NO148592B - Formet, polykrystallinsk legeme av en masse av krystaller av diamant og/eller kubisk bornitrid som er forbundet med hverandre ved hjelp av et bindemiddel av siliciumcarbid og elementaert silicium, og fremgangsmaate ved fremst. derav - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et formet, polykrystallinsk legeme som utgjøres av en masse av diamant og/eller krystaller av kubisk bornitrid bundet til hverandre ved hjelp av et medium som utgjøres av siliciumcarbid og elementært silicium, og en fremgangsmåte ved fremstilling derav.

For utførelsen av den foreliggende fremgangsmåte anvendes et delvakuum, dvs. trykk vesentlig lavere enn de høye trykk som kreves for det stabile område av diamant eller kubisk bornitrid.

Det foreliggende polykrystallinske legeme eller produkt kan fremstilles med en rekke forskjellige former og størrelser. Det kan anvendes som slipemiddel, skjæreverktøy, munnstykker eller andre slitasjefaste deler.

Oppfinnelsen angår et formet, polykrystallinsk legeme av en masse

av krystaller av diamant og/eller kubisk bornitrid som er for-

bundet med hverandre ved hjelp av et bindemiddel av siliciumcarbid og elementært silicium, hvor volumet av hvert av siliciumcarbidet og siliciumet er minst 1 volum% av det polykrystallinske legeme, krystallene har en størrelse fra området under l^um og opp til 2000yUm, volumet av krystallene ligger innen området fra 1 volum%

opp til, men under, 80 volum% av legemet, bindemidlet er tilstede i en mengde av opp til 99 volum% av legemet og er jevnt fordelt gjennom legemet, den del av bindemidlet som befinner seg i kontakt med overflaten av krystallene, utgjøres av siliciumcarbid, og legemet er porefritt eller inneholder porer opp til, men under, 5

volum% av legemet, og det polykrystallinske legeme er særpreget ved at det er blitt fremstilt ved infiltrering av smeltet silicium i krystaller som er overtrukket av carbon som ikke er diamant, under anvendelse av et delvakuum av 1,33-26664 Pa.

Oppfinnelsen angår også en fremgangsmåte ved fremstilling

av et polykrystallinsk legeme med på forhånd bestemt form og stør-relse, og fremgangsmåten er særpreget ved at det tilveiebringes en jevn blanding av krystaller av diamant og/eller kubisk bor-

nitrid og et carbonholdig materiale, hvor ingen av krystallenes

overflater er vesentlig eksponert og hvor minst 90 volum% av krystallene er omhyllet av et sammenhengende belegg av det car-•bonholdige materiale på krystallene og skilt fra hverandre, idet det carbonholdige materiale er fra gruppen elementært carbon som ikke er diamant, et organisk materiale som spaltes fullstendig ved en temperatur under 1400°C til elementært carbon som'ikké

er diamant, og til gassformige produkter, og blandinger derav,

og idet det organiske materiale foreligger i en mengde som er tilstrekkelig til ved spaltning på krystalloverflåtene som det dekker, å danne et seimmenhengende belegg av elementært carbon som ikke er diamant, en form tilveiebringes med et hulrom med den ønskede størrelse og form, og dessuten en anordning for å inn-føre flytende silicium i hulrommet og dessuten en anordning for å opprettholde et delvakuum i hulrommet som fylles med blandingen av krystaller og carbonholdig materiale slik at blandingen omsluttes i hulrommet som tilknyttes til en siliciummasse, hvorefter det dannede system utsettes for et delvakuum av l,33-26664Pa slik at restgassene ikke utøver noen vesentlig uheldig virkning på systemet som oppvarmes under delvakuumet til en temperatur over 1400°C slik at siliciumet blir flytende og temperaturen ikke utøver noen vesentlig uheldig virkning på krystallene, og det flytende silicium bringes til å infiltrere den omsluttede blanding, idet det anvendes et delvakuum som er til-

strekkelig til fra den omsluttede blanding å fjerne gass som blokkerer infiltreringen av det flytende silicium som bringes til å reagere med det elementære carbon som ikke er diamant, under dannelse av siliciumcarbid, hvorefter den erholdte infiltrerte masse av krystaller avkjøles i en atmosfære som ikke ut-øver noen vesentlig uheldig virkning på massen, og det erholdte polykrystallinske legeme med på forhånd bestemt form og størrelse utvinnes, hvori krystallene er bundet sammen yed hjelp av et bindemiddel som utgjøres av siliciumcarbid og elementært silicium, og hvori de bundne krystaller er tilstede i en.mengde fra 1 volum% og opp til, men under, 80 volum% av det samlede volum av legemet som er porefritt eller som inneholder porer i en mengde av opp til, men under, 5 volum% av legemet.

Det foreliggende, formede, polykrystallinske legeme er produktet av et likeformet presset produkt, hvor krystallene i produktet ikke er vesentlig forskjellige fra krystallene i det pressede produkt.

Oppfinnelsen vil bli nærmere beskrevet under henvisning

til tegningene, hvorav

Fig. 1 viser et snitt gjennom et apparat som er egnet for anvendelse ved utførelse av en foretrukken utførelsesform av den foreliggende fremgangsmåte, og Fig. 2 er et mikrofotografi (forstørrelse 200 X) av en polert seksjon av et polykrystallinsk diamantlegeme fremstilt ved den foreliggende fremgangsmåte og med et diamantinnhold, dvs. volum, av ca. 55 volum% av legemet. Nærmere bestemt vises på Fig. 2 nesten alle diamantkrystaller i det minste omhyllet av en kontinuerlig fase som utgjøres av siliciumcarbid. Den mest lysfarvede fase ifølge Fig. 2 er elementært silicium og synes å være i det vesentlige omgitt av siliciumcarbidfasen, dvs. at en side av siliciumcarbidfasen omhyller diamantkrystallene, mens den motsatte side av silciumcarbidfasen befinner seg i kontakt med fasen av elementært silicium.

