, einge setzt werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass den granulierten Partikeln vor der Silicierung Siliciumpulver mit einer mittleren Partikelgröße d50 im Bereich von 5 pm - 1000 pm, be vorzugt im Bereich 10 pm - 150 pm und bei diesem Bereich mit einem Volumen von 10 Vol.-% - 200 Vol.-%, bevorzugt 60 Vol.-% - 160 Vol.-% des Gehaltes an Diamantpartikeln zugegeben wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Hartstoffpartikel mit mindestens einer weiteren Phase gebil det werden, die bevorzugt ausgewählt ist aus B4C, TiC und TiB2.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Diamantpartikel mit einer mittleren Partikelgröße von 10 pm - 50 pm, bevorzugt 15 pm - 30 pm oder besonders bevorzugt 10 pm - 20 pm eingesetzt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeich net, dass die Hartstoffpartikel in eine definierte Form, bevorzugt kugel förmig, zylindrisch, prismatisch, pyramidal insbesondere durch Extrusi on oder durch Gießverfahren gebracht werden.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 11, dadurch gekennzeich net, dass die Einbindung der Diamantpartikel und/oder ein mögliches teilweise Ausbrechen der Diamantpartikel in/aus einer mit dem reaktiv gebildeten SiC und Si gebildete Matrix während einer mechanischen/ tribologischen Beanspruchung, durch die maximale Temperatur bei der Silicierung und die Reinheit der verwendeten Diamantpartikel be einflusst wird/werden.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeich net, dass innen hohle Hartstoffpartikel durch Aufbringen einer Suspen sion, in der neben Diamantpartikeln auch ein organischer Binder ent halten ist, auf Siliciumpartikel mit einer Partikelgröße im Bereich 50 pm - 150 pm oder durch Zumischung von Partikeln eines sich bei der thermischen Be handlung zersetzenden pulverförmigen organischen Stoffs, bevorzugt Polymethylmethacrylat, Polyurethan, Polyethylen oder Polypropylen oder Stärke und
anschließender thermischer Behandlung bei der eine Pyrolyse, das Mi schen mit Si-Pulver und der Abstandshalter (S) und eine reaktive Bil dung von SiC erfolgt, hergestellt werden; wobei der Anteil an zugege benem pulverförmigen Silicium Volumen von 10 Vol.-% - 200 Vol.-%, bevorzugt 60 Vol.-% - 160 Vol.-% des Gehaltes an Diamantpartikeln zu gegeben wird.
14. Poröses Bauteil aus mit SiC gebundenen Diamantpartikeln gebildet ist, und das Bauteil eine Porosität im Bereich 10 % bis 40 %, bevorzugt zwischen 10 % und 30%,
eine mittlere Porengröße zwischen 10 pm - 100 pm, bevorzugt zwi schen 20 pm - 50 pm aufweist und
aus 30 Vol.-% - 65 Vol.-% Diamant, 70 Vol.-% - 35 Vol.-% SiC und 0 Vol.- % bis 30 Vol.-% Si, bevorzugt aus 40 Vol.-% - 60 Vol.-% Diamant, 60 Vol.-% - 40 Vol.-% SiC und 2 Vol.-% bis 20 Vol.-% Si besteht, und die enthaltenen Diamantpartikel eine mittlere Partikelgröße im Bereich 5 pm bis 500 pm, bevorzugt im Bereich 30 pm - 100 pm, besonders be vorzugt > 50 pm - 200 pm aufweisen.
15. Bauteil nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Phase mit Platzhalterfunktion, die bei tribologischer oder abrasiver Belastung primär verschleißt und damit Poren im Werkstoff bildet, enthalten ist, wobei die weitere Phase(n) mit nichtdiamante nem Kohlenstoff, Si3N4, das auch angesintert sein kann, Al203 oder Übergangstonerde, dichten oder porösen Glaskugeln, hochschmelzen dem Silicid oder Borid, insbesondere TiSi2 MoSi2, WSi2, TiB2,W2B5, WB2 oder Zr02 mit verschiedensten Dotierungen, mindestens einem ande ren hochschmelzenden Oxid oder Silikat, insbesondere MgO oder Talk, mindestens einem Übergangsmetallcarbid, Oxicarbid, Nitrid oder Borid ausgebildet wird/werden.
16. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass
Diamantpartikel mit SiC, einem organischen Binder und Partikeln eines organischen Stoffs, bevorzugt mit pulverförmigem Kunststoff als Po renbildner, insbesondere Polystyrol, Polyemthylmethacrylat, Polyure than, Polyethylen oder Polypropylen oder Stärke bevorzugt mit einer mittleren Partikelgröße d50 im Bereich 30 pm bis 100 pm vor der ther mischen Behandlung vermischt_und über einen Formgebungsprozess geformt werden, dann
einer thermischen Behandlung in einer sauerstofffreien Atmosphäre unterzogen werden, bei der eine Pyrolyse der organischen Bestandtei le erfolgt und sich bei der Pyrolyse aus dem organischen Binder in situ gebildeter Kohlenstoff in glasartiger Form an Oberflächen von Dia mantpartikeln absetzt und während dieser thermischen Behandlung oder bei einer nachfolgen den zweiten thermischen Behandlung mit von außen zugeführtem Sili cium eine Silicierung durchgeführt und dabei mit dem an Oberflächen von Diamantpartikeln abgesetzten Koh lenstoff und dem Diamant durch chemische Reaktion Siliciumcarbid gebildet wird, so dass
der Bauteilwerkstoff eine Zusammensetzung von 30 Vol.-% - 65 Vol.-% Diamant, 70 Vol.-% - 35 Vol.-% SiC und 0 bis 30 Vol.-% Si und eine Po rosität im Bereich 10 % - 40 % aufweist.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der orga nische Binder und seine Menge so gewählt sind, dass der organische Binder als Kohlenstoffquelle mit einem Anteil zwischen 1,5 Masse-% bis 20 Masse-% in Bezug zu der Gesamtmasse an eingesetzten Dia mantpartikeln eingesetzt wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekenn zeichnet, dass Diamantpartikel in mindestens zwei unterschiedlichen Partikelgrößenfraktionen, bevorzugt einer groben und einer feinen Partikelgrößenfraktion, besonders bevorzugt einer feinen
Partikelgrößenfraktion, die die 0,1- bis 0,3-fache Größe des Durchmes sers der groben Partikelgrößenfraktion aufweist und einen Anteil von 5 Vol.-% - 50 Vol.-% der groben Partikelgrößenfraktion aufweist, einge setzt werden.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeich net, dass Partikel eines organischen Stoffs, bevorzugt pulverförmiger Kunststoff, insbesondere Polystyrol, Polymethylmethacrylat, Polyure than, Polyethylen oder Polypropylen oder Stärke mit einem Anteil im Bereich 20 Vol.-% bis 40 Vol.-% zugegeben wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, dadurch gekennzeich net, dass eine weitere Phase(n) mit nichtdiamantenem Kohlenstoff, B4C, TiC und TiB2, Si3N4, das auch angesintert sein kann, Al203 oder Übergangstonerde, dichten oder porösen Glaskugeln, hochschmelzen dem Silicid oder Borid, insbesondere TiSi2 MoSi2, WSi2, TiB2,W2B5, WB2 oder Zr02 mit verschiedensten Dotierungen, mindestens einem ande ren hochschmelzenden Oxid oder Silikat, insbesondere MgO oder Talk, mindestens einem Übergangsmetallcarbid, Oxicarbid, Nitrid oder Borid vor der Formgebung homogen zugemischt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 20, dadurch gekennzeich net, dass die Einbindung der Diamantpartikel und/oder ein mögliches teilweise Ausbrechen der Diamantpartikel in/aus einer mit dem reaktiv gebildeten SiC und Si gebildete Matrix während einer mechanischen/ tribologischen Beanspruchung, durch die maximale Temperatur bei der Silicierung und die Reinheit der verwendeten Diamantpartikel be einflusst wird/werden.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 21, dadurch gekennzeich net, dass dem Ausgangswerkstoff Siliciumpulver mit einer mittleren Partikelgröße d50 zwischen 20 pm - 100 pm vor der Formgebung zu gemischt wird, dessen Partikelgröße während der Formgebung erhal ten bleibt und sich damit während der Silicierung Poren bilden.
23. Verwendung von SiC gebundenen Hartstoffpartikeln nach einem der Ansprüche 1 bis 4 oder Bauteilen nach einem der Ansprüche 14 bis 15 als Schleifkörner, für die Herstellung von Schleifkörpern, mit Hartstoff partikeln verstärkten Komponenten für Verschleißschutz und Ver- schleißschutzanwendungen, als Schleifkörper, Schleifstift oder zum
Schutz und Verschleißanwendungen.
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