De ved den foreliggende fremgangsmåte anvendte diamantkrystaller kan være naturlige eller syntetiske. Diamant- og/eller kubisk bornitridkrystaller kan ifølge oppfinnelsen ha en største dimensjon som kan variere i størrelse fra under l^,um og opp til

2000^,um, i alminnelighet opp til lOOO^um. Den spesielt anvendte størrelse eller de spesielt anvendte størrelser er i sterk grad avhengig av den spesielle sammenpakning eller densitet for de ønskede krystaller og også av det erholdte legeme. For de fleste slitasjeanvendelser foretrekkes krystaller som ikke er større enn 60^,um. For å oppnå en maksimal sammenpakning av krystallene bør. de fortrinnsvis være størrelsessortert slik at de omfatter et størrelsesområde, dvs. små, middels store og store krystaller. De størrelsessorterte krystaller har fortrinnsvis en størrelse som varierer fra lyUm til 60^um, og fortrinnsvis innen dette størrelsesområdet tilhører 60-80 volum% av den samlede krystallmasse den større størrelsesandel av dette område, 5-10 volum% er av middels størrelse, og resten utgjøres av de små krystaller eller partikler.

Størrelsessorteringen av krystallene lettes ved å nedmale større krystaller i en strålemølle. Krystallene blir fortrinnsvis kjemisk renset for å fjerne eventuelle'oxyder eller andre for-urensninger fra overflaten av krystallene før de anvendes for den foreliggende fremgangsmåte. Dette kan gjøres ved å oppvarme krystallene i hydrogen i ca. 1 time ved ca. 900°C.

Det foreliggende carbonholdige materiale er elementært carbon som ikke er diamant, et organisk materiale eller blandinger derav. Det foreliggende organiske materiale spaltes fullstendig ved forhøyet temperatur under 14 00°C og som regel fullstendig ved en temperatur av 50-1200°C under dannelse av elementært carbon

som ikke er diamant, og et gassformig spaltningsprodukt.

Som typiske eksempler på det organiske materiale som kan anvendes for den foreliggende fremgangsmåte kan nevnes polymerer av aromatiske hydrocarboner, som polyfenylen eller polymethyl-fenylen, og derivater av flerkjernede aromatiske hydrocarboner som forekommer i kulltjære, som dibenzanthracen eller chrysen. Ytterligere eksempler på anvendbare organiske materialer er epoxyharpiksene, som reaksjonsproduktet mellom epiklorhydrin og bisfenol-A. Ytterligere eksempler på anvendbare organiske materialer er fenoliske harpikser erholdt ved kondensasjon av fenpl eller substituerte fenoler med aldehyder som formaldehyd, acetaldehyd eller furfural. Spesielle eksempler på slike materialer er kondensasjonsproduktene av fenol-formaldehyd, resorcinol-formaldehyd, anilin-formaldehyd eller cresol-formaldehyd.

Ved.utførelsen av den foreliggende fremgangsmåte blandes krystallmassen som skal anvendes for fremstilling av det foreliggende polykrystallinske legeme med på forhånd bestemt størrelse og form, med det carbonholdige materiale for dannelse av en jevn eller i

det minste en i det vesentlige jevn blanding hvori ingen av krystallenes overflater er eksponert eller hvori i det minste ingen av krystallenes overflater er eksponert i noen vesentlig grad. Dessuten er i det minste en vesentlig mengde, dvs. minst 90 volum%, av krystallene i blandingen omhyllet og skilt fra hverandre ved i det minste et sammenhengende belegg av det carbonholdige materiale. Den overflate av krystallene som ikke er belagt med carbonholdig materiale, er ikke eksponert, men befinner seg i direkte kontakt med overflaten av en annen krystall.

En rekke forskjellige metoder kan anvendes for fremstilling av blandingen av krystaller og carbonholdige materialer og for å forme den erholdte blanding til den form og de dimensjoner som er ønskede for sluttproduktet. Således kan det elementære carbon som ikke er diamant avsettes på krystallene ved pyrolytisk spaltning av en carbonholdig gass, som methan. Nærmere bestemt kan krystallene anbringes i en ovn med en ikke-oxyderende atmosfære, som hydrogen, nitrogen eller en inert gass som argon. Et råmateriale for elementært carbon som ikke er diamant, som naturgass eller methan, tilføres til ovnen, og krystallene oppvarmes til en temperatur som er tilstrekkelig til at methanet vil spaltes, som regel ca. 1200°C, hvorved et pyrolytisk dannet carbon avsettes på krystallene. Betegnelsen "elementært carbon som ikke er diamant" er ment å omfatte alle former for elementært carbon som ikke er diamant, omfattende grafitt.

Det for utførelsen av den foreliggende fremgangsmåte anvendte organiske materiale er fast eller flytende ved værelsetemperatur og utøver ingen vesentlig uheldig virkning på krystallene. Dersom det organiske materiale er et fast materiale, bør det være tilstrekkelig myknet eller fortrinnsvis oppløst i et egnet oppløs-ningsmiddel for dannelse av en oppløsning, før det blandes med krystallene for fremstilling av en jevn blanding. Det organiske materiale kan blandes med krystallene ved hjelp av en rekke forskjellige metoder som omfatter omrøring av krystallene med det organiske materiale. Om ønsket kan blandingen derefter behandles, f.eks. utsettes for et vakuum eller for varme, for å fjerne eventuelt tilstedeværende oppløsningsmiddel og oppvarmes ytterligere for å spalte det- organiske materiale under dannelse in situ av elementært carbon som ikke er diamant. Imidlertid formes fortrinnsvis den våte, føyelige eller plastiske blanding til den ønskede form og de ønskede dimensjoner for sluttproduktet, og den erholdte formede blanding behandles om nødvendig for å bevare dens form og dimensjoner og for å gi en tilstrekkelig mekanisk styrke for håndtering. Således kan et herde- eller tverrbindingsmiddel tilsettes til det organiske materiale og det erholdte herdbare organiske materiale blandes med krystallene, formes til den form og de dimensjoner som er ønskede for sluttproduktet, og herdes tilstrekkelig for å bevare denne form. Formingen av den våte, føyelige eller plastiske blanding kan utføres ved hjelp av en rekke forskjellige metoder, f.eks.

i en forbigående form eller i den form som skal motta det flytende silicium.

En form med et. fprmhulrom med ønsket form og størrelse anvendes. Formen bør være laget av et materiale som ikke utøver noen vesentlig, uheldig virkning på den foreliggende fremgangsmåte eller det foreliggende produkt. Den er fortrinnsvis laget av grafitt og kan fortrinnsvis maskinbehandles til den størrelse og den form som er ønsket for sluttproduktet. Formens formhulrom kan også være forsynt, foret eller presset med et materiale som er i det vesentlige inert under den foreliggende fremgangsmåte og overfor det foreliggende produkt, som hexagonalt bornitridpulver som kan anvendes for fremstilling av sluttproduktet med den ønskede form og størrelse. Et skillemiddel, som en film av hexagonalt bornitridpulver, sprøytes fortrinnsvis på et materiale, som grafitt, for å muliggjøre en ren adskillelse av sluttproduktet fra formen..

Formen er forsynt med en anordning for å innføre flytende silicium i formhulrommet. En slik anordning kan f.eks. utgjøres av hull som er ført gjennom formveggen og som er åpne mot formhulrommet og mot formens utside. Disse infiltreringshull er fortrinnsvis anordnet ved toppen eller i den øvre del av formen, slik at strømmen av flytende silicium inn i hulrommet finner sted under innvirkning av tyngdekraften. Disse hull kan variere i antall og diameter og er sterkt avhengige av det ønskede omfang av innføringen av flytende; silicium for at dette skal. komme i kontakt med den avgrensede blanding.

Antallet av anvendte infiltreringshull er ikke av avgjørende betydning, men med et økende antall infiltreringshull kan siliciumet innføres hurtigere i kontakt med den avgrensede blanding i formen slik at den samlede infiltreringstid blir kortere. På den annen side bør infiltreringshullene ikke anvendes i et så stort antall eller med en så stor diameter at det flytende silicium som skal innføres i formhulrommet, vil bli innført i et slikt omfang at siliciumet vil omgi den avgrensede blanding da gass derved vil oppfanges i den avgrensede blanding og hindre infiltrering av det flytende silicium gjennom hele den avgrensede blanding. Infiltreringen av det flytende silicium bør finne sted gjennom hele den avgrensede blanding og henimot, en enkel utvendig overflate

eller et enkelt utvendig punkt av den avgrensede blanding med .

et tilstrekkelig areal til at gasslommer i den avgrensede blanding vil kunne fjernes på grunn av delvakuumet, slik at .siliciumet vil kunne infiltrere gjennom hele den avgrensede blanding. Infiltreringen av det flytende silicium gjennom hele den avgrensede blanding finner sted på grunn av kapillærvirkning.

Infiltreringshullene har i alminnelighet en diameter av 0,25-3,18 mm, og hull som er større gir ingen vesentlig fordel. På grunn a v elementært siliciums overflatespenning som hindrer det fra å passere gjennom slike små hull, er hullene forsynt med en veke, fortrinnsvis av elementært carbon som ikke er diamant, som gjør at det flytende silicium vil passere gjennom hullene og inn i formhulrommet. Jo mindre hullene er, desto mindre sannsynlig er det at et overskudd av elementært Si/SiC-materiale vil efterlates på det ferdige produkt. Vanligvis vil et eventuelt overskudd av Si/SiC-materiale på overflaten av det ferdige produkt foreligge som en knast eller kule som kan slipes, maskineres bort eller poleres bort på vanlig måte.

Blandingen av krystaller og carbonholdig materiale bør fylle formens formhulrom for fremstilling av sluttproduktet med ønsket form og ønskede dimensjoner da det ikke finner sted noen forandring eller noen vesentlig forandring i det volum som blandingen inntar og det volum som sluttproduktet inntar. Formen, dvs. det fylte formhulrom, blir derefter stengt. Utluftingsanordninger i formen og som fortrinnsvis er anordnet ved formens bunndel, anvendes for å evakuere formhulrommet og for å opprettholde det ønskede delvakuum i dette. Den fylte form bringes i forbindelse med en masse av elementært silicium som fortrinnsvis er anbragt over formen.

På Fig. 1 er vist et tverrsnitt gjennom et apparat 10 som anvendes for utførelse av en foretrukken utførelsesform av den foreliggende fremgangsmåte. Apparatet omfatter en bæreramme il som ikke er av metall, men som fortrinnsvis er laget av grafitt og som kan maskinbehandles for oppnåelse av den ønskede utformning. En form 12 og et formhulrom 13 er forsynt méd en ikke-metallisk kob-ling '19/ fortrinnsvis av grafitt, som er ført gjennom formhulrommet 13 og som har en gjenget ende for derved å holde formen stengt under infiltreringen av silicium. Blandingen av carbonholdig materiale og krystaller 14 fyller formhulrommet 13 som omgir koblingen 19. Hull 15 og 16 er forsynt med veker 17 og 18 som gjør at silicium 20 i flytende form vil strømme inn i formhulrommet 13 for å infiltrere hele blandingen 14. Luftehull 21

og 22 er anordnet for at gass skal slippé ut fra formhulrommet 13 og derfra ut gjennom luftehullet 23. Luftehullene 21, 22 og 2 3 anvendes for å opprettholde det nødvendige delvakuum i formhulrommet 13. Koblingen 19 efterlater et hull med lignende diameter i det ferdige produkt som har form at et hjul med en skarp kant og som kan anvendes som slipeskive.

Apparatet 10 anbringes i en ovn og settes under et delvakuum hvori de gjenværende gasser ikke vil utøve noen vesentlig uheldig virkning på apparatet. Nærmere bestemt holdes ovnskammeret under det delvakuum som også opprettholdes i apparatet, dvs. at den avgrensede blanding i formhulrommet i formen og den tilknyttede masse av elementært silicium befinner seg under et delvakuum. Dette bør være i det minste tilstrekkelig til å fjerne lommer av gass som kan være oppfanget i den avgrensede blanding og som vil blokkere det infiltrerende flytende silicium slik at porer vil dannes i sluttproduktet. Et slikt delvakuum vil Variere

fra 1,33 pa til 26664 Pa, som regel fra 1,33 Pa til 13332 Pa,

for å sikre at gass som er oppfanget i den avgrensede blanding vil fjernes.

Vanligvis og av praktiske grunner vil den anvendte ovn være en carbonovn, dvs. en ovn som er blitt fremstilt fra elementært carbon som ikke er diamant. En slik ovn virker som en oppfangnings-anordning for oxygen fra atmosfæren og reagerer med oxygen under dannelse av CO eller CO^ og gir derved en ikke-oxyderende atmosfære, dvs. at restgassene ikke vil ha noen vesentlig uheldig innvirkning på krystallene eller det infiltrerende silicium. Den foreliggende infiltrering kan ikke utføres i luft fordi diamant grafitiseres hurtig i luft ved en temperatur over 800°C og fordi det flytende silicium vil oxyderes under dannelse av fast siliciumdioxyd før noen vesentlig infiltrering av silicium i den avgrensede blanding har funnet sted. Dersom en carbonovn ikke anvendes, foretrekkes det at et oppfangningsmateriale for oxygen er tilstede i ovnskammeret, som elementa;rt carbon som ikke er diamant, for å sikre at en ikke-oxyderende atmosfære opprettholdes. En slik ikke-oxyderende atmosfære eller en atmosfære som ikke" utøver noen vesentlig uheldig virkning på apparatet i ovnen, kan også tilveiebringes ved hjelp av et tilstrekkelig høyt delvakuum, dvs.

1,33 - 2666 Pa.

Den avgrensede blanding og siliciumet oppvarmes til infiltrer-ingstemperaturen som er over 1400°C. Dersom det carbonholdige materiale er et organisk materiale, vil dette spaltes fullstendig ved en temperatur under 1400°C under dannelse av elementært carbon som ikke er diamant, og et gassformig spaltningsprodukt.

Den i formen avgrensede masse eller blanding som infiltreres av siliciumet, består .av krystaller dvs. av diamant

kubisk bornitrid eller blandinger derav, og av elementært carbon som ikke ér diamant.

Det elementære carbon som ikke er diamant, i blandingen som

er avgrenset i formen, må være i det minste litt porøst for at siliciumet skal kunne infiltrere dette. Det elementære carbon som ikke er diamant, kan nærmere bestemt ha en varierende porøsitet,

men dets densitet bør ikke være høyere enn 0,96 g/cm^. Dersom det elementære carfbon som ikke er diamant-har en densitet som er over 0,96 g/cm 3, vil flytende elementært silicium ikke kunne trenge inn i dette, eller dersom det likevel skulle trenge inn i et slikt elementært carbon som ikke er diamant og med en slik høy densitet, vil det erholdte legeme blåses opp og utsettes for forkastning.

Den maksimale porøsitet for det elementære carbon som ikke er diamant, er den porøsitet som vil gjøre at formen for den i formen avgrensede blanding vil opprettholdes slik at ingen av krystallets overflater vil bli vesentlig eksponert. Den maksimale porøsitet for det elementære carbon som ikke er diamant, vil i alminnelighet være ca. 50 yolum% av det samlede volum av det elementære carbon som ikke er diamant og som er tilstede i den formede blanding som er avgrenset i formen.

Porene i blandingen som er avgrenset i formen og som i det vesentlige, består av krystallene og av elementært carbon som ikke er diamant, bør være jevnt fordelt eller i det minste i det vesentlige jevnt fordelt gjennom hele blandingen for. å hindre dannelse av for store lommer av elementært silicium som kan senke det erholdte polykrystallinske produkts mekaniske egenskaper og derved begrense dets anvendelse. Porene kan variere i størrelse og-kan i alminnelighet ha en størrelse opp til 2000^um, men de er fortrinnsvis ikke større en størrelsen av de anvendte krystaller. For oppnåelse av de beste resultater har porene en størrelse under l^um.

Porøsiteten for den formede blanding av krystaller og elementært carbon som ikke er diamant kan bestemmes ved hjelp av en rekke forskjellige vanlige metoder.

Den foreliggende infiltrering utføres ved en temperatur over 1400°C ved hvilken silicium blir flytende og som ikke ut-øver noen vesentlig uheldig innvirkning på krystallene. For krystaller av kubisk bornitrid er infiltreringstemperaturer som er vesentlig høyere enn ca. 1450°C ikke anvendbare da slike høye temperaturer lett vil forårsake omvandling til hexagonalt bornitrid. For diamantkrystaller gir temperaturer over 1550°C ingen vesentlig fordel. Med "en temperatur ved hvilken silicium blir flytende" er ment en temperatur ved hvilken silicium er meget flytende. Det flytende silicium er sterkt mobilt og sterkt reaktivt overfor elementært carbon som ikke er diamant, dvs. at det har en affinitet overfor elementært carbon som ikke er diamant, ved at det fukter dette og reagerer med dette under dannelse av siliciumcarbid. Når silicium befinner seg ved dets smeltetemperatur som innen teknikken er angitt å variere fra 1412 til 1430°C, har det nærmere bestemt en høy viskositet, men efterhvert som temperaturen øker, får det en lavere viskositet, og ved en temperatur som er ca. ti grader høyere enn dets smelte-punkt, blir det flytende. Temperaturen ved hvilken siliciumet er flytende, er den temperatur ved hvilken det vil sige inn eller infiltrere kanalene med kapillærstørrelse, mellomrom eller hulrom i den foreliggende blanding av krystaller og elementært carbon som ikke er diamant, som er avgrenset i formen. Når temperaturen øker, vil det flytende siliciums flytbarhet øke og føre til en høyere reak-s jonshastighet.

Tilstrekkelig silicium infiltreres i massen eller blandingen som er avgrenset i formen, og siger inn eller infiltrerer hulrommene eller porene i blandingen på grunn av kapillærvirkning og reagerer med den samlede mengde av elementært carbon som ikke er diamant og som foreligger i den avgrensede blanding, under dannelse av siliciumcarbid, og det fyller også eventuelle porer eller hulrom som kan være tilbake efter at siliciumcarbidet er blitt dannet, og gir et sammenhengende, sterkt bundet og i det minste i det vesentlige porefritt legeme. Nærmere bestemt vil siliciumcarbid innta et større volum enn elementært carbon som ikke er diamant,

hvorved porøsiteten nedsettes og eventuelle porer som er tilbake efter at siliciumcarbidet er blitt dannet, fylles under infiltrer-

ing med elementært silicium. Siliciumet reagerer også under infiltreringen med det belegg av elementært carbon som ikke er diamant og som befinner seg på overflatene av krystallene, under dannelse av et beskyttende, vedheftende belegg av siliciumcarbid på diamantoverflåtene og uten tap eller noe vesentlig tap av krystaller og uten forandring eller noen vesentlig forandring i krystallenes form og dimensjoner. Den erholdte infiltrerte masse avkjøles i en atmosfære som ikke utøver noen vesentlig uheldig virkning på den infiltrerte masse, og den avkjøles fortrinnsvis i ovnen under delvakuumet til en temperatur tilnærmet lik værelsetemperatur, og det erholdte polykrystallinske legeme utvinnes.

Tiden for å oppnå en fullstendig infiltrering av siliciumet

kan bestemmes empirisk og er sterkt avhengig av den formede bland-

ings størrelse, og ofte er infiltreringen av det flytende silicium i den formede blanding som er avgrenset i formen, avsluttet i løpet av ca. 15 minutter.

En rekke metoder kan anvendes for å bestemme graden av siliciuminfiltrering i den formede blanding som er avgrenset i formen, av krystaller og elementært carbon som ikke er diamant.

Formen kan f.eks. avkjøles til.værelsetemperatur og åpnes og graden

av siliciuminfiltrering iakttas.

Ved en annen metode kan det endelige polykrystallinske legemes sammensetning og vekt bestemmes ut fra dets porøsitet, mengden av elementært carbon som ikke er diamant, og mengden av krystaller som er tilstede i en formet blanding som utgjøres av krystallene og elementært carbon som ikke er diamant. Nærmere bestemt kan innholdet av siliciumcarbid i det polykrystallinske produkt be-

regnes, ut fra mengden av elementært carbon i blandingen som ikke er diamant. Porøsiteten som er tilbake efter reaksjonen som fører til dannelse av siliciumcarbid er avsluttet, vil være dét volum som opptas av elementært silicium. Vekten av det endelige polykrystallinske legeme er den samlede eller tilnærmet den samlede vekt av krystallinnholdet, siliciumcarbidinnhold .og innholdet av elementært silicium. På grunn av dette kan enhver vektøkning av

den med silicium infiltrerte blanding under infiltreringen an-

vendes for å bestemme infiltreringsgraden.

Det foreliggende polykrystallinske legeme omfatter krystal-

ler fra gruppen diamant, kubisk bornitrid og kombinasjoner derav som er vedheftende bundet til hverandre ved hjelp av et binde-

middel som omfatter siliciumcarbid og elementært silicium, idet krystallene har en størrelse som varierer fra under l^um til 2000yum, et volum som varierer fra 1 volum% og opp til, men mindre enn,80 volum% av legemet, ofte opp til 75 volum% av legemet, og idet bindemidlet er tilstede i en mengde av opp til 99 volum% av legemet og er fordelt jevnt gjennom hele det polykrystallinske legeme, og hvor den del av bindemidlet som befinner seg i direkte kontakt med overflatene av de bundne krystaller, utgjøres av siliciumcarbid. Det foreliggende polykrystallinske legeme er porefritt eller inneholder porer som utgjør opp til, men under, 5 volum% av legemet.

Siliciumcarbidmengden i det foreliggende polykrystallinske legeme er avhengig av mengden av elementært carbon som ikke er diamant, i blandingen som er avgrenset i formen, og dette kan vises ved hjelp av den følgende ligning:

På den annen side er mengden av elementært silicium i det polykrystallinske legeme avhengig av den porøsitet eller de antall porer som er tilbake efter at den samlede mengde av elementært carbon som ikke er diamant, harreagert under dannelse av siliciumcarbid. Det foreliggende polykrystallinske legeme inneholder imidlertid alltid siliciumcarbid i en mengde av minst ca. 1 volum% av legemet og elementært silicium i en mengde av minst ca. 1 volum% av legemet.

Det foreliggende polykrystallinske legeme er som regel fritt for en fase av elementært carbon som ikke er diamant. Det kan imidlertid inneholde en fase av elementært carbon som ikke er diamant, i en mengde av opp til 5 volum% av legemet, forutsatt at en slik fase av elementært carbon som ikke er diamant, er tilstrekkelig fordelt gjennom hele legemet slik at den ikke vil ut-øve noen vesentlig uheldig virkning på dets mekaniske egenskaper. Tilstedeværelsen av fasen av elementært carbon som ikke er diamant, kan påvises ved hjelp av standard metallografiske metoder, som f.eks. ved optisk å undersøke et polert tverrsnitt av legemet eller ved hjelp av transmisjonselektronmikroskopi av eh tynn seksjon av legemet.

Det foreliggende polykrystallinske legeme er fritt for hulrom eller porer eller i det minste i det vesentlige fritt for porer, dvs. at det kan inneholde hulrom eller porer i en mengde av under 5 volum% av legemet, avhengig av dets spesielle anvendelse, forutsatt at slike hulrom eller porer er små, fortrinnsvis med en størrelse under l^um, og tilstrekkelig jevnt fordelt gjennom hele legemet, slik at de ikke utøver noen vesentlig uheldig virkning på legemets mekaniske egenskaper. Hulroms- eller pore-innholdet i det foreliggende legeme kan bestemmes ved hjelp av standard metallografiske metoder, som f.eks. optisk undersøkelse av et polert tverrsnitt av legemet.

Det er en spesiell fordel ved den foreliggende oppfinnelse at det foreliggende polykrystallinske legeme kan fremstilles direkte med en rekke forskjellige størrelser og former som hittil ikke har kunnet fremstilles eller som har krevet kostbare og omstendelige maskinbehandlinger på grunn av materialets egenart. Det foreliggendc-legeme kan f.eks. være så langt som adskillige centimetre eller så langt som ønsket, og det kan en meget kompleks geometri og kan mer spesielt fremstilles i form av et rør eller en hul sylinder,

en ring, en kule eller en stang med en skarp spiss ved den. ene ende. Da det foreliggende polykrystallinske legeme dessuten fremstilles med en på forhånd bestemt form med på forhånd bestemte dimensjoner, krever det liten eller ingen påfølgende maskinbehandling.

En del av det polykrystallinske legeme fremstilt ved hjelp

av den foreliggende fremgangsmåte, kan loddes, slagloddes eller på annen måte bringes til å hefte til et egnet bærermateriale, som sintret eller varmpresset siliciumcarbid, sintret eller varmpresset siliciumnitrid eller et sementert carbid eller et metall, som molybden, under dannelse av et verktøyinnsatsstykke som f.eks.

kan holdes ved hjelp av et verktøyskaft som er innrettet for å holdes i et maskinverktøy, hvorved den eksponerte overflate av det polykrystallinske legeme kan anvendes for direkte maskinbehandling. Det foreliggende polykrystallinske legeme kan også være

mekanisk fastklemt til et dreieverktøy for direkte maskinbehandling med den eksponerte overfla_te av det polykrystallinske legeme.

Oppfinnelsen er nærmere beskrevet ved hjelp av de neden-stående eksempler som også er angitt i tabell I, hvor den anvendte fremgangsmåte var som følger dersom intet annet er angitt:

Kommersielt rent silicium ble anvendt for infiltreringen.

Den anvendte "Epon 828" er en harpiks dannet ved omsetning

av epiklorhydrin med bisfenol A og er en væske ved værelsetemperatur og har en epoxydekvivalent av 185-192. "Epon 828" spaltes fullstendig ved en temperatur under 1300°C.

Det anvendte herdemiddel var diethylentriamin som er en

væske som vanlig betegnes som DTA og som herder "Epon 828" ved værelsetemperatur hvorved den størkner.

I hvert eksempel ifølge tabell I ble de gitte krystaller belagt med et meget tynt belegg av pyrolytisk carbon som ble av-

satt ved spaltning av naturgass. Nærmere bestemt ble for denne belegningsmetode krystallene spredd ut i en grafittdigel og anbragt i en grafittovn som utgjordes av en vakuumklokkekrukke.

Ovnen ble evakuert til 0,003 torr og oppvarmet til 1200°C. Methan fra en naturgassledning ble sluppet inn i ovnen som ble holdt ved et trykk av 50 torr i ca. 5 minutter. Ovnen ble derefter stengt av og krystallene avkjølt i ovnen til værelsetemperatur i vakuumet på 0,003 torr. Krystallene ble derefter igjen spredd ut i digelen som ble tilbakeført til ovnen, og belegningsmetoden ble gjentatt for å sikre en fullstendig belegning av krystallene.

En undersøkelse av de belagte krystaller viste at de hadde

et kontinuerlig, sammenhengende, sterkt vedheftende belegg av elementært carbon som ikke var diamant, dvs. at over 99 volum% av krystallene var skilt fra hverandre på grunn av carbonbelegget, og ingen av krystallenes overflater var eksponert. Da det avsatte belegg av elementært carbon som ikke er diamant på krystallene var meget tynt, dvs. at det hadde en tykkelse som varierte fra 500 Å

til 1000 Å, bidro det ikke i vesentlig grad til vekten av krystallene, og den gitte krystallvekt ifølge tabell I er derfor vekten av disse krystaller som var belagt med carbon.

Den gitte mengde av elementært carbon som ikke var diamant, 'Spon 828" og krystaller, dvs. carbonbelagte krystaller, ble om-rørt ved værelsetemperatur sammen med 0,1 g herdemiddel og tilstrekkelig methylethylketon, dvs. 0,1-0,2 g, for dannelse av en i det vesentlige jevn blanding. Methylethylketon er et oppløs-ningsmiddel for harpiksen "Epon 828" og fordeler denne gjennom hele blandingen.

Den erholdte blanding kunne formes for hånd og ble derefter formet i en "Teflon"-form og oppvarmet i luft til ca. 80°C

i ca. 1 time for å fordampe methylethylketon fra blandingen og for å påskynde herdingen av harpiksen. Den herdede, formede blanding ble fjernet fra formen uten at den klebet til denne og i ett stykke som ble holdt sammen av den herdede harpiks. Det hadde de i tabell I angitte dimensjoner, dvs. at det forelå som en jevn stang ifølge eksempel 1 og som en jevn skive ifølge eksemplene 2-6 .

Ifølge hvert av eksemplene ble den formede blanding inn-passet i en grafittform som hadde overflater som alle var blitt sprøytet med hexagonalt bornitrid.

Det tilknyttede apparat for utførelse av infiltreringen av silicium var lignende det som er vist på Fig. 1. Nærmere bestemt ble en massiv grafittsylinder anvendt med et hulrom boret ut i dens øvre endedel for å holde på siliciumet og med et hulrom boret ut i dens nedre endedel for å anvendes som et formhulrom. Dette ble boret slik at det svarte til formen og dimensjonene for den formede blanding, slik at det ikke forelå noe vesentlig fritt rom i formhulrommet da dette var stengt. Et infiltreringshull med en diameter av ca. 1,5 mm ble boret i det vesentlige perpendikulært mellom de to formhulrom for å forbinde disse.med hverandre. En veke av fibre av elementært carbon som ikke var diamant og med en lengde av ca. 12,7 mm og en diameter av ca. 1,27 mm, ble anbragt i infiltreringshullet og strakte seg inn i det øvre formhulrom, men bare slik at den akkurat kom i kontakt med den formede blanding i formhulrommet. Den formede blanding ble anbragt i formhulrommet som derefter ble stengt med en grafittplate under dannelse av en form som ikke var lufttett og som derfor kunne ventileres uten et ventilasjonshull. Grafittplaten ble holdt på plass ved hjelp av carbonfilament eller grafittstenger. En masse av kornformig elementært silicium ble fylt i det øvre formhulrom.

Det erholdte apparat ble anbragt i en vakuumovn av grafitt som ble evakuert til ca. 13,3 Pa og holdt på ca. 13,3 Pa under infiltreringen av silicium, hvorefter blandingen ble avkjølt i ovnen til værelsetemperatur. Restgassene i ovnen var ikke oxyderende.

Ovnen ble oppvarmet til den angitte infiltreringstemperatur og holdt ved en slik temperatur i den angitte tid. Krafttil-førselen ble derefter slått av, og det sammensatte apparat ble avkjølt i ovnen til værelsetemperatur.

Mengden av infiltrerende silicium var tilstrekkelig til at siliciumet fullstendig infiltrerte gjennom hele den i formen avgrensede blanding av krystaller og elementært carbon som ikke var diamant, og fastsettelsen av når infiltreringen av siliciumet var avsluttet i løpet av den angitte tid, ble basert på erfaring og resultater erholdt ved lignende forsøk.

Ved hvert eksempel ble det polykrystallinske legeme ut-vunnet fra formen uten å klebe til denne. Resten av infiltrerings-veken ble maskinelt fjernet. Det. erholdte polykrystallinske legeme forelå som en jevn stang eller skive, som angitt i tabell I.

Det polykrystallinske legemes densitet ble bestemt ved hjelp av fortrengning av vann. En del av en overflate av hvert polykrystallinsk legeme ble polert på en støpejernsoppsats.

I hvert eksempel ble den polerte overflate av.det polykrystallinske legeme undersøkt optisk under en forstørrelse av ca. 500 ganger med et mikroskop for å bestemme dets mikrostruktur.

Da krystallmengden var den samme eller ikke forandret seg vesentlig fra krystallmengden i den formede blanding, ble volumfraksjonen av krystaller i det polykrystallinske legeme beregnet/ og den ble.også basert på utseendet av det polykrystallinske legeme.

Volumfraksjonen av siliciumcarbid i det polykrystallinske legeme ble beregnet bare ut fra mengden av elementært carbon som ikke var diamant og som ble satt til den formede blanding, da mengden av elementært carbon som ikke er diamant og som ble avsatt som belegg på krystallene, og mengden som ble dannet fra "Epon 828", ikke var av betydning i noen av. disse eksempler.

Volumfraksjonen av elementært silicium i det polykrystallinske legeme ble beregnet og ble også basert på det porefrie eller i det vesentlige porefrie utseende av det polykrystallinske legeme ifølge hvert eksempel.

Alle de i tabell I gjengitte eksempler' er ifølge oppfinnelsen.

Ifølge hvert eksempel var det utvundne polykrystallinske legeme sammenhengende og hadde dimensjoner som ikke var forskjellige eller ikke vesentlig forskjellige fra de angitte dimensjoner for den formede blanding.

Ifølge hvert eksempel viste en optisk undersøkelse av den utvendige polerte overflate av det polykrystallinske legeme at dette var jevnt og fullstendig infiltrert, og bindemidlet syntes å være jevnt fordelt. Det syntes ikke å forekomme noe tap eller noe vesentlig tap av krystaller av diamant eller kubisk bornitrid eller noen forandring eller noen vesentlig forandring av formen og dimensjonene til krystallene av diamant eller kubisk bornitrid. Elementært silicium ble iakttatt som en skinnende fase med en størrelse av under l^um og i det vesentlige jevnt fordelt. Dessuten syntes de polerte overflater av de polykrystallinske legemer å være frie eller i det vesentlige frie for en fase av elementært carbon som ikke er diamant.

En polert seksjon av det polykrystallinske legeme ifølge eksempel 3 er vist på Fig. 2. Nærmere bestemt er på Fig. 2 vist at nesten alle diamantkrystallene i det minste er omgitt av en kontinuerlig fase som utgjøres av siliciumcarbid. Fasen med den lyseste farve ifølge Fig. 2 utgjøres av elementært silicium og synes å være i det vesentlige omgitt av siliciumcarbidfasen dvs. at en side av siliciumcarbidfasen omhyller diamantkrystallene, mens den motsatte side av siliciumcarbidfasen befinner seg i kontakt med fasen av elementært silicium.

På grunn av dets spesielle volumfraksjon av krystaller vil det polykrystallinske legeme fremstilt ifølge eksempel 1 kunne anvendes som et sagbladsegment mens de polykrystallinske legemer ifølge eksemplene 2-6 vil kunne anvendes som slitasjeoverflate eller som skjæreverktøy.

Eksempel 7

Et legeme av polykrystallinsk diamant ble fremstilt i det vesentlige på samme måte som beskrevet i eksempel 3 og med i det vesentlige den samme sammensetning.

Dets slitasjemotstand ble undersøkt ved hjelp av et dreie-benkforsøk. Nærmere bestemt ble det sylindriske polykrystallinske diamantlegeme malt til en utvendig diameter av 12,865 mm og over-flatemalt til en tykkelse av 4,521 mm. Det ferdige verktøy, dvs. det malte polykrystallinske diamantlegeme, ble montert i en klemme-verktøyholder med en svakt negativ sponvinkel. Et arbeids-stykke som. besto av en sylinder av "Black Diamond" ("Ebonite" fylt med siliciumsand) med en diameter av 14,2 cm og en lengde av 61 cm ble anvendt for forsøket. Arbeidsstykket ble rotert med

293 opm. Skjæredybden ble innstilt på 0,762 mm og traverserings-hastigheten på 0,0127 mm pr. omdreining. Efter 16,2 minutter med maskinbehandling med verktøyet av polykrystallinsk diamant, ble et slitasjeland med en lengde av 0,254 mm dannet på eggen av diamantverktøyet. Dets slitasjemotstandsfaktor som ble beregnet ved å dividere maskineringstiden i minutter med lengden av slitasje-landet var 16,2. Det polykrystallinske diamantverktøy ble rotert for å eksponere en fersk skjæreegg, og dreiebenkforsøket ble gjentatt med identiske resultater. ^

Verktøyet ble derefter igjen rotert for å eksponere en fersk diamantskjæreegg, og dreiebenkforsøket ble igjen gjentatt. Efter 32,4 minutters maskinering ble en slitasjemotstandsfaktor av 18,0 erholdt. Verktøyet ble derefter igjen rotert for å eksponere en fersk diamantskjæreegg, og dreiebenkforsøket ble gjentatt. Efter 64,8 minutters maskinering ble en slitasjemot-standsf aktor av 36,0 erholdt.

Eksempel 8

Et polykrystallinsk diamantlegeme ble fremstilt i det vesentlige på samme måte som angitt i eksempel 1, og det hadde i det vesentlige den samme sammensetning.

Det polykrystallinske legeme ble slipt manuelt mot et stykke av sandsten for å eksponere diamanten. Dets anvendbarhet som sagbladsegment ble bestemt ved å feste det polykrystallinske diamantlegeme i en klemmeinnretning til bladet av en laboratorie-rammesag. Sagen ble derefter satt i en frem- og tilbakegående bevegelse over en avstand av 6,6 7. cm 60 ganger pr. minutt. Arbeidsstykket som var en marmorsten fra Somerset (Ohio , USA), ble matet opp gjennom bladet med en opprinnelig hastighet av 0,127 mm pr. minutt som gradvis ble øket til 6,35 mm pr. minutt.

Fri skjæring av arbeidsstykket på grunn av diamantlegemet ble iakttatt hele tiden inntil diamantlegemet gikk i stykker på grunn av påkjenning fra klemmeinnretningen. Lignende resultater ble erholdt ved saging av granitt fra Tarn (bare med en hastighet av 0,127 mm pr. minutt).

Claims (3)

1. L'. Formet, polykrystallinsk legeme av en masse av krystaller av diamant og/eller kubisk bornitrid som er forbundet med hverandre ved hjelp av et bindemiddel av siliciumcarbid og elementært silicium, hvor volumet av hvert av siliciumcarbidet og siliciumet er minst 1 volum% av det polykrystallinske legeme, krystallene har en størrelse fra området under l^um og opp til 2000yUm,

   volumet av krystallene liggerx innen området fra 1 volum% opp til, men under, 80 volum% av legemet, bindemidlet er tilstede i en mengde av opp til 99 volum% av legemet og er jevnt fordelt gjennom legemet, den del av bindemidlet som befinner seg i kontakt med overflaten av krystallene, utgjøres av siliciumcarbid, og legemet er porefritt eller inneholder porer opp til, men under, 5 volum% av legemet, karakterisert ved at legemet er blitt fremstilt ved infiltrering av smeltet silicium i krystaller som er overtrukket av carbon som ikke er diamant, under anvendelse av et delvakuum av 1,33-26664 Pa.
2. 2. Fremgangsmåte ved fremstilling av et polykrystallinsk legeme ifølge krav 1 med på forhånd bestemt form og størrelse, karakterisert ved at det tilveiebringes en jevn blanding av krystaller av diamant og/eller kubisk bornitrid og et carbonholdig materiale, hvor ingen av krystallenes overflater er vesentlig eksponert og hvor minst 90 volum% av krystallene er omhyllet av et sammenhengende belegg av det carbonholdige materiale på krystallene og skilt fra hverandre, idet det carbonholdige materiale er fra gruppen elementært carbon som ikke er diamant, et organisk materiale som spaltes fullstendig ved en temperatur under 1400°C til elementært carbon som ikke er diamant og til gassformige produkter, og blandinger derav, og idet det organiske materiale foreligger i en mengde som er tilstrekkelig til ved spaltning på krystalloverflatene s;om det dekker, å danne et sammenhengende belegg av elementært carbon som ikke er diamant, en form tilveiebringes med et hulrom med den ønskede størrelse og form, og dessuten en anordning for å innføre flytende silicium i hulrommet og dessuten en anordning for å opprettholde et delvakuum i hulrommet som fylles med blandingen av krystaller og carbonholdig materiale slik at blandingen omsluttes i hulrommet som tilknyttes til en siliciummasse, hvorefter det dannede system utsettes for et delvakuum av 1,33-26664 Pa slik at restgassene ikke utøver noen vesentlig uheldig virkning på systemet som oppvarmes under delvakuumet til en temperatur over 1400°C slik at siliciumet blir flytende og temperaturen ikke utøver noen vesentlig uheldig virkning på krystallene, og det flytende silicium bringes til å infiltrere den omsluttede blanding, idet det anvendes et delvakuum som

   er tilstrekkelig til fra den omsluttede blanding å fjerne gass som blokkerer.infiltreringen av det flytende silicium som bringes til å reagere med det elementære carbon som ikke er diamant, under dannelse av siliciumcarbid, hvorefter den erholdte infiltrerte masse av krystaller avkjøles i en atmosfære som ikke utøver noen vesentlig uheldig virkning på massen, og det erholdte polykrystallinske legeme med på forhånd bestemt form og størrelse utvinnes, hvori krystallene er bundet sammen ved hjelp av et bindemiddel som utgjøres av siliciumcarbid og elementært silicium, og hvori de bundne krystaller er tilstede i en mengde fra 1 volum% og opp til, men under, 80 volum% av det samlede volum av legemet som er porefritt eller som inneholder porer i en mengde av opp til, men under, 5 volum% av legemet.
3. 3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at det anvendes krystaller med en størrelse av l-60^um.